淺談無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)發(fā)方案

摘 要： 據市場(chǎng)調研公司ABI Research的報告，無(wú)線(xiàn)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(kāi)始應該逐漸展現其真正的潛力。許多WSN系統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(xiàn)。OEM可以利用這些器件使其產(chǎn)品支持WSN,而不必對射頻工程了解太多，也不需要進(jìn)行廣泛的測試。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )所具有的眾多類(lèi)型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現象?；贛EMS的微傳感技術(shù)和無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )賦予了廣闊的應用前景。這些潛在的應用領(lǐng)域可以歸納為：軍事、航空、反恐、防爆、救災、環(huán)境、醫療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )綜合了現代傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式計算技術(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。它的出現引起了全世界范圍的廣泛關(guān)注，被稱(chēng)為二十一世紀最具影響的技術(shù)之一。工業(yè)自動(dòng)化就是工業(yè)生產(chǎn)中的各種參數為控制目的，實(shí)現各種過(guò)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(lái)進(jìn)行生產(chǎn)工作，即稱(chēng)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(guò)程稱(chēng)為工業(yè)自動(dòng)化。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一種全新的信息獲取平臺，能夠實(shí)時(shí)監測和采集網(wǎng)絡(luò )分布區域內的各種檢測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)，以實(shí)現復雜的指定范圍內目標檢測與跟蹤，具有快速展開(kāi)、抗毀性強等特點(diǎn)，有著(zhù)廣闊的應用前景。

　　本文將采用TI公司的CC1110芯片實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器的終端節點(diǎn)、路由節點(diǎn)及網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)設計。并實(shí)現了終端節點(diǎn)與傳感器節點(diǎn)的接口設計以及終端節點(diǎn)與本地的智能儀表或二次儀表之間的通信接口設計。為了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統能夠與工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的現有的技術(shù)無(wú)縫連接，本文針對網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)設計了常用的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議。

　　1 系統設計結構

　　圖1是一個(gè)典型的工業(yè)用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )示意圖，核心部分是低功耗的傳感器節點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò )路由器和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的終端節點(diǎn)模塊直接和各種各樣的傳感器節點(diǎn)相連接，通過(guò)路由節點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)把傳感器的數據傳輸到上位機，以進(jìn)行進(jìn)一步的數據處理。為了更方便地使用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )把工業(yè)現場(chǎng)的數據傳遞出來(lái)，圖1中的工業(yè)用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )增加了傳輸智能儀表數據的能力，大大增強了方案的靈活性。

　　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)現本地數據的顯示等功能，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的終端節點(diǎn)把智能儀表采集到的多個(gè)傳感器的數據轉發(fā)出去，這樣就能夠大大減少無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的終端節點(diǎn)個(gè)數，更有效地利用終端節點(diǎn)?？梢?jiàn)這種方案在實(shí)際應用中可以根據現場(chǎng)的實(shí)際情況，靈活使用有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)的方案，使得系統配置更加靈活，能夠滿(mǎn)足對各種傳感器和二次儀表的數據輸出和輸入控制命令，使得現有的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)化。

　　硬件模塊主要分為終端節點(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。第一部分為終端節點(diǎn)模塊，由傳感器模塊、數據處理模塊、與其他單片機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(wú)線(xiàn)發(fā)射、單片機信號輸入與輸出電路。第三部分是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)模塊，包括無(wú)線(xiàn)信號接收與發(fā)射，無(wú)線(xiàn)接收與無(wú)線(xiàn)接收端與PC機的通信電路。

　　從圖1中可以看出，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的數據最終都匯集到網(wǎng)關(guān)上，進(jìn)而通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸給上位機，所以網(wǎng)關(guān)和工業(yè)以太網(wǎng)的接口設計也非常重要。

　　2 系統實(shí)現

　　2.1 終端節點(diǎn)設計

　　終端節點(diǎn)的核心是片上系統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8倍標準8051性能的微處理器，以及32 KB閃存、4 KB RAM.芯片運行溫度范圍為-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,而且可編程數據率范圍從1.2 Kb/s-500 Kb/s,特別適合傳送大批量數據[1-2].

無(wú)線(xiàn)傳感器的終端節點(diǎn)如圖2所示，終端節點(diǎn)模塊實(shí)現了三大功能：處理傳感器的數據；與二次儀表通信，處理二次儀表的數據；最后把相關(guān)的數據通過(guò)發(fā)送模塊發(fā)射出去。軟件設備流程如圖3所示。