基于Nios II/s的 通用无线传感网络节点的设计

　　太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的。

　　当太阳能十分充足的时候，由太阳能为节点提供能量。并同时对电池进行充电并储存在电池内。自带电源为在无光的情况下使用，利用太阳能所存储的电能为节点供电。

　　采用此太阳能的优点在于：小巧便捷，安装方便，功率强大，持续性强，环保节能。

　　3.3 工作原理

　　●  链路层MAC协议

　　汇聚节点接收传感器采集的信息，进行处理或者转发。通信协议采用的是无线局域网802.11标准，MAC子层基于分布协调功能（Distributed Coordination Function ,DFC）,使用CSMA/CA控制协议,并以物理信道侦听与虚拟信道相结合方式，使载波侦听更为有效。采用此标准，从而与以太网有很好的兼容性。

　　本设计采用IEEE的802.11标准的MAC帧格式（如表一）[5]

　　FC:帧控制字段。
　　Dur/id：持续时间字段。
　　Addr1-Addr4:地址字段，随帧类型不同而最多可达4个地址段。
　　SC：序列控制字段。
　　帧体：MAC帧中封装的内容，可以是MSDU及WEP控制信息等
　　FCS:帧校验序列，根据CRC-32多项式的生成

　　尽管在802.11 MAC协议基础上，出现了针对传感器网络的节省能量的需求而提出了S-MAC传感器网络MAC协议，以及在S-MAC协议的基础之上提出的T-MAC协议。但是S-MAC协议假设通常情况下传感器网络的数据传输量少，采用周期性侦听/睡眠的低占空比工作方式，其周期长度受限于延迟要求和缓存大小，活动时间主要依赖于消息速率。由于消息速率的时变性，当负载动态较小时，节点处于空闲侦听的时间大大增加。T-MAC协议虽然针对S-MAC协议进行了改进，根据当前的网络通信情况，通过提前结束活动周期来减少空闲侦听，但是带来了“早睡”问题。T-MAC协议的适用场合以及对网络动态拓扑的适应性都需要进一步的研究。因此，在本文项目实现上，仍然采用传统的802.11 MAC协议，并在其基础上，考虑建立可供配置的子协议，以实现多种协议的自适应选取以及协议参数的自适应选择，形成支持任务协调控制的无线传感器网络分布自治系统。

　　● 网络层IP协议

　　本项目仍采用基本的在IEEE 802.11标准中定义的WLAN使用的参考模型。网络协议栈划分为物理层，数据链路层，网络层，传输层，应用层。由于无线传感器资源的不确定性，为达到任务合理分配，资源的有效控制和优化，在网络协议栈中还需引入移动管理平台和监测管理平台。

　　移动管理平台能够计时检测到节点的移动，并提供相关的认证关联服务，及时调整监测区域内网络的相应配比；监测管理平台能在监测区域内对节点任务进行平衡合理的调整，适时调整调度监测任务。这些平台的引入，可以使传感器节点更高效地协同工作，平衡负荷，在不稳定的网络节点分布中相对稳定地交互数据，共享资源。

　　● 网络总体工作原理

　　无线传感网络节点数以万计，节点之间松散耦合，构成了一个高复杂性的系统（图六）。由于传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不能相互告知，这就要求传感器节点具有强大的自组织能力，通过拓扑控制机制和网络协议，自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。从网络功能上看，每个节点除了进行本地信息和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储，管理和融合等多项处理，同时相互协同完成一些特殊的任务。因此，节点是无线传感网络建模的重点。   

　　同一观测区域内的节点之间进行无线通信（图七）。各传感器节点采集外部环境信息，或该节点接收到由其他节点发来的数据，由其本身的处理器进行存储转发处理，并交由相应簇头节点处理，形成由簇头节点为中心的子网络。簇头节点把跟它关联的传感器节点的信息融合后，根据汇聚节点发来的控制信息，针对实现的不同功能，采取相应的路由算法，最终将采集到的数据发送到汇聚节点进行汇总处理。引入簇头节点的优点是可以将一定数量的节点发来的数据信息融合后，再一次性交由汇聚节点，降低了整个系统收发信息的代价，提高了系统的效率，同时降低系统功耗，节约能源。