无线传感器网络节点太阳能供电系统设计

无线传感器网络节点太阳能供电系统设计

关键词：太阳能；锂电池；充电管理芯片

时间：2012-05-18 13:59:14 来源：单片机与嵌入式系统

作者：王小强，欧阳骏，纪爱国

引言

电源是嵌入式系统的重要组成部分，特别是对于野外布置的无线传感器网络节点来说，供电线路的铺设难度较大，采用电池供电时需要定期更换电池，在一定程度上增加了系统维护的成本。太阳能供电系统不仅解决了野外长时间无人监护的网络节点的供电问题，而且还具有供电持久、环保节能和便于维护等优点，具有良好的应用前景。

太阳能供电系统设计的关键问题是通过太阳能电池板对锂电池进行充电，同时需要实时检测充电电压和充电电流，避免因过充而导致锂电池永久性损坏；此外还需要设计锂电池放电保护电路，对放电电压进行实时监测，防止过放电导致锂电池损坏。

1 太阳能供电系统简介

太阳能供电系统主要由太阳能电池板、可充电锂电池、充电控制器和放电保护电路组成。由于太阳能电池板的输出电压不稳定，传统的太阳能供电系统往往因为锂电池充放电管理不合理，导致锂电池使用寿命大大缩短。本文提出了一种基于太阳能的ZigBee无线传感器网络节点供电系统设计。该系统能够自动管理锂电池的充电过程并进行有效的能量储存，通过对电池电压的监测避免锂电池过度放电，以达到延长锂电池寿命的目的。此外由于ZigBee 无线传感器网络节点所需电压为3．3 V，而锂电池的工作电压一般在3．6～4．2 V(正常放电电压为3．7 V，充满电时的电压为4．2 V)，所以需要DC-DC转换芯片产生所需要的工作电压。

对于ZigBee无线传感器网络节点而言，首先要考虑的是低功耗。这里选用TI公司推出的完全兼容ZigBee2007协议的SoC芯片CC2530，其工作电压是3．3 V。综合考虑上述因素，提出如图1所示的太阳能供电系统总体示意图。

该系统中，太阳能电池板产生的能量通过充电管理电路被存储在锂电池中，同时对锂电池提供充电保护，防止过充；由于电池放电时其端电压会逐渐降低，因此需要放电保护电路对放电电压进行监测，当电池电压下降到一定程度时切断放电电路，避免锂电池过放电。由于电源单元本身应尽可能少地消耗电池能量，必须提高电源的转换效率，因此设计了一个具有高效率的DC-DC转换电路，为节点上的负载提供稳定的电压。

2 太阳能供电系统单元电路设计

太阳能发电系统各个单元电路的设计主要采用集成IC外加少量阻容器件的形式实现。系统设计的思路是：首先估算系统总功耗，然后选择合适的锂电池，进而根据锂电池的容量来选择所需的太阳能电池板；根据太阳能电池板和锂电池的充电电压、充电电流等参数，可以选择合适的充电管理IC来设计充电控制电路；最后根据锂电池输出电压和ZigBee无线传感器网络节点所需的工作电压来设计合适的DC-DC变换电路。

2．1 锂电池的选取

ZigBee无线传感器网络节点在数据发送期间所需的峰值电流为29 mA，在数据接收期间所需的峰值电流为24 mA。通常情况下，每个ZigB ee无线传感器网络节点会设计几个传感器。假设各种传感器所需的工作电流为30 mA，那么数据发送期间所需要的总电流为59 mA，数据接收期间所需要的总电流为54 mA，为了讨论问题方便，总电流取60 mA，那么锂电池可以选取容量为900 mAh。表面上看，900 mAh的锂电池可以供该节点连续工作时间为：900 mAh／60 mA=15小时。

但是实际系统中，ZigBee无线传感器网络节点对数据的采集一般是定时采集，例如采集温度数据，由于温度变化减慢，所以可以定时采集，在此节点每小时工作50 s，其他时间都在休眠(休眠时工作电流在μA级，所以可以忽略不计)。

那么实际情况是：系统采用容量为900 mAh的锂电池供电，节点工作电流为60 mA，每小时工作50 s，可以计算出容量为900 mAh的锂电池可供节点工作时间为：1080小时=45天，即一个半月的时间。

