無線與傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的實現(xiàn)

摘  要： 詳細闡述了基于無線傳感器硬件搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗平臺并利用TinyOS進行傳感器硬件通信驗證的實現(xiàn)方案。
關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)  實驗平臺  傳感器節(jié)點
　　集成了傳感器、微機電系統(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)以百計的“沙粒”（motes）構(gòu)成。“沙粒”即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，大小相當于給它提供能量的2節(jié)AA電池。它還包含一個微型處理器，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，此外還有一個微型無線電收發(fā)機，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感知和采集各種監(jiān)測對象的信息，并對其進行處理，最后傳送到用戶。它在國防軍事、反恐抗災、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、基站（base Station）、Internet或通信衛(wèi)星、任務(wù)管理節(jié)點(Task Manager Node)等部分構(gòu)成。傳感器節(jié)點通過飛行器撒播、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)，每個節(jié)點都可以收集數(shù)據(jù)，并通過“多跳”路由方式把數(shù)據(jù)傳送到基站。基站也可用同樣的方式將信息發(fā)送給各節(jié)點。基站直接與Internet或通信衛(wèi)星相連，通過Internet或通信衛(wèi)星實現(xiàn)任務(wù)管理節(jié)點(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），然而在實際網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究中會遇到在模擬環(huán)境下無法預料的問題。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的實現(xiàn)在整個傳感器網(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)實驗平臺，包括利用TinyOS在傳感器硬件上進行測試，保證傳感器節(jié)點間無線通信正常，這些都是實現(xiàn)傳感器應(yīng)用實例的前提工作。本文將重點介紹如何利用Crossbow公司的無線傳感器產(chǎn)品來實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗平臺和基于此實驗平臺的節(jié)點驗證；Crossbow公司的5040系列硬件產(chǎn)品；TinyOS系統(tǒng)和傳感器硬件驗證；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))。
　　實驗平臺硬件采用的是MOTE-KIT 5040系列。它包括4個MICA2 Processor/Radio Boards、4個MICA2DOT Boards、3個MTS310 Sensor Boards、2個MDA500 MICA2DOT 原型和數(shù)據(jù)采集板以及1個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，采用的TinyOS操作系統(tǒng)是一個小型、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中運行TinyOS操作系統(tǒng)。可以利用編程接口板對其進行開發(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。
　　②內(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。
　　④無線通信功能強大，并且每個節(jié)點都具有路由器的功能。
　　⑤433MHz或868/916MHz的多信道收發(fā)天線。
　　⑥光敏、溫度、RH、氣壓、震動、聲學、電磁以及諸多可選的傳感器。
　　⑦支持無線的遠程重編程。
　　⑧具有大量可用的傳感器板和數(shù)據(jù)采集板。
　　⑨與下一代產(chǎn)品MICA2DOT完全兼容。
　　MICA2DOT與MICA2相比的主要優(yōu)點在于其體積約是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51腳的接口連到MICA2上。任何一個MICA2節(jié)點都可以配置成基站來進行工作。基站可將從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)取得的數(shù)據(jù)匯集到計算機上。
2  基于TinyOS實驗平臺的實現(xiàn)
　　TinyOS操作系統(tǒng)是一個小型、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)用程序的難點是：難以區(qū)分錯誤源在應(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個用于對系統(tǒng)和傳感器硬件進行驗證的工具，因此可以利用這2個工具在調(diào)試應(yīng)用程序前確認傳感器節(jié)點本身是否有問題。
　　首先，對傳感器硬件驗證前要先對安裝的PC工具進行確認，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PC工具是否安裝完全，其操作步驟是：雙擊圖標運行cygwin應(yīng)用程序，進入/tools/scripts目錄，鍵入toscheck。運行后，最后1行輸出應(yīng)為“toscheck completed  without error”。若發(fā)現(xiàn)顯示錯誤，則必須先解決該錯誤再繼續(xù)下面的步驟。
　　接下來可以使用下面2種方法[3]進行傳感器節(jié)點的硬件驗證：
　　(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進行硬件驗證
　　MicaHWVerify程序?qū)ｉT用來驗證MICA/MICA2/MICA2DOT節(jié)點硬件。若所使用的硬件平臺不同則不適宜使用該程序。以下步驟都以驗證MICA2節(jié)點為例(對MICA2-DOT節(jié)點只需修改相應(yīng)參數(shù)即可)。對傳感器節(jié)點硬件編程時須注意：若使用配套的電源給編程接口板供電，將傳感器節(jié)點插到接口板前要保證節(jié)點上的電池已取出；若利用傳感器節(jié)點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)點上開關(guān)狀態(tài)為On。驗證步驟如下。
　　(1)運行cygwin后，進入/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檢測電池電量大小；RSSI測試有2個值，可以顯示遠端節(jié)點與基站的連通性。若RSSI值小于-80.00將顯示FAIL，但這并不意味著節(jié)點無線通信失敗，可能因為MICA2節(jié)點距離基站太遠，可以通過縮短MICA2節(jié)點與基站間距離來改善RSSI值。在本實驗中，RSSI實際測得的數(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)點的硬件序列號。當各項狀態(tài)都正常時，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)實驗平臺以及在此平臺上的系統(tǒng)驗證。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)點的硬件測試、傳感器節(jié)點間無線通信等。在此實驗平臺上，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驗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
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、問題與進展.軟件學報，2003；14(10)
2   任豐原，黃海寧，林闖.無線傳感器網(wǎng)絡(luò).軟件學報，2003；14 (7)
3   http：// Mote Fuse Help Guide version .Crossbow Technology Inc，2003

