无线通信网络中传感器节点应用与设计

作者 / 张晓玫，河南工程学院



无线通信网络中传感器节点应用与设计

作者 / 张晓玫，河南工程学院

随着电子通信技术的迅速发展，人们已经开发了各种类型的传感器，这些传感器节点能够实现数据信息采集、发送、接收，并且利用互联网通信技术，构建一个自组织无线网络，在工业控制、环境监测、交通管理、医疗卫生救治等多个领域得到了广泛的应用，取得了显著的成效。目前，传感器在无线通信网络中主要包括两种节点类型，分别是网关节点、终端节点，这些节点可以采集应用环境中的软硬件设施信息，采用路由通信协议将其传输到服务器中，同时还可以接收网络控制命令信息，有效实现无线通信网络数据传输和共享。

无线通信网络；传感器；终端节点；网关节点

引言

随着我国经济的发展，环境资源污染严重，需要实时监测，提高控制成效。另外，一些重工业生产环境比较恶劣和复杂，不利于人们进行工作，而采用有线光缆不利于组网，并且易于损坏，因此需要使用传感器、ZigBee、WiFi和6LoWPAN等技术构建一个传感器无线通信网络，进一步改进传感器无线网络组网的灵活性［1］。传感器、无线网络的快速发展和应用可以满足环境资源监测、工业制造智能监控、公共安全监控等需要，具有重要的作用和意义［2］。目前，常用的无线通信技术包括ZigBee、WiFi、RFID、6LoWPAN和4G移动通信等无线通信技术，可以大幅度提高组网的灵活性，实现传感器信息采集、发送和接收。每一种无线通信技术应用描述如下：

（1）ZigBee技术。ZigBee技术是一种低速率、短距离无线通信技术，其可以将部署于重工业环境中的传感器连接在一起，形成一个良好的自组织通信网络。网络通信可靠性较高，具有较低的节点功耗，可实现重工业生产数据的集中式共享、传输管理［3］。

（2）6LoWPAN技术。6LoWPAN（IPv6 over IEEE 802.15.4）是一种基于IPv6的低速无线个域网通信标准，其可以把传统的无线通信协议扩展到IP链路上进行网络通信，提高了重工业生产环境数据通信的可靠性［4］。

（3）WiFi技术。WiFi是一种灵活的无线数据通信系统，其可以在短距离内实现设备组网，可以作为有线局域网的延伸，也可以单独组网，实现移动计算机服务器、终端设备等实现数据传输和共享［5］。

（4）RFID技术。RFID是一种无线射频识别技术，该技术采用非接触式数据传输功能，能够实时地采集工业生产环境的设备信息，并且将这些信息保存在RFID服务器中，实现数据流的实时化传输和共享。

（5）4G移动通信技术。4G通信技术已经成为当前无线移动通信的主流技术，该技术使用OFDM的多址接入模式，可以有效地增强无线链路通信技术，采用高可靠性的软件无线电技术和高校的调制解调技术，有效地提高了数据传输的速率。

1. 传感器在无线通信网络中的应用

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）通常是指部署在检测区域内的一些数据采集传感器构成的、能够通过无线通信网络进行数据传输的一种具有多跳特征的自组织网络。无线传感器网络可以互相协作，采集和处理网络覆盖区域内的各种可以感知的对象信息，并且将其发送至观察者。在无线传感器网络中，传感器节点是网络的基本组成元素，其可以部署在不同的位置，并且将采集、预处理的数据发送到汇聚节点，这些数据可以包括覆盖区域的各类环境信息，比如湿度、温度、光强度、噪声、压力等一些人们感兴趣的物质现象。无线传感器网络中的汇聚节点可以负责收集、汇总网络覆盖区域所有节点的数据，是整个无线传感器网络的中心节点，其负责管理、组织传感器网络节点，也可以与其他的汇聚节点、功能模块单元共同构成一个功能更加强的网络，比如4G通信模块、远程数据采集模块等，实现人们实时的监控环境信息，具有重要的作用和意义。

