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無線與傳感器網絡實驗：無線傳感器網絡實驗平臺的實現

摘  要： 詳細闡述了基于無線傳感器硬件搭建無線傳感器網絡實驗平臺并利用TinyOS進行傳感器硬件通信驗證的實現方案。
關鍵詞： 無線傳感器網絡  實驗平臺  傳感器節點
　　集成了傳感器、微機電系統和網絡三大技術而形成的無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取和處理技術，具有十分廣闊的應用前景。
　　無線傳感器網絡是一種特殊的無線自組網，它由成千上萬甚至數以百計的“沙粒”（motes）構成。“沙粒”即無線傳感器網絡節點，大小相當于給它提供能量的2節AA電池。它還包含一個微型處理器，很少的內存以及用于感應光、溫度、壓力、熱量等的傳感器，此外還有一個微型無線電收發機，用來接收和發送無線電信號。無線傳感器網絡被部署在應用現場后能夠實時感知和采集各種監測對象的信息，并對其進行處理，最后傳送到用戶。它在國防軍事、反恐抗災、環境監測、交通管理、工程安全、醫療衛生等領域都將得到廣泛的應用，必將引發信息感知和采集的革命[1]。
　　典型的無線傳感器網絡結構如圖1所示。此網絡由傳感器節點、基站（base Station）、Internet或通信衛星、任務管理節點(Task Manager Node)等部分構成。傳感器節點通過飛行器撒播、人工埋置和火箭彈射等方式散布在指定的感知區域內，每個節點都可以收集數據，并通過“多跳”路由方式把數據傳送到基站。基站也可用同樣的方式將信息發送給各節點。基站直接與Internet或通信衛星相連，通過Internet或通信衛星實現任務管理節點(即觀察者)與傳感器之間的通信[2]。

　　無線傳感器網絡的廣闊應用前景引起了學術界和工業界的高度重視。由于各方面條件的限制，目前針對無線傳感器網絡的研究大多基于模擬環境（如NS-2），然而在實際網絡系統的研究中會遇到在模擬環境下無法預料的問題。因此，無線傳感器網絡實驗平臺的實現在整個傳感器網絡研究中占據非常重要的作用。為此本文主要介紹了如何搭建無線傳感器網絡實驗平臺，包括利用TinyOS在傳感器硬件上進行測試，保證傳感器節點間無線通信正常，這些都是實現傳感器應用實例的前提工作。本文將重點介紹如何利用Crossbow公司的無線傳感器產品來實現無線傳感器網絡實驗平臺和基于此實驗平臺的節點驗證；Crossbow公司的5040系列硬件產品；TinyOS系統和傳感器硬件驗證；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硬件，其中大部分產品是即插即用的。硬件產品上的所有部件都支持TinyOS操作系統(此系統是美國加州大學伯克利分校專為嵌入式系統開發的微型操作系統)。
　　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 原型和數據采集板以及1個MIB510編程接口板。
　　MOTE-KIT5040系列的主要部件是MICA2。它是早期產品MICA的改進，采用的TinyOS操作系統是一個小型、開源、節能的軟件操作系統，支持大規模、自配置的無線傳感器網絡，其源代碼和軟件開發工具可以在網上下載。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。可以利用編程接口板對其進行開發。MICA2具有許多優良的特性：
　　①是第三代小型智能無線傳感器節點。
　　②內嵌TinyOS操作系統，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，并且每個節點都具有路由器的功能。
　　⑤433MHz或868/916MHz的多信道收發天線。
　　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據采集板。
　　⑨與下一代產品MICA2DOT完全兼容。
　　MICA2DOT與MICA2相比的主要優點在于其體積約是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絡取得的數據匯集到計算機上。
2  基于TinyOS實驗平臺的實現
　　TinyOS操作系統是一個小型、開源、節能的軟件操作系統。該操作系統支持大規模、自配置的無線傳感器網絡，安裝比較簡單，與普通應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）。
　　調試嵌入式系統應用程序的難點是：難以區分錯誤源在應用程序還是在嵌入式系統平臺。但由于TinyOS安裝包包括了2個用于對系統和傳感器硬件進行驗證的工具，因此可以利用這2個工具在調試應用程序前確認傳感器節點本身是否有問題。
　　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）、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應用程序，進入/tools/scripts目錄，鍵入toscheck。運行后，最后1行輸出應為“toscheck completed  without error”。若發現顯示錯誤，則必須先解決該錯誤再繼續下面的步驟。
　　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程序專門用來驗證MICA/MICA2/MICA2DOT節點硬件。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節點為例(對MICA2-DOT節點只需修改相應參數即可)。對傳感器節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，將傳感器節點插到接口板前要保證節點上的電池已取出；若利用傳感器節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，且節點上開關狀態為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，但這并不意味著節點無線通信失敗，可能因為MICA2節點距離基站太遠，可以通過縮短MICA2節點與基站間距離來改善RSSI值。在本實驗中，RSSI實際測得的數據分別為-64.50和-61.88，說明連通性較好。Serial ID NUMBER顯示本地傳感器節點的硬件序列號。當各項狀態都正常時，最上面的PASS綠燈亮。傳感器硬件測試完成后，就可以根據需求自己編寫程序，通過編程接口板加載到傳感器上，實現無線傳感器網絡的各種功能。
3  結論及下一步工作
　　本文介紹了如何搭建無線傳感器網絡實驗平臺以及在此平臺上的系統驗證。內容涉及無線傳感器網絡的結構和發展前景、傳感器節點的硬件測試、傳感器節點間無線通信等。在此實驗平臺上，可以編寫應用程序（Nesc和Java程序）完成傳感器網絡的各種功能。
　　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絡協議，需要解決如下問題：(1)無線傳感器網絡中的定位和同步問題。(2)研究網絡層協議中的路由算法。(3)研究傳感器網絡的管理問題。
參考文獻
1   李建中，李金寶，石勝飛.傳感器網絡及其數據管理的概念、問題與進展.軟件學報，2003；14(10)
2   任豐原，黃海寧，林闖.無線傳感器網絡.軟件學報，2003；14 (7)
3   http：// Mote Fuse Help Guide version .Crossbow Technology Inc，2003

