无线网络传感器的应用与技术

1.国外的智能灰尘

智能灰尘（Smart Dust）是结合MEMS技术和集成器件技术，体积不超过1mm³，使用太阳电池，具有光通信能力的自治传感器节点。这些微小的无线传感器节点，可通过自组织成为一个无线传感器网络。智能灰尘是具有计算机功能的超微型传感器，它由微处理器、无线电收发装置和使它们能够组成一个无线网络的软件组成。将一些智能灰尘散放在一定范围内，它们就能够相互定位、收集数据，并向基站传递信息。图5-11所示为智能灰尘较为形象的示意图。

图5-11 智能灰尘较为形象的示意图

图5-12 智能灰尘的硬件结构原理框图

硅微集成传感器、芯片技术、无线通信模块等技术，使微系统的体积迅速缩小到了米粒大小，功能却包含了从信息收集、信息处理到信息发送所必需的全部部件。智能灰尘硬件结构原理框图如图5-12所示。

光通信模式有被动和主动两种：一种是被动工作模式，节点本身不发光，通过反射来自基站收发器的光，实现信息传递。节点结构简单，功耗低。但由于不能主动发送消息，只能等待主站查询，故响应速度比较慢；另一种是主动工作模式，节点上有激光光源、以及校准透镜和光束调节微镜等装置。在有数据需发送时，可主动向周围的节点或者主站发送信息。这种工作模式节点功耗，相应比被动工作模式的大。被动工作模式的传感器节点依赖基站完成通信，只能构建节点直接与基站通信的集中式网络；这些技术的难点在一定程度上限制了智能灰尘的应用。

图5-13 智能尘埃实物图

美国加州大学伯克利分校开发的智能灰尘代表当前的技术主流，其硬件实物图如图5-13所示。它集成了微处理器（AT90LS8535）、EPROM、串行口、无线通信模块（TR1000）、温度传感器（AD7418）、光强传感器（CL9P4L）等。因为系统是由电池供电，所以能耗受限。为了减少功耗，各个硬件均采用小体积、低功耗的器件。为了实现系统的微型化，硬件电路采用模块化设计，由主机模块、传感器模块、通信模块、电源模块4部分组成。

1）主机模块。微处理器采用Atmel公司的AT90LS8535。AT90LS8535是8位AVR单片机，内嵌8KB内存，用于存储程序代码，还有512B的RAM用于存储数据；外接4MHz晶体振荡器，保证较低功耗。协处理器的主要功能是存储临时数据。

2）传感器模块。光强传感器采用Clairex公司的CL9P4L产品。它实际上就是一个光敏二极管，能将光强的变化转化为电阻的变化。温度传感器采用AD公司的AD7418产品。

3）通信模块。无线收发器件采用RFM公司的TR1000。TR1000外围电路简单，具有休眠模式，以降低功耗，可达到115.2kbit/s的数据传输速率，理想传输环境下的有效通信距离为1000m。

4）电源模块。电池采用日本松下公司的CR2054产品。CR2054存储了560mA·h的电能，并且体积较小。传感器系统处于收发数据的工作模式下，可以连续供电35h，而处于休眠状态等节能模式下，能够供电至少1年。(www.xing528.com)

2.Mica系列节点

目前应用最广泛的是Mica、Mica2和Micaz尘埃节点。Mica系列节点包含一个Atmel Mica和Mica2的连接器用于连接具有多种传感器的附加板。目前支持的传感器包括光、温度、湿度、压力、红外线、声音、加速度、磁力、风速和风向等传感器。同样支持简单的执行部件，如彩色LED和蜂鸣器。

Mica3的无线模块使用的是Chipcon公司的CC1020产品。该芯片使用了高斯滤波频移键控（GFSK）的编码调制方式，拥有6kbit/s的数据吞吐量，输出功率达到27dBm，可以传送更远的距离，更适合室外应用；Micaz则使用了Chipcon公司的CC2420产品。CC2420是较早支持ZigBee通信技术的通信芯片，载波频率为2.4GHz，数据传输速率最高可达250kbit/s，通信距离为60～150m，更适合于室内应用。除了通信技术不同以外，两款节点其他设计与Mica2都是相同的。

