無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計思路

　　一、無線傳感器網(wǎng)絡技術應用廣泛，百花齊放

　　無線傳感器和傳感器網(wǎng)絡，是具有非常廣泛的市場前景，將會給人類的生活和生產(chǎn)的各個領域帶來深遠影響的新技術。美國的《技術評論》雜志在論述未來新興十大技術時，更是將無線傳感器網(wǎng)絡列為第一項未來新興技術，《商業(yè)周刊》 預測的未來四大新技術中，無線傳感器網(wǎng)絡也列入其中。

　　無線傳感器網(wǎng)絡有著十分廣泛的應用前景，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療，數(shù)字家庭，綠色節(jié)能，智慧交通等傳統(tǒng)和新興領域有具有巨大的運用價值，無線傳感器網(wǎng)絡將無處不在，將完全融入我們的生活。圖一是無線傳感器應用示意。

　　由于無線傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡巨大的市場和應用前景，所以目前全世界許多公司都推出了各自的無線傳感器網(wǎng)絡。這些技術百花齊放，各有千秋，但是這些技術之間，幾乎不能相互兼容和互通。

　　目前正在開發(fā)中的各種無線傳感器技術，從這個圖我們可以看到，不同的無線傳感器網(wǎng)絡，最終都是希望實現(xiàn)和互聯(lián)網(wǎng)的通訊，這可能是這些傳感器網(wǎng)絡最終交匯的通道。

　　二、如何選擇合適的無線傳感器技術

　　無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的基本架構包括三部分，第一部分是無線收發(fā)芯片，其職責是將數(shù)字信息轉換為高頻無線信號傳送出去和將接收到的高頻無線信號恢復成數(shù)字信息。無線傳感器收發(fā)芯片而言，IEEE 802.15.4能為無線傳感器應用提供最佳方案，這是因為IEEE 802.15.4規(guī)范可能是主要且可能唯一的實用標準。目前全球有多家公司提供這方面的收發(fā)芯片。像TI公司的CC2420/CC2520等芯片都特別適用于鈕扣電池和低電能應用的低功耗特性。

　　實現(xiàn)一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點和路由器，可以采用多芯片方案，如圖3所示，由一個無線收發(fā)芯片和一個微控制器(單片機)組成，微處理器可以采用低功耗的MSP430，無線芯片可以采用CC2520/CC2420等。

　　隨著技術不斷發(fā)展，已經(jīng)有越來越多的公司，將無線收發(fā)器芯片和微控制器和無線收發(fā)器做成了一個片上系統(tǒng)(SoC)，例如TI公司采用8051內(nèi)核的CC2430/CC2431等ZigBee無線單片機，隨著無線傳感器網(wǎng)絡對計算能力提高要求，最近Freescale公司也推出了ARM內(nèi)核的32位ZigBee無線單片機。使用這些SoC無線單片機設計無線傳感器網(wǎng)絡，將使無線傳感器節(jié)點具有更小的體積，更低的功耗和更低的價格；TI公司在國內(nèi)的技術合作伙伴無線龍科技公司等，也同時提供這些芯片，開發(fā)工具的相關技術支持。

　　無線傳感器網(wǎng)絡構架第二部分是運行于單片機或者無線單片機內(nèi)部的嵌入式軟件，也稱軟件協(xié)議棧(network stack)，網(wǎng)絡堆棧有兩個職責。首先它必須要處理節(jié)點間的無線鏈接通信質(zhì)量的頻繁變化和環(huán)境因數(shù)對無線通訊造成的干擾，具有對網(wǎng)絡自組織，自恢復的能力；網(wǎng)絡堆棧的第二個職能是要具有很強的路由算法能力，確保信息可靠高效地通過各種網(wǎng)絡拓撲(星狀/網(wǎng)狀等等)從源節(jié)點(如果現(xiàn)有，可以通過成百上千路由節(jié)點)發(fā)送到目標節(jié)點。確保通訊的實時性要求。

　　ZigBee聯(lián)盟是由眾多技術供應商和開發(fā)商組成的獨立標準組織。也是目前世界是最大的，基于IEEE 802.15.4平臺的網(wǎng)絡軟件協(xié)議棧標準提供聯(lián)盟。

