摘  要： 在研究2.4G技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析了Wireless USB技術(shù)應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，并以此為平臺，以通用MCU為處理器，基于軟件無線電理念分別設(shè)計制作了傳感節(jié)點和Sink節(jié)點。軟件設(shè)計依托認知無線電技術(shù)組建分簇型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，并在安全機制、抗干擾機制和低功耗方面作了深入研究，經(jīng)調(diào)試系統(tǒng)達到了設(shè)計指標。
關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；Wireless USB；2.4G；分簇型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

　無線傳感系統(tǒng)較有線傳感系統(tǒng)有易于部署、易于擴展等優(yōu)勢，為此，人們開發(fā)了多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。常用的無線通信技術(shù)有紅外技術(shù)、普通射頻技術(shù)（RF）、2.4G技術(shù)等。紅外技術(shù)操作簡單、價格低廉，但存在直線對準通信、單向通信、高功耗等缺點，不適合開發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)。射頻技術(shù)可輕松突破上述局限，與其他射頻頻段相比，2.4G技術(shù)具有頻段免費、全球通用、設(shè)備體積小、數(shù)傳速率高、抗干擾能力強、低功耗等優(yōu)點，在開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面有巨大優(yōu)勢，目前較成熟的2.4G無線傳感系統(tǒng)是基于藍牙技術(shù)（Bluetooth、　IEEE 802.15.1）和ZigBee技術(shù)（IEEE 802.15.4）的[1]。
與傳統(tǒng)的以電纜和紅外方式傳輸測控數(shù)據(jù)相比，在測控領(lǐng)域應(yīng)用藍牙技術(shù)主要有抗干擾能力強、節(jié)省成本、無方向限制、可實現(xiàn)多個設(shè)備互通等優(yōu)勢，但藍牙的同步時鐘對電池的使用壽命有很大影響，且一個藍牙主設(shè)備只能連接7個從設(shè)備，限制了其應(yīng)用范圍。
　ZigBee依據(jù)IEEE 802.15.4標準，可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，一個主節(jié)點最多可管理254個子節(jié)點，同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最多可組成65 000個節(jié)點的較大網(wǎng)絡(luò)。但ZigBee復(fù)雜的協(xié)議也導致成本增加，且ZigBee在稍微高速率、低延遲的應(yīng)用中表現(xiàn)不夠好，制約了它在該領(lǐng)域的應(yīng)用。
　Wireless USB技術(shù)是由賽普拉斯半導體公司開發(fā)的一種新型的點對點以及點對多點的2.4 GHz無線通信技術(shù)。該技術(shù)為這一領(lǐng)域的應(yīng)用提供了低功耗、低延遲、低成本、高可靠性的解決方案，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文基于Wireless USB技術(shù)，以“模塊化、小體積、低功耗、低成本和通用性”為目標，開發(fā)設(shè)計了嵌入式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬、軟件系統(tǒng)，使其滿足監(jiān)測任務(wù)要求的數(shù)據(jù)采集、計算、無線通信和互聯(lián)能力。
1 系統(tǒng)構(gòu)架
1.1 Wireless USB技術(shù)簡介
　Wireless USB在頻段管理上把2.4 GHz頻段分成98個信道，每個信道帶寬1 MHz，包括26個快速信道（切換時間為100 μs）、35個中速信道（切換時間為180 μs）、37個慢速信道（切換時間為270 μs）[2]。該機制為實現(xiàn)頻分多址、跳頻及頻率捷變提供了技術(shù)基礎(chǔ)。該技術(shù)在每一個信道上又使用了直接序列擴頻（DSSS）技術(shù)，DSSS系統(tǒng)的特點主要有：較強抗干擾能力；很強的隱蔽性和抗偵察、抗竊聽、抗測向能力；選址能力，可實現(xiàn)碼分多址；抗衰落，抗頻率選擇性能好；抗多徑干擾；可進行高分辨率的測向和定位[3]。此外，該技術(shù)還使用GFSK調(diào)制技術(shù)。
