于金濤,韓 軻,姜海濤,李俊玲,丁明理,李 云

(哈爾濱商業(yè)大學(xué)計算機(jī)信息與工程學(xué)院,哈爾濱 150028)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)的目的是協(xié)作地感知、收集和處理傳感器網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息,并傳遞給觀察者[1-3].這種傳感器網(wǎng)絡(luò)集中了傳感器技術(shù)、嵌入式計算機(jī)技術(shù)和無線通信技術(shù)、能協(xié)作地感知、監(jiān)測和收集各種環(huán)境下所感知對象的信息,通過對這些信息的協(xié)作式信息處理,獲得感知對象的準(zhǔn)確信息,然后傳送到需要這些信息的用戶.

一個典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),包括分布式傳感器節(jié)點(diǎn)(群)、接收發(fā)送器、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等[4],如圖1.其中,傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本組成包括如下幾個基本單元:傳感單元(由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成)、處理單元(包括 CPU、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)等)、通信單元(由無線通信模塊組成)以及電源.這些節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò),以協(xié)作的方式實時感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的信息,并通過多跳網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)經(jīng)由Sink節(jié)點(diǎn)(接收發(fā)送器)鏈路將整個區(qū)域內(nèi)的信息傳送到遠(yuǎn)程控制管理中心[5-8].反之,遠(yuǎn)程管理中心也可以對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實時控制和操縱.

1 CC2430芯片介紹

本文采用集信號采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信于一體的 CC2430芯片作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)的主控單元,開發(fā)具有超低功耗、較強(qiáng)計算能力的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn),最大程度地降低單節(jié)點(diǎn)硬件成本,為最終實用化做準(zhǔn)備.

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本組成

本文所采用的是功能強(qiáng)大的 ZIGBEE無線單片機(jī) CC2430,它是以經(jīng)典 8051微處理器為內(nèi)核的無線單片機(jī),也稱“射頻片上系統(tǒng)”.它集成符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的 2.4 GHz的 RF無線電收發(fā)機(jī);具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性;具有數(shù)字化的RSSI/LQI支持和強(qiáng)大的 DMA功能;它還集成了 14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的 ADC,并且?guī)в?2個強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的 USART,以及 1個符合IEEE 802.15.4規(guī)范的 MAC計時器,1個常規(guī)的16位計時器和 2個 8位計時器.具有高性能和低功耗的特點(diǎn),因而能很好的完成本設(shè)計的要求.

2 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)主要由主節(jié)點(diǎn)、移動節(jié)點(diǎn)及信標(biāo)節(jié)點(diǎn) 3部分組成.如圖2.

圖2 主節(jié)點(diǎn)功能示意圖

2.1 主節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計

主節(jié)點(diǎn)的主要功能是完成信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的整合,以及在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、移動節(jié)點(diǎn)與 PC機(jī)之間相互傳遞信息.當(dāng)無線傳感器的領(lǐng)域擴(kuò)大后,會被劃分成多個小的區(qū)域,而每一個小區(qū)域中的主節(jié)點(diǎn)又充當(dāng)著標(biāo)識該區(qū)域、以及與下一個區(qū)域的主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的作用.

主節(jié)點(diǎn)通過無線方式獲得移動機(jī)器人的當(dāng)前位置、行進(jìn)方向的信息,并通過串口發(fā)送給 PC機(jī);接收 PC機(jī)的指示,并通過無線方式發(fā)送給其他節(jié)點(diǎn).

利用串口可方便地實行主節(jié)點(diǎn)與 PC機(jī)的通信.

PC機(jī)有標(biāo)準(zhǔn) RS-232C串行口,信號電平為RS-232C電平.RS-232C采用負(fù)邏輯,即邏輯“1”為 -5～-15V,邏輯“0”為 +5～+15V.

單片機(jī) CC2430的 P0.2(11)和 P0.3(9)分別為串行數(shù)據(jù)接收端 RxD和發(fā)送端 TxD,接收和發(fā)送信號為 TTL電平.TTL電平的邏輯“1”和邏輯“0”分別為 3V和 0V.

