CN101018266A

CN101018266A - 一种无线有线融合式传感器网络系统

Info

Publication number: CN101018266A
Application number: CN 200610021186
Authority: CN
Inventors: 利强; 唐友喜
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2006-06-16
Filing date: 2006-06-16
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2026-06-16
Also published as: CN100562048C

Abstract

一种无线有线融合式传感器网络系统，属于通信技术领域。系统由若干电力回路和若干并联于电力回路中传感器网络节点构成。所述传感器网络节点由电源部分、信号采集部分、信号处理部分、传输控制部分和信号收发部分组成。其中，信号采集部分由传感器和AD转换电路构成；信号处理部分由存储器和中央处理单元构成；信号收发部分由有线传输单元和无线传输单元构成；电源部分由整流电路、稳压电路和备用电源构成。传感器所处理的信号可以从以下3方面获取：(1)直接利用有线传输单元从信号线上接收的有线信号；(2)直接利用无线传输单元接收无线电信号；(3)利用信号采集单元对环境信息的测量和转换所得到的信息。系统供电方便、可靠，传感器网络节点更长寿命更长、发射功率更大，系统网络拓扑结构简单；系统具有无线、有线相互融合的通信方式，使得传输方式更灵活、可靠、容量更大；系统将电力网与传感器相结合，使得系统建设成本低，布置更为方便、灵活。

Description

一种无线有线融合式传感器网络系统

技术领域

一种无线有线融合式传感器网络系统，属于通信技术领域，特别涉及一种利用无线或有线方式进行通信的传感器网络系统。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，简称WSNs)是一个由大量分布式、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统，是能根据环境自主完成指定任务的网络系统，也是能根据环境自主完成指定任务的“智能”系统。它综合了计算、通信和传感器这三项技术，能够通过各类集成化的微型传感器实时检测、感知和采集各种环境或检测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，然后通过网络传递信息。

WSNs中，由于传感器节点数量众多，通常采用随机投放的方式部署传感器节点，传感器节点的位置不能预先确定；在任意时刻，节点间通过无线信道连接，采用多跳(multi-hop)、对等(peer to peer)通信方式和自组织式网络拓扑结构；传感器节点间具有很强的协同能力，通过局部的数据采集、预处理以及节点间的数据交换来完成全局任务。

无线传感器网络除了具有Ad-Hoc网络的移动性、断接性等共同特征以外，还具有以下几个方面鲜明的特点：

(1)通信能力有限；

(2)电源能量有限；

(3)计算能力有限；

(4)高强壮性和容错性；

(5)强网络动态性；

(6)系统实时性要求；

无线传感器网络有着巨大的应用前景，随着传感器技术、无线通信技术、计算技术的不断发展和完善，各种传感器网络将遍布人们的生活环境，从而真正实现“无处不在的计算”。已有和潜在的传感器应用领域包括：军事、环境监测、医疗、智能家居和安全报警、反恐和公共安全以及其它商业应用等。

虽然无线传感器网络有很多优点，但由于其受到电源能量的限制，所以其生存周期有限。为了降低能耗尽可能延长生存周期，传感器节点必须采用较小的发射功率，但这样会导致节点间的通信距离有限，对于较远距离的节点间的通信需要多跳传输才能到达，这会使得网络的拓扑结构变得复杂，系统开销增大。另一方面，由于传统的传感器网络都是基于无线连接的，所以连接间的可靠性并不能完全保证，容易受到外来干扰的影响尤其是在需要保密的应用环境中。

发明内容

本发明提供一种无线有线融合式传感系统器网络，以解决现有无线传感器网络系统存在的传感器节点寿命较短、通信距离较短、网络结构复杂和通信可靠性较差的技术问题。

本发明技术方案为：

一种无线有线融合式传感器网络系统，如图1所示，包括电力网络和传感器网络节点2，所述电力网络由电力线4、电力开关3和电压变换装置5组成的若干电力回路构成，其特征在于，所述若干个传感器网络节点2并联于电力回路中。所述传感器网络节点2由电源部分、信号采集部分、信号处理部分、传输控制部分和信号收发部分组成。如图2所示，信号采集部分由传感模块和AD转换电路构成；信号处理部分由存储器和中央处理单元构成；信号收发部分由有线传输单元和无线传输单元构成。传感器所处理的信号可来自有线传输单元接收的有线信号，或无线传输单元所接收到的无线电波信号，或传感器采集模块所采集周围环境信息而得到信号。传感器网络节点发送数据时，中央处理单元从存储器中读出数据并进行编码、调制等基带处理，再将处理后的基带数据送往传输控制单元，由传输控制单元选择有线传输或无线传输或有线/无线同时传输；传感器网络节点接收数据时，无线或有线传输单元接收到的数据经传输控制单元后输入中央处理单元，由中央处理单元对接收到的数据进行解调、解码等基带处理，并将处理后的数据写入存储器。