　Wireless USB協(xié)議層的設(shè)計采用了主-從方式的星形結(jié)構(gòu)，主設(shè)備實時處于接收狀態(tài)，接收來自從設(shè)備的信息，同時監(jiān)視干擾狀況，選擇干凈的頻帶，決定是否跳頻。從設(shè)備采集并發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送結(jié)束后立刻進入睡眠狀態(tài)，最大限度地節(jié)省電池電量。協(xié)議中還可實現(xiàn)時分雙角色（既可接收，也可發(fā)射），可以作為一個類似路由器的角色使用。一個主設(shè)備可以帶上百個從設(shè)備[4]。網(wǎng)絡(luò)ID是Wireless USB網(wǎng)絡(luò)的標識，是Wireless USB網(wǎng)絡(luò)彼此區(qū)分的依據(jù)，每個芯片在出廠時有6 B的ID，此ID是唯一的，網(wǎng)絡(luò)ID由這個芯片ID計算得到。相比那些沒有ID的其他射頻芯片，這無疑又是一個優(yōu)點。
　此外，Wireless USB技術(shù)支持接收信號強度指示（RSSI）功能，為實現(xiàn)認知無線電技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)，可以檢測復(fù)雜電磁環(huán)境的頻譜空洞，提高頻譜利用率[5]。
1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　本文采用層次性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將整個系統(tǒng)分成3級網(wǎng)絡(luò)。
　匯聚節(jié)點（Sink節(jié)點）與傳感器節(jié)點形成一個星形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的第一級網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)報警和數(shù)據(jù)基本處理功能，并根據(jù)上級網(wǎng)絡(luò)的通信指令完成與管理節(jié)點的數(shù)據(jù)通信。每個傳感節(jié)點每隔一定時間采集多組數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)的準確性求平均值，通過多址機制，把采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。匯聚節(jié)點收到所有數(shù)據(jù)后，首先判斷數(shù)據(jù)是否超出設(shè)定閾值，如果超出，則發(fā)出報警信息。當收到的數(shù)據(jù)正常時，就對數(shù)據(jù)再次累加求平均值，接收到上級網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點的通信指令時，封裝數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)焦芾砉?jié)點。
　第二級網(wǎng)絡(luò)由匯聚節(jié)點和管理節(jié)點組成（管理節(jié)點由匯聚節(jié)點連接服務(wù)器構(gòu)成）。匯聚節(jié)點作為第二級網(wǎng)絡(luò)的基本工作站，在聯(lián)合站內(nèi)的管理節(jié)點作為核心組成星形網(wǎng)絡(luò)。管理節(jié)點同時用于存儲所有數(shù)據(jù)，管理人員可以進行查詢、監(jiān)控和打印報表。通常第二級網(wǎng)絡(luò)需采用大功率的無線數(shù)傳模塊作為網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備。
可以利用已經(jīng)建立的局域網(wǎng)構(gòu)成第三級辦公網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器分布在不同的聯(lián)合站內(nèi)，在局域網(wǎng)內(nèi)的任何一臺電腦上，通過管理軟件可以對聯(lián)合站的數(shù)據(jù)庫進行訪問，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計
2.1 傳感節(jié)點設(shè)計
　傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)的基本單元，目前，不同應(yīng)用中各種節(jié)點的組成結(jié)構(gòu)不盡相同，導致通用性及可維護性降低[6]。本文構(gòu)建了一個類似于軟件無線電的通用節(jié)點結(jié)構(gòu)，將硬件功能軟件化以解決上述問題[7]。
