基于4G的无线传感网络传输技术研究

王杨 陈志亮 侯红霞 郑碧华

摘 要 本设计拟结合4G移动通讯技术，研究开发新一代的WSN数据远程传输技术，旨在更经济、更快速、更有效地满足远程监测的需求，扩大WSN技术在各领域的应用范围。本项目能将WSN与4G通信技术有效结合。

关键词 4G通信技术；无线传感网络；技术路线

中图分类号 TN92 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）213-0106-02

1 项目的研究目的和意义

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN ）是一种以传感器、无线通信和计算机应用等科学技术为依托的新兴计算模式，由大量具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通信方式协同地完成特定功能的智能专用网络。WSN以其自身的优势得到了广泛应用，可应用在军事及民用等许多领域，例如敌情侦察、环境监测等方面。WSN被美国《技术评论》列为对人类未来生活产生深远影响的十大新技术之一，由此成为一个新兴的前沿研究热点。

本项目主要对基于4G通信网络的WSN信息远距离传输技术进行研究，目的是为了寻求一种高效经济、适用于较大数据量的远程传输方式。目前，对于基于4G通信网络的WSN数据远程传输，尽管有很多厂商和研究者进行研究，但大多都处于起步阶段，还不成熟，需要进行进一步的研究和开发。本课题分析并研究如何有效利用4G通信网络进行远程数据的低成本高效传输，并在数据的正确性、完整性方面进行保障，以满足偏远地区或无internet网络覆盖区域下WSN数据的远程传输要求，完成对WSN覆盖区域的远程实时监测任务。本项目能将WSN与4G通信技术有效结合，在需要远程实时监测给定区域的实际应用中具有重要经济价值。

2 研究现状

中国WSN研究首次正式出现于1999 年中国科学院《知识创新工程点领域方向研究》的“信息与自动化领域研究报告”中，并成为报告中的五大重点项目之一。2001年中国科学院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，旨在引领中科院WSN的相关工作。2005年，将WSN基础理论和关键技术列入重点研究计划。2006年将水下移动传感器网络的关键技术列为重点研究项目。国家发改委下一代互联网（CNGI）示范工程中，也部署了WSN相关的课题。在一份我国未来20年预见技術的调查报告中，信息领域157项技术课题中有7项与传感器网络直接相关。

近年来，随着实际应用需求的变化及通信技术的不断发展，WSN数据的远程传输得到了越来越多的关注。目前，国内外对WSN数据的远程传输研究取得了一定的成果，主要是利用Zigbee模块构建WSN网络并进行网内数据收集，然后使用GPRS模块实现数据的远程传输。GPRS运行费用较低但带宽有限，当WSN数据量较大的情况下，该数据传输方式就无法胜任。

3 研究内容

3.1 构建无线传感网络

制作多个智能化微节点，使其集信息传感、数据级信息融合和无线通信等功能于一体。在此基础上，构建由多个智能化微节点组成的自组织分布式网络系统。该研究内容主要是为WSN数据的远程传输提供设备支持，主要涉及节点的自定位、节点传感数据的采集和WSN网络内的数据汇集。

3.1.1 温湿度检测模块的选型

方案一：数字式温度传感器一般选择的是在目前很多工农业场合很多采用DS18B20作为系统测温元件，由于该测温元件输出信号是数字信号，它能很好的与微控制器进行命令和数据传输，且该测温元件的外围电路要求很简单，稳定性也相对不错，能很大程度上简化硬件电路的设计，但是其检测范围仅限于温度测量，检测功能比较单一，得需要搭配湿度检测元件才可以满足本设计的设计理念，所以说，该器件不适和应用该系统的设计。

方案二：能同时输出温度与湿度的传感器叫做DHT11温湿度传感器，它是数字式传感器，并且它的输出信号是已经预先校准后的。该传感器内部采用的是专门应用的温湿度传感技术，这样就能够确保传感器保持稳定运行工作。DHT11温湿度传感器的传输方式是单总线，最远传输距离为50m，具有很多优点尤其是体积小的优点和能耗低的特性。

以上两种方案对比，最终选择了方案二作为本系统的温湿度检测器，因为DHT11温湿度传感器的功能要比方案一强大许多，所以最终选择方案二。

3.1.2 无线数据传输模块的选型

方案一：目前使用蓝牙模块传输数据是数据传输过程中最常见的传输方式，蓝牙的传输距离在10m以内。如果需要传输到几十米，那么蓝牙模块就要加相应的功率放大器件。这就给测量带来了麻烦与不便，而且蓝牙的稳定性与抗干扰性都比较低，容易出现中断连接不上等问题。因此该项技术还得需要在实际应用上考验。

