具有自適應(yīng)通信能力的無線傳感網(wǎng)節(jié)點設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是由大量無處不在的、具有通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點密集布設(shè)在無人值守的監(jiān)控區(qū)域而構(gòu)成的能夠根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的智能自治測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于航天、航空、國防、電力、能源、環(huán)境、醫(yī)療、災(zāi)難預警、空間探索等領(lǐng)域。2003年，MIT技術(shù)評論在預測未來技術(shù)發(fā)展的報告中，將其列為改變世界的十大新技術(shù)之一。一般情況下，WSN節(jié)點采用隨機散布的方式，且存在著功耗受限、通信能力受限、計算能力受限、存儲能力受限等問題，因此對設(shè)計提出了較高要求。
　　WSN的應(yīng)用環(huán)境多樣，存在所接前端探測器不相同、布設(shè)環(huán)境不一樣的可能。特別在隨機布設(shè)時，各個節(jié)點所處的位置及相隔的距離無法預先確定。探測器的不同及對數(shù)據(jù)處理方式不同，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量可能不同。同時，布設(shè)的環(huán)境可能為城區(qū)、郊區(qū)、山地等不同環(huán)境。要在多變的傳輸需求和環(huán)境下實現(xiàn)良好的通信，傳感網(wǎng)節(jié)點必須具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，即可以通過調(diào)整自身的通信參數(shù)滿足不同傳輸要求。因此需要WSN節(jié)點具有相當?shù)撵`活性。
　　目前在WSN節(jié)點的設(shè)計上，大多將信息處理模塊與通信模塊隔離開來，分別采用不同的硬件進行處理，通信模塊基本采用現(xiàn)有成熟產(chǎn)品。這樣設(shè)計的系統(tǒng)，缺乏整體考慮，難以在體積功耗上進行最小化的設(shè)計，且由于通信模塊固定，不能同時適應(yīng)具有不同傳輸數(shù)據(jù)量、不同傳輸速率和不同誤碼率要求的系統(tǒng)。而這些條件是WSN中是應(yīng)滿足的常見要求。
本文給出基于整體性能優(yōu)化、具有相當靈活性、能夠滿足自適應(yīng)通信要求的WSN節(jié)點實現(xiàn)方案，并就能耗與通信的適應(yīng)性進行分析。
1 工作環(huán)境與通信體制
　　在考慮傳感器節(jié)點的通信方式前，需要首先考慮傳感器的布設(shè)環(huán)境。傳感器節(jié)點間一般通過無線方式進行信息交互；傳感器節(jié)點的布設(shè)環(huán)境多為近地環(huán)境，直達的視距信號較少，多為衍射或折射后到達的信號，存在較多的多徑干擾；傳感網(wǎng)的布設(shè)具有不定性，節(jié)點間距離不一定相等；傳感器節(jié)點間的信息交互量較少。同時，由于傳感器節(jié)點大規(guī)模散布，需要減少對其他系統(tǒng)的干擾并提高自身抗干擾能力，并具備信息安全保密功能。
　　由于直達的視距信號較少，需要采用能有效利用多徑方式實現(xiàn)通信。擴頻通信體制能很好地適應(yīng)多徑傳輸環(huán)境，且可通過擴頻增益的更改調(diào)整自身通信靈敏度，在距離近時能提高傳輸速率減小信息碰撞，在距離遠時能通過有效提高靈敏度的方式來實現(xiàn)和其他節(jié)點的通信及自適應(yīng)通信，同時考慮到信息保密安全的問題，采用直接序列擴頻通信體制作為WSN的主要通信方式。由于信息交互量較小，且系統(tǒng)無中心節(jié)點，所以適合采用異步通信體制。
　　由于WSN的應(yīng)用環(huán)境不定，電磁環(huán)境中可能存在固定頻點干擾，因此設(shè)計的系統(tǒng)要求能在多個頻點上跳轉(zhuǎn)工作，對存在干擾的頻點可實現(xiàn)干擾避免。
　　系統(tǒng)采用擴頻通信方式時，發(fā)射信號為：

　　S(t)=N(t)D1(T)cos(2πft)+N(t)D2(T)sin(2πft)　　　　(1)

　　其中：N(t)為偽隨機碼，D1(T)和D2(T)為待傳送數(shù)據(jù)，cos(2πft)和sin(2πft)為調(diào)制載波信號。t為時間單元，T為碼元持續(xù)時間，f為載波頻率。
　　為滿足自適應(yīng)通信需求，在系統(tǒng)設(shè)計中，要求T和f可調(diào)。
　　當T=Mt時，擴頻增益為A=10log10M；當T=t時，擴頻增益為0，此時數(shù)據(jù)傳輸速率最高；當T=13t時，擴頻增益為11.1394dB，當T=1023t時，擴頻增益為30.1030dB。
　　設(shè)在T=t時系統(tǒng)靈敏度為SNR=-SdB，則當T=Mt時，系統(tǒng)靈敏度為SNR=-(S+A)dB。
　　f的變化帶來傳播損耗的變化，頻率越低，傳播損耗越小，繞射性越好。當需要進行遠距離傳輸或和接收端無法建立聯(lián)系時，可以將發(fā)射頻率降到最小。
2 系統(tǒng)設(shè)計
　　在進行系統(tǒng)設(shè)計時充分考慮到系統(tǒng)的硬件體積功耗，實現(xiàn)硬件功能軟件化及復用，同時盡量降低設(shè)計復雜度。本設(shè)計中的WSN節(jié)點可實現(xiàn)傳感探測信息處理、協(xié)議控制、處理后的信息發(fā)送及接收等功能，其硬件平臺組成如圖1所示。該硬件平臺采用DSP作為主要的信息處理平臺及系統(tǒng)運作控制器，DSP軟件存儲于FLASH中(包括協(xié)議控制模塊、信息處理模塊和通信處理模塊等)，通過DSP啟動相應(yīng)的硬件電路及調(diào)用不同的軟件模塊來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。