当然上述讨论也是一种典型情况，如果系统需要每小时使节点工作时间大于50 s，则每节锂电池可以供节点工作的时间可能会缩短，这需要看具体的系统要求，但是一般情况下，选择锂电池时只需要能保证系统在充满电后可以连续工作15～20天就可以满足系统要求。这主要是考虑到我国部分南方地区在雨季可能连续半个月的时间不出太阳，这时就需要考虑

适当选取容量大一点的锂电池。

本设计所选用的是容量为900 mAh的锂电池，市场价在15～30元左右，该电池正常放电电压为3.7 V，充满电后电压为4.2 V，一般正常丁作电压为3.6～4.2 V。

2．2 太阳能板的选取

选取太阳能电池板时主要考虑太阳能板的最大输出电压和输出电流。一般给锂电池充电的电压要大于4．2 V，太阳能板的输出电流决定了充电时间。常用的太阳能板主要有单晶和多晶电池板两种，单晶板和多晶板的区别在于最高效率的单晶电池片比最高效率的多晶电池片效率高约1％。由于单晶的有刀角而并非完整的正方角，在使用中远远低于多晶，而且市场数量明显少于多晶。同功率的单晶电池板价格要比同功率的多晶板高些。

本文采用的是输出电压为5．5 V，输出电流为140～150 mA的单晶太阳能电池板，尺寸为95 mm×95 mm；主要是考虑到野外安装时，如果太阳能电池板的体积太大不容易安装。

2．3 充电管理电路设计

充电管理电路连接着太阳能电池板和锂电池，主要功能是将收集到的能量有效地存储在锂电池中，同时提供对锂电池充电过程中的过压、过流保护，防止因过充对锂电池造成的损害。上海如韵电子有限公司的CN3063芯片可以用于太阳能电池供电的单节锂电池充电管理芯片。该芯片内部的8位模拟一数字转换电路，能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，用户不需要考虑最坏情况，可最大限度地利用输入电压源的电流输出能力，非常适用于太阳能电池等电流输出能力有限的靠电压源供电的锂电池充电的应用。

充电控制电路如图2所示。

当太阳能电池板输入电压大于低电压检测阈值和锂电池端电压时，CN3063开始对锂电池进行充电，引脚输出低电平时红色LED亮，表示充电正在进行；当充满电后，

引脚输出低电平时绿色LED亮，表示充电完毕。

最大充电电流由ISET引脚的外接电阻决定，考虑到系统扩展需要，在本设计中，外接电阻R1取值为3．6 kΩ，则充电电流为：

这里需要注意一点，虽然最大充电电流设为500 mA，但是当使用单片太阳能板时，最大输出电流为150 mA，此时CN3063芯片会自动调整最大允许充电电流为150 mA，这就是“输入限流模式”。在此模式下用户只需要关注系统最大充电电流即可，所以该芯片非常适合利用太阳能电池等电流输出能力有限的电压源对锂电池进行充电的应用。这里设计的最大充电电流为500 mA，主要是考虑到系统升级需要，比如某些场合下可以使用两块太阳能板并联，则最大充电电流可以达到300 mA，此时系统硬件不需要改动。

锂电池充电过程示意图如图3所示。

锂电池充电过程分析。当FB端检测到锂电池端电压低于3 V时，进行预充电，此时充电电流为最大充电电流的10％；当FB端检测到锂电池端电压大于3 V时，调整为恒流充电模式，同时自动检测锂电池端电压。当锂电池端电压达到4．2 V时，自动调整充电模式为恒压充电模式，此时用小电流对锂电池充电，主要是为了防止“虚充”，当充电电流减小到充电结束阈值时，充电周期结束。

从整个充电过程分析可以看到，CN3063芯片可以自动检测充电电压，进而实现自动调节充电模式，使得充电效率较高。因此，使用该芯片设计锂电池充电电路较为简单，利于推广应用。

