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无线传感器网络在车位控制中的应用
作者：寇海洲
来源：计算机与信息技术
日期：2009-11-04 15:01:58
摘要：无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，在现实生活中得到了越来越广泛的应用。随着通信技术、嵌入式技术、传感器技术的发展，传感器正逐渐向智能化、微型化、无线网络化发展。
1 引言
无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，在现实生活中得到了越来越广泛的应用。随着通信技术、嵌入式技术、传感器技术的发展，传感器正逐渐向智能化、微型化、无线网络化发展。目前，国内外主要研究无线传感器网络节点的低功耗硬件平台设计拓扑控制和网络协议、定位技术等。这个设计以检测超声波强度的传感器为例，实现了一个无线传感器网络，根据传感器所检测的超声波强弱来决定开启或关闭车位指示灯，从而判断是否有车辆进入检测区域。这种传感器网络综合了嵌入式技术、传感器技术、短程无线通信技术，有着广泛的应用。该系统不需要对现场结构进行改动，不需要原先任何固定网络的支持，能够快速布置，方便调整，并且具有很好的可维护性和拓展性。
2 IEEE 802.15.4标准
IEEE 802.15.4标准适用于低速率、低功耗、低复杂度和短距离数据传输的无线个域网(WPAN)。在网络内的无线传输过程中，采用带冲突避免的载波侦听多路访问机制(CSMA／CA)，支持超帧结构和时槽保障机制(GTS)。网络拓扑结构可以是星型网或点对点的对等网。该标准定义了3种数据传输频率，分别为868MHz、915MHz、2.4GHz。前两种传输频率采取BPSK的调制方式，后一种采取0-0PSK的调制方式。各种频率分别支持20 kbit／s，40kbit／s和 250 kbit／s的无线数据传输速率，传输距离在0m～70m之间。本文中采用的是频率为2.4GHz的无线发射模块。
3 无线传感器网络的实现
3.1 网络平台组建
无线传感器网络平台由超声波传感器模块、微处理器模块、无线发射模块三个部分组成，如图1所示。微处理器模块和无线发射模块集成在一块板子上，而超声波传感器模块通过接口与微处理器相连，这样可以通过更换不同的传感器模块来应用于各种场合。
3.1.1 超声波传感器模块
由于超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。为了使汽车能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息(距离和方向)。本文所介绍的三方向(前、左、右)超声波测距系统，就是为后台工作人员了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。
3.1.2 微处理器模块
处理器模块选择美国加州伯克利大学的 Mica2 模型节点。节点板上提供如下功能：433MHz 中心频率的无线通信接口，通过编程可以定制多种功能：能够提供-20db~10db 多种通信功率；能够在曼彻斯特编码方式下提供从 0.3kbps~ 38.4kbps 多种传输速率；能够在 433M 附近设置多种通信频率，频率间隔为 76k。它高速和大容量RAM的特性，为处理数据包提供了便利。
3.1.3 无线发射模块
无线发射模块采用桑锐电子科技公司的SRWF-501型微功率无线模块射频收发器。该芯片只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。该收发器提供 3 个串口 3 种接口方式，COM1 为 TTL 电平 UART 接口，COM2 为标准的 RS-232 接口标准的 RS-485 接口；晶体稳频，内置数字锁相环，频点根据用户需要在 300—1000MHz 范围内可以灵活设置；自动过滤噪声，简化了用户接口的编程，做到与有线一样方便；“收”“发” 自动切换，无需专用的收发控制线，不发数据时为常态 “收”状态；发数据时自动转换为“发”状态，“发”完后自动回到“收”；微发射功率 ： 最大发射功率 10mW。SRWF-501的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。
