一项调查对无线传感器网络体系结构、协议和应用程序

m .莉莉弗洛伦斯博士^{* 1},D.Swamydoss²
Adhiyamaan工程学院、Hosur Tamilnadu,印度

通讯作者:m .莉莉弗洛伦斯博士电子邮件:lilly_swamy@yahoo.co.in

文摘

在本文中,我们调查在无线传感器网络的当前状态的艺术已获得利益的平台,改变我们如何与物理世界进行交互。今天,研究人员和从业人员利用低功率节点组成的无线收音机、传感器和计算元素为各种不同的应用程序在军事医学,生物学,制造业,等。大多数无线传感器网络使用现成的商品微控制器为基础,通过这些系统的能耗可以限制的有效寿命无线传感器网络节点。我们提供一个讨论无线传感器网络的定义,设计架构,问题在各种协议和无线传感器网络的各种应用程序。

关键字

无线传感器网络,本地存储,选择路由

无线传感器网络(WSN)

介绍

传感器网络是一组专门的传感器与通讯基础设施旨在监测和记录条件在不同的地点。一般监控参数是温度、湿度、压力、风向和风速、光照强度、振动强度、声强、电源电压、化学浓度污染物水平和身体功能至关重要。传感器网络由多个探测站称为传感器节点,每个小,重量轻,便于携带。每个传感器节点配备传感器,微型计算机,收发器和电源。传感器产生电信号基于感觉到生理效应和现象。微机处理和存储传感器的输出。收发器,可以有线或无线接收命令从中央计算机和数据传送到计算机。

每个传感器节点的权力来源于电力或电池。最近的技术进步使部署小,便宜,低功耗,分布式设备,能够本地处理和无线通信成为现实。这样的节点称为传感器节点。每个传感器节点能够只有数量有限的处理。但当配合大量的其他节点的信息,他们有能力来衡量一个给定的物理环境的细节。因此,传感器网络可以被描述为一组传感器节点协调执行一些特定的动作。与传统网络、传感器网络依赖密集部署和协调完成他们的任务。

以前,传感器网络由少量的传感器节点连接到一个中央处理。

然而,如今,更多的关注于无线分布式传感节点。但是,为什么分布式无线传感吗?当某一特定现象的确切位置是未知的,分布式传感允许接近位置比单一传感器将允许这种现象。此外,在许多情况下,多个传感器节点需要克服环境障碍如障碍物,视线约束等。在大多数情况下,要监视的环境没有现有的基础设施能源或沟通。传感器节点生存就必须小,有限的能源,通过无线通信信道进行通信。另一个要求传感器网络是分布式处理能力。这是必要的,因为沟通是主要能源消费国。集中式系统意味着一些传感器需要进行长距离交流,导致更多的能量消耗。因此,这将是一个好主意在本地处理尽可能多的信息,以最小化总传输的比特数。

总体设计架构的基础

无线传感器网络的框架由传感器节点的集合。每个节点可以感知、计算和相互交流。他们可以接收信息或传递信息,可以通过自我配置消息传送到网关和种路由。网关可以使用多种方式与远程通信网络,如互联网、卫星和移动通信网络(在本系统使用以太网)。不止一个网关可用于大规模的应用。由于其有限的通信区域的节点必须使用种路由访问节点的通信领域。

功能框图中提供了一个通用的无线传感节点的图1。模块化设计方法提供了一种灵活、通用的平台来解决各种各样的应用程序的需要。例如,根据传感器部署、信号调节块可以re-programmed或更换。这允许使用各种不同的传感器与无线传感节点。同样,所需的无线电可以换出一个给定的应用程序的无线范围要求和双向通信的需要。闪存的使用允许远程节点获得命令从一个基站的数据,或通过一个事件感到一个或多个节点的输入。此外,嵌入式固件可以通过无线网络进行升级。

微处理器有许多的功能,包括:

管理数据收集的传感器

进行电源管理功能

连接物理无线电层的传感器数据

管理无线网络协议

任何无线传感节点的一个关键特性是最小化能量消耗的系统。一般来说,广播子系统需要最多的权力。因此,它有利于通过无线电网络只在需要时发送数据。这个传感器事件驱动的数据收集模型需要加载到该节点的算法来确定何时发送数据基于感知的事件。此外,重要的是要减少电力消耗的传感器本身。因此,硬件应该明智的设计允许微处理器控制收音机,传感器和传感器信号调整器。

无线节点的硬件

无线传感器网络节点使用电池供电和他们的权力能力是有限的,由于其体积小的节点。网络的传输速率较低,它需要足够的力量稳定工作了很长一段时间。因此低功耗设计具有重要意义。该系统采用MICAz mote模块由弩技术和硬件图2所示的草图。MICAZ是嵌入式无线个域网的射频收发器和它的工作原理2.4和2.4835 GHz,全球兼容ISM乐队。dds广播提供了高速(250 kbps)和硬件安全(aes - 128)。的MICAz 51-pin扩张连接器支持模拟输入,数字I / O, I2C、SPI和UART接口。这些接口可以很容易地连接到各种外围设备,包括各种传感器、数据采集板和网关。

单片机

我们已经考虑Atmega128L、高性能和低功耗AVR 8位单片机作为处理器。ATmega128提供以下特点:32个通用寄存器连接到ALU直接工作,片上2-cycle乘数,128 k字节的在系统可编程Flash 1196 Read-While-Write功能,eepm 4 k字节,4 k字节SRAM, 2 USARTs CC2420的SPI串行端口连接,面向字节的二线串行接口,一个8路,10位ADC与可选的差动输入级可编程增益,设计六个睡眠模式,尤其是对权力的限制。

