用于礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
通過擴(kuò)展板的方式加載一個(gè)專用的傳感器板,板上載有瓦斯?jié)舛?、濕度、風(fēng)速、一氧化碳和二氧化碳等多種傳感器,可在多種傳感器間進(jìn)行選擇和切換,滿足不同的監(jiān)測(cè)任務(wù)。
主控制器是Atmel公司的一個(gè)8位低功耗微控制器ATMEGA128L,相對(duì)于其他通用的8位微控制器來說,它具有更加豐富的資源和極低的能耗。它具有片內(nèi)128KB的程序存儲(chǔ)器(Flash),4KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SRAM,可外擴(kuò)到64KB)和4KB的E2PROM。此外,它還有8個(gè)10位ADC通道,2個(gè)8位和2個(gè)16位硬件定時(shí)/計(jì)數(shù)器,UART﹑SPI﹑I2C總線接口。JTAG口為開發(fā)和調(diào)試提供了方便的接口,除了正常操作模式外,它還具有6種不同等級(jí)的低能耗操作模式,適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)節(jié)能的需求。無線收發(fā)器CC1000是為低電壓無線通信的應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)計(jì)的單片UHF(Ultra-High Frequency)收發(fā)器,通過外圍接口線路相連,完成節(jié)點(diǎn)硬件部分的構(gòu)造和功能。
2.2 軟件結(jié)構(gòu)
TinyOS是面向傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng),它采用高效的基于事件的執(zhí)行方式,使用組件模型以實(shí)現(xiàn)高效率的模塊化、構(gòu)造組件型應(yīng)用軟件。上層組件對(duì)下層組件發(fā)命令,下層組件向上層組件發(fā)信號(hào)通知事件的發(fā)生,最底層的組件直接跟硬件打交道。支持多跳通信的傳感器應(yīng)用程序的組件結(jié)構(gòu)如圖4所示。針對(duì)硬件電路和應(yīng)用需要,增加了外圍硬件的驅(qū)動(dòng),主要是對(duì)傳感器的控制與數(shù)據(jù)的采樣。
3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
3.1 多徑路由機(jī)制和SPEED路由協(xié)議
在礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)中,需要定期實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳輸探測(cè)數(shù)據(jù),而傳感器節(jié)點(diǎn)由于有限的能量和工作環(huán)境惡劣存在失效問題,路由協(xié)議要保證即使部分節(jié)點(diǎn)失效,整個(gè)系統(tǒng)也能正常工作??煽康穆酚蓞f(xié)議主要從以下兩個(gè)方面考慮:(1)利用節(jié)點(diǎn)的冗余性提供多條路徑以保證通信的可靠性;(2)建立對(duì)傳輸可靠性的估計(jì)機(jī)制,從而保證每跳傳輸?shù)目煽啃浴?/P>
多路徑的路由機(jī)制是保證通信可靠性的一種有效機(jī)制。其基本思想是:首先建立從數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的主路徑,然后再建立多條備用路徑;數(shù)據(jù)通過主路徑進(jìn)行傳輸,同時(shí)利用備用路徑低速傳輸數(shù)據(jù)來維護(hù)路徑的有效性;當(dāng)主路徑失效時(shí),從備用路徑中選擇次優(yōu)路徑作為新的主路徑。
為達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求,可采用SPEED[3]路由協(xié)議,該協(xié)議可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)端到端的傳輸速率保證、網(wǎng)絡(luò)擁塞控制以及負(fù)載平衡。SPEED協(xié)議首先交換節(jié)點(diǎn)的傳輸延遲,以得到網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況;然后節(jié)點(diǎn)利用局部地理信息和傳輸速率信息做出路由選擇,同時(shí)通過鄰居反饋機(jī)制保證網(wǎng)絡(luò)傳輸速率在一個(gè)全局定義的傳輸速率閾值之上。
評(píng)論