依賴IEEE802.15.4的無線傳感器網絡在燈光控制中的應用
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無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取和處理技術，在現實生活中得到了越來越廣泛的應用。隨著通信技術、嵌入式技術、傳感器技術的發(fā)展，傳感器正逐漸向智能化、微型化、無線網絡化發(fā)展。目前，國內外主要研究無線傳感器網絡節(jié)點的低功耗硬件平臺設計、路南算法和拓撲控制、網絡協(xié)議、定位技術等。這個設計以檢測光線強度的傳感器為例，實現了一個無線傳感器網絡，根據傳感器所檢測的光線強弱來關閉或開啟指示燈。這種傳感器網絡綜合了嵌入式技術、傳感器技術、短程無線通信技術，有著廣泛的應用。該系統(tǒng)不需要對現場結構進行改動，不需要原先任何固定網絡的支持，能夠快速布置，方便調整，并且具有很好的可維護性和拓展性。
IEEE 802.15.4標準
IEEE 802.15.4標準適用于低速率、低功耗、低復雜度和短距離數據傳輸的無線個域網(WPAN)。在網絡內的無線傳輸過程中，采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問機制(CSMA／CA)，支持超幀結構和時槽保障機制(GTS)。網絡拓撲結構可以是星型網或點對點的對等網。該標準定義了3種數據傳輸頻率，分別為868MHz、915MHz、2.4GHz。前兩種傳輸頻率采取BPSK的調制方式，后一種采取0-0PSK的調制方式。各種頻率分別支持20 kbit／s，40kbit／s和 250 kbit／s的無線數據傳輸速率，傳輸距離在0m～70m之間。本義中采用的是頻率為2.4GHz的無線發(fā)射模塊。
無線傳感器網絡的實現
網絡平臺組建
無線傳感器網絡平臺由光強傳感器模塊、微處理器模塊、無線發(fā)射模塊三個部分組成，如圖1所示。微處理器模塊和無線發(fā)射模塊集成在一塊板子上，而光強傳感器模塊通過接口與微處理器相連，這樣可以通過更換不同的傳感器模塊來應用于各種場合。
光強傳感器模塊
由于各種不同的應用場合中需要采集的模擬量千籌萬刖，網絡平臺中傳感器模塊采用了擁有50針插針的通用接口。這樣可以通過更換不同的傳感器模塊子板來應用于各種場合。傳感器電路部分設計采用power。gating技術在無數據采集任務時降低功耗。
微處理器模塊
微處理器選用8位低功耗微控制器ATMEGA128，數據吞吐率很高，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。相對于其他通用的8位微處理器來說，它具有非常豐富的資源，具有片內128k字節(jié)的程序存儲器(Flash)，4k字節(jié)的數據存儲器(SRAM，可外擴到64k)和4k字節(jié)的EEPROM。它高速和大容量RAM的特性，為處理數據包提供了便利。
無線發(fā)射模塊
無線發(fā)射模塊采用的是Chipcon公司的CC2420芯片。CC2420是TI-Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4標準的射頻收發(fā)器。該芯片只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數超過了IEEE802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。
組網類型
在本文中，無線傳感器網絡采取星型拓撲結構，由一個網絡協(xié)調器作為中心節(jié)點，可以跟任何一個普通節(jié)點通信。普通節(jié)點上含有光強傳感器對周圍環(huán)境中的光信號強度參數進行測量、采樣，將采集到的數據發(fā)往中心節(jié)點，并且可以對中心節(jié)點發(fā)來的數據、命令進行分析處理，完成相應的操作。若兩個普通節(jié)點之間要傳送數據則必須經過中心節(jié)點，由中心節(jié)點把數據傳送到相應的節(jié)點上。
組網流程
無線傳感器網絡是一個自組織的網絡，如果一個全功能節(jié)點被激活，它就可能建立一個網絡并把自己沒為網絡協(xié)調器，其他的普通節(jié)點可以申請加入該網絡。這樣就可以建成一個具有星型拓撲結構的無線傳感器網絡。本文中的無線傳感器網絡支持超幀結構，網絡協(xié)調器經過能量掃描、主動信道掃描后，按照設定的參數周期性的發(fā)送信標幀。普通節(jié)點首先經過能量掃捕和被動信道掃描后，獲取信標幀中包含網絡特征的參數，如信標序號(beaconorder)、超幀序號(superframeorder)和網絡標號等。通過mlmeSyncRequest()函數(根據MLME-SYNC.request原語編寫)請求與網絡協(xié)調器同步，再通過mlmeAssociateRequest()函數(根據MLME-ASSOCIATE.request原語編寫)請求與網絡協(xié)涮器關聯。在與網絡協(xié)調器關聯的過程中，網絡協(xié)調器為每個請求關聯的普通節(jié)點分配16位的短地址。這樣在以后的數據傳送中就可以用短地址進行通信，提高通信效率、降低發(fā)射中的能量消耗，從而延長網絡的使用壽命。
