無線傳感執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)雙射頻通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　摘要：針對(duì)無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化、通信量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)及協(xié)同工作等特點(diǎn)，同時(shí)為降低通信時(shí)的信號(hào)干擾，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于IEEE 802.15.4的雙射頻多信道通信節(jié)點(diǎn)。對(duì)關(guān)鍵的天線電路進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì);開發(fā)了通信模塊與控制決策中心的USART接口程序和雙通信芯片間的I²C接口程序。

　　引言

　　無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式、多跳、協(xié)同工作網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。任務(wù)感知節(jié)點(diǎn)將檢測(cè)到的相關(guān)信息通過有效通信，實(shí)現(xiàn)信息投遞、共享和處理，然后由控制決策中心進(jìn)行多維信息融合、決策，最終下達(dá)對(duì)應(yīng)指令指示執(zhí)行裝置完成任務(wù)。

　　WSANs通常部署在無基礎(chǔ)通信設(shè)施的環(huán)境中，各節(jié)點(diǎn)往往具有一定的移動(dòng)性且能量有限，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)常變化，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求較高。這些特點(diǎn)決定了無中心、自組織且支持多跳路由和節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)能較好的滿足WSANs的應(yīng)用需求。

　　然而，傳統(tǒng)單射頻、單信道網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不能很好滿足WSANs大數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)通信的要求，這是因?yàn)榇罅抗?jié)點(diǎn)密集部署且共用同一信道，易導(dǎo)致信道擁塞和干擾，使得信息投遞延遲和丟包增加，傳輸速率下降，網(wǎng)絡(luò)可靠性變差。因此有研究者采用多信道通信方式來解決競(jìng)爭(zhēng)和沖突以提高網(wǎng)絡(luò)性能，這種方法的好處有：(1)可減小網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的平均傳輸時(shí)延;(2)多信道通信允許鄰近范圍內(nèi)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)采用不同信道通信，能夠有效降低競(jìng)爭(zhēng)回退和通信干擾;(3)多射頻多信道方式能降低并發(fā)任務(wù)處理時(shí)各任務(wù)間的信號(hào)干擾;(4)多射頻通信節(jié)點(diǎn)提高了信息傳輸容量和信道利用率。

　　基于上述分析，本文設(shè)計(jì)了一種支持Ad-Hoc組網(wǎng)的，基于IEEE 802.15.4協(xié)議的雙射頻、多信道網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)。

　　節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　WSANs雙射頻多信道節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，分為控制、決策、執(zhí)行中心和網(wǎng)絡(luò)通信模塊兩大部分?？刂啤Q策、執(zhí)行中心采用高速DSP芯片作為主控制器，各類傳感器采集的信息傳遞給DSP處理，處理后的信息經(jīng)過通信接口傳輸給網(wǎng)絡(luò)通信模塊，經(jīng)RF傳輸給其他節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)信息的傳遞和共享。節(jié)點(diǎn)主控制器DSP對(duì)來自自身傳感器或者其它節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行分析和處理后控制執(zhí)行器裝置的動(dòng)作?！　?/p>

　　本文主要完成網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)部分。該部分由處理器1和射頻1構(gòu)成通信模塊1，處理器2和射頻2組成通信模塊2，由于射頻1和射頻2獨(dú)立設(shè)計(jì)，兩個(gè)射頻模塊可工作在相同或不同的頻段或信道上，根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，可分別將兩個(gè)通信模塊用于不同的目的構(gòu)建不同的網(wǎng)絡(luò)。例如，可令其中一個(gè)通信模塊承擔(dān)全局組網(wǎng)任務(wù)，另外一個(gè)通信模塊承擔(dān)任務(wù)子網(wǎng)的構(gòu)建，或者將一個(gè)通信模塊構(gòu)建指揮控制網(wǎng)絡(luò)，另外一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，以保證控制指令和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。這種靈活的組網(wǎng)方式和工作模式為不同應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建提供了擴(kuò)展性很強(qiáng)的基礎(chǔ)平臺(tái)。