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WSN传感器节点一键恢复技术在物联网智慧交通中的研究
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更新于2024-07-02
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"物联网-智慧交通-WSN中传感器节点一键还原技术的研究与实现.pdf" 在物联网(IoT)领域,特别是在智慧交通的应用中,无线传感器网络(WSN)扮演着至关重要的角色。这些网络主要设计用于追踪和监控各种环境或交通参数。尽管在WSN的应用、路由和链路层面上已经有许多研究和工作,但对节点自身的监测、管理和控制的关注相对较少。考虑到在某些难以进行维护的部署环境中,系统的健壮性成为一大挑战。本文针对这一问题,提出了一键恢复技术,通过从传感器节点向网关甚至控制中心发送错误消息来增强系统的恢复能力。 一键恢复机制允许我们预先在传感器节点上存储一个恢复密钥,或者从网关向节点发送恢复命令,以便将系统回滚到初始状态。这样可以确保在节点出现故障时能够迅速恢复其正常功能,提高整个WSN的稳定性和可靠性。此外,论文还引入了一个用户友好的图形界面,使得用户能够高效地管理网络中的任意节点,提升了系统的易用性。 硬件平台的核心是德州仪器(TI)开发的CC2530芯片系统,它配备了一个触摸屏作为网关。软件系统基于Linux操作系统开发,便于实现可视化操作。而节点系统的核心则是TI的Z-Stack协议栈,我们在应用层和硬件抽象层的代码上进行了主要的修改,以适应一键恢复功能的需求。 在实际实现中,这一技术对于智慧交通的实时数据采集和分析具有重大意义。例如,它可以用于智能交通信号控制、车辆流量监测、交通事故预警等方面,通过快速恢复节点功能,确保数据的连续性和准确性,从而优化交通流量,提高道路安全,进一步推动智慧城市的建设和发展。这项研究为WSN的故障恢复提供了一种创新且实用的方法,增强了物联网在智慧交通领域的应用潜力。
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第二章 ZigBee 协议与 Cortex-M0 微控制器
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第二章 ZigBee 协议与 Cortex-M0 微控制器
2.1 无线通信技术与组网技术
2.1.1 ZigBee 介绍
ZigBee 是一种具有数据传输速率低、功耗低、成本低、网络容量大、时延
短、安全性高、有限范围小和工作频段灵活的无线传输技术
[23]
。
ZigBee 技术是希望能发展一种容易部署的低成本无线网络,同时,由于其
低功耗的特点,产品的电池可以维持 6 个月甚至更长的寿命,在产品发展的前期,
工业或企业市场的感应式网络将成为主导方向,可以提供很多诸如感应辨识、灯
光和安全控制等功能,然后再将目前的市场逐渐拓展至家庭应用。
一般符合以下条件之一的,就可以考虑采用 ZigBee 无线通信技术:
1. 成本低,数据量小。
2. 体积小,不适合放置电池模块。
3. 没有充足的电力支持。
4. 不能频繁地更换电池。
5. 需要的通信覆盖范围较大,并且仅仅用于检测或控制。
根据 ZigBee Alliance 的建议,一般家庭可将 ZigBee 应用于以下装置:
1. 家庭自动控制。
2. 健康医疗。
3. 工业控制。
4. 无线传感器网络。
5. 智慧型标签。
由于 ZigBee 规范正在逐步完善,很多公司都在开始开发基于 ZigBee 技术的
产品。采用 ZigBee 技术的无线网络应用的有家庭自动化、家庭安全、工业环境
控制、健康医疗、环境监测等
[8]
。
2.1.2 WiFi 介绍
WiFi 全称 Wireless Fidelity,又称 802.11b 标准,是比较适合在办公室和家
庭中使用的短距离无线技术,使用的频段是 2.4GHz。它的最大优点是传输速率
较高,最高可达 11Mbps,另外它辐射的有效距离可以很长,而且可以与现有的
第二章 ZigBee 协议与 Cortex-M0 微控制器
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各种 802.11 DSSS 设备兼容。在信号有干扰或者信号强度较弱的情况下,带宽可
以自动调整,分别为 5.5Mbps、2Mbps 和 1Mbps,它极大地提高了网络的稳定性
和可靠性。其主要特点为:速度相对较快、可靠性极佳,在比较开阔的区域,通
信距离甚至可达 300m 左右,在封闭性的区域,通信距离一般也可达到 70~125m,
