無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的測(cè)試

黃繼承

中圖分類號(hào)：TN

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-0992(2009)03-0069-02

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，并且傳感器無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被越來越多的人關(guān)注和研究，本文主要介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的測(cè)試。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)測(cè)試

隨著低功耗無線電通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和微型傳感器等技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，使得大量的低成本的微型傳感器通過無線鏈路自組織成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實(shí)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。作為一種獨(dú)立出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本組成單位是節(jié)點(diǎn)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)具有數(shù)量大、體積小、成本低等顯著特點(diǎn)。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種分布式自組織網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用范圍十分廣泛。現(xiàn)階段在國(guó)防軍事、國(guó)家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐抗災(zāi)等領(lǐng)域有著突出的作用。

一、無線傳盛器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通常是由傳感器、A/D轉(zhuǎn)換裝置、微處理器、無線接口和電源等多個(gè)功能模塊組合而成的。本實(shí)驗(yàn)測(cè)試的單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)包含有四層，每一層都完成節(jié)點(diǎn)中的一項(xiàng)具體的功能。這四層是信號(hào)處理層。通訊層，電源層以及傳感器層。

從中可以看出，模塊化的最大特點(diǎn)是其根據(jù)不同的需求來更換節(jié)點(diǎn)中的某一層，即便是需要重新設(shè)計(jì)時(shí)所投入的精力也較小。模塊化減小了重新設(shè)計(jì)的需要。因?yàn)槟K化設(shè)計(jì)不需要每一步都從草圖開始，這樣就節(jié)省了成本和設(shè)計(jì)時(shí)間。

(一)信號(hào)處理層

該層實(shí)現(xiàn)對(duì)智能傳感器的信號(hào)處理功能。在這層。從傳感器獲得的信號(hào)被轉(zhuǎn)化成適當(dāng)?shù)臄?shù)字信號(hào)。此外，與其他傳感器節(jié)點(diǎn)的通訊控制也在該層實(shí)現(xiàn)。搜尋臨近節(jié)點(diǎn)、開啟和斷開無線連接，藍(lán)牙模塊控制，以及所有跟網(wǎng)絡(luò)控制相關(guān)的任務(wù)管理工作也在這一層實(shí)現(xiàn)。

同時(shí)，節(jié)電模式的控制也在該層實(shí)現(xiàn)。節(jié)電功能對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說是非常重要的一環(huán)。因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)要求在無人維護(hù)的情況下盡可能長(zhǎng)時(shí)間的工作。處理層的結(jié)構(gòu)可以有以下三種選擇。

(二)傳感器層

這一層是傳感器與環(huán)境的作用層。根據(jù)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的不同使用目的，各種不同的傳感器都應(yīng)該集成在傳感器層?，F(xiàn)階段，傳感器層所包含的傳感器有溫度傳感器，濕度傳感器以及加速度傳感器。因此，有三種傳感器信號(hào)傳輸?shù)紽PGA中，其中包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。一方面，模數(shù)轉(zhuǎn)換，PWM處理等功能都需要單片機(jī)與FPGA的控制；另一方面，信號(hào)的通訊依賴于單片機(jī)。

(三)通訊層

在通訊層，藍(lán)牙技術(shù)作為最初設(shè)計(jì)的最佳選擇。因?yàn)樗{(lán)牙技術(shù)的低功耗特點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸速率可以滿足初期設(shè)計(jì)的要求。通常情況下，藍(lán)牙技術(shù)所采用的是2，4GHzISM許可頻率波段。單片機(jī)與藍(lán)牙模塊的通訊是通過UART口。藍(lán)牙模塊接受來自單片機(jī)的AT信號(hào)，搜尋附近節(jié)點(diǎn)，與其他節(jié)點(diǎn)建立或者斷開連接。為了適應(yīng)模塊化的要求。其他形式的通訊層結(jié)構(gòu)也予以考慮。為了能夠適應(yīng)不同的無線通訊模塊接口的要求，單片機(jī)可以集成其他的接口，如UART，SPI以及通用的I／O口。無論采用那種接口。FPGA可以解決任何有關(guān)通訊接口的問題。同時(shí)為了適應(yīng)其他應(yīng)用要求，降低功耗成本，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性，其他的通訊協(xié)議正在研究之中，如ZigBee。

(四)電源供給層

該層為所有的芯片設(shè)備提供能源。在樣機(jī)中。供給層從外部獲得5V的電源供給。通過線性降壓調(diào)整，為傳感器節(jié)點(diǎn)提供3.3V，2.5V和1.2V的電壓?？紤]到節(jié)點(diǎn)自主運(yùn)行的要求。應(yīng)該采用紐扣電池或者是AA電池來提供電壓。因此，功耗要盡可能降到最低。

