摘? 要: 針對ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大都不考慮多信號采集實時傳輸應(yīng)用的情況，提出一種針對多傳感器信號無線實時傳輸?shù)臅r分快傳算法。該算法先對傳感器信號進(jìn)行統(tǒng)計分析以提取特征值，然后結(jié)合時分多址進(jìn)行快傳，完成多個傳感器信號的實時傳輸功能;在ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中利用該算法可以實現(xiàn)多個傳感器信號實時采集，并能在接收端恢復(fù)及監(jiān)測信號。
關(guān)鍵詞: ZigBee;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);信號采集;信號重現(xiàn)
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在油田開發(fā)中，鉆井是一項高投入、高風(fēng)險的工程，為了能很好地掌握鉆井的工作狀態(tài)，需要幾十個傳感器在不同點上對油田鉆井工作進(jìn)行實時監(jiān)測。目前主要利用有線方式進(jìn)行傳感器監(jiān)測。然而，鉆井隊鉆完一口油井后需要轉(zhuǎn)入下一口井繼續(xù)工作，這就需要拆卸、安裝鉆井裝置以及監(jiān)控儀器;另外監(jiān)測中心與鉆井塔臺存在一定的距離，現(xiàn)場布線很不方便，系統(tǒng)有線傳輸?shù)谋锥吮┞稛o遺。因此，無線傳輸替代有線傳輸成為迫切的需求。
基于ZigBee[1-2]協(xié)議的低功率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)過程控制領(lǐng)域涌現(xiàn)的最具吸引力的技術(shù)之一。它除了具有功耗低、成本低、復(fù)雜度低、組網(wǎng)能力強(qiáng)等優(yōu)點外，還因為采用碼相位移位鍵控CPSK(Code Phase Shifting Keying)擴(kuò)頻技術(shù)，而具有一定抗干擾能力。目前它主要用于工業(yè)控制、消費電子、汽車自動化、物業(yè)自動化管理、醫(yī)用設(shè)備監(jiān)控和定位等對實時性要求不高，或雖然實時性要求較高，但只傳少量信息的傳感器系統(tǒng)[3-5]。如果要對多個傳感器信號全速采集并實時傳輸，需要改進(jìn)現(xiàn)有的ZigBee傳輸方式。
本文提出一種時分快傳算法。該算法首先對信號進(jìn)行統(tǒng)計分析提取信號特征值，然后進(jìn)行定時快傳。針對區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，提出一種低復(fù)雜度系統(tǒng)同步方法，即先基于TDMA時分多址(Time Division Multiple Access)原理，將一個周期劃分為n個時隙以便于定時傳輸多個傳感器信號，然后利用信標(biāo)完成區(qū)域內(nèi)設(shè)備時鐘同步;在此基礎(chǔ)上各發(fā)送器按照次序在各自時隙將已經(jīng)采集好一個周期的低速傳感器信號進(jìn)行高速傳輸，而接收端對接收信號采用定時復(fù)現(xiàn)技術(shù)從而實現(xiàn)多傳感器信號重現(xiàn)，實現(xiàn)實時、準(zhǔn)確監(jiān)測目的;同時系統(tǒng)利用頻分多址FDMA(Frequency Division Multiple Access)技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展，實現(xiàn)對更多的傳感器信號實時傳輸。
1 多傳感器信號實時傳輸系統(tǒng)
????利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)傳感器信號的無線實時傳輸一般采取三種處理方法。第一種是先對所有傳感器信息全部處理，只傳監(jiān)控需要的信息。其優(yōu)點是所傳信息量較少，對網(wǎng)絡(luò)傳輸實時性要求較低;其缺點是還需要其他處理器進(jìn)行信息處理，這不但增加費用和功耗，而且體積增大，不利于在鉆井平臺布局。第二種方法是對所有傳感器信號采樣后實時傳輸。由于ZigBee屬于低速傳輸類型，雖然最高速率可達(dá)250kb/s，但由于幀頭等開銷，其實際最高傳輸速率約110kb/s，而絞車傳感器響應(yīng)頻率為1.5kHz。為較好地恢復(fù)該信號，采用10倍以上采樣速率，如果用8位的A/D采樣位數(shù)，則傳輸速率最低要求達(dá)到:
