傳感器" title="傳感器">傳感器網(wǎng)絡" title="無線傳感器網(wǎng)絡" title="無線傳感器網(wǎng)絡">無線傳感器網(wǎng)絡">無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks，WSN)是當前在國際上備受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。傳感器技術、微機電系統(tǒng)、現(xiàn)代網(wǎng)絡和無線通信等技術的進步，推動了現(xiàn)代無線傳感器網(wǎng)絡的產(chǎn)生和發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡擴展了人們信息獲取能力，將客觀世界的物理信息同傳輸網(wǎng)絡連接在一起，在下一代網(wǎng)絡中將為人們提供最直接、最有效、最真實的信息。無線傳感器網(wǎng)絡能夠獲取客觀物理信息，具有十分廣闊的應用前景，能應用于軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境檢測、搶險救災、危險區(qū)域遠程控制等領域。
無線傳感器網(wǎng)絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給監(jiān)控終端。本文根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡具有成本低、能耗小、組網(wǎng)靈活、系統(tǒng)抗毀性強等多方面優(yōu)勢，通過對環(huán)境的無縫精確定位技術和基于無線傳感器網(wǎng)絡的無縫監(jiān)控預警技術，完成了基于無線傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)控預警終端原理樣機的設計和實現(xiàn)，滿足在物聯(lián)網(wǎng)應用中環(huán)境監(jiān)測、監(jiān)控預警、應急管理、人員定位與導航等的需求。
1 手持終端系統(tǒng)組成
無線傳感器網(wǎng)絡終端由主控制器、ZigBee無線傳輸模塊、傳感器模塊組成。其中，主控制器負責處理來自ZigBee無線傳輸模塊的數(shù)據(jù)，并根據(jù)情況做出相應的判斷；ZigBee無線傳輸模塊負責接收來自傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與主控制器的通信；傳感器模塊負責采集環(huán)境內(nèi)的數(shù)據(jù)，并進行相應的分析和處理。
系統(tǒng)主控制器采用ARM11架構的32位嵌入式RISC處理器S3C6410" title="S3C6410">S3C6410。ZigBee無線傳輸模塊采用集信號采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信于一體的CC2430芯片，CC2430集成符合IEEE 802．15．4標準的2．4 GHz的RF無線電收發(fā)機，具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性，有數(shù)字化的RSSI／LQI支持和強大的DMA功能，集成14位模數(shù)轉換的A／D轉換器；帶有2個強大的支持幾組協(xié)議的USART，1個符合IEEE 802．15．4規(guī)范的MAC計時器，1個常規(guī)的16位計時器和2個8位計時器。傳感器模塊包括溫度，濕度，亮度和人體紅外傳感器。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。
本系統(tǒng)中，傳感器的功能是分別采集環(huán)境中的溫度信息、濕度信息、亮度信息和人體紅外感應信息，并加以處理，通過無線通信方式將數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)手持終端。終端通過查詢傳感器發(fā)送來的數(shù)據(jù)進行分析并做出判斷，結合實際情況采取相應的措施。無線傳輸節(jié)點通過采集手持終端的接收信號強度指示(RSSI)，對終端進行定位。
2 系統(tǒng)硬件設計
無線傳感器網(wǎng)絡手持終端主要由基于ARM11架構的三星S3C641O處理器和基于無線傳輸?shù)腃C2430芯片組成。
2．1 無線傳輸模塊硬件設計
