鄭繼紅，汪學(xué)明

（貴州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息學(xué)院，貴州 貴陽550025）

0 引 言

無線分布式傳感控制網(wǎng)絡(luò)在工控行業(yè)表現(xiàn)出了極大的需求，因此針對(duì)WDSCN的研究層出不窮。2007年，鄧洪等人提出了一種基于多信道Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的WDSCN，該網(wǎng)絡(luò)采用多信道具有自動(dòng)跳頻功能的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)WDSCN，使網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的抗干擾能力和較高的實(shí)用價(jià)值［1］。2008年，馮莉等人以LabVIEW為開發(fā)工具，采用PC機(jī)多線程技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，構(gòu)建了基于LabVIEW的無線分布式傳感網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)［2］，該網(wǎng)絡(luò)通過RF技術(shù)，可以根據(jù)實(shí)際需求和環(huán)境自行組建網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)傳感器和測(cè)量設(shè)備數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。該系統(tǒng)還具有傳輸數(shù)據(jù)可靠、操作簡(jiǎn)單、界面友好的特點(diǎn)。2010年，陳純等人在分布式傳感網(wǎng)絡(luò)前沿技術(shù)與實(shí)時(shí)應(yīng)用國際研討會(huì)上對(duì)分布式傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了系統(tǒng)的討論、分析和研究。2011年，林嘉怡等人對(duì)地下車庫用誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)無線傳感控制網(wǎng)絡(luò)自組織路由協(xié)議進(jìn)行了研究和實(shí)現(xiàn)，該協(xié)議很好地解決了車庫現(xiàn)場(chǎng)障礙物拐角不利于通信的問題。WDSCN研究雖然取得了一些令人矚目的成就，但還存在一定的不足，如存在網(wǎng)絡(luò)自組織性不夠靈活、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍不夠大、沒有采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)級(jí)通信協(xié)議不利于系統(tǒng)的擴(kuò)展、沒有充分考慮系統(tǒng)的工作效率等問題［3］。

新的分布式傳感控制網(wǎng)絡(luò)針對(duì)現(xiàn)有無線分布式傳感控制網(wǎng)絡(luò)的不足，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性的情況下，采用低功耗的ZigBee［4－6］通信技術(shù)研究并實(shí)現(xiàn)了一種新的無線分布式傳感控制網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)該無線分布式傳感控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證分析。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

現(xiàn)有的無線傳感器控制網(wǎng)絡(luò)存在沒有標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)級(jí)通信協(xié)議的問題。針對(duì)沒有標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)級(jí)通信協(xié)議問題，我們采用ZigBee通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對(duì)WDSCN進(jìn)行深入研究，開發(fā)出低功耗、時(shí)延短、可靠、安全、網(wǎng)絡(luò)容量大、組網(wǎng)靈活的數(shù)據(jù)采集與控制平臺(tái)。ZigBee是一種基于IEEE802.15.4通信協(xié)議的無線個(gè)域網(wǎng)通信高層協(xié)議規(guī)范，它的主要特性是低功耗、靈活的拓?fù)錂C(jī)構(gòu)以及容易被集成。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)有3種可供選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型、樹形和mesh型。基于ZigBee技術(shù)的樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，WDSCN也采用樹形的采集控制結(jié)構(gòu)，由一臺(tái)PC機(jī)、一個(gè)協(xié)調(diào)器、若干路由器和多個(gè)終端組成。PC機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的信息系統(tǒng)和監(jiān)控中心，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，路由器主要負(fù)責(zé)信息的中繼，終端的主要功能是實(shí)現(xiàn)信息的采集和接受信息系統(tǒng)的命令來控制受控設(shè)備。終端可以直接和協(xié)調(diào)器通信也可以通過路由器間接和協(xié)調(diào)器通信，構(gòu)成分布式無線傳感控制網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 WDSCN系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 WDSCN架構(gòu)

