無線傳感器網絡硬件設計綜述
無線傳感器網絡因其巨大的應用前景越來越受到學術界和工業界的廣泛關注。本文介紹了無線傳感器網絡節點的體系結構，分析比較了國內外當前典型的硬件平臺，重點討論了目前無線傳感器網絡節點常用的處理器、射頻芯片、電源和傳感器各自的優缺點，并詳細比較了目前應用于無線傳感器網絡的無線通信技術。

無線傳感器網絡WSN(Wireless Sensol Network)是一種由傳感器節點構成的網絡，能夠實時地監測、感知和采集節點部署區的觀察者感興趣的感知對象的各種信息(如光強、溫度、濕度、噪音和有害氣體濃度等物理現象)，并對這些信息進行處理后以無線的方式發送出去，通過無線網絡最終發送給觀察者。無線傳感器網絡在軍事偵察、環境監測、醫療護理、智能家居、工業生產控制以及商業等領域有著廣闊的應用前景。


在傳感器網絡中，傳感器節點具有端節點和路由的功能：一方面實現數據的采集和處理；另一方面實現數據的融合和路由，對本身采集的數據和收到的其他節點發送的數據進行綜合，轉發路由到網關節點。網關節點往往個數有限，而且常常能量能夠得到補充；網關通常使用多種方式(如Internet、衛星或移動通信網絡等)與外界通信。而傳感器節點數目非常龐大，通常采用不能補充的電池提供能最；傳感器節點的能量一旦耗盡，那么該節點就不能進行數據采集和路由的功能，直接影響整個傳感器網絡的健壯性和生命周期。因此，傳感器網絡主要研究的是傳感器網絡節點。具體應用不同，傳感器網絡節點的設計也不盡相同，但是其基本結構是一樣的。傳感器網絡節點一般由處理器單元、無線傳輸單元、傳感器單元和電源模塊單元4部分組成，如圖1所示。

1 無線傳感器網絡典型節點


傳感器網絡節點作為一種微型化的嵌入式系統，構成了無線傳感器網絡的基礎層支撐平臺。因為無線傳感器網絡大部分是采用電池供電，工作環境通常比較惡劣．而且數量大，更換電池非常困難，所以低功耗是無線傳感器網絡最重要的設計準則之一，從無線傳感器網絡節點的硬件設計到整個網絡各層的協議設計都把節能作為設計的目標之一，盡町能延長無線傳感器網絡的壽命。


由于具體的應用背景不同，目前國內外出現了多種無線傳感器網絡節點的硬件平臺。典犁的節點包括MICa系列、Sensoria WINS、Toles、μAMPS系列、XYZnode、Zabra-net等。實際上各平臺最主要的區別是采用了不同的處理器、無線通信協議和與應用相關的不同的傳感器。常用的無線通信協議有802．11b、802．15．4(ZigBee)、Bluetooth、UWB和自定義協議；處理器從4位的微控制器到32位ARM內核的高端處理器都有所應用。還有一類節點是用集成了無線模塊的單片機，典型的是WiseNet。典型無線傳感器網絡節點如表l所列。


本文介紹了無線傳感器網絡的概念、特點以及無線傳感器網絡節點的組成，重點分析比較節點各組成單元各種常用芯片的特點，并且始終將低功耗作為比較的重要標準之一。


2 典型無線傳感器網絡節點比較


目前，國內外研究人員已經開發出多種無線傳感器網絡節點，其實這些節點的組成部分是類似的，只是其應用背景不同，對節點性能的要求也不盡相同，因此所采用的硬件組件有很大差異。


2.1 處理器單元


處理器單元是傳感器網絡節點的核心，和其他單元一起完成數據的采集、處理和收發。EM6603是4位微控制器，功耗很低，但處理能力也非常有限。Berkerly大學研制的Miea系列節點大多是采用Atmel公司的微控制器。其中，Mica2節點采用Atmel增強型微控制器ATmegal28L。該微控制器擁有豐富的片上資源，包括4個定時器、4KB SRAM、128KB Flash和4KB EEPROM，擁有UART、SPI、I2C、JTAG接口，方便無線芯片和傳感器的接入；有6種電源節能模式，方便低功耗設計。采用該處理器的另外一個優點足：編譯器很多，其中GCC(WINAVR)是完全免費、開放的軟件。由于以上優點和Mica2節點的影響，在實際的無線傳感器設計中應用很多。但是從低功耗角度來講，該芯片并不是最佳選擇。


