基于IEEE 802.15.4的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的設計與實(shí)現

基于IEEE802.15.4的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )由于廉價(jià)、簡(jiǎn)單、低功耗、低數據傳輸速率（250Kbit/s）以及工作在免申請的ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫療）頻段的特點(diǎn)[1]，將在自動(dòng)控制、環(huán)境監測等領(lǐng)域得到廣泛應用，在對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )深入研究的基礎上，我們選用了Helicomm公司新推出的IP-link1200模塊搭建了一個(gè)驗證系統，實(shí)現了對目標點(diǎn)溫度指標與濕度指標的實(shí)時(shí)監測控制功能。

1 驗證系統總體方案設計

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )采用大量具有多功能多信息信號獲取能力的傳感器，利用自組織無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )與傳感器控制器連接，構成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，典型的網(wǎng)絡(luò )結構如圖1所示。

無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)經(jīng)多跳轉發(fā)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)接入網(wǎng)絡(luò )，在網(wǎng)絡(luò )的任務(wù)管理節點(diǎn)對傳感器信息進(jìn)行管理、分類(lèi)、處理，再把傳感器信息送給終端用戶(hù)[2]。

與傳統Ad hoc網(wǎng)絡(luò )相比，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有一些明顯特征：

a）以數據為中心，以無(wú)連接方式傳輸數據；

b）網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構變化不大，主要是舊節點(diǎn)的離開(kāi)和新節點(diǎn)的加入；

c）網(wǎng)絡(luò )結點(diǎn)密度高，傳感器節點(diǎn)數量眾多，單位面積擁有的節點(diǎn)數遠遠大于傳統的Ad hoc網(wǎng)絡(luò )；

d）傳感器節點(diǎn)由電池供電，節點(diǎn)能量有限；

e）網(wǎng)絡(luò )還應該具有容錯能力[3]。

對于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，IEEE802.15.4滿(mǎn)足OSI-RM（開(kāi)放系統互連參考模型）標準，定義了MAC（媒體接入控制）層和PHY（物理）層協(xié)議]1]。Zigbee是全球許多家公司組成的一個(gè)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，它定義了一組基于IEEE802.15.4的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術(shù)標準，我們搭建的系統符合Zigbee聯(lián)盟的規定，而Zigbee的MAC層、物理層則符合IEEE802.15.4協(xié)議，由于該標準是開(kāi)放的，基于該標準的產(chǎn)品不必支持專(zhuān)利費，有利于加快無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)進(jìn)程[4]。

對于該無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )驗證系統的具體實(shí)現，可以由多種方案，有移動(dòng)網(wǎng)、衛星以及Internet等多種手段，此外還可以建立專(zhuān)網(wǎng)傳輸數據至管理中心、終端用戶(hù)。

針對本實(shí)驗驗證系統的實(shí)際應用是農業(yè)監測控制，所以要考慮它的實(shí)際情況：一是建設的周期、資金；二是網(wǎng)絡(luò )的覆蓋范圍；三是終端用戶(hù)獲取數據信息的便利性，根據這3個(gè)要素，選擇GSM（全球移動(dòng)通信系統）網(wǎng)絡(luò )較符合系統要求。

如圖2所示，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )驗證系統主要由數據采集和傳輸網(wǎng)絡(luò )（本地網(wǎng)絡(luò )）、GSM網(wǎng)絡(luò )、管理中心、用戶(hù)終端4部分組成，其中，用戶(hù)終端就是普通的手機，它和GSM網(wǎng)絡(luò )都是非常成熟的穩定的平臺，因此驗證的主要研究工作在管理中心和本地網(wǎng)絡(luò )的設計實(shí)現以及如何接入GSM網(wǎng)絡(luò )。

管理中心的硬件由一臺PC機和數個(gè)GSM模塊組成，考慮到網(wǎng)絡(luò )阻塞問(wèn)題，管理中心采用多個(gè)GSM模塊，軟件部分由任務(wù)管理軟件和數據庫組成，系統支持Internet網(wǎng)絡(luò )發(fā)布功能，實(shí)現數據共享。

本地網(wǎng)絡(luò )由一個(gè)兼做接收器的目的節點(diǎn)負責本地網(wǎng)絡(luò )的協(xié)調，并將采集的數據簡(jiǎn)單處理后發(fā)給GSM網(wǎng)絡(luò )的管理中心，一個(gè)本地網(wǎng)絡(luò )中最多只能有255個(gè)傳感器節點(diǎn)，如果要安放更多的節點(diǎn)，可以通過(guò)增加本地忘了網(wǎng)絡(luò )的數目而達到目的。

實(shí)驗驗證系統實(shí)現的功能如下：用戶(hù)只需用普通的GSM手機向管理中心指定的號碼按照規定格式發(fā)送節點(diǎn)號、時(shí)間等數據請求信息，就會(huì )收到相應節點(diǎn)在該時(shí)間點(diǎn)上對應的溫濕度信息，例如，請求信息N112T05/09/01/20：30：00，表示節點(diǎn)號為112在2005年9月1日20時(shí)30分；返回信息為N112T05/09/01/20：30：00/W25S56表示112號節點(diǎn)在那一時(shí)刻的溫度是25攝氏度，相對濕度為65%，另外，在部分節點(diǎn)還加上了控制裝置，同樣，用戶(hù)也只需發(fā)短信，就能完成控制操作，還提供了Internet上的數據庫查詢(xún)服務(wù)，以便為用戶(hù)提供更多的信息。