所述电压变换装置为变压器。

外界信号的获取可以从以下3方面实现：(1)直接利用有线传输单元从信号线上接收的有线信号；(2)直接利用无线传输单元接收无线电信号；(3)利用信号采集单元对环境信息的测量和转换所得到的信号。

系统中各组成部分的结构和功能为：

信号采集部分由传感器和AD转换电路构成，传感器感知外界环境中的特定信息并将其表现为与外界环境特定信息相关的模拟电信号，传感器探测到的模拟信号经AD转换电路转换成数字信号。所述传感器包括一切能够感知外界环境特定信息，如温度、压力、湿度、速度、气体等的传感器，具体可以是温度传感器、压力传感器、湿度传感器、气敏传感器等。

信号处理部分由存储器和中央处理单元构成。中央处理单元的主要功能是从存储器中读出数据信号并进行编码、调制等基带处理；或对数据信号进行解调、解码等基带处理并将处理的结果写入存储器。存储器是一些具有存储数据能力的ROM或RAM，用于记录传感器网络中接收和发送的数据以及一些节点间的连接信息。

传输控制部分是联系信号处理部分和信号收/发部分的桥梁，工作于双向传输模式。它通过预先建立的节点间的连接关系或是扫描当前无线传输单元和有线传输单元的工作状况动态的选择无线传输、有线传输或无线有线同时传输以提高系统传输容量。

信号收发部分包括无线传输单元和有线传输单元，是信息传输的接口，可工作于双向传输模式。无线传输单元由天线、LNA(前置低噪声放大器)、变频器和AD/DA转换器顺序串接而成，如图3所示，无线传输单元在接收数据时，先对信号进行一系列的前端射频处理后变换至基带，在发送时进行类似的逆处理。有线传输单元由信号线、LNA(前置低噪声放大器)、变频器和AD/DA转换器顺序串接而成，如图4所示，具有与无线传输单元类似的功能，只是其接口是有线介质。

电源的功能是为传感器网络节点各组成部分提供正常工作时所需要的电压和电流。电源由整流电路、稳压电路和备用电源三部分构成。整流电路将220v照明电压转换为低压直流，稳压电路对整流后的低压直流进行稳压使其输出电压在传感器节点正常工作电压范围之内。备用电源单元的作用相当于一个不间断电源，它能动态的选择照明电或备用电池作为输出。

整个系统的工作过程如图9所示，包括一下步骤：

步骤1：检测电力线能否正常供电，如不能正常供电(如：线路开关断开或电力线受损)则启动备用电源。当在工作过程中，遇到电力线恢复正常供电时则自动转入电力线供电状态并对备用电池充电。

步骤2：检测节点间能否同时建立有线和无线连接。

1)如能则同时建立有线连接和无线连接。

2)如不能则转入步骤3。

步骤3：检测节点间能否单独建立有线连接或无线连接。

1)如能单独建立有线连接或无线连接则建立单独的有线连接或无线连接。

2)如不能则在延时T后返回步骤2继续检测。

步骤4：传感器节点按照之前建立的连接关系采用对应的有线传输或无线传输或有线无线同时传输方式进行信息的传递。

步骤5：判断传输是否完毕。如果完毕则延时T后返回步骤2，否则回到步骤4继续传输。

本发明相对于现有的无线传感器网络系统有如下一些优势：

1、供电更方便、可靠

由于传感器网络节点与电力网相连接从而有效地解决了传统传感器网络节点的供电问题，同时还在传感器内部增加了一个备用电源，以保证在照明电路不能正常工作时传感器仍能正常通信。由于解决了传感器的供电问题，因此有效的增加了传感器网络的生存周期，同时传感器节点可以采用更大的发射功率以提高通信距离，简化网络拓扑结构，为系统的设计和维护带来方便。

