無線與傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)現(xiàn)
摘 要： 詳細(xì)闡述了基于無線傳感器硬件搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺并利用TinyOS進(jìn)行傳感器硬件通信驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)方案。
關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 實(shí)驗(yàn)平臺 傳感器節(jié)點(diǎn)
集成了傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)三大技術(shù)而形成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的無線自組網(wǎng)，它由成千上萬甚至數(shù)以百計(jì)的“沙?！保╩otes）構(gòu)成?！吧沉！奔礋o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，大小相當(dāng)于給它提供能量的2節(jié)AA電池。它還包含一個(gè)微型處理器，很少的內(nèi)存以及用于感應(yīng)光、溫度、壓力、熱量等的傳感器，此外還有一個(gè)微型無線電收發(fā)機(jī)，用來接收和發(fā)送無線電信號。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被部署在應(yīng)用現(xiàn)場后能夠?qū)崟r(shí)感知和采集各種監(jiān)測對象的信息，并對其進(jìn)行處理，最后傳送到用戶。它在國防軍事、反恐抗災(zāi)、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、工程安全、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域都將得到廣泛的應(yīng)用，必將引發(fā)信息感知和采集的革命[1]。
典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。此網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點(diǎn)、基站（base Station）、Internet或通信衛(wèi)星、任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)(Task Manager Node)等部分構(gòu)成。傳感器節(jié)點(diǎn)通過飛行器撒播、人工埋置和火箭彈射等方式散布在指定的感知區(qū)域內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以收集數(shù)據(jù)，并通過“多跳”路由方式把數(shù)據(jù)傳送到基站?；疽部捎猛瑯拥姆绞綄⑿畔l(fā)送給各節(jié)點(diǎn)。基站直接與Internet或通信衛(wèi)星相連，通過Internet或通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)(即觀察者)與傳感器之間的通信[2]。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣闊應(yīng)用前景引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。由于各方面條件的限制，目前針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究大多基于模擬環(huán)境（如NS-2），然而在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究中會(huì)遇到在模擬環(huán)境下無法預(yù)料的問題。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)現(xiàn)在整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中占據(jù)非常重要的作用。為此本文主要介紹了如何搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺，包括利用TinyOS在傳感器硬件上進(jìn)行測試，保證傳感器節(jié)點(diǎn)間無線通信正常，這些都是實(shí)現(xiàn)傳感器應(yīng)用實(shí)例的前提工作。本文將重點(diǎn)介紹如何利用Crossbow公司的無線傳感器產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺和基于此實(shí)驗(yàn)平臺的節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證；Crossbow公司的5040系列硬件產(chǎn)品；TinyOS系統(tǒng)和傳感器硬件驗(yàn)證；將來的研究方向。
1 硬 件
Crossbow公司是全球第一家提供Smart Dust無線傳感器的公司。該公司提供了一系列傳感器和相關(guān)硬件，其中大部分產(chǎn)品是即插即用的。硬件產(chǎn)品上的所有部件都支持TinyOS操作系統(tǒng)(此系統(tǒng)是美國加州大學(xué)伯克利分校專為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的微型操作系統(tǒng))。