如表1所列，就低功耗而言，MSP430Flxx MCU系列提供業界較低的電流消耗，工作電壓為1．8V，實時時鐘待機電流的消耗儀為1．1μA，而運行模式電流低至300μA(1MHz)，從休眠至正常工作整個喚醒過程僅需6μs。PIC系列微控制器也有低功耗的產品問世。Toles節點和ZebraNet節點就是采用MSP430系列的微控制器，功耗非常低。在某些數據量大的應用中，高端的處理器也有應用。例如μAMPS-1節點采用StrongARM處理器SA-1110，功耗為27～976 mW。該處理器支持DVS節能，可以降低功耗450mW左右；關掉無線模塊功耗可以降低300mW。μAMPS-2采用的處理器是DSP。XYZnode采用的處理器是OKI公司的ARMTDMI內核的ML67Q5002，該處理器也支持DFS(動態頻率調節)，工作電流為15～72mA，頻率為1．8～57．6 MHz。


從處理器的角度看，無線傳感器網絡節點基本可以分為兩類：一類采用以ARM處理器為代表的高端處理器。該類節點的能量消耗比采用微控制器大很多，多數支持DVS(動態電壓調節)或DFS(動態頻率調節)等節能策略，但是其處理能力也強很多，適合圖像等高數據量業務的應用；此外．采用高端處理器來作為網關節點也是不錯的選擇。表2中最后3款處理器足ARM內核的處理器，功耗明顯比低端微控制器高很多。另一類是以采用低端微控制器為代表的節點。該類節點的處理能力較弱，但是能量消耗功率也很小。在選擇處理器時應該首先考慮系統對處理能力的需要，然后再考慮功耗問題。


2.2 無線傳輸技術及芯片


可以利用的傳輸媒體有空氣、紅外、激光、超聲波等，常用的無線通信技術有：802．11b、802．15．4(ZigBee)、BitIetooth、UWB、RFID、lrDA等}還有很多芯片雙方通信的協議由用戶自己定義，這些芯片一般工作在ISM免費頻段，如表3所列。利用激光作為傳輸媒體，功耗比用電磁波低，更安全。缺點是：只能直線傳輸；易受大氣狀況影響；傳輸具有方向性。這些缺點決定這不是一種理想的傳輸介質。紅外線的傳輸也具有方向性，距離短，不需要天線。芯片83F88S是一種符合IrDA標準的無線收發芯片。UWB具有發射信號功率譜密度低、系統復雜度低、對信道衰落不敏感、安全性好、數據傳輸率高、能提供數cm的定位精度等優點；缺點是傳輸距離只有lOm左右，隔墻穿透力不好。802．11b因為功耗高而應用不多，Bluetooth工作在2．4 GHz頻段，傳輸速率可達10Mbps；缺點是傳輸距離只有10m左右，完整協議棧有250KB，不適合使用低端處理器，多用于家庭個人無線局域網，在無線傳感器網絡中也有所應用。在無線傳感器網絡中應用最多的是ZigBee和普通射頻芯片。ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，完整的協議棧只有32 KB，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。以上特點決定ZigBee技術非常適合應用在無線傳感器網絡中。目前市場上常見的支持ZigBee協議的芯片制造商有Chipcon公司和Freescale半導體公司，Figure8公司還專門開發了ZigBee協議棧。Chipcon公司的CC2420芯片應用較多，Toles節點和XYZ節點都是采用該芯片；Chipcon公司提供包含Figure8公司開發的ZigBee協議的完整開發套件。Freescale半導體公司提供ZigBee的2．4GHz無線傳輸芯片有MCl3191、MC13192、MCl3193；該公司還提供配套的開發套件。