WSCN架構(gòu)如圖2所示，三層架構(gòu)促進(jìn)了任務(wù)的分配和設(shè)備間的合作。第一層是終端節(jié)點(diǎn)層，它的特性是尺寸很小而且具有低功耗的無線收發(fā)模塊，可以集成傳感器。還有應(yīng)用范圍很廣，而且組合靈活的控制模塊也可以和無線收發(fā)模塊通過排線靈活連接。第二層是路由器層，它的目的是促使終端節(jié)點(diǎn)和信息系統(tǒng)的通信以及信息的路由。第三層是協(xié)調(diào)器層，它的功能是收集在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)姆植际叫畔?，提供一個(gè)和信息系統(tǒng)之間的通信接口。

圖2 WDSCN架構(gòu)

2 WDSCN的設(shè)計(jì)

2.1 WDSCN的硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 終端節(jié)點(diǎn)層的硬件設(shè)計(jì)

這一層的硬件設(shè)備連接著被監(jiān)測(cè)和控制的對(duì)象。它們的一個(gè)功能是通過傳感器采集周圍的信息并將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳給信息中心，另一個(gè)功能是接收來自信息系統(tǒng)的指令來控制受控設(shè)備。

這些設(shè)備由一個(gè)微控制器去控制，這個(gè)微控制器選擇TI的CC2530，CC2530是一種集微控制器與射頻收發(fā)器為一體的片上SOC［7－9］。這個(gè)微控制器負(fù)責(zé)管理終端節(jié)點(diǎn)的操作，包括和路由器的通信、從傳感器上獲得數(shù)據(jù)以及去控制周圍環(huán)境。終端節(jié)點(diǎn)主要由傳感器模塊，控制模塊和通信模塊三部分組成。這三部分由外設(shè)模塊和核心模塊兩個(gè)模塊組成。外設(shè)模塊可以根據(jù)不同需求添加不同外設(shè)，例如傳感器模塊 （溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器）、繼電器組以及485通信等外設(shè)。核心模塊主要包括主芯片和射頻兩部分。兩個(gè)模塊中間通過排針相連，圖3為終端節(jié)點(diǎn)核心模塊實(shí)物。

圖3 終端節(jié)點(diǎn)核心模塊實(shí)物

2.1.2 路由器節(jié)點(diǎn)層的硬件設(shè)計(jì)

路由器層負(fù)責(zé)對(duì)信息的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，通過無線網(wǎng)絡(luò)來中繼終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之間的信息傳輸，這一層使用ZigBee通信協(xié)議路由信息來使信息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。

對(duì)于zigbee協(xié)議，一個(gè)值得一提的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)間的動(dòng)態(tài)路由特性。它能夠在通往協(xié)調(diào)器的信息流上提供優(yōu)秀的可靠性。這個(gè)特性在節(jié)點(diǎn)以動(dòng)態(tài)的方式離開和鍵入網(wǎng)絡(luò)時(shí)非常有用。這層設(shè)備另外一個(gè)功能是過濾掉不必要的信息，例如冗余的信息來避免堵塞。

組成路由器的原件如下：一個(gè)CC2530核心模塊，負(fù)責(zé)無線通信。一個(gè)電源底座，通過電池或者5V直流電進(jìn)行供電。

由路由器組成的第二層設(shè)備是被放置在一個(gè)固定的位置，最好的選擇是把它們放進(jìn)一個(gè)網(wǎng)格的中心并且靠近有直接電源的地方。在一個(gè)孤立的位置，用大功率的可充電的電池為路由器供電，在電源方便的地方可以使用直接電源進(jìn)線供電，路由器節(jié)點(diǎn)用一個(gè)CC2530核心板就可以處理所有事件。圖4為路由器節(jié)點(diǎn)實(shí)物。

圖4 路由器節(jié)點(diǎn)實(shí)物

2.1.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)層的硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器層連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和已經(jīng)存在的信息系統(tǒng)。這些被無線傳感器網(wǎng)絡(luò)捕獲的信息被傳送到信息系統(tǒng)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)協(xié)調(diào)器，被稱為 “個(gè)域網(wǎng)協(xié)調(diào)器”。首先，它選擇一個(gè)被網(wǎng)絡(luò)使用的頻率信道。然后開始組建網(wǎng)絡(luò)，允許子節(jié)點(diǎn)和它相連。它可以提供信息里有：安全管理以及其它服務(wù)。

