無線傳感器在燈光控制中的應(yīng)用
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IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)
IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)適用于低速率、低功耗、低復(fù)雜度和短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線個域網(wǎng)(WPAN)。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)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(jī)制(CSMA／CA)，支持超幀結(jié)構(gòu)和時槽保障機(jī)制(GTS)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是星型網(wǎng)或點對點的對等網(wǎng)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了3種數(shù)據(jù)傳輸頻率，分別為868MHz、915MHz、2.4GHz。前兩種傳輸頻率采取BPSK的調(diào)制方式，后一種采取0-0PSK的調(diào)制方式。各種頻率分別支持20 kbit／s，40kbit／s和 250 kbit／s的無線數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)
網(wǎng)絡(luò)平臺組建
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺由光強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)用于各種場合。
光強(qiáng)傳感器模塊
由于各種不同的應(yīng)用場合中需要采集的模擬量千籌萬刖，網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用于各種場合。傳感器電路部分設(shè)計采用power。gating技術(shù)在無數(shù)據(jù)采集任務(wù)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(shù)據(jù)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(nèi)128k字節(jié)的程序存儲器(Flash)，4k字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器(SRAM，可外擴(kuò)到64k)和4k字節(jié)的EEPROM。它高速和大容量RAM的特性，為處理數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)超過了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。
組網(wǎng)類型
在本文中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采取星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)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(qiáng)傳感器對周圍環(huán)境中的光信號強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行測量、采樣，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)往中心節(jié)點，并且可以對中心節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)、命令進(jìn)行分析處理，完成相應(yīng)的操作。若兩個普通節(jié)點之間要傳送數(shù)據(jù)則必須經(jīng)過中心節(jié)點，由中心節(jié)點把數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的節(jié)點上。
組網(wǎng)流程
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個自組織的網(wǎng)絡(luò)，如果一個全功能節(jié)點被激活，它就可能建立一個網(wǎng)絡(luò)并把自己沒為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，其他的普通節(jié)點可以申請加入該網(wǎng)絡(luò)。這樣就可以建成一個具有星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本文中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支持超幀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器經(jīng)過能量掃描、主動信道掃描后，按照設(shè)定的參數(shù)周期性的發(fā)送信標(biāo)幀。普通節(jié)點首先經(jīng)過能量掃捕和被動信道掃描后，獲取信標(biāo)幀中包含網(wǎng)絡(luò)特征的參數(shù)，如信標(biāo)序號(beaconorder)、超幀序號(superframeorder)和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號等。通過mlmeSyncRequest()函數(shù)(根據(jù)MLME-SYNC.request原語編寫)請求與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器同步，再通過mlmeAssociateRequest()函數(shù)(根據(jù)MLME-ASSOCIATE.request原語編寫)請求與網(wǎng)絡(luò)協(xié)涮器關(guān)聯(lián)。在與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器關(guān)聯(lián)的過程中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為每個請求關(guān)聯(lián)的普通節(jié)點分配16位的短地址。這樣在以后的數(shù)據(jù)傳送中就可以用短地址進(jìn)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(wǎng)絡(luò)的使用壽命。
數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制
數(shù)據(jù)格式
在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中定義了四種幀，分別是信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀、命令幀、確認(rèn)幀。存燈光控制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，這四種幀都得到了應(yīng)用。
(1) 信標(biāo)幀：用以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在支持超幀結(jié)構(gòu)的第一個時槽向其臨近節(jié)點廣播信標(biāo)，當(dāng)附近的節(jié)點接受到信標(biāo)幀后就可以申請加入該網(wǎng)絡(luò)。信標(biāo)幀的結(jié)構(gòu)如表1所示，在幀控制域中定義了幀的類型為信標(biāo)幀。
由于本文中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用相對簡單的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在信標(biāo)幀的結(jié)構(gòu)上與IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)有所不同：在信標(biāo)幀的地址域中儀包含源節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)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(biāo)幀中沒有GTS域，不支持時槽保障機(jī)制。
(2) 數(shù)據(jù)幀：用來傳送含有光強(qiáng)度信息的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)如表2所示，在幀控制域中定義了幀的類型為數(shù)據(jù)幀。
在地址域中包含源節(jié)點和目的節(jié)點的剛絡(luò)標(biāo)號和短地址。由于數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)負(fù)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(wǎng)絡(luò)、傳輸同步數(shù)據(jù)等。命令幀在格式上和其他類型的幀沒有太多的區(qū)別。
在幀控制域中定義了幀的類型為命令幀，其地址域根據(jù)不同的命令存存兩種長度，命令幀的具體功能由幀的負(fù)載數(shù)據(jù)表示。負(fù)載數(shù)據(jù)是一個變長結(jié)構(gòu)，所有命令幀負(fù)載的第一個字節(jié)是命令類型字節(jié)，后面的數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)中，用到的命令類型有關(guān)聯(lián)請求(association request)、關(guān)聯(lián)響應(yīng)(Association response)、數(shù)據(jù)請求(Data request)等。
(4) 確認(rèn)幀：用以確認(rèn)目標(biāo)節(jié)點成功接收到數(shù)據(jù)幀或命令幀。當(dāng)目標(biāo)節(jié)點成功接收到數(shù)據(jù)幀或命令幀后，就發(fā)送一個確認(rèn)幀給發(fā)送方。發(fā)送方接收到這個確認(rèn)幀說明發(fā)送成功。若在規(guī)定的時間內(nèi)沒有接收到確認(rèn)幀，則重發(fā)該數(shù)據(jù)幀或命令幀。
在幀控制域中定義了幀的類型為確認(rèn)幀。確認(rèn)幀的序列號要與被確認(rèn)幀相同，并且負(fù)載長度為零。確認(rèn)幀緊接著被確認(rèn)幀發(fā)送，不需要使用CSMA-CA機(jī)制競爭信道。
傳輸流程
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