3.2 系统软件平台
选择美国加州伯克利大学开发的TinyOS 系统开发环境。TinyDB 是 TinyOS 的查询处理系统，它能够从无线网络中的sensor 节点上提取数据和信息。TinyOS 为 TinyDB 提供了一个可视化的 JAVA API 窗口，可以进行实时查询。
3.3 组网类型
在本文中，无线传感器网络采取星型拓扑结构(如图2)，由一个网络协调器作为中心节点，可以跟任何一个普通节点通信。普通节点上含有超声波传感器对周围环境中的超声波信号强度参数进行测量、采样，将采集到的数据发往中心节点，并且可以对中心节点发来的数据、命令进行分析处理，完成相应的操作。若两个普通节点之间要传送数据则必须经过中心节点，由中心节点把数据传送到相应的节点上。
3.4 组网流程
无线传感器网络是一个自组织的网络，如果一个全功能节点被激活，它就可能建立一个网络并把自己设为网络协调器，其它的普通节点可以申请加入该网络。这样就可以建成一个具有星型拓扑结构的无线传感器网络。本文中的无线传感器网络支持超帧结构，网络协调器经过能量扫描、主动信道扫描后，按照设定的参数周期性的发送信标帧。普通节点首先经过能量扫描和被动信道扫描后，获取信标帧中包含网络特征的参数，如信标序号、超帧序号和网络标号等。通过同步请求与网络协调器同步，再通过匹配请求与网络协调器关联。在与网络协调器关联的过程中，网络协调器为每个请求关联的普通节点分配16位的短地址。这样在以后的数据传送中就可以用短地址进行通信，提高通信效率、降低发射中的能量消耗，从而延长网络的使用寿命。
3.5 数据传输机制
3.5.1 数据格式
在IEEE 802.15.4标准中定义了四种帧，分别是信标帧、数据帧、命令帧、确认帧[2]。
(1) 信标帧：用以网络协调器在支持超帧结构的第一个时槽向其临近节点广播信标，当附近的节点接受到信标帧后就可以申请加入该网络。
由于本文中的无线传感器网络系统采用相对简单的星型拓扑结构，在信标帧的结构上与IEEE802.15.4标准有所不同：在信标帧的地址域中仅包含源节点的网络标号和短地址，不包含目的节点信息(因为采用广播方式发送)。
(2) 数据帧：用来传送含有超声波度信息的数据。
在地址域中包含源节点和目的节点的网络标号和短地址。由于数据帧的传送方向有两种：从普通节点传向中心节点和从中心节点发送给普通节点。
(3) 命令帧：用于组建无线传感器网络、传输同步数据等。命令帧在格式上和其它类型的帧没有太多的区别。
(4) 确认帧：用以确认目标节点成功接收到数据帧或命令帧。当目标节点成功接收到数据帧或命令帧后，就发送一个确认帧给发送方。发送方接收到这个确认帧说明发送成功。若在规定的时间内没有接收到确认帧，则重发该数据帧或命令帧。
在帧控制域中定义了帧的类型为确认帧。确认帧的序列号要与被确认帧相同，并且负载长度为零。确认帧紧接着被确认帧发送，不需要使用CSMA-CA机制竞争信道。
3.5.2 传输流程
在整个无线传感器网络中，采取的是普通节点定时读取其传感器上的超声波数据，并将超声波数据发送给中心节点。中心节点对接受到的数据进行处理后传送给相应的节点用以控制其上的车位置位标志。首先，网络协调器对接收到的数据帧进行检验，图2中的"中心节点判断"是判断是否为指定节点的传感器数据。若接收的数据是指定节点上的数据，则将该数据与一个超声波度阈值进行比较来设定控制变量(用来控制车位的开关状态) 。反之，则不进行发送操作。然后，判断带有空闲的节点是否加入网络。若在网络中找到带有空闲的节点，则中心节点将控制变量作为数据帧负载发送给它。反之，则不发送带有控制变量的数据帧。
4 结束语
在我们设计的无线传感器网络车位控制系统中，普通节点将它采集的超声波数据发送给网络协调器，网络协调器将含有控制变量的数据帧发送给带有车位占空标志接点的同时，还可以通过串口将超声波度数据传送给计算机。通过计算机上的后台软件，可以监控超声波度信号的变化。从超声波传感器可以判断车位的占用情况。