ZigBee技術是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術，采用IEEE802．15．4標準，具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸速率低、時延小、網(wǎng)絡容量大、成本低、通信可靠性高、安全、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點，主要應用在無線數(shù)據(jù)采集、無線工業(yè)控制、消費電子、汽車自動化、家庭和樓宇自動化、醫(yī)用設備控制、遠程網(wǎng)絡控制等領域。傳感器采集溫度、濕度、亮度、人體紅外感應等數(shù)據(jù)，并進行信息處理，通過無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)送給監(jiān)控終端。
無線傳輸模塊采用具有數(shù)據(jù)采集、無線通信和信息處理的單片機射頻芯片CC2430。由于CC2430的集成度高，所以只需要極少的外圍元器件，其內(nèi)部使用1．8 V的工作電壓，外部數(shù)字I／O使用的3．3 V的電壓，通過片上集成的自流穩(wěn)壓器，把3.3 V電壓轉換為1．8 V電壓。該模塊主要包括3．3 V和1．8 V電源濾波電路、晶振電路、偏置電路、巴倫電路、射頻阻抗匹配電路和復位電路，無線傳輸模塊硬件電路圖如圖2所示。
1)晶振電路：CC2430工作需要2個時鐘晶振，第一個為32 MHz，為無線收發(fā)提供時鐘；第二個為32．768 kHz，為系統(tǒng)睡眠喚醒提供時鐘。C191和C211為32 MHz的負載電容，電容值取決于負載電容的大小，CL=1／(1／C191+1／C211)+Cf，其中CL典型值為16 pF，Cf為2～5 pF，保證晶體振蕩器產(chǎn)生的頻率準確和穩(wěn)定。C191和C211的典型值為27 pF。
2)R221和R261為偏置電阻，電阻R221主要用來為32 MHz晶振提供一個合適的電流。
3)電壓調節(jié)器為1．8 V電壓的引腳和內(nèi)部電源供電，電容C241和C421是去耦電容，用來實現(xiàn)電源濾波，以提高芯片工作的穩(wěn)定性。
4)復位電路由限流電阻R101、濾波電容C101和按鍵組成，實現(xiàn)低電平復位。
5)射頻阻抗匹配電路：CC2430可以使用不同類型的天線，本設計中使用一種非平衡天線，連接非平衡變壓器可使天線性能更好。單極非平衡天線是長度對應電磁波長1／4的諧振天線，射頻信號采用差分方式，最佳差分負載阻抗是115+j180 Ω，阻抗匹配電路需要根據(jù)該數(shù)值進行調整。設計采用50 Ω單極子天線，采用巴倫電路(平衡，非平衡轉換電路)完成雙端口到單端口的轉換。電路中的非平衡變壓器由L321、L3 31、L341、C341和PCB微波傳輸線組成，L321和L341匹配RF輸入／輸出50 Ω阻抗匹配，L321和L331同時提供功率放大器和低噪聲放大器的直流偏置。L321為8．2 nH，L331為22 nH，L341為1．8 nH，C341為5．6 pF。
CC2430發(fā)送數(shù)據(jù)時，信號從差分射頻端口RF_P、RF_N經(jīng)巴倫電路變?yōu)閱味诵盘枺蒖XTX_SWITCH信號控制2個邏輯開關，選通功率放大電路(PA)，放大后的信號從天線發(fā)射出去。接收信號時，在RXTX_SWITCH信號控制下，從天線接收的信號經(jīng)低噪聲放大電路(LNA)放大，經(jīng)巴倫電路轉換，由RF_P、RF_N端口接收。
2．2 手持終端硬件設計
手持終端主要由處理器核心系統(tǒng)、無線傳輸模塊、電源管理系統(tǒng)和輸入輸出系統(tǒng)4部分組成。處理器核心系統(tǒng)由處理器(S3C6410)、SDR-AM(K4X51163PC-LGC3)和Flash(K9F2G08XOA)組成。電源管理系統(tǒng)為核心系統(tǒng)和外設電路提供相應電源控制和管理。輸入輸出系統(tǒng)為用戶提供下載接口、語音系統(tǒng)、圖形界面和外設存儲。其系統(tǒng)框圖如圖3所示。
S3C6410和CC2430通過串口通信，F(xiàn)lash存儲操作系統(tǒng)相關的內(nèi)容，SD卡存儲環(huán)境監(jiān)測中采集的各種傳感器數(shù)據(jù)、定位與導航應用的地圖和應用程序等，傳感器采集的數(shù)據(jù)通過LED界面顯示出來，管理者通過LCD顯示的數(shù)據(jù)進行監(jiān)控、定位和應急管理，報警信息、通話等通過音頻模塊輸出。手持終端原理樣機如圖4所示。
3 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件設計包括傳感器的采集程序和手持終端串口通信程序，采集程序根據(jù)不同傳感器的接口方式不同，對CC2430單片機分別編寫數(shù)據(jù)采集程序，手持終端需要編寫處理器和CC2430之間的串口通信程序。
