楊林舉 詹宜巨 王榮杰

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合了無線通信、計(jì)算機(jī)、傳感器和微電子等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，由傳感器節(jié)點(diǎn)和讀寫器組成。傳感器節(jié)點(diǎn)可以感知現(xiàn)實(shí)世界中的物理量，能量有限，工作可靠；讀寫器具有更充足的能量，主要負(fù)責(zé)收集傳感器節(jié)點(diǎn)的信息并發(fā)送到控制終端。安裝有溫度傳感器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)布線靈活、功耗低并能在惡劣環(huán)境下工作，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、溫室控制和冷鏈監(jiān)控等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域已經(jīng)有國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究工作，并取得成果。周銘等人設(shè)計(jì)一種超高頻無線溫度傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)的控制芯片采用 LPC938，傳感器采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，精度可以達(dá)到 0.125℃，射頻模塊采用nRF2401，系統(tǒng)使用了硬件本身提供的低功耗功能實(shí)現(xiàn)節(jié)能[1]。梁健等人設(shè)計(jì)一種基于GSM無線傳輸?shù)臏厥覝囟缺O(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用GSM通信方式將溫度信息通過手機(jī)短信發(fā)送給管理人員，管理人員通過手機(jī)短信就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢和參數(shù)修改等功能，該系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)通過有線（RS232總線）通信的方式將采集到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到控制終端[2]。王明合等人設(shè)計(jì)一種基于 Zigbee的溫度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用 PIC18F4580微控制器芯片和CC2420無線芯片搭建，工作于2.4GHz頻段，采用Zigbee協(xié)議組建星形無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過分站節(jié)點(diǎn)將溫度探頭所采集的溫度信息發(fā)送到中心節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)[3]。Hu H.等人設(shè)計(jì)一種基于CC430芯片的無線火災(zāi)探測(cè)器，傳感器節(jié)點(diǎn)包括一氧化碳傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器等多個(gè)類型的傳感器，節(jié)點(diǎn)內(nèi)的軟件包括組網(wǎng)協(xié)議和BP算法等，探測(cè)器的傳感器節(jié)點(diǎn)通過BP算法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，直接判斷是否發(fā)生火災(zāi)[4]。

由 DASH7聯(lián)盟倡導(dǎo)的 DASH7技術(shù)基于ISO18000-7標(biāo)準(zhǔn)，采用433.92MHz的ISM頻段進(jìn)行通信，具有功耗低、通信距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。采用DASH7技術(shù)的無線信號(hào)可穿透墻壁、混凝土和水等物質(zhì)[5]。因此本文采用 DASH7技術(shù)構(gòu)建溫度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。作為DASH7聯(lián)盟的成員，TI公司的CC430系列芯片支持DASH7技術(shù)，其中CC430F5137芯片集成了MSP430微控制器核和CC1101射頻核，采用超低功耗設(shè)計(jì)，支持不超過1GHz頻率的無線通信，并具有射頻發(fā)射功率可調(diào)的功能，非常適合在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用[6]。

本文采用DASH7技術(shù)，以CC430F5137芯片為主控芯片，設(shè)計(jì)出溫度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2 工作原理

本文提出的溫度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示，主要由傳感器節(jié)點(diǎn)和讀寫器組成。讀寫器通過無線通信方式訪問傳感器節(jié)點(diǎn)收集溫度信息，通過 RS232總線與控制終端通信，向控制終端發(fā)送收集到的溫度傳感器數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式應(yīng)答讀寫器，通過AD轉(zhuǎn)換獲取傳感器信息，并將該信息回傳到讀寫器，工作過程如圖2所示。

為了實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)和讀寫器之間可靠、有效、快速地進(jìn)行無線通信，兩者之間需要遵循一定的協(xié)議。傳感器節(jié)點(diǎn)的能量?jī)H由一塊不可充電的電池供應(yīng)，非常有限；而讀寫器的能量來自電網(wǎng)供應(yīng)。本文提出一種通信協(xié)議，也對(duì)通信中的能量消耗進(jìn)行了優(yōu)化，將在第四部分介紹此內(nèi)容。