實(shí)驗(yàn)平臺硬件采用的是MOTE-KIT 5040系列。它包括4個(gè)MICA2 Processor/Radio Boards、4個(gè)MICA2DOT Boards、3個(gè)MTS310 Sensor Boards、2個(gè)MDA500 MICA2DOT 原型和數(shù)據(jù)采集板以及1個(gè)MIB510編程接口板。
MOTE-KIT5040系列的主要部件是MICA2。它是早期產(chǎn)品MICA的改進(jìn)，采用的TinyOS操作系統(tǒng)是一個(gè)小型、開源、節(jié)能的軟件操作系統(tǒng)，支持大規(guī)模、自配置的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其源代碼和軟件開發(fā)工具可以在網(wǎng)上下載。MICA2采用的硬件平臺為MPR400CB，MPR400CB采用了Atmel Atmega 128L微控制器，該控制器從其自帶的ROM中運(yùn)行TinyOS操作系統(tǒng)。可以利用編程接口板對其進(jìn)行開發(fā)。MICA2具有許多優(yōu)良的特性：
①是第三代小型智能無線傳感器節(jié)點(diǎn)。
?、趦?nèi)嵌TinyOS操作系統(tǒng)，提供了前所未有的通信和處理能力。
③在休眠模式，AA電池可以使用一年。
?、軣o線通信功能強(qiáng)大，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有路由器的功能。
?、?33MHz或868/916MHz的多信道收發(fā)天線。
⑥光敏、溫度、RH、氣壓、震動(dòng)、聲學(xué)、電磁以及諸多可選的傳感器。
⑦支持無線的遠(yuǎn)程重編程。
?、嗑哂写罅靠捎玫膫鞲衅靼搴蛿?shù)據(jù)采集板。
?、崤c下一代產(chǎn)品MICA2DOT完全兼容。
MICA2DOT與MICA2相比的主要優(yōu)點(diǎn)在于其體積約是MICA2的四分之一。其他功能與MICA2極其類似。
MOTE-KIT5040還提供了3塊傳感器板，這些接口板可以通過一個(gè)51腳的接口連到MICA2上。任何一個(gè)MICA2節(jié)點(diǎn)都可以配置成基站來進(jìn)行工作。基站可將從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)取得的數(shù)據(jù)匯集到計(jì)算機(jī)上。
2 基于TinyOS實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)現(xiàn)
TinyOS操作系統(tǒng)是一個(gè)小型、開源、節(jié)能的軟件操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)支持大規(guī)模、自配置的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，安裝比較簡單，與普通應(yīng)用軟件安裝過程類似。完整的安裝包包括如下軟件（一般選擇完全安裝）： TinyOS、TinyOS Tools、NesC、Cygwin、Support Tools、Java 1.4 JDK & Java COMM 2.0、Graphviz、AVR Tools（avr-binutils、avr-libc、avr-gcc、avarice、avr-insight）。
調(diào)試嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序的難點(diǎn)是：難以區(qū)分錯(cuò)誤源在應(yīng)用程序還是在嵌入式系統(tǒng)平臺。但由于TinyOS安裝包包括了2個(gè)用于對系統(tǒng)和傳感器硬件進(jìn)行驗(yàn)證的工具，因此可以利用這2個(gè)工具在調(diào)試應(yīng)用程序前確認(rèn)傳感器節(jié)點(diǎn)本身是否有問題。
首先，對傳感器硬件驗(yàn)證前要先對安裝的PC工具進(jìn)行確認(rèn)，包括 avr gcc compiler、perl、flex、cygwin（如果使用Windows操作系統(tǒng)）、JDK 1.4.x等。利用TinyOS自帶的 toscheck工具可以檢驗(yàn)PC工具是否安裝完全，其操作步驟是：雙擊圖標(biāo)運(yùn)行cygwin應(yīng)用程序，進(jìn)入/tools/scripts目錄，鍵入toscheck。運(yùn)行后，最后1行輸出應(yīng)為“toscheck completed without error”。若發(fā)現(xiàn)顯示錯(cuò)誤，則必須先解決該錯(cuò)誤再繼續(xù)下面的步驟。
接下來可以使用下面2種方法[3]進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件驗(yàn)證：
(1)TinyOS自帶的MicaHWVerify程序。
(2)Crossbow提供的圖形用戶界面程序Mote-Test。
2.1 使用MicaHWVerify進(jìn)行硬件驗(yàn)證
MicaHWVerify程序?qū)ｉT用來驗(yàn)證MICA/MICA2/MICA2DOT節(jié)點(diǎn)硬件。若所使用的硬件平臺不同則不適宜使用該程序。以下步驟都以驗(yàn)證MICA2節(jié)點(diǎn)為例(對MICA2-DOT節(jié)點(diǎn)只需修改相應(yīng)參數(shù)即可)。對傳感器節(jié)點(diǎn)硬件編程時(shí)須注意：若使用配套的電源給編程接口板供電，將傳感器節(jié)點(diǎn)插到接口板前要保證節(jié)點(diǎn)上的電池已取出；若利用傳感器節(jié)點(diǎn)上的電池給編程接口板供電，則不需再接電源但必須保證電池電量≥3.0V，且節(jié)點(diǎn)上開關(guān)狀態(tài)為On。驗(yàn)證步驟如下。