微控制器模塊是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的計算中心，選擇合適的微控制器在節(jié)點設(shè)計中至關(guān)重要。微控制器模塊的設(shè)計主要考慮以下幾個方面：（1）選擇帶Flash的8 bit或16 bit簡單內(nèi)核的微控制器，帶Flash的微控制器可將功耗降低5倍；（2）低電壓供電可以大大降低系統(tǒng)的工作電流，基于漏電流的考慮，選擇3 V（3.3 V）要比5 V供電的功耗至少降低40%[1]。綜合考慮功耗、體積和功能等因素，本選擇ATmega8L單片機作為控制器[8]。
無線通信模塊是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的重要組成部分，需要滿足低功耗、通信質(zhì)量、通信距離、通信速度、組網(wǎng)方便、抗干擾和易于布控等要求。根據(jù)前面分析，Wireless USB技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域有獨特優(yōu)勢，本文以基于該技術(shù)的CYRF6936芯片為核心設(shè)計射頻電路部分，CYRF6936是典型的低成本高集成度2.4 GHz DSSS射頻片上系統(tǒng)，具有可配置的雙向功能。數(shù)據(jù)傳輸速率可達1 Mb/s，最大發(fā)射功率為4 dBm，可工作在-55℃～125℃環(huán)境中，功耗低，待機電流僅1 μA[9]。
　ATmega8L的PC0～PC5端口作為傳感器數(shù)據(jù)采集端口，通過SPI口連接CYRF6936，SPI口（SS、MOSI、MISO、SCK）同時作為程序下載端口。此外，ATmega8L的PD3（INT1）腳連接CYRF6936的IRQ腳，接收射頻中斷信號。射頻部分元器件均采用0402封裝。單片機ATmega8L、射頻芯片CYRF6936、電源芯片XC6209B332的外圍電路分別見其參考設(shè)計。在單板上完全集成節(jié)點的全部組成部分，結(jié)構(gòu)緊湊，降低了使用功耗。電路布局時，將強電信號電路和弱電信號電路分開，數(shù)字信號電路和模擬信號電路分開，完成同一功能的電路盡量安排在一定的范圍之內(nèi)，從而減小信號環(huán)路面積。各部分電路的濾波網(wǎng)絡(luò)就近連接，這樣不僅可以減少輻射，而且可以減小被干擾的幾率，提高電路的抗干擾能力。PCB布局、實體電路分別如圖2 所示。

2.2 Sink節(jié)點的設(shè)計
　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實際應(yīng)用時，必須與其他信息設(shè)備或監(jiān)視設(shè)備相連接，將網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)實時匯總顯示，為觀察者提供所需數(shù)據(jù)信息。很明顯，所設(shè)計傳感器節(jié)點僅具有數(shù)據(jù)采集發(fā)射及轉(zhuǎn)發(fā)功能，無法與觀察者交換信息，對于實際應(yīng)用是沒有意義的。本節(jié)在遵循傳感器節(jié)點相關(guān)設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，設(shè)計Sink節(jié)點，它是觀察者與網(wǎng)絡(luò)的交流窗口，同時是管理的核心，也是與有線網(wǎng)絡(luò)連接的接口。Sink節(jié)點作為第一級網(wǎng)絡(luò)核心部分，負責數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換，還應(yīng)具有存儲、顯示和設(shè)置功能，接收來自網(wǎng)絡(luò)中傳感節(jié)點的采集信息，處理、顯示并可通過鍵盤區(qū)實現(xiàn)人工控制。也可通過串口與監(jiān)視器連接，監(jiān)視器可同時看作數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，并可通過它與互聯(lián)網(wǎng)連接?？紤]到Sink節(jié)點需較強處理能力，選用ATmega16L單片機作為微控制器、以射頻芯片CYRF6936和2.4G射頻前端芯片CC2591構(gòu)成射頻電路部分。CC2591外圍器件少，集成轉(zhuǎn)換開關(guān)、匹配網(wǎng)絡(luò)和PA/LNA。此外，以電平轉(zhuǎn)換模塊MAX3232、RS-232串口轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成監(jiān)控模塊與監(jiān)視器相連，同時添加了5個功能按鍵、11個指示燈和16個I/O接口（其中11個用于連接液晶顯示屏）。