Vlow=1.5×10×8=120kb/s
這一要求超出了ZigBee的傳輸能力。第三種方法對傳感器信號加以分析，進(jìn)行針對性傳輸。傳感器信號分為脈沖傳感器和模擬傳感器，其中模擬傳感器一般工作頻率較低，工作頻率為100Hz;脈沖傳感器工作頻率有的較高，但由于是脈沖數(shù)字信號，幅值一定，可以先統(tǒng)計脈沖信息，再定時快傳統(tǒng)計信息，這將大大降低對傳輸速率的要求。
當(dāng)有多個傳感器信號需傳輸時，如果采用一對一的方式收發(fā)，則接收設(shè)備較多。這一方面增加了系統(tǒng)成本，另一方面增加了接收端數(shù)據(jù)集線器的連線數(shù)，不利于數(shù)據(jù)采集。根據(jù)上面分析，假設(shè)模擬傳感器信號采樣頻率為10倍工作頻率，采用8bit采樣，則一路傳遞速率為:
V=100×10×8=8kb/s
因此只要規(guī)劃好時隙，就可以用一個接收機(jī)接收多路信號，從而實現(xiàn)多路實時傳輸。對于工作頻率較高的脈沖傳感器，可以占用多個時隙進(jìn)行傳輸，也可以采用先對脈沖信號進(jìn)行統(tǒng)計，以速率較高的絞車傳感器為例，它通過兩路含90°相位差的脈沖信息來表示鉆機(jī)的運行方向和距離等，而通過含ZigBee的單片機(jī)較易統(tǒng)計出它的脈沖信息量，因而傳輸數(shù)據(jù)大為減少，這里選擇后一種方式。
通過以上方法可以大大減少接收機(jī)的數(shù)量。但是在傳感器數(shù)量較多時，總的傳輸速率將超過信道容量，這時用一個接收機(jī)顯然不可能實時接收。例如傳20路模擬信號，需要8×20=160kb/s，同時還需要考慮同步開銷，以及傳輸過程中可能受到的干擾等因素，因而無法做到多傳感器實時傳輸。在這種情況下可以利用FDMA進(jìn)行傳輸， ZigBee具有16個同帶寬的信道，在不同信道傳輸?shù)男盘柕南嗷ジ蓴_可以忽略。根據(jù)以上分析，本系統(tǒng)提出了如圖1所示的多傳感器信號無線實時傳輸?shù)南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)。
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系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)構(gòu)成，子系統(tǒng)由一個接收機(jī)和若干個發(fā)送端組成，采用“星形”網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞绞竭M(jìn)行構(gòu)建。其中接收端為主，發(fā)送端為從，同一個子系統(tǒng)的接收端與發(fā)送端在同一信道上，不同子系統(tǒng)的信道不同，通過FDMA以保證處理更多的傳感器信號。在同一個子系統(tǒng)內(nèi)，基于時分快傳的算法進(jìn)行通信，它先實現(xiàn)各子系統(tǒng)內(nèi)同步，然后按次序利用不同的時間片快速傳輸?shù)退俾蕚鞲衅餍盘?。主控端通過數(shù)據(jù)集線器與各接收機(jī)相連，它利用定時處理方法恢復(fù)出原始的傳感器信號，這樣可以在主機(jī)端實時監(jiān)測到不同傳感器信息。下面將介紹用到的關(guān)鍵技術(shù)。
2 關(guān)鍵技術(shù)
2.1 傳感器時分速傳信號采集算法
鉆井平臺采用的模擬傳感器信號工作頻率一般不高于100Hz，如果采用通常的即采即傳方案，它在A/D采樣到一個樣點就進(jìn)行傳輸，接收端收到后就直接輸出，保證了單個點對點實時傳輸，從而可保證低速傳感器信號在接收端重現(xiàn)。但其缺點也顯而易見，即對于較高速率的采樣信號的無法實時傳輸，而且，如果有多個傳感器需同時傳輸，就可能因相互沖突造成延遲。由于它是定時傳輸，對時延有一定要求，所以甚至有可能丟失數(shù)據(jù)，這也是目前ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要只用于網(wǎng)絡(luò)非實時控制的原因。它只傳輸控制信號，數(shù)據(jù)量相對少得多，即使沖突，通過載波偵聽，也可以保證短時間到達(dá)接收方。