2．4 放电保护电路和系统供电电路设计

传统的放电保护电路是使用一路ADC来不断检测电池电压，当电池电压降低到一定程度时切断放电电路。这在理论上是很容易实现的，但是在ZigBee网络节点中，系统软件设计时需要定时查询该路ADC的数值，这在一定程度上也增加了系统的功耗。在此提出了一种使用电池端电压检测芯片CN301组成的锂电池电压检测电路，无需系统软件支持，完全使用硬件电路来检测电池端电压，当达到过度放电阈值时，自动切断系统放电电路。

放电保护电路如图4所示。

该电路工作原理分析：当电池端电压下降到过度放电低电压检测阈值时，LBO引脚输出低电平，NMOS管截止，PMOS管栅极为高电平，PMOS管截止，放电回路被切断，起到了保护锂电池过度放电的作用；当太阳能板自动对锂电池充电，充电电压达到高电压检测闯值时，LBO输出高电平，NMOS管导通，PMOS管栅极为低电平，PMOS管导通，放电回路重新被打开，如果ZigBee节点软件设计时配置为上电后自动加入网络并进行数据采集，那么该节点将会自动加入到原来的网络中。

锂电池过度放电低电压检测阈值计算公式如下：

其中，Vrth为该芯片设定的阈值，大小为1．135 V；ILBI为引脚偏置电流范围为-100～100 nA，一般取0即可。因为该芯片工作电流在1．8μA，所以对于电阻R1和R2的选型需要注意，应当选择阻值大一些的电阻。笔者选用R1为2MΩ，R2为1MΩ，这样流过电阻的电流在μA级，功耗很低。

由于锂电池电压范同为3．6～4．2 V，ZigBee网络节点的工作电压为3．3 V，所以需

要根据输入／输出的电压差来选择适当的LDO芯片，同时还需要考虑LDO的静态电流和效率。笔者采用RT9183-33PG芯片实现电压转换，该芯片在输出3．3 V时，所需要的压差为110 mV，静态电流为：380μA。

3 PCB布局注意事项

在具体的PCB布局时需要注意以下问题：

①CN3063的ISET引脚外接电阻R1(充电电流编程)，应尽可能靠地近CN3063。

②CN3063的VIN、BAT引脚的外接电容要尽可能地靠近CN3063。

③为了使系统能够达到设定的最大充电电流，需要将CN3063背面裸露的金属板焊接到PCB板的地端，以达到最大的散热效果；否则，在充电过程中，CN3063芯片的热阻将增大，这将导致充电电流减小。一般采取的措施是PCB顶面放置焊盘，接到CN3063的裸露的铜面上，为了便于焊接，可以放置4个小焊盘，4个小焊盘的面积要略小于CN3063底部裸露铜片的面积，这样既有利于焊接，又有利于芯片的散热。

结语

电源的设计优劣关乎系统设计的成败，本文以ZigBee网络节点太阳能供电系统为例进行了讲解，通过充电控制电路和放电保护电路来实现对锂电池充放电的保护功能，延长锂电池的使用寿命，非常适合于野外布置的ZigBee无线传感器网络节点使用，本文的分析方法也适用于其他需要太阳能供电的系统。

