无线传感器网络的监控平台研究.pdf

http:/-1-无线传感器网络的监控平台研究无线传感器网络的监控平台研究 李永战，冯立波，蔡浩，赵洋，苏进，冯贤文，高迪 北京邮电大学自动化学院，北京（100876）E-mail： 摘摘 要：要：本文介绍了无线传感器网络监控平台的体系结构，分析了国内外当前典型的硬件节点，重点讨论了目前无线传感器网络节点常用的处理器、射频芯片和传感器各自的特点，最后介绍了几种国内外比较典型的后台软件。关键词：关键词：无线传感器网络，监控平台，硬件节点，后台软件 中图分类号：中图分类号：TN98 1.引言引言 无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户1,2。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，成为进入 2000 年以来公认的新兴前沿热点研究领域，被认为是将对 21 世纪产生巨大影响力的技术之一3,4。主要应用在军事、环境、健康、家庭和其他商业领域。当然，在空间探索和灾难拯救等特殊领域，WSN 也有其得天独厚的技术优势。同许多技术一样，早期提出的无线传感器网络应用也是在军事方面5。在军事领域，美国陆军提出的“智能传感器网络通信计划”和“无人值守地面传感器群”项目，美国海军确立了“传感器组网系统”项目、“协同作战能力”研究等。许多无线传感器网络的相对位置判断功能使得网络节点可用反向天线阵（由随机分布的辐射单元组成）6的辐射单元，这种天线阵能够将传感器网络感知到的数据从敌军阵地中传送出来7,8。环境监控中应用无线传感器网络是很自然的，ALERT9系统中就有数种传感器来监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依此预测爆发山洪的可能性10。无线传感器网络在健康监测方面的应用主要有两类。一类是运动员身体机能监测，如通过可穿戴传感器测量运动员的脉搏和呼吸速率，然后将这些信息传送到通用计算机以被分析11。另一类是家庭健康监测，如个人体重管理等12，可以将病人的体重信息以无线方式传输到通用计算机中保存起来。其他例子包括监测糖尿病患者每天的血糖量，远程监控慢性病患者等13,14。家庭是无线传感器网络的一个巨大应用空间15。如基于无线传感器网络的信息家电，这种家电可以互相紧密合作并与房屋居住者透明互动16。这些网络是诺曼提出的信息家电的延伸17。探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒的传感器网络节点实现对星球表面长时间的监测，是一种经济可行的方案。NASA 的 JPL(Jet Propulsion Laboratory)实验室研制的 Sensor Webs18就是为将来的火星探测进行技术准备的，己在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完善。灾难拯救也是一个应用无线传感器网络的重要领域，目前一种无线救灾系统雪崩救灾信标已经上市19。无线传感器网络在其他商业领域也得到了应用，如在车辆监测和跟踪系统中成功地应用了传感器网络20。在学术领域，美国的多个著名高校和研究机构都在从事 WSNs 的理论和应用方面的研究，并且处于领先地位。比如，加州大学伯克利分校研制的传感器系统“智能尘埃”(Smart Dust)21，其体积只有一立方毫米，可以悬浮在空中。加州大学洛杉矶分校研制了 WINS 无线集http:/-2-成网络传感器(Wireless integrated network sensors)22。在国内，中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所、软件研究所、计算所、电子所、自动化所和合肥智能技术研究所等科研机构，哈尔滨工业大学、清华大学、北京邮电大学、西北工业大学、天津大学和国防科技大学等院校在国内较早开展了这一领域的研究，并已经取得一些初步成果23。2.无线传感器网络监控平台的体系结构无线传感器网络监控平台的体系结构 无线传感器网络应用过程中面临着一系列挑战性的问题，例如通信能力有限、电源能量有限及计算能力有限等等。由于无线传感器网络资源受限的特性，并且缺乏与用户网络的接口，在应用过程中其可视化受到很大的限制。结果，很难找到发展和使用过程中产生的问题。信息获取及处理的监控平台因此成为发展无线传感器网络应用中的一个关键问题。平台由硬件节点和后台软件组成：无线传感器网络中获取数据的普通节点，与通用计算机相连的汇聚（sink）节点和运行在通用计算机上的后台软件，如图 1 所示。普通节点通过自身的传感器，获取周围环境中用户感兴趣的数据，并组成 Ad Hoc 网络，通过多跳中继的方式，将数据传送到 sink 节点。sink 节点通过串行接口板将数据送到通用计算机。后台软件从通用计算机串口读取数据，进行可视化显示等处理。图1 无线传感器网络监控平台系统结构图 3.无线传感器网络硬件节点无线传感器网络硬件节点 3.1 无线传感器网络硬件节点的基本结构无线传感器网络硬件节点的基本结构 无线传感器网络硬件节点的基本结构是一样的，一般由处理器模块、无线通信模块、传感器模块和电源模块单元4部分组成，如图2所示。图2 硬件节点的基本结构 3.2 无线传感器网络典型硬件节点无线传感器网络典型硬件节点 由于具体的应用背景不同，目前国内外出现了多种无线传感器网络节点的硬件平台。典型的节点包括 Mica 系列24、Toles25、Sensorla WINS26、AMPS27系列、XYZ node2829、Zabranet 等。实际上各平台最主要的区别是采用了不同的处理器、无线通信协议和与应用相http:/-3-关的不同的传感器。常用的无线通信协议有 802.11b、802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB和自定义协议。处理器从 4 位的微控制器到 32 位 ARM 内核的高端处理器都有所应用。还有一类节点是用集成了无线模块的单片机，典型的是 WiseNet。典型的硬件节点如表 1 所示。