【文章內(nèi)容簡介】 計算機技術(shù)和無線通信技術(shù)的融合，大大縮短了人和自然之間的距離。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療護理、智能家居、工業(yè)生產(chǎn)控制以及商業(yè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。 在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點具有端節(jié)點和路由的功能：一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理；另一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合和路由，對本身采集的數(shù) 據(jù)和收到的其他節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)進行綜合，轉(zhuǎn)發(fā)路由到網(wǎng)關(guān)節(jié)點。網(wǎng)關(guān)節(jié)點往往個數(shù)有限，而且常常能量能夠得到補充；網(wǎng)關(guān)通常使用多種方式 (如 Iniemct、衛(wèi)星或移動通信網(wǎng)絡(luò)等 )與外界通信。而傳感器節(jié)點數(shù)目非常龐大，通常采用不能補充的電池提供能量；傳感器節(jié)點的能量一旦耗盡，那么該節(jié)點就不能進行數(shù)據(jù)采集和路由的功能，直接影響整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的健壯性和生命周期。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)主要研究的是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。具體應(yīng)用不同，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計也不盡相同，但是其基本結(jié)構(gòu)是一樣的。 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般由處理器單元、無線傳輸單元、傳 感器單元和電源模塊單元 4部分組成。本論文設(shè)計思想就是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的。 圖 7 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 本模塊的通信方式屬于點對點的通信方式，點對點無線通信是無線通信中最基本的通信方式，是點到多點無線通信以及無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。本模塊的通信設(shè)計屬于短距離無線通信范疇 。 短距離無線數(shù)據(jù)通信的標準簡介 短距離無線通信相比有線通信有以下主要特征：無線發(fā)射功率從幾 181。W 到小于100181。W；通信距離范圍從幾厘米到幾百米；主要在房間內(nèi)使用；使用全向天線和傳感器 電源 電源 無線傳輸 電源 處理器 8 線路板天線；不 需要申請無線頻道；高頻操作；電池供電的無線發(fā)射器和無線接收器。 圖 10 短距離無線通信系統(tǒng)示意圖 典型的短距離無線通信系統(tǒng)如圖 10 所示 ，它由一個無線發(fā)射器和一個無線接收器組成。發(fā)射器的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射出去，接收器天線接收后，進行處理，得到正確的經(jīng)過校驗的數(shù)據(jù)。本設(shè)計就是基于短距離無線通信系統(tǒng)的工作原理研究設(shè)計的，礦井人員配戴該模塊通過數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，方便井上監(jiān)控系統(tǒng)確定人員的位置。 在進行短距離無線通信時，現(xiàn)已有多種技術(shù)方案可供選擇，最流行的關(guān)于 短距離無線數(shù)據(jù)通信的 3 個標準是藍牙 (Bluetooth)， (Wi 一 Fi)標準和IrDA，另外最近還出現(xiàn)了 UWB， ZigBee 與 GPRs 數(shù)據(jù)通信技術(shù)。 以下是幾種技術(shù)簡介： 藍牙 1998 年藍牙技術(shù)的出現(xiàn)主要用于通信與信息設(shè)備的無線連接。藍牙技術(shù)是一種用于各種固定與移動的數(shù)字化硬件設(shè)備之間的低成本、近距離的無線通一訊連接技術(shù)。這種連接是穩(wěn)定的、無縫的，其程序?qū)懺谝粋€ 9X9mm 的微型芯片上，可以方便地嵌入設(shè)備之中。這項技術(shù)能夠非常廣泛地應(yīng)用于我們的日常生活中。藍牙的工作頻率為 ，有效范圍大約 在 10m 半徑內(nèi)，在此范圍內(nèi)作為一種電纜替代技術(shù)，它可把內(nèi)嵌有藍牙芯片的計算機、手機和多種便攜通信終端聯(lián)起來，以約 1Mb/s 的速率相互傳遞數(shù)據(jù)，為其提供語音和數(shù)字接入服務(wù)，實現(xiàn)信息的自格式化數(shù)據(jù)包（ CRC16） 格式化數(shù)據(jù)包（ CRC16） 發(fā)送端 接收端 9 動交換和處理，并能方便的接入互聯(lián)網(wǎng)。