無線傳感器網絡WSN(Wireless Sensor Network)是信息科學的研究熱點，它是一種自組織的多跳路由無線網絡，通過在監(jiān)測區(qū)域中部署大量低成本的無線傳感器節(jié)點，節(jié)點間協同工作從而實現信息采集和傳輸。

    隨著傳感器技術、微處理器技術、芯片技術和無線通信技術的發(fā)展，以及片上系統SoC(System on Chip)的出現,為無線傳感器網絡提供了單芯片解決方案，極大降低了無線傳感節(jié)點的體積、功耗和成本。無線傳感網絡已被廣泛地應用到軍事、醫(yī)療監(jiān)護、智能交通和倉儲管理等領域。隨著物聯網應用的推廣及成本降低，無線傳感器網絡將被更廣泛的應用[1-3]。
1 系統結構
    系統的主要功能包括傳感器數據采集、ZigBee組網與通信[4]、網關管理與節(jié)點設備無線控制、傳感器數據界面顯示與計算等。本文主要工作包含無線節(jié)點硬件設計、節(jié)點程序設計、傳感器網絡組建和數據協議定義，以及節(jié)點低功耗設計。系統基于ZigBee無線通信技術組建樹狀網絡,通過傳感器節(jié)點采集并組建傳感器數據幀，通過多跳路由匯集到網關設備上，實現環(huán)境信息監(jiān)測。
    系統網絡拓撲結構如圖1所示[5-6],系統主要包含了網關設備（協調器，Coordinator）、路由節(jié)點和傳感器節(jié)點以及一些可擴展的接口。協調器主要負責啟動和配置整個網絡，通過掃描物理信道能量選擇一個空閑信道作為網絡的信道。路由節(jié)點(Router)主要功能為批準其他設備加入網絡、多跳路由和協助其子節(jié)點完成通信。傳感器節(jié)點主要為傳感器數據的采集與傳輸。
2 CC2530多傳感器無線節(jié)點硬件設計
    CC2530是一款符合ZigBee標準的SoC芯片[7-8],集成了無線電收發(fā)器、8051內核、串口、ADC和定時器等外設，利用CC2530作為無線傳感器網絡解決方案，節(jié)點成本、體積和功耗都能夠得到大幅度降低。

    CC2530射頻模塊主要完成無線信號的收發(fā)功能，負責ZigBee協議相關操作，并控制采集、存儲和處理傳感器數據。底板由供電模塊及調試端口構成，傳感器擴展板部署了溫濕度傳感器SHT11、加速度傳感器ADXL202和壓力傳感器MCS5540。
2.2 CC2530射頻模塊設計
　ZigBee無線通信模塊以CC2530為核心，芯片工作電壓為2~3.6 V，節(jié)點提供了標準I/O接口，容易嵌入到其他設備中，可以替代現有的無線控制方式，并獲取設備工作記錄。
2.3 傳感器模塊設計
    溫濕度傳感器采用SHT11，CC2530以P1.6、P1.7分別與DATA和SCK線連接，CC2530通過程序控制實現SHT11控制和讀寫信號。
    加速度傳感器采用ADXL202實現，用來采集振動信號，ADXL202E分別從Xout和Yout輸出兩個方向的加速度信息，以不同的占空比表示，CC2530采用定時器口線P1.3、P2.0與ADXL202E連接，測量其占空比。
    氣壓傳感器采用MCS5540，提供氣壓測量和溫度測量，以SCLK、DIN和DOUT組成讀寫總線，CC2530通過USART 0口與MS5540C連接。
3 基于Z-stack協議棧的節(jié)點程序設計
3.1 節(jié)點功能分析
    節(jié)點程序基本功能如圖3所示，基于協議棧應用層實現，具體的功能實現按照節(jié)點的邏輯關系有所區(qū)別。

