無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統的設計思路

　　一、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用廣泛，百花齊放

　　無(wú)線(xiàn)傳感器和傳感器網(wǎng)絡(luò )，是具有非常廣泛的市場(chǎng)前景，將會(huì )給人類(lèi)的生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)深遠影響的新技術(shù)。美國的《技術(shù)評論》雜志在論述未來(lái)新興十大技術(shù)時(shí)，更是將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )列為第一項未來(lái)新興技術(shù)，《商業(yè)周刊》 預測的未來(lái)四大新技術(shù)中，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )也列入其中。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )有著(zhù)十分廣泛的應用前景，在工業(yè)、農業(yè)、軍事、環(huán)境、醫療，數字家庭，綠色節能，智慧交通等傳統和新興領(lǐng)域有具有巨大的運用價(jià)值，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )將無(wú)處不在，將完全融入我們的生活。圖一是無(wú)線(xiàn)傳感器應用示意。

　　由于無(wú)線(xiàn)傳感器和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )巨大的市場(chǎng)和應用前景，所以目前全世界許多公司都推出了各自的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。這些技術(shù)百花齊放，各有千秋，但是這些技術(shù)之間，幾乎不能相互兼容和互通。

　　目前正在開(kāi)發(fā)中的各種無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)，從這個(gè)圖我們可以看到，不同的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，最終都是希望實(shí)現和互聯(lián)網(wǎng)的通訊，這可能是這些傳感器網(wǎng)絡(luò )最終交匯的通道。

　　二、如何選擇合適的無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統的基本架構包括三部分，第一部分是無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，其職責是將數字信息轉換為高頻無(wú)線(xiàn)信號傳送出去和將接收到的高頻無(wú)線(xiàn)信號恢復成數字信息。無(wú)線(xiàn)傳感器收發(fā)芯片而言，IEEE 802.15.4能為無(wú)線(xiàn)傳感器應用提供最佳方案，這是因為IEEE 802.15.4規范可能是主要且可能唯一的實(shí)用標準。目前全球有多家公司提供這方面的收發(fā)芯片。像TI公司的CC2420/CC2520等芯片都特別適用于鈕扣電池和低電能應用的低功耗特性。

　　實(shí)現一個(gè)典型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)和路由器，可以采用多芯片方案，如圖3所示，由一個(gè)無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片和一個(gè)微控制器(單片機)組成，微處理器可以采用低功耗的MSP430，無(wú)線(xiàn)芯片可以采用CC2520/CC2420等。

　　隨著(zhù)技術(shù)不斷發(fā)展，已經(jīng)有越來(lái)越多的公司，將無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片和微控制器和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器做成了一個(gè)片上系統(SoC)，例如TI公司采用8051內核的CC2430/CC2431等ZigBee無(wú)線(xiàn)單片機，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )對計算能力提高要求，最近Freescale公司也推出了ARM內核的32位ZigBee無(wú)線(xiàn)單片機。使用這些SoC無(wú)線(xiàn)單片機設計無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，將使無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)具有更小的體積，更低的功耗和更低的價(jià)格；TI公司在國內的技術(shù)合作伙伴無(wú)線(xiàn)龍科技公司等，也同時(shí)提供這些芯片，開(kāi)發(fā)工具的相關(guān)技術(shù)支持。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )構架第二部分是運行于單片機或者無(wú)線(xiàn)單片機內部的嵌入式軟件，也稱(chēng)軟件協(xié)議棧(network stack)，網(wǎng)絡(luò )堆棧有兩個(gè)職責。首先它必須要處理節點(diǎn)間的無(wú)線(xiàn)鏈接通信質(zhì)量的頻繁變化和環(huán)境因數對無(wú)線(xiàn)通訊造成的干擾，具有對網(wǎng)絡(luò )自組織，自恢復的能力；網(wǎng)絡(luò )堆棧的第二個(gè)職能是要具有很強的路由算法能力，確保信息可靠高效地通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò )拓撲(星狀/網(wǎng)狀等等)從源節點(diǎn)(如果現有，可以通過(guò)成百上千路由節點(diǎn))發(fā)送到目標節點(diǎn)。確保通訊的實(shí)時(shí)性要求。

　　ZigBee聯(lián)盟是由眾多技術(shù)供應商和開(kāi)發(fā)商組成的獨立標準組織。也是目前世界是最大的，基于IEEE 802.15.4平臺的網(wǎng)絡(luò )軟件協(xié)議棧標準提供聯(lián)盟。