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一、课题研究目的 针对目前中国的交叉路口多，车流量大，交通混乱的现象研究一种控制交通信号灯的基于无线传感器的智能交通系统。 二、课题背景 随着经济的快速发展，生活方式变得更加快捷，城市的道路也逐渐变得纵横交错，快捷方便的交通在人们生活中占有及其重要的位置，而交通安全问题则是重中之重。据世界卫生组织统计，全世界每年死于道路交通事故的人数约有120 万，另有数100 万人受伤。中国拥有全世界1. 9 %的汽车，引发的交通事故占了全球的15 % ，已经成为交通事故最多发的国家。2000 年后全国每年的交通事故死亡人数约在10 万人，受伤人数约50万，其中60 %以上是行人、乘客和骑自行车者。中国每年由于汽车安全方面所受到的损失约为5180 亿(人民币)，死亡率为9 人/ 万·车，因此，有效地解决交通安全问题成为摆在人们面前一个棘手的问题。 在中国，城市的道路纵横交错，形成很多交叉口，相交道路的各种车辆和行人都要在交叉口处汇集通过。而目前的交通情况是人车混行现象严重，非机动车的数量较大，路口混乱。由于车辆和过街行人之间、车辆和车辆之间、特别是非机动车和机动车之间的干扰，不仅会阻滞交通，而且还容易发生交通事故。根据调查数据统计，我国发生在交叉口的交通事故约占道路交通事故的1/ 3，在所有交通事故类型中居首位，对交叉口交通安全影响最大的是冲突点问题，其在很大程度上是由于信号灯配时不合理(如黄灯时间太短,驾驶员来不及反应)，以及驾驶员不遵循交通信号灯，抢绿灯末或红灯头所引发交通流运行的不够稳定。随着我国经济的快速发展，私家车也越来越多，交通控制还是延续原有的定时控制，在车辆增加的基础上，这种控制弊端也越来越多的体现出来，造成了十字交叉路口的交通拥堵和秩序混乱，严重的影响了人们的出行。智能交通中的信号灯控制显示出了越来越多的重要性。国外已经率先开展了智能交通方面的研究。 美国VII系统(vehicle infrastructure integration)，利用车辆与车辆、车辆与路边装置的信息交流实现某些功能，从而提高交通的安全和效率。其功能主要有提供天气信息、路面状况、交叉口防碰撞、电子收费等。目前发展的重点主要集中在2个应用上: ①以车辆为基础; ②以路边装置为基础。欧洲主要是CVIS 系统(cooperative vehicle infrastructure system)。它有60 多个合作者，由布鲁塞尔的ERTICO 组织统筹，从2006 年2 月开始到2010年6月，工作期为4年。其目标是开发出集硬件和软件于一体的综合交流平台，这个平台能运用到车辆和路边装置提高交通管理效率，其中车辆不仅仅局限于私人小汽车，还包括公共交通和商业运输。日本主要的系统是UTMS 21 ( universal traffic management system for the 21st century , UTMS 21)。是以ITS 为基础的综合系统概念,由NPA (National Police Agency) 等5个相关部门和机构共同开发的，是继20 世纪90 年代初UTMS 系统以来的第2代交通管理系统，DSSS是UTMS21中保障安全的核心项目，用于提高车辆与过街行人的安全。因此，从国外的交通控制的发展趋势可以看出，现代的交通控制向着智能化的方向发展，大多采用计算机技术、自动化控制技术和无线传感器网络系统，使车辆行驶和道路导航实现智能化，从而缓解道路交通拥堵，减少交通事故，改善道路交通环境，节约交通能源，减轻驾驶疲劳等功能，最终实现安全、舒适、快速、经济的交通环境。

无线传感器网络期末复习题

《无线传感器网络原理与应用》复习题 一、填空题： 1.无线传感器网络的三个基本要素是：、和。 2.无线传感器网络实现了、? 和的三种功能。 3.无线传感器网络包括四类基本实体对象：目标、观测节点、和 。 4.根据无线传感器网络系统架构，无线传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、和。 5.无线传感器节点通常包含四个模块，他们是：数据采集模块、、无线通信模块和。 6.无线传感器网络的协议栈包括物理层、、、传输层 和，还包括能量管理、移动管理和任务管理等平台。 7.无线传感器网络的MAC层和物理层协议采用的是国际电气电子工程师协会(IEEE)制定的协议。 8.无线通信物理层的主要技术包括、、调制技术 和。 9.在无线通信系统中，有三种影响信号传播的基本机制：、绕射和。 10.无线传感器节点处于、接收状态、侦听状态和时单位时间内消耗的能量是依次减少的。 11.无线传感器网络MAC协议根据信道的分配方式可分为、 和混合式三种。 12.根据无线传感器网络不同的应用可以将其路由协议分为五类，你知道的有：、、。（任意给出3种）。 13. IEEE 标准将无线传感器网络的数据链路层分为两个子层，即和。 14. Zigbee的最低两层即物理层和MAC层使用标准，而网络层和应用层由Zigbee联盟制定。 15. Zigbee协议中定义了三种设备，它们是：、和Zigbee终端设备。