    節(jié)點設備輸出控制：控制操作的發(fā)起者可以是網絡中的節(jié)點，也可能是節(jié)點自己或者網關控制平臺。如將ZigBee節(jié)點作為溫度報警裝置的控制器，當節(jié)點自身具有溫度傳感器裝置時，節(jié)點可以在溫度超過設置的范圍時發(fā)起報警。
    低功耗管理為感知節(jié)點發(fā)送功率自調整機制和休眠機制，以提高對能量的使用效率，避免不必要傳輸帶來的能量損耗。鏈路檢測為支撐子節(jié)點管理和節(jié)點低功耗管理功能，檢測父子節(jié)點間鏈路可靠性、信號質量和獲取接收信號強度指示RSSI(Received Signal Strength Indication)值。
3.2 數據結構設計
    網絡中傳輸的數據實體在應用層被封裝成幀，對于協議棧為透明數據。數據幀在網絡中透明傳輸，只有目的地址節(jié)點的相匹配的應用對象可對數據進行解析處理。
    (1) 設備描述符數據結構
    節(jié)點設備簡單描述符向協調器報告節(jié)點屬性、網絡地址、擴展地址和節(jié)點父節(jié)點網絡地址，以及支持的設備個數、類型、設備標號和控制/狀態(tài)等相關信息。設備簡單描述符結構如圖4。

    NWK_Addr鎖定源/目標節(jié)點,再由C_ID鎖定節(jié)點上對應設備，從而正確地解析/控制指定節(jié)點上特定設備。
　(3) 設備控制命令結構
    設備控制是對指定節(jié)點的指定外設控制的過程，用戶可以通過網關發(fā)起控制，傳感器節(jié)點也可以發(fā)起控制命令?？刂泼罱Y構如圖6。

3.3 基于有限狀態(tài)機的傳感器控制程序設計
    傳感器節(jié)點周期性地采集并傳輸數據，通過進入休眠狀態(tài)以節(jié)省節(jié)點能量。應用層程序對象通過osal_start_timerEx( )函數，設置傳感器數據采集定時任務，基于有限狀態(tài)機FSM(Finite State Machine)的程序設計如下。
　　while( FSMstate_S != IDEL )
　　    { switch(FSMstate_S)
　　       { case Sensor_RD_status:                      //傳感器轉換
　　      { if( 轉換成功 )
　　　　　      {  ……
　　            FSMstate_S = IDEL;                     //退出
　　      }
　　        else  FSMstate_S = ResetSeriInterface ;
　　         break;}
　　                                          //其他狀態(tài)
　　　　case ResetSeriInterface:                  //啟動串行總線
　　    {  ……
　　      FSMstate_S= Sensor_RD_status;                     //轉換
　　　　　break;}
　　　　default: FSMstate_S= IDEL ; break;
　　   }//--switch
    }//--while
3.4 節(jié)點鏈路失效管理
    Z-Stack協議棧的網絡層支持節(jié)點路由管理和網絡，而因突發(fā)事件如掉電、失效和重啟等引發(fā)子節(jié)點丟失網絡，協議棧沒有提供完整的解決方案[10]。
    節(jié)點失效鏈路管理，如圖7所示為父節(jié)點死亡和重啟后，造成子節(jié)點鏈路失效的情形。由于父節(jié)點因突發(fā)原因失效，如被破壞或供電中斷等，節(jié)點不能通知其相鄰節(jié)點，從而導致子節(jié)點仍然認為其父節(jié)點存在于網絡中，并不斷向其發(fā)送數據，若節(jié)點采用應答傳輸機制，則會長時間等待父節(jié)點的應答。上述兩種情形都會導致子節(jié)點與網絡的通信不可靠，節(jié)點網絡地址分配混亂和重復。

    節(jié)點移動鏈路管理，如圖8為節(jié)點移動后造成通信鏈路中斷、功耗增大等問題，如父子節(jié)點之間被加入障礙物。感知節(jié)點移動后，與R2的距離遠遠小于與R1的距離，原來只需較小的發(fā)射功率則可與R1建立可靠的通信連接，而此時感知節(jié)點必須提高發(fā)射功率。

