适用于严酷环境下的传感器网络系统设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种适用于严酷环境下的传感器网络系统设计方法，采集野外数据的无线传感器节点均与Sink节点相连，Sink节点通过GPRS或公安350M数字集群专网与监控中心进行数据通信，无线传感器节点之间采用Zigbee通信协议，为无线传感器节点提供自组织的无线网络通信功能。采用本方法，传感器节点部署在没有网络基础结构的环境中，网络的部署和展开不借助任何预设的网络基础设施，无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有节点地位平等，各个节点协调各自的行为，自主完成网络的配置，自动形成独立的无线系统。从而整个系统非常容易动态扩展，支持多协议、多种外界信息的采集，很方便升级为更综合的系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线传感器网络
，确切地说涉及一种在严酷环境下的无线传感器网络系统设计方法。
技术介绍
通用的无线传感器网络由无线传感器节点(Sensor Node)和汇聚节点(Sink Node)构成。无线传感器节点决定了传感器网络的数据采集能力，汇聚节点决定了整个传感器网络的数据传输带宽和传感器网络和数据中心之间的位置关系。在青藏高原腹地的冻土区域开展冻土区气象、冻土变化以及工程建筑物稳定性的监测，获取的基本数据，建立数据库和系统的整理分析是必要的。但在高原地区的获取这些资料若以人工方式获取，代价高昂。以冻土温度观测为例，传统上冻土温度的检测是人工或半人工进行的，测试频率要求不均勻，如暖季检测的频率较高，寒季频率较低。而当地基土发生冻-融状态相变时测试需要增加探测频率。在青藏高原腹地的冻土区，人工的方式易受恶劣天气影响，浪费人力物力而且可靠性差，目前已经不能满足在冻土区大规模观测的需要，急需技术手段保证可靠的观测方式，以及将信息快速准确地发送到监控中心的手段。公开号为CN 101442459，公开日为2009年5月27日的中国专利文献公开了一种高度可扩展的无线传感器网络组网方案，根据无线传感器网络应用特定性特点，包括不同网络规模需求、不同节点协同信息处理需求、不同传感数据业务服务质量需求、不同应用信道环境等，以及无线传感器网络共性问题包括网络生命周期最大化需求、节点自组织成网、 较弱的网络全局时间同步要求、物理层单信道条件等，采用了自顶向下的设计方法，设计了应用层、网络层、媒体接入层、兼容多种通信机制的物理层；有利于根据本专利技术方案设计网络性能优异且实用性强的无线传感器网络，从而推动无线传感网的大规模产业化发展。但以上述技术方案为代表的现有技术，仍然不适应于青藏高原腹地冻土区域等严酷环境，网络的部署和展开需要借助预设的网络基础设施，从而使上述现有技术根本无法适用。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种适用于严酷环境下的无线传感器网络系统设计方法，采用本方法，传感器节点部署在没有网络基础结构的环境中，网络的部署和展开不借助任何预设的网络基础设施，无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有节点地位平等，各个节点协调各自的行为，自主完成网络的配置，自动形成独立的无线系统。从而整个系统非常容易动态扩展，支持多协议、多种外界信息的采集，很方便升级为更综合的系统。本专利技术是通过采用下述技术方案实现的一种，其特征在于采集野外数据的无线传感器节点均与Sink节点相连，Sink节点通过GPRS或公安350M数字集群专网与监控中心进行数据通信，无线传感器节点之间采用Zigbee通信协议，为无线传感器节点提供自组织的无线网络通信功能。所述的无线传感器节点包括传感器、低通滤波器、ADC、MC132M系统、锂电池、电源管理系统和太阳能电池，其中，传感器经低通滤波器与ADC连接，ADC与所述MC132M系统连接，锂电池为整个无线传感器节点供电，电源管理系统采用BQ2057C芯片作为充电管理芯片，电源管理系统通过MC132M系统的控制，在电压和电流足够的情况下实现在使用太阳能电池供电的同时为充电电池充电，MC13224系统包括2. 4G无线收发模块，无线收发模块与3dB的高增益天线相连。所述的Sink节点是传感器网络和监控中心进行数据交换和相应监控中心指令的核心，Sink节点通过无线传感器网络接收来自于无线传感器节点的数据和向传感器节点发送采集指令；同时也和监控中心实现双向GPRS和SMS通信的功能。 在所述Sink节点的UARTO接口上连接了一个GSM模块用于Sink节点同公网进行ififn。Sink节点通过GPRS与监控中心进行数据通信时，是在Sink节点和监控中心上各安装GPRS模块，Sink节点和监控中心在公网中就是一部手机，节点数据采用短信方式或流量方式转送。Sink节点通过公安350M数字集群专网与监控中心进行数据通信时，是在Sink节点和监控中心上分别安装电台，数据经转送电台转发。