无线传感器在网络中的应用设计论文

无线传感器在网络中的应用设计论文
1引言
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，简称WSNs)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传
感器节点组成，通过无线通信形成一个多跳自组织网络系统，能够实时监测、感知和采集网络分布区域内
监视对象的各种信息，并加以处理，完成数据采集和监测任务。

WSNs综合了传感器、嵌入式计算、无线
通讯、分布式信息处理等技术，具有快速构建、自配置、自调整拓扑、多跳路由、高密度、节点数可变、
无统一地址、无线通信等特点，特别适用于大范围、偏远距离、危险环境等条件下的实时信息监测，可以
广泛应用于军事、交通、环境监测和预报、卫生保健、空间探索等各个领域。

2节点的总体设计和器件选型
2.1节点的总体设计
WSNs微型节点应用数量比较大，更换和维护比较困难，要求其节点成本低廉和工作时间尽可能长;功
能上要求WSNs中不应该存在专门的路由器节点，每个节点既是终端节点，又是路由器节点。

节点间采用
移动自组织网络联系起来，并采用多跳的路由机制进行通信。

因此，在单个节点上，一方面硬件必须低能耗，采用无线传输方式;另一方面软件必须支持多跳的路由协议。

基于这些基本思想，设计了以高档8位AVR单片机ATmega128L为核心，结合外围传感器和2.4 GHz无线收发模块CC2420的WSNs微型节点。

这
两款器件的体积非常小，加上外围电路，其整体体积也很小，非常适合用作WSNs节点的元件。

图1给出WSNs微型节点结构。

它由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元4
部分组成。

数据采集单元负责监测区域内信息的采集和数据转换，设计中包括了可燃性气体传感器和湿度
传感器;数据处理单元负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等;数据
传输单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据;电源管理单元选通所用到的传感器，节点电源由几节AA电池组成，实际工业应用中采用微型纽扣电池，以进一步减小体积。

为了调试方
便及可扩展性，可将数据采集单元独立出来，做成两块能相互套接的可扩展主板。

2.2处理器选型
处理器的选型要求和指标是功耗低，保证长时间不更换电源也能顺利工作，供给电压小于5 V，有较
快的处理速度和能力，由于节点是需要大量安置的，所以价格也要相对便宜。

选用AVR单片机，考虑到电
路中I/O的个数不多，功耗低、成本低、适合与无线器件接口配合等多方面因素，综合对比后，选用
Atmel公司的ATmega128L。

该微型控制器拥有丰富的片上资源，包括4个定时器、4 KB SRAM、128KB Flash和4 KBEEPROM;拥有UART、SPI、I2C、JTAG接口，方便无线器件和传感器的接入;有6种电源节能
模式，方便低功耗设计。

2.3无线通信器件选型 CC2420是一款符合ZigBee技术的高集成度工业用射频收发器，其MAC层和PHY层协议符合802.15.4规范，工作于2.4 GHz频段。

该器件只需极少外部元件，即可确保短距离通信
的有效性和可靠性。

数据传输单元模块支持数据传输率高达250 Kb/s，即可实现多点对多点的快速组网，系统体积小、成本低、功耗小，适于电池长期供电，具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点。

2.4传感器选型
由于WSNs是用于矿下安全监测，常要检测矿下可燃气体的浓度(预防瓦斯气体浓度过高)和空气湿度，所以要选择测量气体浓度和湿度的传感器。

2.4.1 HIH-4000系列测湿传感器
HIH-4000系列测湿传感器作为一个低成本、可软焊的单个直插式组件(SIP)能提供仪表测量质量的相
对湿度(RH)传感性能。

RH传感器可用在二引线间有间距的配量中，它是一个热固塑料型电容传感元件，
其内部具有信号处理功能。

传感器的多层结构对应用环境的不利因素，诸如潮湿、灰尘、污垢、油类和环
境中常见的化学品具有最佳的抗力，因此可认定它能适用矿下环境。

2.4.2 MR511热线型半导体气敏元件
MR511型气敏元件利用气体吸附在金属氧化物半导体表面而产生热传导变化及电传导变化的原理，由
白金线圈电阻值变化测定气体浓度。

MR511由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时，检测元件的电阻减小，桥路输出电压变化，该电压变化随气体浓度的增大而成比例增大，补偿元件具
有温度补偿作用。