　網(wǎng)絡(luò)工作時，該節(jié)點同時作為時鐘同步節(jié)點，定時發(fā)射時鐘同步幀，保持網(wǎng)絡(luò)時鐘同步。節(jié)點結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3 軟件設(shè)計
　2.4 GHz頻段設(shè)備越來越多，而且網(wǎng)絡(luò)內(nèi)眾多節(jié)點存在頻譜搶占現(xiàn)象，如何快速尋找空閑頻譜是傳感器網(wǎng)絡(luò)高效可靠工作的基礎(chǔ)。為此，本文的軟件設(shè)計是基于認知無線電理念的[10]，接收信號強度檢測（RSSI）是該理念的實現(xiàn)基礎(chǔ)。各終端在接收模式下，通過讀取寄存器RSSI值判斷當前信道上無線信號的功率密度即干擾強度，主動尋找可用信道（頻譜空洞），類似頻譜感知，系統(tǒng)功能框圖如圖4所示。其工作時序為：先進行監(jiān)聽，如果信道有強干擾則跳轉(zhuǎn)到下一頻道，若無強干擾，則傳輸數(shù)據(jù)。

　本設(shè)計以Visual Studio 2005為開發(fā)環(huán)境，采用C語言編寫了主程序和相應(yīng)的子程序。
4 通信協(xié)議
4.1 MAC協(xié)議
　本文以一個匯聚節(jié)點為中心節(jié)點（簇節(jié)點）設(shè)計了一個星形網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)是大型網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，可認為是大型網(wǎng)絡(luò)的子簇。采用TDMA、CDMA聯(lián)合方式組網(wǎng)，即各傳感節(jié)點采用固定的PN碼周期等待與簇節(jié)點通信，而簇節(jié)點采用滑動PN碼方式，通過周期改變PN碼輪詢訪問的方式實現(xiàn)與各傳感器節(jié)點的通信（輪詢過程見網(wǎng)絡(luò)拓展部分）。通信過程如圖5所示。首先，簇節(jié)點實現(xiàn)與同PN碼傳感節(jié)點綁定（本文在綁定過程中啟用載波偵聽（RSSI）功能實現(xiàn)認知無線電理念），綁定完成后簇節(jié)點發(fā)送同步幀；傳感器節(jié)點收到同步幀后，根據(jù)同步幀的信息修改自己的時鐘，達到與簇節(jié)點時間同步的目的，然后發(fā)送數(shù)據(jù)幀；簇節(jié)點收到傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)幀（data）后，進行數(shù)據(jù)處理和融合，然后發(fā)送應(yīng)答幀（ACK）給傳感節(jié)點，之后傳感節(jié)器點進入睡眠模式（sleep）；簇節(jié)點開始啟動與下一節(jié)點通信。如此循環(huán)往復(fù)。簇節(jié)點可與Sink節(jié)點以同樣方式構(gòu)成父簇，Sink節(jié)點通過串口與連接有線網(wǎng)絡(luò)的電腦相連。

4.2 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的設(shè)計[11]
　時鐘同步對任何分布式系統(tǒng)而言都是很重要的，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中許多算法或協(xié)議也需要節(jié)點間的時鐘同步作為支撐。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)如果沒有空間和時間信息是無任何意義的。此外，準確的時間同步是實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)自身協(xié)議的運行、數(shù)據(jù)聚集、TDMA調(diào)度、協(xié)同休眠、定位等的基礎(chǔ)。本文將簇節(jié)點同時作為時鐘同步節(jié)點，如MAC協(xié)議中所述，各傳感節(jié)點每次與簇節(jié)點通信時都以其時鐘為基準進行一次時鐘校準，因為各節(jié)點都定期以此節(jié)點為時鐘基準校正，可近似認為網(wǎng)絡(luò)時鐘是同步的（本文中所有節(jié)點使用的外部晶振時鐘漂移率不超過30 ppm）。
　本文MAC協(xié)議中，簇節(jié)點采用輪詢訪問的方式與各節(jié)點通信，故所用網(wǎng)絡(luò)拓補的方法是：新節(jié)點采用各傳感節(jié)點未使用的合法PN碼（簇節(jié)點可產(chǎn)生的PN碼），當節(jié)點需要加入網(wǎng)絡(luò)時，先發(fā)送申請加入網(wǎng)絡(luò)的信息，接著進入偵聽的狀態(tài)，持續(xù)1 s，隨機延遲后再次發(fā)送申請信息，如此循環(huán)，直到簇節(jié)點輪詢到該節(jié)點時接受其加入網(wǎng)絡(luò)請求。然后，根據(jù)收到的允許加入網(wǎng)絡(luò)的信息，節(jié)點修改自己的時鐘，達到時間同步，這樣新的節(jié)點就成功入網(wǎng)。輪詢過程如圖6所示。