并且可以非常方便的与已有的有线以太网络进行整合,组网的成本可以变得更
低。
发展到现在,WiFi 是目前为止无线接入的主流标准,家庭和小型办公网络
的用户对移动连接的需求是无线局域网市场增长的主要动力,虽然到现在为止,
使用 WiFi 最多的地区依然是美国、日本等发达国家,但是随着移动办公和电子
商务的普及,廉价的 WiFi 一定会成为那些随时需要网络连接用户的必然之选
[8]
。
2.1.3 Bluetooth 介绍
蓝牙(Bluetooth)技术,是一种低功率、短距离的无线接入技术。由于该专利
无偿转让给了产业界,使得蓝牙技术在无线办公、汽车工业、医疗等设备上得到
了广泛应用。利用 Bluetooth 技术,笔记本电脑和移动电话、手机等移动通信终
端设备之间的通信变得更高效,还大大简化了这些设备与 Internet 之间的通信连
接,从而使这些通信设备与 Internet 之间的数据传输变得更加快捷高效,为无线
通信技术的发展开辟了更加广阔的道路。Bluetooth 技术采用分散式网络结构,
快跳频和短包技术,支持点对点和点对多点通信,并且工作频段为全球通用的
2.4GHz。其数据传输速率为 1Mbps 左右,是全双工传输。通信距离大约为 10m
左右,如果配置了功率放大器后可以使通信距离大大增加。
Bluetooth 技术的优势有以下四点
[21]
:
1. 全球可用,使用 Bluetooth 技术不再需要支付任何费用。
2. 设备范围广,集成 Bluetooth 技术的产品从手机、汽车到医疗设备等。
3. 易于使用,它不需要固定的基础设施,且方便安装和配置。
全球通用的规格和技术标准,使得 Bluetooth 无线技术可以说是当今市场上
支持范围最广泛且安全性最高的无线标准。
2.1.4 GPRS 和 3G 介绍
GPRS(General Packet Radio Service),即通用无线分组业务,它是一种无线
分组交换技术,基于 GSM 系统,可以提供端到端的、广域的无线 IP 连接。它是
GSM(全球移动通信系统)移动电话用户常用的一种移动数据业务,通常情况
会经常听到 GPRS 被说成是“2.5G”,换句话说 GPRS 技术位于第二代(2G)
第二章 ZigBee 协议与 Cortex-M0 微控制器
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和第三代(3G)移动通讯技术之间
[25]
。它利用 GSM 网络中未使用的 TDMA 信
道,来提供中速的数据传递服务。分组技术使得用户上网相对稳定,通话和上网
不会冲突。
GPRS 的技术优势:
1. 相对低廉的连接费用,资源利用率高。
2. 传输速率高,可达 115kbps。
3. 接入时间短。
4. 按量计费。
3G(3rd-Generation),是第三代移动通信技术,它支持高速数据传输,主要特
征是可提供多媒体业务,3G 下行速度峰值理论可达到 3.6Mbps,上行速度峰值
也可达 384kbps,目前 3G 存在三种标准:WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA。
3G 致力于为用户提供更好的语音、文本和数据服务,与现有的技术相比,
显著的优点是它可以增加系统容量、提高通信质量和数据传输速率。除此之外,
由于它可以在不同网际间无缝漫游,使得无线通信系统能和 Internet 更加高效的
连接起来,使得移动端用户能得到更多更高级的服务。
3G 主要应用在宽带上网、手机电视、手机音乐、手机网游、视频通话、无
线搜索、手机购物等领域。
2.1.5 小结
表 2-1 表示的是这几种常用的无线传输方式主要性能的比较。
表 2-1 无线通信技术比较
ZigBee
WiFi
Bluetooth
通信频段(Hz)
868M/915M/2.4G
2.4G
2.4G
有效距离(m)
10-75
100
10
采用协议
802.15.4
802.11b
802.15.1
传输速率
20/40/250Kbps
5.5/11Mbps
1-3Mbps
电池寿命
几月
几天
几天
通过以上对比分析可以得出,WSN 最理想的解决方案是采用 ZigBee 无线传
输技术,正是基于 ZigBee 的以上优点,以及 ZigBee 联盟的推动,搭载 ZigBee
技术的很多成熟优秀的产品得以产生,比如,TI 公司的 CC2530,微芯公司的
PIC18F4620 和 ATMEL 公司的 A222222 等,所以 ZigBee 技术发展很快,进而也
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