　　該組織從ZigBee2004、ZigBee2006、ZigBee2007不斷發(fā)展，目前提供的兩個網(wǎng)絡棧是：ZigBee和ZigBee PRO。從使用角度看ZigBee堆棧很適合一般包含十到幾百個節(jié)點的小型網(wǎng)絡。而ZigBee PRO是ZigBee超集，它增加了一些功能，可對網(wǎng)絡進行擴展并更好地應對來自其他技術的無線干擾，而且可以適應更大型的網(wǎng)絡和具有更加可靠的路由通訊算法和無線通訊可靠性。

　　無線傳感器網(wǎng)絡構架第三部分應用軟件，這部分包括各種根據(jù)用戶現(xiàn)有開發(fā)的軟件代碼，這些代碼目前大部分是采用C語言來進行開發(fā)，可以之間以接口和API方式，調(diào)用軟件協(xié)議棧的功能。

　　在多種無線傳感器網(wǎng)絡技術中，我們認為采用802.15.4國際標準和ZigBee技術，作為我們設計無線傳感器系統(tǒng)的起步，有如下優(yōu)點：

　　兼容一個全球化的可靠的國際標準。

　　可以通過TI、 Freescale這樣的大型芯片供應商。獲得穩(wěn)定的無線收發(fā)芯片和無線單片機來源，也可以獲得免費的ZigBee協(xié)議棧和相關源代碼，降低開放門檻。

　　能夠采用KEIL和IAR這樣的高性能軟件編譯調(diào)試環(huán)境，可以大大加快開放速度，縮短上市周期。

　　一、無線傳感器網(wǎng)絡技術應用廣泛，百花齊放

　　無線傳感器和傳感器網(wǎng)絡，是具有非常廣泛的市場前景，將會給人類的生活和生產(chǎn)的各個領域帶來深遠影響的新技術。美國的《技術評論》雜志在論述未來新興十大技術時，更是將無線傳感器網(wǎng)絡列為第一項未來新興技術，《商業(yè)周刊》 預測的未來四大新技術中，無線傳感器網(wǎng)絡也列入其中。

　　無線傳感器網(wǎng)絡有著十分廣泛的應用前景，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療，數(shù)字家庭，綠色節(jié)能，智慧交通等傳統(tǒng)和新興領域有具有巨大的運用價值，無線傳感器網(wǎng)絡將無處不在，將完全融入我們的生活。圖一是無線傳感器應用示意。

　　由于無線傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡巨大的市場和應用前景，所以目前全世界許多公司都推出了各自的無線傳感器網(wǎng)絡。這些技術百花齊放，各有千秋，但是這些技術之間，幾乎不能相互兼容和互通。

　　目前正在開發(fā)中的各種無線傳感器技術，從這個圖我們可以看到，不同的無線傳感器網(wǎng)絡，最終都是希望實現(xiàn)和互聯(lián)網(wǎng)的通訊，這可能是這些傳感器網(wǎng)絡最終交匯的通道。

　　二、如何選擇合適的無線傳感器技術

　　無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的基本架構包括三部分，第一部分是無線收發(fā)芯片，其職責是將數(shù)字信息轉換為高頻無線信號傳送出去和將接收到的高頻無線信號恢復成數(shù)字信息。無線傳感器收發(fā)芯片而言，IEEE 802.15.4能為無線傳感器應用提供最佳方案，這是因為IEEE 802.15.4規(guī)范可能是主要且可能唯一的實用標準。目前全球有多家公司提供這方面的收發(fā)芯片。像TI公司的CC2420/CC2520等芯片都特別適用于鈕扣電池和低電能應用的低功耗特性。

　　實現(xiàn)一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點和路由器，可以采用多芯片方案，如圖3所示，由一個無線收發(fā)芯片和一個微控制器(單片機)組成，微處理器可以采用低功耗的MSP430，無線芯片可以采用CC2520/CC2420等。

