淺談無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)方案

摘 要： 據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司ABI Research的報(bào)告，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）市場(chǎng)目前處于發(fā)展的初期階段，從2007年開始應(yīng)該逐漸展現(xiàn)其真正的潛力。許多WSN系統(tǒng)芯片被封裝在模塊之中，這些模塊可能含有額外的電路、堆疊網(wǎng)絡(luò)層軟件和天線。OEM可以利用這些器件使其產(chǎn)品支持WSN,而不必對(duì)射頻工程了解太多，也不需要進(jìn)行廣泛的測(cè)試。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器，可探測(cè)包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象。基于MEMS的微傳感技術(shù)和無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。這些潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為：軍事、航空、反恐、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了現(xiàn)代傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)等多個(gè)學(xué)科，是新興的交叉研究領(lǐng)域。它的出現(xiàn)引起了全世界范圍的廣泛關(guān)注，被稱為二十一世紀(jì)最具影響的技術(shù)之一。工業(yè)自動(dòng)化就是工業(yè)生產(chǎn)中的各種參數(shù)為控制目的，實(shí)現(xiàn)各種過程控制，在整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中，盡量減少人力的操作，而能充分利用動(dòng)物以外的能源與各種資訊來進(jìn)行生產(chǎn)工作，即稱為工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)，而使工業(yè)能進(jìn)行自動(dòng)生產(chǎn)之過程稱為工業(yè)自動(dòng)化。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測(cè)對(duì)象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。

　　本文將采用TI公司的CC1110芯片實(shí)現(xiàn)無線傳感器的終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。并實(shí)現(xiàn)了終端節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)的接口設(shè)計(jì)以及終端節(jié)點(diǎn)與本地的智能儀表或二次儀表之間的通信接口設(shè)計(jì)。為了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠與工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的現(xiàn)有的技術(shù)無縫連接，本文針對(duì)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了常用的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

　　圖1是一個(gè)典型的工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖，核心部分是低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)路由器和無線網(wǎng)關(guān)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)模塊直接和各種各樣的傳感器節(jié)點(diǎn)相連接，通過路由節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)把傳感器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，以進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。為了更方便地使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)把工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)傳遞出來，圖1中的工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)增加了傳輸智能儀表數(shù)據(jù)的能力，大大增強(qiáng)了方案的靈活性。

　　由圖1可以看出，多個(gè)傳感器可以和本地的智能儀表連接實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)的顯示等功能，并通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)把智能儀表采集到的多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去，這樣就能夠大大減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，更有效地利用終端節(jié)點(diǎn)。可見這種方案在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，靈活使用有線和無線的方案，使得系統(tǒng)配置更加靈活，能夠滿足對(duì)各種傳感器和二次儀表的數(shù)據(jù)輸出和輸入控制命令，使得現(xiàn)有的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)無線化。

　　硬件模塊主要分為終端節(jié)點(diǎn)發(fā)射模塊、路由器模塊、網(wǎng)關(guān)模塊三部分，如圖1所示。第一部分為終端節(jié)點(diǎn)模塊，由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、與其他單片機(jī)相連接的通信接口模塊和發(fā)射模塊組成。第二部分是路由器模塊，包括無線發(fā)射、單片機(jī)信號(hào)輸入與輸出電路。第三部分是無線網(wǎng)關(guān)模塊，包括無線信號(hào)接收與發(fā)射，無線接收與無線接收端與PC機(jī)的通信電路。

　　從圖1中可以看出，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)最終都匯集到網(wǎng)關(guān)上，進(jìn)而通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸給上位機(jī)，所以網(wǎng)關(guān)和工業(yè)以太網(wǎng)的接口設(shè)計(jì)也非常重要。

　　2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　2.1 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　終端節(jié)點(diǎn)的核心是片上系統(tǒng)CC1110芯片，CC1110集成了支持315/433/868/915 MHz射頻收發(fā)芯片，性能可達(dá)8倍標(biāo)準(zhǔn)8051性能的微處理器，以及32 KB閃存、4 KB RAM.芯片運(yùn)行溫度范圍為-40℃~85℃，電壓為2.0~3.6 V.能耗非常低，最低電流消耗為0.6 μA,最大為31 mA,而且可編程數(shù)據(jù)率范圍從1.2 Kb/s-500 Kb/s,特別適合傳送大批量數(shù)據(jù)[1-2].

無線傳感器的終端節(jié)點(diǎn)如圖2所示，終端節(jié)點(diǎn)模塊實(shí)現(xiàn)了三大功能：處理傳感器的數(shù)據(jù)；與二次儀表通信，處理二次儀表的數(shù)據(jù)；最后把相關(guān)的數(shù)據(jù)通過發(fā)送模塊發(fā)射出去。軟件設(shè)備流程如圖3所示。