16.Zigbee支持三种拓扑结构的网络，它们是：、和。 17.无线传感器网络的时间同步方法有很多，按照网络应用的深度可 以划分三种：、和。 18.无线传感器网络的时间同步方法有很多，按照时间同步的参考时 间可以划分为和。 19.无线传感器网络的时间同步方法有很多，根据需要时间同步的不 同应用需求以及同步对象的范围不同可以划分为和。20.无线传感器网络定位技术大致可以划分为三类：、和 。 21.无线传感器网络典型的非测距定位算法有、APIT算法、 以及等。 22.无线传感器网络的数据融合策略可以分为、以 及。 23.无线传感器网络的故障可以划分为三个层次：、和 。 24. 根据网络提供服务的能力可以将QoS分为3种等级，分别是：、 和。 25. 传感器网络的支撑技术包括：、、及安全机制等。 26. 无线传感器节点的能耗主要集中在模块。 二、名词解释： 1.无线自组织网络 2.无线传感器网络(WSN) 3.基带信号 4.模拟调制 5.数字调制 6.物理信道 7.逻辑信道 8.路由选择 9.路由协议

无线传感器网络的组成与发展前景

无线传感器网络的组成与发展前景 【摘要】本文从无线传感器网络的定义出发，简单阐述无线传感器网络的组成和介绍无线网络的发展历史，用几个实例展示无线传感器网络的具体应用，最后展望了无线传感器网络的发展前景。 【关键词】无线传感器网络应用未来展望 随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。 一、无线传感器网络通的组成与特点 一个无线传感器网络通常包括三要素，即传感器、感知对象和观察者。传感器由电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件等几个部分组成，这些部分相互协调，共同完成对外界信息的感知功能；感知对象是无线传感器网络的监测目标；观察者是无线传感器网络的用户，是传感信息的接收者和应用者。

传感器网络系统的节点具有自动组网的功能，节点间能够相互通信协调工作。多跳路由。节点受通信距离、功率控制或节能的限制，当节点无法与网关直接通信时，需要由其他节点转发完成数据的传输，因此网络数据传输路由是多跳的。动态网络拓扑。在某些特殊的应用中，无线传感器网络是移动的，传感器节点可能会因能量消耗完或其他故障而终止工作，这些因素都会使网络拓扑发生变化。节点资源有限。节点微型化要求和有限的能量导致了节点硬件资源的有限性。 二、无线传感器网络的发展前景 无线传感器网络虽未形成大规模的市场应用，但拥有十分广阔的前景，在军事、国防、环境监测、医疗卫生、建筑物监测等等许多领域都有重要的研究价值和巨大的实用价值，被誉为对十一世纪产生巨大影响力的技术之一。 （一）军事应用 同很多高科技技术一样，，无线传感器网络的产生也是源于网络在军事应上的需求，无线传感器网络本身的概念更贴近其在军事上的应用。无线传感器网络在战场上的应用主要是信息搜集、跟踪敌人、战场监测、目标分类。 无线传感器网络由低成本、低功耗的密集型节点构成，拥有自组织性和相当的容错能力，即使部分节点遭到恶意破坏，也不会导致整个系统的崩溃，正是这一点保证了无线传

无线传感器网络的应用研究

1武警部队监控平台架构介绍与设计 1.1监控系统的系统结构 基站监控系统的结构组成如上图所示，主要由三个大的部分构成，分别是监控中心、监控站点、监控单元。整个系统从资金、功能以及方便维护性出发，我们采用了干点加节点方式的监控方法。 监控中心（SC）：SC的定义是指整个系统的中心枢纽点，控制整个分监控站，主要的功能是起管理作用和数据处理作用。一般只在市级包括（地、州）设置相应的监控中心，位置一般在武警部队的交换中心机房内或者指挥中心大楼内。 区域监控中心（SS）：又称分点监控站，主要是分散在各个更低等级的区县，主要功能是监控自己所负责辖区的所有基站。对于固话网络，区域监控中心的管辖范围为一个县/区；移动通信网络由于其组网不同于固话本地网，则相对弱化了这一级。区域监控中心SS的机房内的设备配置与SC的差不多，但是不同的是功能不同以及SS的等级低于SC,SS的功能主要是维护设备和监控。 监控单元（SU）：是整个监控系统中等级最低的单元了，它的功能就是监控并且起供电，传输等等作用，主要由SM和其他供电设备由若干监控模块、辅助设备构成。SU侧集成有无线传感网络微设备，比如定位设备或者光感，温感设备等等。 监控模块（SM）：SM是监控单元的组成部分之一，主要作用监控信息的采集功能以及传输，提供相应的通信接口，完成相关信息的上传于接收。