二、測(cè)試工作

(一)解決的問題

傳感器層中的加速度傳感器采用PWM信號(hào)作為輸出。加速度數(shù)值可以通過公式A(g)=(T1／T2-0.5)／30％來計(jì)算得出。同時(shí)，T2=Rset/125MΩ，也就是說在公式中只有一個(gè)參數(shù)需要測(cè)量。加速度傳感器的測(cè)量周期(T2)可以通過改變預(yù)值電阻來設(shè)置。例如，如果需要獲得1毫秒的測(cè)量周期，預(yù)值電阻就應(yīng)該選取124千歐的電阻。因此，如果需要實(shí)時(shí)的測(cè)量加速度數(shù)值。那么就應(yīng)該選用小數(shù)值的預(yù)值電阻。為了能夠獲得更加精確的加速度數(shù)值，大電阻就應(yīng)該被選用阻可以產(chǎn)生10毫秒的測(cè)量周期。在具體應(yīng)用中，所采用的預(yù)值電阻是56千歐。測(cè)量周期是0.448毫秒。

對(duì)于單片機(jī)來說，處理周期要明顯慢于FPGA。因此。為了確保每一次加速度的變化都能夠傳送給單片機(jī)，單片機(jī)的每一個(gè)處理周期需要在加速度傳感器的采樣周期內(nèi)完成。在實(shí)際的應(yīng)用中，單片機(jī)的所有處理任務(wù)都應(yīng)該在0.448毫秒內(nèi)完成。

對(duì)于FPGA來說，最大的特點(diǎn)是其并行性。它可以快速的實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理。此外，F(xiàn)PGA可以簡(jiǎn)化接口，解放單片機(jī)。FPGA的最主要的任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)與傳感器接口處理，對(duì)獲取的信號(hào)處理，與單片機(jī)的通訊。由于傳感器的信號(hào)輸出是PWM信號(hào)，因此可以通過計(jì)算PWM信號(hào)所持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)度來測(cè)量加速度大小。在對(duì)加速度完成計(jì)數(shù)之后，在每一個(gè)傳感器信號(hào)的上升沿來臨的時(shí)候，F(xiàn)PGA將會(huì)向單片機(jī)發(fā)出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)。同時(shí)前一個(gè)加速度值也會(huì)在輸出口上準(zhǔn)備好。然后，當(dāng)單片機(jī)監(jiān)測(cè)到這個(gè)觸發(fā)信號(hào)之后，它就可以從FPGA的輸出口上讀取數(shù)據(jù)。因此，F(xiàn)PGA可以看作是通訊的主控件，而單片機(jī)作為單片機(jī)的從控件。

(二)FPGA與單片機(jī)之間的通訊

從上述的分析可以看出。FPGA和微處理器之間通過兩個(gè)信號(hào)來進(jìn)行通訊。一個(gè)是來自FPGA的觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)FPGA檢測(cè)到來自傳感器的信號(hào)的上升沿的時(shí)候，它將產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)給微處理器，并且把處理完的數(shù)據(jù)在P0口和P2口上準(zhǔn)備好。當(dāng)微處理器接收到這個(gè)信號(hào)的時(shí)候，它也將產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)給FPGA，以便使得FPGA等待微處理器完成接受處理工作，避免進(jìn)行下一次觸發(fā)而使得數(shù)據(jù)重裝。導(dǎo)致錯(cuò)誤。微處理器從P0口和P2口讀入數(shù)據(jù)，把二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為可以在屏幕上顯示的ASCH模式。當(dāng)微處理器完成處理工作，清除應(yīng)答信號(hào)，等待下一個(gè)觸發(fā)信號(hào)。

(三)結(jié)果

在靜態(tài)零加速度的情況下，PC機(jī)上所顯示的數(shù)據(jù)與理想值有些細(xì)微的偏差，但是偏差不超過3％。因此。在不是特別強(qiáng)調(diào)精確度的情況下，試驗(yàn)結(jié)果可以滿足用戶的需求。

三、結(jié)論

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的模塊化設(shè)計(jì)可以加快設(shè)計(jì)周期，增強(qiáng)可替代性與重復(fù)利用性。在這里，引入四層結(jié)構(gòu)來完成節(jié)點(diǎn)內(nèi)的所有功能。第一層是通訊層，第二層是電源供給層，第三層是信號(hào)處理層，可以采用單片機(jī)，F(xiàn)PGA或者兩者混和配置的形式。最后一層是傳感器層。