Ⅰ 無線感測器網路體系結構包括哪些部分
感測器網路系統通常包括感測器節點(sensor)、匯聚節點(sink node)和管理節點。大量感測器節點隨機部署在監測區域(sensor field)內部或附近,能夠通過自組織方式構成網路。感測器節點監測的數據沿著其他感測器節點逐跳地進行傳輸,在傳輸過程中監測數據可能被多個節點處理,經過多跳後路由到匯聚節點,最後通過互聯網或衛星到達管理節點。用戶通過管理節點對感測器網路進行配置和管理,發布監測任務以及收集監測數據。 感測器網路節點的組成和功能包括如下四個基本單元:感測單元(由感測器和模數轉換功能模塊組成)、處理單元(由嵌入式系統構成,包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統等)、通信單元(由無線通信模塊組成)、以及電源部分。此外,可以選擇的其它功能單元包括:定位系統、運動系統以及發電裝置等。
Ⅱ 為什麼無線感測器節點性能提升十分緩慢,沒有像摩爾定律的速度發展
WSN(wirelesssensornetworks)是無線感測器網路,是由大量的具有感知能力的感測器節點,通過自組織方式構成的無線網路。感測器監控不同位置的物理或環境狀況(比如溫度、聲音、振動、壓力、運動或污染物)。無線感測器網路的發展最初起源於戰場監測等軍事應用。而現今無線感測器網路被應用於很多民用領域,如環境與生態監測、健康監護、家居自動化以及交通控制等。
一個典型的無線感測器網路的系統架構包括分布式無線感測器節點(群)、接收發送器匯聚節點、互聯網或通信衛星和任務管理節點等,如下圖所示。大量感測器節點隨機部署在監測區域內部或附近,能夠通過自組織方式構成網路。感測器節點監測的數據沿著其他感測器節點逐跳地進行傳輸,在傳輸過程中監測數據可能被多個節點處理,經過多跳後路由到匯聚節點,最後通過互聯網或衛星到達管理節點。用戶通過管理節點對感測器網路進行配置和管理,發布監測任務以及收集監測數據。
無線感測器網路中主要包含兩類節點:
感測器節點:具有感知和通信功能的節點,在感測器網路中負責監控目標區域並獲取數據,以及完成與其他感測器節點的通信,能夠對數據進行簡單的處理。
Sink節點:又稱為基站節點,負責匯總由感測器節點發送過來的數據,並作進一步數據融合以及其他操作,最終把處理好的數據上傳至互聯網
匯聚節點
匯聚節點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強,它是連接感測器網路與Intemet等外
部網路的網關,實現兩種協議間的轉換,同時向感測器節點發布來自管理節點的監測任務,並把WSN收集到的數據轉發到外部網路上。匯聚節點既可以是一個具有增強功能的感測器節點,有足夠的能量供給和更多的、Flash和SRAM中的所有信息傳輸到計算機中,通過匯編軟體,可很方便地把獲取的信息轉換成匯編文件格式,從而分析出感測節點所存儲的程序代碼、路由協議及密鑰等機密信息,同時還可以修改程序代碼,並載入到感測節點中。
管理節點
管理節點用於動態地管理整個無線感測器網路:感測器網路的所有者通過管理節點訪問無線感測器網路的資源。
無線感測器網路的拓撲結構
三種常見拓撲結構
星型拓撲:具有組網簡單、成本低;但網路覆蓋范圍小,一旦sink節點發生故障,所有與sink節點連接的感測器節點與網路中心的通信都將中斷。星形拓撲結構組網時,電池的使用壽命較長。
網狀拓撲:具有組網可靠性高、覆蓋范圍大的優點,但電池使用壽命短、管理復雜
樹狀拓撲:具有星形和網狀拓撲的一些特點,既保證了網路覆蓋范圍大,同時又不至於電池使用壽命過短,更加靈活、高效。
無線感測器網路的特點
1.自組織性;2.以數據為中心;3.應用相關性;4.動態性;5.網路規模大;6.可靠性
無線感測器網路(WSN)被認為是影響人類未來生活的重要技術之一,這一新興技術為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。由於WSN本身的特點,使得它與現有的傳統網路技術之間存在較大的區別,給人們提出了很多新的挑戰。