表1 典型的硬件节点 节点名称 处理器（公司）无线芯片（技术）WeC AT90S8535(Atmel)TR1000(RF)Renee Atmega163(Atmel)TR1000(RF)Mica Atmega128L(Atmel)TR1000(RF)Mica2 Atmega128L(Atmel)CC1000(RF)Mica2Dot Atmega128L(Atmel)CC1000(RF)Mica3 Atmega128L(Atmel)CC1020(RF)Micaz Atmega128L(Atmel)CC2420(Zigbee)Toles MSP430F149(TI)CC2420(Zigbee)XYZnode ML67Q500 x(OKI)CC2420(Zigbee)Platform1 PIC16LF877(Microchip)Bluetooth&RF Platform2 TMS320C55xx(TI)UMB Platform3 ARM7TDMI 核Bluetooth 集成(Zeevo)Zabranet MSP430F149(TI)9Xstream(RF)处理器单元是传感器网络节点的核心，和其他单元一起完成数据的采集、处理和收发。Berkerly大学研制的Mica系列节点大多是采用Atmel公司的微控制器。其中，Mica2节点采用Atmel增强型微控制器ATmega128L。该微控制器拥有丰富的片上资源，包括4个定时器、4 KB SRAM、128 KB Flash和4 KB EEPROM，拥有UART、SPI、I2C、JTAG接口，方便无线芯片和传感器的接入。采用该处理器的另外一个优点是：编译器很多，其中GCC(WINAVR)是完全免费、开放的软件。由于以上优点和Mica2节点的影响，在实际的无线传感器设计中应用很多。常用的无线通信技术中UWB具有发射信号功率谱密度低、系统复杂度低、对信道衰落不敏感、安全性好、数据传输率高、能提供数厘米的定位精度等优点；缺点是传输距离只有10米左右，隔墙穿透力不好。802.11b因为功耗高而应用不多，Bluetooth工作在2.4 GHz频段，传输速率可达10 Mbps；缺点是传输距离只有10米左右，完整协议栈有250 KB，不适合使用低端处理器，多用于家庭个人无线局域网，在无线传感器网络中也有所应用。在无线传感器网络中应用最多的是ZigBee和普通射频芯片。ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，完整的协议栈只有32 KB，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。以上特点决定ZigBee技术非常适合应用在无线传感器网络中。目前市场上常见的支持ZigBee协议的芯片制造商有Chipcon公司和Freescale半导体公司，Figure8公司还专门开发了ZigBee协议栈。Chipcon公司的CC2420芯片应用较多，Toles节点和XYZ节点都是采用该芯片。Chipcon公司提供包含Figure8公司开发的ZigBee协议的完整开发套件。Freescale半导体公司提供ZigBee的2.4 GHz无线传输芯片有MC13191、MC13192和MC13193。该公司还提供配套的开发套件。普通的射频芯片也是一种理想的选择，可以自定义通信协议，比较有代表性的MAC协议有TMAC、SMA、CwiseMAC、BMAC和DMAC等。路由协议有Gossiping、SPIN协议、LEACH协议和TEEN协议等。http:/-4-从性能、成本、功耗方面考虑，RFM公司的TR1000和Chipcon公司的CC1000是理想的选择。传感器种类很多，可以检测温湿度、光照、噪声、振动、磁场、加速度等物理量。美国Crossbow公司基于Mica节点开发了一系列传感器板，采用的传感器有光敏电阻Clairex CL94L、温敏电阻ERTJ1VRJO3J(松下电子公司)、加速度传感器ADI ADXL202和磁传感器Honeywell HMC1002等30。4.无线传感器网络后台软件无线传感器网络后台软件 国内外已经开发出了几种无线传感器网络监控平台后台软件，如中国科学院计算所的SNAMP31，美国 Crossbow 公司的 Surge Network Viewer、TinyViz 和 MOTE VIEW32，德国 Lubeck 大学的 SpyGlass33等，下面对它们分别进行介绍。SNAMP 由三个主要部分组成：传感器网络、数据收集网络和可视化服务器。传感器网络由 GAINS4a 节点组成，数据收集网络由 GAINS3 节点组成，可视化服务器包括串口监听模块、MAC 层分析模块、网络层分析模块，传感数据分析模块，数据库管理模块以及数据处理模块等主要模块。模块化的设计，使得整个系统层次清晰，可扩展性良好。同时，SNAMP 提供了多种形式的用户接口，包括拓扑树、节点分布、实时曲线、数据查询以及节点列表等，满足用户在应用 WSNs 时的种种需求，总体结构如图 3 所示。图3 SNAMP的总体结构 Surge Network Viewer和MOTE VIEW是Crossbow公司用来可视化显示WSNs的产品。Surge Network Viewer 仅有的功能是可视化网络的拓扑结构，网络状态的记录和显示，诸如节点的出现、预测和连接状态等。MOTE VIEW 除了包括 Surge Network Viewer 的功能以外，有更清晰的用户接口和更多的功能。能够将传感器的数据记录到数据库中，并进行分析，绘制出传感器数据的曲线和节点的拓扑结构，如图 4 所示。允许以类似于数据库的形式收集数据来查询传感器网络。MOTE VIEW 利用网关从传感器网络中收集数据。http:/-5-图4 MOTEVIEW的可视化界面 TinyViz 是 TinyOS 操作系统 TOSSIM 包的一部分。它能够可视化传感器读数、LED 的状态、无线通信连接和与运行中的 TOSSIM 仿真器交互。TinyViz 的结构允许增加特定的可视化功能，包括为特定事件的绘图操作、确认、反应和为 TOSSIM 仿真器提供反馈。TinyViz与 TinyOS 操作系统、TOSSIM 仿真器和 Mica 系列无线传感器网络硬件节点共同使用。