王 超，李 翔，袁向全，劉蘊絡(luò)

(1.北京科技大學(xué)信息工程學(xué)院，北京100083;2.西部礦業(yè)股份有限公司，青海 西寧810001)

0 引言

礦井的安全生產(chǎn)一直是備受關(guān)注的，通過對井下的安全生產(chǎn)環(huán)境進行實時的監(jiān)測，可以提前有效地發(fā)現(xiàn)危險，提高生產(chǎn)安全管理水平。本文介紹了一種基于CC1110的井下無線傳感器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，給出了網(wǎng)絡(luò)中信息采集節(jié)點和傳輸節(jié)點的硬件構(gòu)成方法、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的構(gòu)成。該網(wǎng)絡(luò)是基于多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)，通過部署在監(jiān)測區(qū)域的大量微型傳感器節(jié)點，協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并經(jīng)由網(wǎng)關(guān)發(fā)送到數(shù)據(jù)庫中，以便綜合分析預(yù)警［1］。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)中，傳感器節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)中最基本的單元，是構(gòu)成WSNs的基礎(chǔ)［2］。本文采用CC1110芯片設(shè)計WSNs節(jié)點，構(gòu)建礦井下WSNs。網(wǎng)絡(luò)中有2種節(jié)點，終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點和數(shù)據(jù)匯聚傳輸節(jié)點。數(shù)據(jù)采集節(jié)點和數(shù)據(jù)匯聚傳輸節(jié)點都采用了以CC1110芯片為核心，配合無線通信電路而構(gòu)成的無線通信模塊。數(shù)據(jù)采集節(jié)點在無線通信模塊的基礎(chǔ)上增加了各種傳感器;而數(shù)據(jù)接收傳輸節(jié)點則在無線通信模塊的基礎(chǔ)上增加了存儲芯片、串行通信電路等，以便數(shù)據(jù)的存儲以及與網(wǎng)關(guān)的相連。

1.1 無線通信模塊設(shè)計

TI公司的CC1110芯片是一種包含了射頻單元的單芯片無線傳感器模塊，內(nèi)嵌了加強型51內(nèi)核單片機，8通道8～14 bit A/D轉(zhuǎn)換器、位定時器、串口及多個 IO接口［3］。芯片功耗極低，工作溫度范圍為－40～85℃，可在惡劣環(huán)境工作，如礦井下等。

1.2 射頻模塊設(shè)計

CC1110芯片的RF性能優(yōu)異，可用頻率范圍為300～348 MHz，391～464 MHz和 782～ 928 MHz，最大輸出功率可達10 dBm，最大數(shù)據(jù)率可達500 kbps，可以選擇2—FSK，GFSK，MSK等多種調(diào)制方式。對于礦井下的WSNs，考慮到傳輸性能和井下的獨立性，采用的頻率為915 MHz，傳輸速率選擇250 kbps和2—FSK調(diào)制。該頻點傳輸性能最好，并且對其他設(shè)備沒有影響［4］。除器件選擇高速的電容器和電感器外，在設(shè)計PCB的版圖時，特別注意了PCB布局的對稱性和阻抗的控制。制板前，通過仿真保證了信號的完整性。選擇了915MHz的外接天線。這些措施保證了射頻部分良好的傳輸性。

1.3 傳感器設(shè)備的接入

數(shù)據(jù)采集節(jié)點是在無線通信模塊的基礎(chǔ)上外接了傳感器。傳感器的信息經(jīng)過CC1110的A/D采集后變?yōu)閿?shù)字信號，發(fā)送給數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點可以根據(jù)礦井下的實際需要選擇合適的傳感器，如，溫度、濕度、甲烷含量、氧氣含量、壓強等。傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點的設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 傳感器節(jié)點框圖Fig 1 Block diagram of sensor nodes

2 無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

在無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計上，采用了SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它是由TI公司推出的，針對簡單、小型RF網(wǎng)絡(luò)的，專有低功耗RF協(xié)議，能在CC1110控制器上收發(fā)運行，適合用來設(shè)計小型WSNs。

2.1 SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的模塊包括網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)中心、跳頻、范圍擴展、加密、低功耗網(wǎng)絡(luò)。協(xié)議主要分為3層:應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和硬件邏輯層，加密在網(wǎng)絡(luò)層處理。硬件邏輯層包括射頻層(radio)和板級驅(qū)動包(BSP)。不存在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的物理層(PHY)和數(shù)據(jù)鏈路層(MAC/LLC)，數(shù)據(jù)直接從射頻層接收，板級驅(qū)動包提供了射頻層與網(wǎng)絡(luò)層的通信接口。

2.2 SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

SimpliciTI支持2種基本網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜忘c對點對等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，同時支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽U展，即在星狀網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，使用范圍擴展設(shè)備使網(wǎng)絡(luò)擴展為串狀網(wǎng)絡(luò)［5］。本文網(wǎng)絡(luò)設(shè)計并沒有使用范圍擴展設(shè)備，而是通過串口實現(xiàn)在不同子網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，達到構(gòu)建主干網(wǎng)的目的。