Ⅲ 無線感測器網路體系結構包括哪些部分,各部分的
結構
感測器網路系統通常包括感測器節點EndDevice、匯聚節點Router和管理節點Coordinator。
大量感測器節點隨機部署在監測區域內部或附近,能夠通過自組織方式構成網路。感測器節點監測的數據沿著其他感測器節點逐跳地進行傳輸,在傳輸過程中監測數據可能被多個節點處理,經過多跳後路由到匯聚節點,最後通過互聯網或衛星到達管理節點。用戶通過管理節點對感測器網路進行配置和管理,發布監測任務以及收集監測數據。
感測器節點
處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱,通過小容量電池供電。從網路功能上看,每個感測器節點除了進行本地信息收集和數據處理外,還要對其他節點轉發來的數據進行存儲、管理和融合,並與其他節點協作完成一些特定任務。
匯聚節點
匯聚節點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強,它是連接感測器網路與Internet 等外部網路的網關,實現兩種協議間的轉換,同時向感測器節點發布來自管理節點的監測任務,並把WSN收集到的數據轉發到外部網路上。匯聚節點既可以是一個具有增強功能的感測器節點,有足夠的能量供給和更多的、Flash和SRAM中的所有信息傳輸到計算機中,通過匯編軟體,可很方便地把獲取的信息轉換成匯編文件格式,從而分析出感測節點所存儲的程序代碼、路由協議及密鑰等機密信息,同時還可以修改程序代碼,並載入到感測節點中。
管理節點
管理節點用於動態地管理整個無線感測器網路。感測器網路的所有者通過管理節點訪問無線感測器網路的資源。
無線感測器測距
在無線感測器網路中,常用的測量節點間距離的方法主要有TOA(Time of Arrival),TDOA(Time Difference of Arrival)、超聲波、RSSI(Received Sig nalStrength Indicator)和TOF(Time of Light)等。
Ⅳ 無線感測器知識大全,看完請收藏!
物聯網是在現有互聯網的基礎上發展起來的,物聯網除了融合網路、信息技術、RFID技術之外,還引入了無線感測器技術,使得物聯網有了更深的發展,而且無線感測器技術還與嵌入式系統技術、現代網路以及無線通信技術進行結合,所以無線感測器本身也是一個炙手可熱的研究領域。
感測器技術
無線感測器網路結構介紹
無線感測器網路系統通常包括匯聚節點(Sinknode)、感測器節點(Sensornode)與管理節點。
大量感測器節點隨機部署在監測區域附近或者內部,感測器節點檢測的數據沿著其他的感測器節點逐條地進行傳輸,在傳輸的過程中檢測數據可能會被多個節點進行處理,經過跳後路由到匯聚的節點,然後通過衛星或者互聯網傳輸到達管理節點,而用戶通過對節點的管理對感測器網路進行管理、發布監測數據和管理。
感測器整體部署
無線感測器網路特點介紹
規模大
為了能夠獲取精確信息,在監測區域通常部署大量感測器節點,一般情況下會達到上萬個甚至更多,感測器網路的大規模性主要包括了兩個方面的含義:一方面是感測器節點的部署非常密集,在面積狹小的空間內密集的部署了大量的感測器節點。另一方面,是感測器節點分布在區域很大的范圍內,比如在原始的大森林中採用感測器網路進行森林防火的安全環境監測,這種在區域寬廣的范圍內需要部署大量的感測器節點。
可靠性
無線感測器節點非常適合部署在自然環境惡劣或者人類不宜居住的區域,這些節點可能工作在環境較惡劣的地方,遭受風吹、雨淋、日曬,還甚至遭到人或者動物的破壞,而這些感測器節點往往採用隨機進行部署,部署的方式是利用飛機散播,或炮彈發射到指定的區域進行部署,所以這些節點要非常堅固,不容易被損壞,可靠性很強。
自組織