与现有技术相比，本专利技术的有益效果表现在基于“采集野外数据的无线传感器节点均与Sink节点相连，Sink节点通过GPRS或公安350M数字集群专网与监控中心进行数据通信，无线传感器节点之间采用Zigbee通信协议，为无线传感器节点提供自组织的无线网络通信功能”这样的设计方法构架的系统，传感器节点部署在没有网络基础结构的环境中，网络的部署和展开不借助任何预设的网络基础设施，无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有节点地位平等，各个节点协调各自的行为，自主完成网络的配置，自动形成独立的无线系统。从而整个系统非常容易动态扩展，支持多协议、多种外界信息的采集，很方便升级为更综合的系统。附图说明下面将结合说明书附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明，其中 图1 GPRS公网传输方案系统架构图图2专网传输方案系统架构3无线传感器节点硬件结构4 MC132M射频天线接口图5 Sink节点硬件结构。具体实施方式本专利技术公开了一种，其特征在于 采集野外数据的无线传感器节点均与Sink节点相连，Sink节点通过GPRS或公安350M数字集群专网与监控中心进行数据通信，无线传感器节点之间采用Zigbee通信协议，为无线传感器节点提供自组织的无线网络通信功能。具体的设计方案如下所示 1、系统结构特殊的应用背景决定了每个传感器节点的数据不可能通过人到测试点去获取，因此必须采用具有长距离无线传输方式的系统。如今具有长距离无线通信能力的网络有无线的公网(如GSM/GRPS，TD-SCDMA, CDMA2000等等)和无线专网(如公安专网、铁路专网，电力专网等)。现在公网使用最为广泛的是GPRS网络，其具有下列的主要特点。(1)可靠性高与SMS短信息方式相比，GPRS DTU采用面向连接的TCP协议通信，避免了数据包丢失的现象，保证数据可靠传输。中心可以与多个监测点同时进行数据传输，互不干扰。GPRS网络本身具备完善的频分复用机制，并具备极强的抗干扰性能，完全避免了传统数传电台的多机频段“碰撞”现象。(2)实时性强GPRS具有实时在线的特性，数据传输时延小，并支持多点同时传输，因此GPRS监测数据中心可以多个监测点之间快速，实时地进行双向通信，很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要求。目前GPRS实际数据传输速率在50Kbps左右，完全能满足系统数据传输速率的需求。(3)监控范围广GPRS网络已经实现全国范围内覆盖，并且扩容无限制，接入地点无限制，能满足山区、 乡镇和跨地区的接入需求。因此采用GPRS网络是其理想的选择。(4)系统建设成本低由于采用GPRS公网平台，无需建设网络，只需安装设备就即可，建设成本低；也免去了网络维护费用。(5)系统运营成本低采用GPRS公网通信，全国范围内均按统一费率计费，省去昂贵的漫游费用，GPRS网络可按数据实际通信流量计费，(1分-3分/IK字节)，也可以按包月不限流量收费，从而实现了系统的低成本通信。(6)可对各监测点仪器设备进行远程控制通过GPRS双向系统还可实现对仪器设备进行反向控制，如时间校正、状态报告、开关等控制功能，并可进行系统远程在线升级。(7)系统的传输容量，扩容性能好监测中心要和传感器节点实现本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种适用于严酷环境下的传感器网络系统设计方法，其特征在于：采集野外数据的无线传感器节点均与Ｓｉｎｋ节点相连，Ｓｉｎｋ节点通过ＧＰＲＳ或公安３５０Ｍ数字集群专网与监控中心进行数据通信，无线传感器节点之间采用Ｚｉｇｂｅｅ通信协议，为无线传感器节点提供自组织的无线网络通信功能。

【技术特征摘要】
1.一种适用于严酷环境下的传感器网络系统设计方法，其特征在于采集野外数据的无线传感器节点均与Sink 节点相连，Sink节点通过GPRS或公安350M数字集群专网与监控中心进行数据通信，无线传感器节点之间采用Zigbee通信协议，为无线传感器节点提供自组织的无线网络通信功能。2.根据权利要求1所述的适用于严酷环境下的传感器网络系统设计方法，其特征在于所述的无线传感器节点包括传感器、低通滤波器、ADC、MC13224系统、锂电池、电源管理系统和太阳能电池，其中，传感器经低通滤波器与ADC连接，ADC与所述MC132M系统连接， 锂电池为整个无线传感器节点供电，电源管理系统采用BQ2057C芯片作为充电管理芯片， 电源管理系统通过MC132M系统的控制，在电压和电流足够的情况下实现在使用太阳能电池供电的同时为充电电池充电，MC132M系统包括2. 4G无线收发模块，无线收发模块与3dB 的高增益天线相连。3.根据权利要求1或2所述的适用于严酷环境下的传感器网...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐勇，向渝，张俊，汪文勇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：90