SpyGlass 是一个应用于 WSNs 的模块化和可扩展的可视化架构。SpyGlass 利用一个多层的结构来显示 WSNs 的信息，可以根据特定的需求和应用来增加新的可视化模块。SpyGlass 的图形显示界面包括三层：背景层、连接层和节点层。背景层用来绘制可视化界面的背景，连接层显示节点间所有的连接关系，节点层显示实际的节点。每一层均由相应的模块来实现。除了以上三个模块以外，还有另外两个模块：节点定位模块和全局信息模块。节点定位模块由其他模块调用来决定在界面的什么位置放置节点和绘制节点间的连接。全局信息模块以文本的方式显示部分或全局网络的信息，总体结构如图 5 所示。在 SpyGlass 中，单个节点发出数据，由一个网关来收集数据，通过 TCP/IP 传送到远程计算机上的可视化软件中。http:/-6-图5 SpyGlass的总体结构 此外具有类似功能的后台软件还有加州大学洛杉矶分校（UCLA）的 EmStar34，美国Daintree Networks 公司的 SENSOR NETWORK ANALYZER35和 Ember 公司的 Ember Studio Network Management Software36等。5 结束语结束语 本文首先介绍了无线传感器网络监控平台的体系结构，分析比较了国内外当前典型的硬件节点，重点讨论了目前无线传感器网络节点常用的处理器、射频芯片、传感器各自的特点，最后对当前应用比较广泛的几种典型的后台软件进行了总结。参考文献参考文献 1 Akyildiz I F,Su S,Sankarasubramanian Y,and Cayirci E,Wireless Sensor Networks:A SurveyJ.Computer Networks,2002,38(4):393-422.2 李建中,李金宝,石胜飞.传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展J.软件学报,2003,14(10):1717-1727.3 李春杰,刘瑞霞,王继志.基于无线传感器网络的监控平台设计J.传感技术学报,2006,19(1):13-15.4 10 Emerging Technologies that will change the world.MITs Technology Review Magazine,February 2004.5 Lacoss R,Walton R.Strawman design for a DSN to detect and track low flying aircraftC.In:Proceeding of Distributed Sensor Nets conference,Carnegie-Mellon University,Pittsburgh,PA,1978,12:41-52.6 Miyamoto R Y,Itoh T.Retrodirective arrays for wireless communicationsJ.IEEE Microwave Magazine,2002,3(1):71-19.7 Miyamoto R Y,Qian Yongxi,Itoh T.A reconfigurable active retrodirective/direct conversion receiver array for wireless sensor systemsC.IEEE MIT-S international Microwave Symp.Digest.2002,2:1119-1122.8 Miyamoto R Y at al.An adaptive multi-functionsl array for wireless sensor systemsC.IEEE MIT-S international Microwave Symp.Digest.2002,2:1369-1372.9 ALERT.http:/www.altersystem.org/.10 Bonnet P,Gehrke J,Seshadri P.Querying the physical worldC.In:proceeding of IEEE Personal Communication,2000,7(5):10-15.11 Bonnie Berkowitz,Technology Catches up to runners,Washingtong Post,2001,4:1.12 Parkka J et al.A wireless wellness monitor for personal weight managementC.In:proceeding of IEEE EMBS Intl.conference on Information Technology Applications in Biomedicine,2000:83-88.13 Lubecke O B,Lubecke V M.Wireless house calls:using communications technology for health care monitoringJ.IEEE Microwave Magazine,2002,3(3):43-48.14 Noury N,Nerve T,Rialle V,Virone q Mercier E.Monitoring behavior in home using a smart fall sensorC.In:Proceedings of the IEEE-EMBS Special Topic Conference on Microtechnologies in Medicine and Biology.Lyon:IEEE Computer Society,2000:607-610.15 Calaway E at al.Home networking with IEEE 802.15.4:a developing standard for low-rate wireless http:/-7-personal area networksJ.IEEE Communication Magazine,2002,4(8):70-77.16 