CN102209400A

CN102209400A - 适用于严酷环境下的传感器网络系统设计方法

Info

Publication number: CN102209400A
Application number: CN2011101441775A
Authority: CN
Inventors: 唐勇; 向渝; 张俊; 汪文勇
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2011-10-05

Abstract

本发明公开了一种适用于严酷环境下的传感器网络系统设计方法，采集野外数据的无线传感器节点均与Sink节点相连，Sink节点通过GPRS或公安350M数字集群专网与监控中心进行数据通信，无线传感器节点之间采用Zigbee通信协议，为无线传感器节点提供自组织的无线网络通信功能。采用本方法，传感器节点部署在没有网络基础结构的环境中，网络的部署和展开不借助任何预设的网络基础设施，无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有节点地位平等，各个节点协调各自的行为，自主完成网络的配置，自动形成独立的无线系统。从而整个系统非常容易动态扩展，支持多协议、多种外界信息的采集，很方便升级为更综合的系统。

Description

适用于严酷环境下的传感器网络系统设计方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，确切地说涉及一种在严酷环境下的无线传感器网络系统设计方法。

背景技术

通用的无线传感器网络由无线传感器节点（Sensor Node）和汇聚节点（Sink Node）构成。无线传感器节点决定了传感器网络的数据采集能力，汇聚节点决定了整个传感器网络的数据传输带宽和传感器网络和数据中心之间的位置关系。

在青藏高原腹地的冻土区域开展冻土区气象、冻土变化以及工程建筑物稳定性的监测，获取的基本数据，建立数据库和系统的整理分析是必要的。但在高原地区的获取这些资料若以人工方式获取，代价高昂。以冻土温度观测为例，传统上冻土温度的检测是人工或半人工进行的，测试频率要求不均匀，如暖季检测的频率较高，寒季频率较低。而当地基土发生冻-融状态相变时测试需要增加探测频率。在青藏高原腹地的冻土区，人工的方式易受恶劣天气影响，浪费人力物力而且可靠性差，目前已经不能满足在冻土区大规模观测的需要，急需技术手段保证可靠的观测方式，以及将信息快速准确地发送到监控中心的手段。

公开号为CN 101442459，公开日为 2009年5月27日的中国专利文献公开了一种高度可扩展的无线传感器网络组网方案，根据无线传感器网络应用特定性特点，包括不同网络规模需求、不同节点协同信息处理需求、不同传感数据业务服务质量需求、不同应用信道环境等，以及无线传感器网络共性问题包括网络生命周期最大化需求、节点自组织成网、较弱的网络全局时间同步要求、物理层单信道条件等，采用了自顶向下的设计方法，设计了应用层、网络层、媒体接入层、兼容多种通信机制的物理层；有利于根据本发明方案设计网络性能优异且实用性强的无线传感器网络，从而推动无线传感网的大规模产业化发展。

但以上述技术方案为代表的现有技术，仍然不适应于青藏高原腹地冻土区域等严酷环境，网络的部署和展开需要借助预设的网络基础设施，从而使上述现有技术根本无法适用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种适用于严酷环境下的无线传感器网络系统设计方法，采用本方法，传感器节点部署在没有网络基础结构的环境中，网络的部署和展开不借助任何预设的网络基础设施，无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有节点地位平等，各个节点协调各自的行为，自主完成网络的配置，自动形成独立的无线系统。从而整个系统非常容易动态扩展，支持多协议、多种外界信息的采集，很方便升级为更综合的系统。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种适用于严酷环境下的传感器网络系统设计方法，其特征在于：采集野外数据的无线传感器节点均与Sink节点相连，Sink节点通过GPRS或公安350M数字集群专网与监控中心进行数据通信，无线传感器节点之间采用Zigbee通信协议，为无线传感器节点提供自组织的无线网络通信功能。

所述的无线传感器节点包括传感器、低通滤波器、ADC、MC13224系统、锂电池、电源管理系统和太阳能电池，其中，传感器经低通滤波器与ADC连接，ADC与所述MC13224系统连接，锂电池为整个无线传感器节点供电，电源管理系统采用BQ2057C芯片作为充电管理芯片，电源管理系统通过MC13224系统的控制，在电压和电流足够的情况下实现在使用太阳能电池供电的同时为充电电池充电，MC13224系统包括2.4G无线收发模块，无线收发模块与3dB的高增益天线相连。

所述的Sink节点是传感器网络和监控中心进行数据交换和相应监控中心指令的核心，Sink节点通过无线传感器网络接收来自于无线传感器节点的数据和向传感器节点发送采集指令；同时也和监控中心实现双向GPRS和SMS通信的功能。