普通的射頻芯片也是一種理想的選擇，可以自定義通信協議，比較有代表性的MAC協議有T-MAC、S-MA、CWise-MAC、B-MAC、D-MAC等。路由協議有Gossi-PINg、SPIN協議、LEACH協議、TEEN協議等。從性能、成本、功耗方面考慮，RFM公司的TRl000和Chipcon公司的CCl000是理想的選擇。這兩種芯片各有所長，TRl000功耗低一些，CCl000靈敏度高一些，傳輸距離更遠。WeC、Renee和Mica節點均采用TRl000芯片；Mica2采用CCl000芯片；Mica3采用Chipcon公司的CCl020芯片，傳輸速率可達153．6 kbps，支持OOK、FSK和GIFSK調制方式；Micaz節點則采用CC2420 ZigBee芯片。還有一類無線芯片本身集成了處理器，例如CC2430是在CC2420的基礎上集成了51內核的單片機；CCl010是在CCl000的基礎上集成了5l內核的單片機，使得芯片的集成度進一步提高。WiseNet節點采用的是CCl010芯片。常見的無線芯片還有NorDIC公司的nRF905、nRF2401等系列芯片，因為功耗較高，接收靈敏度比較低，開發難度較大，在實際的無線傳感器網絡中應用較少。常用無線芯片的主要參數比較如表4所列。


2．3 電源模塊


電池種類很多，電池儲能大小與形狀、活動離子的擴散速度、電極材料的選擇等因素有關。無線傳感器網絡節點的電池一般不易更換，所以選擇電池非常重要，DC-DC模塊的效率也至關重要}另外，還可以利用自然界的能源來補充電池的能量。


按照能否充電，電池可分為可充電電池和不可充電電池；根據電極材料，電池可以分為鎳鉻電池、鎳鋅電池、銀鋅電池和鋰電池、鋰聚合物電池等。一般不可充電電池比可充電電池能量密度高，如果沒有能量補給來源，則應選擇不可充電電池。在可充電電池中，鋰電池和鋰聚合物電池的能量密度最高，但是成本也比較高；鎳錳電池和鋰聚合物電池是唯一沒有毒性的可充電電池。常見電池的性能參數如表5所列。無線傳感器網絡節點一般工作在戶外，可以利用自然能源來補給電池的能量。自然界可利用的能量有太陽能、電磁能、振動能、核能等。由于可充電電池的次數是有限的，而且大多數可充電電池有記憶效應，因此利用自然界的能量不能頻繁對電池充電，否則會大大縮短電池的使用壽命。


2.4 傳感器模塊


傳感器種類很多，可以檢測溫濕度、光照、噪聲、振動、磁場、加速度等物理量。美國Crossbow公司基于Mica節點開發了一系列傳感器板，采用的傳感器有光敏電阻Clairex CL94L、溫敏電阻ERT-J1VRl03J(松下電子公司)、加速度傳感器ADI ADXL202、磁傳感器Honeywe11HMC1002等。溫濕度傳感器SHTxx系列能支持低功耗模式，采集完數據后自動轉入休眠模式，電流小于lμA。


傳感器電源的供電電路設計對傳感器模塊的能量消耗來說非常重要。對于小電流工作的傳感器(幾百μA)，可由處理器I／O口直接驅動；當不用該傳感器時，將I／O口設置為輸入方式。這樣外部傳感器沒有能量輸入，也就沒有能量消耗，例如溫度傳感器DSl8820可以采用這種方式。對于大電流工作的傳感器模塊，I／O口不能直接驅動傳感器，通常使用場效應管(如Irlml6402)來控制后級電路能量輸入。當有多個大電流傳感器接入時，通常使用集成的模擬開關芯片來實現電源控制，MAX4678就是這樣一款芯片。
無線傳感器網絡技術
無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network, WSN）就是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡 覆蓋區域中被感知對象的信息，并發送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了無線傳感器網絡的三個要素。


無線傳感器網絡 （wireless sensor network）簡稱WSN，是一種由大量小型傳感器所組成的網絡。這些小型傳感器一般稱作sensor node（傳感器節點）或者mote（灰塵）。此種網絡中一般也有一個或幾個基站(稱作sink)用來集中從小型傳感器收集的數據。


傳感器節點是一種非常小型的計算機，一般由以下幾部分組成：


1．處理器和內存（一般能力都比較有限）。


2．各類傳感器（溫度、濕度、聲音、加速度、全球定位等）。


3．通訊設備（一般是無線電收發器或光學通信設備）。


4．電池（一般是干電池，也有使用太陽能電池的）。


5．其他設備，包括各種特定用途的芯片，串行并行接口等（USB，RS232）。


無線傳感器網絡中的基站的作用是從各個傳感器節點收集數據，集中處理然后提交給用戶。因此，基站一般有更強的數據處理和通訊能力以及更持久的電力。


DL-WZXT無線傳感器網絡是新一代的傳感器網絡。DL-WZXT無線傳感網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無...無線傳感器網絡 的詳細介紹 DL-WZXT無線傳感器網絡 DL-WZXT無線傳感器網絡是新一代的傳感器網絡,具有非常廣泛的應用。