2. 无线通信网络传感器节点设计

无线传感器网络主要包括两种节点，分别是终端节点和网关节点。终端节点是组成无线传感器网络的传感器节点。在无线传感器网络中，传感器节点可以完成数据采集、数据传输，因此传感器节点的硬件部分主要由电源模块、电源管理模块、时钟模块、射频天线单元、LED显示模块、信号调理模块和传感器模块共同构成。传感器节点上的射频天线单元、时钟模块、LED显示模块的主要功能与路由器节点的功能是完全一致的，因此，部分硬件功能的电路设计过程中可以进行通用。电源管理单元可以为传感器提供工作电压，并且在设计过程中可以降低每一个节点的工作能耗，有效节约电源。另外，电源管理单位还可以控制工作电压的开关，并且保证系统采集数据时能够有效地管理电压，使得数据采集部分的能耗为零，能够优化传感器的部署节点，保证传感器模块将采集的信号转换为数字信号，提高了无线传感器室内监测的准确度。终端节点如图1所示。

网关节点又被称为路由器节点。网关节点的主要作用是实现数据汇聚和转发功能。在无线传感器网络中，网关节点可以自由灵活放置，网关节点的主要能量也是来源于电池，因此网关节点的硬件电路结构相对比较简单，主要由电源模

图1 终端节点组成

图2 网关节点组成部分

块、时钟模块、CC2350、射频天线单元、LED显示模块共同组成。网关节点的组成模块如图2所示。

目前，无线传感器节点通常可以采用德州仪器生产的传感器CC2350芯片，其集成了信息射频收发和MCU控制功能，拥有一颗强大的32MHz晶振及其他相关的阻容器件。同时，CC2350芯片采用板载PCB板天线设计，采用巴伦匹配电路，因此传感器的接受灵敏度可以达到-97dB，在接口设计与德州仪器官方的CC2350EM完全融合在一起，具有极其强大的软件开发功能，并且在室外进行通信的条件下，其可以覆盖250m左右的距离。如果覆盖在室内，其可以穿透非混凝土墙，距离可以达到10m左右，并且这种传输距离完全可以满足室内监控的需求。

3. 结束语

无线传感器网络作为一种新兴网络，是下一代传感器网络发展的重要方向。无线传感器网络的应用前景广阔，具有较高的商业价值，国内外许多科技企业、高校机构等组织都非常重视无线传感器网络的研究和发展，从而有效促进了无线传感器的快速改进，在传感器节点部署、能量供给、处理数据能力等方面取得了显著的成效。当前，无线传感器网络已经在军事战场指挥网络、土地环境监测、水源环境监测、交通管理、医疗卫生救治、工业控制和抗震救灾等多个领域得到了广泛的应用，其可以主动地采集应用领域的温度、湿度、污染程度、视频图像等信息，并且通过无线传感器网络节点实现实时化、自动化数据发送和传输，有助于扩展人类认知、认识客观世界的渠道，进一步感知生活环境信息，改善人类工作、生活的信息化水平。

＊ ［1］ 陈旿， 孙建华， 于振兴，等. 基于IEEE1588的无线传感器网络时钟同步方法［J］. 系统工程与电子技术， 2014， 36（3）：564-574.

＊ ［2］ 汪华斌， 罗中良， 陈治明，等. 基于WIFI+GPRS的无线传感器网络监控系统［J］. 计算机系统应用， 2014， 23（3）：224-227.

＊ ［3］ 张会新， 陈德沅， 彭晴晴，等. 一种改进的TDOA无线传感器网络节点定位算法［J］. 传感技术学报， 2015（3）：412-415.

＊ ［4］ 蒋华， 韩平梅， 王鑫. 关于无线网络传感器节点能耗优化设计与仿真［J］. 计算机仿真， 2015， 32（7）：273-276.

＊ ［5］ 王卫星， 高奕龙， 陈佳森，等. 基于Zigbee无线传感器网络的山地橘园精细化滴灌系统设计［J］. 电子技术与软件工程，2014（14）：19-20.