無線傳感器網(wǎng)絡在車位控制中的應用

1、無線傳感器網(wǎng)絡在車位控制中的應用                        摘  要  本文介紹了WSN的組成結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡平臺組建、通信機制等內(nèi)容，提出了一種基于WSN的智能車位控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。著重討論該方案的實現(xiàn)原理、關鍵技術等問題。     關鍵詞  WSN；車位控制；超聲波傳感器

2、0;1  引言    無線傳感器網(wǎng)絡是一種全新的信息獲取和處理技術，在現(xiàn)實生活中得到了越來越廣泛的應用。隨著通信技術、嵌入式技術、傳感器技術的發(fā)展，傳感器正逐漸向智能化、微型化、無線網(wǎng)絡化發(fā)展1。目前，國內(nèi)外主要研究無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的低功耗硬件平臺設計拓撲控制和網(wǎng)絡協(xié)議、定位技術等。這個設計以檢測超聲波強度的傳感器為例，實現(xiàn)了一個無線傳感器網(wǎng)絡，根據(jù)傳感器所檢測的超聲波強弱來決定開啟或關閉車位指示燈，從而判斷是否有車輛進入檢測區(qū)域。這種傳感器網(wǎng)絡綜合了嵌入式技術、傳感器技術、短程無線通信技術，有著廣泛的應用。該系統(tǒng)不需要對現(xiàn)場結(jié)構(gòu)進行改動，不需要原先任

3、何固定網(wǎng)絡的支持，能夠快速布置，方便調(diào)整，并且具有很好的可維護性和拓展性。    2適用于低速率、低功耗、低復雜度和短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線個域網(wǎng)(WPAN)。在網(wǎng)絡內(nèi)的無線傳輸過程中，采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問機制(CSMACA)，支持超幀結(jié)構(gòu)和時槽保障機制(GTS)。網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)可以是星型網(wǎng)或點對點的對等網(wǎng)。該標準定義了3種數(shù)據(jù)傳輸頻率，分別為868MHz、915MHz、2.4GHz。前兩種傳輸頻率采取BPSK的調(diào)制方式，后一種采取0-0PSK的調(diào)制方式。各種頻率分別支持20 kbits，40kbits和 250 kbits的無線數(shù)據(jù)傳輸速率，傳輸距離在0m

4、70m之間。本文中采用的是頻率為2.4GHz的無線發(fā)射模塊。3  無線傳感器網(wǎng)絡的實現(xiàn)3.1  網(wǎng)絡平臺組建    無線傳感器網(wǎng)絡平臺由超聲波傳感器模塊、微處理器模塊、無線發(fā)射模塊三個部分組成3，如圖1所示。微處理器模塊和無線發(fā)射模塊集成在一塊板子上，而超聲波傳感器模塊通過接口與微處理器相連，這樣可以通過更換不同的傳感器模塊來應用于各種場合。    由于超聲波指向性強，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)4。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易

5、于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求。為了使汽車能自動避障行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的距離信息(距離和方向)。本文所介紹的三方向(前、左、右)超聲波測距系統(tǒng)，就是為后臺工作人員了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而提供一個運動距離信息5。圖 1 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點結(jié)構(gòu)圖 2 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點通信拓撲結(jié)構(gòu)    SL-SRF-25超聲波傳感器，接上電源，可以單獨作為超聲波測距使用，由3位LED數(shù)碼管顯示障礙物距離，3位LED數(shù)碼管采用積木式插裝方式，便于調(diào)試檢查及使用在不同場合。測量范圍10cm-250cm，測距小于100cm時，誤