基于傾角傳感器的移動通信鐵塔形變預警系統
監測系統設計要點分析
鐵塔形變檢測系統是對移動鐵塔進行健康監測，需要考慮監測節點的功耗、穩定性、抗惡劣環境等問題，同時需要提高設備的穩定性、易用性。 針對以上需求在系統設計過程中需要針對需求做出針對性的優化。 以下是對鐵塔形變監測系統的需求分析：
（1）低功耗
通信鐵塔形變監測節點需適應在惡劣自然環境下的工作，較低的功耗可以提高鐵塔形變監測節點環境適應性，并延長監測節點的使用壽命。特別是對于采用太陽能和鋰電池供電方案的監測節點，如果功耗過大，可能導致監測節點在陰雨氣候時因為得不到充足的電能而停止工作。
（2）抗侵襲
通信鐵塔形變監測節點安裝地域廣， 工作環境的復雜，可能遭受到如雨雪、雷電、大風、冰雹、電磁干擾等惡劣環境的影響。為了提高設備的環境適應性，在該傾角監測節點的設計中， 應考慮該儀表的防雨、防震、防雷擊、防電磁干擾等因素。
（3）高可靠性
該系統監測節點主要安裝在戶外的通信鐵塔上，維護難度較大。因此鐵塔形變監測系統的可靠性是非常重要的。無線傾角傳感器需要牢固固定，并且不破壞鐵塔的固有結構。 除此之外鐵塔形變監測系統軟件需要具較高的可靠性，并具有自動檢測功能，以方便維護人員及時確定設備的故障點。有高可靠性是鐵塔傾角監測系統的根本保障，失去了可靠性就等于設備失去了其可信性，失去了鐵塔自動監控的意義。
（4）低成本
由于通信鐵塔形變監測裝置將安裝在通信鐵塔上，配備數量大。如果開發成本過高，勢必會在很大程度上影響它的推廣應用，通信公司也無法投入大量資金在其中。因此在形變監測節點的開發過程中， 需要盡可能降低監測節點的成本。才能提高該檢測系統的普及率。
（5）易用性
鐵塔形變監測系統需要提供便捷的服務，鐵塔數據通過短信的方式將采集的數據信息發送到監控中心的計算機中，方便數據的匯總、比較。當數據出現問題時，通過短信電話等方式通知相關鐵塔維護人員進行處理。鐵塔數據要簡單、直觀、可靠便于分析。