4.3 功率控制
　傳感器節(jié)點的耗能，除采用低功耗器件外，還應(yīng)從節(jié)點的工作體制上考慮。除MAC協(xié)議中提到的睡眠機制外，本文采用功率控制算法進一步降低功耗。功率控制是指通過合理地設(shè)置或動態(tài)調(diào)整節(jié)點的發(fā)射功率，在保證整個網(wǎng)絡(luò)連通的同時，降低對其他設(shè)備的干擾，達到提高節(jié)點能量利用率，延長網(wǎng)絡(luò)生存時間的目的。文中各端節(jié)點根據(jù)接收到的時鐘同步信號強度調(diào)整發(fā)射功率[12]。
4.4 安全機制
　賽普拉斯建議采用微型加密算法（TEA）作為Wireless USB的加密算法。微型加密算法是現(xiàn)有最快速、最高效的加密算法之一，它是一種采用混合（正交）代數(shù)組（這里為XOR、ADD和SHIFT）運算的Feistel密碼，每次用128位密鑰加密64個數(shù)據(jù)比特，抗差動密碼分析的能力極強，6輪之后才能實現(xiàn)全漫射。需說明的是，任何加密算法都可用于Wireless USB，不只限于TEA。
4.5 抗干擾機制
　除協(xié)議中使用的擴頻技術(shù)外，本文還采用以下技術(shù)增強網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力。
?。?）糾錯編譯碼
　Wireless USB技術(shù)支持的數(shù)據(jù)傳輸幀結(jié)構(gòu)簡畫如圖7所示。

?。?）CRC校驗技術(shù)
　系統(tǒng)附加CRC16于每一個數(shù)據(jù)包中。CRC16是一個16 bit的循環(huán)冗余校驗碼（CRC），使用USB的CRC多項式運算所得，可以檢測所有單位和雙位差錯。
?。?）數(shù)據(jù)應(yīng)答與重發(fā)　
　為使傳感器節(jié)點盡量將每一周期內(nèi)的檢測數(shù)據(jù)無誤地發(fā)送到簇節(jié)點，本文使能Wireless USB的ACK功能。簇節(jié)點收到正確數(shù)據(jù)包后自動發(fā)送ACK信號。端節(jié)點發(fā)射數(shù)據(jù)前設(shè)定ACK等待時長，發(fā)送完數(shù)據(jù)后，打開超時定時器開始計時，同時轉(zhuǎn)入接收模式。如果設(shè)定時間內(nèi)未收到ACK信號，重發(fā)數(shù)據(jù)，否則，進入睡眠模式。
?。?）頻率捷變
　只是在受到干擾時頻道才發(fā)生改變，如圖9所示，如果當前頻道受到了干擾，系統(tǒng)通過鑒別錯誤數(shù)據(jù)包的數(shù)量來判斷信道的鏈接質(zhì)量。如果錯誤包的數(shù)量超過了設(shè)計的極限，就跳轉(zhuǎn)到下一頻道；此外，還要周期性地偵聽頻道信號強度，如果一個強的信號持續(xù)一段時間，則跳轉(zhuǎn)出去。

5 實驗及結(jié)果分析
?。?）有效通信距離測試
　CYRF6936支持SDR/DDR/8DR/GFSK 4種工作模式，發(fā)射功率可控為-35、-30、-24、-18、-13、-5、0和4 dBm共8個檔次；CC2591最高發(fā)射增益22 dB，最大發(fā)射功率22 dBm，最高接收增益11 dB。測試中選擇8DR模式，該模式下，接收靈敏度為-97 dBm，Sink節(jié)點將發(fā)射功率和接收增益設(shè)置為最大值，射頻頻率設(shè)定在2 400 MHz頻段，4節(jié)5號電池供電，天線距離地面高度為1.5 m。傳感器節(jié)點之間有效通信距離，室內(nèi)10 m，戶外30 m。傳感器節(jié)點與Sink節(jié)點有效通信距離測試如表1所示。

?。?）共存性能測試
　打開實驗室所有設(shè)備及藍牙、Wi-Fi、WLAN等，測試表明系統(tǒng)可在復(fù)雜電磁環(huán)境下正常工作。
所開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以Wireless USB技術(shù)為平臺，依托認知無線電、軟件無線點理念，充分利用頻率捷變技術(shù)、數(shù)據(jù)應(yīng)答與重發(fā)技術(shù)、CRC校驗技術(shù)、DSSS技術(shù)、BCH技術(shù)和RSSI功能，功耗低，抗干擾能力強，能在復(fù)雜電磁環(huán)境中正常工作。通過AGC調(diào)節(jié)發(fā)射功率實現(xiàn)不同距離可變功率控制。該設(shè)計性能優(yōu)越，應(yīng)用前景廣闊。但研究尚處于試驗階段，各種功能尚不完善，有待在以后的研究中深入開發(fā)。
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