因此單片機(jī)和 PC機(jī)串行通信時,需利用芯片MAX3232進(jìn)行 RS-232C電平和 TTL電平的相互轉(zhuǎn)換,如圖3.將 MAX3232的 7、8腳分別接入 PC機(jī)串口的 2、3腳 ,9、10腳接 CC2430的 P0.2、P0.

3,即可實現(xiàn) PC機(jī)與單片機(jī)的串行通信.

圖3 M AX 3232的應(yīng)用電路

2.2 移動節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計

移動節(jié)點(diǎn)是一個兩輪式機(jī)器人,有兩個主動輪和一個支撐輪,見圖4.主動輪通過直流電機(jī)驅(qū)動可執(zhí)行前進(jìn)、后退轉(zhuǎn)彎等各種姿態(tài)的運(yùn)動.支撐輪在后方,可以作 360°范圍內(nèi)的自由轉(zhuǎn)動,可以維持車體的水平,又不影響運(yùn)動的靈活性.移動機(jī)器人除具有其他節(jié)點(diǎn)所需模塊外,還有運(yùn)動控制模塊控機(jī)器人的各種運(yùn)動,航向控制模塊測出和控制機(jī)器人的航向,導(dǎo)航控制模塊引導(dǎo)機(jī)器人運(yùn)動到目標(biāo)節(jié)點(diǎn),結(jié)構(gòu)圖見圖5.

圖4 移動機(jī)器人實物圖

圖5 移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

2.3 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計

信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的主要功能有 2個:①作為傳感器節(jié)點(diǎn),連接測量各種信號的傳感器,由傳感器感知所需監(jiān)測區(qū)域的所需監(jiān)測變量,并進(jìn)行初步處理,然后通過無線方式發(fā)送給主節(jié)點(diǎn);②作為信標(biāo),通過測量移動節(jié)點(diǎn)的 RSSI值,以確定移動節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位置,及對移動節(jié)點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)航.

因為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)基本相同,因此為區(qū)分各信標(biāo)節(jié)點(diǎn),給它們各自一個不同的標(biāo)識,即為地址,稱為節(jié)點(diǎn)地址或節(jié)點(diǎn) ID.當(dāng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)通信時,其他節(jié)點(diǎn)會根據(jù)這個地址判斷數(shù)據(jù)來自于何節(jié)點(diǎn).

2.4 節(jié)點(diǎn)間的無線通信

CC2430無線單片機(jī)內(nèi)部集成了全部 802.15.4短距離無線通訊標(biāo)準(zhǔn)所需要的高頻電路部分,CC2430的接收器是基于低 -中頻結(jié)構(gòu)之上的,從天線接收的 RF信號經(jīng)低噪聲放大器放大并經(jīng)下變頻變?yōu)?2 MHz的中頻信號.中頻信號經(jīng)濾波、放大,在通過 A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號.自動增益控制,信道過濾,解調(diào)在數(shù)字域內(nèi)完成以獲得高精確度及空間利用率,見圖6.集成的模擬通道濾波器可以使工作在 2.4GHz ISM波段的不同系統(tǒng)良好的共存.在發(fā)射模式下,位映射和調(diào)制是根據(jù) IEEE 802.15.4的規(guī)范來完成的.調(diào)制(和擴(kuò)頻)通過數(shù)字方式完成.

圖6 CC 2430無線接收器

3 實驗及結(jié)果分析

串口通信在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中十分重要,因為串口可以將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與人機(jī)接口聯(lián)系在一起,用戶可以通過 PC機(jī)來觀測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作正常與否.串口的測試分為 3個階段.

1)由 CC2430通過串口發(fā)送一串固定數(shù)據(jù),通過串口調(diào)試助手觀測是否有數(shù)據(jù),及數(shù)據(jù)是否正常.

2)由串口調(diào)試助手發(fā)送一串?dāng)?shù)據(jù),由 CC2430接收后再由串口發(fā)出,然后由串口調(diào)試助手觀測該數(shù)據(jù)是否與剛才發(fā)出的數(shù)據(jù)相同,見圖7.

