曹 源，徐曉輝，王 停，檀柏梅，宋 濤，蘇彥莽

（1.河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300401；2.中國人民解放軍93756部隊 特設(shè)教研室，天津300131）

面向多傳感器接入的無線傳感器節(jié)點的研究

曹 源1，徐曉輝1，王 停2，檀柏梅1，宋 濤1，蘇彥莽1

（1.河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300401；2.中國人民解放軍93756部隊 特設(shè)教研室，天津300131）

設(shè)計研究了用于環(huán)境數(shù)據(jù)采集的通用型多傳感器無線節(jié)點，節(jié)點由傳感器、單片機、無線通信模塊、電源等組成，依據(jù)待測環(huán)境參數(shù)的不同可以更換合適的傳感器。傳感器輸出信號經(jīng)單片機存儲與處理后經(jīng)由Wi-Fi無線通信模塊和其他節(jié)點組成星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，傳至主節(jié)點綜合處理，完成特定數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)考慮了節(jié)點低功耗和Wi-Fi無線通信模塊傳輸數(shù)據(jù)的安全性，選取USR-C322型號Wi-Fi模塊與TRAMA通信協(xié)議，設(shè)定休眠模式，系統(tǒng)可以進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)傳輸。

多傳感器；Wi-Fi；單片機；星型網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量無線傳感器節(jié)點互相連接組成，傳感器節(jié)點主要由四部分組成，分別為數(shù)據(jù)收集模塊（傳感器、AD轉(zhuǎn)換器）、數(shù)據(jù)處理模塊（單片機）、數(shù)據(jù)傳輸模塊（Wi-Fi無線通信模塊）、電源等。傳感器收集所處環(huán)境的各種數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過轉(zhuǎn)換傳送給單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和存儲等功能，再由無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，電源對各工作模塊提供所需能量[1-3]。

1 通信方式與器件選擇

1．1 系統(tǒng)的通信方式

1.1.1 無線通信技術(shù)

在目前有多種無線通信技術(shù)，主要有藍(lán)牙、ZigBee、RF、Wi-Fi等，其都有各自的優(yōu)勢，要平衡各優(yōu)缺點選取合適的無線通信技術(shù)來進(jìn)行系統(tǒng)的構(gòu)建。

Wi-Fi相較于其他無線通信技術(shù)在安全性上并不十分出眾，但它方便組建無線網(wǎng)絡(luò)，理論上只要用戶位于一個接入點四周的一定區(qū)域內(nèi)，就能以最高約11 Mb/s的速度接入、web。且不受墻壁阻隔，并且其功耗可控范圍也比較大。Wi-Fi技術(shù)除上公司實施方案較簡便，所需成本較低。故比較符合本文所研究要節(jié)約功耗、構(gòu)成方便等問題[4-7]。

1.1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點所組成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，主要包括星型結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu)、總線型結(jié)構(gòu)以及混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。

星型結(jié)構(gòu)[8]是以在網(wǎng)絡(luò)中心的中央節(jié)點為中心，其它的節(jié)點都與中央節(jié)點相連。其主要特點為結(jié)構(gòu)簡單，較容易進(jìn)行維護(hù)和管理，網(wǎng)絡(luò)延遲小、傳輸數(shù)據(jù)的誤差較低。但其成本較高，距離短；

考慮到本研究為實際應(yīng)用，傳感器節(jié)點較多，總體成本不宜過高，維護(hù)、管理較簡單。故相互比較，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行此次研究的節(jié)點連接。

1.1.3 功耗選擇

在現(xiàn)今的研究方案中，主要有3種方法來解決無線傳感器節(jié)點的功耗問題：休眠管理、能量有效路由控制策略和拓?fù)淇刂撇呗訹9]。拓?fù)淇刂撇呗灾饕峭ㄟ^調(diào)節(jié)各節(jié)點的無線傳輸距離來降低其傳輸功耗，但調(diào)節(jié)傳輸距離后要保證其在正常的工作范圍內(nèi)；路由控制策略主要是通過各節(jié)點的能量平均化，不會使某些節(jié)點因為能量過多的消耗而使其不能正常工作；休眠管理，其主要思想為有一些節(jié)點在特定的時間內(nèi)并沒有進(jìn)行工作，此時可以使這些節(jié)點處于“休眠”，等到需要其工作時，在對其進(jìn)行“喚醒”，從而達(dá)到節(jié)約功耗的目的[9～11]。