　　隨著技術不斷發(fā)展，已經(jīng)有越來越多的公司，將無線收發(fā)器芯片和微控制器和無線收發(fā)器做成了一個片上系統(tǒng)(SoC)，例如TI公司采用8051內(nèi)核的CC2430/CC2431等ZigBee無線單片機，隨著無線傳感器網(wǎng)絡對計算能力提高要求，最近Freescale公司也推出了ARM內(nèi)核的32位ZigBee無線單片機。使用這些SoC無線單片機設計無線傳感器網(wǎng)絡，將使無線傳感器節(jié)點具有更小的體積，更低的功耗和更低的價格；TI公司在國內(nèi)的技術合作伙伴無線龍科技公司等，也同時提供這些芯片，開發(fā)工具的相關技術支持。

　　無線傳感器網(wǎng)絡構架第二部分是運行于單片機或者無線單片機內(nèi)部的嵌入式軟件，也稱軟件協(xié)議棧(network stack)，網(wǎng)絡堆棧有兩個職責。首先它必須要處理節(jié)點間的無線鏈接通信質(zhì)量的頻繁變化和環(huán)境因數(shù)對無線通訊造成的干擾，具有對網(wǎng)絡自組織，自恢復的能力；網(wǎng)絡堆棧的第二個職能是要具有很強的路由算法能力，確保信息可靠高效地通過各種網(wǎng)絡拓撲(星狀/網(wǎng)狀等等)從源節(jié)點(如果現(xiàn)有，可以通過成百上千路由節(jié)點)發(fā)送到目標節(jié)點。確保通訊的實時性要求。

　　ZigBee聯(lián)盟是由眾多技術供應商和開發(fā)商組成的獨立標準組織。也是目前世界是最大的，基于IEEE 802.15.4平臺的網(wǎng)絡軟件協(xié)議棧標準提供聯(lián)盟。

　　該組織從ZigBee2004、ZigBee2006、ZigBee2007不斷發(fā)展，目前提供的兩個網(wǎng)絡棧是：ZigBee和ZigBee PRO。從使用角度看ZigBee堆棧很適合一般包含十到幾百個節(jié)點的小型網(wǎng)絡。而ZigBee PRO是ZigBee超集，它增加了一些功能，可對網(wǎng)絡進行擴展并更好地應對來自其他技術的無線干擾，而且可以適應更大型的網(wǎng)絡和具有更加可靠的路由通訊算法和無線通訊可靠性。

　　無線傳感器網(wǎng)絡構架第三部分應用軟件，這部分包括各種根據(jù)用戶現(xiàn)有開發(fā)的軟件代碼，這些代碼目前大部分是采用C語言來進行開發(fā)，可以之間以接口和API方式，調(diào)用軟件協(xié)議棧的功能。

　　在多種無線傳感器網(wǎng)絡技術中，我們認為采用802.15.4國際標準和ZigBee技術，作為我們設計無線傳感器系統(tǒng)的起步，有如下優(yōu)點：

　　兼容一個全球化的可靠的國際標準。

　　可以通過TI、 Freescale這樣的大型芯片供應商。獲得穩(wěn)定的無線收發(fā)芯片和無線單片機來源，也可以獲得免費的ZigBee協(xié)議棧和相關源代碼，降低開放門檻。

　　能夠采用KEIL和IAR這樣的高性能軟件編譯調(diào)試環(huán)境，可以大大加快開放速度，縮短上市周期。

　　三、開始無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)設計準備些什么？

首先我們現(xiàn)需要進行一些知識準備，對無線傳感器網(wǎng)絡需要的技術和知識，進行準備，雖然可能我們已經(jīng)熟悉單片機和相關軟件開發(fā)技術，但是無線收發(fā)器和無線SoC(無線單片機)還是有獨特的地方，而且IEEE802.15.4和ZigBee協(xié)議棧等，也是具有一定難度的知識領域；好在目前在無線傳感器網(wǎng)絡和無線單片機方面，已經(jīng)有大量的技術書籍可供參考，圖四是一些無線傳感器相關技術書籍，對入門無線傳感器網(wǎng)絡可能開卷有益。

　　其次我們?nèi)匀恍枰惶兹菀资褂玫臒o線傳感器網(wǎng)絡(WSN)開發(fā)系統(tǒng)，這是因為：

我們需要一套完整的軟件編譯開發(fā)平臺，包括IAR和KEIL的編譯調(diào)試環(huán)境，在線仿真器等必要的開發(fā)工具。

我們進入無線傳感器系統(tǒng)設計的難度重心，是盡快掌握無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧軟件使用，同時盡快進入相關應用軟件開發(fā)，所以我們需要一套已經(jīng)完成高頻測試的無線節(jié)點，網(wǎng)關，路由器和無線模塊來進行硬件評估和運行我們的嵌入式應用軟件和協(xié)議棧軟件。

