具有自適應通信能力的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)節點(diǎn)設計

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)是由大量無(wú)處不在的、具有通信與計算能力的微小傳感器節點(diǎn)密集布設在無(wú)人值守的監控區域而構成的能夠根據環(huán)境自主完成指定任務(wù)的智能自治測控網(wǎng)絡(luò )系統，可廣泛應用于航天、航空、國防、電力、能源、環(huán)境、醫療、災難預警、空間探索等領(lǐng)域。2003年，MIT技術(shù)評論在預測未來(lái)技術(shù)發(fā)展的報告中，將其列為改變世界的十大新技術(shù)之一。一般情況下，WSN節點(diǎn)采用隨機散布的方式，且存在著(zhù)功耗受限、通信能力受限、計算能力受限、存儲能力受限等問(wèn)題，因此對設計提出了較高要求。
　　WSN的應用環(huán)境多樣，存在所接前端探測器不相同、布設環(huán)境不一樣的可能。特別在隨機布設時(shí)，各個(gè)節點(diǎn)所處的位置及相隔的距離無(wú)法預先確定。探測器的不同及對數據處理方式不同，產(chǎn)生的數據量可能不同。同時(shí)，布設的環(huán)境可能為城區、郊區、山地等不同環(huán)境。要在多變的傳輸需求和環(huán)境下實(shí)現良好的通信，傳感網(wǎng)節點(diǎn)必須具有良好的環(huán)境適應性，即可以通過(guò)調整自身的通信參數滿(mǎn)足不同傳輸要求。因此需要WSN節點(diǎn)具有相當的靈活性。
　　目前在WSN節點(diǎn)的設計上，大多將信息處理模塊與通信模塊隔離開(kāi)來(lái)，分別采用不同的硬件進(jìn)行處理，通信模塊基本采用現有成熟產(chǎn)品。這樣設計的系統，缺乏整體考慮，難以在體積功耗上進(jìn)行最小化的設計，且由于通信模塊固定，不能同時(shí)適應具有不同傳輸數據量、不同傳輸速率和不同誤碼率要求的系統。而這些條件是WSN中是應滿(mǎn)足的常見(jiàn)要求。
本文給出基于整體性能優(yōu)化、具有相當靈活性、能夠滿(mǎn)足自適應通信要求的WSN節點(diǎn)實(shí)現方案，并就能耗與通信的適應性進(jìn)行分析。
1 工作環(huán)境與通信體制
　　在考慮傳感器節點(diǎn)的通信方式前，需要首先考慮傳感器的布設環(huán)境。傳感器節點(diǎn)間一般通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行信息交互；傳感器節點(diǎn)的布設環(huán)境多為近地環(huán)境，直達的視距信號較少，多為衍射或折射后到達的信號，存在較多的多徑干擾；傳感網(wǎng)的布設具有不定性，節點(diǎn)間距離不一定相等；傳感器節點(diǎn)間的信息交互量較少。同時(shí)，由于傳感器節點(diǎn)大規模散布，需要減少對其他系統的干擾并提高自身抗干擾能力，并具備信息安全保密功能。
　　由于直達的視距信號較少，需要采用能有效利用多徑方式實(shí)現通信。擴頻通信體制能很好地適應多徑傳輸環(huán)境，且可通過(guò)擴頻增益的更改調整自身通信靈敏度，在距離近時(shí)能提高傳輸速率減小信息碰撞，在距離遠時(shí)能通過(guò)有效提高靈敏度的方式來(lái)實(shí)現和其他節點(diǎn)的通信及自適應通信，同時(shí)考慮到信息保密安全的問(wèn)題，采用直接序列擴頻通信體制作為WSN的主要通信方式。由于信息交互量較小，且系統無(wú)中心節點(diǎn)，所以適合采用異步通信體制。
　　由于WSN的應用環(huán)境不定，電磁環(huán)境中可能存在固定頻點(diǎn)干擾，因此設計的系統要求能在多個(gè)頻點(diǎn)上跳轉工作，對存在干擾的頻點(diǎn)可實(shí)現干擾避免。
　　系統采用擴頻通信方式時(shí)，發(fā)射信號為：

　　S(t)=N(t)D1(T)cos(2πft)+N(t)D2(T)sin(2πft)　　　　(1)

　　其中：N(t)為偽隨機碼，D1(T)和D2(T)為待傳送數據，cos(2πft)和sin(2πft)為調制載波信號。t為時(shí)間單元，T為碼元持續時(shí)間，f為載波頻率。
　　為滿(mǎn)足自適應通信需求，在系統設計中，要求T和f可調。
　　當T=Mt時(shí)，擴頻增益為A=10log10M；當T=t時(shí)，擴頻增益為0，此時(shí)數據傳輸速率最高；當T=13t時(shí)，擴頻增益為11.1394dB，當T=1023t時(shí)，擴頻增益為30.1030dB。
　　設在T=t時(shí)系統靈敏度為SNR=-SdB，則當T=Mt時(shí)，系統靈敏度為SNR=-(S+A)dB。
　　f的變化帶來(lái)傳播損耗的變化，頻率越低，傳播損耗越小，繞射性越好。當需要進(jìn)行遠距離傳輸或和接收端無(wú)法建立聯(lián)系時(shí)，可以將發(fā)射頻率降到最小。
2 系統設計
　　在進(jìn)行系統設計時(shí)充分考慮到系統的硬件體積功耗，實(shí)現硬件功能軟件化及復用，同時(shí)盡量降低設計復雜度。本設計中的WSN節點(diǎn)可實(shí)現傳感探測信息處理、協(xié)議控制、處理后的信息發(fā)送及接收等功能，其硬件平臺組成如圖1所示。該硬件平臺采用DSP作為主要的信息處理平臺及系統運作控制器，DSP軟件存儲于FLASH中(包括協(xié)議控制模塊、信息處理模塊和通信處理模塊等)，通過(guò)DSP啟動(dòng)相應的硬件電路及調用不同的軟件模塊來(lái)實(shí)現系統功能。