2.3 數(shù)據(jù)幀格式

數(shù)據(jù)幀大小為:最小22字節(jié)，最大74字節(jié)。其中，數(shù)據(jù)長度，目的地址，源地址，PORT，設(shè)備信息，交換記錄，有效數(shù)據(jù)等進行CRC校驗。有效數(shù)據(jù)載荷為0～52字節(jié)，如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀格式Tab 1 Format of data frame

對于幀中的有效數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器和網(wǎng)關(guān)部分的設(shè)計，將其長度設(shè)置為14字節(jié)，各個數(shù)據(jù)位分別為G，子網(wǎng)號，n，節(jié)點號，溫度，濕度，瓦斯，壓強，氧氣，數(shù)據(jù)所占字節(jié)數(shù)，如表2所示。

表2 有效數(shù)據(jù)格式Tab 2 Format of valid data

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件主要包含兩部分，數(shù)據(jù)匯聚傳輸節(jié)點，也叫數(shù)據(jù)中心(access point，AP)設(shè)計，數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(end device，ED)設(shè)計。

3.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2中只給出了2個子網(wǎng)和1個網(wǎng)關(guān)，通過網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)進入互聯(lián)網(wǎng)，并傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的服務(wù)器。該拓?fù)鋱D中，單個子網(wǎng)使用星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?號子網(wǎng)的AP在接收了2個ED-S所采集的傳感器數(shù)據(jù)后，將其依次發(fā)送至該子網(wǎng)中的ED-R。ED-R并沒有承擔(dān)一般終端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀的任務(wù)，而是接收本子網(wǎng)中AP發(fā)送的數(shù)據(jù)幀。ED-R將收到的數(shù)據(jù)存入Buf中，整個Buf中的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到1號子網(wǎng)的AP上，同時1號子網(wǎng)的AP也接收本子網(wǎng)中的ED-S發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，再將所有數(shù)據(jù)依次發(fā)至ED-R上，同樣，這個ED-R將收到的所有數(shù)據(jù)存入Buf，再打包發(fā)送到下一層。這個過程可以一直延續(xù)下去，組建出多個子網(wǎng)構(gòu)成主干網(wǎng)，但需要考慮到節(jié)點的實際數(shù)據(jù)承載能力，應(yīng)根據(jù)實際情況對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行適當(dāng)?shù)男薷摹?/p>

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig 2 Network topology

3.2 數(shù)據(jù)中心(AP)程序設(shè)計

AP進行BSP的初始化，通過SMPL_Init()打開射頻，完成對網(wǎng)絡(luò)部分的初始化工作。建立星狀網(wǎng)絡(luò)，等待ED加入。對串口初始化后，打開串口中斷，等待接收下層子網(wǎng)ED-R通過串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)。其中，定義了結(jié)構(gòu)體Uart_R，用于存放串口接收的數(shù)據(jù)。每次發(fā)送的串口數(shù)據(jù)幀長可以在Framelenth中進行修改。AP中設(shè)置了每個網(wǎng)絡(luò)唯一的4bit JOIN_TOKEN，只有該數(shù)值相同的節(jié)點才能加入這個網(wǎng)絡(luò)，保證了2個AP不會同時對新加入的節(jié)點進行回應(yīng)。JOIN_TOKEN可以在smpl_nwk_config.dat文件中進行修改設(shè)置。成功建立網(wǎng)絡(luò)后，只要未達到AP所能接受的最大連接數(shù)NUM_CONNECTIONS，AP就始終監(jiān)聽是否有終端節(jié)點的連接請求。最大連接數(shù)NUM_CONNECTIONS可在smpl_config.dat中修改設(shè)置。若收到新節(jié)點的加入信息，AP為每個ED分配ID，并向ED發(fā)送應(yīng)答信息。在收到數(shù)據(jù)幀之后，AP根據(jù)ID號將數(shù)據(jù)保存入緩存中，按照先入先出規(guī)則將這些數(shù)據(jù)幀無線發(fā)送至本子網(wǎng)中的 ED-R。為了判斷串口狀態(tài)，定義了結(jié)構(gòu)體 Uart_S，當(dāng)狀態(tài)為“接收完畢RXOVER”或者“定時器關(guān)閉TIMEROVER”時，串口已經(jīng)完成接收工作，可以對數(shù)據(jù)進行處理。由于下層子網(wǎng)ED-R發(fā)送的串口數(shù)據(jù)是成塊發(fā)送，無法直接通過無線發(fā)送，需要重新按照SimpliciTI的數(shù)據(jù)幀協(xié)議格式，將其中的有效數(shù)據(jù)，分為獨立幀結(jié)構(gòu)，分別發(fā)送至ED-R。每次串口工作完畢，都要對Uart_R中數(shù)據(jù)緩存進行清空。程序流程如圖3所示。

