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傳感測試技術(shù)正朝著(zhù)多功能化、微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化、無(wú)線(xiàn)化的方向發(fā)展，自組織無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（selforganizing wireless sensornetwork）作為新興技術(shù)，是目前國外研究的熱點(diǎn)，其在軍事、環(huán)境、健康、家庭、商業(yè)、空間探索和災難拯救等領(lǐng)域展現出廣闊的應用前景，早在2003年美國自然科學(xué)基金委員會(huì )已經(jīng)斥巨資來(lái)支持這方面的研究，并且出現了一些致力于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的公司。其中，crossbow公司已推出了mica系列傳感器網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品，國內很多大學(xué)現已經(jīng)開(kāi)展相關(guān)領(lǐng)域的研究，但大部分工作仍處在自組織無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議性能仿真和硬件節點(diǎn)小規模實(shí)驗設計階段，本文就國防科技大學(xué)傳感器教研室開(kāi)展可應用于環(huán)境監測方面無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計與實(shí)現進(jìn)行介紹。 1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )硬件設計 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )模型（如圖1所示）是不同于傳統無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的以基礎設施網(wǎng)，通過(guò)在監測區去內隨意布撒大量傳感器節點(diǎn)（簡(jiǎn)稱(chēng)節點(diǎn)），由各節點(diǎn)自行協(xié)調并迅速組建通信網(wǎng)絡(luò )，在能量利用率優(yōu)先考慮原則下進(jìn)行工作任務(wù)劃分以獲取監視區域的信息，網(wǎng)絡(luò )的自組織特性體現在當節點(diǎn)失效或新節點(diǎn)加入時(shí)網(wǎng)絡(luò )能夠自適應重新組建，以調整全局的探測精度，充分發(fā)揮資源優(yōu)勢，即網(wǎng)絡(luò )中的各節點(diǎn)除具備數據采集功能外兼有數據轉發(fā)實(shí)現多跳的路由功能。 1.1 節點(diǎn)組成 典型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)由數據采集、處理、傳輸和電源4個(gè)主要部分組成，傳感探測單元由傳感器進(jìn)行監測區域內待測對象的信息采集，微控制單元實(shí)現數據的分析、處理和存儲等功能，無(wú)線(xiàn)傳輸單元負責低功耗短距離節點(diǎn)間通信，供電單元選取小型化、高容量的電池，以確保節點(diǎn)的長(cháng)壽命和微型化，具體節點(diǎn)設計如圖2和圖3所示。 （1）無(wú)線(xiàn)傳輸單元 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊選用挪威nordic公司推出的nrf401芯片，nrf401是工作在ism頻段433.92mhz/434.33mhz單片無(wú)線(xiàn)收/發(fā)一體芯片，是包括了高片發(fā)射/接收、plll合成，fsk調制/解調和雙頻道切換等單元的高集成度無(wú)線(xiàn)傳感器產(chǎn)品，其最高傳輸速率可達到20kb/s接收靈敏度為－105dbm，最大發(fā)射功率為10dbm，較其他類(lèi)別射頻收發(fā)芯片外圍電路設計簡(jiǎn)單，設計中工作頻率鎖定在434.33mhz，微控制單元僅須提供四跟口線(xiàn)：收發(fā)狀態(tài)切換txen、待機與工作狀態(tài)切換pwr－up和數據通信接口線(xiàn)din/dout。射頻信號輸出設計采用環(huán)形差分輸出天線(xiàn)。 （2）微控制單元 ti公司msp430系列單片機是一種具有集成度高、功能豐富、功耗級低等技術(shù)特點(diǎn)的16位單片機，超低功耗的混合信號控制器、豐富的片內外設、節能考慮的多種工作模式和對c語(yǔ)言程序設計的支持，使得msp430系列單片機非常適合于應用在嵌入式系統，設計中選用flash存儲器可進(jìn)行在線(xiàn)編程的msp430x13x、msp430x14x系列單片機，外圍模塊有看門(mén)狗、定時(shí)器a/b、同步/異步串行通信接口、10/12位a/d以及6個(gè)8位并行端口等多種組合形式。其實(shí)現功能如下： 操作無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，為nrf401提供工作狀態(tài)控制線(xiàn)和兩條單向串行傳輸數據線(xiàn)。 