本文从无线传输协议的制定、传输过程控制等几个方面对设计实现无线传感器网络进行了论述。在实际运用中，只要对具体的传感器进行更换，就可以适用于各种各样的传感器网络。由于无线传感器系统组网灵活，采用模块化的设计，故具有很好的移植性和扩展性，随着人们生活水平的提高，此系统在未来交通监控领域有着广阔的应用前景。在未来交通监控领域、智能家电、家庭环境的智能调节上有着广阔的前景。
无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，在现实生活中得到了越来越广泛的应用。随着通信技术、嵌入式技术、传感器技术的发展，传感器正逐渐向智能化、微型化、无线网络化发展。目前，国内外主要研究无线传感器网络节点的低功耗硬件平台设计拓扑控制和网络协议、定位技术等。这个设计以检测超声波强度的传感器为例，实现了一个无线传感器网络，根据传感器所检测的超声波强弱来决定开启或关闭车位指示灯，从而判断是否有车辆进入检测区域。这种传感器网络综合了嵌入式技术、传感器技术、短程无线通信技术，有着广泛的应用。该系统不需要对现场结构进行改动，不需要原先任何固定网络的支持，能够快速布置，方便调整，并且具有很好的可维护性和拓展性。
2 IEEE 802.15.4标准
IEEE 802.15.4标准适用于低速率、低功耗、低复杂度和短距离数据传输的无线个域网(WPAN)。在网络内的无线传输过程中，采用带冲突避免的载波侦听多路访问机制(CSMA／CA)，支持超帧结构和时槽保障机制(GTS)。网络拓扑结构可以是星型网或点对点的对等网。该标准定义了3种数据传输频率，分别为868MHz、915MHz、2.4GHz。前两种传输频率采取BPSK的调制方式，后一种采取0-0PSK的调制方式。各种频率分别支持20 kbit／s，40kbit／s和 250 kbit／s的无线数据传输速率，传输距离在0m～70m之间。本文中采用的是频率为2.4GHz的无线发射模块。
3 无线传感器网络的实现
3.1 网络平台组建
无线传感器网络平台由超声波传感器模块、微处理器模块、无线发射模块三个部分组成，如图1所示。微处理器模块和无线发射模块集成在一块板子上，而超声波传感器模块通过接口与微处理器相连，这样可以通过更换不同的传感器模块来应用于各种场合。
3.1.1 超声波传感器模块
由于超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。为了使汽车能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息(距离和方向)。本文所介绍的三方向(前、左、右)超声波测距系统，就是为后台工作人员了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。
图 1 无线传感器网络节点结构
图 2 无线传感器网络节点通信拓扑结构
3.1.2 微处理器模块
处理器模块选择美国加州伯克利大学的 Mica2 模型节点。节点板上提供如下功能：433MHz 中心频率的无线通信接口，通过编程可以定制多种功能：能够提供-20db~10db 多种通信功率；能够在曼彻斯特编码方式下提供从 0.3kbps~ 38.4kbps 多种传输速率；能够在 433M 附近设置多种通信频率，频率间隔为 76k。它高速和大容量RAM的特性，为处理数据包提供了便利。
3.1.3 无线发射模块
无线发射模块采用桑锐电子科技公司的SRWF-501型微功率无线模块射频收发器。该芯片只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。该收发器提供 3 个串口 3 种接口方式，COM1 为 TTL 电平 UART 接口，COM2 为标准的 RS-232 接口标准的 RS-485 接口；晶体稳频，内置数字锁相环，频点根据用户需要在 300—1000MHz 范围内可以灵活设置；自动过滤噪声，简化了用户接口的编程，做到与有线一样方便；“收”“发” 自动切换，无需专用的收发控制线，不发数据时为常态 “收”状态；发数据时自动转换为“发”状态，“发”完后自动回到“收”；微发射功率 ： 最大发射功率 10mW。SRWF-501的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。
3.2 系统软件平台