2监控系统的分级管理结构及监控中心功能 基站监控系统的组网分级如果从管理上来看，主要采用两级结构：CSC集中监控中心和现场监控单元。CSC主要设置在运营商的枢纽大楼，主要功能为数据处理，管理远程监控单元，对告警信息进行分类统计，可实现告警查询和存储的功能。一般管理员可以在CSC实现中心调度的功能，并将告警信息进行分发。而FSU一般针对具体的某一个基站，具体作用于如何采集数据参数并进行传输。CSC集中监控中心的需要对FSU采集的数据参数进行报表统计和分析，自动生产图表并为我们的客户提供直观，方便的可视化操作，为维护工作提供依据，维护管理者可以根据大量的分析数据和报表进行快速反应，以最快的速度发现网络的故障点和优先处理点，将人力资源使用在刀刃上。监控中心CSC系统的功能中，还有维护管理类，具体描述如下： 1）实时报警功能 该系统的报警功能是指发现机房里的各种故障后，通过声音，短信，主界面显示的方式及时的上报给操作者。当机房内的动力环境，空调，烟感，人体红外等等发生变量后，这些数据通过基站监控终端上传到BTS再到BSC。最后由数据库进行分类整理后存储到SQLSEVRER2000中。下面介绍主要的几种报警方式： 2)声音报警 基站发生告警后，系统采集后，会用声卡对不一样的告警类别发出对应的语音提示。比如：声音的设置有几种，主要是以鸣叫的长短来区分的。为便于引起现场维护人员的重视紧急告警可设置为长鸣，不重要的告警故障设置为短鸣。这样一来可以用声音区分故障的等级，比方某地市的中心交换机房内相关告警声音设置，它的开关电源柜当平均电流达到40AH的时候，提示声音设置为长鸣，并立即发生短信告警工单。如果在夜晚机房无人值守的情况下：

基于无线传感网络的大型结构健康监测系统_尚盈

文章编号:1004-9037(2009)02-0254-05 基于无线传感网络的大型结构健康监测系统 尚　盈　袁慎芳　吴　键　丁建伟　李耀曾 (南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室,南京,210016) 摘要:针对大型碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,实现了基于无线传感网络的多点应变结构健康监测系统,采用自组织竞争神经网络成功判别了集中载荷模拟的损伤位置。本系统由传感采集子系统、无线传感网络子系统和终端监控子系统三部分组成。为了降低系统网络功耗及成本,提高系统的稳定性和可靠性,改善传感网络的实时性和同步性,设计了可直接配接无线传感网络节点的低功耗多通道应变传感器信号调理电路和基于无线传感网络的层次路由协议,开发了多通道应变数据采集、网络簇头转发和中继节点接收等主要软件模块。实验证明,相比于传统有线的监测方法和数据采集系统,基于无线传感网络的结构健康监测系统具有负重轻、成本低、易维护和搭建移动方便等优点。 关键词:无线传感网络;结构健康监测;层次路由协议;自组织竞争网络中图分类号:T P2;T P9 文献标识码:A 　基金项目:国家“八六三”高技术研究发展计划(2007AA 032117)资助项目;国家自然科学基金(60772072,50420120133)资助项目;航空基金(20060952)资助项目。　收稿日期:2007-09-05;修订日期:2008-04-17 Large -Scale Structural Health Monitoring System Based on Wireless Sensor Networks S hang Ying ,Yuan Shenf ang ,Wu J ian ,Ding J ianw ei ,L i Yaoz eng (T he A ero nautic Key La bo rat or y o f Smart M ater ial and Str uct ur e,N anjing U niv ersit y o f Aer onautics and A str onautics,N anjing,210016,China) Abstract :Aimed at the large-scale structure and anisotropy nature o f the carbon fiber compos-ite material w ing box ,a large-scale structural health m onitoring system based on w ireless sen-sor netw orks is presented .A kind of artificial neural netw ork is designed to distinguish the damag e locatio n simulated by the co ncentrated load .The sy stem co nsists o f the sensor data ac-quisition,the w ireless sensor netw or ks,and the terminal monitoring sub-sy stem s.To im pro ve the performance o f the system ,the signal conditio ning circuit and the hierarchical routing pro -to col are designed based o n w ireless sensor netw orks ,the prog rams of data acquisition and Sink node are ex ploited.Experimental result pro ves that the system has advantag es of flexibili-ty o f deplo yment,low maintenance and deploym ent costs . Key words :w ir eless senso r netw or ks ;str uctural health monitoring ;hierarchical routing ;self -org anizing com petitive netw o rk 引 言 结构健康监测技术是采用智能材料结构的新概念,利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络,在线实时地获取与结构健康状况相关的信息(如应力、应变、温度、振动模态、波传播特性等),结 合先进的信号信息处理方法和材料结构力学建模 方法,提取特征参数,识别结构的状态,包括损伤,并对结构的不安全因素在其早期就加以控制,以消除安全隐患或控制安全隐患的进一步发展,从而实现结构健康自诊断、自修复、保证结构的安全和降低维修费用[1]。 无线传感网络节点具有局部信号处理的功能, 第24卷第2期2009年3月数据采集与处理Jour nal of D ata A cquisition &P ro cessing Vo l.24N o.2M a r.2009