　　該組織從ZigBee2004、ZigBee2006、ZigBee2007不斷發(fā)展，目前提供的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )棧是：ZigBee和ZigBee PRO。從使用角度看ZigBee堆棧很適合一般包含十到幾百個(gè)節點(diǎn)的小型網(wǎng)絡(luò )。而ZigBee PRO是ZigBee超集，它增加了一些功能，可對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行擴展并更好地應對來(lái)自其他技術(shù)的無(wú)線(xiàn)干擾，而且可以適應更大型的網(wǎng)絡(luò )和具有更加可靠的路由通訊算法和無(wú)線(xiàn)通訊可靠性。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )構架第三部分應用軟件，這部分包括各種根據用戶(hù)現有開(kāi)發(fā)的軟件代碼，這些代碼目前大部分是采用C語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，可以之間以接口和API方式，調用軟件協(xié)議棧的功能。

　　在多種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)中，我們認為采用802.15.4國際標準和ZigBee技術(shù)，作為我們設計無(wú)線(xiàn)傳感器系統的起步，有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　兼容一個(gè)全球化的可靠的國際標準。

　　可以通過(guò)TI、 Freescale這樣的大型芯片供應商。獲得穩定的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片和無(wú)線(xiàn)單片機來(lái)源，也可以獲得免費的ZigBee協(xié)議棧和相關(guān)源代碼，降低開(kāi)放門(mén)檻。

　　能夠采用KEIL和IAR這樣的高性能軟件編譯調試環(huán)境，可以大大加快開(kāi)放速度，縮短上市周期。

　　一、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用廣泛，百花齊放

　　無(wú)線(xiàn)傳感器和傳感器網(wǎng)絡(luò )，是具有非常廣泛的市場(chǎng)前景，將會(huì )給人類(lèi)的生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)深遠影響的新技術(shù)。美國的《技術(shù)評論》雜志在論述未來(lái)新興十大技術(shù)時(shí)，更是將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )列為第一項未來(lái)新興技術(shù)，《商業(yè)周刊》 預測的未來(lái)四大新技術(shù)中，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )也列入其中。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )有著(zhù)十分廣泛的應用前景，在工業(yè)、農業(yè)、軍事、環(huán)境、醫療，數字家庭，綠色節能，智慧交通等傳統和新興領(lǐng)域有具有巨大的運用價(jià)值，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )將無(wú)處不在，將完全融入我們的生活。圖一是無(wú)線(xiàn)傳感器應用示意。

　　由于無(wú)線(xiàn)傳感器和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )巨大的市場(chǎng)和應用前景，所以目前全世界許多公司都推出了各自的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。這些技術(shù)百花齊放，各有千秋，但是這些技術(shù)之間，幾乎不能相互兼容和互通。

　　目前正在開(kāi)發(fā)中的各種無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)，從這個(gè)圖我們可以看到，不同的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，最終都是希望實(shí)現和互聯(lián)網(wǎng)的通訊，這可能是這些傳感器網(wǎng)絡(luò )最終交匯的通道。

　　二、如何選擇合適的無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統的基本架構包括三部分，第一部分是無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，其職責是將數字信息轉換為高頻無(wú)線(xiàn)信號傳送出去和將接收到的高頻無(wú)線(xiàn)信號恢復成數字信息。無(wú)線(xiàn)傳感器收發(fā)芯片而言，IEEE 802.15.4能為無(wú)線(xiàn)傳感器應用提供最佳方案，這是因為IEEE 802.15.4規范可能是主要且可能唯一的實(shí)用標準。目前全球有多家公司提供這方面的收發(fā)芯片。像TI公司的CC2420/CC2520等芯片都特別適用于鈕扣電池和低電能應用的低功耗特性。

　　實(shí)現一個(gè)典型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)和路由器，可以采用多芯片方案，如圖3所示，由一個(gè)無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片和一個(gè)微控制器(單片機)組成，微處理器可以采用低功耗的MSP430，無(wú)線(xiàn)芯片可以采用CC2520/CC2420等。