針對以上問題，本文提出利用ZigBee快速傳輸實現(xiàn)實時傳輸傳感器信號。以模擬傳感器信號為例，一路信號只要保證最低傳輸速率8kb/s就可以實現(xiàn)信號實時采樣和收端重現(xiàn)功能。由于ZigBee實際最高速率可以達(dá)到110kb/s，并且一幀最多可攜帶107B信息，如果短時先預(yù)存采樣好的數(shù)據(jù)，再利用ZigBee高速傳輸，可以保證系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)快速到達(dá)接收端;在接收端設(shè)置與發(fā)送端采樣數(shù)據(jù)一致的定時器，定時向外發(fā)送數(shù)據(jù)，就可以實時重現(xiàn)信號。對于速率較高的脈沖信號，由于脈沖的幅值一般不變，以絞車傳感器為例，在測量到兩路方波脈沖信號的相位差和個數(shù)，這樣只要統(tǒng)計它們的信息，再定時傳輸，接收端既可統(tǒng)計，也可恢復(fù)出該路信號，解決了較高速傳感器信號實時傳輸問題。
由于這里ZigBee傳輸速率遠(yuǎn)高于采樣速率，可以利用分時快傳算法實現(xiàn)一個ZigBee接收機(jī)接收多路ZigBee發(fā)送端傳來的信息。它預(yù)先在子系統(tǒng)內(nèi)按照主從方式構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，接收端為主，各發(fā)送端為從;子系統(tǒng)內(nèi)在建立同步后，各傳感器發(fā)射端預(yù)先編好次序，在規(guī)定的時間發(fā)送數(shù)據(jù)。為了保證可靠傳輸，設(shè)計時需要保證為各傳感器的傳輸時間預(yù)留一定的保護(hù)時隙。
2.2 基于信標(biāo)的同步方案算法
采用時分速傳可以實現(xiàn)多路傳感器信號的實時傳輸，前提是同步。如果系統(tǒng)沒有同步，則可能造成同一頻段上多個傳感器信號相互之間出現(xiàn)嚴(yán)重的碰撞，從而丟失信息，因此子系統(tǒng)同步顯得格外重要。目前用于無線傳感器的時鐘同步算法[6-7]較多，有RBS同步算法、TPSN算法、DMTS算法和FTSP算法等，其中基于FTSP算法同步開銷小、精度高、協(xié)議最簡單。但它們主要針對大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)相對復(fù)雜，這將消耗部分系統(tǒng)資源;針對星形網(wǎng)絡(luò)，可以采用易于實現(xiàn)的時分-信標(biāo)同步方法，如圖2所示。其中接收機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)同步處理，各發(fā)送機(jī)積極應(yīng)答同步信號。實現(xiàn)過程為:先將一個周期分成n個時隙，接收機(jī)占用第一個時隙用于發(fā)送信息，其余各發(fā)送機(jī)分配相應(yīng)時隙，以便于發(fā)送采樣數(shù)據(jù);同步幀由信標(biāo)和同步標(biāo)志等信息構(gòu)成，系統(tǒng)未同步上時，相應(yīng)同步標(biāo)志為未同步標(biāo)志‘0’，接收機(jī)在第一時隙發(fā)出同步幀;各傳感器信號發(fā)送機(jī)若接收到信標(biāo)，啟動定時器，按照事先規(guī)定好次序，考慮到信道延時、發(fā)送時間和接入時間，在相應(yīng)的時隙回傳應(yīng)答信號。接收機(jī)對收到信息進(jìn)行處理，在確認(rèn)所有發(fā)射端全部同步后，在下一周期第一個時間片所發(fā)的同步幀中設(shè)置系統(tǒng)同步信標(biāo)。如果有設(shè)備沒有被同步，則繼續(xù)同步過程，此時系統(tǒng)同步標(biāo)志位為未同步標(biāo)志，直到系統(tǒng)被全部同步為止。
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2.3 FDMA擴(kuò)容
以上技術(shù)解決了多個傳感器信號實時傳輸?shù)膯栴}，但是由于監(jiān)測點往往超過20個，如果在同一信道上傳輸，根據(jù)以上分析，總的傳輸速率將超過信道容量，這就導(dǎo)致無線傳輸信號相互碰撞，使數(shù)據(jù)傳輸延遲，甚至丟失數(shù)據(jù)。解決方法是使用FDMA技術(shù)。根據(jù)ZigBee協(xié)議，F(xiàn)DMA共有16個信道，雖然接收機(jī)和發(fā)送機(jī)需要工作在同一個信道，但是可以預(yù)先組合好各子系統(tǒng)。如圖1所示，不同子系統(tǒng)采用不同信道，這樣一方面降低同一信道上最大傳輸速率，另一方面可以增加傳輸容量。