在感測器網路應用中,通常情況下感測器節點會被放置在沒有基礎結構的地方,其實感測器節點的相隔距離、精確位置不能預先確定。你可以想像,通過飛機散播或者炮彈發射大量感測器節點到面積廣闊的森林、山谷之中,這樣就必須要求感測器節點本身具有自組織的能力,能夠進行自我管理和配置,通過網路協議和拓撲控制機制自動形成轉發監測數據的多跳無線網路系統。
動態性
感測器網路的拓撲結構有可能會因為下列因素而發生改變:①環境的變化可能會造成無線通信鏈路帶寬產生變化,有時甚至會時斷時通;②電力資源出現故障或耗盡導致的感測器節點故障或者失效;③感測器網路的感知對象、感測器與觀察者這三要素都可能具有移動性;④有新節點加入,通常這種情況就必須要求感測器網路系統要能適應這種變化,具有動態系統可重構性。
無線感測器網路有哪些安全問題
安全路由
一般在無線感測器網路中,大量的感測器節點都密集分布在一個區域內,信息傳輸可能要經過很多節點才能到達目的地,而且感測器網路具有多跳結構和動態性,因此,需要去每個節點都應具備路由功能,
由於每個節點都是潛在的路由節點,因此更易受到攻擊,這樣就可能使網路不怎麼安全,安全的路由演算法會直接影響無線感測器的可用性和安全性,安全路由協議一般是採用認證和鏈路層加密,身份認證、多路徑路由、雙向連接認證和認證廣播等機制,非常有效的提高了網路抵禦外部攻擊的能力,從而增強路由的安全性。
Ⅳ 什麼是異構網路,什麼是同構網路具體的概述
隨著感測器技術、 嵌入式技術、 分布式信息處理技術和無線通信技術的發展, 以大量的具有微處理能力的微型感測器節點組成的無線感測器網路(WSN)逐漸成為研究熱點問題。
與傳統無線通信網路Ad Hoc網路相比, WSN的自組織性、 動態性、 可靠性和以數據為中心等特點, 使其可以應用到人員無法到達的地方, 比如戰場、 沙漠等。 因此, 可以斷定未來無線感測器網路將有更為廣泛的前景。
無線感測器網路
無線感測器網路(Wireless Sensor Networks, WSN)是一種分布式感測網路,由大量的靜止或移動的感測器以自組織和多跳的方式構成的無線網路,以協作地感知、採集、處理和傳輸網路覆蓋地理區域內被感知對象的信息,並最終把這些信息發送給網路的所有者。感測器、感知對象和觀察者構成了無線感測器網路的三個要素。
無線感測器網路所具有的眾多類型的感測器,可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、雜訊、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環境中多種多樣的現象。潛在的應用領域可以歸納為: 軍事、航空、防爆、救災、環境、醫療、保健、家居、工業、商業等領域。
與傳統有線網路相比,無線感測器網路技術具有很明顯的優勢特點,主要的要求有: 低能耗、 低成本、 通用性、 網路拓撲、 安全、 實時性、 以數據為中心等。
無線感測器網路系統的典型結構
採用同構網路實現遠程監測的無線感測器網路系統典型結構, 由感測器節點、 匯聚節點、 伺服器端的PC和客戶端的PC四大硬體環節組成, 各組成環節功能如下。
圖1 遠程監測無線感測器網路系統結構框圖
感測器節點
部署在監測區域(A區), 通過自組織方式構成無線網路。 感測器節點監測的數據沿著其它節點逐跳進行無線傳輸, 經過多跳後達到匯聚節點(B區)。
匯聚節點
是一個網路協調器, 負責無線網路的組建, 再將感測器節點無線傳輸進來的信息與數據通過SCI( 串列通信介面)傳送至伺服器端PC。
伺服器端PC
是一個位於B區的管理節點, 也是獨立的Internet網關節點。 在LabVIEW軟體平台上面有兩個軟體: 一是對感測器無線網路進行監測管理的軟體平台VI, 即一個監測感測器無線網路的虛擬儀器VI; 二是Web Server軟體模塊和遠程面板技術(Remote Panel), 可實現感測器無線網路與Internet的連接。
客戶端PC
