無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法

2.1 總體方案

　　系統(tǒng)由基站節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)組成。節(jié)點(diǎn)硬件選擇了支持低功耗工作模式的MSP430F149單片機(jī)和nRF905射頻模塊，使用32 768 Hz的低頻晶振，采用2節(jié)5號(hào)電池供電。在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中，撥碼開(kāi)關(guān)、蜂鳴器、LCD指示燈的設(shè)計(jì)極大方便了實(shí)驗(yàn)的調(diào)試。

2.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　圖2為傳感器節(jié)點(diǎn)的框圖，該節(jié)點(diǎn)使用電池供電，體積小巧，只有打火機(jī)般大小。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)框圖

　　MSP430系列單片機(jī)是TI公司生產(chǎn)的一種混合信號(hào)控制器，其突出優(yōu)點(diǎn)是低電源電壓、超低功耗，可采用電池工作，有很長(zhǎng)的使用時(shí)間[6]。

　　nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，低電壓工作，功耗非常低，工作于433/868/915 MHz三個(gè)ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650 μs[7]。ShockBurstTM工作模式，能自動(dòng)處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))。通過(guò)SPI串口與微控制器通信，使用非常方便；內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。nRF905適用于無(wú)線數(shù)據(jù)通信、無(wú)線開(kāi)鎖等諸多領(lǐng)域。

　　天線的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。系統(tǒng)功耗的高低以及網(wǎng)絡(luò)性能的好壞與天線的設(shè)計(jì)都有密切關(guān)系。天線部分的設(shè)計(jì)采用整體PCB環(huán)行差分天線。與傳統(tǒng)的鞭狀天線相比，不僅節(jié)省空間，降低生產(chǎn)成本，機(jī)構(gòu)上也更穩(wěn)固可靠。

　　因?yàn)楸疚闹饕芯?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)">無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)和低功耗技術(shù)，所以只選擇了MSP430系列單片機(jī)的內(nèi)部集成熱敏二極管來(lái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的工作溫度，但預(yù)留了大量外接傳感器接口，外接傳感器的信號(hào)能以中斷方式喚醒節(jié)點(diǎn)。

2.3 系統(tǒng)功耗

　　傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電，功耗的高低直接影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命期。系統(tǒng)的功耗不僅與選擇的元器件有關(guān)，還與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制策略有關(guān)。采用不同的控制策略，系統(tǒng)的工作時(shí)間就會(huì)不同。若希望節(jié)點(diǎn)工作一年的時(shí)間（365×24=8 760小時(shí)），則理論上要求平均工作電流約為263 μA（2 300÷8 760）。發(fā)射數(shù)據(jù)到接收應(yīng)答的工作時(shí)間約為50 ms，這樣可推算出每次工作前的平均休眠時(shí)間為2.3 s[8]。實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)速度和信息的采樣率來(lái)選擇系統(tǒng)工作和休眠的時(shí)間。

3 軟件開(kāi)發(fā)

　　低功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一種綜合硬件和軟件為一體的技術(shù)，必須在使用低功耗芯片的同時(shí)，采用智能的控制策略。例如,讓系統(tǒng)在需要工作時(shí)全速運(yùn)行；而當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)處理完事件就進(jìn)入低功耗模式，等待外部事件的喚醒。

　　系統(tǒng)軟件包括基站節(jié)點(diǎn)軟件、傳感器節(jié)點(diǎn)軟件和上位機(jī)處理軟件。

3.1 基站節(jié)點(diǎn)軟件

　　基站節(jié)點(diǎn)的主程序比較簡(jiǎn)單，初始化后就進(jìn)入低功耗模式，等待外部事件喚醒。外部事件包括串口中斷事件、接收到數(shù)據(jù)事件和定時(shí)器的中斷事件。

　　圖3給出了基站節(jié)點(diǎn)的串口中斷流程。

圖3 基站節(jié)點(diǎn)串口中斷流程

　　為了防止串口通信過(guò)程中丟失數(shù)據(jù)，軟件設(shè)計(jì)上加了握手協(xié)議。當(dāng)基站節(jié)點(diǎn)每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包給上位機(jī)時(shí)，上位機(jī)都會(huì)向基站節(jié)點(diǎn)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，直到數(shù)據(jù)包發(fā)送給上位機(jī)。接收到數(shù)據(jù)包后，節(jié)點(diǎn)會(huì)從低功耗模式中喚醒,根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)中標(biāo)志位的不同字符分別進(jìn)入不同的處理單元。

　　當(dāng)多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)與某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，存在掙搶信道的現(xiàn)象。為了避免多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)與某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通信造成數(shù)據(jù)丟失，軟件上采用一定的退避機(jī)制。一方面，利用射頻芯片nRF905的CD（載波偵聽(tīng)）信號(hào)來(lái)產(chǎn)生隨機(jī)延時(shí)，以避免同時(shí)發(fā)送信號(hào)；另一方面，當(dāng)一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)與某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)建立了通信通道時(shí)，其他發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)會(huì)增加發(fā)射數(shù)據(jù)的次數(shù)。

3.2 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件

　　傳感器節(jié)點(diǎn)初始化后，首先發(fā)送請(qǐng)求基站節(jié)點(diǎn)分配級(jí)別的命令，同時(shí)打開(kāi)一個(gè)定時(shí)喚醒的定時(shí)器；然后進(jìn)入低功耗模式，等待外部事件的喚醒。若傳感器發(fā)送請(qǐng)求基站節(jié)點(diǎn)分配級(jí)別的次數(shù)達(dá)到設(shè)定上限，仍未確定節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的級(jí)別，則該節(jié)點(diǎn)就會(huì)向周?chē)鷤鞲衅鞴?jié)點(diǎn)廣播信息。當(dāng)廣播次數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)就根據(jù)收到的信息確定自己的級(jí)別以及與該節(jié)點(diǎn)有直接聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)的信息，并把這些信息發(fā)送給基站節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)的外部中斷事件包括接收到數(shù)據(jù)事件、定時(shí)器中斷事件、狀態(tài)突變事件。

　　當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到狀態(tài)突變后，會(huì)從低功耗狀態(tài)喚醒，并及時(shí)采集此時(shí)的環(huán)境參數(shù)（包括狀態(tài)量、溫度值及節(jié)點(diǎn)電壓值），將這些數(shù)據(jù)發(fā)送出去。該數(shù)據(jù)包通過(guò)單跳或多跳到達(dá)基站節(jié)點(diǎn)并在上位機(jī)軟件上顯示。

3.3 上位機(jī)處理軟件

　　為了監(jiān)測(cè)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)情況，需要在主機(jī)上建立良好的人機(jī)交互界面。采用Visual Basic(VB)來(lái)設(shè)計(jì)人機(jī)界面。利用VB的MSComm控件實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)的串口通信，利用其他控件實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分析、顯示和操作。

　　上位機(jī)主程序主要完成一些變量和控件初始化，然后等待串口數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送都是由中斷程序完成的，其流程如圖4所示。