實(shí)現傳感器的數據采集－加速度、溫度、聲音和感光強度探測； 本地數據處理－－剔除冗余數據，以減少網(wǎng)絡(luò )傳輸的負載和對無(wú)線(xiàn)傳輸數據的封裝與驗證。 應答遠控中心查詢(xún)，完成數據轉發(fā)與存儲； 區域內節點(diǎn)的路由維護功能； 節點(diǎn)電源管理，合理地設置待機狀態(tài)，以節省能量消耗，延長(cháng)節點(diǎn)使用壽命。 （3）傳感探測單元 根據實(shí)際需要選擇合適傳感器對監測區域內溫度、濕度、振動(dòng)、聲音和光線(xiàn)等物理信號進(jìn)行檢測。實(shí)驗設計選用了兩種外圍電路簡(jiǎn)單的數字格式傳感器、光敏器件和駐極體話(huà)筒，分別對振動(dòng)、溫度、光強和聲音進(jìn)行探測。 ad公司的adxl202是雙軸向加速度傳感器，其采用先進(jìn)的mems技術(shù)，在同一硅片中刻蝕了一個(gè)多晶硅編碼微機械傳感器，集成精度的信號處理電路，可測靜態(tài)及動(dòng)態(tài)加速度，輸出為周期的占空比調制（dcm）循環(huán)數字信號，測試范圍為－2－＋2g，測試帶寬為0.01hz－5khz（外置單電容可調），60hz帶寬下分辨率為5mg，該傳感器可廣泛應用于慣性導航、地震監測、車(chē)輛安全和電池供電設備的運動(dòng)狀態(tài)測試等領(lǐng)域。 maxim公司的ds18b20是一線(xiàn)式數字溫度傳感器，測量結果可選用9－12位串行數據輸出，測量范圍－55－125℃，在－10－85℃測量準確度為±0.5℃。 光敏電阻5516是基于半導體光電效應工作的光導管，對光強感應靈敏度相當高，當受到一定波長(cháng)范圍的光照時(shí)，其阻值（亮電阻）急劇減小，電流迅速增加，通過(guò)參考電阻分壓后進(jìn)行a/d采樣即可獲得光敏電阻的阻值，進(jìn)而換算出光照強度。 駐極體話(huà)筒hx034p是電容式微麥克風(fēng)。輸入信號為聲音信號，輸出信號經(jīng)max4466構成的前置放大電路后進(jìn)行電壓值a/d采樣，處理器的a/d采樣頻率可達200khz，可捕獲到聲音信號。 結合使用上述幾種傳感器和敏感器件的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，能夠實(shí)現溫度、加速度（震動(dòng)）的準確測量與探測，光敏電阻有其自身的光譜特性和溫度特性，因此在實(shí)驗中不作精確標定；另外對聲音信號的捕獲和復現需要進(jìn)行大量的數據處理，從能量利用和傳感器節點(diǎn)功能的精簡(jiǎn)角度考慮，實(shí)驗中對聲光強弱的探測通過(guò)設定閾值來(lái)給出布爾型（0或1）輸出。 （4）供電單元 實(shí)現節點(diǎn)設計的微型化，節點(diǎn)可采用輸出電壓3.6v可充電鋰離子鈕扣電池lir2032供電。該類(lèi)電池自放電率小于10％/月，但額定容量較小，限制了節點(diǎn)的生存期，若以?xún)晒?號aa電池供電，則可維持更長(cháng)的工作時(shí)間，在以網(wǎng)絡(luò )形式工作狀態(tài)下通過(guò)合理的設置節點(diǎn)發(fā)射極的接收、發(fā)射以及待機狀態(tài)，可有效地延長(cháng)節點(diǎn)的使用壽命。針對節點(diǎn)供電單元不便于更換的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，新的能源解決方法研究及網(wǎng)絡(luò )系統的低功耗設計也是當前值得關(guān)注的課題。 1.2 sink點(diǎn)（數據匯集點(diǎn)）設計 傳感探測網(wǎng)絡(luò )內的信息與外部網(wǎng)絡(luò )或處理中線(xiàn)的連接需要通過(guò)sink點(diǎn)來(lái)實(shí)現，sink點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與有線(xiàn)設備連接中轉站，負責發(fā)送上層命令（如查詢(xún)、分配id地址等），接收下層節點(diǎn)請求和數據，具有數據融合、請求仲裁和路由選擇功能，是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中最重要的一部分，設計中sink點(diǎn)由上位pc機與無(wú)線(xiàn)通信適配單元組成，如圖4所示。 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊仍采用nrf401芯片配以環(huán)形差分天線(xiàn)。以3v電壓供電，ttl與rs232電平轉換單元選用max3316芯片，該芯片在2.25－3.0v供電即可實(shí)現兩通道雙向電平轉換，可直接操作nrf401芯片串行數據線(xiàn)din/dout、控制線(xiàn)txen。但實(shí)驗結果表明，該設計方式中上位pc機通過(guò)api函數調用零或串口控件方式來(lái)操作口線(xiàn)會(huì )產(chǎn)生較高的誤碼率，須涉及更底層的寄存器操作才能高效地實(shí)現數據提取，這無(wú)疑增加了設計的復雜性，故sink點(diǎn)在實(shí)際制作中選用具備2路uart通道的msp430f149芯片作為無(wú)線(xiàn)與有線(xiàn)串行傳輸的連接與處理單元，實(shí)現數據初級的封裝與分解，為上位機提供便攜的接口方式。 