基于IEEE 802.15.4的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

引言

    基于IEEE802.15.4的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于廉價(jià)、簡(jiǎn)單、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率（250Kbit/s）以及工作在免申請(qǐng)的ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療）頻段的特點(diǎn)[1]，將在自動(dòng)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)深入研究的基礎(chǔ)上，我們選用了Helicomm公司新推出的IP-link1200模塊搭建了一個(gè)驗(yàn)證系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)點(diǎn)溫度指標(biāo)與濕度指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制功能。

1 驗(yàn)證系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用大量具有多功能多信息信號(hào)獲取能力的傳感器，利用自組織無線接入網(wǎng)絡(luò)與傳感器控制器連接，構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，典型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 

    無線傳感器節(jié)點(diǎn)經(jīng)多跳轉(zhuǎn)發(fā)，通過網(wǎng)關(guān)接入網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器信息進(jìn)行管理、分類、處理，再把傳感器信息送給終端用戶[2]。

    與傳統(tǒng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有一些明顯特征：

    a）以數(shù)據(jù)為中心，以無連接方式傳輸數(shù)據(jù)；

    b）網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化不大，主要是舊節(jié)點(diǎn)的離開和新節(jié)點(diǎn)的加入；

    c）網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)密度高，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，單位面積擁有的節(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)；

    d）傳感器節(jié)點(diǎn)由電池供電，節(jié)點(diǎn)能量有限；

    e）網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)該具有容錯(cuò)能力[3]。

    對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，IEEE802.15.4滿足OSI-RM（開放系統(tǒng)互連參考模型）標(biāo)準(zhǔn)，定義了MAC（媒體接入控制）層和PHY（物理）層協(xié)議]1]。Zigbee是全球許多家公司組成的一個(gè)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，它定義了一組基于IEEE802.15.4的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，我們搭建的系統(tǒng)符合Zigbee聯(lián)盟的規(guī)定，而Zigbee的MAC層、物理層則符合IEEE802.15.4協(xié)議，由于該標(biāo)準(zhǔn)是開放的，基于該標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品不必支持專利費(fèi)，有利于加快無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)進(jìn)程[4]。

    對(duì)于該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，可以由多種方案，有移動(dòng)網(wǎng)、衛(wèi)星以及Internet等多種手段，此外還可以建立專網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)至管理中心、終端用戶。

    針對(duì)本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用是農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)控制，所以要考慮它的實(shí)際情況：一是建設(shè)的周期、資金；二是網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍；三是終端用戶獲取數(shù)據(jù)信息的便利性，根據(jù)這3個(gè)要素，選擇GSM（全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)較符合系統(tǒng)要求。

    如圖2所示，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集和傳輸網(wǎng)絡(luò)（本地網(wǎng)絡(luò)）、GSM網(wǎng)絡(luò)、管理中心、用戶終端4部分組成，其中，用戶終端就是普通的手機(jī)，它和GSM網(wǎng)絡(luò)都是非常成熟的穩(wěn)定的平臺(tái)，因此驗(yàn)證的主要研究工作在管理中心和本地網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以及如何接入GSM網(wǎng)絡(luò)。 

    管理中心的硬件由一臺(tái)PC機(jī)和數(shù)個(gè)GSM模塊組成，考慮到網(wǎng)絡(luò)阻塞問題，管理中心采用多個(gè)GSM模塊，軟件部分由任務(wù)管理軟件和數(shù)據(jù)庫組成，系統(tǒng)支持Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

    本地網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)兼做接收器的目的節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)本地網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)，并將采集的數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單處理后發(fā)給GSM網(wǎng)絡(luò)的管理中心，一個(gè)本地網(wǎng)絡(luò)中最多只能有255個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，如果要安放更多的節(jié)點(diǎn)，可以通過增加本地忘了網(wǎng)絡(luò)的數(shù)目而達(dá)到目的。

    實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能如下：用戶只需用普通的GSM手機(jī)向管理中心指定的號(hào)碼按照規(guī)定格式發(fā)送節(jié)點(diǎn)號(hào)、時(shí)間等數(shù)據(jù)請(qǐng)求信息，就會(huì)收到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)在該時(shí)間點(diǎn)上對(duì)應(yīng)的溫濕度信息，例如，請(qǐng)求信息N112T05/09/01/20：30：00，表示節(jié)點(diǎn)號(hào)為112在2005年9月1日20時(shí)30分；返回信息為N112T05/09/01/20：30：00/W25S56表示112號(hào)節(jié)點(diǎn)在那一時(shí)刻的溫度是25攝氏度，相對(duì)濕度為65%，另外，在部分節(jié)點(diǎn)還加上了控制裝置，同樣，用戶也只需發(fā)短信，就能完成控制操作，還提供了Internet上的數(shù)據(jù)庫查詢服務(wù)，以便為用戶提供更多的信息。

    傳感器采集數(shù)據(jù)的方式可以是定時(shí)采集，也可以是按用戶要求采集，數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔、傳感器的節(jié)能等功能可以在管理中心進(jìn)行設(shè)定，采集到的數(shù)據(jù)存放到管理中心的數(shù)據(jù)庫中，供顯示、報(bào)表打印使用，并發(fā)布到Internet上以利于各種用戶共享數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.1 本地網(wǎng)絡(luò)