选择美国加州伯克利大学开发的TinyOS 系统开发环境。TinyDB 是 TinyOS 的查询处理系统，它能够从无线网络中的sensor 节点上提取数据和信息。TinyOS 为 TinyDB 提供了一个可视化的 JAVA API 窗口，可以进行实时查询。
3.3 组网类型
在本文中，无线传感器网络采取星型拓扑结构(如图2)，由一个网络协调器作为中心节点，可以跟任何一个普通节点通信。普通节点上含有超声波传感器对周围环境中的超声波信号强度参数进行测量、采样，将采集到的数据发往中心节点，并且可以对中心节点发来的数据、命令进行分析处理，完成相应的操作。若两个普通节点之间要传送数据则必须经过中心节点，由中心节点把数据传送到相应的节点上。
3.4 组网流程
无线传感器网络是一个自组织的网络，如果一个全功能节点被激活，它就可能建立一个网络并把自己设为网络协调器，其它的普通节点可以申请加入该网络。这样就可以建成一个具有星型拓扑结构的无线传感器网络。本文中的无线传感器网络支持超帧结构，网络协调器经过能量扫描、主动信道扫描后，按照设定的参数周期性的发送信标帧。普通节点首先经过能量扫描和被动信道扫描后，获取信标帧中包含网络特征的参数，如信标序号、超帧序号和网络标号等。通过同步请求与网络协调器同步，再通过匹配请求与网络协调器关联。在与网络协调器关联的过程中，网络协调器为每个请求关联的普通节点分配16位的短地址。这样在以后的数据传送中就可以用短地址进行通信，提高通信效率、降低发射中的能量消耗，从而延长网络的使用寿命。
3.5 数据传输机制
3.5.1 数据格式
在IEEE 802.15.4标准中定义了四种帧，分别是信标帧、数据帧、命令帧、确认帧[2]。
(1) 信标帧：用以网络协调器在支持超帧结构的第一个时槽向其临近节点广播信标，当附近的节点接受到信标帧后就可以申请加入该网络。
由于本文中的无线传感器网络系统采用相对简单的星型拓扑结构，在信标帧的结构上与IEEE802.15.4标准有所不同：在信标帧的地址域中仅包含源节点的网络标号和短地址，不包含目的节点信息(因为采用广播方式发送)。
(2) 数据帧：用来传送含有超声波度信息的数据。
在地址域中包含源节点和目的节点的网络标号和短地址。由于数据帧的传送方向有两种：从普通节点传向中心节点和从中心节点发送给普通节点。
(3) 命令帧：用于组建无线传感器网络、传输同步数据等。命令帧在格式上和其它类型的帧没有太多的区别。
(4) 确认帧：用以确认目标节点成功接收到数据帧或命令帧。当目标节点成功接收到数据帧或命令帧后，就发送一个确认帧给发送方。发送方接收到这个确认帧说明发送成功。若在规定的时间内没有接收到确认帧，则重发该数据帧或命令帧。
在帧控制域中定义了帧的类型为确认帧。确认帧的序列号要与被确认帧相同，并且负载长度为零。确认帧紧接着被确认帧发送，不需要使用CSMA-CA机制竞争信道。
3.5.2 传输流程
在整个无线传感器网络中，采取的是普通节点定时读取其传感器上的超声波数据，并将超声波数据发送给中心节点。中心节点对接受到的数据进行处理后传送给相应的节点用以控制其上的车位置位标志。首先，网络协调器对接收到的数据帧进行检验，图2中的"中心节点判断"是判断是否为指定节点的传感器数据。若接收的数据是指定节点上的数据，则将该数据与一个超声波度阈值进行比较来设定控制变量(用来控制车位的开关状态) 。反之，则不进行发送操作。然后，判断带有空闲的节点是否加入网络。若在网络中找到带有空闲的节点，则中心节点将控制变量作为数据帧负载发送给它。反之，则不发送带有控制变量的数据帧。
4 结束语
在我们设计的无线传感器网络车位控制系统中，普通节点将它采集的超声波数据发送给网络协调器，网络协调器将含有控制变量的数据帧发送给带有车位占空标志接点的同时，还可以通过串口将超声波度数据传送给计算机。通过计算机上的后台软件，可以监控超声波度信号的变化。从超声波传感器可以判断车位的占用情况。
本文从无线传输协议的制定、传输过程控制等几个方面对设计实现无线传感器网络进行了论述。在实际运用中，只要对具体的传感器进行更换，就可以适用于各种各样的传感器网络。由于无线传感器系统组网灵活，采用模块化的设计，故具有很好的移植性和扩展性，随着人们生活水平的提高，此系统在未来交通监控领域有着广阔的应用前景。在未来交通监控领域、智能家电、家庭环境的智能调节上有着广阔的前景。
