低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統實(shí)現

隨著(zhù)近年來(lái)各種傳感器相關(guān)核心技術(shù)的日益成熟（包括微機械、數字模擬集成電路工藝、無(wú)線(xiàn)通信以及高密度電池等），無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )WSN(Wireless Sensor Networks)[1]逐漸成為研究的熱點(diǎn)并得到了廣泛應用。傳感器網(wǎng)絡(luò )的主要任務(wù)是對分布在傳感區域的環(huán)境參數進(jìn)行采集、處理并傳輸至用戶(hù)終端。本文所介紹的低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò )系統在有效完成以上任務(wù)的基礎上，還具有低功耗、低復雜度、高可靠性以及極強的擴展能力等特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足農業(yè)、環(huán)境、建筑等行業(yè)的大部分應用需求。
　該傳感器網(wǎng)絡(luò )系統由傳感采集節點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)以及遠程用戶(hù)終端組成，如圖1所示。

　其中，傳感采集節點(diǎn)負責環(huán)境數據的采集和處理，并將數據傳輸至相應的網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò )中的傳感采集節點(diǎn)只能直接與其一跳范圍之內的網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)通信，并與相應的網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)一起組成一個(gè)子網(wǎng)。
　網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)作為該子網(wǎng)的對外接口，負責收集其子網(wǎng)內所有傳感采集節點(diǎn)的信息。整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中允許存在一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)及相應的子網(wǎng)。不同的子網(wǎng)采用不同頻率進(jìn)行通信，以相互區別并防止數據傳輸沖突。網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)與遠程用戶(hù)終端可采用無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)的主干網(wǎng)絡(luò )連接，可選擇的方案包括無(wú)線(xiàn)IP網(wǎng)橋、有線(xiàn)以太網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )等。網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)與遠程用戶(hù)終端間的連接方案并不在本文的主要研究范疇之內，但本文給出了采用無(wú)線(xiàn)IP網(wǎng)橋的實(shí)現方法以供參考。
　由于在大多數傳感器網(wǎng)絡(luò )應用中，傳感采集節點(diǎn)數目眾多、體積受限且分布在不易接觸的工作環(huán)境中，而網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)則數量相對較少且可以安放在更靈活的位置，因此，在系統設計中假定傳感采集節點(diǎn)由普通小容量電池供電，而網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)則可由交流電源或者大容量鋰電池或蓄電池供電。在此條件下，網(wǎng)絡(luò )的使用壽命主要由傳感采集節點(diǎn)的功耗決定，即系統的低功耗主要體現在傳感采集節點(diǎn)的低能耗上。
　本設計從硬件設計以及網(wǎng)絡(luò )協(xié)議兩方面對傳感節點(diǎn)的能耗進(jìn)行了優(yōu)化，從而保證傳感采集節點(diǎn)在系統運作中的低功耗。在硬件設計方面，系統以TI公司低功耗射頻單片機CC1110為核心；而網(wǎng)絡(luò )協(xié)議則采用了自主研發(fā)的低功耗Sensor-Push傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。
1 傳感采集節點(diǎn)及網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)的硬件設計
　系統中的傳感采集節點(diǎn)由核心電路板、電池以及傳感器三部分組成，其實(shí)物如圖2所示。核心電路板基于TI的低功耗射頻單片機CC1110，它包括射頻阻抗匹配電路、鋰電池接口、外接電源接口、充電電路、線(xiàn)性電壓轉換電路、傳感器接口、傳感器電源控制電路、地址設定輸入、節點(diǎn)狀態(tài)指示等功能模塊，如圖3所示。其中，射頻阻抗匹配電路完成CC1110輸出至50 Ω天線(xiàn)的阻抗轉換；鋰電池接口連接鋰電池，用于提供整個(gè)傳感采集節點(diǎn)的電源；外接電源接口連接外部直流電源輸出，通過(guò)充電電路對鋰電池實(shí)施充電；線(xiàn)性電壓轉換電路將鋰電池電壓轉為系統所需工作電壓；傳感器接口連接外部傳感器，對環(huán)境數據進(jìn)行采集；傳感器電源控制電路用于在空閑時(shí)期切斷傳感器電源供應以節省能源；地址設定通過(guò)不同的外部電阻組合配置節點(diǎn)地址；節點(diǎn)狀態(tài)指示用于標識當前節點(diǎn)狀態(tài)，包括連接狀態(tài)及系統錯誤等。