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無線傳感器網絡(WSNs)是由大量無處不在的，具有通信與計算能力的微小傳感器節點密集分布在無人值守的監控區域而構成的能夠根據環境自主完成指定任務的“智能”自治測控網絡系統。如果說因特網改變了人與人之間交流、溝通的方式，那么，WSNs則將邏輯上的信息世界與真實物理世界融合在一起，將改變人與自然交互的方式。為此，2003年，MIT技術評論在預測未來技術發展的報告中，將其列為改變世界的十大新興技術之一。 藍牙是一種短距無線通信的技術規范。由于藍牙具有工作在2.4 GHz的ISM(industrial，scientific and medi-cal)頻段；可以同時傳輸語音和數據；有很好的抗干擾能力和低功耗等特點。采用藍牙技術構建由固定傳感器節點組成的藍牙傳感器網絡，是無線傳感器領域內一個新興的研究方向，可以在一些特殊的場合實現信息的采集、處理和發送。 介紹了一種用于廣場環境監測的藍牙傳感器網絡的構建和傳感器節點的設計，研究了藍牙傳感器網絡的節點定位和電源問題。最后，探討了WSNs領域內存在的問題和發展方向。 1 藍牙傳感器網絡構建 整個藍牙傳感器網絡由若干藍牙傳感器節點和監控主機組成，其中，無線傳感器節點分布于需要監測的廣場四周，執行數據采集、預處理和傳輸等工作；監控主機放置在智能小車內，通過藍牙模塊與傳感器節點通信。 1.1 藍牙傳感器網絡模型 為了把信號輸入到終端，采用了藍牙，而沒有采用有線、紅外和光等進行傳輸信號，原因在于它最適合短距離無線低功率通信，用它組建的傳感器網絡被稱為藍牙傳感器網絡。 為了對藍牙傳感器網絡進行直觀的說明，構建了藍牙傳感器網絡模型。藍牙傳感器網絡模型基于鄰近組網的原則，2個彼此靠近到一定程度的藍牙傳感器可以自發地由藍牙模塊建立通信鏈接。藍牙組網時最多可以有256個藍牙設備單元連接起來組成微微網(Piconet)，其中，1個主節點和7個從節點處于工作狀態，而其他節點則處于空閑模式。主節點負責控制異步無連接(asynchronous connec-tionless，ACL)鏈接的帶寬，并決定微微網中的每個節點可以占用多少帶寬及連接的對稱性。從節點只有被選中時才能發送數據，即從節點在發射數據前必須接受輪詢。微微網絡之間可重疊交叉，從設備單元可以共享。由多個相互重疊的微微網組成的網絡稱為散射網(Seatternet)。 用于廣場環境監測的傳感器網絡是由預先放置在廣場四周的傳感器節點組成微微網，各微微網組成散射網。其網絡通信體系結構如圖1所示。節點具有傳感、信號處理和無線通信功能，它們既是信息包的發起者，也是信息包的轉發者。通過網絡自組織和多跳路由，將數據向監控發送。 1.2 藍牙傳感器網絡節點定位 節點定位機制是指依靠有限的位置已知節點，確定布設區中其他節點的位置，在傳感器節點間建立起空間關系的機制。在大多數情況下，只有結合位置信息，傳感器網絡獲取的數據才有實際意義。另外，對藍牙傳感器網絡協議的研究也要利用節點的位置信息。在網絡層，因為藍牙傳感器網絡節點無全局標志，設計了基于節點位置信息的路由算法；在應用層，根據節點位置，藍牙傳感器網絡系統可以智能地選擇一些特定的節點來完成任務，從而降低整個系統的能耗，提高系統的存活時間。 由于設計的藍牙傳感器網絡系統中各個傳感器節點位置固定，可以采用基于測距的節點定位機制。通過測量節點問點到點的距離，使用最大似然估計法計算節點位置。基于測距定位機制要求2個節點具有測量相互間距離的能力。采用了TDOA(time difference on arrival)：測距技術。在節點上安裝超聲波收發器和藍牙收發器。測距時，在發射端，2種收發器同時發射信號，利用聲波與電磁波在空氣中傳播速度的巨大差異在接收端通過記錄2種不同信號到達時間的差異，基于已知信號傳播速度，直接把時間轉換為距離。該技術的測距精度可達到厘米級，但受限于超聲波傳播距離有限和非視距(NLOS)問題對超聲波信號的傳播影響。 2 傳感器節點設計 傳感器節點的設計主要包括：硬件的設計、軟件的設計和電源的設計。 2.1 傳感器節點總體設計 在不同的應用中，傳感器節點設計也各不相同，但是，它們的基本結構是一樣的。