在所述Sink节点的UART0接口上连接了一个GSM模块用于Sink节点同公网进行通信。

Sink节点通过GPRS与监控中心进行数据通信时，是在Sink节点和监控中心上各安装GPRS模块，Sink节点和监控中心在公网中就是一部手机，节点数据采用短信方式或流量方式转送。

Sink节点通过公安350M数字集群专网与监控中心进行数据通信时，是在Sink节点和监控中心上分别安装电台，数据经转送电台转发。

与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：

基于“采集野外数据的无线传感器节点均与Sink节点相连，Sink节点通过GPRS或公安350M数字集群专网与监控中心进行数据通信，无线传感器节点之间采用Zigbee通信协议，为无线传感器节点提供自组织的无线网络通信功能”这样的设计方法构架的系统，传感器节点部署在没有网络基础结构的环境中，网络的部署和展开不借助任何预设的网络基础设施，无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有节点地位平等，各个节点协调各自的行为，自主完成网络的配置，自动形成独立的无线系统。从而整个系统非常容易动态扩展，支持多协议、多种外界信息的采集，很方便升级为更综合的系统。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1 GPRS公网传输方案系统架构图

图2专网传输方案系统架构图

图3 无线传感器节点硬件结构图

图4 MC13224射频天线接口

图5 Sink节点硬件结构。

具体实施方式

本发明公开了一种适用于严酷环境下的传感器网络系统设计方法，其特征在于：采集野外数据的无线传感器节点均与Sink节点相连，Sink节点通过GPRS或公安350M数字集群专网与监控中心进行数据通信，无线传感器节点之间采用Zigbee通信协议，为无线传感器节点提供自组织的无线网络通信功能。

具体的设计方案如下所示：

1、系统结构

特殊的应用背景决定了每个传感器节点的数据不可能通过人到测试点去获取，因此必须采用具有长距离无线传输方式的系统。如今具有长距离无线通信能力的网络有无线的公网（如GSM/GRPS，TD-SCDMA，CDMA2000等等）和无线专网（如公安专网、铁路专网，电力专网等）。现在公网使用最为广泛的是GPRS网络，其具有下列的主要特点。

（1）可靠性高

与SMS短信息方式相比，GPRS DTU采用面向连接的TCP协议通信，避免了数据包丢失的现象，保证数据可靠传输。中心可以与多个监测点同时进行数据传输，互不干扰。GPRS网络本身具备完善的频分复用机制，并具备极强的抗干扰性能，完全避免了传统数传电台的多机频段“碰撞”现象。

（2）实时性强

GPRS具有实时在线的特性，数据传输时延小，并支持多点同时传输，因此GPRS监测数据中心可以多个监测点之间快速，实时地进行双向通信，很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要求。目前GPRS实际数据传输速率在50Kbps左右，完全能满足系统数据传输速率的需求。

（3）监控范围广

GPRS网络已经实现全国范围内覆盖，并且扩容无限制，接入地点无限制，能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。因此采用GPRS网络是其理想的选择。

（4）系统建设成本低

由于采用GPRS公网平台，无需建设网络，只需安装设备就即可，建设成本低；也免去了网络维护费用。

（5）系统运营成本低

采用GPRS公网通信，全国范围内均按统一费率计费，省去昂贵的漫游费用, GPRS网络可按数据实际通信流量计费，(1分-3分/1K字节)，也可以按包月不限流量收费，从而实现了系统的低成本通信。

（6）可对各监测点仪器设备进行远程控制

通过GPRS双向系统还可实现对仪器设备进行反向控制，如：时间校正、状态报告、开关等控制功能，并可进行系统远程在线升级。

（7）系统的传输容量，扩容性能好

监测中心要和传感器节点实现实时连接。由于传感器节点数量众多，系统要求能满足突发性数据传输的需要，而GPRS技术能很好地满足传输突发性数据的需要；由于系统采用成熟的TCP/IP通信架构，具备良好的扩展性能，一个监测中心可轻松支持几千个现场采集点的通信接入。

（8）GPRS传输功耗小，适合野外供电环境

虽然与远在千里的数据中心进行双向通信，GPRS数传设备在工作时却只需与附近的移动基站通信即可,其整体功耗与一台普通GSM手机相当, 平均功耗仅为200毫瓦左右，比传统数传电台小得多。因此GPRS传输方式非常适合在野外使用太阳能供电或蓄电池供电的场合下使用。