協(xié)調(diào)器的模型如圖5所示，允許通過USB和一個(gè)個(gè)人電腦進(jìn)行通信，將來的開發(fā)將會(huì)包括以太網(wǎng)通信。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要包括顯示控制模塊和ZigBee通信模塊兩部分組成，兩個(gè)模塊之間通過排針相連。

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)實(shí)物

2.2 WDSCN的軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 軟件技術(shù)提高能量傳輸效率

能量效率對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，特別是對(duì)于節(jié)能設(shè)備或者在電池供電的情況下。一個(gè)具體的硬件實(shí)現(xiàn)的能量最優(yōu)化允許一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娫垂芾砟K的存在。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通信任務(wù)中的能量消耗可以直接通過軟件來控制。在實(shí)現(xiàn)代碼上進(jìn)行精簡(jiǎn)修改可以對(duì)能量傳輸效率產(chǎn)生有力地改善。

許多被路由器消耗的能量被用來做激活處理，通過ZigBee協(xié)議來存儲(chǔ)以及發(fā)送數(shù)據(jù)，這里有一個(gè)選擇使用信標(biāo)來保證通信［10］。然而，信標(biāo)模式在我們的應(yīng)用中沒有使用，我們使用的運(yùn)行模式是我們使用我們自己的周期信標(biāo)幀來開關(guān)設(shè)備，在一個(gè)時(shí)間周期過后，設(shè)備重新被激活。

對(duì)節(jié)點(diǎn)操作的第一個(gè)方法如圖6所示，這個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有使用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議。節(jié)點(diǎn)保持在超低功耗模式直到一個(gè)被看門狗觸發(fā)的中斷的到來。當(dāng)這個(gè)發(fā)生時(shí)，微控制器改變收發(fā)模式到接受模式。然后，如果一個(gè)載波被監(jiān)測(cè)到，這個(gè)檢點(diǎn)保持等待信標(biāo)。否則，它又進(jìn)入睡眠模式。經(jīng)過這樣一個(gè)過程，如果CC2530在一個(gè)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間周期內(nèi)接受到一個(gè)正確的信標(biāo)，微控制器改變收發(fā)模式到發(fā)送模式并發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。這樣的話，CC2530變?yōu)榻邮苣Ｊ降却粋€(gè)來自路由器的確認(rèn)幀。如果確認(rèn)信號(hào)來自路由器，這個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)閉睡眠模式。否則，系統(tǒng)回到等待信標(biāo)的模式。如果通信時(shí)間過長(zhǎng)，變量Tmax負(fù)責(zé)將節(jié)點(diǎn)返回到睡眠模式。

圖6 終端節(jié)點(diǎn)的操作

對(duì)于ZigBee通信，一些軟件上的改進(jìn)也可以用來增加整個(gè)系統(tǒng)的自治。

2.2.2 WSCN的信息流

為了協(xié)調(diào)分布式設(shè)備，一個(gè)數(shù)據(jù)模式需要被定義用來描述信息流以滿足總體需求。數(shù)據(jù)模式定義目標(biāo)事件作為網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)共享目標(biāo)，以及管理事件作為內(nèi)部信息需要來保持網(wǎng)絡(luò)上的功能。目標(biāo)事件在路由器節(jié)點(diǎn)中是序列化的以及它和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中其余節(jié)點(diǎn)通信。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟襟E如圖7所示。

圖7 基于目標(biāo)事件的信息流

（1）當(dāng)他的傳感器從環(huán)境中得到數(shù)據(jù)時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)保存環(huán)境信息在自己的存儲(chǔ)器中。