客戶端PC上無需進行任何軟體設計, 在瀏覽器中就可調用伺服器PC中無線感測器網路監測虛擬儀器的前面板, 實現遠程異地(C區)對感測器無線網路(A區)的監測與管理。
無線感測器網路中的感測器節點
1. 感測器及其調理電路
應根據無線感測器網路所在的地區環境特點來選擇感測器, 以適應環境溫度變化范圍、 尺寸體積等特殊要求。 感測器所配接的調理電路將感測器輸出的變化量轉換成能與A/D轉換器相適配的0~2.5 V或0~5 V的電壓信號。 當處於無電網供電地區時, 感測器及其調理電路都應是低功耗的。
2. 數據採集及A/D轉換器與微處理器系統
感測器節點中的計算機系統是低功耗的單片微處理器系統, 可以適應遠離測試中心、 偏遠地區惡劣環境的工作條件。 如美國德克薩斯州儀器(TI)公司生產的MSP430-F149A超低功耗混合信號處理器(Mixed Signal Processor), 它內部自帶采樣/保持器和12位A/D轉換器, 可對信號進行採集、 轉換以及對全節點系統進行指令控制和數據處理。
3. 射頻模塊
射頻模塊接收外部無線指令並將感測器檢測到的被測參量數據信息無線發送出去, 如TI公司的CC2420無線收發晶元。
Ⅵ 簡述無線感測器網路的拓撲結構。
【答案】:無線感測器網路拓撲結構是組織無線感測器節讓羨脊點的組網技術,有多種形態和組網方式。按照其組網形態和方式來看,有集中式、分布式和混合式。無線感測器網路的集中式結構類似移動通信的蜂窩結構,集中管理;無線感測器網路的分布式坦滲派逗結構,類似Ad-Hoc網路結構,可自組織網路接入連接,分布管理;無線感測器網路的混合式結構包括集中式和分布式結構的組合。無線感測器網路的網狀式結構,類似Mesh網路結構,網狀分布連接和管理。
Ⅶ ZigBee無線感測器網路拓撲結構有哪幾種
ZigBee技術具有強大的組網能力,可以形成星型、樹型和網狀網,可以根據實際項目需要來選擇合適的網路結構;星型和族樹型網路適合點多多點、距離相對較近的應用。
ZigBee節點是可以組建Mesh網路的,設置一個ZigBee節點為網路協調器,其他每個ZigBee節點都可以當做路由節點來使用,也可以設置為終端節點但是就失去了路由功能。由於ZIGBEE一般都是用2。4G頻段傳輸,其實際應用中傳輸距離及穿透性都很差,一般只能傳輸幾十米到上百米。
(7)無線感測器網路的系統架構設計圖擴展閱讀:
相較於傳統式的網路和其他感測器相比,無線感測器網路有以下特點:
(1)組建方式自由。無線網路感測器的組建不受任何外界條件的限制,組建者無論在何時何地,都可以快速地組建起一個功能完善的無線網路感測器網路,組建成功之後的維護管理工作也完全在網路內部進行。
(2)網路拓撲結構的不確定性。從網路層次的方向來看,無線感測器的網路拓撲結構是變化不定的,例如構成網路拓撲結構的感測器節點可以隨時增加或者減少,網路拓撲結構圖可以隨時被分開或者合並。
Ⅷ 無線感測器在網路中的應用設計
下面是由整理的畢業設計論文《無線感測器在網路中的應用設計》,歡迎閱讀。
1引言
無線感測器網路(Wireless Sensor Networks,簡稱WSNs)是由部署在監測區域內大量的廉價微型感測器節點組成,通過無線通信形成一個多跳自組織網路系統,能夠實時監測、感知和採集網路分布區域內監視對象的各種信息,並加以處理,完成數據採集和監測任務。WSNs綜合了感測器、嵌入式計算、無線通訊、分布式信息處理等技術,具有快速構建、自配置、自調整拓撲、多跳路由、高密度、節點數可變、無統一地址、無線通信等特點,特別適用於大范圍、偏遠距離、危險環境等條件下的實時信息監測,可以廣泛應用於軍事、交通、環境監測和預報、衛生保健、空間探索等各個領域。
2節點的總體設計和器件選型
2.1節點的總體設計
