引言

　　自組織無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(SelfOrganizingWirelessSensorNetworks)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。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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)模型(如圖1所示)是不同于傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)，通過(guò)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)隨意布撒大量傳感器節(jié)點(diǎn)(簡(jiǎn)稱(chēng)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。

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　　圖1　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

　　1.1　節(jié)點(diǎn)組成

　　典型的無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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。

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　　圖2　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

　　(1)無(wú)線(xiàn)傳輸單元

　　無(wú)線(xiàn)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的單片無(wú)線(xiàn)收/發(fā)一體芯片，是包括了高頻發(fā)射/接收、PLL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(xiàn)數(shù)傳產(chǎn)品。其最高傳輸速率可達(dá)20Kb/s,接收靈敏度為-105dBm,最大發(fā)射功率為10dBm,較其他類(lèi)別射頻收發(fā)芯片外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)中工作頻率在434.33MHz,微控制單元僅須提供四根口線(xiàn)：收發(fā)狀態(tài)切換TXEN、待機(jī)與工作狀態(tài)切換PWRUP和數(shù)據(jù)通信接口線(xiàn)DIN/DOUT。射頻信號(hào)輸出設(shè)計(jì)采用環(huán)形差分輸出天線(xiàn)。

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　　圖3　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖片鎖定

　　(2)微控制單元

　　TI公司MSP430系列單片機(jī)是一種具有集成度高、功能豐富、功耗極低等技術(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)中。設(shè)計(jì)中選用帶有Flash存儲(chǔ)器可進(jìn)行在線(xiàn)編程的MSP430x13x、MSP430x14x系列單片機(jī);外圍模塊有看門(mén)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(xiàn)收發(fā)芯片，為nRF401提供工作狀態(tài)控制線(xiàn)和兩條單向串行傳輸數(shù)據(jù)線(xiàn);

　　◇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(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的封裝與驗(yàn)證;

　　◇應(yīng)答遠(yuǎn)控中心查詢(xún)，完成數(shù)據(jù)的轉(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(xiàn)等物理信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選用了兩種外圍電路簡(jiǎn)單的數(shù)字式傳感器、光敏器件和駐極體話(huà)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，集成精密的信號(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(chē)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(xiàn)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)量范圍為-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(huà)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(chǔ)/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(xiàn)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。