基于嵌入式網絡的無線傳感器網絡平臺軟硬件實現

　　隨著技術的發展，基于分布式、無線傳感器網絡的應用也越來越多。本文提出了一個基于嵌入式系統的無線傳感器網絡實驗平臺，該實驗平臺在無線傳感器網絡的算法和協議驗證方面具有良好的應用前景。

　　集成電路、微機電系統以及通信理論的發展促使了無線傳感器網絡的出現。這種無線傳感器網絡是由很多自給供電的傳感器節點組成的。每個傳感器節點都可以進行周圍環境數據的采集、簡單計算以及與其它節點及外界進行通信。傳感器網絡的多節點特性使得眾多的傳感器可以通過協同工作進行高質量的傳感，以及組成一個容錯性好的的采集系統。正是由于這些優點，近年來出現了許多基于分布式的無線傳感器網絡應用，如搶險救災、智能家居以及生物化學武器攻擊的探測和救援。然而，作為一種新興出現的技術，建立一個運轉良好、魯棒性好的無線傳感器網絡還是面臨著許多挑戰。而且由于它的一些*特性，無線傳感器網絡的設計方法與現有無線網絡的設計方法有很大不同。例如，由于傳感器網絡中的傳感器節點分布密集，所以需要大范圍的數據管理和處理技術。其次，無線傳感器網絡節點一般部署在人類難以到達和接觸的區域，這就使傳感器網絡節點的維護面臨著很大的挑戰。除此之外，電源消耗也是一個很重要的問題，無線傳感器節點作為微小器件，只能配備有限的電源，在有些應用場合下，更換電源是近乎不可能的。這使得傳感器節點的壽命在很大程度上依賴于電池的壽命，所以降低功耗以延長系統的壽命是無線傳感器網絡設計需要首要考慮的問題。許多無線傳感器網絡方面的研究人員都在注重研究新的節約功耗的協議和算法，這些協議和算法需要傳感器網絡平臺進行實驗和驗證。在本文中，我們就將介紹一種對協議和算法進行實驗和驗證的無線傳感器網絡平臺。

　　無線傳感器網絡平臺架構

　　一般來說，一個無線傳感器網絡包括傳感器節點以及傳感器網絡網關節點，如圖1所示。網關節點用于組合從各個傳感器節點得到的數據以及負責與外界的通信，該節點基于嵌入式系統。

　　傳感器節點首先采集諸如聲、光和距離等環境相關的數據，并對這些數據進行簡單處理后傳送到網關節點。無線傳感器網絡通常具有兩種應用模式：主動輪詢模式、被動模式。主動模式要求網關節點對各個傳感器節點進行主動的輪詢以獲得消息，而被動模式則要求在某個傳感器節點事件發生時，網關節點能作出及時的響應。各個傳感器節點得到的數據還能進行組合，這也很大地提高了傳感器網絡的效率。當然這也要求傳感器節點要具有一定的計算能力。

　　系統硬件實現

在本文介紹的系統架構中，主要需要實現的是傳感器節點和網關的硬件平臺，下面介紹這兩個平臺的硬件實現。

　　1. 傳感器節點的硬件實現

　　傳感器節點的功能是采集人們感興趣的數據，并將數據發送給各個傳感器節點組的網關。傳感器節點主要由電源模塊、計算模塊、存儲單元、通信模塊和傳感單元組成，如圖2所示。

　　傳感器節點的計算單元的功能已經在上節中介紹過，在我們的系統中采用了TI 公司的16位微控制器MSP430F149。MSP430具有豐富的片上存儲資源，在5 MHz的工作頻率下，MSP430的功耗大約為1.5mW，而且該微控制器還有多種省電模式可供選擇。除了豐富的片上存儲資源和多種省電模式以外，MSP430還具有多個AD接口和I/O數據線，使之很容易用軟件編程，這些接口還可以用作與傳感單元的接口。

　　傳感器節點的通信模塊的功能是由nRF903 射頻收發器來實現。該收發器所具有的低功耗和小尺寸使之非常適合用于無線傳感器網絡系統中，該收發器可以工作在433MHz、868MHz、915MHz等公共頻段中。射頻模塊通過串口與MSP430通信。nRF903還可以根據輸入電流來決定傳輸功率，這一特性使之具有以下優點：

　　a. 可以使一個節點自動調整通信的相鄰節點的個數，從而使得整個網絡的規?？烧{。

　　b. 可以使一個節點在與相對較近的節點通信時，使用較少的能量。

　　c. 可以被輔助用來進行無線信道的沖突檢測。

　　d. 可以用來確定一個節點在網絡中的相對位置。

　　每個傳感器節點采用AA電池供電。

　　2. 網關的硬件實現

　　網關的硬件部分主要由中央處理單元、存儲單元、射頻收發模塊和GPRS通信模塊組成，如圖3所示。

　　網關的中央處理單元主要用來處理從傳感器節點采集到的數據以及完成一些控制功能。中央處理單元的主要器件是Atmel 公司的AT91RM9200 微處理器，AT91RM9200是基于ARM920T 指令集的ARM處理器。該處理器具有豐富的外設以及接口，這使得它在低成本、低功耗的條件下能完成一些功能豐富的應用。AT91RM9200處理器集成了許多外設接口，包括USB2.0接口和以太網接口。此外，該處理器還提供了多個符合工業標準的通信接口，包括音頻、電信、閃存卡、紅外、智能卡接口等。

　　為了將采集到的數據傳輸到互聯網上，網關設備還配有GPRS通信單元，GPRS通信單元主要是由 索尼-愛立信公司的GM47模塊組成，該模塊通過中國移動現成的GPRS網絡將傳感器采集到的數據傳輸的互聯網上，用戶可以通過普通PC和GPRS手機終端來觀測傳感器采集到的數據。網關同時還配有與傳感器節點相同的RF收發模塊，用于接受傳感器節點發送的數據。

　　系統的軟件結構

　　在我們的無線傳感器網絡系統中，軟件部分主要是在網關和傳感器節點上。網關端的軟件主要完成的功能是處理和管理傳感器節點傳輸過來的數據，它主要由GPRS通信軟件、RF通信軟件、命令行軟件以及任務管理軟件組成，如圖4所示。

　　考慮到各種需求，我們采用開源的操作系統－Linux。Linux是一個網絡化的操作系統環境，特別適用于網絡應用。Linux具有完整的TCP/IP協議棧，同時支持其它多種網絡協議，如PPP協議棧，使其很容易實現GPRS撥號的功能。由于Linux的開源特性，用戶很容易在其基礎上開發自己的應用程序。

　　傳感器節點上的軟件主要利用匯編和C語言開發，主要完成的功能是接受傳感單元的數據，并將數據發送到傳感器節點組的網關上。

　　本文小結

　　本文介紹了一個用于嵌入式系統的無線傳感器網絡演示系統，整個系統建立在嵌入式Linux和ARM處理器的基礎上，具有低功耗，軟件易開發等優點。

　　隨著社會和科學技術的日益發展，無線傳感器網絡將得到日益廣泛的應用。目前無線傳感器網絡在能源、節點規模方面還有不足，隨著這些問題的解決，無線傳感器網絡在環境監測、智能建筑以及軍事等領域必然會得到越來與廣泛的應用。