無線測試系統綜合實驗實驗報告學號姓名學院機械工程學院實驗日期2010/10/28一、 實驗目的圖1：無線傳感器網絡無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network）（見圖1），當前在國際上備受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。這種傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術,能夠協作地實時監測、感知、采集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息,并對這些信息進行處理,獲得詳盡、準確的信息,傳送到需要這些信息的用戶。它由部署在檢測區域內大量的傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統。其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知的對象信息，并發送給觀察者。它分為如下三種網絡形式：星形網絡，網狀網絡節點有三種拓撲結構，如圖2中所示。星狀網拓撲結構中所有節點都與基站和網關進行雙向通信（圖 2中A 圖）。基站可以是一臺PC、PDA、專用控制設備、嵌入式網絡服務器，或其它與高數據率設備通信的網關，網絡中各節點基本相同。除了向各節點傳輸數據和命令外，基站還與互聯網等更高層系統之間傳輸數據。各節點將基站作為一個中間網絡點，相互之間并不傳輸數據或命令。網狀拓撲結構所有節點都相同，而且直接互相通信，與基站進行數據傳輸和命令傳輸（圖2中B 圖），網狀網的每個節點都有多條路徑到達網關或其它節點，因此它的容錯能力較強。混合網力求兼具星狀網的簡潔和低功耗以及網狀網的長傳輸距離和自愈性等優點（圖2中C 圖）。在混合網中，路由節點和中繼節點組成網狀結構，圖2：無線傳感器網絡結構無線傳感網絡技術是典型的具有交叉學科性質的軍民兩用戰略高技術，可以廣泛應用于GF軍事、國家安全、環境科學、交通管理、災害預測、醫療衛生、制造業、城市信息化建設等領域。國際上比較有代表性和影響力的無線傳感網絡實用和研發項目有遙控戰場傳感器系統（Remote Battlefield Sensor System，簡稱REMBASS -倫巴斯）、網絡中心戰（NCW）及靈巧傳感器網絡（SSW）、智能塵（smart dust）、Intel?Mote、Smart-Its項目、SensIT、SeaWeb、行為習性監控（Habitat Monitoring）項目、英國國家網格等。民用方面，美日等發達國家在對該技術不斷研發的基礎上在多領域進行了應用。我國現代意義的無線傳感網及其應用研究幾乎與發達國家同步啟動，1999年首次正式出現于中國科學院知識創新工程試點領域方向研究的信息與自動化領域研究報告中，作為該領域提出的五個重大項目之一。隨著知識創新工程試點工作的深入，2001年中科院依托上海微系統所成立微系統研究與發展中心，引領院內的相關工作，并通過該中心在無線傳感網的方向上陸續部署了若干重大研究項目和方向性項目，參加單位包括上海微系統所、聲學所、微電子所、半導體所、電子所、軟件所、中科大等十余個校所，初步建立傳感網絡系統研究平臺，在無線智能傳感網絡通信技術、微型傳感器、傳感器節點、簇點和應用系統等方面取得很大的進展，2004年9月相關成果在北京進行了大規模外場演示，部分成果已在實際工程系統中使用國內的許多高校也掀起了無線傳感器網絡的研究熱潮。清華大學、中國科技大學、浙江大學、華中科技大學、天津大學、南開大學、北京郵電大學、東北大學、西北工業大學、西南交通大學、沈陽理工大學和上海交通大學等單位紛紛開展了有關無線傳感器網絡方面的基礎研究工作。一些企業如中興通訊公司等單位也加入無線傳感器網絡研究的行列。二、實驗原理無線傳感器特點：1、傳輸距離。由于采用專用高頻電路板材，合理的阻抗匹配，在相同的電池供電及功率消耗下， 節點的通信距離編程可調0100m，有效距離達50M 以上，適合大部分短距離無線傳感器網絡應用要求。2、功耗低。元器件采用低功耗器件，在使用低功耗通信協議棧時，在睡眠狀態，電流僅為5mA ，在掉電節能模式下，電流更是只有110A 左右。節點使用2 節AA 電池即可正常工作。3、使用方便。節點每個都有串口和JTAG 口，都可以對每個節點方便地進行編程，不需要復雜的編程環境；另外每個節點都可以直接接到計算機上，充當SINK 節點，同樣不需要專門定制的接口板，十分方便。4、軟件資源。