傾角傳感器有哪些用途？ 傾角傳感器用于各種測量角度的應用中。例如，高精度激光儀器水平、工程機械設備調平、遠距離測距儀器、高空平臺安全保護、定向衛星通訊天線的俯仰角測量、 船舶航行姿態測量、盾構頂管應用、大壩檢測、地質設備傾斜監測、火炮炮管初射角度測量、雷達車輛平臺檢測、衛星通訊車姿態檢測等等。下面就廣泛應用的幾個 做簡略介紹。
海事地理 山體滑坡，雪崩——雙軸傾角傳感器，如 NA5200 系列傾角傳感器配合液位傳感器用于山體滑坡或雪崩監測，通過無線傳感系統將數據傳輸到中央控制系統，實時監測山體狀態，可以有效減小 山體滑坡帶來的損失。
l 建筑工程 高層建筑安全監測——目前世界上摩天大樓越來越多，為了監測大樓的安全性能，可以應用 SX41400 系列高精度的伺服傾角傳感器，該系列傾角傳感器可以感應微小角度的變化，可以用于大樓擺幅、震動、傾斜等監測。 l 水庫大壩 大壩安全監測——大壩垮塌事故已經發生多次，為了及時發出預警信號，減少財產損失，通過傾角傳感器的監測、觀測儀器和設備，以及時取得反映大壩和基巖性態 變化以及環境對大壩作用的各種數據的觀測和資料處理等工作。其目的是分析估計大壩的安全程度，以便及時采取措施，設法保證大壩安全運行。 l 挖掘機械 挖掘機——為了實現挖掘機的三維空間定位，在安裝工作裝置各關節角度傳感器的基礎上，又安裝平臺回轉角度檢測裝置和平臺傾角傳感器，并在斗桿上安裝激光接 收儀用于檢測地面激光發射器發射的水平機關相對于接收儀零位的高度。建立挖掘機的運動學模式，推導車體相對于大地的坐標變換矩陣，即完成三維空間的車體定 位，并得到常用簡單的車體高程定位公式，實現挖掘機挖掘軌跡的三維空間定位為實現挖掘機的三維空間軌跡精確與挖掘機深度控制打下基礎。 l 現代汽車 汽車四輪定位——隨著電子技術的發展和應用，汽車的安全性、舒適性和智能性越來越高。汽車側向傾斜角度傳感器的應用是防止汽車在行駛中發生傾翻事故的一種 有效方法。是提高汽車安全性的重要措施，特別是越野車。雙層客車等重心較高的汽車更有必要性。汽車傾翻的實質是：行駛中向外的傾翻力矩大于向里的穩定力 矩，當重心高度一定時，傾斜力矩油傾翻力（向外的側向力）決定。 l 機器人
機器人——近年來機器人技術發展很快，歐美等工業發達國家早就開始對各種機器人進行系統的研究，隨著科技的進步和時間的推移，取得了大量的研究成果。我們知道機器人上應用了大量的傳感器，其中傾角傳感器可以實時監測機器人的狀態。 l 鐵路鐵軌 軌檢儀——目前的軌道測量方式智能程度差,測量精度低,操作時間長,迫切需要設計一種適用于一般使用的便攜式智能化軌道檢測儀傾角傳感器用于軌檢儀，用于實時檢測鐵道的傾斜度和高度差。 輸電線鐵塔傾斜智能監測——輸電線鐵塔的倒塌事件時有發生，一旦發生倒塌，將會造成巨大的損失，傾角傳感器應用于輸電線鐵塔傾斜角度監測，可以實時監
測輸電線傾斜角度，一旦因為大風等自然災害導致傾斜角度過大，實時發出預警信號，由工作人員維修減少損失。 l 平臺控制 船載水平平臺——傾角傳感器在船載水平平臺上應用，用于船載衛星跟蹤天線的底座，以保持天線始終處于水平狀態，對平臺進行實時控制，可以隔離船體的俯仰和橫滾運動，使平臺處于水平。 l 太陽能 太陽能——太陽能是一種清潔的能源，它的應用正在世紀范圍內普遍的增長，利用太陽能發電就是一個使用太陽能的方式，因此為了得到充足的利用太陽能，如何選擇太陽能電池方位角與傾斜角是一個重要的問題，利用傾角傳感器調整角度，將太陽能的利用率進一步提高。 除了以上所介紹的，我公司傾角傳感器主要還用在: 自動導航裝置 失速報警 飛行測試 天線定位和控制 導彈豎立檢測 平臺穩定控制 船舶姿態控制 遠程水下控制 駁船調平 自動導航裝置 導彈推進 油/氣井測量 路基檢測 機械設備控制迎角測量 疲勞檢測 慣導系統 火控系統 直升機姿態控制 地面導航系
GPRS水文監測 地下水監測 GPRS無線傳感器
地下水監測系統依靠地下水傳感器，將采集到的數據，通過GPRS網絡傳輸到監測中心，工作人員可以在監測中心查看地下水的水位、溫度、電導率的數據。監測中心的監測管理軟件能夠實現數據的遠程采集、遠程監測的所有數據進入數據庫，可實現報表或曲線圖。
地下水監測系統主要由：地下水傳感器、可編程采集終端、GPRS通訊終端、數據接收監測中心。


水文監測終端廣泛應用于雨量、水位、墑情、地下水、井下水位監測。


GPRS通訊網絡


西安達泰電子的DTP-S09D設備通過GPRS/GSM網絡信號覆蓋，具有范圍廣、通信質量可靠、誤碼率低、運行穩定、數據傳輸實時性、安全性和可靠性高、按信息流量計費，使用靈活成本經濟。
系統結構:


中心具備寬帶網絡或移動通訊GPRS的VPN占用網絡通道。服務器，操作系統和系統監控軟件（可用組態王），不間斷存貯數據。
中心監控軟件除管理員外，其它工作人員經授權后可在自己的計算機上進行權利范圍內的操作。被授權者在任何地方的計算機上都可以通過INTERNET公網訪問和操作該系統。

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