基于移动中继站的无线传感器网络设计

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1、万方数据第203059麓5背Info信rmat息izat化ion研Res究earchⅥMa_y{20№095年月=：：===：：=：=；===============================================================================基于移动中继站的无线传感器网络设计王龙军(南京航空航天大学电工电子实验中心，江苏塔南京市210016)摘要：WSN(无线传感器网络)是由大量分布式的不同规格和功能的具有感知、计算和通信能力的微型传感器节点通过自组织的方式构成的一个小范围的无线网络。为了解决无线传感器的远距离通信中继问题，能够将网络信息通过

2、中继顺利地传送到远程终端，设计了基于移动螃蟹的传感器网络。它以机器螃蟹作为中继，进行数据的本地化处理和融合，实现分布式数据采集和监控。本系统应用于大规模的无线网络，增加了设备状态数据采集与通信的距离，有效地增强了系统的健壮性。关键词：无线传感器网络；ZigBee；节点；移动中继站中图分类号：TP393．Ol0引言WSN(无线传感器网络)是一种特殊的Ad-hoe网络，是由许多无线传感器节点协同组织起来的。这些微型节点具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能，可应用于布线和电源供给困难或人员不能到达的区域(如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域)和一些临时场合等。WSN的节点可以随机或者特定地布

3、置在目标环境中，它们之间通过特定的协议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。在国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等领域都有潜在的实用价值，具有十分广阔的应用前景。本文在简要介绍WSN体系结构的基础上，设计一个基于移动螃蟹的WSN，它以机器螃蟹作为中继，将工控机与ZigBee节点联系起来。对工控机平台扩展GSM(全球移动通信系统)和微波通信，这样就可以将WSN与广域网络相连。1ZigBee协议和WSN1．1ZigBee协议IEEE802．15，4规范是一种经济、高效、低数据速率、工作在2．4GHz和868MHz／928MHz

4、的短距离无线技术，用于个人区域网和对等网状网络，是ZigBee应用层和网络层协议的基础。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，主要用于近距离无线连接。它依据IEEEWPAN(无线个人区域网)工作组的一项标准——IEEE802．15．4标准，在许多个微小的传感器节点之收稿日期：2008·10-12；修回日期：2008．12．12。·32·间相互协调实现通信。这砦传感器节点只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，从这个意义上说，它们有较高的通信效率。1．2WSNWSN典型的体系结构如图l所示，包括分布式传感器节点(

5、群)、网关、Intemet和监控中心等。图1基于移动中继站的WSN设计原理节点具有传感、信号处理和无线通信功能，它们既是信息包的发起者，也是信息包的转发者。通过网络自组织和多跳路由，将数据向网关发送。网关可以使用多种方式与外部网络通信，如Internet、卫星或移动通信网络等，大规模的应用可能使用多个网关。在不同应用中，传感器网络节点的组成不尽相同，但一般主要包括传感单元(包括传感器和A／D转换模块)、电源、微处理器(包括CPU、存储器和嵌入式操作系统等)和通信单元(由无线通信射频模块组成)等，能完成数据采集、信号监测和传送信息的任务。此外，可以选择的其他功能单元包括定位系统、移动系统、电源自

6、供电系统等。典型无线传感器节点结构图如图2所示。万方数据第35卷第5期王龙军：基于移动中继站的无线传感器网络设计·研究与设计·图2节点实物被监测物理信号的形式决定了传感器的类型，节点采用电池供电，一旦电源耗尽，节点就失去了工作能力。为了最大限度地节约电源，在硬件设计方面，要尽量采用低功耗器件，处理器通常选用嵌入式CPU，射频单元主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成。2系统总体方案大量传感器节点通过相互之间的分工协作，可实时感知、监测和采集分布区域内的监测对象或周围环境的信息。为了实现WSN信息传输到远程终端，设计了基于移动螃蟹的传感器网络，它以机器螃蟹作为中继，将工控机与ZigBee节点联系

7、起来。对工控机扩展GSM和微波通信，这样就可以将无线传感器网络与广域网络相连。在基于工作频率为315MHz无线模块下，用户可以通过操纵工控机来远程控制附在机器螃蟹上的无线传感器节点在运动中对节点的数据进行采集，并使用2．4GHz无线信道及时将信息反馈回来。本方案主要由两个部分的内容组成：作为移动中继站的机器螃蟹方案和作为WSN应用的节点方案。3软、硬件设计及其实现3．1硬件组成传感器节点的嵌入式芯