（2）路由器節(jié)點(diǎn)以250KB／s的速度，16bytes大小的數(shù)據(jù)包，通過射頻通信接受信息。

（3）路由器節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備目標(biāo)事件。

（4）已經(jīng)發(fā)送的目標(biāo)事件在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中以250KB／s的速度進(jìn)行路由。

（5）協(xié)調(diào)器接受目標(biāo)事件以及發(fā)送數(shù)據(jù)到信息系統(tǒng)。

3 WDSCN的實(shí)現(xiàn)

WSCN可以被應(yīng)用于很多工業(yè)、生活和辦公場(chǎng)所。為了驗(yàn)證WDSCN能否在實(shí)踐中達(dá)到預(yù)期的效果，WSCN被用在某學(xué)校的一棟實(shí)驗(yàn)樓里來調(diào)節(jié)整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的空氣質(zhì)量。因?yàn)槲覀兊膮f(xié)調(diào)器上有液晶和按鍵，所以不用PC便能完成所有的采集和控制任務(wù)。我們的WDSCN主要設(shè)備有1個(gè)協(xié)調(diào)器，2個(gè)路由器和4個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)連接一個(gè)溫濕度傳感器，一個(gè)二氧化碳濃度傳感器和一個(gè)風(fēng)機(jī)盤管 （中央空調(diào)的末端裝置），每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)既可以單獨(dú)完成所有任務(wù)，也可以和其它節(jié)點(diǎn)協(xié)作組網(wǎng)完成任務(wù)。

協(xié)調(diào)器主要的功能是啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，還有對(duì)終端節(jié)點(diǎn)采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示已經(jīng)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)指令來控制風(fēng)機(jī)盤管來調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)量。

經(jīng)過測(cè)試，通過協(xié)調(diào)器在對(duì)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行固定溫濕度［11］以及二氧化碳濃度值設(shè)定之后，通過風(fēng)機(jī)盤管的一段時(shí)間的調(diào)節(jié)，在協(xié)調(diào)器的顯示屏上我們會(huì)看到從終端節(jié)點(diǎn)采集回來的數(shù)據(jù)和能夠達(dá)到我們預(yù)先設(shè)定的效果。圖8至圖10將實(shí)時(shí)室溫和加設(shè)WDSCN環(huán)境控制設(shè)備之后的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了比較。

圖8 室內(nèi)溫度隨時(shí)間變化

圖9 室內(nèi)相對(duì)濕度隨時(shí)間變化

通過觀察，我們可以清楚的看到經(jīng)過WDSCN環(huán)境控制設(shè)備的調(diào)節(jié)，溫度、相對(duì)濕度，二氧化碳濃度均能夠保持到我們工作環(huán)境的最佳值，給我們創(chuàng)造了更為舒適的工作環(huán)境。上述實(shí)驗(yàn)說明，無線分布式傳感控制網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過各層設(shè)備之間的協(xié)作之后，高可靠地完成了任務(wù)。

4 結(jié)束語

圖10 室內(nèi)二氧化碳濃度隨時(shí)間變化

對(duì)當(dāng)前的無線分布式傳感控制網(wǎng)絡(luò)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)存在網(wǎng)絡(luò)自組織性不夠靈活，網(wǎng)絡(luò)范圍不夠大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性有待改進(jìn)的問題。為了擴(kuò)大無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍和改進(jìn)現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)的不足，研究并實(shí)現(xiàn)了一種新的無線分布式傳感控制網(wǎng)絡(luò)。首先根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用現(xiàn)狀搭建了系統(tǒng)架構(gòu)和拓?fù)洹Ｈ缓筢槍?duì)具體應(yīng)用對(duì)WDSCN中存在的3種具體設(shè)備——終端、路由器以及協(xié)調(diào)器進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)并進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)，引進(jìn)了ZigBee這種工業(yè)級(jí)的無線通信標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了通信網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化。最后，對(duì)實(shí)現(xiàn)的無線分布式傳感控制網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，新的無線分布式傳感控制網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過各層設(shè)備之間的協(xié)作之后，能夠高可靠地完成任務(wù)。

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