3.GAINS节点

（1）无线传感器网络节点

GAINS系列节点、专业低功耗处理器（WOLPP）、事件驱动的无线传感器网络操作系统GOS等。通常节点兼容同类功能，节点的设计都是以无线通信为中心，并在数据采集、数据处理、微型化和低功耗等性能方面有很大提高。节点采用纽扣电池供电，通过外扩的编程板构成。板上接口丰富，包括JTAG接口、USB接口、外部供电接口等。JTAG接口用于实现对节点的仿真和编程；USB接口实现与PC通信，并对节点供电；外部供电接口支持9～11V直流供电。它采用ATmega128低功耗微处理器芯片，射频部分采用Chipcon公司的CC1000芯片，整个系统分为微处理器模块、供电模块和射频模块，其中微处理器模块和供电模块处在同一块板上，射频模块单独处在一块板上，并通过特殊的接口将两块板上下连接在一起，同时微处理器模块集成了传感器功能，供电模块采用高质量的纽扣电池供电，从而大大缩小了模块的体积。同时与之配套的编程调试板可为miniGAINS提供标准的JTAG接口，并可连接USB和外接直流电源，方便客户调试和二次开发。

软件上miniGAINS全面兼容GAINS3-433开发套件，提供了面向无线传感器的MAC协议堆栈及面向应用层设计的接口（有库文件和源代码两种形式）。现阶段，由于这方面的协议还没有统一的标准，主要是提供了一个透明的输入输出流控制，以及一些基本的MAC层的控制，并且提供了丰富的对外接口便于用户开发自己的协议。在此基础上，用户可以构建自己的系统，组成更复杂的网络。在设计中，除提供集成电路及其外围器件的参考设计；还要考虑配套的编程调试板提供标准JTAG接口和USB接口，用于在线硬件调试；功能丰富、接口清晰的协议栈工作频段为433MHz，全面兼容GAINS3模块软件；网络可视化后台软件；纽扣电池供电，小巧简便；板子封装尺寸仅为4.85cm×3cm；采用都为低功耗元器件。在休眠状态下，电流仅为5mA，在发射状态下，电流为9mA，在掉电节能模式下，电流只有110μA左右。协议栈使用C语言开发，易于开发与移植，提供包括编程器、天线等在内的外围器件，套件视频使用说明等。

（2）节点结构组成

节点内目前可使用Atmel公司的8位AVR-ATmega128L微控制器、AT45 DB04存储器、Tiny嵌入式操作系、Chipcon公司的CC1000超低功耗的无线射频收发单元及JTAG&UART接口，主要用于数据处理与无线通信。SIA-MS-1.0传感器模块由传声器（麦克风）、声响器、光传感器、温度传感器、两轴加速度传感器、两轴磁力传感器及辅助电路组成，用于感知外部环境参数。

传感器板通过51针外扩连接器与通信及处理器子系统连接。SIA-MS-1.0程序下载模块由一个RS-232串行接口、一个用于程序下载的并行接口（打印并行接口）、JTAC接口、51针外扩连接器及DC-DC转换单元组成，用于程序下载与调试。电源子系统负责给SIA-MS-1.0供电。

（3）具有软硬结合的节点

灵活组网技术的主控系统（WMNMCS）典型结构主要包括节点硬软件平台、MAC协议、路由协议、节点数据融合、网络数据聚集、无线传感器网络与互联网互连技术、网络模拟器等。在传感器网络节点方面，目前已研制出具有自主知识产权的第三代节点系统：WM插图-NMCS-Ⅰ、WMNMCS-Ⅱ和WMNMCS-Ⅲ。

WMNMCS模块的所有器件都集成在4cm×4cm的印制电路板上（二次集成后仅有一元硬币大小），面向低端，采用MCS-51微处理器；面向高端，采用ARM微处理器。系统采用嵌入式实时操作系统，B/S模式的通信，网络协议遵循工业标准协议，支持HTTP、PPP/SLIP、UIP9.0，网络接口有RS-232、以太网和CAN。WMNMCS模块具有多功能、体积小、低功耗、高可靠性等诸多优点。