无线传感器复习题

第一章 1.无线传感器节点一般包括那三种组件 无线模块、传感模块、可编程模块 2.ZigBEE 标准定义了哪几种传输方式？ 周期数据传输、间歇性数据传输、重复低时延传输 3.无线传感器网络概念 无线传感器网络(Wireless Sensor Network ，WSN)是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定围目标检测与跟踪，具有快速展开，抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。 4.传感器网络的三个基本要素：传感器，感知对象，观察者 5.三种主要的标准化：ZigBEE 标准、WirelessHART 标准、6LowPAN 标准 第二章 无线传感器网络主要在以下6个应用领域得到了迅速发展 1.军事应用 2.环境应用 3.医疗应用 4.家庭应用 5.工业应用 6.智慧城市 第三章 1.简述影响传感网设计的因素有哪些？ A. 硬件限制、 B.容错（可靠性）、 C. 可扩展性、 D. 生产成本、 E. 传感网拓扑、 F. 操作环境（应用）、 G. 传输媒介、 H. 能量消耗（生命周期） 2.无线传感设备有哪几个基本部件组成的？每个部件的主要作用是什么？ 传感单元：感应单元具有从外界收集信息的能力。根据观察到的现象，传感器产生模拟信号，然后被ADC 转换成数字信号，送入处理单元。 处理单元：控制传感器节点执行感知操作、运行相应的算法并控制与其他节点无线通信的整个过程。 收发机单元：实现两个传感器节点间的通信。 能量单元：为传感器节点的每个部件供电。 定位系统：提供传感器节点的物理位置。 移动装置：与传感单元协作，完成操作，并由处理单元控制传感器节点的移动。 供能装置：热能、动能和振动能量的能源采集技术来产生能量。 3.无线传感器网络预部署策略应满足那些需要？ （1）、减少安装成本 （2）、消除任何预组织与预计划的成本 （3）、增加组织的灵活性 （4）、提升自组织与容错性能 4.对于一个收发机而言，数据通信功耗简单模型有哪几部分构成？ 发射机输出的功率、收发机电子器件消耗的能量 5.请写出发射机和接收机简化能量模型的功耗计算公式。 n amp elec tx tx d k e k E d k ??+?=-),(E k E k E elec rx rx ?=-)( 6.若使网络的容错率达到99%，广播半径需要部署多少传感器节点？