圖3 AP主函數(shù)程序流程圖Fig 3 Flow chart of the main function program in AP

3.3 終端節(jié)點(ED)設(shè)計

ED在經(jīng)過BSP，串口等的初始化以后，AP發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的請求，加入成功后同AP進行連接，其流程如圖4所示。

圖4 ED主函數(shù)流程圖Fig 4 Flow chart of the main function()in ED

在星狀網(wǎng)絡(luò)中，ED要加入AP建立的網(wǎng)絡(luò)中，需要向AP發(fā)送連接請求命令。AP允許ED加入并分配ID，對其請求進行應(yīng)答。在主函數(shù)中體現(xiàn)為link to()，其流程如圖5。

圖5 link to()函數(shù)流程圖Fig 5 Flow chart of the link to()function

圖5為一般數(shù)據(jù)采集節(jié)點ED的程序流程，主要負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)，封裝為數(shù)據(jù)幀之后發(fā)送至子網(wǎng)匯聚結(jié)點AP。本設(shè)計中的數(shù)據(jù)采集節(jié)點能分別采集5只傳感器的數(shù)據(jù)，每只傳感器數(shù)據(jù)占用一個片內(nèi)通道，采樣精度為12位，用2個字節(jié)表示。將寄存器ADCCON3設(shè)置為“0x0F+ch”的格式，根據(jù)不同傳感器的通道號，每次可以對相應(yīng)傳感器的數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換。寄存器ADCCON1的EOC位用來指示當(dāng)前轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。一次A/D轉(zhuǎn)換完成后，將轉(zhuǎn)換結(jié)果低八位ADCL存入adc_value［1］，高八位ADCH存入 adc_value［0］，對2個數(shù)據(jù)進行移位處理，最終使得采集到的12位數(shù)據(jù)的高四位存放于adc_value［0］中，低八位存放于adc_value［1］中。在link to()函數(shù)中，讀取這2個數(shù)值，完成對傳感器原始數(shù)據(jù)的采集。

構(gòu)建2個子網(wǎng)，還需要另外一個接收節(jié)點ED-R，該節(jié)點用于接收AP發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀，并將其存入Buf中，通過串口發(fā)送至下一個子網(wǎng)中的AP或者直接發(fā)至網(wǎng)關(guān)，將數(shù)據(jù)交給上層服務(wù)器處理。

對于ED-R的主函數(shù)流程，與其他所有ED相同，只是在link to中，成功分配ID之后，需要進行一些修改，ED-R不需要采集傳感器數(shù)據(jù)，只需將射頻控制IOCTL_OBJ_RADIO設(shè)置為Rx接收狀態(tài)。設(shè)置串口發(fā)送緩存Buf，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)幀后，根據(jù)幀中有效數(shù)據(jù)的子網(wǎng)號G和節(jié)點號n，保存入Buf相應(yīng)位置。處理完畢，通過串口通信將Buf發(fā)送到下個子網(wǎng)AP。設(shè)置計數(shù)器Number，發(fā)送10次之后，清空整個Buf，滿足數(shù)據(jù)的實時更新要求。這部分流程圖如圖6所示。

圖6 ED-R link to()流程圖Fig 6 Flow chart of the link to()in ED-R

4 測試結(jié)果

設(shè)計的CC1110傳感器節(jié)點在傳輸距離為30 m，通信頻率為915 MHz，調(diào)制方式2-FSK，速率為250 kbps時進行了測試，測試結(jié)果如表3所示。

表3 測試結(jié)果Tab 3 Results of tests

由測試結(jié)果可以看出:節(jié)點在5個不同的發(fā)射功率設(shè)定下，通過無線收發(fā)數(shù)據(jù)，均能保證低丟包率和錯誤率，具備較高的可靠性。

5 結(jié)束語

基于CC1110設(shè)計的井下WSNs，經(jīng)過多節(jié)點多子網(wǎng)的組網(wǎng)測試，達到預(yù)期目標(biāo)。底層傳感器節(jié)點采集各種井下的環(huán)境和設(shè)備參量數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，并經(jīng)由網(wǎng)關(guān)發(fā)送到遠(yuǎn)端的監(jiān)控平臺，達到了遠(yuǎn)程實時監(jiān)測的目的，保障了生產(chǎn)安全。

［1］任豐原，黃海寧，林 闖.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［J］.軟件學(xué)報，2003，14(7):1282－1291.

［2］Mondinelli F，ltM Z，Sajna K.Self-localizing sensor network architectures［J］.IEEE Transaction on Instrumentation and measurement，2004，53(2):277－283.

［3］Texas Instruments CC1110 Datasheet［EB/OL］.［2008—07—11］.http:∥focus.ti.com/lit/ds/symlink/cc1110f 32.pdf.

［4］程偉明.無線移動自組網(wǎng)及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.數(shù)據(jù)通信，2002(3):56－58.

［5］李文仲，段朝玉.CC1110/CC2510無線單片機和無線自組織網(wǎng)絡(luò)入門與實戰(zhàn)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)，2008:221－224.