基于Nios II/s的 通用無線傳感網絡節(jié)點的設計

　　太陽能電池是一種由于光生伏特效應而將太陽光能直接轉化為電能的器件，是一個半導體光電二極管，當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，產生電流。當許多個電池串聯(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。并同時對電池進行充電并儲存在電池內。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，功率強大，持續(xù)性強，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，進行處理或者轉發(fā)。通信協(xié)議采用的是無線局域網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,并以物理信道偵聽與虛擬信道相結合方式，使載波偵聽更為有效。采用此標準，從而與以太網有很好的兼容性。

　　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(xù)時間字段。
　　Addr1-Addr4:地址字段，隨幀類型不同而最多可達4個地址段。
　　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(jù)CRC-32多項式的生成

　　盡管在802.11 MAC協(xié)議基礎上，出現(xiàn)了針對傳感器網絡的節(jié)省能量的需求而提出了S-MAC傳感器網絡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絡的數(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，當負載動態(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)議進行了改進，根據(jù)當前的網絡通信情況，通過提前結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絡動態(tài)拓撲的適應性都需要進一步的研究。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)議的自適應選取以及協(xié)議參數(shù)的自適應選擇，形成支持任務協(xié)調控制的無線傳感器網絡分布自治系統(tǒng)。

　　● 網絡層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。網絡協(xié)議棧劃分為物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，網絡層，傳輸層，應用層。由于無線傳感器資源的不確定性，為達到任務合理分配，資源的有效控制和優(yōu)化，在網絡協(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，并提供相關的認證關聯(lián)服務，及時調整監(jiān)測區(qū)域內網絡的相應配比；監(jiān)測管理平臺能在監(jiān)測區(qū)域內對節(jié)點任務進行平衡合理的調整，適時調整調度監(jiān)測任務。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，平衡負荷，在不穩(wěn)定的網絡節(jié)點分布中相對穩(wěn)定地交互數(shù)據(jù)，共享資源。

　　● 網絡總體工作原理

　　無線傳感網絡節(jié)點數(shù)以萬計，節(jié)點之間松散耦合，構成了一個高復雜性的系統(tǒng)（圖六）。由于傳感器節(jié)點的位置不能預先精確設定，節(jié)點之間的相互鄰居關系預先也不能相互告知，這就要求傳感器節(jié)點具有強大的自組織能力，通過拓撲控制機制和網絡協(xié)議，自動形成轉發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網絡系統(tǒng)。從網絡功能上看，每個節(jié)點除了進行本地信息和數(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點轉發(fā)來的數(shù)據(jù)進行存儲，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。因此，節(jié)點是無線傳感網絡建模的重點。   

　　同一觀測區(qū)域內的節(jié)點之間進行無線通信（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行存儲轉發(fā)處理，并交由相應簇頭節(jié)點處理，形成由簇頭節(jié)點為中心的子網絡。簇頭節(jié)點把跟它關聯(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。