基于IEEE 802.15.4的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實現(xiàn)

基于IEEE802.15.4的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于廉價、簡單、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率（250Kbit/s）以及工作在免申請的ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療）頻段的特點[1]，將在自動控制、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)深入研究的基礎(chǔ)上，我們選用了Helicomm公司新推出的IP-link1200模塊搭建了一個驗證系統(tǒng)，實現(xiàn)了對目標(biāo)點溫度指標(biāo)與濕度指標(biāo)的實時監(jiān)測控制功能。

1 驗證系統(tǒng)總體方案設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用大量具有多功能多信息信號獲取能力的傳感器，利用自組織無線接入網(wǎng)絡(luò)與傳感器控制器連接，構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，典型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

無線傳感器節(jié)點經(jīng)多跳轉(zhuǎn)發(fā)，通過網(wǎng)關(guān)接入網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)管理節(jié)點對傳感器信息進(jìn)行管理、分類、處理，再把傳感器信息送給終端用戶[2]。

與傳統(tǒng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有一些明顯特征：

a）以數(shù)據(jù)為中心，以無連接方式傳輸數(shù)據(jù)；

b）網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化不大，主要是舊節(jié)點的離開和新節(jié)點的加入；

c）網(wǎng)絡(luò)結(jié)點密度高，傳感器節(jié)點數(shù)量眾多，單位面積擁有的節(jié)點數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)；

d）傳感器節(jié)點由電池供電，節(jié)點能量有限；

e）網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)該具有容錯能力[3]。

對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，IEEE802.15.4滿足OSI-RM（開放系統(tǒng)互連參考模型）標(biāo)準(zhǔn)，定義了MAC（媒體接入控制）層和PHY（物理）層協(xié)議]1]。Zigbee是全球許多家公司組成的一個產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，它定義了一組基于IEEE802.15.4的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，我們搭建的系統(tǒng)符合Zigbee聯(lián)盟的規(guī)定，而Zigbee的MAC層、物理層則符合IEEE802.15.4協(xié)議，由于該標(biāo)準(zhǔn)是開放的，基于該標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品不必支持專利費，有利于加快無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)進(jìn)程[4]。

對于該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)驗證系統(tǒng)的具體實現(xiàn)，可以由多種方案，有移動網(wǎng)、衛(wèi)星以及Internet等多種手段，此外還可以建立專網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)至管理中心、終端用戶。

針對本實驗驗證系統(tǒng)的實際應(yīng)用是農(nóng)業(yè)監(jiān)測控制，所以要考慮它的實際情況：一是建設(shè)的周期、資金；二是網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍；三是終端用戶獲取數(shù)據(jù)信息的便利性，根據(jù)這3個要素，選擇GSM（全球移動通信系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)較符合系統(tǒng)要求。

如圖2所示，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)驗證系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集和傳輸網(wǎng)絡(luò)（本地網(wǎng)絡(luò)）、GSM網(wǎng)絡(luò)、管理中心、用戶終端4部分組成，其中，用戶終端就是普通的手機(jī)，它和GSM網(wǎng)絡(luò)都是非常成熟的穩(wěn)定的平臺，因此驗證的主要研究工作在管理中心和本地網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計實現(xiàn)以及如何接入GSM網(wǎng)絡(luò)。

管理中心的硬件由一臺PC機(jī)和數(shù)個GSM模塊組成，考慮到網(wǎng)絡(luò)阻塞問題，管理中心采用多個GSM模塊，軟件部分由任務(wù)管理軟件和數(shù)據(jù)庫組成，系統(tǒng)支持Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

本地網(wǎng)絡(luò)由一個兼做接收器的目的節(jié)點負(fù)責(zé)本地網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)，并將采集的數(shù)據(jù)簡單處理后發(fā)給GSM網(wǎng)絡(luò)的管理中心，一個本地網(wǎng)絡(luò)中最多只能有255個傳感器節(jié)點，如果要安放更多的節(jié)點，可以通過增加本地忘了網(wǎng)絡(luò)的數(shù)目而達(dá)到目的。

實驗驗證系統(tǒng)實現(xiàn)的功能如下：用戶只需用普通的GSM手機(jī)向管理中心指定的號碼按照規(guī)定格式發(fā)送節(jié)點號、時間等數(shù)據(jù)請求信息，就會收到相應(yīng)節(jié)點在該時間點上對應(yīng)的溫濕度信息，例如，請求信息N112T05/09/01/20：30：00，表示節(jié)點號為112在2005年9月1日20時30分；返回信息為N112T05/09/01/20：30：00/W25S56表示112號節(jié)點在那一時刻的溫度是25攝氏度，相對濕度為65%，另外，在部分節(jié)點還加上了控制裝置，同樣，用戶也只需發(fā)短信，就能完成控制操作，還提供了Internet上的數(shù)據(jù)庫查詢服務(wù)，以便為用戶提供更多的信息。