圖1 溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)工作流程

3 硬件設(shè)計(jì)

讀寫器和傳感器節(jié)點(diǎn)均選用 CC430 F5137，CC430F5137芯片內(nèi)部包含 16位的微控制器核MSP430和射頻核CC1101，兩者之間通過專用的命令和數(shù)據(jù)通道進(jìn)行通信。芯片內(nèi)的UCS統(tǒng)一時(shí)鐘模塊可以向芯片提供三種可用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)：輔助時(shí)鐘 ACLK、主時(shí)鐘 MCLK和子系統(tǒng)主時(shí)鐘SMCLK。功率管理模塊PMM 主要通過對(duì)三種時(shí)鐘信號(hào)的開、關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)芯片的功耗控制，提供了功耗從高到低的五種低功耗模式：LPM0、LPM1、LPM2、LPM3、LPM4。此外芯片具有ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊、REF參考電壓模塊、TimerA定時(shí)器等等功能。CC430F5137的主要功能模塊如圖3所示。

圖3 CC430F5137主要功能結(jié)構(gòu)

芯片中的射頻核CC1101是一個(gè)提供1GHz以下頻率的無線通信核，也采用低功耗設(shè)計(jì)，通過控制CC1101核的時(shí)鐘源可以將其關(guān)閉或者打開，其內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)射頻收發(fā)功能。射頻核CC1101支持休眠、空閑、發(fā)送和接收等狀態(tài)轉(zhuǎn)換的內(nèi)部狀態(tài)機(jī)，發(fā)射功率在一定范圍內(nèi)可調(diào)，具有自動(dòng)喚醒功能[7]。

CC1101核受MSP430核的控制，二者之間的通信通過四組寄存器 RF1AINSTRx、RF1ADIN、RF1ADOUT、RF1ASTAT實(shí)現(xiàn)。MSP430核通過RF1AINSTRx向射頻核發(fā)送命令，通過RF1ADIN向射頻核發(fā)送需要被處理的數(shù)據(jù)，射頻核執(zhí)行命令、處理數(shù)據(jù)的結(jié)果通過RF1ADOUT返回給MSP430核，同時(shí)將執(zhí)行的狀態(tài)寫入 RF1ASTAT。這樣就可以設(shè)計(jì)滿足要求的無線通信功能。

本文提出的溫度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用熱敏電阻作為溫度傳感器，讀寫器選擇增益較大的彈簧天線，傳感器節(jié)點(diǎn)選擇體積較小的陶瓷天線，總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)和讀寫器結(jié)構(gòu)圖

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要是溫度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議。根據(jù)硬件提供的資源，在物理層上選擇433.92MHz的載波頻率，調(diào)制方式選擇GFSK。數(shù)據(jù)包采用可變長(zhǎng)度格式，選擇4字節(jié)前導(dǎo)碼，4字節(jié)同步子，擁有地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和CRC校驗(yàn)和字段，如圖5所示。使用地址字段，接收方可以利用芯片內(nèi)的硬件資源判斷數(shù)據(jù)包中的地址是否與自己的地址匹配，如果匹配則繼續(xù)接收，否則自動(dòng)過濾掉該數(shù)據(jù)包。使用CRC校驗(yàn)和字段，發(fā)送方芯片在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)計(jì)算校驗(yàn)和，并把校驗(yàn)和附加到該字段，當(dāng)接收方芯片收到數(shù)據(jù)包的時(shí)候自動(dòng)根據(jù) CRC校驗(yàn)和進(jìn)行CRC 校驗(yàn)[8]。

