论文部分内容阅读
摘 要： 随着科技的不断进步，无线传感器网络随之发展起来。无线传感器网络主要是由成本低、功耗低以及功能多的传感器的节点组成，能够在一些特殊的环境中使用，解决有线网络的成本高、维护程序繁琐的弊端。介绍基于ZigBee的无线网络组成及特点，探讨在煤矿以及其他方面的具体应用。
关键词： 遗传算法；无线传感器网络；优化设计
中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2012）1210152-02
蓝牙的无线网络技术使机械以及工业控制实现了自动化，但是由于蓝牙的价格比较昂贵，所以一些企业不愿意使用这种无线网络。随着无线网络技术的不断发展，研制出ZigBee的无线网络技术，具有低功耗、低数据速率以及低成本的传输，属于无线标记技术与蓝牙技术的结合，而且在实际的使用当中传输的效率非常的高，所以收到了众多企业的追捧，目前ZigBee
主要用于汽车自动化、工业控制以及医用设备控制等领域当中，具有很高的使用价值。
1 无线网络概述
无线传感器网络是由在检测区内很多的微型传感器节点通过无线通信方式组成的集成网络，对于网络所覆盖的地区能够实现信息的感知、采集、处理等形式。通过这种技术的实现，可以让观察者通过无线传感器网络感知客观世界，扩展了网络功为人类认知世界提供良好的工具。
1.1 无线传感器网络体系结构
如图所示传感器网络结构图，主要构成包括汇聚节点、互联网或卫星、任务节点以及传感器节点等。无线传感器网络中的节点可以感知被网路覆盖地区的信息，可以不受时间地点的限制，任意时间都可以对任意地点进行信息的采集和处理，传感器之间的节点能够把信息逐层的传递，然后通过节点将所采集的信息处理，经过多次处理到汇聚节点，最后到达互联网或卫星的管理节点。用户可以根据管理节点中的数据进行管理，可以发布监测信息或收集数据。
1.2 无线传感器网络的特点
无线传感器网络通过微型传感器节点来获得所测地区的数据信息，主要是以无线通信方式进行网络工作。它与传统的传感器相比，具有以下加点优势：① 精度高。在检测区域内通过低价的传感器节点在空间内进行密集抽样或对近距离的目标实行密集监测，可以将信息准确的感知，所采集的数据具有非常高的精度，这是传统单一的传感器不具备的。② 可靠性高。无线传感器中的监测区域内的节点如果在工作中出现了故障，其他节点能够代替坏节点继续工作，所以无线传感器网络在监测中能够有很高的可靠性。③ 性价比高。随着科技的不断进步，科技产品更新换代随度加快，微型传感器节点的性价比越来越高，同时无线传感器网络在传输的数据的时候不需要线缆，所以节省了很多物质资源，降低了系统的成本，提高了使用效率。④ 灵活性高。无线传感器网络在形式以及节点的排列上是非常自由的，随时适应网络的拓扑，调整网络布局，也能够在监测网络区域加减节点。在网络布局设定好后，不需要人为的操控，无线传感器网络能够及时的调整状态展开工作，还能适用于环境复杂的地段，其灵活性远高于传统的传感器。
2 基于ZigBee无线网络的技术组成
ZigBee是一种低速率的短距离的无线通讯技术。具有成本低、消耗低、数据低等特点，它的体系结构主要有物理层、媒体介入控制层、网络层以及应用框架层构成的。这种设计广泛应用与建筑系统、自动化网络、工业控制网络系统等领域。作为一种新型的通讯无线网络技术，提供了低复杂性以及缩减的资源要求，所占有的资源丰富，而且储存能力很强。
ZigBee无线网络技术是在IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制出来的，具备了高度的安全、可靠的传输性能。IEEE负责处理PHY物理层协议，在ZigBee联盟的作用下开发出了安全层，可以保证信息不被外部信号干扰或者泄露等，在这种传输的状态下其他的节点不能够获得信息，在ZigBee无线网络的组成中最重要的就是网络层，主要的功能包括了：① 通用网络层功能：主要负责地址、路由和安全的作用，具备通用的拓扑结构。② 成本低：在网络层中具有很好的组织及维护的功能，可以减少企业使用该种技术的开支，同时在ZigBee协议的套件上比较紧凑，所以很容易实现系统的要求。③ 省电：网络层在IEEE802.15.4的标准协议上完成，可以节省很多的电能。同时对于ZigBee协议的套件有如下的要求：在协议套餐的软件上最少需要32kbtes的ROM、具备8位处理器以及在网络主节点上设置更过的RAM。这样才能够保证所有的节点信息以及数据的传送和密钥存储等正常进行。