3．1 無線傳輸模塊軟件設計
無線傳輸模塊的軟件架構由數(shù)據(jù)采集端軟件和數(shù)據(jù)接收端軟件組成，包含有發(fā)射程序和接收程序。其中初始化的程序主要對CC2430單片機射頻芯片SPI等進行初始化設置，發(fā)射程序將打包的數(shù)據(jù)包通過單片機的SPI接口發(fā)送至射頻發(fā)生模塊輸出，接收程序完成終端采集數(shù)據(jù)的接收并做相應的處理。數(shù)據(jù)采集軟件流程圖如圖5所示。
在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸過程中，MCU控制器首先初始化運行和信道選擇，低功耗定時器運行準備接收信號，等待傳感器請求發(fā)送信號，若請求合法，則初始化采集數(shù)據(jù)，采集完畢后通過CC2430發(fā)送，完成數(shù)據(jù)采集功能。數(shù)據(jù)采集主程序如下：
3．2 手持終端軟件設計
S3C6410處理器通過串口和無線傳輸模塊進行通信。首先串口接收無線傳輸模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，并進行相應的信息處理再通過串口下達相應指令給無線傳輸模塊，無線傳輸模塊再通過無線方式傳輸指令給傳感器模塊，最終實現(xiàn)大型復雜環(huán)境的監(jiān)控和管理。其中串口應用程序主要包括4部分：串口初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)、接收數(shù)據(jù)函數(shù)和主函數(shù)。
1)串口初始化
把使用到的串口引腳GPA4、GPA5定義為RXD1、TXD1，分別連接到CC2430的P0．3和P0．2腳。
2)發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)
通過對UTRSTAT0寄存器相應位來判斷并實現(xiàn)發(fā)送和接收的功能。UTXH0把要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入此寄存器。
3)接收數(shù)據(jù)函數(shù)
URXH0當讀取UTRSTAT0寄存器位[0]為1時，讀取寄存器獲得串口接收到的數(shù)據(jù)。
4)主函數(shù)
主函數(shù)主要實現(xiàn)UART1的初始化，從串口接收字符串，信息判斷和相應功能函數(shù)調用等功能。
4 系統(tǒng)實際應用
該無線傳感器網(wǎng)絡終端系統(tǒng)已完成演示，通過在3個實驗室里分別放置溫濕度傳感器、亮度傳感器和人體紅外傳感器，在樓道每隔10 m放置一個無線傳輸模塊，傳感器將采集到的溫濕度、亮度和人體紅外信息通過無線傳輸模塊發(fā)送到手持終端顯示出來，根據(jù)實際情況手持終端發(fā)送命令控制實驗室的溫濕度、亮度狀態(tài)，超過某一閾值會發(fā)出報警信息，當有人進去實驗室，人體紅外傳感器會發(fā)出報警信息發(fā)送給手持終端控制中心。當人員攜帶手持終端，樓內(nèi)的無線傳輸模塊通過采集手持終端的RSSI值，以及三點定位算法確定人員的位置，指引人員想去的地方，當有突發(fā)緊急情況時進行人員導航和疏散，將人員和物品轉移至安全的地方。經(jīng)試驗驗證該無線傳感器網(wǎng)絡終端基本滿足大型復雜建筑物室內(nèi)精確定位導航、無縫監(jiān)控預警、應急事件管理等方面的應用，溫度精度0．5℃，濕度精度4．5％RH，亮度精度0．5 lux，室內(nèi)定位精度優(yōu)于3 m(95％)，系統(tǒng)初次定位時間少于30 s，系統(tǒng)可用性優(yōu)于90％。
5 結束語
本文所設計的手持數(shù)據(jù)采集終端基于S3C6410處理器、CC2430無線通信芯片和無線傳感器技術，其性能優(yōu)越，能滿足大型復雜環(huán)境監(jiān)測和管理的應用。采用手持終端可方便管理和應對突發(fā)緊急事件，使應急救援力量在最短時間內(nèi)到達事件發(fā)生地點，指引災難人群在最短時間內(nèi)選擇最短最優(yōu)路徑進行人員疏散，對建立面向應急管理的定位導航與無縫監(jiān)控預警系統(tǒng)具有重要意義和使用價值，在物聯(lián)網(wǎng)中有著廣泛的應用。
系統(tǒng)設計創(chuàng)新之處：1)采用低功耗ZigBee無線傳輸技術，提高了節(jié)能效率；2)采用ARM和無線傳感器網(wǎng)絡技術結合便于使用和管理；3)將無線傳感器技術應用于物聯(lián)網(wǎng)大大提高了管理的效率并降低成本。