引言

　　自組織無線傳感器網(wǎng)絡(SelfOrganizingWirelessSensorNetworks)作為新興技術，是目前國外研究的熱點，其在軍事、環(huán)境、健康、家庭、商業(yè)、空間探索和災難拯救等領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。Crossbow公司已推出了Mica系列傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)品。國內(nèi)很多大學現(xiàn)已經(jīng)開展相關領域的研究，但大部分工作仍處在自組織無線網(wǎng)絡協(xié)議性能仿真和硬件節(jié)點小規(guī)模實驗設計階段。本文就國防科技大學傳感器教研室開展可應用于環(huán)境監(jiān)測方面無線傳感器網(wǎng)絡設計與實現(xiàn)進行介紹。

　　1　無線傳感器網(wǎng)絡硬件設計

　　無線傳感器網(wǎng)絡模型(如圖1所示)是不同于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的無基礎設施網(wǎng)，通過在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)隨意布撒大量傳感器節(jié)點(簡稱節(jié)點)，由各節(jié)點自行協(xié)調(diào)并迅速組建通信網(wǎng)絡，在能量利用率優(yōu)先考慮原則下進行工作任務劃分以獲取監(jiān)視區(qū)域信息。網(wǎng)絡的自組織特性體現(xiàn)在當節(jié)點失效或新節(jié)點加入時網(wǎng)絡能夠自適應重新組建，以調(diào)整全局的探測精度，充分發(fā)揮資源優(yōu)勢，即網(wǎng)絡中的各節(jié)點除具備數(shù)據(jù)采集功能外兼有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)多跳的路由功能。

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　　圖1　無線傳感器網(wǎng)絡模型

　　1.1　節(jié)點組成

　　典型的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點由數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸和電源4個主要部分組成。傳感探測單元由傳感器進行監(jiān)測區(qū)域內(nèi)待測對象的信息采集;微控制單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲等功能;無線傳輸單元負責低功耗短距離節(jié)點間通信;供電單元選取小型化、高容量的電池，以確保節(jié)點的長壽命和微型化。具體節(jié)點設計如圖2和圖3所示。

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　　圖2　無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點結構

　　(1)無線傳輸單元

　　無線收發(fā)模塊選用挪威Nordic公司推出的nRF401芯片。nRF401是工作在ISM頻段433.92MHz/434.33MHz的單片無線收/發(fā)一體芯片，是包括了高頻發(fā)射/接收、PLL合成、FSK調(diào)制/解調(diào)和雙頻道切換等單元的高集成度無線數(shù)傳產(chǎn)品。其最高傳輸速率可達20Kb/s,接收靈敏度為-105dBm,最大發(fā)射功率為10dBm,較其他類別射頻收發(fā)芯片外圍電路設計簡單。設計中工作頻率在434.33MHz,微控制單元僅須提供四根口線：收發(fā)狀態(tài)切換TXEN、待機與工作狀態(tài)切換PWRUP和數(shù)據(jù)通信接口線DIN/DOUT。射頻信號輸出設計采用環(huán)形差分輸出天線。

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　　圖3　無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點實物圖片鎖定

　　(2)微控制單元

　　TI公司MSP430系列單片機是一種具有集成度高、功能豐富、功耗極低等技術特點的16位單片機。超低功耗的混合信號控制器、豐富的片內(nèi)外設、節(jié)能考慮的多種工作模式和對C語言程序設計的支持，使得MSP430系列單片機非常適合于應用在嵌入式系統(tǒng)中。設計中選用帶有Flash存儲器可進行在線編程的MSP430x13x、MSP430x14x系列單片機;外圍模塊有看門狗、定時器A/B、同步/異步串行通信接口、10/12位A/D以及6個8位并行端口等多種組合形式。其實現(xiàn)功能如下：

　　◇操作無線收發(fā)芯片，為nRF401提供工作狀態(tài)控制線和兩條單向串行傳輸數(shù)據(jù)線;

　　◇實現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)采集———加速度、溫度、聲音和感光強度探測;

　　◇本地數(shù)據(jù)處理———剔除冗余數(shù)據(jù)，以減少網(wǎng)絡傳輸?shù)呢撦d和對無線傳輸數(shù)據(jù)的封裝與驗證;

　　◇應答遠控中心查詢，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)與存儲;

　　◇區(qū)域內(nèi)節(jié)點的路由維護功能;

　　◇節(jié)點電源管理，合理地設置待機狀態(tài)，以節(jié)省能量消耗，延長節(jié)點使用壽命。

　　(3)傳感探測單元

　　根據(jù)實際需要選擇合適傳感器對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)溫度、濕度、振動、聲音和光線等物理信號進行測試。實驗設計選用了兩種外圍電路簡單的數(shù)字式傳感器、光敏器件和駐極體話筒，分別對振動、溫度、光強和聲音進行探測。

　　◆AD公司的ADXL202是雙軸向加速度傳感器。其采用先進的MEMS技術，在同一硅片中刻蝕了一個多晶硅編碼微機械傳感器，集成精密的信號處理電路，可測靜態(tài)及動態(tài)加速度，輸出為周期的占空比調(diào)制(DCM)循環(huán)數(shù)字信號。測試范圍為-2～+2g,測試帶寬為0.01Hz～5kHz(外置單電容可調(diào))，60Hz帶寬下分辨率為5mg。

　　該傳感器可廣泛應用于慣性導航、地震監(jiān)測、車輛安全和電池供電設備的運動狀態(tài)測試等領域。

　　◆Maxim公司的DS18B20是一線式數(shù)字溫度傳感器。測量結果可選用9～12位串行數(shù)據(jù)輸出，測量范圍為-55～125℃，在-10～85℃測量準確度為±0.5℃。

　　◆光敏電阻5516是基于半導體光電效應工作的光導管，對光強感應靈敏度相當高。當受到一定波長范圍的光照時，其阻值(亮電阻)急劇減小，電流迅速增加，通過參考電阻分壓后進行A/D采樣即可獲得光敏電阻的阻值，進而換算出光照強度。

　　◆駐極體話筒HX034P是電容式微麥克風。輸入信號為聲音信號，輸出信號經(jīng)MAX4466構成的前置放大電路后進行電壓值A/D采樣，處理器的A/D采樣頻率可達200kHz,可捕獲到聲音信號。

　　結合使用上述幾種傳感器和敏感器件的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、加速度(震動)的準確測量與探測;光敏電阻有其自身的光譜特性和溫度特性，因此在實驗中不作精確標定;另外對聲音信號的捕獲和復現(xiàn)需要進行大量的數(shù)據(jù)處理，從能量利用和傳感器節(jié)點功能的精簡角度考慮，實驗中對聲光強弱的探測通過設定閾值來給出布爾型(0或1)輸出。