圖5 數(shù)據(jù)包格式

文獻(xiàn)[6]中，TI公司提供的CC430芯片的發(fā)送與接收電流消耗均在17mA以上，而休眠時(shí)最低可到達(dá)1.0μA。因此，實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)功耗需要減少發(fā)射與接收的時(shí)間，延長(zhǎng)休眠的時(shí)間。溫度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， MAC協(xié)議選用TDMA比較合適。讀寫器首先廣播同步消息，實(shí)現(xiàn)全部節(jié)點(diǎn)在時(shí)間上同步，然后為每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙。傳感器節(jié)點(diǎn)在給定的時(shí)隙內(nèi)與讀寫器通信，完成傳感器數(shù)據(jù)采集，其他時(shí)間則處于休眠狀態(tài)，達(dá)到降低功耗的目的，下一個(gè)時(shí)隙到來的時(shí)候由傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)的定時(shí)器將傳感器節(jié)點(diǎn)喚醒，繼續(xù)與讀寫器進(jìn)行通信。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)能量非常有限，節(jié)能是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題，已經(jīng)有學(xué)者對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的能耗進(jìn)行研究[9,10]。由于所有傳感器節(jié)點(diǎn)在空間中隨機(jī)分布，到達(dá)讀寫器的通信距離差別較大，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率需求不同，能量消耗也不同。距離讀寫器較近的傳感器節(jié)點(diǎn)需要較低的發(fā)射功率，距離讀寫器遠(yuǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)則反之。在保證可靠通信的前提下，如果全網(wǎng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)采用同一功率發(fā)射，將造成部分節(jié)點(diǎn)的能量浪費(fèi)。因此本文針對(duì)星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出一個(gè)能量模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到節(jié)能的目的。

提出的傳感器節(jié)點(diǎn)能量模型如下：

式中，Ptr是發(fā)射功率；Ttr是發(fā)射1bit數(shù)據(jù)需要的時(shí)間；Etr是發(fā)射nbit數(shù)據(jù)消耗的總能量；Prev是接收功率；Trev是接收1bit數(shù)據(jù)需要的時(shí)間；Erev是接收nbit數(shù)據(jù)消耗的總能量。

讀寫器能量無限，將讀寫器的發(fā)射功率調(diào)到最大即可，不需要再作調(diào)整。溫度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在開始收集溫度數(shù)據(jù)之前，所有傳感器節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行發(fā)射功率匹配，發(fā)射功率在minPtr～maxPtr范圍內(nèi)可調(diào)，匹配步長(zhǎng)設(shè)為Pgap，匹配過程如下：

① 傳感器節(jié)點(diǎn)在自己的時(shí)隙內(nèi)向讀寫器發(fā)送一個(gè)匹配指令數(shù)據(jù)包；

② 讀寫器收到匹配指令數(shù)據(jù)包后在一定的時(shí)間內(nèi)馬上向傳感器節(jié)點(diǎn)回傳確認(rèn)數(shù)據(jù)包；

③ 如果傳感器節(jié)點(diǎn)在一定時(shí)間內(nèi)收到讀寫器回傳的確認(rèn)數(shù)據(jù)包則繼續(xù)，否則進(jìn)入第④步。將自己的發(fā)射功率減少Pgap，如果減半后的功率小于minPtr，則將發(fā)射功率設(shè)為minPtr，進(jìn)入第⑤步，如果匹配輪數(shù)超過maxC則進(jìn)入第⑥步；

④ 如果是首輪發(fā)射功率匹配，則將自己的功率增大到maxPtr；否則將自己的發(fā)射功率設(shè)為上一輪匹配前的發(fā)射功率。進(jìn)入第⑤步，如果匹配輪數(shù)超過maxC則進(jìn)入第⑥步；

⑤ 一個(gè)輪次的功率匹配結(jié)束，計(jì)算剩余能量和通信覆蓋半徑，進(jìn)入第①步進(jìn)行下一輪次匹配；

⑥ 整個(gè)功率匹配過程結(jié)束，所有傳感器節(jié)點(diǎn)按照匹配后的發(fā)射功率進(jìn)行通信。

其中maxi為一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的功率匹配最大輪次數(shù)，maxC越小，則溫度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)越快速完成功率匹配，進(jìn)入溫度采集狀態(tài)。設(shè)計(jì)一個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)，通過仿真計(jì)算出最優(yōu)的功率匹配最大輪次數(shù)maxC。