    我們把在本地網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分為以下3種類型：

    a）目的節(jié)點(diǎn)（接收器）：主要功能是匯總本地網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，并將它通過GSM網(wǎng)絡(luò)傳送給管理中心和用戶終端；

    b）中繼節(jié)點(diǎn)：不但有數(shù)據(jù)采集、而且還具有控制功能（比如控制各種電機(jī)動(dòng)作）；

    c）源（普通）節(jié)點(diǎn)：具有實(shí)時(shí)采集溫度、濕度兩項(xiàng)指標(biāo)的功能。

    目的接點(diǎn)如圖3所示，由IP-Link1200通信模塊、溫度傳感器、濕度傳感器、GSM模塊、單片機(jī)AT89C51，串口擴(kuò)展芯片SP2328、輔助接口電路以及電源模塊組成。

 
  
    IP-Link1200通信模塊是由Helicomm公司開發(fā)的一款基于Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的集成無線網(wǎng)絡(luò)模塊，它支持多種組網(wǎng)方式（星形網(wǎng)絡(luò)、簇樹形網(wǎng)絡(luò)、對(duì)等網(wǎng)絡(luò)以及混合型網(wǎng)絡(luò)），有1個(gè)UART（通用異步收發(fā)器）口、2個(gè)可用的ADC（模/數(shù)轉(zhuǎn)換）口。

    溫度傳感器和濕度傳感器（HM150LF）分別連接到ADC0、ADC1口。

    GSM模塊選用WAVECOM公司生產(chǎn)的Q2403A，它支持900MHz和1800MHz兩個(gè)頻段，接口為RS232C，通過AT指令控制，符合GSM07.07命令集。RS-232接口經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，接入到串口擴(kuò)展芯片SP2328。

    單片機(jī)AT89C51是主節(jié)點(diǎn)控制的核心部分，它通過串口擴(kuò)展芯片SP2328擴(kuò)展了3個(gè)串口UART0、UART1、UART2、分別與GSM模塊、IP-Link1200模塊以及控制電路相連，控制電路部分，其實(shí)只是一個(gè)接口轉(zhuǎn)換電路，它把UART2口傳送過來的數(shù)據(jù)送到標(biāo)準(zhǔn)RS-232串口與各種不同類型的控制器相連，控制信號(hào)的數(shù)據(jù)解碼任務(wù)由AT89C51完成。

    目的節(jié)點(diǎn)除去GSM部分的功能，就成為中繼節(jié)點(diǎn)。而普通節(jié)點(diǎn)具有溫濕度數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通信功能，由IP-Link1200模塊、傳感器和電源3部分組成，值得強(qiáng)調(diào)的是普通節(jié)點(diǎn)必須為配置結(jié)點(diǎn)參數(shù)留有一個(gè)UART接口。

2.2 管理中心

    在管理中心的一臺(tái)PC機(jī)通過它的3個(gè)RS-232接口與相應(yīng)的3個(gè)Q2403A模塊相連，多個(gè)GSM模塊的運(yùn)用可以避免網(wǎng)絡(luò)忙時(shí)造成阻塞。 

3 軟件流程和實(shí)現(xiàn)

3.1 本地網(wǎng)絡(luò)的軟件

    軟件部分由節(jié)點(diǎn)程序和遠(yuǎn)程管理中心程序兩部分組成。

    節(jié)點(diǎn)程序主要流程圖如圖4所示。 

    設(shè)備初始化成功后對(duì)信道進(jìn)行掃描，這里加入了節(jié)能考慮，查詢次數(shù)大于M時(shí)，設(shè)備自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠計(jì)時(shí)狀態(tài)，休眠時(shí)間大于Tmax后，又返回掃描狀態(tài)[5]。

    節(jié)點(diǎn)程序的物理層、MAC層和網(wǎng)絡(luò)層部分運(yùn)行于IP-Link1200通信模塊中，而應(yīng)用層的程序則運(yùn)行在AT89C51中，主要功能是通過控制3個(gè)UART口完成溫濕度數(shù)據(jù)采集、與GSM網(wǎng)絡(luò)的通信和對(duì)控制器的操作[6]，它的一般幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。 

3.2 管理中心

    在位于遠(yuǎn)程的管理中心，運(yùn)行于PC上的管理軟件用Visual C++6.0開發(fā)，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫查詢，該數(shù)據(jù)庫由微軟的Access 2002創(chuàng)建，當(dāng)需要查詢某一本地網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫濕度指標(biāo)時(shí)，僅輸入對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)號(hào)即可，界面如圖6所示，這時(shí)可以看到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的溫濕度參數(shù)以及數(shù)據(jù)采集時(shí)間，界面如圖7所示，通常，在不進(jìn)行手動(dòng)采集時(shí)，設(shè)定一定的采集時(shí)間間隔，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。 

4 結(jié)束語

    本文介紹了用IP-Link1200模塊組建無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)的驗(yàn)證系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的監(jiān)控功能，可以相信，不久的將來，由于協(xié)議的開放性和Zigbee聯(lián)盟的大力推動(dòng)，基于IEEE802.15.4的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將在樓宇自控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、PC外設(shè)等許多低速數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用[7]，并迅速形成產(chǎn)品。