WSNs微型節點應用數量比較大,更換和維護比較困難,要求其節點成本低廉和工作時間盡可能長;功能上要求WSNs中不應該存在專門的路由器節點,每個節點既是終端節點,又是路由器節點。節點間採用移動自組織網路聯系起來,並採用多跳的路由機制進行通信。因此,在單個節點上,一方面硬體必須低能耗,採用無線傳輸方式;另一方面軟體必須支持多跳的路由協議。基於這些基本思想,設計了以高檔8位AVR單片機ATmega128L為核心,結合外圍感測器和2.4 GHz無線收發模塊CC2420的WSNs微型節點。這兩款器件的體積非常小,加上外圍電路,其整體體積也很小,非常適合用作WSNs節點的元件。
圖1給出WSNs微型節點結構。它由數據採集單元、數據處理單元、數據傳輸單元和電源管理單元4部分組成。數據採集單元負責監測區域內信息的採集和數據轉換,設計中包括了可燃性氣體感測器和濕度感測器;數據處理單元負責控制整個節點的處理操作、路由協議、同步定位、功耗管理、任務管理等;數據傳輸單元負責與其他節點進行無線通信,交換控制消息和收發採集數據;電源管理單元選通所用到的感測器,節點電源由幾節AA電池組成,實際工業應用中採用微型紐扣電池,以進一步減小體積。為了調試方便及可擴展性,可將數據採集單元獨立出來,做成兩塊能相互套接的可擴展主板。
2.2處理器選型
處理器的選型要求和指標是功耗低,保證長時間不更換電源也能順利工作,供給電壓小於5 V,有較快的處理速度和能力,由於節點是需要大量安置的,所以價格也要相對便宜。選用AVR單片機,考慮到電路中I/O的個數不多,功耗低、成本低、適合與無線器件介面配合等多方面因素,綜合對比後,選用Atmel公司的ATmega128L。該微型控制器擁有豐富的片上資源,包括4個定時器、4 KB SRAM、128KB Flash和4 KBEEPROM;擁有UART、SPI、I2C、JTAG介面,方便無線器件和感測器的接入;有6種電源節能模式,方便低功耗設計。
2.3無線通信器件選型 CC2420是一款符合ZigBee技術的高集成度工業用射頻收發器,其MAC層和PHY層協議符合802.15.4規范,工作於2.4 GHz頻段。該器件只需極少外部元件,即可確保短距離通信的有效性和可靠性。數據傳輸單元模塊支持數據傳輸率高達250 Kb/s,即可實現多點對多點的快速組網,系統體積小、成本低、功耗小,適於電池長期供電,具有硬體加密、安全可靠、組網靈活、抗毀性強等特點。
2.4感測器選型
由於WSNs是用於礦下安全監測,常要檢測礦下可燃氣體的濃度(預防瓦斯氣體濃度過高)和空氣濕度,所以要選擇測量氣體濃度和濕度的感測器。
2.4.1 HIH-4000系列測濕感測器
HIH-4000系列測濕感測器作為一個低成本、可軟焊的單個直插式組件(SIP)能提供儀表測量質量的相對濕度(RH)感測性能。RH感測器可用在二引線間有間距的配量中,它是一個熱固塑料型電容感測元件,其內部具有信號處理功能。感測器的多層結構對應用環境的不利因素,諸如潮濕、灰塵、污垢、油類和環境中常見的化學品具有最佳的抗力,因此可認定它能適用礦下環境。
2.4.2 MR511熱線型半導體氣敏元件
MR511型氣敏元件利用氣體吸附在金屬氧化物半導體表面而產生熱傳導變化及電傳導變化的原理,由白金線圈電阻值變化測定氣體濃度。MR511由檢測元件和補償元件配對組成電橋的兩個臂,遇可燃性氣體時,檢測元件的電阻減小,橋路輸出電壓變化,該電壓變化隨氣體濃度的增大而成比例增大,補償元件具有溫度補償作用。MR511除具有靈敏度高、響應恢復時間短、穩定性好特點外,還具有功耗小,抗環境溫濕度干擾能力強的優點。WSNs的節能和井下惡劣溫濕環境要求MR5111可以滿足。
3 WSNs節點設計
3.1數據採集單元
考慮到無線感測器網路節點的節能和井下惡劣的溫濕環境,為了便於數據採集,系統設計採用HIH-4000-01型測濕度感測器和MR511熱線型半導體氣體感測器。圖2、圖3分別給出其電路設計圖。
3.2數據處理單元
