基于Nios II/s的 通用無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計

　　太陽(yáng)能電池是一種由于光生伏特效應而將太陽(yáng)光能直接轉化為電能的器件，是一個(gè)半導體光電二極管，當太陽(yáng)光照到光電二極管上時(shí)，光電二極管就會(huì )把太陽(yáng)的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)就可以成為有比較大的輸出功率的太陽(yáng)能電池方陣了。太陽(yáng)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(diǎn).太陽(yáng)能電池壽命長(cháng)，只要太陽(yáng)存在，太陽(yáng)能電池就可以一次投資而長(cháng)期使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽(yáng)能電池不會(huì )引起環(huán)境污染；太陽(yáng)能電池可以大中小并舉，大到百萬(wàn)千瓦的中型電站，小到只供一戶(hù)用的太陽(yáng)能電池組，這是其它電源無(wú)法比擬的。

　　當太陽(yáng)能十分充足的時(shí)候，由太陽(yáng)能為節點(diǎn)提供能量。并同時(shí)對電池進(jìn)行充電并儲存在電池內。自帶電源為在無(wú)光的情況下使用，利用太陽(yáng)能所存儲的電能為節點(diǎn)供電。

　　采用此太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)在于：小巧便捷，安裝方便，功率強大，持續性強，環(huán)保節能。

　　3.3 工作原理

　　●  鏈路層MAC協(xié)議

　　匯聚節點(diǎn)接收傳感器采集的信息，進(jìn)行處理或者轉發(fā)。通信協(xié)議采用的是無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)802.11標準，MAC子層基于分布協(xié)調功能（Distributed Coordination Function ,DFC）,使用CSMA/CA控制協(xié)議,并以物理信道偵聽(tīng)與虛擬信道相結合方式，使載波偵聽(tīng)更為有效。采用此標準，從而與以太網(wǎng)有很好的兼容性。

　　本設計采用IEEE的802.11標準的MAC幀格式（如表一）[5]

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

　　盡管在802.11 MAC協(xié)議基礎上，出現了針對傳感器網(wǎng)絡(luò )的節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)議的基礎之上提出的T-MAC協(xié)議。但是S-MAC協(xié)議假設通常情況下傳感器網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸量少，采用周期性偵聽(tīng)/睡眠的低占空比工作方式，其周期長(cháng)度受限于延遲要求和緩存大小，活動(dòng)時(shí)間主要依賴(lài)于消息速率。由于消息速率的時(shí)變性，當負載動(dòng)態(tài)較小時(shí)，節點(diǎn)處于空閑偵聽(tīng)的時(shí)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)，根據當前的網(wǎng)絡(luò )通信情況，通過(guò)提前結束活動(dòng)周期來(lái)減少空閑偵聽(tīng)，但是帶來(lái)了“早睡”問(wèn)題。T-MAC協(xié)議的適用場(chǎng)合以及對網(wǎng)絡(luò )動(dòng)態(tài)拓撲的適應性都需要進(jìn)一步的研究。因此，在本文項目實(shí)現上，仍然采用傳統的802.11 MAC協(xié)議，并在其基礎上，考慮建立可供配置的子協(xié)議，以實(shí)現多種協(xié)議的自適應選取以及協(xié)議參數的自適應選擇，形成支持任務(wù)協(xié)調控制的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )分布自治系統。

　　● 網(wǎng)絡(luò )層IP協(xié)議

　　本項目仍采用基本的在IEEE 802.11標準中定義的WLAN使用的參考模型。網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧劃分為物理層，數據鏈路層，網(wǎng)絡(luò )層，傳輸層，應用層。由于無(wú)線(xiàn)傳感器資源的不確定性，為達到任務(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(dòng)管理平臺和監測管理平臺。

　　移動(dòng)管理平臺能夠計時(shí)檢測到節點(diǎn)的移動(dòng)，并提供相關(guān)的認證關(guān)聯(lián)服務(wù)，及時(shí)調整監測區域內網(wǎng)絡(luò )的相應配比；監測管理平臺能在監測區域內對節點(diǎn)任務(wù)進(jìn)行平衡合理的調整，適時(shí)調整調度監測任務(wù)。這些平臺的引入，可以使傳感器節點(diǎn)更高效地協(xié)同工作，平衡負荷，在不穩定的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)分布中相對穩定地交互數據，共享資源。

　　● 網(wǎng)絡(luò )總體工作原理

　　無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數以萬(wàn)計，節點(diǎn)之間松散耦合，構成了一個(gè)高復雜性的系統（圖六）。由于傳感器節點(diǎn)的位置不能預先精確設定，節點(diǎn)之間的相互鄰居關(guān)系預先也不能相互告知，這就要求傳感器節點(diǎn)具有強大的自組織能力，通過(guò)拓撲控制機制和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，自動(dòng)形成轉發(fā)監測數據的多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統。從網(wǎng)絡(luò )功能上看，每個(gè)節點(diǎn)除了進(jìn)行本地信息和數據處理外，還要對其他節點(diǎn)轉發(fā)來(lái)的數據進(jìn)行存儲，管理和融合等多項處理，同時(shí)相互協(xié)同完成一些特殊的任務(wù)。因此，節點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )建模的重點(diǎn)。   

　　同一觀(guān)測區域內的節點(diǎn)之間進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信（圖七）。各傳感器節點(diǎn)采集外部環(huán)境信息，或該節點(diǎn)接收到由其他節點(diǎn)發(fā)來(lái)的數據，由其本身的處理器進(jìn)行存儲轉發(fā)處理，并交由相應簇頭節點(diǎn)處理，形成由簇頭節點(diǎn)為中心的子網(wǎng)絡(luò )。簇頭節點(diǎn)把跟它關(guān)聯(lián)的傳感器節點(diǎn)的信息融合后，根據匯聚節點(diǎn)發(fā)來(lái)的控制信息，針對實(shí)現的不同功能，采取相應的路由算法，最終將采集到的數據發(fā)送到匯聚節點(diǎn)進(jìn)行匯總處理。引入簇頭節點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是可以將一定數量的節點(diǎn)發(fā)來(lái)的數據信息融合后，再一次性交由匯聚節點(diǎn)，降低了整個(gè)系統收發(fā)信息的代價(jià)，提高了系統的效率，同時(shí)降低系統功耗，節約能源。