Petriu E M at al.Sensor-based information applicancesJ.IEEE Instrumentation&Measurement Magazine,2000,3(4):31-35.17 Norman D A.The Invisible ComputerM.Cambridge,MA:MIT Ptess,1998.18 Sensor Webs.http:/sensorwebs.jpi.nasa.gov.19 Michahelles F,Schiele B.Better rescue through sensorsC.The first Int.Wkshp.On Ubiquitous Computing for Cognitive Aids,2002,at UbiCom 2002,Gothenburg,Sweden,2002.20 Shih E,Cho S,Ickes N,Min R,Sinha A,Wang A,Chandrakasan A.Physical layer driven protocol and algorithm design for energy-effcient wireless sensor networksC.In:Proceedings of the ACM MobiCom 2001.Rome:ACM Press,2001.272-286.21 Warneke B,Last M,Liebowitz B,Pister K S J.Smart dust:Communicating with a cubic-millimeter computerJ.IEEE Computer Magazine,2001,34(1):44-51.22 Pottie G J,Kaiser W J.Embedding the Internet:Wireless integrated network sensorsJ.Communications of the ACM,2000,43(5):51-58.23 孙利民,李建中,陈渝等.无线传感器网络M.北京:清华大学出版社,2005.24 Micaz:http:/ Telos:http:/ Wireless Integrated Network Sensors.http:/www janet.ucla.edu/WINS/.27 Amps:http:/www-mtl.mit.edu/reseachgroups/icsystems/uamps/.28 XYZ node:http:/www.eng.yale.edu/enalab/XYZ/.29 Lymberopoulos D,Savvides A.XYZ:A Motion-Enabled,Power Aware Sensor Node Platform for Distributed Sensor Network ApplicationsC,In:Proceedings of IPSN,Los Angeles,CA,2005,4.30 姜连祥,汪小燕.无线传感器网络硬件设计综述J.单片机与嵌入式系统应用,2006,11:13-16.31 Yang Y,Xia P,Huang L,et al.SNAMP:A multi-sniffer and multi-view visualization platform for wireless sensor networksC.In:Proceedings of Industrial Electronics and Applications,Singapore,2006:1523-1526.32 Martin T,Jose S.MOTE-VIEW:A sensor network monitoring and management toolC.In:Proceeding of Embedded Networked Sensors,2005:11-18.33 Buschmann C,Pfisterer D,Fischer S,et al.SpyGlass:A Wireless Sensor Network Visualizer J.ACM SIGBED Review,2005,2(1):1-6.34 Elson J,Girod L,Estrin D.Emstar:Development with High System VisibilityJ,Wireless Communications,2004,11(6):70-77.35 SENSOR NETWORK ANALYZER:http:/ Ember Studio Network Management Software:http:/ of Monitor Platform for Wireless Sensor Networks Li Yongzhan，Feng Libo，Cai Hao，Zhao Yang，Su Jin，Feng Xianwen，Gao Di School of Automation，Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing(100876)Abstract In this paper the architecture of the monitor and platform for wireless sensor networks was introduced and the typical nodes at home and abroad were analyzed currently.The features of processors,RF chips and sensors used by the nodes were mainly discussed.At last several typical background softwares at home and abroad were introduced.Keywords：wireless sensor networks，monitor platform，node，background software