無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在車(chē)位控制中的應用研究

　　1 引言

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[1]。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拓撲控制和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、定位技術(shù)等。這個(gè)設計以檢測超聲波強度的傳感器為例，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超聲波強弱來(lái)決定開(kāi)啟或關(guān)閉車(chē)位指示燈，從而判斷是否有車(chē)輛進(jìn)入檢測區域。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。

　　2 IEEE 802.15.4標準

IEEE 802.15.4標準[2]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。本文中采用的是頻率為2.4GHz的無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊。

　　3 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現

　　3.1 網(wǎng)絡(luò )平臺組建

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )平臺由超聲波傳感器模塊、微處理器模塊、無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊三個(gè)部分組成[3]，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，而超聲波傳感器模塊通過(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。

　　3.1.1 超聲波傳感器模塊

由于超聲波指向性強，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量?jì)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現[4]。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實(shí)用的要求。為了使汽車(chē)能自動(dòng)避障行走，就必須裝備測距系統，以使其及時(shí)獲取距障礙物的距離信息(距離和方向)。本文所介紹的三方向(前、左、右)超聲波測距系統，就是為后臺工作人員了解其前方、左側和右側的環(huán)境而提供一個(gè)運動(dòng)距離信息[5]。

圖1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)結構

圖2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)通信拓撲結構

SL-SRF-25超聲波傳感器，接上電源，可以單獨作為超聲波測距使用，由3位LED數碼管顯示障礙物距離，3位LED數碼管采用積木式插裝方式，便于調試檢查及使用在不同場(chǎng)合。測量范圍10cm-250cm，測距小于100cm時(shí)，誤差是1～2cm.，大于100cm時(shí)，誤差是4～5cm。SL- SRF-25超聲波傳感器，還可以指定從單片機I/O端口上輸出分段距離檢測信號。

　　3.1.2 微處理器模塊

處理器模塊選擇美國加州伯克利大學(xué)的 Mica2 模型節點(diǎn)。節點(diǎn)板上提供如下功能：433MHz 中心頻率的無(wú)線(xiàn)通信接口，通過(guò)編程可以定制多種功能：能夠提供-20db~10db 多種通信功率；能夠在曼徹斯特編碼方式下提供從 0.3kbps~ 38.4kbps 多種傳輸速率；能夠在 433M 附近設置多種通信頻率，頻率間隔為 76k。它高速和大容量RAM的特性，為處理數據包提供了便利。

　　3.1.3 無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊

無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊采用桑銳電子科技公司的SRWF-501型微功率無(wú)線(xiàn)模塊射頻收發(fā)器。該芯片只需極少外部元器件，性能穩定且功耗極低。該收發(fā)器提供 3 個(gè)串口 3 種接口方式，COM1 為 TTL 電平 UART 接口，COM2 為標準的 RS-232 接口標準的 RS-485 接口；晶體穩頻，內置數字鎖相環(huán)，頻點(diǎn)根據用戶(hù)需要在 300—1000MHz 范圍內可以靈活設置；自動(dòng)過(guò)濾噪聲，簡(jiǎn)化了用戶(hù)接口的編程，做到與有線(xiàn)一樣方 便；“收”“發(fā)” 自動(dòng)切換，無(wú)需專(zhuān)用的收發(fā)控制線(xiàn)，不發(fā)數據時(shí)為常態(tài) “收”狀態(tài)；發(fā)數據時(shí)自動(dòng)轉換為“發(fā)”狀態(tài)，“發(fā)”完后自動(dòng)回到“收”；微發(fā)射功率 ： 最大發(fā)射功率 10mW。SRWF-501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。

3.2 系統軟件平臺

選擇美國加州伯克利大學(xué)開(kāi)發(fā)的TinyOS 系統開(kāi)發(fā)環(huán)境。TinyDB 是 TinyOS 的查詢(xún)處理系統，它能夠從無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的sensor 節點(diǎn)上提取數據和信息。TinyOS 為 TinyDB 提供了一個(gè)可視化的 JAVA API 窗口，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢(xún)。

　　3.3 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(如圖2)，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)上含有超聲波傳感器對周?chē)h(huán)境中的超聲波信號強度參數進(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。

　　3.4 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 )并把自己設為網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，其它的普通節點(diǎn)可以申請加入該網(wǎng)絡(luò )[6]。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)能量掃描和被動(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、超幀序號和網(wǎng)絡(luò )標號等。通過(guò)同步請求與網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器同步，再通過(guò)匹配請求與網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器關(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[7]。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。

　　3.5 數據傳輸機制

　　3.5.1 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[2]。

　　(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 )。

　　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僅包含源節點(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)。

　　(2) 數據幀：用來(lái)傳送含有超聲波度信息的數據。

　　在地址域中包含源節點(diǎn)和目的節點(diǎn)的網(wǎng)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)。

　　(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它類(lèi)型的幀沒(méi)有太多的區別。

　　(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。

　　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[8]。

　　3.5.2 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)讀取其傳感器上的超聲波數據，并將超聲波數據發(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)用以控制其上的車(chē)位置位標志。首先，網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器對接收到的數據幀進(jìn)行檢驗，圖2中的中心節點(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)超聲波度閾值進(jìn)行比較來(lái)設定控制變量(用來(lái)控制車(chē)位的開(kāi)關(guān)狀態(tài)) [9]。反之，則不進(jìn)行發(fā)送操作。然后，判斷帶有空閑的節點(diǎn)是否加入網(wǎng)絡(luò )。若在網(wǎng)絡(luò )中找到帶有空閑的節點(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。

4 結束語(yǔ)

在我 們設計的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )車(chē)位控制系統中，普通節點(diǎn)將它采集的超聲波數據發(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)送給帶有車(chē)位占空標志接點(diǎn)的同時(shí)，還可以通過(guò)串口將超聲波度數據傳送給計算機。通過(guò)計算機上的后臺軟件，可以監控超聲波度信號的變化。從超聲波傳感器可以判斷車(chē)位的占用情況。

本文從無(wú)線(xiàn)傳輸協(xié)議的制定、傳輸過(guò)程控制等幾個(gè)方面對設計實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )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 )。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，此系統在未來(lái)交通監控領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用前景。在未來(lái)交通監控領(lǐng)域[10]、智能家電、家庭環(huán)境的智能調節上有著(zhù)廣闊的前景。