無(wú)線傳感器綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)號(hào)姓名學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)日期2010/10/28一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膱D1：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network）（見(jiàn)圖1），當(dāng)前在國(guó)際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù),能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知、采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息,并對(duì)這些信息進(jìn)行處理,獲得詳盡、準(zhǔn)確的信息,傳送到需要這些信息的用戶。它由部署在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知的對(duì)象信息，并發(fā)送給觀察者。它分為如下三種網(wǎng)絡(luò)形式：星形網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2中所示。星狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中所有節(jié)點(diǎn)都與基站和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行雙向通信（圖 2中A 圖）。基站可以是一臺(tái)PC、PDA、專用控制設(shè)備、嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，或其它與高數(shù)據(jù)率設(shè)備通信的網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)基本相同。除了向各節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)和命令外，基站還與互聯(lián)網(wǎng)等更高層系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)。各節(jié)點(diǎn)將基站作為一個(gè)中間網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)，相互之間并不傳輸數(shù)據(jù)或命令。網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所有節(jié)點(diǎn)都相同，而且直接互相通信，與基站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和命令傳輸（圖2中B 圖），網(wǎng)狀網(wǎng)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有多條路徑到達(dá)網(wǎng)關(guān)或其它節(jié)點(diǎn)，因此它的容錯(cuò)能力較強(qiáng)?；旌暇W(wǎng)力求兼具星狀網(wǎng)的簡(jiǎn)潔和低功耗以及網(wǎng)狀網(wǎng)的長(zhǎng)傳輸距離和自愈性等優(yōu)點(diǎn)（圖2中C 圖）。在混合網(wǎng)中，路由節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，圖2：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是典型的具有交叉學(xué)科性質(zhì)的軍民兩用戰(zhàn)略高技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用于GF軍事、國(guó)家安全、環(huán)境科學(xué)、交通管理、災(zāi)害預(yù)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、城市信息化建設(shè)等領(lǐng)域。國(guó)際上比較有代表性和影響力的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)用和研發(fā)項(xiàng)目有遙控戰(zhàn)場(chǎng)傳感器系統(tǒng)（Remote Battlefield Sensor System，簡(jiǎn)稱REMBASS -倫巴斯）、網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)（NCW）及靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)（SSW）、智能塵（smart dust）、Intel?Mote、Smart-Its項(xiàng)目、SensIT、SeaWeb、行為習(xí)性監(jiān)控（Habitat Monitoring）項(xiàng)目、英國(guó)國(guó)家網(wǎng)格等。民用方面，美日等發(fā)達(dá)國(guó)家在對(duì)該技術(shù)不斷研發(fā)的基礎(chǔ)上在多領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用。我國(guó)現(xiàn)代意義的無(wú)線傳感網(wǎng)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達(dá)國(guó)家同步啟動(dòng)，1999年首次正式出現(xiàn)于中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究的信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告中，作為該領(lǐng)域提出的五個(gè)重大項(xiàng)目之一。隨著知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)工作的深入，2001年中科院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，引領(lǐng)院內(nèi)的相關(guān)工作，并通過(guò)該中心在無(wú)線傳感網(wǎng)的方向上陸續(xù)部署了若干重大研究項(xiàng)目和方向性項(xiàng)目，參加單位包括上海微系統(tǒng)所、聲學(xué)所、微電子所、半導(dǎo)體所、電子所、軟件所、中科大等十余個(gè)校所，初步建立傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究平臺(tái)，在無(wú)線智能傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器節(jié)點(diǎn)、簇點(diǎn)和應(yīng)用系統(tǒng)等方面取得很大的進(jìn)展，2004年9月相關(guān)成果在北京進(jìn)行了大規(guī)模外場(chǎng)演示，部分成果已在實(shí)際工程系統(tǒng)中使用國(guó)內(nèi)的許多高校也掀起了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱潮。清華大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、天津大學(xué)、南開大學(xué)、北京郵電大學(xué)、東北大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、西南交通大學(xué)、沈陽(yáng)理工大學(xué)和上海交通大學(xué)等單位紛紛開展了有關(guān)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的基礎(chǔ)研究工作。一些企業(yè)如中興通訊公司等單位也加入無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的行列。二、實(shí)驗(yàn)原理無(wú)線傳感器特點(diǎn)：1、傳輸距離。由于采用專用高頻電路板材，合理的阻抗匹配，在相同的電池供電及功率消耗下， 節(jié)點(diǎn)的通信距離編程可調(diào)0100m，有效距離達(dá)50M 以上，適合大部分短距離無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用要求。2、功耗低。元器件采用低功耗器件，在使用低功耗通信協(xié)議棧時(shí)，在睡眠狀態(tài)，電流僅為5mA ，在掉電節(jié)能模式下，電流更是只有110A 左右。節(jié)點(diǎn)使用2 節(jié)AA 電池即可正常工作。3、使用方便。節(jié)點(diǎn)每個(gè)都有串口和JTAG 口，都可以對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)方便地進(jìn)行編程，不需要復(fù)雜的編程環(huán)境；另外每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以直接接到計(jì)算機(jī)上，充當(dāng)SINK 節(jié)點(diǎn)，同樣不需要專門定制的接口板，十分方便。