依賴(lài)IEEE802.15.4的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在燈光控制中的應用

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，在現實(shí)生活中得到了越來(lái)越廣泛的應用。隨著(zhù)通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，傳感器正逐漸向智能化、微型化、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )化發(fā)展。目前，國內外主要研究無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的低功耗硬件平臺設計、路南算法和拓撲控制、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、定位技術(shù)等。這個(gè)設計以檢測光線(xiàn)強度的傳感器為例，實(shí)現了一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，根據傳感器所檢測的光線(xiàn)強弱來(lái)關(guān)閉或開(kāi)啟指示燈。這種傳感器網(wǎng)絡(luò )綜合了嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、短程無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，有著(zhù)廣泛的應用。該系統不需要對現場(chǎng)結構進(jìn)行改動(dòng)，不需要原先任何固定網(wǎng)絡(luò )的支持，能夠快速布置，方便調整，并且具有很好的可維護性和拓展性。

IEEE 802.15.4標準

IEEE 802.15.4標準適用于低速率、低功耗、低復雜度和短距離數據傳輸的無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)(WPAN)。在網(wǎng)絡(luò )內的無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程中，采用帶沖突避免的載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)機制(CSMA／CA)，支持超幀結構和時(shí)槽保障機制(GTS)。網(wǎng)絡(luò )拓撲結構可以是星型網(wǎng)或點(diǎn)對點(diǎn)的對等網(wǎng)。該標準定義了3種數據傳輸頻率，分別為868MHz、915MHz、2.4GHz。前兩種傳輸頻率采取BPSK的調制方式，后一種采取0-0PSK的調制方式。各種頻率分別支持20 kbit／s，40kbit／s和 250 kbit／s的無(wú)線(xiàn)數據傳輸速率，傳輸距離在0m～70m之間。本義中采用的是頻率為2.4GHz的無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現

網(wǎng)絡(luò )平臺組建

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )平臺由光強傳感器模塊、微處理器模塊、無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊三個(gè)部分組成，如圖1所示。微處理器模塊和無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊集成在一塊板子上，而光強傳感器模塊通過(guò)接口與微處理器相連，這樣可以通過(guò)更換不同的傳感器模塊來(lái)應用于各種場(chǎng)合。

光強傳感器模塊

由于各種不同的應用場(chǎng)合中需要采集的模擬量千籌萬(wàn)刖，網(wǎng)絡(luò )平臺中傳感器模塊采用了擁有50針插針的通用接口。這樣可以通過(guò)更換不同的傳感器模塊子板來(lái)應用于各種場(chǎng)合。傳感器電路部分設計采用power。gating技術(shù)在無(wú)數據采集任務(wù)時(shí)降低功耗。

微處理器模塊

微處理器選用8位低功耗微控制器ATMEGA128，數據吞吐率很高，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。相對于其他通用的8位微處理器來(lái)說(shuō)，它具有非常豐富的資源，具有片內128k字節的程序存儲器(Flash)，4k字節的數據存儲器(SRAM，可外擴到64k)和4k字節的EEPROM。它高速和大容量RAM的特性，為處理數據包提供了便利。

無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊

無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊采用的是Chipcon公司的CC2420芯片。CC2420是TI-Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4標準的射頻收發(fā)器。該芯片只需極少外部元器件，性能穩定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數超過(guò)了IEEE802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。

組網(wǎng)類(lèi)型

在本文中，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )采取星型拓撲結構，由一個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器作為中心節點(diǎn)，可以跟任何一個(gè)普通節點(diǎn)通信。普通節點(diǎn)上含有光強傳感器對周?chē)h(huán)境中的光信號強度參數進(jìn)行測量、采樣，將采集到的數據發(fā)往中心節點(diǎn)，并且可以對中心節點(diǎn)發(fā)來(lái)的數據、命令進(jìn)行分析處理，完成相應的操作。若兩個(gè)普通節點(diǎn)之間要傳送數據則必須經(jīng)過(guò)中心節點(diǎn)，由中心節點(diǎn)把數據傳送到相應的節點(diǎn)上。

組網(wǎng)流程

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)自組織的網(wǎng)絡(luò )，如果一個(gè)全功能節點(diǎn)被激活，它就可能建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò )并把自己沒(méi)為網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，其他的普通節點(diǎn)可以申請加入該網(wǎng)絡(luò )。這樣就可以建成一個(gè)具有星型拓撲結構的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。本文中的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )支持超幀結構，網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器經(jīng)過(guò)能量掃描、主動(dòng)信道掃描后，按照設定的參數周期性的發(fā)送信標幀。普通節點(diǎn)首先經(jīng)過(guò)能量掃捕和被動(dòng)信道掃描后，獲取信標幀中包含網(wǎng)絡(luò )特征的參數，如信標序號(beaconorder)、超幀序號(superframeorder)和網(wǎng)絡(luò )標號等。通過(guò)mlmeSyncRequest()函數(根據MLME-SYNC.request原語(yǔ)編寫(xiě))請求與網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器同步，再通過(guò)mlmeAssociateRequest()函數(根據MLME-ASSOCIATE.request原語(yǔ)編寫(xiě))請求與網(wǎng)絡(luò )協(xié)涮器關(guān)聯(lián)。在與網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器關(guān)聯(lián)的過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器為每個(gè)請求關(guān)聯(lián)的普通節點(diǎn)分配16位的短地址。這樣在以后的數據傳送中就可以用短地址進(jìn)行通信，提高通信效率、降低發(fā)射中的能量消耗，從而延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的使用壽命。

