一种基于无线传感器网络的动态数据采集系统设计

　　摘 要：动态数据采集有着采集范围大、采集点众多、数据通信困难、布线空间有限、自动作业等特点，传统的以总线方式组成网络的采集系统很难满足这种应用要求。提出一种基于无线传感器网络的动态数据采集系统设计方案，具有低功耗、灵活性强、可扩展好、体积小、成本低等特点，解决了传统的采集系统的设计瓶颈，并具有新的优异特性。
　　关键词：无线传感器网络；动态数据采集；ZigBee；TinyOS 
　　
　　1 引言
　　
　　无线传感器网络是是一门新兴的信息技术，由一组按需随机分布的集成有传感器、数据处理单元、无线通信模块和能量供应模块的微型传感器节点以自组织方式构成的无线网络, 融合了信息处理技术、微电子技术、计算机技术和无线网络技术，已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。
　　对于动态数据采集系统中的采集节点来说，其硬件设计主要有三点要求。 论文检测天使-免费论文检测软件http://www.jiancetianshi.com
第一，动态数据采集系统的采集对象往往是目标的温度、湿度、速度等参数，整个系统需要在无人环境下长期正常工作，因此低功耗设计是动态数据采集系统的首要要素；第二，动态数据采集系统处理数率较低、数据传输量少、主要采用无线传输的形式，因此选择无须许可的、合适、低价的通信方式是保证动态数据采集系统正常工作的关键。第三，系统采集的对象主要是人体、动物、车辆等等动态目标，为了实现监控的方便，采集节点还必须要满足体积小、灵活性等特点。
　　
　　2 无线传感器网络的节点结构
　　
　　一个典型的无线传感器网络节点设计包括了传感器单元、数据处理单元、无线通信单元和电源管理单元，以及用户接口等一些扩展设计单元，如图1：
　　
　　3 节点硬件分析
　　
　　目前，两种典型的无线传感器网络节点研究平台是mica系列和telos系列节点，它们采用目前应用最广泛的TinyOS嵌入式网络操作系统。
　　3.1 mica系列节点
　　mica系列节点包括Wec、Renee、mica2、mica2dot、Spec、micaz等，其中一些已经被Crossbow公司产品化。mica系列节点在硬件上由两个部分组成，一个模块是运算和通信平台，另一个模块是传感器平台。两者之间通过51针的自定义接口连接。这种统一的接口使得不同的通信平台和不同的传感器平台之间可以自由的组合。mica系列节点目前很大程度上都是作为研究使用的。为了能够方便地对节点进行程序功能更新，Crossbow公司开发了一系列的开发工具，例如:MIB500、MIB510、MIB600等。
　　3.2 telos系列节点
　　telos节点是美国国防部DARPA支持NEST项目的一个部分，与mica系列比较，它的设计结构有很大变动。
　　(1) 在通信模块选择上，采用TI公司的支持IEEE802.15.4协议的CC2420芯片，这与micaz节点是一致的；250kbps的数据收发速率可以使节点更快的完成事件的处理，快速休眠，节省系统能量。而且CC2420支持ZigBee协议，标准化的通信协议有利于实现节点之间的互通。
　　(2) 采用TI公司的超低功耗微处理器芯片MSP430。
　　(3) telos本身就有SHT11温湿度一体化器件，能够作为独立的传感器节点使用。
　　(4) telos没有mica2那样丰富的外部引脚，只有一个10脚的接口，一方面可以连接简单的传感器板，另一方面可以通过一块适配板与mica2系列部件互联。通过适配板，telos和mica2通过UART可以实现一个2.4GHz的IEEE802.15.4到CC1000的915MHz-ISM频段之间的网关，通过适配板，telos还可以直接控制与mica2连接的传感器板。
　　(5) 使用USB-COM的桥连接，可以直接通过USB接口供电、编程和控制，进一步简化外部接口。
　　3.3 本系统节点硬件平台
　　本系统的硬件设计参考telos平台，是telos平台一次再设计过程。系统设计弱化传感器部分的设计，对无线通信模块选用射频模块电路，设计重点在微处理器模块地电路实现上。同时，为了增加动态数据采集系统应用性，添加了PC接口电路，使得本设计可以作为动态终端节点，亦可以作为服务器的网关。
　　动态数据采集硬件平台上选用MSP430F149微处理器芯片和FLASH芯片AT45DB041B分别作为处理器单元和存储单元；选用FT232BM芯片完成MSP430的BSL编程电路和MSP430与PC的串行通信接口；选用CC2420射频模块完成无线数据收发；在电源管理上，当设计作为网关时选择USB供电，当作为终端可用干电池供电。硬件原理框图如图2所示,与无线传感器网络节点设计相比，结构上具有一致性，同样具有采集单元、处理和控制单元、无线通信单元和电源管理单元。

