基于嵌入式網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )平臺軟硬件設計

隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，基于分布式、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用也越來(lái)越多。本文提出了一個(gè)基于嵌入式系統的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗平臺，該實(shí)驗平臺在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的算法和協(xié)議驗證方面具有良好的應用前景。

　　集成電路、微機電系統以及通信理論的發(fā)展促使了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的出現。這種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是由很多自給供電的傳感器節點(diǎn)組成的。每個(gè)傳感器節點(diǎn)都可以進(jìn)行周?chē)h(huán)境數據的采集、簡(jiǎn)單計算以及與其它節點(diǎn)及外界進(jìn)行通信。傳感器網(wǎng)絡(luò )的多節點(diǎn)特性使得眾多的傳感器可以通過(guò)協(xié)同工作進(jìn)行高質(zhì)量的傳感，以及組成一個(gè)容錯性好的的采集系統。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)出現了許多基于分布式的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用，如搶險救災、智能家居以及生物化學(xué)武器攻擊的探測和救援。

　　然而，作為一種新興出現的技術(shù)，建立一個(gè)運轉良好、魯棒性好的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )還是面臨著(zhù)許多挑戰。而且由于它的一些獨特特性，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的設計方法與現有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的設計方法有很大不同。例如，由于傳感器網(wǎng)絡(luò )中的傳感器節點(diǎn)分布密集，所以需要大范圍的數據管理和處理技術(shù)。其次，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)一般部署在人類(lèi)難以到達和接觸的區域，這就使傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的維護面臨著(zhù)很大的挑戰。除此之外，電源消耗也是一個(gè)很重要的問(wèn)題，無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)作為微小器件，只能配備有限的電源，在有些應用場(chǎng)合下，更換電源是近乎不可能的。這使得傳感器節點(diǎn)的壽命在很大程度上依賴(lài)于電池的壽命，所以降低功耗以延長(cháng)系統的壽命是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計需要首要考慮的問(wèn)題。許多無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )方面的研究人員都在注重研究新的節約功耗的協(xié)議和算法，這些協(xié)議和算法需要傳感器網(wǎng)絡(luò )平臺進(jìn)行實(shí)驗和驗證。在本文中，我們就將介紹一種對協(xié)議和算法進(jìn)行實(shí)驗和驗證的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )平臺。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )平臺架構

　　一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )包括傳感器節點(diǎn)以及傳感器網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)，如圖1所示。網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)用于組合從各個(gè)傳感器節點(diǎn)得到的數據以及負責與外界的通信，該節點(diǎn)基于嵌入式系統。

　　傳感器節點(diǎn)首先采集諸如聲、光和距離等環(huán)境相關(guān)的數據，并對這些數據進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后傳送到網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通常具有兩種應用模式：主動(dòng)輪詢(xún)模式、被動(dòng)模式。主動(dòng)模式要求網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)對各個(gè)傳感器節點(diǎn)進(jìn)行主動(dòng)的輪詢(xún)以獲得消息，而被動(dòng)模式則要求在某個(gè)傳感器節點(diǎn)事件發(fā)生時(shí)，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)能作出及時(shí)的響應。各個(gè)傳感器節點(diǎn)得到的數據還能進(jìn)行組合，這也很大地提高了傳感器網(wǎng)絡(luò )的效率。當然這也要求傳感器節點(diǎn)要具有一定的計算能力。

　　系統硬件實(shí)現

　　在本文介紹的系統架構中，主要需要實(shí)現的是傳感器節點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的硬件平臺，下面介紹這兩個(gè)平臺的硬件實(shí)現。

　　1. 傳感器節點(diǎn)的硬件實(shí)現

　　傳感器節點(diǎn)的功能是采集人們感興趣的數據，并將數據發(fā)送給各個(gè)傳感器節點(diǎn)組的網(wǎng)關(guān)。傳感器節點(diǎn)主要由電源模塊、計算模塊、存儲單元、通信模塊和傳感單元組成，如圖2所示。

　　傳感器節點(diǎn)的計算單元的功能已經(jīng)在上節中介紹過(guò)，在我們的系統中采用了TI 公司的16位微控制器MSP430F149。MSP430具有豐富的片上存儲資源，在5 MHz的工作頻率下，MSP430的功耗大約為1.5mW，而且該微控制器還有多種省電模式可供選擇。除了豐富的片上存儲資源和多種省電模式以外，MSP430還具有多個(gè)AD接口和I/O數據線(xiàn)，使之很容易用軟件編程，這些接口還可以用作與傳感單元的接口。

　　傳感器節點(diǎn)的通信模塊的功能是由nRF903 射頻收發(fā)器來(lái)實(shí)現。該收發(fā)器所具有的低功耗和小尺寸使之非常適合用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統中，該收發(fā)器可以工作在433MHz、868MHz、915MHz 等公共頻段中。射頻模塊通過(guò)串口與MSP430通信。nRF903還可以根據輸入電流來(lái)決定傳輸功率，這一特性使之具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　a. 可以使一個(gè)節點(diǎn)自動(dòng)調整通信的相鄰節點(diǎn)的個(gè)數，從而使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的規?？烧{。