傳感測(cè)試技術(shù)正朝著多功能化、微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、無(wú)線化的方向發(fā)展，自組織無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(selforganizing wireless sensornetwork)作為新興技術(shù)，是目前國(guó)外研究的熱點(diǎn)，其在軍事、環(huán)境、健康、家庭、商業(yè)、空間探索和災(zāi)難拯救等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，早在2003年美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)已經(jīng)斥巨資來(lái)支持這方面的研究，并且出現(xiàn)了一些致力于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的公司。其中，crossbow公司已推出了mica系列傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)很多大學(xué)現(xiàn)已經(jīng)開(kāi)展相關(guān)領(lǐng)域的研究，但大部分工作仍處在自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能仿真和硬件節(jié)點(diǎn)小規(guī)模實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，本文就國(guó)防科技大學(xué)傳感器教研室開(kāi)展可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)方面無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。
1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型(如圖1所示)是不同于傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的以基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)，通過(guò)在監(jiān)測(cè)區(qū)去內(nèi)隨意布撒大量傳感器節(jié)點(diǎn)(簡(jiǎn)稱節(jié)點(diǎn))，由各節(jié)點(diǎn)自行協(xié)調(diào)并迅速組建通信網(wǎng)絡(luò)，在能量利用率優(yōu)先考慮原則下進(jìn)行工作任務(wù)劃分以獲取監(jiān)視區(qū)域的信息，網(wǎng)絡(luò)的自組織特性體現(xiàn)在當(dāng)節(jié)點(diǎn)失效或新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)網(wǎng)絡(luò)能夠自適應(yīng)重新組建，以調(diào)整全局的探測(cè)精度，充分發(fā)揮資源優(yōu)勢(shì)，即網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)除具備數(shù)據(jù)采集功能外兼有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)多跳的路由功能。
圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型
典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸和電源4個(gè)主要部分組成，傳感探測(cè)單元由傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)待測(cè)對(duì)象的信息采集，微控制單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲(chǔ)等功能，無(wú)線傳輸單元負(fù)責(zé)低功耗短距離節(jié)點(diǎn)間通信，供電單元選取小型化、高容量的電池，以確保節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)壽命和微型化，具體節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖2和圖3所示。
圖2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)
無(wú)線收發(fā)模塊選用挪威nordic公司推出的nrf401芯片，nrf401是工作在ism頻段433.92mhz/434.33mhz單片無(wú)線收/發(fā)一體芯片，是包括了高片發(fā)射/接收、plll合成，fsk調(diào)制/解調(diào)和雙頻道切換等單元的高集成度無(wú)線傳感器產(chǎn)品，其最高傳輸速率可達(dá)到20kb/s接收靈敏度為-105dbm，最大發(fā)射功率為10dbm，較其他類別射頻收發(fā)芯片外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)中工作頻率鎖定在434.33mhz，微控制單元僅須提供四跟口線：收發(fā)狀態(tài)切換txen、待機(jī)與工作狀態(tài)切換pwr-up和數(shù)據(jù)通信接口線din/dout。射頻信號(hào)輸出設(shè)計(jì)采用環(huán)形差分輸出天線。
圖3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖片
ti公司msp430系列單片機(jī)是一種具有集成度高、功能豐富、功耗級(jí)低等技術(shù)特點(diǎn)的16位單片機(jī)，超低功耗的混合信號(hào)控制器、豐富的片內(nèi)外設(shè)、節(jié)能考慮的多種工作模式和對(duì)c語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的支持，使得msp430系列單片機(jī)非常適合于應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中選用flash存儲(chǔ)器可進(jìn)行在線編程的msp430x13x、msp430x14x系列單片機(jī)，外圍模塊有看門狗、定時(shí)器a/b、同步/異步串行通信接口、10/12位a/d以及6個(gè)8位并行端口等多種組合形式。其實(shí)現(xiàn)功能如下：
