面向環(huán)境監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

錢開國 ，李海雁 ，羅金龍

(1.昆明學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)系，云南 昆明，650214；2.昆明學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650214)

隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)、無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，由隨機(jī)分布的集成了傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng) WSN(Wireless Sensor Network)[1]也取得了飛速發(fā)展。其借助節(jié)點(diǎn)內(nèi)置的功能多樣的傳感器來探測周圍環(huán)境的興趣因子，如溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等，在節(jié)點(diǎn)上對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理后傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心根據(jù)收集的信息進(jìn)行決策。

目前的環(huán)境檢測多采用人工方式或者通過預(yù)先部署有線計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，人工方式加大了工作量，而且容易對監(jiān)測區(qū)域造成環(huán)境破壞；而有線計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對一些特殊的環(huán)境具有限制，如人類無法到到達(dá)的區(qū)域，對移動(dòng)目標(biāo)的定位，高溫高壓的環(huán)境等，另外，大面積的環(huán)境自然導(dǎo)致監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)成本的不可控制。

作為全新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將其應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測[2]具有比較明顯的優(yōu)勢，克服了人工方式及有線方式的缺點(diǎn)，可適用于大面積的環(huán)境監(jiān)測、移動(dòng)目標(biāo)跟蹤、高溫高壓等特殊環(huán)境。

1 傳感器網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議設(shè)計(jì)

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是無基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，由隨機(jī)分布在監(jiān)測區(qū)域的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、Sink匯聚節(jié)點(diǎn)和終端用戶管理組成，如圖1所示。

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是集環(huán)境因子采集、通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂坪吐酚尚畔⒕S護(hù)以及數(shù)據(jù)融合處理等多功能于一體的微型化嵌入式計(jì)算設(shè)備。Sink匯聚節(jié)點(diǎn)匯聚全網(wǎng)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行融合處理以及完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信協(xié)議和有線通信網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，相對傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，資源限制較少，終端用戶管理由決策支持系統(tǒng)、特征數(shù)據(jù)庫、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理用戶程序等構(gòu)成，負(fù)責(zé)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

IEEE802.15.4/ZigBee[3]是面向短距離自動(dòng)控制領(lǐng)域設(shè)計(jì)的無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，具有復(fù)雜度低、實(shí)現(xiàn)成本低、收發(fā)信號設(shè)備功耗低等特點(diǎn)，和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)目標(biāo)相符，其工作在868/915 MHz和2.4 GHz兩個(gè)頻段，2.4 GHz頻段是全球統(tǒng)一的、不需申請的免費(fèi)頻道，目前，TI、Freescale和 CompXs等芯片廠商都推出支持IEEE802.15.4的通信芯片，為了降低成本，本設(shè)計(jì)中采用了2.4 GHz的無線RF模塊。

2 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)和環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用場景，將傳感器網(wǎng)絡(luò)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為3個(gè)部分，環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)[4]如圖2所示。

圖2 環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)整體構(gòu)架

環(huán)境因子數(shù)據(jù)采集部分主要由部署在檢測任務(wù)區(qū)的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是低功耗、低成本的微型化嵌入式計(jì)算設(shè)備，通過內(nèi)置在節(jié)點(diǎn)設(shè)備上的功能多樣的傳感器完成諸如大氣、水質(zhì)、溫濕度等環(huán)境興趣因子的采集，并完成數(shù)據(jù)融合處理。

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)完成將采集到的有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆u測預(yù)警系統(tǒng)，可以采用有線計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或者是無線通信網(wǎng)絡(luò)，如果采用有線計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，可以將由數(shù)據(jù)采集部分采集到的數(shù)據(jù)在Sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行融合處理后進(jìn)行傳輸，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可在節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合處理。

評測預(yù)警系統(tǒng)對接收到的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)警處理。將采集到的信息與特征信息數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行對比匹配，調(diào)用相應(yīng)的預(yù)警控制規(guī)則，完成系統(tǒng)的預(yù)警功能和控制功能。

3 傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 傳感節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)環(huán)境監(jiān)測功能，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是具有計(jì)算、存儲、感知、通信功能的微型化嵌入式設(shè)備，通常分布在監(jiān)測任務(wù)區(qū)，要求自身攜帶電源供電。所以傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)采用如圖3所示的結(jié)構(gòu)[5]。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件原理圖

控制模塊：傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備中的CPU，完成指令的運(yùn)行。

存儲模塊：軟件系統(tǒng)代碼映像的存儲和采集到的數(shù)據(jù)存儲，通常包括片內(nèi)Flash、RAM和擴(kuò)展的片外Flash。

電源管理模塊：選用低功耗的電源管理芯片對傳感器節(jié)點(diǎn)自身攜帶的微型電源進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制和對傳感器節(jié)點(diǎn)各個(gè)部分供電。

傳感器采集數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)接口：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用中，需采集不同形式的環(huán)境興趣因子，需要不同功能的傳感器，為增強(qiáng)傳感器節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展性，本設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)通用性傳感器采集板提供了傳感器采集數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)接口。

網(wǎng)絡(luò)通信模塊：節(jié)點(diǎn)支持有線和無線兩種通信方式。有線的通信采用以太網(wǎng)芯片，無線的通信采用IEEE802.11.4通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)芯片。

串口接口：傳感器節(jié)點(diǎn)板提供標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口，用于對傳感器節(jié)點(diǎn)的在線編程和調(diào)試。

