无线传感器网络及其研究进展解读

王光玉　张肖

无线传感器网络是以传感器为载体，以无线通信协议为基础构建而成的一个具有强大应用功能的网络结构体系。在该网络结构当中，可以同时容纳多种不同类型的传感器，微传感技术和无线联网技术赋予了无线传感器网络极为广阔的应用空间。目前，无线传感器网络已经被广泛应用于诸多领域当中，如国防军事、医疗、环境、工业、农业等等，它的价值也随着应用范围的不断扩大而逐步显现。基于此点，本文就无线传感器网络及其研究进展进行论述。

【关键词】传感器 无线通信控制 自动化网络

1 无线传感器网络的应用设计

无线传感器网络简称WSN，它是一种非常典型的分布式传感网络，在该网络当中，所有的传感器均可以通过无线的方式进行通信，由此使得WSN具有了极高的灵活性。除此之外，WSN还具有如下优点：规模大、密度高、安全、可靠等等，由此使得其在多个领域中获得了广泛的应用，如国防军事、环境科学、生物医疗、智能城市等等。下面本文重点对该网络的设计进行分析。

1.1 WSN的框架结构

本文所设计的WSN系统由以下几个部分构成：传感节点、汇聚节点及上位PC机。

1.1.1 传感节点

主要负责现场数据的采集，并通过路由协议将采集到的这些数据传给其它的传感节点，最终达到汇聚节点。

1.1.2 汇聚节点

主要负责接收由各个传感节点传输的数据信息，并将这些信息以串口通信的方式传给上位PC机。同时，还能将上位PC机下发的一些指令传给各个传感节点。

1.1.3 上位PC机

主要负责对接收到的数据信息进行处理，并对整个网络进行监督管理。同时，PC机可以提供图形化的操作界面，能够直接接收用户的具体需求，并进行相关数据信息的显示。

1.2 系统硬件设计

本系统中终端节点的硬件由以下几个模块组成：处理器、无线通信、传感器、电源等。图1为系统硬件结构。

1.2.1 MCU

这是整个系统的核心部分，它除了能够接收由传感器发送的数据信息并进行计算处理之外，还能将处理后的数据传给无线通信模块，同时，可对硬件平台中其它模块进行操控。通过技术经济性比选之后，决定采用美国TI公司研发的一款混合信号处理器，MSP430F1611，这款处理器具有超低的功耗和强大的处理能力，其运行稳定性较高。

1.2.2 射频芯片

为了能够与MCU更好地进行配合，本系统中的射频芯片也选用了美国TI公司的产品，型号CC1101，这款射频芯片在研发设计时主要就是为低功耗的无线应用服务的，它的成本比较低，是一款真正的UHF收发器，其电路可以设定在多个频率波段上。

1.2.3 传感器

本系统中选用的传感器型号为SHT11，它是一款单芯片的数字传感器，将温湿度感测、A/D转换等多种功能全部集成到一块芯片上，这种传感器最为突出的特点是可靠性高、稳定性好。

1.2.4 实时时钟

RTC采用的是Maxim公司自主研发的DS1337芯片，它的特点是能够在1.8-5.5V电压之间保持稳定的运行状态，并且具有较低的功耗，芯片处于休眠状态时，电流仅为15μA。

1.2.5 电源

本系统的电源采用的是微型电池。

1.3 系统软件设计

在整个WSN系统设计中，软件设计是重中之重，具体包括MAC协议层、路由层、上位PC机软件等几个方面。

1.3.1 MAC协议层的设计

MAC协议是WSN数据链路层的研究重点，其需要凭借数量众多的节点来实现应用目标。对于WSN而言，网络节点消耗能量最多的环节是空载侦听，为了尽可能降低这部分能耗，采用了S-MAC协议，在该协议中，网络节点之间能够通过协商的方式形成一个虚拟簇，利用它可以使空闲侦听的时间大幅度缩短，由此便可达到节能的效果。在具体设计中，采用了如下改进方法，使S-MAC协议进行选择性休眠，并通过实时动态的方式对其占空比进行调整。在每一次数据传输过程中，选择性休眠节约的能量可用下式进行计算：

（1）

上式当中，△E表示可节能的能量；Tlisten表示侦听时间；Pidle和Psleep表示空闲和休眠状态下的功耗；DC代表占空比。由式（1）可知，通过对占空比的有效调节，能够使选择性休眠节省更多的能量。在该协议中，虽然可以通过对占空比的调节来实现节能，但却可能引起休眠延迟及吞吐量下降等问题，为了有效解决这一问题，可采取如下方法，即上一个T时间内的负载过大时，节点在保持侦听时间不变的前提下，自行减少休眠时间，以此来增加占空比。

1.3.2 路由层设计

对于WSN而言，它的生命周期与路由层协议有着非常密切的联系，合理且有效的路由方法能够使网络节点之间的能量消耗达到一个平衡状态，由此可以使网络的生命周期获得大幅度地延长。本次设计中，采用了当前比较流行的一种路由算法，即MEACO，该算法在寻找最优路径时，对网络节点之间的能量平衡予以了充分的考虑，通过它可以对节点及整个网络的能耗进行有效的控制，这样一来，便能够达到延长网络生命周期的目的。

1.3.3 上位PC机软件设计

在该系统当中，上位PC的主要作用是对数据进行处理，并为用户的使用需求服务，因此，在上位PC软件的设计上，应当使其以Web网站的形式存在，这样能够方便远程用户的访问与控制。

2 无线传感器网络展望

WSN自诞生到现在经历了数十年的发展，在业内专家学者的不懈努力下，使其得到了逐步的完善，目前，WSN已经渗透到了多个领域当中，它的价值也在不断地应用中得到了展现。鉴于WSN拥有着无限的应用前景，因此，加大对它的研究力度显得非常重要，在不久的将来，WSN将会进入一个高速发展阶段，它的应用价值也必将随着它的持续发展和完善获得进一步提升。

3 结论

综上所述，本文在对无线传感器网络的应用设计进行分析的基础上，展望了无线传感器网络的未来发展。随着无线传感器网络的价值逐步提升，它在各个领域中的应用范围必将不断扩大，为了能够进一步推动无线传感器网络的发展，应当在现有的基础上加大对其的研究力度，使该网络更加完善。

参考文献

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[2]李建坡，钟鑫鑫，徐纯.无线传感器网络静态节点定位算法综述[J].东北电力大学学报，2015（2）：82-83.

作者单位

1.山东淄博市淄博市中心医院 山东省淄博市 255036

2.山东淄博市山东轻工职业学院 山东省淄博市 255300