政府制定產(chǎn)業(yè)政策的主要原因是當(dāng)前的經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r和產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r決定的，為了更好地引導(dǎo)國家產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，更好地推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級轉(zhuǎn)型，協(xié)調(diào)各方發(fā)展，最終實現(xiàn)國民經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展。我國的經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r在各地區(qū)都有著不同的特點，面臨各種各樣的問題，這些問題帶有明顯的地域特征，解決這些問題所采取的方法也不盡相同，因此在制定產(chǎn)業(yè)扶持的相關(guān)政策時也應(yīng)該考慮不同地區(qū)的環(huán)境、社會、文化特征。鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟作為組成我國經(jīng)濟的重要部分，在我國經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)重要地位。

通過對比，休眠機制可以有效地降低節(jié)點的功耗，本文采取對使節(jié)點在一定的時間開始工作，使之處于休眠模式，并對Wi-Fi無線模塊進(jìn)行休眠模式的設(shè)定，來達(dá)到降低整個節(jié)點的功耗問題。

1．2 數(shù)據(jù)收集模塊

數(shù)據(jù)收集模塊采用傳感器收集數(shù)據(jù)信息，考慮到實際應(yīng)用中可能涉及到不同種類的傳感器，需要單片機具有數(shù)據(jù)通用、多路輸入處理的功能：模擬信號（電流信號、電壓信號）和數(shù)字信號都能夠傳輸?shù)絾纹瑱C中進(jìn)行處理。如圖1所示：數(shù)據(jù)狀態(tài)；當(dāng)節(jié)點i處于時隙t是接受數(shù)據(jù)段，則處于接受數(shù)據(jù)狀態(tài)；其余時刻，節(jié)點處于休眠狀態(tài)[11]。其將工作時間分為隨機訪問及預(yù)定訪問兩個時間段，在隨機時，傳感器節(jié)點開始工作進(jìn)行接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，其余時間處于休眠狀態(tài)。TRAMA協(xié)議降低了傳輸數(shù)據(jù)時產(chǎn)生碰撞的可能性并且增加了節(jié)點的休眠時間，可以有效地降低傳感器節(jié)點的功耗問題。

圖1 數(shù)據(jù)收集模塊示意圖

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計與構(gòu)成

2．1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計

傳感器輸出信號（數(shù)字/模擬信號）送給單片機用于處理與存儲，Wi-Fi無線通信模塊與其他節(jié)點進(jìn)行連接，組成星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而連接成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點系統(tǒng)的構(gòu)成

傳感器網(wǎng)絡(luò)由若干無線傳感器節(jié)點連接組成，無線傳感器節(jié)點由單片機、傳感器、無線模塊與電源等組成。從節(jié)點收集整理數(shù)據(jù)后經(jīng)由無線模塊傳輸給主節(jié)點，由檢測者接收。

設(shè)計無線傳感器分節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 無線傳感器分節(jié)點結(jié)構(gòu)構(gòu)成圖

1．3 無線通信模塊

本系統(tǒng)采用的無線模塊為USR-C322型號的Wi-Fi無線模塊。

USR-C322模塊可以采用多種休眠模式來進(jìn)行功耗的降低，其優(yōu)秀的低功耗工作模式有效地可以降低這一問題的影響，并且其模塊具備WEP-A、WPA-PSK、WPA2-PSK安全機制，WEP64、WEP128、TKIP、AES加密機制，對于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有很強的保密性，可以有效地保證其傳輸數(shù)據(jù)的安全性。比較符合本研究主要考慮降低無線傳感器節(jié)點功耗與提高數(shù)據(jù)傳輸安全性的問題。因此此次研究使用此種型號的Wi-Fi無線模塊。

1．4 系統(tǒng)的通信協(xié)議

由于無線傳感器節(jié)點的構(gòu)成比較簡便，運行程序、使用功能所消耗的能量不能過多。因此其只能運行較為簡便的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[12]。無線傳感器節(jié)點的功耗問題是研究的一大方向，因此選擇網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要在此方向研究。在MAC通信協(xié)議中，有一種TRAMA（流量自適應(yīng)介質(zhì)訪問協(xié)議）可以增加節(jié)點的能量使用效率及提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。TRAMA協(xié)議通過節(jié)點的時隙選擇在t時刻的優(yōu)先級來進(jìn)行序列，其公式為式（1）所示：

當(dāng)節(jié)點i處于最高級并收集數(shù)據(jù)將要發(fā)送，則處于發(fā)送

收集單元通過傳感器收集數(shù)據(jù)信息后經(jīng)過單片機處理后，經(jīng)由無線模塊傳輸給主節(jié)點，顯示出數(shù)據(jù)信息，主節(jié)點根據(jù)實際需要來進(jìn)行各種控制。

