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1 引言 無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取和處理技術，在現實生活中得到了越來越廣泛的應用。隨著通信技術、嵌入式技術、傳感器技術的發展，傳感器正逐漸向智能化、微型化、無線網絡化發展。目前，國內外主要研究無線傳感器網絡節點的低功耗硬件平臺設計拓撲控制和網絡協議、定位技術等。這個設計以檢測超聲波強度的傳感器為例，實現了一個無線傳感器網絡，根據傳感器所檢測的超聲波強弱來決定開啟或關閉車位指示燈，從而判斷是否有車輛進入檢測區域。這種傳感器網絡綜合了嵌入式技術、傳感器技術、短程無線通信技術，有著廣泛的應用。該系統不需要對現場結構進行改動，不需要原先任何固定網絡的支持，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標準適用于低速率、低功耗、低復雜度和短距離數據傳輸的無線個域網(WPAN)。在網絡內的無線傳輸過程中，采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問機制(CSMA／CA)，支持超幀結構和時槽保障機制(GTS)。網絡拓撲結構可以是星型網或點對點的對等網。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的無線數據傳輸速率，傳輸距離在0m～70m之間。本文中采用的是頻率為2.4GHz的無線發射模塊。 3 無線傳感器網絡的實現 3.1 網絡平臺組建 無線傳感器網絡平臺由超聲波傳感器模塊、微處理器模塊、無線發射模塊三個部分組成，如圖1所示。微處理器模塊和無線發射模塊集成在一塊板子上，而超聲波傳感器模塊通過接口與微處理器相連，這樣可以通過更換不同的傳感器模塊來應用于各種場合。 3.1.1 超聲波傳感器模塊 由于超聲波指向性強，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業實用的要求。為了使汽車能自動避障行走，就必須裝備測距系統，以使其及時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、左側和右側的環境而提供一個運動距離信息。 圖1 無線傳感器網絡節點結構 圖2 無線傳感器網絡節點通信拓撲結構 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合。測量范圍10cm-250cm，測距小于100cm時，誤差是1～2cm.，大于100cm時，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的 Mica2 模型節點。節點板上提供如下功能：433MHz 中心頻率的無線通信接口，通過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 無線發射模塊 無線發射模塊采用桑銳電子科技公司的SRWF-501型微功率無線模塊射頻收發器。該芯片只需極少外部元器件，性能穩定且功耗極低。該收發器提供 3 個串口 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，頻點根據用戶需要在 300—1000MHz 范圍內可以靈活設置；自動過濾噪聲，簡化了用戶接口的編程，做到與有線一樣方 便；“收”“發” 自動切換，無需專用的收發控制線，不發數據時為常態 “收”狀態；發數據時自動轉換為“發”狀態，“發”完后自動回到“收”；微發射功率 ： 最大發射功率 10mW。SRWF-501的選擇性和敏感性指數超過了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開發的TinyOS 系統開發環境。TinyDB 是 TinyOS 的查詢處理系統，它能夠從無線網絡中的sensor 節點上提取數據和信息。TinyOS 為 TinyDB 提供了一個可視化的 JAVA API 窗口，可以進行實時查詢。 3.3 組網類型 在本文中，無線傳感器網絡采取星型拓撲結構(如圖2)，由一個網絡協調器作為中心節點，可以跟任何一個普通節點通信。普通節點上含有超聲波傳感器對周圍環境中的超聲波信號強度參數進行測量、采樣，將采集到的數據發往中心節點，并且可以對中心節點發來的數據、命令進行分析處理，完成相應的操作。若兩個普通節點之間要傳送數據則必須經過中心節點，由中心節點把數據傳送到相應的節點上。 3.4 組網流程 無線傳感器網絡是一個自組織的網絡，如果一個全功能節點被激活，它就可能建立一個網絡并把自己設為網絡協調器，其它的普通節點可以申請加入該網絡。這樣就可以建成一個具有星型拓撲結構的無線傳感器網絡。本文中的無線傳感器網絡支持超幀結構，網絡協調器經過能量掃描、主動信道掃描后，按照設定的參數周期性的發送信標幀。普通節點首先經過能量掃描和被動信道掃描后，獲取信標幀中包含網絡特征的參數，如信標序號、超幀序號和網絡標號等。通過同步請求與網絡協調器同步，再通過匹配請求與網絡協調器關聯。在與網絡協調器關聯的過程中，網絡協調器為每個請求關聯的普通節點分配16位的短地址。這樣在以后的數據傳送中就可以用短地址進行通信，提高通信效率、降低發射中的能量消耗，從而延長網絡的使用壽命。 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。 (1) 信標幀：用以網絡協調器在支持超幀結構的第一個時槽向其臨近節點廣播信標，當附近的節點接受到信標幀后就可以申請加入該網絡。 由于本文中的無線傳感器網絡系統采用相對簡單的星型拓撲結構，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的網絡標號和短地址，不包含目的節點信息(因為采用廣播方式發送)。 (2) 數據幀：用來傳送含有超聲波度信息的數據。 在地址域中包含源節點和目的節點的網絡標號和短地址。由于數據幀的傳送方向有兩種：從普通節點傳向中心節點和從中心節點發送給普通節點。 (3) 命令幀：用于組建無線傳感器網絡、傳輸同步數據等。命令幀在格式上和其它類型的幀沒有太多的區別。 (4) 確認幀：用以確認目標節點成功接收到數據幀或命令幀。當目標節點成功接收到數據幀或命令幀后，就發送一個確認幀給發送方。發送方接收到這個確認幀說明發送成功。若在規定的時間內沒有接收到確認幀，則重發該數據幀或命令幀。 在幀控制域中定義了幀的類型為確認幀。確認幀的序列號要與被確認幀相同，并且負載長度為零。確認幀緊接著被確認幀發送，不需要使用CSMA-CA機制競爭信道。 3.5.2 傳輸流程 在整個無線傳感器網絡中，采取的是普通節點定時讀取其傳感器上的超聲波數據，并將超聲波數據發送給中心節點。中心節點對接受到的數據進行處理后傳送給相應的節點用以控制其上的車位置位標志。首先，網絡協調器對接收到的數據幀進行檢驗，圖2中的中心節點判斷是判斷是否為指定節點的傳感器數據。若接收的數據是指定節點上的數據，則將該數據與一個超聲波度閾值進行比較來設定控制變量(用來控制車位的開關狀態) 。反之，則不進行發送操作。然后，判斷帶有空閑的節點是否加入網絡。若在網絡中找到帶有空閑的節點，則中心節點將控制變量作為數據幀負載發送給它。反之，則不發送帶有控制變量的數據幀。 4 結束語 在我 們設計的無線傳感器網絡車位控制系統中，普通節點將它采集的超聲波數據發送給網絡協調器，網絡協調器將含有控制變量的數據幀發送給帶有車位占空標志接點的同時，還可以通過串口將超聲波度數據傳送給計算機。通過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位的占用情況。 本文從無線傳輸協議的制定、傳輸過程控制等幾個方面對設計實現無線傳感器網絡進行了論述。在實際運用中，只要對具體的傳感器進行更換，就可以適用于各種各樣的傳感器網絡。由于無線傳感器系統組網靈活，采用模塊化的設計，故具有很好的移植性和擴展性，隨著人們生活水平的提高，此系統在未來交通監控領域有著廣闊的應用前景。在未來交通監控領域[10]、智能家電、家庭環境的智能調節上有著廣闊的前景。 |