(1)運(yùn)行cygwin后，進(jìn)入/apps/MicaHWVerify目錄。鍵入make mica2編譯MicaHWVerify程序。若使用MICA2/MICA2DOT平臺，完整的命令應(yīng)該是PFLAGS=-DCC1K_MANUAL_FREQ=
從圖中可以看出，若Memory檢測成功，MEM OK綠燈亮；Battery檢測電池電量大??；RSSI測試有2個(gè)值，可以顯示遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)與基站的連通性。若RSSI值小于-80.00將顯示FAIL，但這并不意味著節(jié)點(diǎn)無線通信失敗，可能因?yàn)镸ICA2節(jié)點(diǎn)距離基站太遠(yuǎn)，可以通過縮短MICA2節(jié)點(diǎn)與基站間距離來改善RSSI值。在本實(shí)驗(yàn)中，RSSI實(shí)際測得的數(shù)據(jù)分別為-64.50和-61.88，說明連通性較好。Serial ID NUMBER顯示本地傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件序列號。當(dāng)各項(xiàng)狀態(tài)都正常時(shí)，最上面的PASS綠燈亮。傳感器硬件測試完成后，就可以根據(jù)需求自己編寫程序，通過編程接口板加載到傳感器上，實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種功能。
3 結(jié)論及下一步工作
本文介紹了如何搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺以及在此平臺上的系統(tǒng)驗(yàn)證。內(nèi)容涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和發(fā)展前景、傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件測試、傳感器節(jié)點(diǎn)間無線通信等。在此實(shí)驗(yàn)平臺上，可以編寫應(yīng)用程序（Nesc和Java程序）完成傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種功能。
下一步的工作是在該實(shí)驗(yàn)平臺上研究具體的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，需要解決如下問題：(1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位和同步問題。(2)研究網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議中的路由算法。(3)研究傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理問題。
參考文獻(xiàn)
1 李建中，李金寶，石勝飛.傳感器網(wǎng)絡(luò)及其數(shù)據(jù)管理的概念、問題與進(jìn)展.軟件學(xué)報(bào)，2003；14(10)
2 任豐原，黃海寧，林闖.無線傳感器網(wǎng)絡(luò).軟件學(xué)報(bào)，2003；14 (7)
3 http：// Mote Fuse Help Guide version .Crossbow Technology Inc，2003
無線與傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)感想
《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)感想》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)感想（2頁珍藏版）》請?jiān)谌巳宋膸炀W(wǎng)上搜索。
1、無線傳感實(shí)驗(yàn)感想 本次實(shí)驗(yàn)我們進(jìn)行的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，我們小組成員學(xué)習(xí)了無線傳輸?shù)幕驹?，合作完成?shí)驗(yàn)系統(tǒng)的安裝、調(diào)試與數(shù)據(jù)分析，在這一過程中我受益良多。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是基于ZigBee技術(shù)。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用?，F(xiàn)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛用于很多方面，如農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動(dòng)化以及智能家居等。無線傳感的使用使傳感器和自動(dòng)化技術(shù)得到了空前的發(fā)展，并給人們的生活帶來了很大的便利。我們平時(shí)的實(shí)