無線與傳感器網絡實驗：無線傳感器網絡實驗感想

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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絡綜合實驗。在實驗中，我們小組成員學習了無線傳輸的基本原理，合作完成實驗系統的安裝、調試與數據分析，在這一過程中我受益良多。無線傳感器網絡系統是基于ZigBee技術。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。現在無線傳感網絡技術廣泛用于很多方面，如農業物聯網、工業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得到了空前的發展，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，但是沒有創新性和自主研發性，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的學習，努力提高專業素養。當然實驗中還有注重團隊的協作，我們分工明確，合作愉快，因此更快、更好地完成了實驗。現在的項目工程，憑一己之力幾乎不可能完成，所以企業也十分注重員工的團隊意識，我們想要進入好的企業，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的飛躍。經過這次的實驗，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。

無線與傳感器網絡實驗：無線傳感器網絡實驗教程

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本書介紹無線傳感器網絡研究和應用的實戰攻略。全書以中科院計算所寧波分所推出的GAINS和GAINZ套件為基礎，綜合了與嵌入式芯片、基礎通信、自組織網絡及ZigBee等相關的30多個實驗，由淺入深地介紹了其環境建立、軟件開發、程序調試等基本方法，為讀者進行深層次的理論研究及應用開發打下堅實的實踐基礎
[1]
。
書    名
無線傳感器網絡實驗教程
作    者
徐勇軍 等編著
類    別
計算機/網絡
出版社
北京理工大學出版社
出版時間
2007年8月1日
頁    數
255 頁
定    價
28 元
裝    幀
平裝
ISBN
目錄
1
內容簡介
2
圖書目錄
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本書介紹無線傳感器網絡研究和應用的實戰攻略。全書以中科院計算所寧波分所推出的GAINS和GAINZ套件為基礎，綜合了與嵌入式芯片、基礎通信、自組織網絡及ZIGBEE等相關的30多個實驗，由淺入深地介紹了其環境建立、軟件開發、程序調試等基本方法，為讀者進行深層次的理論研究及應用開發打下堅實的實踐基礎。
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第1章 基礎知識介紹
[1]
1.1 無線傳感器網絡簡介1.2 無線移動自組網簡介1.3 IEEE 802.15.4和ZigBee簡介第2章 實驗環境介紹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 開發編譯環境第3章 處理器基礎實驗3.1 集成開發環境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 微操作系統實驗3.12 Boot Loader實驗第4章 基礎通信實驗4.1 CC1000寄存器配置實驗4.2 無線信道監聽實驗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 自組織網絡實驗5.1 GAINS433MAC庫介紹5.2 基于GAINS433MAC庫的星型網絡的通信實驗5.3 指定路由多跳網絡的實驗5.4 基于簡單的泛洪協議的多跳路由網絡的實驗5.5 基于GAINS433MAC庫的高級協議開發5.6 時間同步協議實驗第6章 基礎ZigBee實驗6.1 CC2420啟動和SPI初始化6.2 CC2420內部寄存器初始化6.3 組包發送實驗6.4 接收和地址譯碼實驗6.5 應答ACK幀實驗6.6 網絡Sniffer節點實驗6.7 光傳感數據采集的點到點綜合通信6.8 溫度傳感數據采集的點到點綜合通信6.9 高精度溫度傳感數據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 光傳感數據采集的多跳綜合通信實驗
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參考資料
1.

無線傳感器網絡實驗教程
．豆瓣讀書[引用日期2020-07-01]

無線與傳感器網絡實驗：無線傳感器網絡技術實驗

《無線傳感器網絡技術實驗》課程介紹
《無線傳感器網絡》是物聯網專業的專業必修課，它是根據國家培養物聯網工程人才的需要而設置的。無線傳感器網絡是物聯網的核心技術之一。無線傳感器網絡是一門實踐性很強的技術，熟練使用無線傳感器網絡硬件平臺、開發環境是開展科研與應用開發的基礎。
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絡的開發技術，包括傳感器網絡節點的處理器基本操作、射頻芯片的數據收發、傳感器數據的獲取、通信網絡的建立和組織等，為以后更深層次的理論研究和應用實踐打下堅實的基礎。
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