4、軟件資源。為了擴(kuò)展產(chǎn)品的適用范圍，有兼容目前WSN 領(lǐng)域最主流的802.15.4 規(guī)范的協(xié)議棧，開發(fā)語(yǔ)言是C，易于開發(fā)與相互共享交流，完全可以成為我們公共的平臺(tái)?？傮w架構(gòu)見(jiàn)圖3，它由傳感器模塊、處理模塊、無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四個(gè)部分組成。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，在一個(gè)節(jié)點(diǎn)提供了可擴(kuò)展不同傳感器的接口，所以可能包括多種傳感器器件；處理模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的處理操作、存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)和其它節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，包括了數(shù)據(jù)安全、通信協(xié)議、同步定位、功耗管理、任務(wù)管理等等；無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)與其它傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；電源供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的所有電源。圖3：無(wú)線傳感器總體框架圖4：軟件結(jié)構(gòu)圖5 機(jī)械參數(shù)遙測(cè)測(cè)試系統(tǒng)框圖在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器一般集成一個(gè)低功耗的微控制器(MCU)以及若干存儲(chǔ)器、無(wú)線電/光通信裝置、傳感器等組件，通過(guò)傳感器、動(dòng)臂機(jī)構(gòu)、以及通信裝置和它們所處的外界物理環(huán)境交互。一般說(shuō)來(lái)，單個(gè)傳感器的功能是非常有限的，但是當(dāng)它們被大量地分布到物理環(huán)境中，并組織成一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，支持上千個(gè)測(cè)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，再配置以性能良好的系統(tǒng)軟件平臺(tái)，就可以完成強(qiáng)大的實(shí)時(shí)跟蹤、環(huán)境監(jiān)測(cè)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。無(wú)線數(shù)字信號(hào)傳輸方式消除了長(zhǎng)電纜傳輸帶來(lái)的噪聲干擾，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)具有極高的測(cè)量精度和抗干擾能力。以應(yīng)變測(cè)量為例，首先，被測(cè)物在傳感器的測(cè)量下，通過(guò)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)單芯片SOC，得到物體的應(yīng)變變化，然后，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)基于CMOS技術(shù)的放大元件，將經(jīng)過(guò)處理的低功耗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)給無(wú)線傳輸模塊，該模塊將數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，無(wú)線傳輸給接收模塊，并通過(guò)終端對(duì)數(shù)據(jù)分析處理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離就可以完成強(qiáng)大的實(shí)時(shí)跟蹤、環(huán)境監(jiān)測(cè)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能，在資源受限的條件下完成感知、通信和控制功能。無(wú)線數(shù)字信號(hào)傳輸方式消除了長(zhǎng)電纜傳輸帶來(lái)的噪聲干擾，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)具有極高的測(cè)量精度和抗干擾能力。無(wú)線傳輸接收模塊體積小巧，由電源模塊、采集處理模塊、無(wú)線收發(fā)模塊組成，。節(jié)點(diǎn)每個(gè)通道內(nèi)置有獨(dú)立的高精度120-1000橋路電阻和放大調(diào)理電路，可以方便地由軟件自動(dòng)切換選擇1/4橋，半橋，全橋測(cè)量方式，兼容各種類型的橋路傳感器。采集的數(shù)據(jù)既可以實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸至計(jì)算機(jī)，也可以存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)內(nèi)置的2M 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，保證了采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。節(jié)點(diǎn)的空中傳輸速率可以達(dá)到250K BPS，有效室外通訊距離可達(dá)100m等優(yōu)點(diǎn)。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備CSY2000系列傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)、SG802 無(wú)線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)、SG402無(wú)線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)、A302無(wú)線加速度節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)S903、戴爾計(jì)算機(jī)，活塞式壓力計(jì)，壓力傳感器BHR-2型，荷重傳感器BHR4型。四、實(shí)驗(yàn)框圖五、實(shí)驗(yàn)標(biāo)定曲線和表SG802無(wú)線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)標(biāo)定曲線如下：標(biāo)定表格如下：無(wú)線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)標(biāo)定曲線及表格如下：半橋全橋六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線和表體重測(cè)量試驗(yàn)曲線及表格懸臂梁受沖擊應(yīng)變測(cè)量試驗(yàn)曲線及表格七、實(shí)驗(yàn)結(jié)論與收獲實(shí)驗(yàn)結(jié)論：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器，可探測(cè)包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象?；贛EMS的微傳感技術(shù)和無(wú)線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。這些潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為:軍事、航空、反恐、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測(cè)對(duì)象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。感想與收獲：通過(guò)這次的實(shí)驗(yàn)，我學(xué)習(xí)到了很多有用的東西。在自動(dòng)親自實(shí)驗(yàn)前，老師向我們講解了zigbee的基礎(chǔ)知識(shí)。了解到Zigbee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。這一名稱來(lái)源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說(shuō)蜜蜂依靠 這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種 設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú) 線組網(wǎng)通訊技術(shù)。我想將來(lái)這個(gè)技術(shù)的前景是非常不錯(cuò)的。在家里可以用到空調(diào)的溫度自動(dòng)控制，照明的自動(dòng)控制