低功耗無線傳感器網絡系統(tǒng)實現(xiàn)

隨著近年來各種傳感器相關核心技術的日益成熟（包括微機械、數(shù)字模擬集成電路工藝、無線通信以及高密度電池等），無線傳感器網絡WSN(Wireless Sensor Networks)[1]逐漸成為研究的熱點并得到了廣泛應用。傳感器網絡的主要任務是對分布在傳感區(qū)域的環(huán)境參數(shù)進行采集、處理并傳輸至用戶終端。本文所介紹的低功耗傳感器網絡系統(tǒng)在有效完成以上任務的基礎上，還具有低功耗、低復雜度、高可靠性以及極強的擴展能力等特點，能夠滿足農業(yè)、環(huán)境、建筑等行業(yè)的大部分應用需求。
　該傳感器網絡系統(tǒng)由傳感采集節(jié)點、網關節(jié)點以及遠程用戶終端組成，如圖1所示。

　其中，傳感采集節(jié)點負責環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和處理，并將數(shù)據(jù)傳輸至相應的網關節(jié)點。網絡中的傳感采集節(jié)點只能直接與其一跳范圍之內的網關節(jié)點通信，并與相應的網關節(jié)點一起組成一個子網。
　網關節(jié)點作為該子網的對外接口，負責收集其子網內所有傳感采集節(jié)點的信息。整個網絡中允許存在一個或多個網關及相應的子網。不同的子網采用不同頻率進行通信，以相互區(qū)別并防止數(shù)據(jù)傳輸沖突。網關節(jié)點與遠程用戶終端可采用無線或有線的主干網絡連接，可選擇的方案包括無線IP網橋、有線以太網、移動網絡等。網關節(jié)點與遠程用戶終端間的連接方案并不在本文的主要研究范疇之內，但本文給出了采用無線IP網橋的實現(xiàn)方法以供參考。
　由于在大多數(shù)傳感器網絡應用中，傳感采集節(jié)點數(shù)目眾多、體積受限且分布在不易接觸的工作環(huán)境中，而網關節(jié)點則數(shù)量相對較少且可以安放在更靈活的位置，因此，在系統(tǒng)設計中假定傳感采集節(jié)點由普通小容量電池供電，而網關節(jié)點則可由交流電源或者大容量鋰電池或蓄電池供電。在此條件下，網絡的使用壽命主要由傳感采集節(jié)點的功耗決定，即系統(tǒng)的低功耗主要體現(xiàn)在傳感采集節(jié)點的低能耗上。
　本設計從硬件設計以及網絡協(xié)議兩方面對傳感節(jié)點的能耗進行了優(yōu)化，從而保證傳感采集節(jié)點在系統(tǒng)運作中的低功耗。在硬件設計方面，系統(tǒng)以TI公司低功耗射頻單片機CC1110為核心；而網絡協(xié)議則采用了自主研發(fā)的低功耗Sensor-Push傳感器網絡協(xié)議。
1 傳感采集節(jié)點及網關節(jié)點的硬件設計
　系統(tǒng)中的傳感采集節(jié)點由核心電路板、電池以及傳感器三部分組成，其實物如圖2所示。核心電路板基于TI的低功耗射頻單片機CC1110，它包括射頻阻抗匹配電路、鋰電池接口、外接電源接口、充電電路、線性電壓轉換電路、傳感器接口、傳感器電源控制電路、地址設定輸入、節(jié)點狀態(tài)指示等功能模塊，如圖3所示。其中，射頻阻抗匹配電路完成CC1110輸出至50 Ω天線的阻抗轉換；鋰電池接口連接鋰電池，用于提供整個傳感采集節(jié)點的電源；外接電源接口連接外部直流電源輸出，通過充電電路對鋰電池實施充電；線性電壓轉換電路將鋰電池電壓轉為系統(tǒng)所需工作電壓；傳感器接口連接外部傳感器，對環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集；傳感器電源控制電路用于在空閑時期切斷傳感器電源供應以節(jié)省能源；地址設定通過不同的外部電阻組合配置節(jié)點地址；節(jié)點狀態(tài)指示用于標識當前節(jié)點狀態(tài)，包括連接狀態(tài)及系統(tǒng)錯誤等。