2 軟件設計流程 傳感器節點(diǎn)的處理器msp430系列單片機支持c語(yǔ)言程序設計，適用于msp430系列的c語(yǔ)言與標準c語(yǔ)言兼容程度高，大大提高了軟件設計開(kāi)發(fā)的工作效率，增強了程序代碼的可靠性、可讀性和可移植性，圖5為傳感器節點(diǎn)的工作流程圖。 上位pc機作為控制中心必須具備網(wǎng)絡(luò )喚醒、數據處理、路由維護功能，c＋＋builder、delp hi和微軟的visual basic都可選的快速開(kāi)發(fā)工具。上層軟件功能由delphi實(shí)現，圖6為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )探測系統框圖。 考慮到點(diǎn)對點(diǎn)通信的可靠性、數據在底層無(wú)線(xiàn)傳輸中需要增加必要的協(xié)議規范，設計中對有效數據進(jìn)行打包，格式為：前導碼、地址、有效數據載荷、校驗碼。針對nrf40x系列芯片，按廠(chǎng)家建議支持uart方式下使用0x55ff（十六進(jìn)制）作為"前導碼"；"地址"作為不同應答點(diǎn)的標識。"有效數據載荷"則包含滿(mǎn)足上層設計協(xié)議格式的數據包，該部分需根據應用要求盡量減少數據包長(cháng)，以縮短該數據包在傳輸鏈路的生存期，數據包末尾增加"檢驗碼"可以驗證數據的有效性，crc（循環(huán)冗余碼）是一種簡(jiǎn)單易行的處理方法，數據封裝與處理全部由微控制單元實(shí)現。 3 組網(wǎng)技術(shù)研究 對應nrf401使用的434.33mhz頻點(diǎn)，在組網(wǎng)設計中通信方式采用tdma（時(shí)分復用）方式：sink點(diǎn)分時(shí)段對網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)進(jìn)行查詢(xún)，若節點(diǎn)有突發(fā)事件探測，則隨機選擇空閑時(shí)隙將數據上傳。當信道處于阻塞狀態(tài)則采用隨機退避機制，等待信道處于空閑狀態(tài)再進(jìn)行數據傳輸，因此各節在通信過(guò)程中必須避免長(cháng)時(shí)間對信道的占用。 網(wǎng)絡(luò )的可靠性和高效性關(guān)鍵是合理的通信協(xié)議設計，spin（sensor protocol forinformation vianegotiation）是以數據為中心的自適應路由協(xié)議，通過(guò)協(xié)商機制來(lái)避免數據傳輸過(guò)程中的"內爆"和"重疊"問(wèn)題，傳感器各節點(diǎn)只有相應的請求時(shí)，才有目的地發(fā)送數據信息，spin協(xié)議中也3種類(lèi)型的消息：adv廣播數據發(fā)送、req請求數據接收和data數據封裝。 自組織無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )拓撲可分為3種：1）基于簇（cluster）的分層結構，簇頭就是分布式處理中心，收集簇成員數據并完成數據處理和融合，最后將數據由其他簇頭多跳轉發(fā)或直接傳回sink點(diǎn)，2）基于網(wǎng)（mesh）的平面結構，在這種結構下傳感器網(wǎng)絡(luò )連成一張網(wǎng)，臨近節點(diǎn)直接通信，在個(gè)別鏈路和傳感器節點(diǎn)發(fā)生失效時(shí)不會(huì )引起網(wǎng)絡(luò )分立。3）基于鏈（chain）的線(xiàn)結構，在這種結構下傳感器節點(diǎn)被串聯(lián)在一條或多條鏈上，鏈尾與用戶(hù)節點(diǎn)相連。由于鏈型結構更易于在網(wǎng)絡(luò )初始化中實(shí)現，因此設計中采用該種網(wǎng)絡(luò )拓撲。 實(shí)現超低功耗即可延長(cháng)節點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò )的壽命。節點(diǎn)的能量消耗有3方面：傳感器件數據采集、微控制單元的數據存儲與處理和無(wú)線(xiàn)模塊數據接收/發(fā)射。其中能量消耗最大的是在射頻信號發(fā)射過(guò)程中，因此必須合理地前切換芯片收發(fā)，并設置節點(diǎn)休眠與喚醒狀態(tài)，以最大限度降低能量消耗。 結語(yǔ) 基于msp430的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計在小規模實(shí)驗中表現出良好穩定的效果，可在特殊環(huán)境下實(shí)現監測區域內信號的采集傳輸與處理，伴隨無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的成熟和新的能量解決方案的提出，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用必將生活環(huán)境監測、醫療保健、空間探索和災害預測等各領(lǐng)域。 |