MR511除具有灵敏度高、响应恢复时间短、稳定性好特点外，还具有功耗小，抗环境温
湿度干扰能力强的优点。

WSNs的节能和井下恶劣温湿环境要求MR5111可以满足。

3 WSNs节点设计
3.1数据采集单元
考虑到无线传感器网络节点的节能和井下恶劣的温湿环境，为了便于数据采集，系统设计采用HIH-4000-01型测湿度传感器和MR511热线型半导体气体传感器。

图2、图3分别给出其电路设计图。

3.2数据处理单元
ATmega128L的外围电路设计简单，设计时注意在数字电路的电源并人多只电容滤波。

ATmega128L的
工作时钟源可以选取外部晶振、外部RC振荡器、内部RC振荡器、外部时钟源等方式。

工作时钟源的选择
通过ATmega128L的内部熔丝位来设计。

熔丝位可以通过JTAG编程、ISP编程等方式设置。

ATmega128L采用7.3728 MHz和32.768 kHz两个外部晶振。

前者用作工作时钟，后者用作实时时钟源。

3.3数据传输单元
3.3.1 CC2420外围电路设计
图4给出数据传输单元的外围电路。

CC2420只需要极少的外围元器件。

其外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路3部分。

射频输入/输出匹配电路主要用来匹配器件的输入输出阻抗，使其输入输出阻抗为50 Ω，同时为器
件内部的PA及LNA提供直流偏置。

射频输入/输出是高阻抗，有差别。

射频端最适合的负载是115+j180 Ω。

C61、C62、C71、C81、L61组成不平衡变压器，L62和L81匹配射频输入输出到50 Ω;L61和L62同
时提供功率放大器和低噪声放大器的直流偏置。

内部的T/R开关是为了切换低噪声放大器/功率放大器。

R451偏置电阻是电流基准发生器的精密电阻。

CC2420本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电
路提供。

若由内部电路提供时，需外加晶体振荡器和两只负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入
容抗等参数。

设计采用16 MHz晶振时，其电容值约为22 pF。

C381和C391是外部晶体振荡器的负载电容。

片上电压调节器提供所有内部1.8 V电源的供应。

C42是电压调节器的负载电容，用于稳定调节器。

为得
到最佳性能必须使用电源去耦。

在应用中使用大小合适的去耦电容和功率滤波器是非常重要的。

CC2420
可以通过4线SPI总线(SI、SO、SCLK、CSn)设置器件的工作模式，并实现读，写缓存数据，读/写状态寄
存器等。

通过控制FIFO和FIFOP引脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。

3.3.2配置IEEE 802.15.4工作模式
CC2420为IEEE 802.15.4的数据帧格式提供硬件支持。

其MAC层的帧格式为：头帧+数据帧+校验
帧;PHY层的帧格式为：同步帧+PHY头帧+MAC帧，帧头序列的长度可通过设置寄存器改变，采用16位CRC 校验来提高数据传输的可靠性。

发送或接收的数据帧被送入RAM中的128字节缓存区进行相应的帧打包和
拆包操作。

表1给出CC2420的四线串行SPI接口引脚功能。

它是设计单片机电路的依据，充分发挥这些
功能是设计无线通信产品的前提。

3.3.3 CC2420与单片机接口电路设计
CC2420与ATmega128L单片机的接口电路。

CC2420通过简单的四线(SI、SO、SCLK、CSn)与SPI兼容
串行接口配置，这时CC2420是受控的。

ATmega128L的SPI接口工作在主机模式，它是SPI数据传输的控
制方;CC2420设为从机工作方式。

当ATmega128L的SPI接口设为主机工作方式时，其硬件电路不会自动
控制SS引脚。

因此，在SH通信时，应在SPI接口初始化，它是由程序控制SS，将其拉为低电平，此后，当把数据写入主机的SPI数据寄存器后，主机接口将自动启动时钟发生器，在硬件电路的控制下，移位传送，通过MOSI将数据移出ATmega128L，并同时从CC2420由MISO移人数据，8位数据全部移出时，两个
寄存器就实现了一次数据交换。

4结语
通过对于无线传感器网络节点中传感器元件、数据处理模块、数据传输模块和电源的选择，设计了一种以CC2420和ATmega128L为主体的硬件方案。

利用该方案设计的CC2420和ATmega128L的外围电路以及两者之间的接口电路。

此外，还对传感器与单片机的接口电路进行设计。

通过实验验证，设计的硬件节点基本上达到了项目要求，经调试能通过传感器正确真实地采集数据，并实现两个无线节点(两个电路板。

AA电池供电)在30 m左右的通信、传输数据、并反映到终端设备。

论析无线传感器网络应用
【论文摘要】本文从无线传感器网络的定义出发，简单阐述无线传感器网络的组成和介绍无线网络的发展历史，用几个实例展示无线传感器网络的具体应用，最后展望了无线传感器网络的发展前景。

【论文关键词】无线传感器;网络应用;未来展望
1无线传感器网络
1 .1定义
就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。

1.2发展历史(责任编辑：younian)
早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，
我们把它归之为第一代传感器网络。

随着相关学科的的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。

而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。

1.3组成
一个无线传感器网络通常包括三要素，即传感器、感知对象和观察者。

传感器由电源、感知部件、嵌人式处理器、存储器、通信部件和软件等几个部分组成，这些部分相互协调，共同完成对外界信息的感知功能;感知对象是无线传感器网络的监测目标;观察者是无线传感器网络的用户，是传感信息的接收者和应用者。