2、传输方式更灵活、可靠

由于传感器节点与照明灯相连接所以传感器节点间除了利用无线的方式来建立通信连接还可以利用现有的电力线实现节点间的有线连接，特别是距离较远而无法直接建立无线连接的环境，这样就避免了传统传感器网络节点间需要通过多跳才能建立连接的难题同时也简化了路由算法，降低了硬件的复杂度，降低了系统成本。由于采用了有线传输使得传输的可靠性较传统的无线传输更高，信号质量更好，抗干扰能力更强。但在某些场合下有线传输可能无法进行(比如传输过程中遇到变压器)，此时可以利用节点间的无线传输来弥补使传输过程得以继续。此外还可以同时利用传感器节点间的有线和无线连接来传输信息因此其传输容量较传统传感器网络会有较大提高。

3、建设成本低，布置更为方便、灵活

由于电力网络遍布整个生活区，将电力网与传感器相结合，可很好的利用现有的基础设施，无需对现有设施做太大修改，可极大的节约建设成本。

附图说明

图1是本发明的一种无线有线融合式传感器网络系统总体结构示意图。其中，2是传感器网络节点，3是电力开关，4是电力线，5是变压变换装置。

图2是本发明的一种无线有线融合式传感器网络系统中传感器网络节点的内部结构示意图。

图3是本发明中传感器网络节点的无线传输单元的内部结构示意图。

图4是本发明中传感器网络节点的有线传输单元的内部结构示意图。

图5是本发明中传感器网络节点的电源部分的电路结构示意图。其中，T是变压器，6是桥式全波整流电路，C1、C2、C3、C4、C5是电容，D1、D2是二极管，R1是电阻，R2是电位器，CW317是CW317型稳压管。

图6是本发明中传感器网络节点的电源部分的备用电源单元电路结构示意图。其中，R4是电阻，D5是二极管，B是可充电电池，ICL7673是ICL7673型电源转换单元，GND表示接地，V_p表示主供电源输入端，V_s表示备用电源输入端，V_o表示备用电源输出端。

图7是传感器网络节点置于照明灯外并与照明灯并联在电路中的电路结构示意图。其中，8表示照明灯，9是传感器网络节点的天线(即传感器网络节点的信号收发部分的无线传输单元的天线)。

图8是传感器网络节点集成在照明灯内部，一起并联在电路中的电路结构示意图。

图9是本发明的整个系统工作流程图。

具体实施方式

传感器网络节点与于照明灯的位置关系可以有两种：一是置于照明灯外，如图7所示，一是集成于照明灯内，如图8所示。

在图7中，传感器网络节点置于照明灯外并与照明灯并联在电路中，由于传感器网络节点与照明灯相互分离、相对独立所以避免了由照明灯的损坏而造成传感器不能正常工作；同时由于这种相对分离的结构使得增加或减少传感器网络节点的数目变得容易，只需要接上或取下相应的传感器节点即可。

在图8中，传感器网络节点集成在照明灯的灯头部分，一起并联在电路中，这样具有通信功能的照明灯和普通照明灯在外观上并没有明显区别，达到了美观的效果；同时当灯泡损坏时只需要更换灯泡泡体并不需要更换灯座，所以对传感器网络节点不会造成任何影响。所述照明灯可以是普通灯泡、卤素灯泡、碘钨灯泡、节能灯泡、聚光灯泡乃至各种形状的荧光灯管等。