數據傳輸機制
數據格式
在IEEE 802.15.4標準中定義了四種幀，分別是信標幀、數據幀、命令幀、確認幀。存燈光控制的無線傳感器網絡中，這四種幀都得到了應用。
(1) 信標幀：用以網絡協(xié)調器在支持超幀結構的第一個時槽向其臨近節(jié)點廣播信標，當附近的節(jié)點接受到信標幀后就可以申請加入該網絡。信標幀的結構如表1所示，在幀控制域中定義了幀的類型為信標幀。
由于本文中的無線傳感器網絡系統(tǒng)采用相對簡單的星型拓撲結構，在信標幀的結構上與IEEE802.15.4標準有所不同：在信標幀的地址域中儀包含源節(jié)點的網絡標號和短地址，不包含目的節(jié)點信息(因為采用廣播方式發(fā)送)。在信標幀中沒有GTS域，不支持時槽保障機制。
(2) 數據幀：用來傳送含有光強度信息的數據。數據幀的結構如表2所示，在幀控制域中定義了幀的類型為數據幀。
在地址域中包含源節(jié)點和目的節(jié)點的剛絡標號和短地址。由于數據幀的傳送方向有兩種：從普通節(jié)點傳向中心節(jié)點和從中心節(jié)點發(fā)送給普通節(jié)點。它們的數據負載域的長度不同，分別20字節(jié)和1字節(jié)。
(3) 命令幀：用于組建無線傳感器網絡、傳輸同步數據等。命令幀在格式上和其他類型的幀沒有太多的區(qū)別，其結構如表3所示。
在幀控制域中定義了幀的類型為命令幀，其地址域根據不同的命令存存兩種長度，命令幀的具體功能由幀的負載數據表示。負載數據是一個變長結構，所有命令幀負載的第一個字節(jié)是命令類型字節(jié)，后面的數據針對不同的命令類型有不同的含義。在本文所建立的無線傳感器網絡中，用到的命令類型有關聯請求(association request)、關聯響應(Association response)、數據請求(Data request)等。
(4) 確認幀：用以確認目標節(jié)點成功接收到數據幀或命令幀。當目標節(jié)點成功接收到數據幀或命令幀后，就發(fā)送一個確認幀給發(fā)送方。發(fā)送方接收到這個確認幀說明發(fā)送成功。若在規(guī)定的時間內沒有接收到確認幀，則重發(fā)該數據幀或命令幀。確認幀的結構如表4所示。
在幀控制域中定義了幀的類型為確認幀。確認幀的序列號要與被確認幀相同，并且負載長度為零。確認幀緊接著被確認幀發(fā)送，不需要使用CSMA-CA機制競爭信道。
傳輸流程
在整個無線傳感器網絡中，采取的是普通節(jié)點定時讀取其傳感器上的光強數據，并將光強數據發(fā)送給中心節(jié)點。中心節(jié)點對接受到的數據進行處理后傳送給相應的節(jié)點用以控制其上的指示燈。在中心節(jié)點上的數據處理流程如圖2所示。
首先，網絡絡協(xié)調器對接收到的數據幀進行檢驗，圖中的"節(jié)點判斷"是判斷是否為指定節(jié)點的傳感器數據。若接收的數據是指定節(jié)點上的數據，則將該數據與一個光強度閾值進行比較來設定控制變量(用來控制燈的開關狀態(tài))。反之，則不進行發(fā)送操作。然后，判斷帶有指示燈的節(jié)點是否加入網絡。若在網絡中找到帶有指示燈的節(jié)點，則中心節(jié)點將控制變量作為數據幀負載發(fā)送給它。反之，則不發(fā)送帶有控制變量的數據幀。
結束語
在我們設計的無線傳感器網絡中，普通節(jié)點將它采集的光強數據發(fā)送給網絡協(xié)調器，網絡協(xié)調器將含有控制變量的數據幀發(fā)送給帶有指示燈接點的同時，還可以通過串口將光強度數據傳送給計算機。通過安裝存計算機上的后臺軟件，可以看出光強度信號的變化。如圖3所示，通過遮蓋光強傳感器可以改變采集到的光強數據，當光強度比較低時曲線下降，反之曲線上升。從圖3中，可以明顯看出，在這一段時間中傳感器被遮蓋了兩次。
設計實現了無線傳感器網絡，從無線傳輸協(xié)議的制定、傳輸過程控制等幾個方面進行了論述。在實際運用中，只要對具體的傳感器進行更換，就可以適用于各種各樣的傳感器網絡。此系統(tǒng)適用于家庭、大廈內部環(huán)境質量的監(jiān)控及智能化處理。由于無線傳感器系統(tǒng)組網靈活，采用模塊化的設計，故具有很好的移植性和擴展性，隨著人們生活水平的提高，此系統(tǒng)在智能家電、家庭環(huán)境的智能調節(jié)上有著廣闊的前景。
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