傳感器采集數據的方式可以是定時(shí)采集，也可以是按用戶(hù)要求采集，數據的時(shí)間間隔、傳感器的節能等功能可以在管理中心進(jìn)行設定，采集到的數據存放到管理中心的數據庫中，供顯示、報表打印使用，并發(fā)布到Internet上以利于各種用戶(hù)共享數據。

2 系統硬件設計和實(shí)現

2.1 本地網(wǎng)絡(luò )

我們把在本地網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)分為以下3種類(lèi)型：

a）目的節點(diǎn)（接收器）：主要功能是匯總本地網(wǎng)絡(luò )的數據，并將它通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )傳送給管理中心和用戶(hù)終端；

b）中繼節點(diǎn)：不但有數據采集、而且還具有控制功能（比如控制各種電機動(dòng)作）；

c）源（普通）節點(diǎn)：具有實(shí)時(shí)采集溫度、濕度兩項指標的功能。

目的接點(diǎn)如圖3所示，由IP-Link1200通信模塊、溫度傳感器、濕度傳感器、GSM模塊、單片機AT89C51，串口擴展芯片SP2328、輔助接口電路以及電源模塊組成。
 

IP-Link1200通信模塊是由Helicomm公司開(kāi)發(fā)的一款基于Zigbee標準的集成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )模塊，它支持多種組網(wǎng)方式（星形網(wǎng)絡(luò )、簇樹(shù)形網(wǎng)絡(luò )、對等網(wǎng)絡(luò )以及混合型網(wǎng)絡(luò )），有1個(gè)UART（通用異步收發(fā)器）口、2個(gè)可用的ADC（模/數轉換）口。

溫度傳感器和濕度傳感器（HM150LF）分別連接到ADC0、ADC1口。

GSM模塊選用WAVECOM公司生產(chǎn)的Q2403A，它支持900MHz和1800MHz兩個(gè)頻段，接口為RS232C，通過(guò)AT指令控制，符合GSM07.07命令集。RS-232接口經(jīng)過(guò)電平轉換，接入到串口擴展芯片SP2328。

單片機AT89C51是主節點(diǎn)控制的核心部分，它通過(guò)串口擴展芯片SP2328擴展了3個(gè)串口UART0、UART1、UART2、分別與GSM模塊、IP-Link1200模塊以及控制電路相連，控制電路部分，其實(shí)只是一個(gè)接口轉換電路，它把UART2口傳送過(guò)來(lái)的數據送到標準RS-232串口與各種不同類(lèi)型的控制器相連，控制信號的數據解碼任務(wù)由AT89C51完成。

目的節點(diǎn)除去GSM部分的功能，就成為中繼節點(diǎn)。而普通節點(diǎn)具有溫濕度數據采集和網(wǎng)絡(luò )通信功能，由IP-Link1200模塊、傳感器和電源3部分組成，值得強調的是普通節點(diǎn)必須為配置結點(diǎn)參數留有一個(gè)UART接口。

2.2 管理中心

在管理中心的一臺PC機通過(guò)它的3個(gè)RS-232接口與相應的3個(gè)Q2403A模塊相連，多個(gè)GSM模塊的運用可以避免網(wǎng)絡(luò )忙時(shí)造成阻塞。

3 軟件流程和實(shí)現

3.1 本地網(wǎng)絡(luò )的軟件

軟件部分由節點(diǎn)程序和遠程管理中心程序兩部分組成。

節點(diǎn)程序主要流程圖如圖4所示。

設備初始化成功后對信道進(jìn)行掃描，這里加入了節能考慮，查詢(xún)次數大于M時(shí)，設備自動(dòng)轉入休眠計時(shí)狀態(tài)，休眠時(shí)間大于Tmax后，又返回掃描狀態(tài)[5]。

節點(diǎn)程序的物理層、MAC層和網(wǎng)絡(luò )層部分運行于IP-Link1200通信模塊中，而應用層的程序則運行在A(yíng)T89C51中，主要功能是通過(guò)控制3個(gè)UART口完成溫濕度數據采集、與GSM網(wǎng)絡(luò )的通信和對控制器的操作[6]，它的一般幀結構如圖5所示。

3.2 管理中心

在位于遠程的管理中心，運行于PC上的管理軟件用Visual C++6.0開(kāi)發(fā)，支持數據庫查詢(xún)，該數據庫由微軟的Access 2002創(chuàng )建，當需要查詢(xún)某一本地網(wǎng)絡(luò )中某個(gè)節點(diǎn)的溫濕度指標時(shí)，僅輸入對應的節點(diǎn)號即可，界面如圖6所示，這時(shí)可以看到相應節點(diǎn)的溫濕度參數以及數據采集時(shí)間，界面如圖7所示，通常，在不進(jìn)行手動(dòng)采集時(shí)，設定一定的采集時(shí)間間隔，系統會(huì )自動(dòng)采集并存儲數據。

4 結束語(yǔ)

本文介紹了用IP-Link1200模塊組建無(wú)線(xiàn)傳感器的網(wǎng)絡(luò )的驗證系統，實(shí)現了實(shí)時(shí)的監控功能，可以相信，不久的將來(lái)，由于協(xié)議的開(kāi)放性和Zigbee聯(lián)盟的大力推動(dòng)，基于IEEE802.15.4的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )將在樓宇自控、環(huán)境監測、PC外設等許多低速數據傳輸場(chǎng)合得到廣泛應用[7]，并迅速形成產(chǎn)品。