3 在实际当中的应用
3.1 定位系统的设计
定位系统的设计包括硬件设计和软件设计。硬件设备的中心节点主要是由无线射频发射器、可调传感器以及电压稳压器共同组成。采用ZigBee技术，符合设计中的IEEE802.15.4使用标准，采用效率高的CMOS设计的同时不需要其他的零件，就可以达到抵抗干扰能力、超低频率的运行模式。在系统运行中的工作频率调为2.4GHzISM频段，使信号能够准确无误的传输。
在软件方面的设计的无线网络通信系统主要包括无线模块、微控制器模块、存储器等构成。IEEE802.15.4无线通讯模块主要是由射频和基带组成，主要负责信号的无线接收和发送。射频能够在通讯过程中提供接口，基带能够将信号进行处理分组。当接收的信号被传感器处理后，经过A/D的转换暂存于缓存之中，这样就可以将数据保存。如果提取数据可以由IEEE802.15.4无线通讯模块发送到主节点上，就可以进行信息提取、融合等。
3.2 家庭防盗报警系统的应用
一个基站与多个监测节点构成了系统，基站与节点间采用无线通信，该无线通信基于ZigBee技术。基站有五个组成部分，分别是微控制器MSP430，ZigBee设备，DTMF自动拨号，声光报警设备及RS-232接口。各个监测传感器的节点都是由一个窗上的红外线对射节点和一个或者多个室内监测节点构成。星状网络就是窗上节点与室内节点结合或者基站与床上节点结合构成的。 基站硬件结构很重要，其中使用单片机MSP430F149，电话接口电路和MT888型DTMF收发机构成的电话报警模块以及ISD1420语音模块。经由电话接口电路和外界连接才能实现语音电路与DTMF收发电路。当遭遇险情的时候，通过单片机控制，使DTMF拨出预先完成设定的电话号码，检测收到振铃信号，然后用语音方式告知用户险情状况。用CC2430的ZigBee作为无线通信模块，通过串口，ZigBee模块可与单片机进行信息沟通，前提是要将两个CC2430的I/O与两个端口进行连接。红外线对射传感器节点和室内无线传感器节点以及基站构成了系统。该系统应用2006年TI公司发表的TI ZigBee Stack 1.42版本协议栈到ZigBee模块中，该协议栈是以802.15.4bC语言的开放式标准为依据的，我们目前所有应用设备都可以采用此堆栈。各个红外线对射传感器的节点与基站同时组成一级结构，室内各个节点与红外线对射传感器节点结合又组成了二级结构，两种结构都为星型网络结构。所以得出红外线对射传感器节点即为路由节点。在某个网络正处于形成过程中，基站会分配网络地址给每一个红外线对射传感器。
总而言之，随着科技与数字产品不断向前发展，利用无线传感器的网络技术实践应用到企业自动化、家居安防产品中是可行性方式。该系统成本低廉、无需布线、节省空间且功耗极低，且系统组建网络利用了ZigBee，该网络容量大、成本低、省电而且安全可靠，方便新节点增加与新功能扩展，适合现代企业和的发展方式，基于无线传感器技术的报警系统应用越来越广泛，但是无论是利用门磁感应传感器还是温度传感器甚至是红外对射传感器的报警系统，都存在着或是施工周期长或是可扩展性较差等弊端。使用了ZigBee的无线网络技术符合了数字化潮流，所以应用前景良好。
参考文献：
[1]张任、王坚锋、严海，基于ZigBee的无线传感器网络节点设计[J].机电工程，2008年，08期：34-35.
[2]柯建华、申红军、魏学业，基于ZigBee技术的煤矿井下人员定位系统研究[J].现代电子技术，2006年，23期：67-68.
[3]肖昕宇、戴瑜兴，在基于ZigBee标准的消防报警网络中进行无线定位的方法[J].低压电器，2007年，24期：43-45.
