无线组网课程设计-低功耗无线网络的设计.docx

无线组网技术
低功耗无线网络的设计
院系: 电子信息学院
引言
概述
信息技术的不断进步使越来越多的随身电子设备和信息家电出现在人们的日常生活中。这些设备给人们的生活带来便利,但凌乱的线缆和频繁的插拔也造成了诸多的使用不便。为了摆脱物理连接上的限制,使各种设备能够自由地互联、随时随地地接入网络,人们不断探索新的短距离无线通信技术。常见的短距离无线通信技术包括红外、Wi-Fi、蓝牙、UWB和 ZigBee 等,它们的技术特点各有不同,但尚没有一种技术可以满足所有的应用需求。其中,蓝牙和ZigBee 都是针对低功耗应用提出的无线通信协议。但到目前为止,它们还难以支持电池供电的设备工作数年,低功耗性能不尽如意。
2520射频信号收发芯片这两种芯片,通过其外围电路的设计,并使用ZigBee来编写通讯协议,实现无线传感器网络节点的低功耗。做到在特殊环境下的温度采集,以及信号在个节点之间的传播。


无线传感器网络与传统 Ad hoc网络相比有一些独有的特点,正是由于这些特点使得无线传感器网络存在很多新问题, 提出了很多新的挑战。无线传感器网络的主要有五个特点:
(1)无线传感器网络的节点数量大、密度高。由于无线传感器网络节点的微型化,每个节点的通信和传感半径很有限,一般为十几米范围之内,而且为了节能,传感器节点大部分时间处于睡眠状态,所以往往通过铺设大量的传感器节点来保证网络质量。无线传感器网络的节点数量和密度都要比 Ad hoc网络高几个数量级, 可能达到每平方米上百个节点的密度, 甚至多到无法为单个节点分配统一的物理地址。这会带来一系列问题, 如信号冲突、信息的有效传送路径的选择、大量节点之间如何协同工作等。
(2无线传感器网络的节点有一定的故障率。由于无线传感器网络可能工作在恶劣的外界环境之中,网络中的节点可能会由于各种不可预料的原因而失效, 为了保证网络的正常工作, 要求无线传感器网络必须设计成具有一定的容错能力,允许传感器节点具有一定的故障率。(3无线传感器网络节点在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制。由于传感器节点微型化, 节点的电池能量有限, 而且由于物理限制难以给节点更换电池, 所以传感器节点的电池能量限制是整个无线传感器网络设计最关键的约束之一, 它直接决定了网络的工作寿命。另一方面, 传感器节点的计算和存储能力有限,使得其不能进行复杂的计算,传统网络上成熟的协议和算法对无线传感器网络而方开销太大, 难以使用, 必须重新设计简单有效的协议及算法。
( 4)无线传感器网络的拓扑结构变化很快。由于无线传感器网络自身的特点, 传感器节点在工作和睡眠状态之间切换以及传感器节点随时可能由于各种原因发生故障而失效, 或者有新的传感器节点补充进来以提高网络的质量, 这些特点都使得无线传感器网络的拓扑结构变化很快, 这对网络各种算法(如路由算法和链路质量控制协议等)的有效性提出了挑战。此外,如果节点具备移动能力,也有可能带来网络的拓扑变化。
(5)以数据为中心( Data Centric)。在无线传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值,而且是不会去关心具体某个节点的观测数据,比如说人们可能希望知道“检测区域的东北角上的温度是多少”,而不会关心“节点8所探测到的温度值是多少”。这就是无线传感器网络的以数据为中心的特点。而传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来的, 以数据为中心的特点要求无线传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程, 快速有效的组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。

传感器网络节点一般由四个部分组成: 传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(由嵌入式系统构成,包括 CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块组成)、以及电源部分此外,可以选择的其它功能单元包括:定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。无线传感器节点是任意分布在被检测区域的,一般环境中采用人工埋置方法, 这样可以保证节点的大体均匀分布; 在危险区域或者不方便人工埋置的情况下, 可以采用飞机投放,炮弹弹射等方法。当传感器节点部署完成后,所有传感器节点以自组织形式构成网络, 在每个节点构建路由信息, 以使每个节点都可以与网络中的其他节点通讯。在这些节点中,有少数几个节点被称为基站(BaseStation)或者 Sink 节点, Sink 节点起网关的作用,它将传感器节点发送来的采集数据发送给观测者,发送的方式可以采用、卫星通信等;同时将观测者的控制命令发送给各个传感器节点。 Sink 节点必须在传感器网络的覆盖范围之内,用户的控制终端可以在任何地域范围内