　父節(jié)點返回的匹配消息報告給節(jié)點應用層，子節(jié)點首先撤銷正在執(zhí)行的定時任務并判斷消息。若消息為真則表明鏈路仍然可靠,并在定時T1結束后設置下一次傳感器轉換定時。否則節(jié)點將重啟網絡層重新加入網絡。
3.5 基于RSSI的節(jié)點低功耗設計
    無線傳感器節(jié)點能量消耗主要在于節(jié)點無線通信[9]，針對網絡環(huán)境穩(wěn)定且較少移動的節(jié)點，子節(jié)點可基于RSSI值調整發(fā)射功率，根據節(jié)點間的實際信道質量，調整不同節(jié)點間的發(fā)射功率，避免節(jié)點用固定的發(fā)射功率時因距離太近而造成能量浪費。
    RSSI受節(jié)點之間的距離和障礙物等信道質量情況影響，不同的子節(jié)點與父節(jié)點建立可靠鏈路所需要的發(fā)射功率則不一樣。圖10所示為子節(jié)點與父節(jié)點建立最低功耗通信鏈路的流程，子節(jié)點向父節(jié)點發(fā)送發(fā)射功率校正的命令；在接收到父節(jié)點返回的RSSI值后，子節(jié)點則根據RSSI的大小調整自己的發(fā)射功率。

4 系統傳輸性能實驗分析
4.1 點對點傳輸實驗
    點對點傳輸是節(jié)點性能的一個重要指標，本文針對節(jié)點的數據速率和丟包率做了大量的實驗測試。在室內環(huán)境下,節(jié)點采用3.3 V直流供電,傳輸距離(視距)>30 m，發(fā)射功率0 dBm，收發(fā)節(jié)點分別統計數據幀,單次測試持續(xù)時間10~20 min。獲得數據速率與丟包率關系如圖11(a)所示。

    圖示數值為節(jié)點多次實驗的平均值。當發(fā)射速率逐漸增大到21 kb/s時，接收節(jié)點丟包率明顯增大。由圖11可知發(fā)射速率低于20.88 kb/s時丟包率為0，速率為22.5 kb/s時丟包率約為6%?？傻霉?jié)點的數據速率實驗典型值為20 kb/s。
4.2 多跳通信實驗
    多跳通信實驗設置了源節(jié)點為設備終端節(jié)點，中轉設備路由節(jié)點和目標設備協調器組成的2跳網絡。測試環(huán)境與點對點通信一致，針對數據速率和丟包率完成大量實驗,得到的目標節(jié)點數據速率與丟包率關系如圖11(b)所示。
    由圖11(b)可知，經路由節(jié)點中轉后數據傳輸可靠性大大降低了。在數據發(fā)送速率低于0.3 kb/s時丟包率為0，而大于這個值后則逐漸上升。所以在保證丟包率為0的前提下，兩跳通信的數據速率的試驗值可以達到0.3 kb/s。
    本系統完成了以CC2530為核心的多傳感器無線節(jié)點硬件設計,并基于Z-stack協議棧完成傳感器程序設計，同時實現協議棧的低功耗改進和節(jié)點鏈路失效管理。通過實物測試獲得節(jié)點單跳通信數據速率典型值為20 kb/s，多跳通信典型值為0.3 kb/s，能夠較好地滿足區(qū)域環(huán)境信息監(jiān)測的應用。系統的硬件結構設計充分考慮了擴展性，數據協議定義充分考慮了上位機控制臺顯示信息的豐富性，支持控制臺顯示網絡拓撲結構、節(jié)點設備信息和狀態(tài)、節(jié)點移動動態(tài)更新，以及節(jié)點設備無線控制。
參考文獻
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[9] ESTRIN D. Tutorial“PartIV: sensor network protocols. Mobicom,2002. http://nest1.ee.ucla.edu/tutorials/ mobicom02.2011.