系统在初始化时，附着在照明灯上的传感器网络节点之间首先建立连接，包括：有线连接发方式和无线连接方式。建立连接的具体过程如下：

1、附着这照明灯上的传感器网络节点首先与邻近的传感器网络节点直接建立无线连接和有线连接。

2、对于相距较远的传感器网络节点，如果无法直接建立无线连接但可以直接建立有线连接，则只建立有线连接。

3、对于相距较近的传感器网络节点，如果无法直接建立有线连接但可以直接建立无线连接(如分属于不同的电力回路，但彼此相邻的传感器网络结点)，则只建立无线连接。

4、对于相距较远的传感器网络结点，如果无法直接建立无线连接，也无法直接建立有线连接，则通过中间节点来建立间接连接。

在连接过程结束后，将周围节点间的连接信息写入传感器网络节点的存储器中，在传输信息时首先查看存储器中的连接信息能否直接到达，如果不能则通过多跳传输。

信号收发部分的无线传输单元需要配置天线，天线的类型和数目根据实际需要可以采用全向天线或是定向天线，单天线或是多天线。

信号收发部分的有线传输单元无需配置天线，信号可通过有线方式传输，即通过信号线提供的信道传输。信号线可以是电力线，也可以是专门用于传感器网络的其他信号线。

信号收发部分的无线传输单元或有线传输单元中，所述LNA(前置低噪声放大器)用于射频前端对信号进行放大。由于接收信号很微弱，因此前端功放要求具有很小的电压噪声和电流噪声，可用的前置低噪声放大器有：双极性放大器、JFET输入放大器或CMOS输入放大器。双极性放大器具有较低的电压噪声适合源阻抗较低的应用；JFET输入放大器具有很低的电流噪声适合高阻抗信号源的应用，但其电压噪声较大；CMOS输入放大器兼具前两类放大器的优点能为较低频率的模拟应用和绝大多数前端应用提供最佳的噪声指标，特别是高源阻抗、宽带设计。根据实际需要可选择参数合适的LNA。

信号收发部分的无线传输单元或有线传输单元中，所述变频器包括上变频器和下变频器。当从天线或有线介质接收到射频信号时送至下变频器变频；当从信号处理单元收到信号时送至上变频器。变频器可以采用数字变频器或模拟变频器。

信号收发部分的无线传输单元或有线传输单元中，所述A/D(D/A)转换电路用于数字信号与模拟信号间的转换。根据实际需要可以采用8位MAX155或16位LT1994或其他型号的A/D(D/A)。

图5给出了电源部分的一个具体实施方式。如图5所示，所述电源部分由桥式全波整流电路、稳压电路和备用电源三部分构成。交流电经变压器T降压后通过桥式全波整流电路整流，整流后的低压直流电输入CW317三端稳压管；CW317三端稳压管的输入端与地之间并联有一个低频滤波电容C1和一个高频滤波电容C2，其输入端和输出端之间接有一个二极管D1，其输出端和调整端之间并联了一个二极管D2和一个电阻R1，其调整端与地之间并联有一个电位器R2和电容C3，其输出端与地之间并联有一个低频滤波电容C5和一个高频滤波电容C4；CW317三端稳压管的输出端与备用电源单元的输入端相连。

稳压电路采用CW317三端稳压管，由于CW317的输出端与调整端有1.25V固定输出电压，其输入电压可达40V，而输入输出电压差不能小于2-3V，因此，可组成1.25V-37V输出电路。若将电阻R1的下端接地则电位器R2被短路，电阻R1两端的1.25V电压即为稳压器的输出电压。为了使输出电压能在1.25V-37V之间可调，在电阻R1下端和调整端与地之间接一个电位器R2，此时输出电压为电阻R1、电位器R2上的电压之和，即：

U_{o} = 1.25 (1 + \frac{R_{2}}{R_{1}})

二极管D1为IN4001，其额定正向工作电流为1A，反向耐压为1000V。

电路中，电容C2为0.1μF，电容C3为10μF，其作用是消除电路高频噪声；电容C1为2200μF，电容C5为1000μF，其作用是减小波纹电压。

图6给出了电源部分中备用电源单元的一个具体实施方式。备用电源单元的作用相当于一个不间断电源，它能动态的选择照明电或备用电池作为输出，其内部结构如图6所示。所述备用电源单元由电阻R4、二极管D5、充电电池B和ICL7673模块组成。电源正常工作时，主电源输入端V_p通过ICL7673模块输出电源电压，同时通过电阻R4、硅二极管D5对充电电池B进行涓流充电。当电力网停电时充电电池B的备用电源输入端V_s通过ICL7673模块输出备用电源电压，以保证系统的正常进行。二极管D5的作用是电力网停电后防止充电电池B向主电源回路倒灌电流。电阻R4的阻值依涓流充电电流而定，当充电电流为10mA时电阻R4的阻值可取为100Ω。若需提供较大的输出电流，可通过外部PNP功率管(例如3AD6，3AD30)进行扩流。

Claims

1、一种无线有线融合式传感器网络系统，包括电力网络和传感器网络节点(2)，所述电力网络由电力线(4)、电力开关(3)和电压变换装置(5)组成的若干电力回路构成，其特征在于，所述若干个传感器网络节点(2)并联于电力回路中；所述传感器网络节点(2)由电源部分、信号采集部分、信号处理部分、传输控制部分和信号收发部分组成；其中，信号采集部分由传感器和AD转换电路构成；信号处理部分由存储器和中央处理单元构成；信号收发部分由有线传输单元和无线传输单元构成；