無線與傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗感想

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1、無線傳感實驗感想 本次實驗我們進行的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合實驗。在實驗中，我們小組成員學習了無線傳輸?shù)幕驹恚献魍瓿蓪嶒炏到y(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)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。現(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)自動化以及智能家居等。無線傳感的使用使傳感器和自動化技術(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。我們平時的實

2、驗課更多注重對理論的驗證，但是沒有創(chuàng)新性和自主研發(fā)性，雖然這次的實驗我們大部分也是照著實驗說明書進行連接、燒錄程序、演示等，但是此次的實驗增加了我對電子設(shè)計的濃厚興趣。只要有興趣，我相信化興趣為動力，我肯定能更加努力加強電子專業(yè)的學習，努力提高專業(yè)素養(yǎng)。當然實驗中還有注重團隊的協(xié)作，我們分工明確，合作愉快，因此更快、更好地完成了實驗。現(xiàn)在的項目工程，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隊意識，我們想要進入好的企業(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)實驗我不但對理論知識有了更加深的理解，對于實際的操作和也有了質(zhì)的飛躍。經(jīng)過這次的實驗，我們整體對各個方面都得到了不少的提高，希望以后學校和系里能夠開設(shè)更多類似的實驗，能夠讓我們得到更好的鍛煉。

無線與傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗教程

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本書介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究和應(yīng)用的實戰(zhàn)攻略。全書以中科院計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多個實驗，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，為讀者進行深層次的理論研究及應(yīng)用開發(fā)打下堅實的實踐基礎(chǔ)
[1]
。
書    名
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗教程
作    者
徐勇軍 等編著
類    別
計算機/網(wǎng)絡(luò)
出版社
北京理工大學出版社
出版時間
2007年8月1日
頁    數(shù)
255 頁
定    價
28 元
裝    幀
平裝
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本書介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究和應(yīng)用的實戰(zhàn)攻略。全書以中科院計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多個實驗，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，為讀者進行深層次的理論研究及應(yīng)用開發(fā)打下堅實的實踐基礎(chǔ)。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗教程圖書目錄
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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 無線移動自組網(wǎng)簡介1.3 IEEE 802.15.4和ZigBee簡介第2章 實驗環(huán)境介紹2.1 GAINS實驗平臺2.2 GAINZ實驗平臺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)實驗3.1 集成開發(fā)環(huán)境3.2 程序下載實驗3.3 定時器實驗13.4 定時器實驗23.5 走馬燈實驗3.6 看門狗實驗3.7 串口通信實驗13.8 串口通信實驗23.9 AD采樣實驗13.10 AD采樣實驗23.11 微操作系統(tǒng)實驗3.12 Boot Loader實驗第4章 基礎(chǔ)通信實驗4.1 CC1000寄存器配置實驗4.2 無線信道監(jiān)聽實驗4.3 點到點無線通信實驗4.4 無線燈光控制實驗4.5 無線報警實驗4.6 射頻休眠實驗第5章 自組織網(wǎng)絡(luò)實驗5.1 GAINS433MAC庫介紹5.2 基于GAINS433MAC庫的星型網(wǎng)絡(luò)的通信實驗5.3 指定路由多跳網(wǎng)絡(luò)的實驗5.4 基于簡單的泛洪協(xié)議的多跳路由網(wǎng)絡(luò)的實驗5.5 基于GAINS433MAC庫的高級協(xié)議開發(fā)5.6 時間同步協(xié)議實驗第6章 基礎(chǔ)ZigBee實驗6.1 CC2420啟動和SPI初始化6.2 CC2420內(nèi)部寄存器初始化6.3 組包發(fā)送實驗6.4 接收和地址譯碼實驗6.5 應(yīng)答ACK幀實驗6.6 網(wǎng)絡(luò)Sniffer節(jié)點實驗6.7 光傳感數(shù)據(jù)采集的點到點綜合通信6.8 溫度傳感數(shù)據(jù)采集的點到點綜合通信6.9 高精度溫度傳感數(shù)據(jù)采集的點到點綜合通信第7章 高級ZigBee實驗7.1 空閑信道評估實驗7.2 CSMACA算法實驗7.3 光傳感數(shù)據(jù)采集的多跳綜合通信實驗
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參考資料
1.

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗教程
．豆瓣讀書[引用日期2020-07-01]

無線與傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實驗

《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實驗》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)是一門實踐性很強的技術(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)。
通過本課程的學習，學生將會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)用實踐打下堅實的基礎(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