6、差是12cm.，大于100cm時，誤差是45cm。SL-SRF-25超聲波傳感器，還可以指定從單片機I/O端口上輸出分段距離檢測信號。    處理器模塊選擇美國加州伯克利大學的 Mica2 模型節(jié)點。節(jié)點板上提供如下功能：433MHz 中心頻率的無線通信接口，通過編程可以定制多種功能：能夠提供-20db10db 多種通信功率；能夠在曼徹斯特編碼方式下提供從 0.3kbps 38.4kbps 多種傳輸速率；能夠在 433M 附近設置多種通信頻率，頻率間隔為 76k。它高速和大容量RAM的特性，為處理數(shù)據(jù)包提供了便利。    3.2

7、60; 系統(tǒng)軟件平臺    選擇美國加州伯克利大學開發(fā)的TinyOS 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境。TinyDB 是 TinyOS 的查詢處理系統(tǒng)，它能夠從無線網(wǎng)絡中的sensor 節(jié)點上提取數(shù)據(jù)和信息。TinyOS 為 TinyDB 提供了一個可視化的 JAVA API 窗口，可以進行實時查詢。3.3  組網(wǎng)類型    在本文中，無線傳感器網(wǎng)絡采取星型拓撲結(jié)構(gòu)(如圖2)，由一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器作為中心節(jié)點，可以跟任何一個普通節(jié)點通信。普通節(jié)點上含有超聲波傳感器對周圍環(huán)境中的超聲波信號強度參數(shù)進行測量、采樣，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)往中心節(jié)點，并且可以對

8、中心節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)、命令進行分析處理，完成相應的操作。若兩個普通節(jié)點之間要傳送數(shù)據(jù)則必須經(jīng)過中心節(jié)點，由中心節(jié)點把數(shù)據(jù)傳送到相應的節(jié)點上。                               3.4  組網(wǎng)流程    無線傳感器網(wǎng)絡是一個自組織的網(wǎng)絡，如果一個全

9、功能節(jié)點被激活，它就可能建立一個網(wǎng)絡并把自己設為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，其它的普通節(jié)點可以申請加入該網(wǎng)絡6。這樣就可以建成一個具有星型拓撲結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡。本文中的無線傳感器網(wǎng)絡支持超幀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器經(jīng)過能量掃描、主動信道掃描后，按照設定的參數(shù)周期性的發(fā)送信標幀。普通節(jié)點首先經(jīng)過能量掃描和被動信道掃描后，獲取信標幀中包含網(wǎng)絡特征的參數(shù)，如信標序號、超幀序號和網(wǎng)絡標號等。通過同步請求與網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器同步，再通過匹配請求與網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器關聯(lián)。在與網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器關聯(lián)的過程中，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器為每個請求關聯(lián)的普通節(jié)點分配16位的短地址7。這樣在以后的數(shù)據(jù)傳送中就可以用短地址進行通信，提高通信效率、降低發(fā)射中的能量消耗，從而延

10、長網(wǎng)絡的使用壽命。3.5  數(shù)據(jù)傳輸機制    2。    (1) 信標幀：用以網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器在支持超幀結(jié)構(gòu)的第一個時槽向其臨近節(jié)點廣播信標，當附近的節(jié)點接受到信標幀后就可以申請加入該網(wǎng)絡。        (2) 數(shù)據(jù)幀：用來傳送含有超聲波度信息的數(shù)據(jù)。    在地址域中包含源節(jié)點和目的節(jié)點的網(wǎng)絡標號和短地址。由于數(shù)據(jù)幀的傳送方向有兩種：從普通節(jié)點傳向中心節(jié)點和從中心節(jié)點發(fā)送給普通節(jié)點。    (3) 命令幀：

11、用于組建無線傳感器網(wǎng)絡、傳輸同步數(shù)據(jù)等。命令幀在格式上和其它類型的幀沒有太多的區(qū)別。    (4) 確認幀：用以確認目標節(jié)點成功接收到數(shù)據(jù)幀或命令幀。當目標節(jié)點成功接收到數(shù)據(jù)幀或命令幀后，就發(fā)送一個確認幀給發(fā)送方。發(fā)送方接收到這個確認幀說明發(fā)送成功。若在規(guī)定的時間內(nèi)沒有接收到確認幀，則重發(fā)該數(shù)據(jù)幀或命令幀。    在幀控制域中定義了幀的類型為確認幀。確認幀的序列號要與被確認幀相同，并且負載長度為零。確認幀緊接著被確認幀發(fā)送，不需要使用CSMA-CA機制競爭信道8。    在整個無線傳感器網(wǎng)絡中，采取的是普