作者简介：
王东恩（1978-），女，硕士，长春职业技术学院讲师，研究方向：计算机科学技术。
关键词： 遗传算法；无线传感器网络；优化设计
中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2012）1210152-02
蓝牙的无线网络技术使机械以及工业控制实现了自动化，但是由于蓝牙的价格比较昂贵，所以一些企业不愿意使用这种无线网络。随着无线网络技术的不断发展，研制出ZigBee的无线网络技术，具有低功耗、低数据速率以及低成本的传输，属于无线标记技术与蓝牙技术的结合，而且在实际的使用当中传输的效率非常的高，所以收到了众多企业的追捧，目前ZigBee
主要用于汽车自动化、工业控制以及医用设备控制等领域当中，具有很高的使用价值。
1 无线网络概述
无线传感器网络是由在检测区内很多的微型传感器节点通过无线通信方式组成的集成网络，对于网络所覆盖的地区能够实现信息的感知、采集、处理等形式。通过这种技术的实现，可以让观察者通过无线传感器网络感知客观世界，扩展了网络功为人类认知世界提供良好的工具。
1.1 无线传感器网络体系结构
如图所示传感器网络结构图，主要构成包括汇聚节点、互联网或卫星、任务节点以及传感器节点等。无线传感器网络中的节点可以感知被网路覆盖地区的信息，可以不受时间地点的限制，任意时间都可以对任意地点进行信息的采集和处理，传感器之间的节点能够把信息逐层的传递，然后通过节点将所采集的信息处理，经过多次处理到汇聚节点，最后到达互联网或卫星的管理节点。用户可以根据管理节点中的数据进行管理，可以发布监测信息或收集数据。
1.2 无线传感器网络的特点
无线传感器网络通过微型传感器节点来获得所测地区的数据信息，主要是以无线通信方式进行网络工作。它与传统的传感器相比，具有以下加点优势：① 精度高。在检测区域内通过低价的传感器节点在空间内进行密集抽样或对近距离的目标实行密集监测，可以将信息准确的感知，所采集的数据具有非常高的精度，这是传统单一的传感器不具备的。② 可靠性高。无线传感器中的监测区域内的节点如果在工作中出现了故障，其他节点能够代替坏节点继续工作，所以无线传感器网络在监测中能够有很高的可靠性。③ 性价比高。随着科技的不断进步，科技产品更新换代随度加快，微型传感器节点的性价比越来越高，同时无线传感器网络在传输的数据的时候不需要线缆，所以节省了很多物质资源，降低了系统的成本，提高了使用效率。④ 灵活性高。无线传感器网络在形式以及节点的排列上是非常自由的，随时适应网络的拓扑，调整网络布局，也能够在监测网络区域加减节点。在网络布局设定好后，不需要人为的操控，无线传感器网络能够及时的调整状态展开工作，还能适用于环境复杂的地段，其灵活性远高于传统的传感器。
2 基于ZigBee无线网络的技术组成
ZigBee是一种低速率的短距离的无线通讯技术。具有成本低、消耗低、数据低等特点，它的体系结构主要有物理层、媒体介入控制层、网络层以及应用框架层构成的。这种设计广泛应用与建筑系统、自动化网络、工业控制网络系统等领域。作为一种新型的通讯无线网络技术，提供了低复杂性以及缩减的资源要求，所占有的资源丰富，而且储存能力很强。
ZigBee无线网络技术是在IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制出来的，具备了高度的安全、可靠的传输性能。IEEE负责处理PHY物理层协议，在ZigBee联盟的作用下开发出了安全层，可以保证信息不被外部信号干扰或者泄露等，在这种传输的状态下其他的节点不能够获得信息，在ZigBee无线网络的组成中最重要的就是网络层，主要的功能包括了：① 通用网络层功能：主要负责地址、路由和安全的作用，具备通用的拓扑结构。② 成本低：在网络层中具有很好的组织及维护的功能，可以减少企业使用该种技术的开支，同时在ZigBee协议的套件上比较紧凑，所以很容易实现系统的要求。③ 省电：网络层在IEEE802.15.4的标准协议上完成，可以节省很多的电能。同时对于ZigBee协议的套件有如下的要求：在协议套餐的软件上最少需要32kbtes的ROM、具备8位处理器以及在网络主节点上设置更过的RAM。这样才能够保证所有的节点信息以及数据的传送和密钥存储等正常进行。