操作無(wú)線收發(fā)芯片，為nrf401提供工作狀態(tài)控制線和兩條單向串行傳輸數(shù)據(jù)線。
實(shí)現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)采集-加速度、溫度、聲音和感光強(qiáng)度探測(cè);
本地?cái)?shù)據(jù)處理--剔除冗余數(shù)據(jù)，以減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢?fù)載和對(duì)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的封裝與驗(yàn)證。
應(yīng)答遠(yuǎn)控中心查詢，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與存儲(chǔ);
區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的路由維護(hù)功能;
節(jié)點(diǎn)電源管理，合理地設(shè)置待機(jī)狀態(tài)，以節(jié)省能量消耗，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)使用壽命。
(3)傳感探測(cè)單元
根據(jù)實(shí)際需要選擇合適傳感器對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)溫度、濕度、振動(dòng)、聲音和光線等物理信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選用了兩種外圍電路簡(jiǎn)單的數(shù)字格式傳感器、光敏器件和駐極體話筒，分別對(duì)振動(dòng)、溫度、光強(qiáng)和聲音進(jìn)行探測(cè)。
ad公司的adxl202是雙軸向加速度傳感器，其采用先進(jìn)的mems技術(shù)，在同一硅片中刻蝕了一個(gè)多晶硅編碼微機(jī)械傳感器，集成精度的信號(hào)處理電路，可測(cè)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)加速度，輸出為周期的占空比調(diào)制(dcm)循環(huán)數(shù)字信號(hào)，測(cè)試范圍為-2-+2g，測(cè)試帶寬為0.01hz-5khz(外置單電容可調(diào))，60hz帶寬下分辨率為5mg，該傳感器可廣泛應(yīng)用于慣性導(dǎo)航、地震監(jiān)測(cè)、車輛安全和電池供電設(shè)備的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)試等領(lǐng)域。
maxim公司的ds18b20是一線式數(shù)字溫度傳感器，測(cè)量結(jié)果可選用9-12位串行數(shù)據(jù)輸出，測(cè)量范圍-55-125℃，在-10-85℃測(cè)量準(zhǔn)確度為±0.5℃。
光敏電阻5516是基于半導(dǎo)體光電效應(yīng)工作的光導(dǎo)管，對(duì)光強(qiáng)感應(yīng)靈敏度相當(dāng)高，當(dāng)受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí)，其阻值(亮電阻)急劇減小，電流迅速增加，通過(guò)參考電阻分壓后進(jìn)行a/d采樣即可獲得光敏電阻的阻值，進(jìn)而換算出光照強(qiáng)度。
駐極體話筒hx034p是電容式微麥克風(fēng)。輸入信號(hào)為聲音信號(hào)，輸出信號(hào)經(jīng)max4466構(gòu)成的前置放大電路后進(jìn)行電壓值a/d采樣，處理器的a/d采樣頻率可達(dá)200khz，可捕獲到聲音信號(hào)。
結(jié)合使用上述幾種傳感器和敏感器件的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、加速度(震動(dòng))的準(zhǔn)確測(cè)量與探測(cè)，光敏電阻有其自身的光譜特性和溫度特性，因此在實(shí)驗(yàn)中不作精確標(biāo)定;另外對(duì)聲音信號(hào)的捕獲和復(fù)現(xiàn)需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理，從能量利用和傳感器節(jié)點(diǎn)功能的精簡(jiǎn)角度考慮，實(shí)驗(yàn)中對(duì)聲光強(qiáng)弱的探測(cè)通過(guò)設(shè)定閾值來(lái)給出布爾型(0或1)輸出。
(4)供電單元
實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的微型化，節(jié)點(diǎn)可采用輸出電壓3.6v可充電鋰離子鈕扣電池lir2032供電。該類電池自放電率小于10%/月，但額定容量較小，限制了節(jié)點(diǎn)的生存期，若以兩節(jié)5號(hào)aa電池供電，則可維持更長(zhǎng)的工作時(shí)間，在以網(wǎng)絡(luò)形式工作狀態(tài)下通過(guò)合理的設(shè)置節(jié)點(diǎn)發(fā)射極的接收、發(fā)射以及待機(jī)狀態(tài)，可有效地延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的使用壽命。針對(duì)節(jié)點(diǎn)供電單元不便于更換的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，新的能源解決方法研究及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)也是當(dāng)前值得關(guān)注的課題。