方案二：NRF24L01无线通讯模块是目前通用的无线数据收发器芯片。NRF24L01的通讯协议为SPI，工作频率在2.4GHz～2.5GHz之间，NRF24L01无线通信模块是通过软件程序来对通讯通道以及输出的功率进行一系列的合理配置，其内部还包含了多种的功能模块，包含了功率放大器、振荡器、解调器以及频率合成电路等，稳定性非常的强并且还有一个特点就是编程起来方法十分的简单。

以上两种方案对比，最终选择了方案二作为本系统的无线传输模块，NRF24L01无线传输模块与蓝牙模块相比较，有非常强的抗干扰性能，稳定性和安全性都是蓝牙模块所比及不了的。所以本设计的无线传输模块最终选用了NRF24L01芯片。

3.1.3 系统供电电源的选型

方案一：单相变压器将交流220V的交流电降压到交流12V之后，再通过由单向不可控的二极管所搭建的桥式整流电路进行整流工作，经过整流后的电压将经过7805三端集成稳压芯片变成5V之后与电容滤波电路继续进行对它的电压处理工作。该芯片的3号脚可将整流后的12V电压通过稳压芯片内部的稳压整流电路转换为5V的直流电压传输给系统供电。

方案二：电源适配器元件，它的输出电流较为稳定而且其内部电路功耗较低，稳定性也相对较好，携带比较方便。

以上两种方案对比，最终选择了方案一作为本系统的供电方式，因为方案一在整个电路搭建过程十分的简单，可以锻炼一下自己的动手操作能力。

3.2 研究用于WSN数据收集和发送的3G网关设备

网关设备的性能直接关系到数据远程传输的有效性和实时性。本项目中网关设备基于4G通讯技术。4G通讯技术是当前越来越广泛应用的通信技术，其通讯性能除了可以满足常见的数据通讯需求，还可以满足视频等巨量信息的实时远程传输。本研究内容为设计与WCDMA网络相结合的WSN网关设备，为下一步开发基于4G通讯技术的数据远程传输奠定基础。

3.3 开发基于3G通讯技术的WSN数据远程传输系统

基于3G通讯技术的WSN数据远程传输系统能够使WSN收集的信息（尤其是视频数据）以实时在线方式得到远程监测，满足相应的应用需求。本研究内容主要涉及智能移动设备上运行的应用程序开发，WSN数据的加密/解密、校验、快速压缩/解压缩算法的研究等。

4 技术路线

4.1 无线传感器网络的搭建

项目中使用的无线传感器节点载有多种传感器，拟包括温度、湿度，以及视觉传感器，满足一般应用需求。无线传感器网络的构建中，首需解决的问题有无线传感器节点的定位、数据包的路由等。无线传感器节点定位算法有质心算法（Centroid Algorithm）、DV-Hop算法（Distance Vector-Hop）等。研究拟在具体应用环境下对两种定位算法进行实验对比，选用适用本系统的定位算法。数据包的路由算法拟选用鲁棒性较高的位置踪迹辅助路由协议LOTAR（Location Trace Aided Routing）。

4.2 基于3G通讯技术的网关设备设计

利用3G通讯技术实现的网关设备花费少量费用即可充分利用现有的3G通信网络进行巨量数据的收发，与通常利用GPRS实现的网关设备相比具有很大优越性。本项目将设计与WCDMA网络相结合的WSN网关设备，拟采用以ARM7芯片为核心，与无线射频芯片及其他模块组成硬件系统。

4.3 WSN数据远程监测程序开发

基于广泛用于智能移动设备开源的Android微操作系統，开发适用于智能移动设备的远程监测程序。Android以Linux2.6为核心，具有较高的稳定性和可靠性，并且不存在使用版权费用问题，是目前广泛应用的微操作系统。Android操作系统下可支持java和C++程序开发。Java语言是该操作系统下的常用开发语言，具有使用方便，开发周期较短等特点；C++语言开发周期较长，但获得的应用程序所需存储空间较小，运行速度较快。项目中拟选用C++进行远程监测程序开发，以使开发出的应用程序具有较高的代码效率和运行速度，满足视频等巨量数据的实时处理。

参考文献

[1]郭智源，韩建，等.基于STM32的PID和PWM温度控制系统研究[J].科学技术与工程，2011（6）：3805-3807.