根據具體需要，設計出的傳感器節點主要包括以下幾個子系統：數據處理子系統、數據采集子系統、無線通信子系統和電源子系統構成，節點結構示意圖如圖2所示。 2.2 傳感器節點硬件設計 傳感器節點主要由超低功耗處理器、各種傳感器及其輔助電路構成。節點原理圖如圖3所示。 2.3 電源問題 電源問題是WSNs中的關鍵問題。只有提供長期有效的能源才能使傳感器網絡降低維護運行成本，進一步體現其巨大優勢。為了最大限度節約電能，在節點的設計中，單片機以最快的速度執行任務，一旦有可能就進入節能模式。在節能模式中，通過電源管理電路，將除單片機、藍牙模塊和硬件看門狗以外器件的供電切斷。這時只有硬件看門狗、單片機的串口中斷邏輯和藍牙模塊消耗電能，可以最大限度地節約電能。 節點啟動后，執行完必須的任務，包括初始化藍牙設備，獲得本地地址等，就進入節能模式。進入節能模式后，如果監控中心需要訪問該節點，就通過藍牙模塊喚醒該節點的單片機。 2.3.1 電源管理 傳感器網絡的電源管理采用動態功率管理模式是降低系統耗能的有效設計方法。動態功率管理是一種有效地能夠在降低系統功率消耗而不影響系統性能的辦法。最基本的思想就是傳感器節點內部各個設備在不需要時關閉，而在需要時喚醒。從而可以使傳感器適時進入相應的低功耗模式，降低總體能量消耗。動態功率管理技術適用的基本前提是，系統元件在工作時間內有著不相同的工作量，大多數的系統都具有此種情況。另一個前提是，可以在一定程度上確信能夠預知系統、元件的工作量的波動性。這樣才有轉換耗能狀態的可能，并且，在對工作量的觀察和預知的時間內，系統不可以消耗過多的能量。在傳感器網絡中，構成傳感器節點的各個模塊有不同的功率狀態，因而，電源管理采用動態功率管理是比較合適的。動態功率管理系統中，不同元件的工作狀態要動態地適應不同程度的性能要求，只有這樣才能最小化空閑時間浪費的能量或者無用元件浪費的能量。對于電源管理實施時間的判斷，要用到動態預知方法，根據歷史的工作量預測即將到來的工作量，決定是否轉換工作狀態和何時喚醒。 2.3.2 能耗的降低措施 1) 采用系統芯片技術、MEMS技術、特定用途集成電路等新技術可以大大減少傳感器網絡部件，減少能耗； 2) 采用傳感器數據融合技術能夠減少網絡通信量，降低數據冗余度，提高能量效率； 3) 減少傳輸誤差也能降低能量的消耗。 2.4 傳感器節點軟件設計 在網絡中，每個節點都有一個固定的地址(由藍牙模塊地址決定)，其中，連接于監控主機的傳感器節點是一個特殊的節點，它采用串行接口與藍牙模塊和監控主機通信。數據的傳送采用主從站方式，與監控主機連接的節點作為主站，控制網絡內的通信時序；其他節點作為從站，可以被主站尋址。 傳感器節點軟件設計分為主機點軟件設計和從節點軟件設計2個部分。主節點主要完成采集各從節點數據，進而分析、處理數據；從節點主要完成各種傳感器原始數據的采集和預處理工作。 2.4.1 主節點程序設計 主節點中，監控主機與主機控制器(藍牙模塊)之間是通過藍牙主機控制器接口(host controller interface．HCI)收發分組(Packet)的方式進行信息交換的。主機控制器執行監控主機指令后產生結果信息，主機控制器通過相應的事件分組將此信息發給監控主機。在藍牙傳感器網絡中，主節點上的藍牙模塊與其他節點的藍牙模塊最簡單的ACL數據通信流程有5個步驟：藍牙模塊自身初始化、查詢、建立連接、進行數據通信和斷開連接。主節點程序的流程圖如圖4所示。 依據處理后的數據既可以實時掌握廣場環境信息，對突發事件及時采取相應措施，還能根據廣場上的亮度情況來設定照明亮度和照明時間，既能預警，又節能。 2.4.2 從節點程序設計 從節點程序主要完成采集各種傳感器的數據，經過初步處理后傳送給主節點，其程序流程圖如圖5所示。 3 結束語 整個網絡采用主從站結構，由主站統一控制網絡內的通信時序。節點以低功耗單片機ATmega128L為核心，采用藍牙模塊進行通信。在軟件方面，采用串口中斷的方法接收和發送數據。節點使用電池供電，利用單片機的節能模式，可以最大限度節約電能，延長節點的使用壽命。實驗表明：采用這種模式建立的WSNs穩定可靠，通信效率高。 |