1.4特点
(1)自组织。

传感器网络系统的节点具有自动组网的功能，节点间能够相互通信协调工作。

(2)多跳路由。

节点受通信距离、功率控制或节能的限制，当节点无法与网关直接通信时，需要由其他节点转发完成数据的传输，因此网络数据传输路由是多跳的。

(3)动态网络拓扑。

在某些特殊的应用中，无线传感器网
络是移动的，传感器节点可能会因能量消耗完或其他故障而终止工作，这些因素都会使网络拓扑发生变化。

(4)节点资源有限。

节点微型化要求和有限的能量导致了节点硬件资源的有限性。

2无线传感器网络的应用
无线传感器网络虽未形成大规模的市场应用，但拥有十分广阔的前景，在军事、国防、环境监测、医疗卫生、建筑物监测等等许多领域都有重要的研究价值和巨大的实用价值，被誉为对十一世纪产生巨大影响力的技术之一。

2.1军事应用
同很多高科技技术一样，，无线传感器网络的产生也是源于网络在军事应上的需求，无线传感器网络本身的概念更贴近其在军事上的应用。

无线传感器网络在战场上的应用主要是信息搜集、跟踪敌人、战场监测、目标分类。

无线传感器网络由低成本、低功耗的密集型节点构成，拥有自组织性和相当的容错能力，即使部分节
点遭到恶意破坏，也不会导致枯个系统的崩溃，正是这一点保证了无线传感器网络能够在恶劣的战场环境
下工作，从而最大程度地减少伤亡，同时提供准确可靠的信息传输。

在和平年代，主要用于国士安全保护、边境监视等应用。

例如，在保护国土、防止人侵的时候，用成
千上万的传感器节点代替原来的地雷埋设，用地雷埋设的方法会对自身构成巨大威胁，用传感器通过对声
音和震动信号的分类分析的方法，探测敌方的人侵。

2.2环境农业应用
无线传感器网络在环境方面也有相当广泛的应用。

例如:对鸟类、小型动物生活规律的观测和种群复
杂度的研究，天气预报和天象现象的观侧，农作物灌溉情况，土壤温度情况，肥料含量、光照强度等的监视，森林火情监控等等。

这类无线传感器网络一般需要具备部署简单，便宜，长期不需要更换电池，无需派人现场维护等特点。

一般是一次性产品，传感器也需要具备适应野外环境的能力，由于长时间不更换电池，系统必须要低功耗
工作，或者从环境中寻求一定能力补给手段，譬如使用太阳能电池。

2.3医疗应用
无线传感器网络在医疗方面也日渐发挥作用。

通过在病人或易发病人身上佩戴一些血压、脉搏、体温
等微型无线传感器，通过住宅内的传感器网关，医生可以从医院里远程监视这些测试人群的健康状况，通
过这种方法，还可以对一些高危病人进行24小时病情检测，而不妨碍病人的日常起居和生活质量。

还有一种方式，通过在人体器官中植人一些微型传感器或吞服的方式让传感器进入人体，随时观测器
官的生理状态，可以发现器官的功能恶化，及时采取治疗措施从而挽救病人生命。

2:4城市及城市管理
结构安全检测在国外称之为SHM。

目前一般通过在结构体上安置传感器进行结构检测，广泛应用在结
构安全监测上的传感器是MEMS加速传感器。

同样，可以在建筑物内不知图像、声音、气体检测、温度、
压力、辐射等传感器，发现异常事件及时报警，自动启动应急措施。

2.5无线传感器网络技术实际应用的制约因素
(1)成本。

传感器网络节点的成本是制约其大规模广泛应用的重要因素，需要根据具体应用的要求均
衡成本、数据精度及能量供应时间。

(2)能耗:大部分的应用领域需要网络采用一次性独立供电系统，因此要求网络工作能耗低，延长网络的生命周期，这是扩大应用的重要因素,(3)微型化。

在某些领域中，要求节点的体积微型化，对目标本身不产生任何影响，或者不被发现完成特殊的任务。

(4)移动性。

在某些特
定应用中，节点或网关需要移动，导致在网络中快速自组织上存在困难，该因素也是影响其应用的主要问
题之一。

(5)硬件安全。

在一些环境中，例如海洋、化学污染区、水流中、动物身上等，对节点的硬件要
求很高，需防止受外界的破坏、腐蚀等。

3无线传感器网络未来展望
无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具
有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其优越性，如家用、保健、交通等领域。

我们可以大
胆的预见，将来无线传感器网络将无处不在，将完全融入我们的生活。

比如微型传感器网最终可能将家用
电器、个人电脑和其他日常用品同互联网相连，实现远距离跟踪，家庭采用无线传感器网络负责安全调控、节电等。

无线传感器网络将是未来的一个无孔不人的十分庞大的网络，其应用可以涉及到人类日常生活和
社会生产活动的所有领域。

4结语
本篇文章从无线传感器网络的定义出发，叙述了无线网络传感器的发展历史及组成特点，文章大部分的篇幅用在传感器的几个应用上面。

无线传感器在应用上还存在一些制约，相信在未来发展的道路上能够有好的解决方案，这些难点也为科研人员指明了研究方向。

(责任编辑：younian)。