专网中，公安350M数字集群专网建设最为完善，使用该专网能够实现稳定安全的数据传输，并且数据通过网络加密，能够保证数据的安全。

基于这两种长距离的通信网络，我们就衍生出来两种系统架构，分别如图1和图2所示。

我国“移动、联通、电信”的网络覆盖范围较广，本方案完全可以应用完善的公网完成Sink节点与监控中心的数据传送。在Sink节点、监控中心安装GPRS 模块，Sink节点、监控中心在公网中就是一部手机，节点数据可用短信方式或流量方式转送。

我国军事、公安等专网建设已很完善，也可以借用专网完成Sink节点与监控中心的数据传送。在Sink节点、监控中心上安装电台，数据经转送台转发。

2、传感器网络通信协议

通信协议是无线传感器网络实现通信的基础，无线传感器网络通信协议的设计目的是为了使具体的无线传感器网络通信机制与上层应用分离，为传感器节点提供自组织的无线网络通信功能。

与传统无线网络相比，无线传感器网络的应用环境有诸多不同。无线传感器网络是能量受限的网络，需要使用低功率、短距离的无线通信技术，以节省能源消耗，延长网络寿命。无线传感器网络的通信协议可以采用自定义的通信协议，也可以采用已经形成标准的通信协议，如ZigBee、蓝牙、Wi-Fi，这三种无线通信技术标准都是短距离的无线通信。蓝牙技术所能通信的距离非常短，限制了其应用范围；Wi-Fi协议栈所占内存很大、功耗高使其在很多场合不实用。

Zigbee技术的目标就是针对工业，家庭自动化，遥测遥控，汽车自动化、农业自动化和医疗护理等，例如灯光自动化控制，传感器的无线数据采集和监控，油田，电力，矿山和物流管理等应用领域。

通常，符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用Zigbee技术做无线传输：需要数据采集或监控的网点多；要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；要求数据传输可性高，安全性高；设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；电池供电；地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；现有移动网络的覆盖盲区；使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统；使用GPS效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。

综上所述，我们在该项目中采用ZigBee通信协议加上GPRS转发的形式构建无线传感器网络系统。

3 无线传感器节点设计

无线传感器节点是传感器的直接载体，主要放置在野外。节点传感器输出的模拟信号经A/D采样后，通过无线网络发送给Sink节点，其硬件结构如图3所示。

（1）低功耗和系统供电设计

无线传感器节点采用电池供电，没有外部直流电源，并且对节点大小有一定要求，故必须选用高集成度、低功耗的芯片，采用飞思卡尔公司的MC13224集成片上系统。MC13224是飞思卡尔公司设计生产的基于IEEE 802.15.4协议的低功耗高性能片上系统。系统集成了32位ARM7TDMI-S微控制器内核、2.4 GHz IEEE 802.15.4标准射频收发器、两个8通道12位ADC，4个16位定时器等。只需少许的外部器件便可实现一个完整的信号采集和收发系统。

MC13224是专为无线传感器网络节点设计的低功耗系列产品，具有3种可以单独选择的功耗模式，其中有可供选择的低功耗休眠模式，休眠电流都在百纳安级，而且支持2V～3.6V的工作电压，使其在电池供电的设备上具有优秀的功耗表现。通过软件编程可在需要时调整功耗模式以达到最佳的功耗性能，特别是MC13224在其掉电模式（Power Down）下工作电流仅为500nA，并能通过外部高精度32.768KHz的晶振精确控制其睡眠时间。

（2）传感器接口设计

传感器输出信号为模拟信号，传感器接口电路设计主要有：传感器供电接口、传感器A/D采样的参考电压以及传感器模拟信号的滤波。

考虑到本系统的应用背景，我们采用尽量通用化的设计使得系统可以接口多种传感器并且可以通过开关三极管和MCU进行开关控制以达到节能的目的。

系统设计支持的传感器输出信号电压范围为0~2500mV，传感器稳定时间Tsd≤200ms。

在此，将传感器设置在通道1，其参考电压设置为VREF=0V，VREF+=2.5V。这样可以使得A/D采样的数据更加精确。

由于存在电路间相互干扰、电源噪声干扰和电磁干扰，在A/D芯片的模拟输入信号上会叠加周期或者非周期的干扰信号，并会附加到量化值中。为了减少其他信号对传感器输出模拟信号的干扰，需要进行杂波滤除，在采样接口到ADC接口之间增加滤波电路，即采用RC滤波的方式，在采样口和AD接口之间串联一个电阻值1K的电阻，再在信号线上下拉一个30pF的电容。数字电源和模拟电源之间串联一个阻抗为300欧的高频扼流圈，最后通过一个100nF的旁路电容将模拟电源上的数字杂波引到地上。模拟地和数字地也通过一个直流阻抗为300欧的高频扼流圈进行隔离。

