圖4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)sink點模型 2 軟件設(shè)計流程
傳感器節(jié)點的處理器MSP430系列單片機支持C語言程序設(shè)計,適用于MSP430系列的C語言與標(biāo)準(zhǔn)C語言兼容程度高,大大提高了軟件設(shè)計開發(fā)的工作效率,增強了程序代碼的可靠性、可讀性和可移植性。圖5為傳感器節(jié)點的工作流程圖。
圖5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點工作流程圖
上位PC機作為控制中心必須具備網(wǎng)絡(luò)喚醒、數(shù)據(jù)處理、路由維護功能,C++ Builder、Delphi和微軟的Visual Basic都是可選的快速開發(fā)工具。上層軟件功能由Delphi實現(xiàn),圖6為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)探測系統(tǒng)框圖。
圖6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)探測系統(tǒng)框圖
考慮到點對點通信的可靠性,數(shù)據(jù)在底層無線傳輸中需要增加必要的協(xié)議規(guī)范。設(shè)計中對有效數(shù)據(jù)進行打包,格式為： 前導(dǎo)碼、地址、有效數(shù)據(jù)載荷、校驗碼。針對nRF40x系列芯片,按廠家建議在支持UART方式下使用0x55FF(十六進制)作為“前導(dǎo)碼”;“地址”作為不同應(yīng)答點的標(biāo)識;“有效數(shù)據(jù)載荷”則包含滿足上層設(shè)計協(xié)議格式的數(shù)據(jù)包,該部分需根據(jù)應(yīng)用要求盡量減小數(shù)據(jù)包長,以縮短該數(shù)據(jù)包在傳輸鏈路的生存期,數(shù)據(jù)包末尾增加“校驗碼”可以驗證數(shù)據(jù)的有效性,CRC（循環(huán)冗余碼）是一種簡單易行的處理方法,數(shù)據(jù)封裝與處理全部由微控制單元實現(xiàn)。
3 組網(wǎng)技術(shù)研究
對應(yīng)nRF401使用的434.33 MHz頻點,在組網(wǎng)設(shè)計中通信方式采用TDMA（時分復(fù)用）方式：sink點分時段對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點進行查詢,若節(jié)點有突發(fā)事件探測,則隨機選擇空閑時隙將數(shù)據(jù)上傳。當(dāng)信道處于阻塞狀態(tài)則采用隨機退避機制,等待信道處于空閑狀態(tài)再進行數(shù)據(jù)傳輸,因此各節(jié)點在通信過程中必須避免長時間對信道的占用。
網(wǎng)絡(luò)的可靠性和高效性關(guān)鍵是合理的通信協(xié)議設(shè)計,SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation)是以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路由協(xié)議,通過協(xié)商機制來避免數(shù)據(jù)傳輸過程中的“內(nèi)爆”和“重疊”問題,傳感器各節(jié)點只有在相應(yīng)的請求時,才有目的地發(fā)送數(shù)據(jù)信息。SPIN協(xié)議中有3種類型的消息： ADV廣播數(shù)據(jù)發(fā)送、REQ請求數(shù)據(jù)接收和DATA數(shù)據(jù)封裝。
自組織無線傳感器網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲可分為3種：① 基于簇(Cluster)的分層結(jié)構(gòu)。簇頭就是分布式處理中心,收集簇成員數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)處理和融合,最后將數(shù)據(jù)由其他簇頭多跳轉(zhuǎn)發(fā)或直接傳回sink點。② 基于網(wǎng)(Mesh)的平面結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下傳感器網(wǎng)絡(luò)連成一張網(wǎng),臨近節(jié)點直接通信;在個別鏈路和傳感器節(jié)點發(fā)生失效時不會引起網(wǎng)絡(luò)分立。③ 基于鏈(Chain)的線結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下傳感器節(jié)點被串聯(lián)在一條或多條鏈上,鏈尾與用戶節(jié)點相連。由于鏈型結(jié)構(gòu)更易于在網(wǎng)絡(luò)初始化中實現(xiàn),因此設(shè)計中采用該種網(wǎng)絡(luò)拓撲。
實現(xiàn)超低功耗即可延長節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)的壽命。節(jié)點的能量消耗有3方面： 傳感器件數(shù)據(jù)采集、微控制單元的數(shù)據(jù)存儲與處理和無線模塊數(shù)據(jù)接收/發(fā)射。其中能量消耗最大的是在射頻信號發(fā)射過程中,因此必須合理地切換芯片收發(fā),并設(shè)置節(jié)點休眠與喚醒狀態(tài),以最大限度降低能量消耗。
結(jié)語
基于MSP430的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計在小規(guī)模實驗中表現(xiàn)出良好穩(wěn)定的效果,可在特殊環(huán)境下實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信號的采集傳輸與處理。伴隨無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和新的能量解決方案的提出,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用必將廣泛深入環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、空間探索和災(zāi)害預(yù)測等各領(lǐng)域。
參考文獻
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史永彬 (碩士研究生),主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究與設(shè)計工作;
葉湘濱 (教授),研究方向為測控技術(shù)和傳感器技術(shù)等。
