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        面向環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2011-11-27 01:46:08錢開(kāi)國(guó)李海雁羅金龍
        關(guān)鍵詞:環(huán)境監(jiān)測(cè)構(gòu)件電源

        錢開(kāi)國(guó) ,李海雁 ,羅金龍

        (1.昆明學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)系,云南 昆明,650214;2.昆明學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院,云南 昆明 650214)

        隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展,由隨機(jī)分布的集成了傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織的方式構(gòu)成的無(wú)線傳感器網(wǎng) WSN(Wireless Sensor Network)[1]也取得了飛速發(fā)展。其借助節(jié)點(diǎn)內(nèi)置的功能多樣的傳感器來(lái)探測(cè)周圍環(huán)境的興趣因子,如溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等,在節(jié)點(diǎn)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理后傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心,網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心根據(jù)收集的信息進(jìn)行決策。

        目前的環(huán)境檢測(cè)多采用人工方式或者通過(guò)預(yù)先部署有線計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),人工方式加大了工作量,而且容易對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域造成環(huán)境破壞;而有線計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)一些特殊的環(huán)境具有限制,如人類無(wú)法到到達(dá)的區(qū)域,對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的定位,高溫高壓的環(huán)境等,另外,大面積的環(huán)境自然導(dǎo)致監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)成本的不可控制。

        作為全新的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),將其應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)[2]具有比較明顯的優(yōu)勢(shì),克服了人工方式及有線方式的缺點(diǎn),可適用于大面積的環(huán)境監(jiān)測(cè)、移動(dòng)目標(biāo)跟蹤、高溫高壓等特殊環(huán)境。

        1 傳感器網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議設(shè)計(jì)

        1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

        無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò),由隨機(jī)分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、Sink匯聚節(jié)點(diǎn)和終端用戶管理組成,如圖1所示。

        傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是集環(huán)境因子采集、通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂坪吐酚尚畔⒕S護(hù)以及數(shù)據(jù)融合處理等多功能于一體的微型化嵌入式計(jì)算設(shè)備。Sink匯聚節(jié)點(diǎn)匯聚全網(wǎng)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行融合處理以及完成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信協(xié)議和有線通信網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能,相對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),資源限制較少,終端用戶管理由決策支持系統(tǒng)、特征數(shù)據(jù)庫(kù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理用戶程序等構(gòu)成,負(fù)責(zé)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

        圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

        1.2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

        IEEE802.15.4/ZigBee[3]是面向短距離自動(dòng)控制領(lǐng)域設(shè)計(jì)的無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),具有復(fù)雜度低、實(shí)現(xiàn)成本低、收發(fā)信號(hào)設(shè)備功耗低等特點(diǎn),和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)目標(biāo)相符,其工作在868/915 MHz和2.4 GHz兩個(gè)頻段,2.4 GHz頻段是全球統(tǒng)一的、不需申請(qǐng)的免費(fèi)頻道,目前,TI、Freescale和 CompXs等芯片廠商都推出支持IEEE802.15.4的通信芯片,為了降低成本,本設(shè)計(jì)中采用了2.4 GHz的無(wú)線RF模塊。

        2 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

        根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)和環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景,將傳感器網(wǎng)絡(luò)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為3個(gè)部分,環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)[4]如圖2所示。

        圖2 環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)整體構(gòu)架

        環(huán)境因子數(shù)據(jù)采集部分主要由部署在檢測(cè)任務(wù)區(qū)的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是低功耗、低成本的微型化嵌入式計(jì)算設(shè)備,通過(guò)內(nèi)置在節(jié)點(diǎn)設(shè)備上的功能多樣的傳感器完成諸如大氣、水質(zhì)、溫濕度等環(huán)境興趣因子的采集,并完成數(shù)據(jù)融合處理。

        數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)完成將采集到的有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆u(píng)測(cè)預(yù)警系統(tǒng),可以采用有線計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或者是無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò),如果采用有線計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),可以將由數(shù)據(jù)采集部分采集到的數(shù)據(jù)在Sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行融合處理后進(jìn)行傳輸,通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可在節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合處理。