藍牙產(chǎn)品涉及 PC、筆記本電腦、移動電話等信息設(shè)備和 A/V設(shè)備、汽車電子、家用電器和工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域。藍牙的支持者們預(yù)言說，一旦支持藍牙的芯片變得非常便宜，藍牙將置身于幾乎所有產(chǎn)品之中。目前藍牙技術(shù)開發(fā)的重點是多點連接。 (Wi 一 Fi) WiFi (Wireless Fidelity,無線高保真 )也是一種無線通信協(xié)議，正式名稱是 ，與藍牙一樣，同屬于短距離無線通信技術(shù)。 Wi Fi 速率最高可達 11 Mb/s。雖然在數(shù)據(jù)安全性方面比藍牙技術(shù)要差一些，但在電波的覆蓋范圍方面卻略勝一籌，可達 100 m 左右 ,不用說家庭、辦公室 ,就是小一點的整棟大樓也可使用。最初的 規(guī)范是在 1997 年提出的，稱為 ,主要目的是提供 WLAN接入，也是目前 WLAN的主要技術(shù)標準，他的工作頻率也是 GHZ，與無繩電話、藍牙等許多不需頻率使用許可證的無線設(shè)備共享同一頻 段。起先，Wi Fi 元件昂貴，兼容性不好，安全性也不能令人滿意。隨著時間推移 ,這些問題逐步得到解決，且隨著 Wi Fi 協(xié)議新版本，越來越廣泛。 IrDA 是一種利用紅外線進行點對點通信的技術(shù)，目前它的軟硬件技術(shù)都很成熟，在小型移動設(shè)備，如 PDA、手機上廣泛使用。它利用紅外光的通斷表示計算機中的 01 邏輯。 IrDA 的主要優(yōu)點是無須申請頻率的使用權(quán)，在當前頻率使用資源匿乏，頻道使用費用增加的背景下的 IrDA 具有價格優(yōu)勢。紅外線具有功耗低、連接方便、簡單易用的優(yōu)點。它具有數(shù)據(jù)傳輸率較高，適于傳輸大容量的文件和多媒 體數(shù)據(jù)。此外，紅外線發(fā)射角度較小，傳輸上安全性高。 IrDA 的不足在于它是一種視距傳輸，相互通信的設(shè)備之間必須對準，中間不能被其他物體阻隔，只能實現(xiàn)點對點的連接，無法實現(xiàn)點對多點的連接，因而該技術(shù)用于 2 臺 (非多臺 )設(shè)備的連接，通信設(shè)備的位置需要相對固定，無法用于移動設(shè)備。 IrDA 目前的研究方向是如何解決視距傳輸問題及提高數(shù)據(jù)傳輸率。 UWB 超寬帶技術(shù) UWB(Ultra wide eBand)是一種新發(fā)展起來的極具潛力的無線通信技術(shù)，出現(xiàn)在 60 年代， uwB 是指信號帶寬大于 500MHZ 或者是信號帶寬與中心頻率 之比大于 25%。與常見的通信方式使用連續(xù)的載波不同， UWB 通過基帶極端的脈沖信號作用于天線的方式發(fā)送數(shù)據(jù)。 UWB 被允許在 一 的波段內(nèi) 10 工作。超寬帶技術(shù)具有對信道衰落不敏感，發(fā)射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點，非常適合應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。對它主要應(yīng)用在小范圍、高分辨率、能夠穿透墻壁、地面和身體的雷達和圖像系統(tǒng)中。除此之外，這種新技術(shù)使用于對速率要求非常高 (大于 100Mb/s)的LANs 或 PANs。目前，英特爾公司正在進行研究和研發(fā)，以便將 UWB 集成 到個人電腦芯片組中，將其作為 10m 以內(nèi)的近距離高速無線傳輸接口使用。英特爾將UWB定位于“無線 ”，當前 UWB的傳輸速率己達到 100Mbt/s，其下一個目標是 500Mbt/s。然而， UWB 作為民用還是一項新技術(shù)，還有一些實際問題， UWB系統(tǒng)占用的帶寬很大， UWB 系統(tǒng)可能會干擾其他無線通信系統(tǒng)， UWB 系統(tǒng)的頻率許可問題一直還在爭論中，另外 UWB 的干擾問題等有待解決。 ZigBee 是一組基于 IEEE 批準通過的 無線標準研發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標準。 IEEE 無線個人 區(qū)域網(wǎng)工作組的 技術(shù)標準是 ZigBee 技術(shù)的基礎(chǔ)。 ZigBee 技術(shù)主要應(yīng)用于短距離內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間，適用于家電和小型電子設(shè)備的無線控制指令傳輸。 zigBee技術(shù)的主要特點是功耗低、成本低；網(wǎng)絡(luò)容量大；延時短；有效范圍比較??；使用頻段無須申請。 zigBee 的應(yīng)用還是比較多的如：空調(diào)系統(tǒng)、遙控器、無線傳感器、 RFID 標簽等。下面 （表 1） 是幾種通信技術(shù)的比較 ： 表 1 通信技術(shù)的比較 11 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN)由大量的節(jié)點根據(jù)自組織網(wǎng)絡(luò)的方式 構(gòu)成 ,一般節(jié)點通過各種方式大量部署在被感知對象內(nèi)部或者附近 。 些節(jié)點通過無線自組織傳輸網(wǎng)絡(luò) ,以協(xié)作的方式感知 ,采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的信息 ,可以實現(xiàn)對任意地點的信息在任意時間的采集 ,處理和分析 。 線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 1所示 (