引言
傳感測試技術正朝著多功能化、微型化、智能化、網絡化、無線化的方向發(fā)展。自組織無線傳感器網絡(Self Organizing Wireless Sensor Networks)作為新興技術，是目前國外研究的熱點，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域展現出廣闊的應用前景。早在2003年美國自然科學基金委員會已經斥巨資來支持這方面的研究，并且出現了一些致力于無線傳感器網絡的公司，其中Crossbow公司已推出了Mica系列傳感器網絡產品。國內很多大學現已經開展相關領域的研究，但大部分工作仍處在自組織無線網絡協議性能仿真和硬件節(jié)點小規(guī)模實驗設計階段。本文就國防科技大學傳感器教研室開展可應用于環(huán)境監(jiān)測方面無線傳感器網絡設計與實現進行介紹。
1 無線傳感器網絡硬件設計
無線傳感器網絡模型（如圖1所示）是不同于傳統無線網絡的無基礎設施網，通過在監(jiān)測區(qū)域內隨意布撒大量傳感器節(jié)點（簡稱節(jié)點），由各節(jié)點自行協調并迅速組建通信網絡，在能量利用率優(yōu)先考慮原則下進行工作任務劃分以獲取監(jiān)視區(qū)域信息。網絡的自組織特性體現在當節(jié)點失效或新節(jié)點加入時網絡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，即網絡中的各節(jié)點除具備數據采集功能外兼有數據轉發(fā)實現多跳的路由功能。
圖1 無線傳感器網絡模型
1.1 節(jié)點組成
典型的無線傳感器網絡節(jié)點由數據采集、處理、傳輸和電源4個主要部分組成。傳感探測單元由傳感器進行監(jiān)測區(qū)域內待測對象的信息采集；微控制單元實現數據的分析、處理和存儲等功能；無線傳輸單元負責低功耗短距離節(jié)點間通信；供電單元選取小型化、高容量的電池，以確保節(jié)點的長壽命和微型化。具體節(jié)點設計如圖2和圖3所示。
圖2 無線傳感器網絡節(jié)點結構
（1） 無線傳輸單元
無線收發(fā)模塊選用挪威Nordic公司推出的nRF401芯片。nRF401是工作在ISM頻段433.92 MHz/434.33 MHz的單片無線收/發(fā)一體芯片，是包括了高頻發(fā)射/接收、PLL合成、FSK調制/解調和雙頻道切換等單元的高集成度無線數傳產品。 其最高傳輸速率可達20 Kb/s， 接收靈敏度為-105 dBm，最大發(fā)射功率為10 dBm，較其他類別射頻收發(fā)芯片外圍電路設計簡單。 設計中工作頻率鎖定在434.33 MHz，微控制單元僅須提供四根口線： 收發(fā)狀態(tài)切換TXEN、待機與工作狀態(tài)切換PWRUP和數據通信接口線DIN/DOUT。射頻信號輸出設計采用環(huán)形差分輸出天線。
圖3無線傳感器網絡節(jié)點實物圖片
（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、功耗極低等技術特點的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(jié)能考慮的多種工作模式和對C語言程序設計的支持,使得MSP430系列單片機非常適合于應用在嵌入式系統中。設計中選用帶有Flash存儲器可進行在線編程的MSP430x13x、MSP430x14x系列單片機；外圍模塊有看門狗、定時器A/B、同步/異步串行通信接口、10/12位A/D以及6個8位并行端口等多種組合形式。其實現功能如下：
◇ 操作無線收發(fā)芯片，為nRF401提供工作狀態(tài)控制線和兩條單向串行傳輸數據線；
◇ 實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，以減少網絡傳輸的負載和對無線傳輸數據的封裝與驗證；
◇ 應答遠控中心查詢，完成數據的轉發(fā)與存儲；
◇ 區(qū)域內節(jié)點的路由維護功能；
◇ 節(jié)點電源管理，合理地設置待機狀態(tài)，以節(jié)省能量消耗，延長節(jié)點使用壽命。
（3） 傳感探測單元
根據實際需要選擇合適傳感器對監(jiān)測區(qū)域內溫度、濕度、振動、聲音和光線等物理信號進行測試。實驗設計選用了兩種外圍電路簡單的數字式傳感器、光敏器件和駐極體話筒，分別對振動、溫度、光強和聲音進行探測。
◆ AD公司的ADXL202是雙軸向加速度傳感器。其采用先進的MEMS技術，在同一硅片中刻蝕了一個多晶硅編碼微機械傳感器，集成精密的信號處理電路，可測靜態(tài)及動態(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～+2 g，測試帶寬為0.01 Hz～5 kHz（外置單電容可調），60 Hz帶寬下分辨率為5 mg。該傳感器可廣泛應用于慣性導航、地震監(jiān)測、車輛安全和電池供電設備的運動狀態(tài)測試等領域。
◆ Maxim公司的DS18B20是一線式數字溫度傳感器。測量結果可選用9～12位串行數據輸出，測量范圍為-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。當受到一定波長范圍的光照時，其阻值（亮電阻）急劇減小，電流迅速增加，通過參考電阻分壓后進行A/D采樣即可獲得光敏電阻的阻值，進而換算出光照強度。
◆ 駐極體話筒HX034P是電容式微麥克風。輸入信號為聲音信號，輸出信號經MAX4466構成的前置放大電路后進行電壓值A/D采樣，處理器的A/D采樣頻率可達200 kHz，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線傳感器網絡節(jié)點，能夠實現溫度、加速度（震動）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，因此在實驗中不作精確標定；另外對聲音信號的捕獲和復現需要進行大量的數據處理，從能量利用和傳感器節(jié)點功能的精簡角度考慮，實驗中對聲光強弱的探測通過設定閾值來給出布爾型（0或1）輸出。
