无线传感器网络综合技术研究

无线传感器网络综合技术研究

传感器网络集成了传感器技术、测量和控制技术、嵌入式控制技术、分布信息和无线通信技术。它可以协调实时监控、感知和收集环境和监控对象的信息，并将其处理并传输给控制装置。传感器网络是一种基于大量具有传感功能的小型移动设备构造的网络,目前需要解决的主要问题有:网络节点的动态自组、路由控制策略、MAC协议等,这些问题的解决同时又必须考虑感知节点的能量受限(电池供电)的问题。能量受限是传感器网络能否实用的生命线,因此,无线传感器网络的节点要求必须是低功耗的。针对此问题,文章的第一部分介绍了目前的超低功耗的芯片和系统的整体结构。第二部分,详细介绍了超低功耗设计的方法。最后对系统进行了功耗测试,给出了结论,证明了使用此方法设计的节点可以满足无线传感器网络节点机的要求。1传感器网络的结构设计1.1基于分簇的层次结构目前国际上具有代表性的传感器网络的体系结构,大概分为两类,第一类,是UCBerkeley提出的基于分簇的层次结构模型,第二类是水平结构。由于分簇层次结构,可以有效地使各传感器网络负载均衡,避免路由建立时出现的泛洪问题,具有一定的发展潜力。如图1为UCBerkeley提出的基于分簇的层次结构模型。整个网络中有若干无线节点(Nodes)组成,无线节点都具有感知、动态自组和路由的功能,为了将这些节点的感知信息能够有效地传送给监控中心,系统将在一定的区域(MonitoringArea)内的节点分为一簇,簇与簇之间通过ClustorHead转发节点进行簇间信息的转发。最后,通过一转发点将感知信息通过有线网络传送到控制中心。在这种网络中,进行分簇要经过合理的分组算法,数据链路层可以采用FDMA或TDMA的方法来实现。由于本系统应用时,针对有害气体的监测,因此采用TDMA/FDMA组合方案,进行MAC(MediaAccessControl)协议设计,且对TDMA进行了改进使用基于分簇信息流量时间统计的TDMA的策略使MAC层具有更好的能量控制。因此,在网络节点的协议体系结构中可以获得很低的能量消耗。1.2数据传输单元传感器网络节点由数据采集、数据处理、数据传输和电源4部分组成。被监测物理信号的形式决定了传感器的类型,处理器选用TI公司的MSP430F149,数据传输单元由低功耗、短距离的无线通信模块nRF903组成。图2描述了节点的组成,其中实心箭头的方向表示数据在节点中的流动方向。2无线传感器网络的控制超低功耗的设计是一个综合硬件技术和软件技术为一体的技术,在单片机和射频模块组成的无线传感器节点中,要保证系统的低功耗,必须在使用低功耗芯片的同时,采用智能的控制策略对不同的功耗进行工作状态动态的分析,然后根据分析结果选择不同的MAC接入协议和路由选择策略。2.1dds/d射频管理为了保证硬件电路的低功耗设计,芯片的选择使用如下的方法:(1)选用低功耗的CMOS芯片。由于TI公司MSP430F149的工作电压范围为1.8V～3.6V,在节能模式下仅耗电0.1μA,活动状态最大2000μA。工作电压在2.7V,工作频率2MHz时,静态工作电流低于3μA,集成了A/D和D/A转换器,内部具有保持电路,采样频率高,工作速度快,可以获得很低的功耗。(2)电源选用较低的输出电压,且本身消耗功率较小。选用S818DC/DC稳压芯片。(3)射频模块选用待机电流小、收发电流稳定的芯片。nRF903是NORDIC公司推出的单片无线收发一体的芯片,采用DDS+PLL频率合成技术,频率稳定性好;灵敏度高达-100dBm,最大发射功率达+10dBm;数据速率可达76.8Kbit/S;170个频道,适合需要多信道工作的特殊场合。工作频率为433～950MHz,供电电压2.7V～3.6V,接收待机状态电流消耗仅为200μA,低功耗模式电流消耗仅为1μA。2.2试验测试及结果分析经过了反复的实验结果证明,硬件电路设计是采用如下几项措施,能使系统的功耗大为减少。(1)降低工作频率可以有效降低电流消耗,试验测试如下:3.3V供电,空余引脚浮空时,使用芯片内部的时钟缺省15MHz,工作测得消耗电流为9.8mA;MCU频率为2MHz时,工作测得消耗电流为6.34mA。(2)系统工作电压,降低对系统的功耗也有较明显的影响,因此在保证系统可靠工作时可以选用较低工作电压。做了如下试验:使用S8183.3V稳压芯片给系统供电3.3V时,MCU频率为2MHz,引脚浮空时,所测得总电流消耗6.34mA;当使用S8182.7V稳压芯片给系统供电2.7V时,所测得总电流消耗5.04mA。(3)由于系统采用CMOS芯片,当芯片的空余引脚浮空时,由于浮空引脚积累的电荷很容易使引脚电位处于“0”至“1”间的过渡区域,而CMOS电路基本是由一个增强型PMOS和一个增强型NMOS串接成互补结构组成,在“0”至“1”或“1”至“0”的跳变时,两个管子同时导通导致瞬间短路,从而产生短路功耗,此时电路消耗功率最大,因此在其余引脚空闲时,将其余未用的引脚接地可以有效的节约功耗。经过两次制版调试硬件采用相同的软件测试程序,试验测得的结果如下:系统供电2.7V时,MCU频率为2MHz,引脚浮空时,系统消耗总电流5.04mA;引脚接地时,系统消耗总电流4.5mA;引脚接VCC时,系统消耗总电流4.56mA。由此可以证明,未用引脚的接地处理可以使功耗降低。3传感器网络节点机综上