　　隨著(zhù)技術(shù)不斷發(fā)展，已經(jīng)有越來(lái)越多的公司，將無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片和微控制器和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器做成了一個(gè)片上系統(SoC)，例如TI公司采用8051內核的CC2430/CC2431等ZigBee無(wú)線(xiàn)單片機，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )對計算能力提高要求，最近Freescale公司也推出了ARM內核的32位ZigBee無(wú)線(xiàn)單片機。使用這些SoC無(wú)線(xiàn)單片機設計無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，將使無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)具有更小的體積，更低的功耗和更低的價(jià)格；TI公司在國內的技術(shù)合作伙伴無(wú)線(xiàn)龍科技公司等，也同時(shí)提供這些芯片，開(kāi)發(fā)工具的相關(guān)技術(shù)支持。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )構架第二部分是運行于單片機或者無(wú)線(xiàn)單片機內部的嵌入式軟件，也稱(chēng)軟件協(xié)議棧(network stack)，網(wǎng)絡(luò )堆棧有兩個(gè)職責。首先它必須要處理節點(diǎn)間的無(wú)線(xiàn)鏈接通信質(zhì)量的頻繁變化和環(huán)境因數對無(wú)線(xiàn)通訊造成的干擾，具有對網(wǎng)絡(luò )自組織，自恢復的能力；網(wǎng)絡(luò )堆棧的第二個(gè)職能是要具有很強的路由算法能力，確保信息可靠高效地通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò )拓撲(星狀/網(wǎng)狀等等)從源節點(diǎn)(如果現有，可以通過(guò)成百上千路由節點(diǎn))發(fā)送到目標節點(diǎn)。確保通訊的實(shí)時(shí)性要求。

　　ZigBee聯(lián)盟是由眾多技術(shù)供應商和開(kāi)發(fā)商組成的獨立標準組織。也是目前世界是最大的，基于IEEE 802.15.4平臺的網(wǎng)絡(luò )軟件協(xié)議棧標準提供聯(lián)盟。

　　該組織從ZigBee2004、ZigBee2006、ZigBee2007不斷發(fā)展，目前提供的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )棧是：ZigBee和ZigBee PRO。從使用角度看ZigBee堆棧很適合一般包含十到幾百個(gè)節點(diǎn)的小型網(wǎng)絡(luò )。而ZigBee PRO是ZigBee超集，它增加了一些功能，可對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行擴展并更好地應對來(lái)自其他技術(shù)的無(wú)線(xiàn)干擾，而且可以適應更大型的網(wǎng)絡(luò )和具有更加可靠的路由通訊算法和無(wú)線(xiàn)通訊可靠性。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )構架第三部分應用軟件，這部分包括各種根據用戶(hù)現有開(kāi)發(fā)的軟件代碼，這些代碼目前大部分是采用C語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，可以之間以接口和API方式，調用軟件協(xié)議棧的功能。

　　在多種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)中，我們認為采用802.15.4國際標準和ZigBee技術(shù)，作為我們設計無(wú)線(xiàn)傳感器系統的起步，有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　兼容一個(gè)全球化的可靠的國際標準。

　　可以通過(guò)TI、 Freescale這樣的大型芯片供應商。獲得穩定的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片和無(wú)線(xiàn)單片機來(lái)源，也可以獲得免費的ZigBee協(xié)議棧和相關(guān)源代碼，降低開(kāi)放門(mén)檻。

　　能夠采用KEIL和IAR這樣的高性能軟件編譯調試環(huán)境，可以大大加快開(kāi)放速度，縮短上市周期。

　　三、開(kāi)始無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統設計準備些什么？

首先我們現需要進(jìn)行一些知識準備，對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )需要的技術(shù)和知識，進(jìn)行準備，雖然可能我們已經(jīng)熟悉單片機和相關(guān)軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，但是無(wú)線(xiàn)收發(fā)器和無(wú)線(xiàn)SoC(無(wú)線(xiàn)單片機)還是有獨特的地方，而且IEEE802.15.4和ZigBee協(xié)議棧等，也是具有一定難度的知識領(lǐng)域；好在目前在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和無(wú)線(xiàn)單片機方面，已經(jīng)有大量的技術(shù)書(shū)籍可供參考，圖四是一些無(wú)線(xiàn)傳感器相關(guān)技術(shù)書(shū)籍，對入門(mén)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可能開(kāi)卷有益。

　　其次我們仍然需要一套容易使用的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)開(kāi)發(fā)系統，這是因為：

我們需要一套完整的軟件編譯開(kāi)發(fā)平臺，包括IAR和KEIL的編譯調試環(huán)境，在線(xiàn)仿真器等必要的開(kāi)發(fā)工具。

我們進(jìn)入無(wú)線(xiàn)傳感器系統設計的難度重心，是盡快掌握無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧軟件使用，同時(shí)盡快進(jìn)入相關(guān)應用軟件開(kāi)發(fā)，所以我們需要一套已經(jīng)完成高頻測試的無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)，路由器和無(wú)線(xiàn)模塊來(lái)進(jìn)行硬件評估和運行我們的嵌入式應用軟件和協(xié)議棧軟件。