无线传感器研究背景目的意义及现状与发展趋势讲课讲稿

无线传感器研究背景目的意义及现状与发展趋势 1 研究背景 随着无线技术的快速发展和日趋成熟，无线通信也发展到一定的阶段，其发展的技术越来越成熟，方向也越来越多，越来越重要，大量的应用方案开始采用无线技术进行数据采集和通信。 微机电系统和低功耗高集成数字设备的发展，使得低成本、低功耗、小体积的传感器节点得以实现。这样的节点配合各类型的传感器，可组成无线传感器网络（WSN）。无线传感网络是一种开创了新的应用领域的新兴概念和技术。广泛应用于战场监视、大规模环境监测和大区域内的目标追踪等领域。传感技术、传感网络已经被认定为最重要的研究之一。因为无线传感器网络节点一般采用电池供电，工作环境通常比较恶劣，而且数量大、更换非常困难，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一，因此，它迫切需要对传统的嵌入式应用开发进行更新和改进，需要精心设计的软硬件系统，以使其可靠而耐用。 2003年,美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时,WSN被列为第一;美国《今日防务》杂志更认为WSN的应用和发展将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。可以预测,WSN是信息感知和采集的一场革命,是21世纪最重要的技术之一[2]。低功耗无线传感模块，便是组成无线传感网络的节点。此方面的研究由来已久，是计算机应用的扩展，采用了大规模集成电路和嵌入式技术，使用智能微处理器对采集到的信息进行处理和加工。现已广泛应用于社会建设的各个层面和人们的日常生活当中。但过去的研究有的只考虑低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。 因此，在无线传感技术应用如此广泛的今天，在保证无线传感模块性能的同时又能实现其低功耗具有一定的理论和现实意义。 2 研究目的及意义 2.1 研究目的 当前对于无线传感技术的研究仍然处在一个高速发展的阶段，低功耗就是其发展方向之一，而低功耗与高性能的结合实现还不完全。因此，为了更好的实现无线传感模块的功能，增加模块的可靠性和使用寿命，通过对无线传感节点的硬件功耗的分析，确定无线传感模块各单元的基本功率消耗，并进行相应比较，确定需重点降耗的单元，在此基础上结合当前对低功耗无线传感模块的研究，通过对比分析选择合适的芯片完成对低功耗无线传输模块的自主设计和制作。并辅助软件开发人员完成各子模块的驱动编写，实现低功耗无线传感模块的整体通信功能。

无线传感器网络技术的应用

无线传感器网络技术的应用 摘要：无线传感器网络(WSN)是新兴的下一代传感器网络，在国防安全和国民经济各方面均有着广阔的应用前景。本文介绍了无线传感器网络的组成和特点，讨论了无线传感器网络在军事、瓦斯监测系统、智能家具，环境监测，农业。交通等方面的现有应用，最后提出无线传感器网络技术需要解决的问题。 关键词：无线传感器网络，军事、瓦斯监测系统、智能家具，环境监测，农业。交通。 1．无线传感器网络研究背景以及发展现状 随着半导体技术、通信技术、计算机技术的快速发展，90年代末，美国首先出现无线传感器网络（WSN）。1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年，同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。WSN是由布置在监测区域内传感器节点以无线通信方式形成一个多跳的无线自组网（Ad hoc），其目的是协作的感知，采集

和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者是WSN的三要素。将Ad hoc技术与传感器技术相结合，人们可以通过WSN感知客观世界，扩展现有网络功能和人类认识世界的能力。WSN技术现已经被广泛应用。图为WSN基本结构。 WSN经历了从智能传感器，无线智能传感器到无线传感器三个发展阶段，智能传感器将计算能力嵌入传感器中，使传感器节点具有数据采集和信息处理能力。而无线智能传感器又增加了无线通信能力，WSN将交换网络技术引入到智能传感器中使其具备交换信息和协调控制功能。 无线传感网络结构由传感器节点，汇聚节点，现场数据收集处理决策部分及分散用户接收装置组成，节点间能够通过自组织方式构成网络。传感器节点获得的数据沿着相邻节点逐跳进行传输，在传输过程中所得的数据可被多个节点处理，经多跳路由到协调节点，最后通过互联网或无线传输方式到达管理节点，用户可以对传感器网络进行决策管理、发出命令以及获得信息。无线传感器网络在农业中的运用是推进农业生产走向智能化、自动化的最可行的方法之一。近年来国际上十分关注WSN在军事，环境，农业生产等领域的发展，美国和欧洲相继启动了WSN研究计划，我国于1999年正式启动研究。国家自然科学基金委员会在2005年将网络传感器中基础理论在一篇我国20年预见技术调查报告中，信息领域157项技术课题中7项与传感器网络有直接关系，2006年初发布的《国家长期科学与技术发展