  
　　3.4 TinyOS嵌入式网络操作系统
　　TinyOS是加州大学伯克利分校开发的一种开源的嵌入式网络操作系统，基于组件化编程，是针对无线传感器网络设计的一种操作系统。
　　TinyOS的程序采用模块化设计，程序核心都很小，一般来说核心代码和数据大概在400 Bytes左右，突破了传感器节点存储资源少的限制，这使得TinyOS能很有效的运行在无线传感器网络上并去执行相应的管理工作。

　　[8]电大学习网.免费论文网[EB/OL]. /d/file/p/2024/0424/fontbr />　　TinyOS的组件有四个相互关联的部分：一组命令处理程序句柄、一组事件处理程序句柄、一个经过封装的私有数据帧和一组简单任务；任务、命令和事件处理程序在帧的上下文中执行并切换帧的状态。为了易于实现模块化，每个组件还声明了自己使用的接口及其要用信号通知的事件，这些声明将用于组件的相互连接。如图3所示为一个支持多跳无线通信的组件集合与这些组件之间的关系，上层组件对下层组件发命令，下层组件对上层组件发信号通知事件的发生，最低层的组件直接和硬件打交道。

  
　　TinyOS的组件通常可以分为以下三类：硬件抽象组件、合成组件、高层次的软件组件；硬件抽象组件将物理硬件映射到TinyOS组件模型中，合成硬件组件模拟高级硬件的行为，高层次软件模块完成控制、路由以及数据传输等。
　　TinyOS使用基于事件的执行方式以满足无线传感器网络需要的高水平运行效率。事件模块在一个较小的空间内允许高效并发处理运行。当事件被触发后，CPU会迅速处理所有与发出信号事件关联的任务;当该事件以及所有关联任务被处理完毕后，将未被使用的CPU循环置于睡眠状态而不是积极寻找下一个活跃的事件。TinyOS这种事件驱动方式使得系统高效地使用CPU资源，保证了能量的高效利用。
　　
　　4 结语
　　
　　无线传感器网络是一门新兴的信息技术，本文着眼无线传感器节点硬件平台的设计，完成了硬件模块的划分、芯片的选型、软件系统以及通信方式的选择，设计出了针对动态数据采集系统的无线传感器网络，具有低功耗、扩展性好、灵活性强、成本低等传统数据采集系统难以达到的特性。 
　　
　　参考文献
　　
　　〔1〕任丰原，黄海宁，林闯.无线传感器网络〔J〕．软件学报，2003，14(7)：45-48．
　　〔2〕David Gay，PhilLevis，Rob Von Behren，et al．The nesC Language：A Holistic Approach to Networked Embedded Systems．Proceedings of Programming Language Design and Implementation(PLDI)，1996．
　　〔3〕Levis P，Madden S，Gay D，et al ．The emergence of networking abstractions and techniques in tinyOS．Proceedings of t he First USENIX/ ACM Symposium on Networked Systems Design and Implementation．2004，(11)：203-230．
　　〔4〕Seungmin Park，Jin Won Kim，Kee-Young Shin，et al．A Nano Operating System for Wireless Sensor Networks．8th International Conference Advanced Communication Technology，ICACT 2006-Proceedings，2006：345-348．
　　〔5〕孙利民，李建中，陈渝．无线传感器网络〔M〕．北京：清华大学出版社，2005：1-26．
　　〔6〕Joseph Polastre, Robert Szewczyk, and David Culler. Telos: Enabling Ultra-Low Power Wireless Research．2005 Fourth International Symposium on Information Processing in Sensor Networks, IPSN 2005，2005：364-369.

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