ATmega128L的外圍電路設計簡單,設計時注意在數字電路的電源並人多隻電容濾波。ATmega128L的工作時鍾源可以選取外部晶振、外部RC振盪器、內部RC振盪器、外部時鍾源等方式。工作時鍾源的選擇通過ATmega128L的內部熔絲位來設計。熔絲位可以通過JTAG編程、ISP編程等方式設置。ATmega128L採用7.3728 MHz和32.768 kHz兩個外部晶振。前者用作工作時鍾,後者用作實時時鍾源。
3.3數據傳輸單元
3.3.1 CC2420外圍電路設計
圖4給出數據傳輸單元的外圍電路。CC2420隻需要極少的外圍元器件。其外圍電路包括晶振時鍾電路、射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器介面電路3部分。
射頻輸入/輸出匹配電路主要用來匹配器件的輸入輸出阻抗,使其輸入輸出阻抗為50 Ω,同時為器件內部的PA及LNA提供直流偏置。射頻輸入/輸出是高阻抗,有差別。射頻端最適合的負載是115+j180 Ω。C61、C62、C71、C81、L61組成不平衡變壓器,L62和L81匹配射頻輸入輸出到50 Ω;L61和L62同時提供功率放大器和低雜訊放大器的直流偏置。內部的T/R開關是為了切換低雜訊放大器/功率放大器。R451偏置電阻是電流基準發生器的精密電阻。CC2420本振信號既可由外部有源晶體提供,也可由內部電路提供。若由內部電路提供時,需外加晶體振盪器和兩只負載電容,電容的大小取決於晶體的頻率及輸入容抗等參數。設計採用16 MHz晶振時,其電容值約為22 pF。C381和C391是外部晶體振盪器的負載電容。片上電壓調節器提供所有內部1.8 V電源的供應。C42是電壓調節器的負載電容,用於穩定調節器。為得到最佳性能必須使用電源去耦。在應用中使用大小合適的去耦電容和功率濾波器是非常重要的。CC2420可以通過4線SPI匯流排(SI、SO、SCLK、CSn)設置器件的工作模式,並實現讀,寫緩存數據,讀/寫狀態寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP引腳介面的狀態可設置發射/接收緩存器。
3.3.2配置IEEE 802.15.4工作模式
CC2420為IEEE 802.15.4的數據幀格式提供硬體支持。其MAC層的幀格式為:頭幀+數據幀+校驗幀;PHY層的幀格式為:同步幀+PHY頭幀+MAC幀,幀頭序列的長度可通過設置寄存器改變,採用16位CRC校驗來提高數據傳輸的可靠性。發送或接收的數據幀被送入RAM中的128位元組緩存區進行相應的幀打包和拆包操作。表1給出CC2420的四線串列SPI介面引腳功能。它是設計單片機電路的依據,充分發揮這些功能是設計無線通信產品的前提。
3.3.3 CC2420與單片機介面電路設計
圖5給出CC2420與ATmega128L單片機的介面電路。CC2420通過簡單的四線(SI、SO、SCLK、CSn)與SPI兼容串列介面配置,這時CC2420是受控的。ATmega128L的SPI介面工作在主機模式,它是SPI數據傳輸的控制方;CC2420設為從機工作方式。當ATmega128L的SPI介面設為主機工作方式時,其硬體電路不會自動控制SS引腳。因此,在SH通信時,應在SPI介面初始化,它是由程序控制SS,將其拉為低電平,此後,當把數據寫入主機的SPI數據寄存器後,主機介面將自動啟動時鍾發生器,在硬體電路的控制下,移位傳送,通過MOSI將數據移出ATmega128L,並同時從CC2420由MISO移人數據,8位數據全部移出時,兩個寄存器就實現了一次數據交換。
4結語
通過對於無線感測器網路節點中感測器元件、數據處理模塊、數據傳輸模塊和電源的選擇,設計了一種以CC2420和ATmega128L為主體的硬體方案。利用該方案設計的CC2420和ATmega128L的外圍電路以及兩者之間的介面電路。此外,還對感測器與單片機的介面電路進行設計。通過實驗驗證,設計的硬體節點基本上達到了項目要求,經調試能通過感測器正確真實地採集數據,並實現兩個無線節點(兩個電路板。AA電池供電)在30 m左右的通信、傳輸數據、並反映到終端設備。