基于Nios II/s的 通用無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計

　　太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點.太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽能電池不會引起環(huán)境污染；太陽能電池可以大中小并舉，大到百萬千瓦的中型電站，小到只供一戶用的太陽能電池組，這是其它電源無法比擬的。

　　當(dāng)太陽能十分充足的時候，由太陽能為節(jié)點提供能量。并同時對電池進(jìn)行充電并儲存在電池內(nèi)。自帶電源為在無光的情況下使用，利用太陽能所存儲的電能為節(jié)點供電。

　　采用此太陽能的優(yōu)點在于：小巧便捷，安裝方便，功率強(qiáng)大，持續(xù)性強(qiáng)，環(huán)保節(jié)能。

　　3.3 工作原理

　　●  鏈路層MAC協(xié)議

　　匯聚節(jié)點接收傳感器采集的信息，進(jìn)行處理或者轉(zhuǎn)發(fā)。通信協(xié)議采用的是無線局域網(wǎng)802.11標(biāo)準(zhǔn)，MAC子層基于分布協(xié)調(diào)功能（Distributed Coordination Function ,DFC）,使用CSMA/CA控制協(xié)議,并以物理信道偵聽與虛擬信道相結(jié)合方式，使載波偵聽更為有效。采用此標(biāo)準(zhǔn)，從而與以太網(wǎng)有很好的兼容性。

　　本設(shè)計采用IEEE的802.11標(biāo)準(zhǔn)的MAC幀格式（如表一）[5]

　　FC:幀控制字段。
　　Dur/id：持續(xù)時間字段。
　　Addr1-Addr4:地址字段，隨幀類型不同而最多可達(dá)4個地址段。
　　SC：序列控制字段。
　　幀體：MAC幀中封裝的內(nèi)容，可以是MSDU及WEP控制信息等
　　FCS:幀校驗序列，根據(jù)CRC-32多項式的生成

　　盡管在802.11 MAC協(xié)議基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)省能量的需求而提出了S-MAC傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，以及在S-MAC協(xié)議的基礎(chǔ)之上提出的T-MAC協(xié)議。但是S-MAC協(xié)議假設(shè)通常情況下傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量少，采用周期性偵聽/睡眠的低占空比工作方式，其周期長度受限于延遲要求和緩存大小，活動時間主要依賴于消息速率。由于消息速率的時變性，當(dāng)負(fù)載動態(tài)較小時，節(jié)點處于空閑偵聽的時間大大增加。T-MAC協(xié)議雖然針對S-MAC協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)通信情況，通過提前結(jié)束活動周期來減少空閑偵聽，但是帶來了“早睡”問題。T-MAC協(xié)議的適用場合以及對網(wǎng)絡(luò)動態(tài)拓?fù)涞倪m應(yīng)性都需要進(jìn)一步的研究。因此，在本文項目實現(xiàn)上，仍然采用傳統(tǒng)的802.11 MAC協(xié)議，并在其基礎(chǔ)上，考慮建立可供配置的子協(xié)議，以實現(xiàn)多種協(xié)議的自適應(yīng)選取以及協(xié)議參數(shù)的自適應(yīng)選擇，形成支持任務(wù)協(xié)調(diào)控制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布自治系統(tǒng)。

　　● 網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議

　　本項目仍采用基本的在IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)中定義的WLAN使用的參考模型。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧劃分為物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層，應(yīng)用層。由于無線傳感器資源的不確定性，為達(dá)到任務(wù)合理分配，資源的有效控制和優(yōu)化，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中還需引入移動管理平臺和監(jiān)測管理平臺。

　　移動管理平臺能夠計時檢測到節(jié)點的移動，并提供相關(guān)的認(rèn)證關(guān)聯(lián)服務(wù)，及時調(diào)整監(jiān)測區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)配比；監(jiān)測管理平臺能在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)對節(jié)點任務(wù)進(jìn)行平衡合理的調(diào)整，適時調(diào)整調(diào)度監(jiān)測任務(wù)。這些平臺的引入，可以使傳感器節(jié)點更高效地協(xié)同工作，平衡負(fù)荷，在不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布中相對穩(wěn)定地交互數(shù)據(jù)，共享資源。

　　● 網(wǎng)絡(luò)總體工作原理

　　無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)以萬計，節(jié)點之間松散耦合，構(gòu)成了一個高復(fù)雜性的系統(tǒng)（圖六）。由于傳感器節(jié)點的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點之間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不能相互告知，這就要求傳感器節(jié)點具有強(qiáng)大的自組織能力，通過拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，自動形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個節(jié)點除了進(jìn)行本地信息和數(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，管理和融合等多項處理，同時相互協(xié)同完成一些特殊的任務(wù)。因此，節(jié)點是無線傳感網(wǎng)絡(luò)建模的重點。   

　　同一觀測區(qū)域內(nèi)的節(jié)點之間進(jìn)行無線通信（圖七）。各傳感器節(jié)點采集外部環(huán)境信息，或該節(jié)點接收到由其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，由其本身的處理器進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)發(fā)處理，并交由相應(yīng)簇頭節(jié)點處理，形成由簇頭節(jié)點為中心的子網(wǎng)絡(luò)。簇頭節(jié)點把跟它關(guān)聯(lián)的傳感器節(jié)點的信息融合后，根據(jù)匯聚節(jié)點發(fā)來的控制信息，針對實現(xiàn)的不同功能，采取相應(yīng)的路由算法，最終將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點進(jìn)行匯總處理。引入簇頭節(jié)點的優(yōu)點是可以將一定數(shù)量的節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)信息融合后，再一次性交由匯聚節(jié)點，降低了整個系統(tǒng)收發(fā)信息的代價，提高了系統(tǒng)的效率，同時降低系統(tǒng)功耗，節(jié)約能源。