我們需要相關(guān)溫度，壓力，加速度，光線(xiàn)，濕度等傳感器接口到這個(gè)系統，方便我們系統設計。

我們在進(jìn)入一個(gè)陌生的技術(shù)領(lǐng)域時(shí)，往往會(huì )有很多的困難，我們需要相應的技術(shù)支持和知識支持。

目前很多國內企業(yè)，都已經(jīng)推出了各種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)工具，圖五是國內企業(yè)成都無(wú)線(xiàn)龍通訊科技公司的一種最新的，支持美國德州儀器TI CC2520無(wú)線(xiàn)收發(fā)器和TI的ZigBee2007/PRO協(xié)議棧無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)開(kāi)發(fā)系統的新產(chǎn)品，包括在線(xiàn)仿真器，PC GUI網(wǎng)絡(luò )監視控制軟件，相關(guān)源代碼無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )示范代碼包裝等，是快速進(jìn)入無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統設計的可選擇國產(chǎn)工具之一。

　　四、設計無(wú)線(xiàn)傳感器系統具體過(guò)程

當我們完成了上述的知識準備和相關(guān)開(kāi)發(fā)工具準備后，我們就可以開(kāi)始一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器設計過(guò)程了，下面，我們以一個(gè)家庭節能無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統為實(shí)例，看看一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的實(shí)際過(guò)程。家庭節能系統框圖如圖六所示。

家庭中的電器，包括空調，洗衣機，冰箱等，構成一個(gè)典型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)能源管理網(wǎng)關(guān)和安裝在戶(hù)外的無(wú)線(xiàn)轉發(fā)路由器，實(shí)時(shí)傳輸到能源公司電腦化管理網(wǎng)絡(luò )和數據庫，實(shí)現對家庭能源的管理。

設計任務(wù)包括設計嵌入到家電內部的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )單元(無(wú)線(xiàn)節點(diǎn))，家庭無(wú)線(xiàn)顯示單元和家庭能源控制單元(無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)或者無(wú)線(xiàn)路由器)，能源管理網(wǎng)關(guān)(無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān))等。

首先，我們采用無(wú)線(xiàn)龍WSN無(wú)線(xiàn)傳感器開(kāi)發(fā)系統平臺提供的多個(gè)無(wú)線(xiàn)SoC模塊(內含CC2430等無(wú)線(xiàn)單片機)，下載TI ZigBee協(xié)議棧和聰明能源相關(guān)代碼，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通訊效果，可靠性評估，該軟件包是有TI公司免費提供(經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)龍工程師的實(shí)際測試和評估)，可以免費用于技術(shù)開(kāi)發(fā)，圖7是軟件結構。

使用強大的KEIL和IAR編譯開(kāi)發(fā)環(huán)境，在線(xiàn)仿真器等調試工具，完全開(kāi)源的ZigBee協(xié)議棧軟件，應該可以很快完成無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)和路由器，網(wǎng)關(guān)的性能評估，通訊可靠性評估和ZigBee無(wú)線(xiàn)通訊代碼開(kāi)發(fā)。

然后我們可以仍然直接使用這些無(wú)線(xiàn)SoC的模塊，添加我們的應用設計，例如LED和LCD顯示部分，可以顯示實(shí)時(shí)的電費是多少，家里有沒(méi)有能源浪費等。同時(shí)設計相關(guān)我們需要的控制電路，如開(kāi)關(guān)控制，電機控制，以在需要時(shí)，對空調器等電器，進(jìn)行節能控制。

由于在無(wú)線(xiàn)龍提供的開(kāi)發(fā)工具中，有一套網(wǎng)絡(luò )協(xié)議分析監視儀，我們可以在測試過(guò)程中，清楚的監視到各種在空氣中的傳輸的無(wú)線(xiàn)包裝內容，從而很快確定我們的無(wú)線(xiàn)通訊軟件代碼是否正確。

由于使用現成的高頻模塊，我們避免了在入門(mén)時(shí)涉及高頻技術(shù)的困難，而是將主要精力集中到最主要的方向，我們的應用代碼和我們的應用需要的硬件設計，這樣就大大加快了系統產(chǎn)品化的進(jìn)度；對于客戶(hù)訂單中，產(chǎn)品最后使用的無(wú)線(xiàn)模塊，我們可以容易的找到OEM專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家來(lái)生產(chǎn)完成。如果一切順利，3－4個(gè)星期，這個(gè)ZigBee家庭節能系統，有希望完成。