（3）射频接口设计

MC13224内部集成了2.4 GHz IEEE 802.15.4标准的射频收发器，具有出色的接收器灵敏度和抗干扰能力。其可编程输出功率为＋4dBm，总体无线连接104dbm。只需要极少量的外部元件就可以完成无线收发功能。图3为MC13224的射频天线接口。为了方便开发，同时设计了PCB微带天线和SMC接口的外置天线。如图4所示，E1为PCB微带天线，J2为外部天线接口。

（4）Sink节点设计

Sink节点是传感器网络和监控中心进行数据交换和相应监控中心指令的核心，其功能主要是通过无线传感器网络接收来自于传感器节点的数据和向传感器节点发送采集指令；同时也实现和监控中心实现双向GPRS和SMS通信的功能。Sink节点的硬件结构如图5所示。

Sink节点的设计大多数同传感器节点相同，不同的地方就是在UART0接口上连接了一个GSM模块以便于Sink节点同公网进行通信。

在该系统中我们采用SIMCOM公司的SIM300C模块同MCU进行接口以达到长距离通信的目的。SIM300C是小体积即插即用模组中完善的三频/四频 GSM/GPRS解决方案使用工业标准界面，使得系统具备GSM/GPRS 900/1800/1900MHz功能的SIM300C以小尺寸和低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输。SIM300C的优良性能让它应用于许多方面，例如WLL、M2M、手持设备等等。支持用户定制的MMI和键盘/LCD 内嵌强大的TCP/IP协议栈。

采用本方法所构架的无线传感器网络系统的具体部署方式与通常的无线传感器网络一样。

采用本方法的无线传感器网络系统，由于采集野外数据的无线传感器节点均与Sink节点相连，Sink节点通过GPRS或公安350M数字集群专网与监控中心进行数据通信，无线传感器节点之间采用Zigbee通信协议，为无线传感器节点提供自组织的无线网络通信功能，因而无线传感器网络可以部署在没有网络基础结构的环境中，网络的部署和展开不借助任何预设的网络基础设施，无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有节点地位平等，各个节点协调各自的行为，自主完成网络的配置，自动形成独立的无线系统，所以极其使用于以青藏高原腹地冻土区域为代表的各种高温、低温、潮湿、电磁干扰等环境中。但为了进一步增强无线传感器网络的抗高低温、潮湿及电磁干扰等的影响，还可对整个系统的布置作进一步的完善，例如将整个系统设置在金属壳体内，但这些进一步的改进方式，只要采用本发明所述的无线网络传感器设计方案，均应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims

1.一种适用于严酷环境下的传感器网络系统设计方法，其特征在于：采集野外数据的无线传感器节点均与Sink节点相连，Sink节点通过GPRS或公安350M数字集群专网与监控中心进行数据通信，无线传感器节点之间采用Zigbee通信协议，为无线传感器节点提供自组织的无线网络通信功能。

2.根据权利要求1所述的适用于严酷环境下的传感器网络系统设计方法，其特征在于：所述的无线传感器节点包括传感器、低通滤波器、ADC、MC13224系统、锂电池、电源管理系统和太阳能电池，其中，传感器经低通滤波器与ADC连接，ADC与所述MC13224系统连接，锂电池为整个无线传感器节点供电，电源管理系统采用BQ2057C芯片作为充电管理芯片，电源管理系统通过MC13224系统的控制，在电压和电流足够的情况下实现在使用太阳能电池供电的同时为充电电池充电，MC13224系统包括2.4G无线收发模块，无线收发模块与3dB的高增益天线相连。

3.根据权利要求1或2所述的适用于严酷环境下的传感器网络系统设计方法，其特征在于：所述的Sink节点是传感器网络和监控中心进行数据交换和相应监控中心指令的核心，Sink节点通过无线传感器网络接收来自于无线传感器节点的数据和向传感器节点发送采集指令；同时也和监控中心实现双向GPRS和SMS通信的功能。

4.根据权利要求3所述的适用于严酷环境下的传感器网络系统设计方法，其特征在于：在所述Sink节点的UART0接口上连接了一个GSM模块用于Sink节点同公网进行通信。

5.根据权利要求1所述的适用于严酷环境下的传感器网络系统设计方法，其特征在于：Sink节点通过GPRS与监控中心进行数据通信时，是在Sink节点和监控中心上各安装GPRS模块，Sink节点和监控中心在公网中就是一部手机，节点数据采用短信方式或流量方式转送。

6.根据权利要求1所述的适用于严酷环境下的传感器网络系统设计方法，其特征在于：Sink节点通过公安350M数字集群专网与监控中心进行数据通信时，是在Sink节点和监控中心上分别安装电台，数据经转送电台转发。