3 在实际当中的应用
3.1 定位系统的设计
定位系统的设计包括硬件设计和软件设计。硬件设备的中心节点主要是由无线射频发射器、可调传感器以及电压稳压器共同组成。采用ZigBee技术，符合设计中的IEEE802.15.4使用标准，采用效率高的CMOS设计的同时不需要其他的零件，就可以达到抵抗干扰能力、超低频率的运行模式。在系统运行中的工作频率调为2.4GHzISM频段，使信号能够准确无误的传输。
在软件方面的设计的无线网络通信系统主要包括无线模块、微控制器模块、存储器等构成。IEEE802.15.4无线通讯模块主要是由射频和基带组成，主要负责信号的无线接收和发送。射频能够在通讯过程中提供接口，基带能够将信号进行处理分组。当接收的信号被传感器处理后，经过A/D的转换暂存于缓存之中，这样就可以将数据保存。如果提取数据可以由IEEE802.15.4无线通讯模块发送到主节点上，就可以进行信息提取、融合等。
3.2 家庭防盗报警系统的应用
一个基站与多个监测节点构成了系统，基站与节点间采用无线通信，该无线通信基于ZigBee技术。基站有五个组成部分，分别是微控制器MSP430，ZigBee设备，DTMF自动拨号，声光报警设备及RS-232接口。各个监测传感器的节点都是由一个窗上的红外线对射节点和一个或者多个室内监测节点构成。星状网络就是窗上节点与室内节点结合或者基站与床上节点结合构成的。 基站硬件结构很重要，其中使用单片机MSP430F149，电话接口电路和MT888型DTMF收发机构成的电话报警模块以及ISD1420语音模块。经由电话接口电路和外界连接才能实现语音电路与DTMF收发电路。当遭遇险情的时候，通过单片机控制，使DTMF拨出预先完成设定的电话号码，检测收到振铃信号，然后用语音方式告知用户险情状况。用CC2430的ZigBee作为无线通信模块，通过串口，ZigBee模块可与单片机进行信息沟通，前提是要将两个CC2430的I/O与两个端口进行连接。红外线对射传感器节点和室内无线传感器节点以及基站构成了系统。该系统应用2006年TI公司发表的TI ZigBee Stack 1.42版本协议栈到ZigBee模块中，该协议栈是以802.15.4bC语言的开放式标准为依据的，我们目前所有应用设备都可以采用此堆栈。各个红外线对射传感器的节点与基站同时组成一级结构，室内各个节点与红外线对射传感器节点结合又组成了二级结构，两种结构都为星型网络结构。所以得出红外线对射传感器节点即为路由节点。在某个网络正处于形成过程中，基站会分配网络地址给每一个红外线对射传感器。
总而言之，随着科技与数字产品不断向前发展，利用无线传感器的网络技术实践应用到企业自动化、家居安防产品中是可行性方式。该系统成本低廉、无需布线、节省空间且功耗极低，且系统组建网络利用了ZigBee，该网络容量大、成本低、省电而且安全可靠，方便新节点增加与新功能扩展，适合现代企业和的发展方式，基于无线传感器技术的报警系统应用越来越广泛，但是无论是利用门磁感应传感器还是温度传感器甚至是红外对射传感器的报警系统，都存在着或是施工周期长或是可扩展性较差等弊端。使用了ZigBee的无线网络技术符合了数字化潮流，所以应用前景良好。
参考文献：
[1]张任、王坚锋、严海，基于ZigBee的无线传感器网络节点设计[J].机电工程，2008年，08期：34-35.
[2]柯建华、申红军、魏学业，基于ZigBee技术的煤矿井下人员定位系统研究[J].现代电子技术，2006年，23期：67-68.
[3]肖昕宇、戴瑜兴，在基于ZigBee标准的消防报警网络中进行无线定位的方法[J].低压电器，2007年，24期：43-45.
作者简介：
王东恩（1978-），女，硕士，长春职业技术学院讲师，研究方向：计算机科学技术。