传感器网络论文 无线传感器网络——放飞你的测量应用

贵客云 2021-11-25 16:55 阅读 23

导读:该文是关于传感器网络论文范文,为你的论文写作提供相关论文资料参考。

INI技术市场工程师l方慧敏

随着无线传感器网络(Wireless SensorNetwork)技术的发展,在无线传感器网络中,每一个节点都能够独立采集并将数据汇总.根据应用规模的不同,节点的数目可以达到上万,监测超过几十平方公里范围内的各类信号.无线传感器网络技术

无线传感器网络是一种由独立分布的节点以及网关构成的传感器网络.安放在不同地点的传感器节点不断采集外界的物理信息,如温度、声音、震动等.相互独立的节点之间通过无线网络进行通信.无线传感器网络的每个节点都能够实现采集、数据的简单处理,还能接收来自其他节点的数据并最终将数据发送到网关.工程师可以从网关获取数据,查看历史数据记录或进行分析.通常,一个典型的无线传感器网络节点的硬件结构包括:传感器接口、ADC、微处理器、电源以及无线收发装置.

无线传感器网络诞生于上世纪70年代,最早被应用于美国军方资助项目.经过近30年的发展,无线传感器网络的应用逐渐转向民用.作为一种针对应用而开发的技术,在项目中选择无线传感器网络必须考虑到实用性.构建一个典型的无线传感器网络,需要考虑四个重要因素:网络选择、拓扑结构、功耗以及兼容性.

无线网络的选择

无线技术是无线传感器网络中最关键的一个部分.在无线传感器网络的典型应用中,通常采集节点被放置在相距较远的位置,甚至有时处于室外的采集节点无法连接到电网,所以在挑选无线网络时,带宽、传输距离以及功耗是三个主要考虑因素.

在无线传感器网络技术诞生之初,已有的无线协议很难满足低功耗,低花费,高容错性的要求,此时ZigBee技术应运而生.发展近10年来,ZigBee已被证明是最适合用于无线传感器网络的无线技术,它拥有250kbps的带宽,传输距离可达lkm以上,并且功耗更小,采用普通AA电池就能支持设备在高达数年的时间内连续工作.

图1列出了蜂窝网络(Cellular)、蓝牙、Wi-Fi以及ZigBee等无线协议的性能比较,ZigBee协议以其低功耗,长距离传输能力胜出,适用于长达数年无人值守的监控应用.

网络拓扑

对于节点数目动辄超过数十个的无线传感器网络而言,选择合适的网络结构不仅能够拓展网络的传输距离还能够保证信号传输的稳定性.

星形是最简单的网络拓扑结构,每一个节点都拥有一条直接通向网关的通道,然而其传输距离有限.采用树形拓扑能够解决这个问题,添加路由节点后,远处的节点上的数据能够通过路由节点传输到网关.然而树形拓扑仍然存在可靠性的问题,一旦路由节点产生问题,所有由这个节点通向网关的通路将被切断.所以,对于可靠性要求很高的无线网络,建议选择网状拓扑(mesh 论文范文ology)结构.

以美国国家仪器公司(NI)的无线传感器网络为例,其无线传感器网络中每一个节点都能够被配置成路由节点,根据需要,工程师可以选择树形拓扑结构或者网状拓扑结构.如图3所示,在网状拓扑下,节点4拥有两条通往网关的通道,一旦节点l发生故障而损坏,数据也能够通过节点2传回网关,避免数据的丢失.

系统功耗

无线传感器网络通常被放置在室外,无法进行长距离的布线,这就牵涉到两个问题,一是信号的传输,二是设备的供电.信号传输问题可以通过选择无线网络解决,而设备供电问题则必须考虑外部电源,例如,电池或小型发电设备.由于电池所能供应的电量有限,为了满足设备长时间使用的要求,必须严格控制无线传感器网络节点的能耗.在无线传感器网络节点的硬件结构中,无线收发器以及微处理器是耗能大户,所以用户一方面应选用ZigBee技术保证无线收发器的低功耗,同时在保证处理器性能的前提下,还应选择带有休眠功能并且工作能耗尽可能低的处理器.