2、驗(yàn)課更多注重對理論的驗(yàn)證，但是沒有創(chuàng)新性和自主研發(fā)性，雖然這次的實(shí)驗(yàn)我們大部分也是照著實(shí)驗(yàn)說明書進(jìn)行連接、燒錄程序、演示等，但是此次的實(shí)驗(yàn)增加了我對電子設(shè)計(jì)的濃厚興趣。只要有興趣，我相信化興趣為動(dòng)力，我肯定能更加努力加強(qiáng)電子專業(yè)的學(xué)習(xí)，努力提高專業(yè)素養(yǎng)。當(dāng)然實(shí)驗(yàn)中還有注重團(tuán)隊(duì)的協(xié)作，我們分工明確，合作愉快，因此更快、更好地完成了實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)在的項(xiàng)目工程，憑一己之力幾乎不可能完成，所以企業(yè)也十分注重員工的團(tuán)隊(duì)意識，我們想要進(jìn)入好的企業(yè)，對這塊不能等閑視之，必須加以重視。最后，通過這次的傳感器技術(shù)實(shí)驗(yàn)我不但對理論知識有了更加深的理解，對于實(shí)際的操作和也有了質(zhì)的飛躍。經(jīng)過這次的實(shí)驗(yàn)，我們整體對各個(gè)方面都得到了不少的提高，希望以后學(xué)校和系里能夠開設(shè)更多類似的實(shí)驗(yàn)，能夠讓我們得到更好的鍛煉。
無線與傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教程
收藏
查看我的收藏
0
有用+1
已投票
0
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教程
語音
編輯
鎖定
討論
上傳視頻
上傳視頻
本書介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究和應(yīng)用的實(shí)戰(zhàn)攻略。全書以中科院計(jì)算所寧波分所推出的GAINS和GAINZ套件為基礎(chǔ)，綜合了與嵌入式芯片、基礎(chǔ)通信、自組織網(wǎng)絡(luò)及ZigBee等相關(guān)的30多個(gè)實(shí)驗(yàn)，由淺入深地介紹了其環(huán)境建立、軟件開發(fā)、程序調(diào)試等基本方法，為讀者進(jìn)行深層次的理論研究及應(yīng)用開發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的實(shí)踐基礎(chǔ)
[1]
。
書 名
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教程
作 者
徐勇軍 等編著
類 別
計(jì)算機(jī)/網(wǎng)絡(luò)
出版社
北京理工大學(xué)出版社
出版時(shí)間
2007年8月1日
頁 數(shù)
255 頁
定 價(jià)
28 元
裝 幀
平裝
ISBN
目錄
1
內(nèi)容簡介
2
圖書目錄
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教程內(nèi)容簡介
編輯
語音
本書介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究和應(yīng)用的實(shí)戰(zhàn)攻略。全書以中科院計(jì)算所寧波分所推出的GAINS和GAINZ套件為基礎(chǔ)，綜合了與嵌入式芯片、基礎(chǔ)通信、自組織網(wǎng)絡(luò)及ZIGBEE等相關(guān)的30多個(gè)實(shí)驗(yàn)，由淺入深地介紹了其環(huán)境建立、軟件開發(fā)、程序調(diào)試等基本方法，為讀者進(jìn)行深層次的理論研究及應(yīng)用開發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的實(shí)踐基礎(chǔ)。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教程圖書目錄
編輯
語音
第1章 基礎(chǔ)知識介紹
[1]
1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介1.2 無線移動(dòng)自組網(wǎng)簡介1.3 IEEE 802.15.4和ZigBee簡介第2章 實(shí)驗(yàn)環(huán)境介紹2.1 GAINS實(shí)驗(yàn)平臺2.2 GAINZ實(shí)驗(yàn)平臺2.3 ATmegal28L.芯片2.4 CCl000芯片2.5 CC2420芯片2.6 可視化后臺軟件2.7 開發(fā)編譯環(huán)境第3章 處理器基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)3.1 集成開發(fā)環(huán)境3.2 程序下載實(shí)驗(yàn)3.3 定時(shí)器實(shí)驗(yàn)13.4 定時(shí)器實(shí)驗(yàn)23.5 走馬燈實(shí)驗(yàn)3.6 看門狗實(shí)驗(yàn)3.7 串口通信實(shí)驗(yàn)13.8 串口通信實(shí)驗(yàn)23.9 AD采樣實(shí)驗(yàn)13.10 AD采樣實(shí)驗(yàn)23.11 微操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)3.12 Boot Loader實(shí)驗(yàn)第4章 基礎(chǔ)通信實(shí)驗(yàn)4.1 CC1000寄存器配置實(shí)驗(yàn)4.2 無線信道監(jiān)聽實(shí)驗(yàn)4.3 點(diǎn)到點(diǎn)無線通信實(shí)驗(yàn)4.4 無線燈光控制實(shí)驗(yàn)4.5 無線報(bào)警實(shí)驗(yàn)4.6 射頻休眠實(shí)驗(yàn)第5章 