我們需要相關溫度，壓力，加速度，光線，濕度等傳感器接口到這個系統(tǒng)，方便我們系統(tǒng)設計。

我們在進入一個陌生的技術領域時，往往會有很多的困難，我們需要相應的技術支持和知識支持。

目前很多國內(nèi)企業(yè)，都已經(jīng)推出了各種無線傳感器網(wǎng)絡開發(fā)工具，圖五是國內(nèi)企業(yè)成都無線龍通訊科技公司的一種最新的，支持美國德州儀器TI CC2520無線收發(fā)器和TI的ZigBee2007/PRO協(xié)議棧無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)開發(fā)系統(tǒng)的新產(chǎn)品，包括在線仿真器，PC GUI網(wǎng)絡監(jiān)視控制軟件，相關源代碼無線傳感器網(wǎng)絡示范代碼包裝等，是快速進入無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)設計的可選擇國產(chǎn)工具之一。

　　四、設計無線傳感器系統(tǒng)具體過程

當我們完成了上述的知識準備和相關開發(fā)工具準備后，我們就可以開始一個無線傳感器設計過程了，下面，我們以一個家庭節(jié)能無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)為實例，看看一個無線傳感器網(wǎng)絡的實際過程。家庭節(jié)能系統(tǒng)框圖如圖六所示。

家庭中的電器，包括空調(diào)，洗衣機，冰箱等，構成一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡，通過能源管理網(wǎng)關和安裝在戶外的無線轉發(fā)路由器，實時傳輸?shù)侥茉垂倦娔X化管理網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對家庭能源的管理。

設計任務包括設計嵌入到家電內(nèi)部的無線傳感器網(wǎng)絡單元(無線節(jié)點)，家庭無線顯示單元和家庭能源控制單元(無線節(jié)點或者無線路由器)，能源管理網(wǎng)關(無線網(wǎng)關)等。

首先，我們采用無線龍WSN無線傳感器開發(fā)系統(tǒng)平臺提供的多個無線SoC模塊(內(nèi)含CC2430等無線單片機)，下載TI ZigBee協(xié)議棧和聰明能源相關代碼，進行無線通訊效果，可靠性評估，該軟件包是有TI公司免費提供(經(jīng)過無線龍工程師的實際測試和評估)，可以免費用于技術開發(fā)，圖7是軟件結構。

使用強大的KEIL和IAR編譯開發(fā)環(huán)境，在線仿真器等調(diào)試工具，完全開源的ZigBee協(xié)議棧軟件，應該可以很快完成無線節(jié)點和路由器，網(wǎng)關的性能評估，通訊可靠性評估和ZigBee無線通訊代碼開發(fā)。

然后我們可以仍然直接使用這些無線SoC的模塊，添加我們的應用設計，例如LED和LCD顯示部分，可以顯示實時的電費是多少，家里有沒有能源浪費等。同時設計相關我們需要的控制電路，如開關控制，電機控制，以在需要時，對空調(diào)器等電器，進行節(jié)能控制。

由于在無線龍?zhí)峁┑拈_發(fā)工具中，有一套網(wǎng)絡協(xié)議分析監(jiān)視儀，我們可以在測試過程中，清楚的監(jiān)視到各種在空氣中的傳輸?shù)臒o線包裝內(nèi)容，從而很快確定我們的無線通訊軟件代碼是否正確。

由于使用現(xiàn)成的高頻模塊，我們避免了在入門時涉及高頻技術的困難，而是將主要精力集中到最主要的方向，我們的應用代碼和我們的應用需要的硬件設計，這樣就大大加快了系統(tǒng)產(chǎn)品化的進度；對于客戶訂單中，產(chǎn)品最后使用的無線模塊，我們可以容易的找到OEM專業(yè)廠家來生產(chǎn)完成。如果一切順利，3－4個星期，這個ZigBee家庭節(jié)能系統(tǒng)，有希望完成。