為了擴展產品的適用范圍，有兼容目前WSN 領域最主流的802.15.4 規范的協議棧，開發語言是C，易于開發與相互共享交流，完全可以成為我們公共的平臺。總體架構見圖3，它由傳感器模塊、處理模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四個部分組成。傳感器模塊負責監測區域內信息的采集和數據轉換，在一個節點提供了可擴展不同傳感器的接口，所以可能包括多種傳感器器件；處理模塊負責控制整個傳感器節點的處理操作、存儲和處理本身采集的數據和其它節點發來的數據，包括了數據安全、通信協議、同步定位、功耗管理、任務管理等等；無線通信模塊負責與其它傳感器節點進行無線通信，交換控制消息和收發采集數據；電源供應模塊為傳感器節點提供運行所需的所有電源。圖3：無線傳感器總體框架圖4：軟件結構圖5 機械參數遙測測試系統框圖在無線網絡傳感器一般集成一個低功耗的微控制器(MCU)以及若干存儲器、無線電/光通信裝置、傳感器等組件，通過傳感器、動臂機構、以及通信裝置和它們所處的外界物理環境交互。一般說來，單個傳感器的功能是非常有限的，但是當它們被大量地分布到物理環境中，并組織成一個傳感器網絡，支持上千個測點同時進行大型結構試驗，再配置以性能良好的系統軟件平臺，就可以完成強大的實時跟蹤、環境監測、狀態監測等功能。無線數字信號傳輸方式消除了長電纜傳輸帶來的噪聲干擾，整個測量系統具有極高的測量精度和抗干擾能力。以應變測量為例，首先，被測物在傳感器的測量下，通過簡單的系統單芯片SOC，得到物體的應變變化，然后，數據經過基于CMOS技術的放大元件，將經過處理的低功耗數據轉給無線傳輸模塊，該模塊將數據進行A/D轉換后，無線傳輸給接收模塊，并通過終端對數據分析處理，實現遠距離就可以完成強大的實時跟蹤、環境監測、狀態監測等功能，在資源受限的條件下完成感知、通信和控制功能。無線數字信號傳輸方式消除了長電纜傳輸帶來的噪聲干擾，整個測量系統具有極高的測量精度和抗干擾能力。無線傳輸接收模塊體積小巧，由電源模塊、采集處理模塊、無線收發模塊組成，。節點每個通道內置有獨立的高精度120-1000橋路電阻和放大調理電路，可以方便地由軟件自動切換選擇1/4橋，半橋，全橋測量方式，兼容各種類型的橋路傳感器。采集的數據既可以實時無線傳輸至計算機，也可以存儲在節點內置的2M 數據存儲器，保證了采集數據的準確性。節點的空中傳輸速率可以達到250K BPS，有效室外通訊距離可達100m等優點。三、實驗設備CSY2000系列傳感器與檢測技術實驗臺、SG802 無線應變節點、SG402無線應變節點、A302無線加速度節點、網關S903、戴爾計算機，活塞式壓力計，壓力傳感器BHR-2型，荷重傳感器BHR4型。四、實驗框圖五、實驗標定曲線和表SG802無線應變節點標定曲線如下：標定表格如下：無線應變節點標定曲線及表格如下：半橋全橋六、實驗數據曲線和表體重測量試驗曲線及表格懸臂梁受沖擊應變測量試驗曲線及表格七、實驗結論與收獲實驗結論：無線傳感器網絡所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環境中多種多樣的現象。基于MEMS的微傳感技術和無線聯網技術為無線傳感器網絡賦予了廣闊的應用前景。這些潛在的應用領域可以歸納為:軍事、航空、反恐、防爆、救災、環境、醫療、保健、家居、工業、商業等領域。 無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取平臺，能夠實時監測和采集網絡分布區域內的各種檢測對象的信息，并將這些信息發送到網關節點，以實現復雜的指定范圍內目標檢測與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強等特點，有著廣闊的應用前景。感想與收獲：通過這次的實驗，我學習到了很多有用的東西。在自動親自實驗前，老師向我們講解了zigbee的基礎知識。了解到Zigbee是IEEE802.15.4協議的代名詞。根據這個協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠 這樣的方式構成了群體中的通信網絡。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種 設備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無 線組網通訊技術。我想將來這個技術的前景是非常不錯的。在家里可以用到空調的溫度自動控制，照明的自動控制