（4） 供電單元
實現節(jié)點設計的微型化，節(jié)點可采用輸出電壓3.6 V可充電鋰離子紐扣電池LIR2032供電。該類電池自放電率小于10%/月，但額定容量較小，限制了節(jié)點的生存期。若以兩節(jié)普通5號AA電池供電，則可維持更長的工作時間。在以網絡形式工作狀態(tài)下，通過合理的設置節(jié)點發(fā)射機的接收、發(fā)射以及待機狀態(tài)，可有效地延長節(jié)點的使用壽命。針對節(jié)點供電單元不便于更換的無線傳感器網絡，新的能源解決方法研究及網絡系統的低功耗設計也是當前值得關注的課題。
1.2 sink點（數據匯集點）設計
傳感探測網絡內的信息與外部網絡或處理中心的連接需要通過sink點來實現。sink點是無線傳感器網絡與有線設備連接的中轉站，負責發(fā)送上層命令（如查詢、分配ID地址等）、接收下層節(jié)點的請求和數據，具有數據融合、請求仲裁和路由選擇等功能，是無線傳感器網絡中最重要的一部分。設計中sink點由上位PC機與無線通信適配單元組成，如圖4所示。無線收發(fā)模塊仍采用nRF401芯片配以環(huán)形差分天線。以3 V電壓供電，TTL與RS232電平轉換單元選用MAX3316芯片。該芯片在2.25～3.0 V供電即可實現兩通道雙向電平轉換，可直接操作nRF401芯片串行數據線DIN/DOUT、控制線TXEN。但實驗結果表明，該設計方式中上位PC機通過API函數調用或串口控件方式來操作口線會產生較高的誤碼率，須涉及更底層的寄存器操作才能高效地實現數據提取。這無疑增加了設計的復雜性，故sink點在實際制作中選用具備2路UART通道的MSP430F149芯片作為無線與有線串行傳輸的連接與處理單元，實現數據初級的封裝與分解，為上位機提供便攜的接口方式。
圖4 無線傳感器網絡sink點模型
2 軟件設計流程
傳感器節(jié)點的處理器MSP430系列單片機支持C語言程序設計，適用于MSP430系列的C語言與標準C語言兼容程度高，大大提高了軟件設計開發(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(jié)點的工作流程圖。
圖5 無線傳感器網絡節(jié)點工作流程圖
上位PC機作為控制中心必須具備網絡喚醒、數據處理、路由維護功能，C++ Builder、Delphi和微軟的Visual Basic都是可選的快速開發(fā)工具。上層軟件功能由Delphi實現，圖6為無線傳感器網絡探測系統框圖。
圖6 無線傳感器網絡探測系統框圖
考慮到點對點通信的可靠性，數據在底層無線傳輸中需要增加必要的協議規(guī)范。設計中對有效數據進行打包，格式為： 前導碼、地址、有效數據載荷、校驗碼。針對nRF40x系列芯片，按廠家建議在支持UART方式下使用0x55FF(十六進制)作為“前導碼”；“地址”作為不同應答點的標識；“有效數據載荷”則包含滿足上層設計協議格式的數據包，該部分需根據應用要求盡量減小數據包長，以縮短該數據包在傳輸鏈路的生存期，數據包末尾增加“校驗碼”可以驗證數據的有效性，CRC（循環(huán)冗余碼）是一種簡單易行的處理方法，數據封裝與處理全部由微控制單元實現。
3 組網技術研究
對應nRF401使用的434.33 MHz頻點,在組網設計中通信方式采用TDMA（時分復用）方式：sink點分時段對網絡中節(jié)點進行查詢，若節(jié)點有突發(fā)事件探測，則隨機選擇空閑時隙將數據上傳。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)再進行數據傳輸，因此各節(jié)點在通信過程中必須避免長時間對信道的占用。
網絡的可靠性和高效性關鍵是合理的通信協議設計，SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation)是以數據為中心的自適應路由協議，通過協商機制來避免數據傳輸過程中的“內爆”和“重疊”問題，傳感器各節(jié)點只有在相應的請求時，才有目的地發(fā)送數據信息。SPIN協議中有3種類型的消息： ADV廣播數據發(fā)送、REQ請求數據接收和DATA數據封裝。
自組織無線傳感器網的網絡拓撲可分為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。② 基于網(Mesh)的平面結構。在這種結構下傳感器網絡連成一張網，臨近節(jié)點直接通信；在個別鏈路和傳感器節(jié)點發(fā)生失效時不會引起網絡分立。③ 基于鏈(Chain)的線結構。在這種結構下傳感器節(jié)點被串聯在一條或多條鏈上，鏈尾與用戶節(jié)點相連。由于鏈型結構更易于在網絡初始化中實現，因此設計中采用該種網絡拓撲。
實現超低功耗即可延長節(jié)點和網絡的壽命。節(jié)點的能量消耗有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線模塊數據接收/發(fā)射。其中能量消耗最大的是在射頻信號發(fā)射過程中，因此必須合理地切換芯片收發(fā)，并設置節(jié)點休眠與喚醒狀態(tài)，以最大限度降低能量消耗。
結語
基于MSP430的無線傳感器網絡設計在小規(guī)模實驗中表現出良好穩(wěn)定的效果，可在特殊環(huán)境下實現監(jiān)測區(qū)域內信號的采集傳輸與處理。伴隨無線自組織網絡技術的成熟和新的能量解決方案的提出，無線傳感器網絡的應用必將廣泛深入環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、空間探索和災害預測等各領域。