3.1.2 部件選型及其電路連接

本設(shè)計(jì)采用了 TI生產(chǎn)的 MSP430系列的 F1611[6]，其硬件架構(gòu)微控制模塊如圖4所示。這款低功耗芯片能提供6種不同功耗工作模式，可以配合電源管理模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)和動(dòng)態(tài)功率控制，以優(yōu)化電源供給。同時(shí)帶有片內(nèi)存儲器可方便地進(jìn)行在線仿真和編程，運(yùn)行環(huán)境溫度在-40℃～+85℃，能適應(yīng)惡劣的環(huán)境；存儲模塊的片外存儲器采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的M25P80型8 Mb(1M×8)串行閃存[7]，目的是減少傳輸頻率以降低系統(tǒng)功耗，外部擴(kuò)展了一片8 MB串行Flash作為外存儲器；電源管理模塊設(shè)計(jì)采用TI生產(chǎn)的TPS60210線性穩(wěn)壓芯片[8]，具備低功耗電源管理能力。傳感器節(jié)點(diǎn)電源采用兩節(jié)AA電池供電；RS232模塊的實(shí)現(xiàn)：RS232串口與MSP430通過一組UART管腳和兩個(gè)I/O引腳連接，兩個(gè)I/O引腳用于同步控制，UART的TX和RX負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的輸入輸出，串口的傳輸速率設(shè)置為9 600波特/s。無線收發(fā)模塊采用了TI公司的支持IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的CC2420[9]芯片，只需很少的外圍元件就可以與單片機(jī)構(gòu)成一個(gè)無線通信系統(tǒng)。由于本項(xiàng)目用于中藥材大棚種植監(jiān)測，所以傳感器模塊設(shè)計(jì)時(shí)采用了溫濕度SHT1X及光照傳感器S1087。

圖4 節(jié)點(diǎn)硬件模塊連接圖

3.2 傳感節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 設(shè)計(jì)需求

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有限的資源 (有限的處理能力、有限的存儲能力、攜帶有限的能量)使得其軟件設(shè)計(jì)非常具有挑戰(zhàn)性。軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足以下幾個(gè)要求：

(1)采用超微型內(nèi)核結(jié)構(gòu)，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)在低于300 B的指令空間中運(yùn)行。

(2)支持處理器的動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)DNS(Dynamic Voltage Scaling)和動(dòng)態(tài)電源管理DPM (Dynamic Power Management)功能，配合處理器的6種低功耗工作模式支持應(yīng)用的節(jié)能設(shè)計(jì)。

(3)采用短小的微線程技術(shù)，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用場景，采用事件和任務(wù)兩層調(diào)度算法。

(4)便于應(yīng)用軟件的實(shí)現(xiàn)，采用構(gòu)件化的編程實(shí)現(xiàn)模式以及構(gòu)件間基于接口的靜態(tài)綁定技術(shù)，提高映像代碼的執(zhí)行效率。

(5)對通信協(xié)議的支持和對硬件平臺的良好封裝。

3.2.2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)需求，本文設(shè)計(jì)的軟件體系結(jié)構(gòu)，如圖5所示，由應(yīng)用層、操作系統(tǒng)層以及硬件平臺層構(gòu)成。

(1)應(yīng)用層：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用部署層次，由開發(fā)者實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的邏輯功能構(gòu)件。

(2)操作系統(tǒng)層：操作系統(tǒng)層實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、任務(wù)調(diào)度和管理、內(nèi)存管理和分配、時(shí)鐘管理、對應(yīng)用層構(gòu)件提供編程接口等。具體實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的消息構(gòu)件，描述系統(tǒng)各個(gè)組件運(yùn)行狀態(tài)的狀態(tài)構(gòu)件，負(fù)責(zé)內(nèi)存申請、分配和回收的內(nèi)存管理構(gòu)件，完成任務(wù)調(diào)度管理功能的任務(wù)調(diào)度構(gòu)件以及負(fù)責(zé)提供系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)鐘構(gòu)件庫等。

(3)硬件平臺層：為了提高操作系統(tǒng)的可擴(kuò)充性，將硬件功能和表示部分劃分為硬件平臺層，主要實(shí)現(xiàn)硬件平臺配置、設(shè)備驅(qū)動(dòng)管理、芯片封裝表示、電源管理等功能。將硬件平臺抽象出來，使得上層應(yīng)用和具體平臺硬件無關(guān)，系統(tǒng)跨平臺性能增強(qiáng)。具體有配置形式各樣的節(jié)點(diǎn)平臺的硬件平臺配置構(gòu)件庫、完成芯片引腳功能封裝和配置的芯片構(gòu)件庫以及電源芯片管理和低功耗管理的電源管理構(gòu)件庫。

圖5 節(jié)點(diǎn)軟件體系結(jié)構(gòu)

3.2.3具體實(shí)現(xiàn)

在項(xiàng)目開發(fā)過程中，深入分析了目前具有代表性的TinyOS[10]、SOS[11]和 Mantis OS[12]等 無 線 傳 感 器 操 作 系統(tǒng)，包括其設(shè)計(jì)和編程模式、任務(wù)調(diào)度模型、通信協(xié)議支持等特性。由于TinyOS操作系統(tǒng)較適用于確定的軟件設(shè)計(jì)思路和目標(biāo)，最后選定TinyOS作為項(xiàng)目的傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，將其移植到項(xiàng)目平臺上，在移植過程中需要對操作系統(tǒng)的硬件抽象層的芯片構(gòu)件和平臺配置構(gòu)件進(jìn)行修改。移植工作完成后，可以使用TinyOS的應(yīng)用程序Blink進(jìn)行成功驗(yàn)證。基于該操作系統(tǒng)開發(fā)了無線溫濕度數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序、光強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集應(yīng)用和ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

結(jié)合項(xiàng)目需要，本文設(shè)計(jì)了面向環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，包括傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件各構(gòu)成模塊的設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中運(yùn)行穩(wěn)定性較好，對傳感器節(jié)點(diǎn)編程和調(diào)試較為方便。

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