射频收发器

CC2420是行业首个单片机2.4 GHz射频收发器内部符合IEEE 802.15.4标准提供服务,已经用于无线个域网产品。在一个典型的应用程序中,将使用CC2420和单片机和一些外部被动组件。CC2420设置其工作模式通过SPI (SI��SCLK�CSn)和实现其read-while-write操作。CC2420和单片机之间的联系的草图是图3所示。

网关

MIB600CA的MICAz mote采用开发人员工具包为TCP / ip以太网网关。MIB600CA作为桥梁连接有线和无线网络。它连接MICAz以太网和允许服务器访问数据从无线传感器网络TCP / ip以太网。

协议体系结构方案基础上

的一个原因,使得一般的实现无线网络和无线传感器网络在特定的挑战是需要之间交换信息的功能,是在传统的ISO / OSI模型,对不同协议层。一个简单的例子是交接在蜂窝网络中,链路层触发传动功率,意识到在ad hoc网络路由协议,协议功能的相互影响的众多无线传感器网络。在这种情况下,通信协议的重用,特别是来自第三方,是具有挑战性的。理想情况下,个人对无线传感器网络协议的“积木”应分别确定和实施,与不同的想法机制实现所需的功能。这些构建块相互之间传递的数据包,也交换元,例如,关于网络的拓扑结构或单个节点的地理位置。在这个意义上,将会有积木,主要是从事包交换(例如,链路层构建块),而有些则是主要负责元数据信息的收集和计算(如积木提供关于一个传感器节点的位置估计)。当试图结构传感器网络协议套件沿着这些线路,确定最相关的构建块和他们最重要的数据包传递和信息交换关系,结构如图1是一个可能的结果(描绘一个中间状态的眼睛项目架构的讨论)。这种方法导致两个挑战:如何组织一个数据包的传递正确的下一个构建块;第二个挑战是如何然后组织构建模块之间的信息交换。第一个挑战是类似于同样的问题在传统的协议栈等著名的解决方案包过滤器也应该适用。 The second one is more difficult since it is neither clear when information is required from another building block nor to whom to deliver information. As an example, a building block for location estimates might be used by additional building blocks even after this block has been completed. Hence, a separation of communication in time and space is required—the publish/subscribe model is doing exactly this. Providers of information publish it under a given “name”, users of information can subscribe to such names and be informed of any value changes.

对于这样一个名字一个例子将RSSI:物理层可以发布这条信息,任何层可以订阅它感兴趣。实际实现这样一个发布/订阅结构概念是“黑板”,每一个构建块可以“写”值对于一个给定的名称和一个构建块可以发布一个回调为给定的名称为这个名字初始化时调用一个值或改变。

应用程序的基础

结构健康监测,智能结构

传感器嵌入到机器和结构使这些资产的状态维修。通常情况下,结构或机器进行检查以固定时间间隔,和组件可能根据他们的时间在维修或更换服务,而不是他们的工作条件。这个方法是昂贵的,如果组件是在良好的工作秩序,在某些情况下,计划维修不能保护之间的资产如果是损坏检查间隔。无线传感将允许资产时要检查传感器表明可能存在一个问题,减少维护的成本和防止灾难性故障时损伤检测。此外,使用无线降低最初的部署成本,安装长电缆运行的成本通常是禁止的。在某些情况下,无线传感应用的需求不仅消除铅丝,但是电池的消除,由于机器的固有性质,结构,或材料被测试。这些应用程序包括传感器安装在连续转动的零件,在混凝土和复合材料,在医疗植入物。

工业自动化

除了贵,铅丝可以约束,尤其是转动部件。无线传感器的使用允许快速安装的传感设备和允许访问的位置,并不实用,如果电缆连接。在这个应用程序中,通常十多个传感器是用来测量间隙,橡胶密封放置。之前,使用有线传感器过于繁琐的生产线环境中实现。无线传感器的使用在这个应用程序中启用,允许测量之前,并不实用。其他应用包括能源控制系统、安全、风力涡轮机的健康监测、环境监测、基于位置的服务,物流,和医疗保险。

土木结构监测

最近的应用程序之一,今天的智能,节能意识传感器网络是结构健康监测的大型民用建筑,如本·富兰克林大桥,横跨特拉华河,连接费城和卡姆登,新泽西州桥有汽车、火车和行人交通。桥官员想监控压力结构高速火车过了桥。明星的十应变传感器网络部署在通勤铁路列车的轨道。无线传感节点被打包在环保密封NEMA额定外壳。应变仪也适当的密封环境,现场焊接表面的桥钢支撑结构。传播范围的传感器网络上这颗恒星大约是100米。

无线传感器网络:原理及应用

传感器在低功率采样模式,他们检查的培训通过抽样应变传感器在低采样率大约6赫兹。当火车铁路上的应变增加,传感器检测到的。一旦发现,系统开始在更高采样率采样。应变波形是登录到本地闪存的无线传感器节点。定期的波形下载无线传感器基站。基站连接有一个手机,可以将收集到的数据通过蜂窝网络转移到工程师对数据分析的办公室。这种低功耗事件驱动的数据收集方法减少连续操作所需的力量从30 mA如果传感器在所有时间小于1 mA连续的。这使得锂电池提供一年多的连续操作。解决收集通常小于1微应变的应变数据。

结论

传感器网络举行很多承诺在收集传感信息的应用程序需要在偏远地区。这是一个不断发展的领域,它提供了很多研究的范围。在本文中,我们做了一个研究,系统结构和应用的基础。在未来我们可以开发一个传感器网络对于小应用程序,它将使我们能够了解更多关于网络。

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