        評(píng)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)接收到的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)警處理。將采集到的信息與特征信息數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息進(jìn)行對(duì)比匹配,調(diào)用相應(yīng)的預(yù)警控制規(guī)則,完成系統(tǒng)的預(yù)警功能和控制功能。

        3 傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

        3.1 傳感節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

        3.1.1 設(shè)計(jì)思路

        根據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)功能,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是具有計(jì)算、存儲(chǔ)、感知、通信功能的微型化嵌入式設(shè)備,通常分布在監(jiān)測(cè)任務(wù)區(qū),要求自身攜帶電源供電。所以傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)采用如圖3所示的結(jié)構(gòu)[5]。

        圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件原理圖

        控制模塊:傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備中的CPU,完成指令的運(yùn)行。

        存儲(chǔ)模塊:軟件系統(tǒng)代碼映像的存儲(chǔ)和采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ),通常包括片內(nèi)Flash、RAM和擴(kuò)展的片外Flash。

        電源管理模塊:選用低功耗的電源管理芯片對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)自身攜帶的微型電源進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制和對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)各個(gè)部分供電。

        傳感器采集數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)接口:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用中,需采集不同形式的環(huán)境興趣因子,需要不同功能的傳感器,為增強(qiáng)傳感器節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展性,本設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)通用性傳感器采集板提供了傳感器采集數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)接口。

        網(wǎng)絡(luò)通信模塊:節(jié)點(diǎn)支持有線和無(wú)線兩種通信方式。有線的通信采用以太網(wǎng)芯片,無(wú)線的通信采用IEEE802.11.4通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)芯片。

        串口接口:傳感器節(jié)點(diǎn)板提供標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口,用于對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的在線編程和調(diào)試。

        3.1.2 部件選型及其電路連接

        本設(shè)計(jì)采用了 TI生產(chǎn)的 MSP430系列的 F1611[6],其硬件架構(gòu)微控制模塊如圖4所示。這款低功耗芯片能提供6種不同功耗工作模式,可以配合電源管理模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)和動(dòng)態(tài)功率控制,以優(yōu)化電源供給。同時(shí)帶有片內(nèi)存儲(chǔ)器可方便地進(jìn)行在線仿真和編程,運(yùn)行環(huán)境溫度在-40℃~+85℃,能適應(yīng)惡劣的環(huán)境;存儲(chǔ)模塊的片外存儲(chǔ)器采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的M25P80型8 Mb(1M×8)串行閃存[7],目的是減少傳輸頻率以降低系統(tǒng)功耗,外部擴(kuò)展了一片8 MB串行Flash作為外存儲(chǔ)器;電源管理模塊設(shè)計(jì)采用TI生產(chǎn)的TPS60210線性穩(wěn)壓芯片[8],具備低功耗電源管理能力。傳感器節(jié)點(diǎn)電源采用兩節(jié)AA電池供電;RS232模塊的實(shí)現(xiàn):RS232串口與MSP430通過(guò)一組UART管腳和兩個(gè)I/O引腳連接,兩個(gè)I/O引腳用于同步控制,UART的TX和RX負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的輸入輸出,串口的傳輸速率設(shè)置為9 600波特/s。無(wú)線收發(fā)模塊采用了TI公司的支持IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的CC2420[9]芯片,只需很少的外圍元件就可以與單片機(jī)構(gòu)成一個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)。由于本項(xiàng)目用于中藥材大棚種植監(jiān)測(cè),所以傳感器模塊設(shè)計(jì)時(shí)采用了溫濕度SHT1X及光照傳感器S1087。

        圖4 節(jié)點(diǎn)硬件模塊連接圖

        3.2 傳感節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

        3.2.1 設(shè)計(jì)需求

        無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有限的資源 (有限的處理能力、有限的存儲(chǔ)能力、攜帶有限的能量)使得其軟件設(shè)計(jì)非常具有挑戰(zhàn)性。軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足以下幾個(gè)要求:

        (1)采用超微型內(nèi)核結(jié)構(gòu),傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)在低于300 B的指令空間中運(yùn)行。

        (2)支持處理器的動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)DNS(Dynamic Voltage Scaling)和動(dòng)態(tài)電源管理DPM (Dynamic Power Management)功能,配合處理器的6種低功耗工作模式支持應(yīng)用的節(jié)能設(shè)計(jì)。

