基于无线传感器网络的分布式电磁探测系统设计

2012-06-27 17:48:42来源: 21ic
1 引言

无线传感器网络(wireless sensor network,wsn)是一种由大量微小的集成有传感器、数据处理单元和短距离无线通信模块的节点组成的,能够根据环境自主完成指定任务的智能网络监控系统。wsn不需要固定的网络支持,具有快速展开、抗毁性强等特点,可广泛应用于军事侦察、环境监测、医疗监护、农业养殖和其他商业领域,以及空间探索和抢险救灾等特殊领域。

分布式电磁探测系统通过探测地下目标体的电性差异,分析异常分布规律来实现勘探目的。由于野外工作环境恶劣,沟堑河流阻断,地形地貌复杂,一些区域勘探人员难于接近或逾越,采用传统有线的连接方式不仅大大增加了工作量,也使一些区域因不能布线而无法勘探。因此采用无线传感器网络的方式构建分布式电磁探测系统具有较强的现实意义。

2 无线传感器网络分析

2.1 无线传感器网络硬件组成

传感器网络的硬件设计与组网方式与应用领域密切相关。典型无线传感器网络在硬件上主要有三部分组成,即传感器节点、基站(又叫终端节点、汇聚节点)和任务管理平台。其中传感器节点是网络的主要组成部分,具有网络终端和路由器双重功能,除了进行本地信息收集和简单的数据处理,还要对其他节点转发的数据进行存储、管理和融合,它们大量分布在数据监测区域,被监测信号的物理形式决定传感器节点类型;基站用来实现两个通信网络之间数据的交换,实现两个协议栈之间的通信协议转换、管理节点,并把收集到的数据转发到外部网络上。任务管理平台对整个网络进行检测、管理,并对数据进行处理,通常为运行管理软件的pc机或者手持设备。典型的无线传感器网路组成结构如图1所示。

典型无线传感器网络组成结构
图1 典型无线传感器网络组成结构

2.2 网络协议

无线传感器网络通信协议栈主要包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。尽管目前很多研究人员已经为传感器网络的各层提出了一些解决方案,但总的来说还没有形成被广泛认可的标准。

ieee802.15.4标准是针对低速无线个人域网络(personal area network,pan)的通信标准,把低功耗、低成本作为设计的主要目标,旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速联网提供统一标准。由于ieee802.15.4标准的网络特征与无线传感器网络存在相似之处,很多研究机构把它作为无线传感器网络的通信标准[5]。

zigbee协议是zigbee企业联盟基于802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术标准,它与802.15.4之间存在如下关系:

(1)zigbee完整、充分地利用了ieee802.15.4定义的功能强大的物理特性的优点;

(2)zigbee增加了逻辑网络和应用软件;

(3)zigbee基于ieee802.15.4射频标准,同时zigbee联盟通过与ieee紧密工作来确保一个集成的完整的市场解决方案;

(4)802.15.4工作组主要负责制定物理层(phy)和媒体访问控制(mac)层标准,而zigbee负责网络层和应用层的开发。

2.3 网络层路由协议

协议是无线传感器网路的灵魂,在不需其它网络设备支持的情况下,它直接决定网络的体系结构。从网络层来看路由协议可以分为两种结构类型[3]:平面型和层次型。

在平面型的路由协议中所有传感结点的地位平等,协议制订比较简单,属于对等网络结构,网络中不存在瓶颈,工作可靠,比较健壮。但是这种协议可扩充性差,每一个结点都需要知道到达其他所有结点的路由,维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制消息。

在层次型的路由协议中网络以簇为单位划分为簇头和多个簇成员,簇头结点负责簇间数据的转发。簇头可以预先指定,也可以由结点使用算法自动选举产生。层次型结构的优点是:簇成员的功能比较简单,不需要维护复杂的路由信息,减少了网络中路由控制信息的数量,因此具有很好的可扩充性;由于簇头结点可以随时选举产生,层次型结构也具有很强的健壮性。但是层次性结构的缺点也很明显:维护分级结构需要结点执行簇头选举算法,簇头结点可能会成为网络传输的瓶颈。

因此在设计网络路由协议时,如果网络的规模较小,可以采用简单的平面式结构;而当网络的规模增大时,应用层次结构。

[1] [2]

关键字:无线传感器  电磁探测  网络协议

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/0627/article_5313.html
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