傳感器采集數(shù)據(jù)的方式可以是定時采集，也可以是按用戶要求采集，數(shù)據(jù)的時間間隔、傳感器的節(jié)能等功能可以在管理中心進(jìn)行設(shè)定，采集到的數(shù)據(jù)存放到管理中心的數(shù)據(jù)庫中，供顯示、報表打印使用，并發(fā)布到Internet上以利于各種用戶共享數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計和實現(xiàn)

2.1 本地網(wǎng)絡(luò)

我們把在本地網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分為以下3種類型：

a）目的節(jié)點（接收器）：主要功能是匯總本地網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，并將它通過GSM網(wǎng)絡(luò)傳送給管理中心和用戶終端；

b）中繼節(jié)點：不但有數(shù)據(jù)采集、而且還具有控制功能（比如控制各種電機(jī)動作）；

c）源（普通）節(jié)點：具有實時采集溫度、濕度兩項指標(biāo)的功能。

目的接點如圖3所示，由IP-Link1200通信模塊、溫度傳感器、濕度傳感器、GSM模塊、單片機(jī)AT89C51，串口擴(kuò)展芯片SP2328、輔助接口電路以及電源模塊組成。
 

IP-Link1200通信模塊是由Helicomm公司開發(fā)的一款基于Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的集成無線網(wǎng)絡(luò)模塊，它支持多種組網(wǎng)方式（星形網(wǎng)絡(luò)、簇樹形網(wǎng)絡(luò)、對等網(wǎng)絡(luò)以及混合型網(wǎng)絡(luò)），有1個UART（通用異步收發(fā)器）口、2個可用的ADC（模/數(shù)轉(zhuǎn)換）口。

溫度傳感器和濕度傳感器（HM150LF）分別連接到ADC0、ADC1口。

GSM模塊選用WAVECOM公司生產(chǎn)的Q2403A，它支持900MHz和1800MHz兩個頻段，接口為RS232C，通過AT指令控制，符合GSM07.07命令集。RS-232接口經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，接入到串口擴(kuò)展芯片SP2328。

單片機(jī)AT89C51是主節(jié)點控制的核心部分，它通過串口擴(kuò)展芯片SP2328擴(kuò)展了3個串口UART0、UART1、UART2、分別與GSM模塊、IP-Link1200模塊以及控制電路相連，控制電路部分，其實只是一個接口轉(zhuǎn)換電路，它把UART2口傳送過來的數(shù)據(jù)送到標(biāo)準(zhǔn)RS-232串口與各種不同類型的控制器相連，控制信號的數(shù)據(jù)解碼任務(wù)由AT89C51完成。

目的節(jié)點除去GSM部分的功能，就成為中繼節(jié)點。而普通節(jié)點具有溫濕度數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通信功能，由IP-Link1200模塊、傳感器和電源3部分組成，值得強(qiáng)調(diào)的是普通節(jié)點必須為配置結(jié)點參數(shù)留有一個UART接口。

2.2 管理中心

在管理中心的一臺PC機(jī)通過它的3個RS-232接口與相應(yīng)的3個Q2403A模塊相連，多個GSM模塊的運(yùn)用可以避免網(wǎng)絡(luò)忙時造成阻塞。

3 軟件流程和實現(xiàn)

3.1 本地網(wǎng)絡(luò)的軟件

軟件部分由節(jié)點程序和遠(yuǎn)程管理中心程序兩部分組成。

節(jié)點程序主要流程圖如圖4所示。

設(shè)備初始化成功后對信道進(jìn)行掃描，這里加入了節(jié)能考慮，查詢次數(shù)大于M時，設(shè)備自動轉(zhuǎn)入休眠計時狀態(tài)，休眠時間大于Tmax后，又返回掃描狀態(tài)[5]。

節(jié)點程序的物理層、MAC層和網(wǎng)絡(luò)層部分運(yùn)行于IP-Link1200通信模塊中，而應(yīng)用層的程序則運(yùn)行在AT89C51中，主要功能是通過控制3個UART口完成溫濕度數(shù)據(jù)采集、與GSM網(wǎng)絡(luò)的通信和對控制器的操作[6]，它的一般幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.2 管理中心

在位于遠(yuǎn)程的管理中心，運(yùn)行于PC上的管理軟件用Visual C++6.0開發(fā)，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫查詢，該數(shù)據(jù)庫由微軟的Access 2002創(chuàng)建，當(dāng)需要查詢某一本地網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點的溫濕度指標(biāo)時，僅輸入對應(yīng)的節(jié)點號即可，界面如圖6所示，這時可以看到相應(yīng)節(jié)點的溫濕度參數(shù)以及數(shù)據(jù)采集時間，界面如圖7所示，通常，在不進(jìn)行手動采集時，設(shè)定一定的采集時間間隔，系統(tǒng)會自動采集并存儲數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本文介紹了用IP-Link1200模塊組建無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)的驗證系統(tǒng)，實現(xiàn)了實時的監(jiān)控功能，可以相信，不久的將來，由于協(xié)議的開放性和Zigbee聯(lián)盟的大力推動，基于IEEE802.15.4的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將在樓宇自控、環(huán)境監(jiān)測、PC外設(shè)等許多低速數(shù)據(jù)傳輸場合得到廣泛應(yīng)用[7]，并迅速形成產(chǎn)品。