NI选用了TI MSP430 MCU作为无线传感器网络节点的处理器,它的工作能耗为8mW,休眠期间能耗仅为0.2 yW,相当于一块普通ADC芯片的休眠功率.采用AA电池供电,就能够保证它持续工作三年之久.

兼容性

最后,我们还需要考虑的是系统的兼容性.无线传感器网络能够帮助工程师完成远程数据的采集,然而我们还需要考虑到数据的分析、显示以及通过互联网发布等功能.例如,将无线传感器网络连接到远程服务器以实现对持续采集获得的海量数据的记录和分析;连接到HMI(人机交互界面)以实现历史数据和实时数据的显示.此外,在一些工业应用中,更有可能将无线传感器网络连接到多样的工业现场设备,进行协同工作.在这些情况下,无线传感器网络必须具备良好的兼容性,实现与各种现场设备的快速连接.

常见的无线传感器网络采用的是TinyOS或者MANTIS等特殊操作系统,需要采用nesC (network embedded systems C)开发方式,系统开发工程师必须学习一种新的开发方式,才能在现有的系统中添加无线传感器网络.

为了帮助工程师减少开发时间,NI采用了统一的开发平台LabVIEW实现对于无线传感器网络、远程数据库以及人机交互界面的开发 (如图4).在LabVIEW平台下,工程师不仅能够实现对于无线传感器网络的远程配置,并在节点上实现算法;同时,还能够支持所有的NI工业平台,例如:自动化控制器CompactRIO,人机交互界面.此外,LabVIEW也支持通过OPC或者各种工业总线连接到第三方设备.为了满足日益增加的数据共享的需求,LabVIEW还支持数据的网络发布功能,利用Web Service,可以将数据快速发布到互联网络,全球各地的工程师都能够快速访问到网络数据库中的数据,且无需针对不同的设备和技术逐一学习开发方式,在统一的平台下就能够完成一个完整的远程监控系统.

无线传感器网络应用分析

无线传感器网络在各个领域的应用潜力十分巨大.在大型建筑中,无线传感器网络能够被快速发布到各个楼面以及建筑的内外表面,无需考虑布线问题就能获得分项电量、温湿度、用水量等信息并传回控制室.在跨海大桥上,无线传感器网络可被放置在桥梁两侧或者桥墩底部,捕获压电传感器、加速度传感器、湿度传感器中传来的数据,以推算出桥墩的腐蚀程度以及桥面的变形程度.在监护室中,无线传感器网络被安置在房间内,通过收集光、温度和红外传感器的信号,分辨出老年人的行为以及健康状况.下面是NI无线传感器网络在一些热点领域的应用分析:

建筑楼宇内部监测

通常,建筑内部的监测系统需要在建造的同时架设完成,在已经投入使用的建筑内添加此类系统会非常复杂,而无线传感器网络则能够帮助工程师简化架设的流程.加州大学洛杉机分校(UCLA)采用NI无线传感器网络在停车场内架设了一个使用率监控系统.监控系统在各个入口和出口处监测是否有车通过,从而统计停车场的空车位情况.数据最终通过ZigBee网络传输到网关并汇总到NI CompactRIO处理器中.处理完毕后,数据还能被上传到UCLA的交通网数据库中,供授权用户查看.

绿色能源及环境监测

Solix公司是一家知名的生物能源公司,在他们的水田里,设备日以继夜地工作,将藻类转化为乙醇或柴油燃料,为飞机、汽车以及工厂供热系统提供洁净的能源.为保证藻类在合适的环境下生长,他们将NI无线传感器网络部署在数十英亩的水田中,实时传回水田的PH值信息.

工厂过程监控

在现有的工业生产线上,通常也需要实现多种信息的监测,例如,针对饮料生产线,需要实时监测入水口与出水口的水流量信息,以保证水资源的有效使用.NI无线传感器网络无需布线的特性使得工程师能够快速在成型的生产线上架设监测系统,系统安装时无需中断生产线的运作,即可及时获得产线上的各种数据.

作为一种新兴技术,无线传感器网络拥有广泛的发展空间.利用无线网络能够实现灵活、可靠、安全的数据采集.相信随着技术的进一步完善,无线传感器网络必将被使用在生活工作的各个方面,实现人与自然的无缝沟通.

无线传感器网络:楼宇科技和无线传感器网络

传感器网络范文

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无线传感器网络参考文献总结:

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