        (3)采用短小的微線程技術(shù),針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景,采用事件和任務(wù)兩層調(diào)度算法。

        (4)便于應(yīng)用軟件的實(shí)現(xiàn),采用構(gòu)件化的編程實(shí)現(xiàn)模式以及構(gòu)件間基于接口的靜態(tài)綁定技術(shù),提高映像代碼的執(zhí)行效率。

        (5)對(duì)通信協(xié)議的支持和對(duì)硬件平臺(tái)的良好封裝。

        3.2.2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        根據(jù)上述設(shè)計(jì)需求,本文設(shè)計(jì)的軟件體系結(jié)構(gòu),如圖5所示,由應(yīng)用層、操作系統(tǒng)層以及硬件平臺(tái)層構(gòu)成。

        (1)應(yīng)用層:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用部署層次,由開(kāi)發(fā)者實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的邏輯功能構(gòu)件。

        (2)操作系統(tǒng)層:操作系統(tǒng)層實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、任務(wù)調(diào)度和管理、內(nèi)存管理和分配、時(shí)鐘管理、對(duì)應(yīng)用層構(gòu)件提供編程接口等。具體實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的消息構(gòu)件,描述系統(tǒng)各個(gè)組件運(yùn)行狀態(tài)的狀態(tài)構(gòu)件,負(fù)責(zé)內(nèi)存申請(qǐng)、分配和回收的內(nèi)存管理構(gòu)件,完成任務(wù)調(diào)度管理功能的任務(wù)調(diào)度構(gòu)件以及負(fù)責(zé)提供系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)鐘構(gòu)件庫(kù)等。

        (3)硬件平臺(tái)層:為了提高操作系統(tǒng)的可擴(kuò)充性,將硬件功能和表示部分劃分為硬件平臺(tái)層,主要實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)配置、設(shè)備驅(qū)動(dòng)管理、芯片封裝表示、電源管理等功能。將硬件平臺(tái)抽象出來(lái),使得上層應(yīng)用和具體平臺(tái)硬件無(wú)關(guān),系統(tǒng)跨平臺(tái)性能增強(qiáng)。具體有配置形式各樣的節(jié)點(diǎn)平臺(tái)的硬件平臺(tái)配置構(gòu)件庫(kù)、完成芯片引腳功能封裝和配置的芯片構(gòu)件庫(kù)以及電源芯片管理和低功耗管理的電源管理構(gòu)件庫(kù)。

        圖5 節(jié)點(diǎn)軟件體系結(jié)構(gòu)

        3.2.3具體實(shí)現(xiàn)

        在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中,深入分析了目前具有代表性的TinyOS[10]、SOS[11]和 Mantis OS[12]等 無(wú) 線 傳 感 器 操 作 系統(tǒng),包括其設(shè)計(jì)和編程模式、任務(wù)調(diào)度模型、通信協(xié)議支持等特性。由于TinyOS操作系統(tǒng)較適用于確定的軟件設(shè)計(jì)思路和目標(biāo),最后選定TinyOS作為項(xiàng)目的傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),將其移植到項(xiàng)目平臺(tái)上,在移植過(guò)程中需要對(duì)操作系統(tǒng)的硬件抽象層的芯片構(gòu)件和平臺(tái)配置構(gòu)件進(jìn)行修改。移植工作完成后,可以使用TinyOS的應(yīng)用程序Blink進(jìn)行成功驗(yàn)證。基于該操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了無(wú)線溫濕度數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序、光強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集應(yīng)用和ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

        結(jié)合項(xiàng)目需要,本文設(shè)計(jì)了面向環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),包括傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件各構(gòu)成模塊的設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì),該系統(tǒng)在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中運(yùn)行穩(wěn)定性較好,對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)編程和調(diào)試較為方便。

        [1]任豐原,黃海寧,林闖.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].軟件學(xué)報(bào),2003;14(7):1282-1291.

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        [5]屈明佑.基于IEEE802.15.4的無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),2008.

        [6]Texas Instruments Incorporated.MSP430x15x; MSP430x16x;MSP430x161x mix signal microcontroller datasheet SLAS368A[R].2003.

        [7]ST Microelectronics.M25P80 datasheet[R].2004.

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