传感器网络节点发送数据时，中央处理单元从存储器中读出数据并进行编码、调制等基带处理，再将处理后的基带数据送往传输控制单元，由传输控制单元选择有线传输或无线传输或有线/无线同时传输；传感器网络节点接收数据时，无线或有线传输单元接收到的数据经传输控制单元后输入中央处理单元，由中央处理单元对接收到的数据进行解调、解码等基带处理，并将处理后的数据写入存储器。

2、根据权利要求1所述的一种无线有线融合式传感器网络系统，其特征在于处理信号的获取可以从以下3方面实现：(1)直接利用有线传输单元从信号线上接收的有线信号；(2)直接利用无线传输单元接收无线电信号；(3)利用信号采集单元对环境信息的测量和转换所得到的信号。

3、根据权利要求1所述的一种无线有线融合式传感器网络系统，其特征在于，信号采集部分中所述传感器采集模块包括一切能够感知外界环境特定信息，如温度、压力、湿度、速度、气体等的传感器，具体可以是温度传感器、压力传感器、湿度传感器、气敏传感器等。

4、根据权利要求1所述的一种无线有线融合式传感器网络系统，其特征在于，信号处理部分中所述存储器是具有存储数据能力的ROM或RAM。

5、根据权利要求1所述的一种无线有线融合式传感器网络系统，其特征在于，信号收发部分中所述无线传输单元由天线、前置低噪声放大器、变频器和AD/DA转换器顺序串接而成。

6、根据权利要求1所述的一种无线有线融合式传感器网络系统，其特征在于，信号收发部分中所述有线传输单元由信号线、前置低噪声放大器、变频器和AD/DA转换器顺序串接而成。

7、根据权利要求5所述的一种无线有线融合式传感器网络系统，其特征在于，所述天线可以是全向天线或定向天线，单天线或多天线。

8、根据权利要求6所述的一种无线有线融合式传感器网络系统，其特征在于，所述信号线可以是电力线，也可以是专门用于传感器网络的其他信号线。

9、根据权利要求5或6所述的一种无线有线融合式传感器网络系统，其特征在于，所述变频器包括上变频器和下变频器；当接收到射频信号时送至下变频器变频；当从信号处理单元收到信号时送至上变频器；变频器可以是数字变频器或模拟变频器。

10、根据权利要求5或6所述的一种无线有线融合式传感器网络系统，其特征在于，所述前置低噪声放大器可以是双极性放大器、JFET输入放大器或CMOS输入放大器等。

11、根据权利要求5或6所述的一种无线有线融合式传感器网络系统，其特征在于，所述AD/DA转换器是8位MAX155或16位LT1994或其他型号的A/D(D/A)。

12、根据权利要求1所述的一种无线有线融合式传感器网络系统，其特征在于，所述电源部分由桥式全波整流电路、稳压电路和备用电源三部分构成；交流电经变压器(T)降压后通过桥式全波整流电路整流，整流后的低压直流电输入CW317三端稳压管；CW317三端稳压管的输入端与地之间并联有一个低频滤波电容(C1)和一个高频滤波电容(C2)，其输入端和输出端之间接有一个二极管(D1)，其输出端和调整端之间并联了一个二极管(D2)和一个电阻(R1)，其调整端与地之间并联有一个电位器(R2)和电容(C3)，其输出端与地之间并联有一个低频滤波电容(C5)和一个高频滤波电容(C4)；CW317三端稳压管的输出端与备用电源单元的输入端相连；

所述备用电源单元由电阻(R4)、二极管(D5)、充电电池(B)和ICL7673模块组成；电源正常工作时，主电源输入端(V_p)通过ICL7673模块输出电源电压，同时通过电阻(R4)、二极管(D5)对充电电池(B)进行涓流充电；当电力网停电时充电电池(B)的备用电源输入端(V_s)通过ICL7673模块输出备用电源电压。

13、根据权利要求1所述的一种无线有线融合式传感器网络系统，其特征在于，所述传感器网络节点集成在照明灯的灯头部分，与照明灯相互并联。

14、根据权利要求13所述的一种无线有线融合式传感器网络系统，其特征在于，所述照明灯可以是普通灯泡、卤素灯泡、碘钨灯泡、节能灯泡、聚光灯泡乃至各种形状的荧光灯管等。

15、根据权利要求1所述的一种无线有线融合式传感器网络系统，其特征在于，所述电压变换装置(5)为变压器。