最優(yōu)的maxC必須滿足：① 傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量盡量多；② 傳感器節(jié)點(diǎn)通信覆蓋半徑與距讀寫器實(shí)際距離之差的絕對(duì)值盡量小。每輪匹配結(jié)束，記錄傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量RE，通信覆蓋半徑r。由r可以計(jì)算出該節(jié)點(diǎn)與讀寫器間的實(shí)際距離之差d。因此設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)函數(shù)F：

式中與分母相乘的數(shù)字1000是為了調(diào)整計(jì)算的精度，F(xiàn)將隨著匹配輪次的增加而變化。當(dāng)F達(dá)到最大值，此時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量較多，同時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)通信覆蓋半徑與距讀寫器實(shí)際距離之差的絕對(duì)值較小。仿真計(jì)算共進(jìn)行60個(gè)輪次的功率匹配，計(jì)算出所有輪功率匹配中所有傳感器節(jié)點(diǎn)的平均評(píng)價(jià)函數(shù)值，記為meanF，如圖6所示。

從圖6中可看出評(píng)價(jià)函數(shù)的平均情況，平均評(píng)價(jià)函數(shù)隨著匹配輪次的增加首先呈上升趨勢(shì)，然后到達(dá)第16次匹配時(shí)達(dá)到最大值，之后開始震蕩，震蕩的峰值逐次遞減。從全網(wǎng)絡(luò)的平均情況看，評(píng)價(jià)函數(shù)在第16次匹配時(shí)達(dá)到最大。因此可得每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率匹配最優(yōu)輪次數(shù)為maxC=16次。

將上述協(xié)議用 C代碼編譯后運(yùn)行在前文提出的硬件系統(tǒng)中，讀寫器通過發(fā)送同步廣播數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)時(shí)間同步，然后為每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在自己的時(shí)隙內(nèi)與讀寫器進(jìn)行16次匹配，所有傳感器節(jié)點(diǎn)匹配結(jié)束后，傳感器節(jié)點(diǎn)開始進(jìn)入各自的時(shí)隙內(nèi)向讀寫器發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)具有工作可靠、功耗低、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。

5 結(jié)論

本文提出了基于 DASH7技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)基于星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)上安裝有溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)溫度信息采集。在軟件上，系統(tǒng)遵循選用硬件提供的物理層通信協(xié)議，設(shè)計(jì)了基于TDMA的MAC層協(xié)議，同時(shí)優(yōu)化了傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。在實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)可靠的溫度監(jiān)控，功耗低。但是該系統(tǒng)的通信距離不理想，下一步工作將研究該芯片的天線設(shè)計(jì)與阻抗匹配問題。

[1] 周銘,顏錦奎,吉美鳳.超高頻無線溫度傳感系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng), 2007, 26(7): 96-98.

[2] 梁健,戈振揚(yáng),齊亞峰.基于 GSM 無線傳輸?shù)臏厥覝囟缺O(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,(7):135-136.

[3] 王明合,王立華.基于Zigbee的無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息(嵌入式與SOC),2010,26(7-2): 68-70.

[4] Hu Haibing, Wang Jinjun, Fang Jun. Design A Low Power Wireless Fire Detector Based on CC430[C]. 2010 International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation. Changsha, China: IEEE,2010:1107 - 1110.

[5] http://www.dash7.org.

[6] CC430F5137.pdf. http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/cc430f5137.html.

[7] CC1101.pdf. http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/cc1101.html.

[8] CC430 Family User's Guide.http://focus.ti.com/lit/ug/slau259b/slau259b.pdf.

[9] Heinzelman W R, Chandrakasan A, Balakrishnan H. Energy Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks[C]. Proceedings of the 33rd Annual Hawaii International Conference on System Sciences. Hawaii, USA:[s.n.], 2000:1-10.

[10] Heinzelman W B, Chandrakasan A P, Balakrishnan H. An Application-specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks[J]. IEEE Trans. on Wireless Communications, 2002, 1(4):660-670.