數據傳輸機制

數據格式

在IEEE 802.15.4標準中定義了四種幀，分別是信標幀、數據幀、命令幀、確認幀。存燈光控制的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，這四種幀都得到了應用。

(1) 信標幀：用以網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器在支持超幀結構的第一個(gè)時(shí)槽向其臨近節點(diǎn)廣播信標，當附近的節點(diǎn)接受到信標幀后就可以申請加入該網(wǎng)絡(luò )。信標幀的結構如表1所示，在幀控制域中定義了幀的類(lèi)型為信標幀。

由于本文中的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統采用相對簡(jiǎn)單的星型拓撲結構，在信標幀的結構上與IEEE802.15.4標準有所不同：在信標幀的地址域中儀包含源節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )標號和短地址，不包含目的節點(diǎn)信息(因為采用廣播方式發(fā)送)。在信標幀中沒(méi)有GTS域，不支持時(shí)槽保障機制。

(2) 數據幀：用來(lái)傳送含有光強度信息的數據。數據幀的結構如表2所示，在幀控制域中定義了幀的類(lèi)型為數據幀。

在地址域中包含源節點(diǎn)和目的節點(diǎn)的剛絡(luò )標號和短地址。由于數據幀的傳送方向有兩種：從普通節點(diǎn)傳向中心節點(diǎn)和從中心節點(diǎn)發(fā)送給普通節點(diǎn)。它們的數據負載域的長(cháng)度不同，分別20字節和1字節。

(3) 命令幀：用于組建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )、傳輸同步數據等。命令幀在格式上和其他類(lèi)型的幀沒(méi)有太多的區別，其結構如表3所示。

在幀控制域中定義了幀的類(lèi)型為命令幀，其地址域根據不同的命令存存兩種長(cháng)度，命令幀的具體功能由幀的負載數據表示。負載數據是一個(gè)變長(cháng)結構，所有命令幀負載的第一個(gè)字節是命令類(lèi)型字節，后面的數據針對不同的命令類(lèi)型有不同的含義。在本文所建立的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，用到的命令類(lèi)型有關(guān)聯(lián)請求(association request)、關(guān)聯(lián)響應(Association response)、數據請求(Data request)等。

(4) 確認幀：用以確認目標節點(diǎn)成功接收到數據幀或命令幀。當目標節點(diǎn)成功接收到數據幀或命令幀后，就發(fā)送一個(gè)確認幀給發(fā)送方。發(fā)送方接收到這個(gè)確認幀說(shuō)明發(fā)送成功。若在規定的時(shí)間內沒(méi)有接收到確認幀，則重發(fā)該數據幀或命令幀。確認幀的結構如表4所示。

在幀控制域中定義了幀的類(lèi)型為確認幀。確認幀的序列號要與被確認幀相同，并且負載長(cháng)度為零。確認幀緊接著(zhù)被確認幀發(fā)送，不需要使用CSMA-CA機制競爭信道。

傳輸流程

在整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，采取的是普通節點(diǎn)定時(shí)讀取其傳感器上的光強數據，并將光強數據發(fā)送給中心節點(diǎn)。中心節點(diǎn)對接受到的數據進(jìn)行處理后傳送給相應的節點(diǎn)用以控制其上的指示燈。在中心節點(diǎn)上的數據處理流程如圖2所示。

首先，網(wǎng)絡(luò )絡(luò )協(xié)調器對接收到的數據幀進(jìn)行檢驗，圖中的"節點(diǎn)判斷"是判斷是否為指定節點(diǎn)的傳感器數據。若接收的數據是指定節點(diǎn)上的數據，則將該數據與一個(gè)光強度閾值進(jìn)行比較來(lái)設定控制變量(用來(lái)控制燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài))。反之，則不進(jìn)行發(fā)送操作。然后，判斷帶有指示燈的節點(diǎn)是否加入網(wǎng)絡(luò )。若在網(wǎng)絡(luò )中找到帶有指示燈的節點(diǎn)，則中心節點(diǎn)將控制變量作為數據幀負載發(fā)送給它。反之，則不發(fā)送帶有控制變量的數據幀。

結束語(yǔ)

在我們設計的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，普通節點(diǎn)將它采集的光強數據發(fā)送給網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器將含有控制變量的數據幀發(fā)送給帶有指示燈接點(diǎn)的同時(shí)，還可以通過(guò)串口將光強度數據傳送給計算機。通過(guò)安裝存計算機上的后臺軟件，可以看出光強度信號的變化。如圖3所示，通過(guò)遮蓋光強傳感器可以改變采集到的光強數據，當光強度比較低時(shí)曲線(xiàn)下降，反之曲線(xiàn)上升。從圖3中，可以明顯看出，在這一段時(shí)間中傳感器被遮蓋了兩次。

設計實(shí)現了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，從無(wú)線(xiàn)傳輸協(xié)議的制定、傳輸過(guò)程控制等幾個(gè)方面進(jìn)行了論述。在實(shí)際運用中，只要對具體的傳感器進(jìn)行更換，就可以適用于各種各樣的傳感器網(wǎng)絡(luò )。此系統適用于家庭、大廈內部環(huán)境質(zhì)量的監控及智能化處理。由于無(wú)線(xiàn)傳感器系統組網(wǎng)靈活，采用模塊化的設計，故具有很好的移植性和擴展性，隨著(zhù)人們生活水平的提高，此系統在智能家電、家庭環(huán)境的智能調節上有著(zhù)廣闊的前景。