3 系統(tǒng)實現(xiàn)方案
在實際設(shè)計中，選用TI公司的CC2430[8]作為無線傳輸模塊，該芯片工作頻率為32MHz。它除了射頻收發(fā)器外，還包括增強(qiáng)型8051MCU、A/D采樣電路、DMA、看門狗等。由于外圍器件少，大大簡化了硬件設(shè)計。如圖3所示，CC2430芯片完成虛框內(nèi)A/D采樣，數(shù)據(jù)緩存和定時速傳功能，對于傳感器信號，先經(jīng)過光電耦合以防止強(qiáng)干擾信號，如果傳感器信號是模擬的，將它與含A/D采樣的P0_0管腳相連，A/D硬件電路自動高速采樣，并將采樣值存放到特定寄存器中，這時可利用定時器0定時讀取。這里設(shè)讀取頻率為1kHz，8bit采樣，利用乒乓方式傳遞，兩個緩存數(shù)組各為100B，當(dāng)存滿一組數(shù)組后，設(shè)置該組滿標(biāo)志位，并清除下一數(shù)組的滿標(biāo)志位，同時將地址指針指向下一組數(shù)組起始位置;Timer2用于定時發(fā)送，當(dāng)?shù)竭_(dá)規(guī)定時間，Timer2中斷觸發(fā)DMA傳輸，發(fā)送端將滿標(biāo)志位數(shù)組數(shù)據(jù)發(fā)送出。對于較高速的數(shù)字脈沖信號，將信號接PIO口，通過邊沿中斷方式進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)計時到一個周期時，將該數(shù)據(jù)發(fā)送出去，同時將計數(shù)器清零，以便重新計數(shù)。接收端收到數(shù)據(jù)后，通過高速串口卡上傳給工控機(jī)，工控機(jī)接收到數(shù)據(jù)后利用定時處理機(jī)制，在顯示終端顯示結(jié)果，同時通過這些數(shù)據(jù)可以實時監(jiān)測鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)。
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????在設(shè)計中需要處理好各定時器的設(shè)置，以采樣模擬傳感器信號為例，通過以上分析知，定時器0的時間周期為1/1K=0.001s，則一個周期時間T=100/1K=0.1s，它也是定時器2的時間周期，在定時器中斷后DMA傳輸期間應(yīng)該保證定時器1寫入的數(shù)組還處于另一個數(shù)組。這里就有一個時間差的計算設(shè)計問題，如果設(shè)計不好，就有可能出現(xiàn)同一個數(shù)組被A/D采樣后數(shù)據(jù)輸入的同時被DMA方式讀取。這是因為DMA速度快造成發(fā)出的數(shù)據(jù)一部分是剛存的，一部分是以前的，從而造成數(shù)據(jù)混亂。可以采用圖4所示的發(fā)送端定時器，收到同步幀信號后，先根據(jù)發(fā)送時間設(shè)置用于發(fā)送數(shù)據(jù)的Timer2定時器初值，設(shè)置允許中斷標(biāo)志位;然后設(shè)置延遲定時器T1，它決定了用于A/D采樣的定時器0的開啟時間，目的是保證利用Timer0定時器中斷讀取A/D采樣的數(shù)據(jù)在向當(dāng)前數(shù)組剛存放一小部分?jǐn)?shù)據(jù)時，Timer2中斷來時DMA讀取的是另一個數(shù)組。由于DMA傳輸快，故它傳完另一個數(shù)組的數(shù)據(jù)時，當(dāng)前數(shù)組還沒被Timer0中斷讀取A/D采樣值的數(shù)據(jù)存滿。
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本文提出并完成一種用于多點傳感器信號無線實時傳輸?shù)南到y(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)采用時分快傳的算法，在系統(tǒng)同步的基礎(chǔ)上實現(xiàn)監(jiān)測鉆井的多個傳感器信號實時傳輸，從而實現(xiàn)接收端實時監(jiān)控的目的。由于采用ZigBee技術(shù)，系統(tǒng)成本較低，無協(xié)議專利費支出，同時功耗較低。該算法可適合于其他低速實時網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。
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