3)通過 PC機(jī)上的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與主節(jié)點(diǎn)串口通信,用于發(fā)送控制指令和接收各節(jié)點(diǎn) RSSI信息.

經(jīng)過這些調(diào)試后,串口可以正常工作,接收和發(fā)送數(shù)據(jù)一切正常,用戶可以通過 PC機(jī)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對話,控制移動機(jī)器人及獲得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)信息.

圖7 串口助手串口調(diào)試圖

無線通信實驗

無線通信的結(jié)果不容易直接觀測,因此需要通過上面所述的串口通信幫助觀察結(jié)果,具體步驟如下:

1)無線通信模塊上有一紅一綠兩個 LED,其中一個作為發(fā)送指示(紅),另一個作接收指示(綠).當(dāng)無線模塊不工作時,兩個 LED均處于熄滅狀態(tài);當(dāng)無線模塊向外發(fā)送一串?dāng)?shù)據(jù)時,紅燈閃爍1次;當(dāng)無線模塊接收到一串?dāng)?shù)據(jù)時,綠燈閃爍 1次.

2)利用兩個模塊,其中一個(節(jié)點(diǎn) 1)通過串口與 PC機(jī)相連,另外一個(節(jié)點(diǎn) 2)與其進(jìn)行無線通信.PC機(jī)利用串口助手向節(jié)點(diǎn) 1發(fā)送一串?dāng)?shù)據(jù),節(jié)點(diǎn) 1通過無線方式將該數(shù)據(jù)發(fā)送給節(jié)點(diǎn) 2,節(jié)點(diǎn) 2收到數(shù)據(jù)后,將該數(shù)據(jù)再由無線方式發(fā)回節(jié)點(diǎn) 1,節(jié)點(diǎn) 1再由串口發(fā)送到 PC機(jī),PC機(jī)通過串口助手可以觀測該數(shù)據(jù)是否與剛才發(fā)送的數(shù)據(jù)相同,如果相同則證明無線收發(fā)成功.

3)各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與移動機(jī)器人無線通線,以獲得移動節(jié)點(diǎn)與各個信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的 RSSI,并通過無線方式發(fā)送給主節(jié)點(diǎn).最后通過串口將 RSSI傳送給PC機(jī),如圖8.

經(jīng)過實驗,節(jié)點(diǎn)間的無線通信工作正常,可以準(zhǔn)確、高速、穩(wěn)定的傳輸所需發(fā)送的數(shù)據(jù).本節(jié)點(diǎn)設(shè)計小巧、方便,具有較強(qiáng)的實用推廣價值.

圖8 無線接收的RSSI在PC機(jī)上顯示圖

[1] SIBLEY G T,RAHIMIM H,ROBOMOTEG S.A Tiny Mobile Robot Platform for Large-Scale Ad-hoc SensorNetworks[C]//Proceedingsof the 2002 IEEE International Conferenceon Robotics and Automation,Washington D.C.,USA,May,2002:1143-1148.

[2] MCMICKELL M B,GOODWINE B.A Robotic Platform for Large-Scale Distributed Robotics[C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation.Taipei,Taiwan,2003:1600-1605.

[3] BERGBREITER S,PISTER K SJ.An Off-the-shelf Platform for Distributed Robotics[C]//Proceedingsof the IEEE/RSJ.International Conference on Intelligent Robots and Systems.Las Vegas,Nevada,USA,2003:1632-1637.

[4] AKYLIDIZ I,SUW.Wireless sensor networks:A survey[J].Computer Networks,2002,38(4):393-422.

[5] 趙 海,趙 杰,劉 錚,等.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].東北大學(xué)學(xué)報,2009,30(6):809-812.

[6] 秦 嶺,胡榮強(qiáng),李知踐.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)節(jié)能研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2009,31(3):369-371.

[7] 陳 娟,李長庚,寧新鮮.基于移動信標(biāo)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2009,22(1):121-125.

[8] 王立凱,王麗梅.基于 R-Tree結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)歷史查詢研究[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2008,24(5):557-561.