無線通信模塊如圖3所示。

圖3 無線通信模塊結(jié)構(gòu)構(gòu)成圖

單片機與Wi-Fi模塊的串口連接如圖4所示。

圖4 單片機與Wi-Fi模塊串口連接圖

在網(wǎng)絡(luò)的連接上選取星型網(wǎng)絡(luò)連接：星型無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 星型無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在連接Wi-Fi模塊與單片機時，要注意兩者的電壓問題。由于Wi-Fi模塊的電源和工作電壓都為3 V，而單片機的電壓都為5 V，因此兩者并不能直接進(jìn)行相連，在Wi-Fi模塊的電壓處接一1117電壓轉(zhuǎn)換芯片，將5 V的電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V的電壓來進(jìn)行供電。在兩者的RXD與TXD串口連接時需進(jìn)行連接以220 Ω的電阻，來解決兩者之間電壓的不同，防止出現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)問題。注意，在單片機的TXD輸出端上拉電阻來使系統(tǒng)可以啟動，進(jìn)行正常工作。

在系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)后，經(jīng)單片機傳給Wi-Fi模塊，從節(jié)點在收到數(shù)據(jù)后，發(fā)送消息給主節(jié)點，主節(jié)點收到后，發(fā)送接受信息，從節(jié)點接受信息，完成應(yīng)答，開始進(jìn)行傳輸。從節(jié)點開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)按照定時時間進(jìn)行傳輸，當(dāng)數(shù)據(jù)高于一定數(shù)值時，直接進(jìn)行傳輸，而不需考慮是否定時時間的到時；當(dāng)主節(jié)點需要某時具體數(shù)據(jù)時，向從節(jié)點發(fā)送取數(shù)信息，從節(jié)點接收信息，從單片機調(diào)取某一時間數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，不需考慮定時時間的是否到達(dá)。

2.3 Wi-Fi模塊的使用

Wi-Fi模塊在使用前需要進(jìn)行設(shè)定各項功能，如所處AP、STA模式，IP地址、密碼，SSID名稱，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議參數(shù)等。

在進(jìn)行Wi-Fi無線模塊的設(shè)定時，需使用專門的調(diào)試助手，用AT指令來進(jìn)行各種設(shè)定。Wi-Fi無線模塊本身具有多種工作模式，將其設(shè)定為功耗模式3，當(dāng)串口進(jìn)入數(shù)據(jù)輸入時，開始工作，將數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。其余時刻進(jìn)入休眠模式，降低本身功耗，可以有效地降低系統(tǒng)的功耗問題。

3 設(shè)計實驗結(jié)果

在進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入的仿真完成后，在確定Wi-Fi無線模塊可以進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)傳輸功能后，利用STC-ISP程序拷入軟件來將程序拷入硬件單片機中，開始進(jìn)行系統(tǒng)實際電路的搭建連接。

在硬件電路連接完成后，通電開始進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)顯示

有圖可見，主節(jié)點可以正常接受到從節(jié)點一和節(jié)點二發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，每次發(fā)送時間間隔為10秒，兩節(jié)點間無相撞行為，可以正常傳輸，實現(xiàn)系統(tǒng)基本功能。

4 結(jié)論

系統(tǒng)通過收集數(shù)據(jù)，經(jīng)過單片機傳給Wi-Fi無線模塊，通過傳感器網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到主節(jié)點，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。基本實現(xiàn)了由無線傳感器節(jié)點組成星型網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方案，可以很好的完成數(shù)據(jù)的傳輸功能，并具有不錯的低功耗和系統(tǒng)的安全性。

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Research of multi-sensor access wireless sensor nodes

CAO Yuan1，XU Xiao-hui1，WANG Ting2，TAN Bo-mei1，SONG Tao1，SU Yan-mang1
（1.School of Electric Information Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China；2.Teaching and Research Section，The Chinese People’s Liberation Army 93756 Troops，Tianjin 300131，China）

Design of the universal multi-sensor wireless nodes for collecting environmental data，sensor nodes consist of sensor，microcontroller，wireless communication module，power supply and other components.According to the different environmental parameters，sensor can be replaced to find the appropriate sensor.Sensor output signal after single-chip computer storage and treatment via wi-fi wireless communication module and the other nodes of the star network topology of wireless sensor network system，comprehensive treatment to the master node，perform specific data collection.considering the low power of the system nodes and the security of the Wi-Fi wireless communication module，select the USR-C322 models of Wi-Fi module and communication protocols of TRAMA，setting the sleep mode，the system can be a normal data transmission.

sensor node；Wi-Fi；SCM；star network

TN6

A

1674－6236（2016）15-0135-03

2015-12-10 稿件編號：201512122

河北省科技支撐計劃（13210305D）；石家莊市科技支撐計劃（131130322A）

曹 源（1988—），男，河北定州人，碩士研究生。研究方向：集成電路應(yīng)用。