无线传感器网络及其应用

　　传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图 1所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集与转换，将被监测对象的相关信息转换为相应的数据信息；处理器模块负责控制整个节点的运行，对传感器模块产生的数据进行存储和处理；无线通信模块负责与其它节点进行无线通信，收发采集到的数据；能量供应模块通常是微型电池，为传感器节点运行提供能量。

　　无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点，如图 2所示。大量传感器节点随机部署在监测区域，通过自组织的方式构成网络。传感器节点采集的数据通过其它传感器节点逐步地在 网络中传输，传输过程中数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或者卫星到达数据处理中心。也可以沿着相反的方向，通过管理节点对传感器网络进行管理，发布监测任务以及收集监测数据。
　　网络协议体系结构是无线传感器网络的 “软件”部分，包括网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件应完成功能的定义与描述。

　　由网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术组成。
　　无线传感器网络在农业灌溉中的应用
　　如图 3所示，在灌区农田中，根据农作物的种植分布情况和原有灌溉管网铺设的线路状况，将整个灌区农田划分为多个小型的被监测区域，合理部署携带了土壤温湿度传感器的无线传感器网络节点，形成灌区节点群。每个网络节点负责监测一块独立区域内的土壤温湿度状况，转换采集到的土壤温湿度数据并通过无线信道发送出去。监测区域的划分要以灌溉管网喷头的覆盖范围为基准，相邻的监测区域要有必要的重叠部分，所有的监测区域加起来要能够覆盖整个灌区，不能留下死角。

　　传感器节点担负着土壤温湿度采集、数据接收和发送的任务。同时，为了方便节点独立调试和数据的本地读取，节点具备串口通信数据接口。中继节点用于为无线数据多跳传输提供中继转发，充当路由器的角色。由于传感器节点硬件资源有限，携带能量有限的特点造成其无线收发能力不可能很强，信息单跳的距离较短。要实现较长距离的数据传输需通过多跳方式，灌区内节点与中心控制室内的计算机进行信息交流时，就需要用到这些中继节点来转发所要传输的数据信息。
　　接收节点在硬件组成上与灌区节点同构，只是在软件配置上有所不同，降低了硬件设计的复杂程度。接收节点负责汇集各灌区节点采集到的土壤温湿度数据，经分析和筛选处理后通过串口交付给中心控制器。
　　中心控制器用于总体监控灌区状态，对各灌区节点传回的监测区土壤温湿度信息进行计算、分析和存储等工作，综合处理后提取灌区实时用水需求，做出相应的灌溉决策，发出控制命令，控制管道网出水口电磁阀的开启或关闭，通过设定阀门开启时间长度控制灌溉用水量，实现精确灌溉。
　　灌区传感器节点群和接收节点构成一个典型的无线传感器网络。节点之间的无线数据传输通讯使用 ZigBee协议实现，形成一个无线个人区域网（ WPAN，Wireless Personal Area Network）。 ZigBee无线通信技术具有统一的技术标准，适宜于建立用于低速、短距离通信的无线个人区域网。系统安装完毕，开始运行时，由协调器节负责建立 ZigBee网络，支撑各传感器节点的无线数据传输。
　　各监测区域的无线传感器节点周期性测量灌区土壤的温湿度（周期可根据实际需要进行设定），将需要发送的数据按 ZigBee协议规范进行打包发送，经由中继节点最终上传至中心控制器，提供给中心控制计算机进行分析。当中心控制器处理了收集来的监测区域土壤温湿度信息后，发现某区域的周期性检测湿度低于设定值时，即开启该区域管网的电控阀门，实施喷灌；当该区域土壤湿度上升，超过一定阈值后，则关闭该区域管网的电控阀门，停止喷灌。
　　传感器节点硬件由电源、微控制器 MSP430、ZigBee无线收发芯片 CC2420、土壤温湿度传感器 SHT10和串口收发器 SP3223五个模块组成。
　　无线传感器网络在智能交通系统中的应用
　　智能交通系统 (ITS)应用在城市交通中主要体现在微观的交通信息采集、交通控制和诱导等方面，通过提高对交通信息的有效使用和管理来提高交通系统的效率，主要是由信息采集输入、策略控制、输出执行、各子系统间数据传输与通信等子系统组成。信息采集子系统通过传感器采集车辆和路面信息，策略控制子系统根据设定的目标（如通行量最大、或平均候车时间最短等 )运用计算方法（例如模糊控制、遗传算法等）计算出最佳方案，并输出控制信号给执行子系统(一般是交通信号控制器 )，以引导和控制车辆的通行，达到预设的目标。
　　如图 4所示，在无线传感器网络结构中，安装道路两旁的汇聚节点组成一个自组织的多跳网状 Mesh基础网络构架，交通信息采集专用的传感器终端节点与每个临近的汇聚节点组成星型网络进行通讯控制工程网版权所有， 最终的数据将被汇聚到网关节点上。网关节点可以作为一个模块安装在交叉路口的交通信号控制器内，通过信号控制器的专有网络，将所采集到的数据发送到交管中心做进一步处理。在无线传感器网络部署中，汇聚节点可以安装在路边立柱、横杠等交通设施上，网关节点可以集成再交叉路口的交通信号控制器内，专用传感器终端节点可以填埋在路面下或者安装在路边，道路上的运动车辆也可以安装传感器节点动态加入传感器网络。

　　在交通信息采集中，终端节点可采用非接触式地磁传感器来定时收集和感知区域内车辆的速度、车距等信息。当车辆进入传感器的监控范围后，终端节点通过磁力传感器来采集车辆的行驶速度等重要信息，并将信息传送给下一个定时醒来的节点。当下一个节点感应到该车辆时，结合车辆在两个传感器节点间的行驶时间估计，就可估算出车辆的平均速度。多个终端节点将各自采集并初步处理后的信息通过汇聚节点汇聚到网关节点，进行数据融合，获得道路车流量与车辆行使速度等信息，从而为路口交通信号控制提供精确的输入信息。通过给终端节点安装温湿度、光照度、气体检测等多种传感器，还可以进行路面状况、能见度、车辆尾气污染等检测。