自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)5.1 GAINS433MAC庫介紹5.2 基于GAINS433MAC庫的星型網(wǎng)絡(luò)的通信實(shí)驗(yàn)5.3 指定路由多跳網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)5.4 基于簡單的泛洪協(xié)議的多跳路由網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)5.5 基于GAINS433MAC庫的高級協(xié)議開發(fā)5.6 時(shí)間同步協(xié)議實(shí)驗(yàn)第6章 基礎(chǔ)ZigBee實(shí)驗(yàn)6.1 CC2420啟動(dòng)和SPI初始化6.2 CC2420內(nèi)部寄存器初始化6.3 組包發(fā)送實(shí)驗(yàn)6.4 接收和地址譯碼實(shí)驗(yàn)6.5 應(yīng)答ACK幀實(shí)驗(yàn)6.6 網(wǎng)絡(luò)Sniffer節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)6.7 光傳感數(shù)據(jù)采集的點(diǎn)到點(diǎn)綜合通信6.8 溫度傳感數(shù)據(jù)采集的點(diǎn)到點(diǎn)綜合通信6.9 高精度溫度傳感數(shù)據(jù)采集的點(diǎn)到點(diǎn)綜合通信第7章 高級ZigBee實(shí)驗(yàn)7.1 空閑信道評估實(shí)驗(yàn)7.2 CSMACA算法實(shí)驗(yàn)7.3 光傳感數(shù)據(jù)采集的多跳綜合通信實(shí)驗(yàn)
詞條圖冊
更多圖冊
參考資料
1.
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教程
．豆瓣讀書[引用日期2020-07-01]
無線與傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)驗(yàn)
《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)驗(yàn)》課程介紹
《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的專業(yè)必修課，它是根據(jù)國家培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)工程人才的需要而設(shè)置的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)，熟練使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺、開發(fā)環(huán)境是開展科研與應(yīng)用開發(fā)的基礎(chǔ)。
通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將會(huì)循序漸漸的掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)技術(shù)，包括傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的處理器基本操作、射頻芯片的數(shù)據(jù)收發(fā)、傳感器數(shù)據(jù)的獲取、通信網(wǎng)絡(luò)的建立和組織等，為以后更深層次的理論研究和應(yīng)用實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
The introduction of course ---Wireless Sensor Networks Practice
The Wireless Sensor Networks (WSN) is a major required and core course for Internet of Things (IOT) Engineering, this course is provided for the need of the IOT talents. WSN is one of the core technologies of Internet of things. Wireless sensor network is a very practical technology, the skillfully using of hardware platforms and development environment is the basis of scientific research and application development.
Through this course, students will gradually master the development technologies of wireless sensor networks including the basic operations of MCU of sensor node, data transceiver of RF chip, sensor data acquisition，establishment and organization of wireless communication sensor network, etc. , and lay a solid foundation for future theoretical research and practical application