12、通節(jié)點定時讀取其傳感器上的超聲波數(shù)據(jù)，并將超聲波數(shù)據(jù)發(fā)送給中心節(jié)點。中心節(jié)點對接受到的數(shù)據(jù)進行處理后傳送給相應的節(jié)點用以控制其上的車位置位標志。首先，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器對接收到的數(shù)據(jù)幀進行檢驗，圖2中的"中心節(jié)點判斷"是判斷是否為指定節(jié)點的傳感器數(shù)據(jù)。若接收的數(shù)據(jù)是指定節(jié)點上的數(shù)據(jù)，則將該數(shù)據(jù)與一個超聲波度閾值進行比較來設定控制變量(用來控制車位的開關狀態(tài)) 9。反之，則不進行發(fā)送操作。然后，判斷帶有空閑的節(jié)點是否加入網(wǎng)絡。若在網(wǎng)絡中找到帶有空閑的節(jié)點，則中心節(jié)點將控制變量作為數(shù)據(jù)幀負載發(fā)送給它。反之，則不發(fā)送帶有控制變量的數(shù)據(jù)幀。 4  結(jié)束語  &

13、#160; 在我們設計的無線傳感器網(wǎng)絡車位控制系統(tǒng)中，普通節(jié)點將它采集的超聲波數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器將含有控制變量的數(shù)據(jù)幀發(fā)送給帶有車位占空標志接點的同時，還可以通過串口將超聲波度數(shù)據(jù)傳送給計算機。通過計算機上的后臺軟件，可以監(jiān)控超聲波度信號的變化。從超聲波傳感器可以判斷車位的占用情況。    本文從無線傳輸協(xié)議的制定、傳輸過程控制等幾個方面對設計實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡進行了論述。在實際運用中，只要對具體的傳感器進行更換，就可以適用于各種各樣的傳感器網(wǎng)絡。由于無線傳感器系統(tǒng)組網(wǎng)靈活，采用模塊化的設計，故具有很好的移植性和擴展性，隨著人們生活水平的提高，此系統(tǒng)

14、在未來交通監(jiān)控領域有著廣闊的應用前景。在未來交通監(jiān)控領域10、智能家電、家庭環(huán)境的智能調(diào)節(jié)上有著廣闊的前景。參考文獻1 孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡M.北京：清華大學出版社，2005：32163 孫永進，孫雨耕，房朝暉.無線傳感器網(wǎng)絡的連通與覆蓋J.天津大學學報，2005，38(1)：142174 GJPottie，WJKaiser.Wireless integrated network sensor C.In： communication soft he ACM，2000；43(5)：51-55李建中，李金寶，石勝飛.傳感器網(wǎng)絡及其數(shù)據(jù)管理的概念、問題與進展.軟件學報，2003，

15、14(10)：171717276 任豐原，黃海寧，林闖.無線傳感器網(wǎng)絡J.軟件學報2003；14(7)：1282-12917 Alan Mainwaring，Joseph Polastre，Robert Szewczyk，DAV Culler and John Anderson. Wireless Sensor Networks for Habit MonitoringC. In：FirstACM International Workshop on Wirless Sensor Networks and Applications，Atlanta，Georgia，USA NewYork，NY，USA：ACMPress，2002： 889758 YOUNISO，F(xiàn)AHMYS.HEED：ahybrid，energy efficien distributed clustering approach for AdHoc sensor networkJ.IEEE Transactionson Mobile Computing，2004，3(4)36623799 Xingbo Yu，KoushikNiyogi，Sharad Mehrotra，Nali Venkata sub