低功耗無線傳感器網絡系統實現

隨著近年來各種傳感器相關核心技術的日益成熟（包括微機械、數字模擬集成電路工藝、無線通信以及高密度電池等），無線傳感器網絡WSN(Wireless Sensor Networks)[1]逐漸成為研究的熱點并得到了廣泛應用。傳感器網絡的主要任務是對分布在傳感區域的環境參數進行采集、處理并傳輸至用戶終端。本文所介紹的低功耗傳感器網絡系統在有效完成以上任務的基礎上，還具有低功耗、低復雜度、高可靠性以及極強的擴展能力等特點，能夠滿足農業、環境、建筑等行業的大部分應用需求。
　該傳感器網絡系統由傳感采集節點、網關節點以及遠程用戶終端組成，如圖1所示。

　其中，傳感采集節點負責環境數據的采集和處理，并將數據傳輸至相應的網關節點。網絡中的傳感采集節點只能直接與其一跳范圍之內的網關節點通信，并與相應的網關節點一起組成一個子網。
　網關節點作為該子網的對外接口，負責收集其子網內所有傳感采集節點的信息。整個網絡中允許存在一個或多個網關及相應的子網。不同的子網采用不同頻率進行通信，以相互區別并防止數據傳輸沖突。網關節點與遠程用戶終端可采用無線或有線的主干網絡連接，可選擇的方案包括無線IP網橋、有線以太網、移動網絡等。網關節點與遠程用戶終端間的連接方案并不在本文的主要研究范疇之內，但本文給出了采用無線IP網橋的實現方法以供參考。
　由于在大多數傳感器網絡應用中，傳感采集節點數目眾多、體積受限且分布在不易接觸的工作環境中，而網關節點則數量相對較少且可以安放在更靈活的位置，因此，在系統設計中假定傳感采集節點由普通小容量電池供電，而網關節點則可由交流電源或者大容量鋰電池或蓄電池供電。在此條件下，網絡的使用壽命主要由傳感采集節點的功耗決定，即系統的低功耗主要體現在傳感采集節點的低能耗上。
　本設計從硬件設計以及網絡協議兩方面對傳感節點的能耗進行了優化，從而保證傳感采集節點在系統運作中的低功耗。在硬件設計方面，系統以TI公司低功耗射頻單片機CC1110為核心；而網絡協議則采用了自主研發的低功耗Sensor-Push傳感器網絡協議。
1 傳感采集節點及網關節點的硬件設計
　系統中的傳感采集節點由核心電路板、電池以及傳感器三部分組成，其實物如圖2所示。核心電路板基于TI的低功耗射頻單片機CC1110，它包括射頻阻抗匹配電路、鋰電池接口、外接電源接口、充電電路、線性電壓轉換電路、傳感器接口、傳感器電源控制電路、地址設定輸入、節點狀態指示等功能模塊，如圖3所示。其中，射頻阻抗匹配電路完成CC1110輸出至50 Ω天線的阻抗轉換；鋰電池接口連接鋰電池，用于提供整個傳感采集節點的電源；外接電源接口連接外部直流電源輸出，通過充電電路對鋰電池實施充電；線性電壓轉換電路將鋰電池電壓轉為系統所需工作電壓；傳感器接口連接外部傳感器，對環境數據進行采集；傳感器電源控制電路用于在空閑時期切斷傳感器電源供應以節省能源；地址設定通過不同的外部電阻組合配置節點地址；節點狀態指示用于標識當前節點狀態，包括連接狀態及系統錯誤等。