基于Wireless USB的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)*

宋曉鷗

（中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)工程大學(xué) 信息工程系，陜西 西安 710086）

無(wú)線傳感系統(tǒng)較有線傳感系統(tǒng)有易于部署、易于擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)，為此，人們開(kāi)發(fā)了多種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。常用的無(wú)線通信技術(shù)有紅外技術(shù)、普通射頻技術(shù)（RF）、2.4G技術(shù)等。紅外技術(shù)操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但存在直線對(duì)準(zhǔn)通信、單向通信、高功耗等缺點(diǎn)，不適合開(kāi)發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)。射頻技術(shù)可輕松突破上述局限，與其他射頻頻段相比，2.4G技術(shù)具有頻段免費(fèi)、全球通用、設(shè)備體積小、數(shù)傳速率高、抗干擾能力強(qiáng)、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，在開(kāi)發(fā)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面有巨大優(yōu)勢(shì)，目前較成熟的2.4G無(wú)線傳感系統(tǒng)是基于藍(lán)牙技術(shù) （Bluetooth、IEEE 802.15.1）和ZigBee 技術(shù)（IEEE 802.15.4）的[1]。

與傳統(tǒng)的以電纜和紅外方式傳輸測(cè)控?cái)?shù)據(jù)相比，在測(cè)控領(lǐng)域應(yīng)用藍(lán)牙技術(shù)主要有抗干擾能力強(qiáng)、節(jié)省成本、無(wú)方向限制、可實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備互通等優(yōu)勢(shì)，但藍(lán)牙的同步時(shí)鐘對(duì)電池的使用壽命有很大影響，且一個(gè)藍(lán)牙主設(shè)備只能連接7個(gè)從設(shè)備，限制了其應(yīng)用范圍。

ZigBee依據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，一個(gè)主節(jié)點(diǎn)最多可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)的較大網(wǎng)絡(luò)。但ZigBee復(fù)雜的協(xié)議也導(dǎo)致成本增加，且ZigBee在稍微高速率、低延遲的應(yīng)用中表現(xiàn)不夠好，制約了它在該領(lǐng)域的應(yīng)用。

Wireless USB技術(shù)是由賽普拉斯半導(dǎo)體公司開(kāi)發(fā)的一種新型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的2.4 GHz無(wú)線通信技術(shù)。該技術(shù)為這一領(lǐng)域的應(yīng)用提供了低功耗、低延遲、低成本、高可靠性的解決方案，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文基于Wireless USB技術(shù)，以“模塊化、小體積、低功耗、低成本和通用性”為目標(biāo)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了嵌入式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬、軟件系統(tǒng)，使其滿足監(jiān)測(cè)任務(wù)要求的數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、無(wú)線通信和互聯(lián)能力。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

1.1 Wireless USB技術(shù)簡(jiǎn)介

Wireless USB在頻段管理上把2.4 GHz頻段分成98個(gè)信道，每個(gè)信道帶寬 1 MHz，包括 26個(gè)快速信道（切換時(shí)間為 100 μs）、35 個(gè)中速信道 （切換時(shí)間為 180 μs）、37個(gè)慢速信道（切換時(shí)間為 270 μs）[2]。該機(jī)制為實(shí)現(xiàn)頻分多址、跳頻及頻率捷變提供了技術(shù)基礎(chǔ)。該技術(shù)在每一個(gè)信道上又使用了直接序列擴(kuò)頻 （DSSS）技術(shù)，DSSS系統(tǒng)的特點(diǎn)主要有：較強(qiáng)抗干擾能力；很強(qiáng)的隱蔽性和抗偵察、抗竊聽(tīng)、抗測(cè)向能力；選址能力，可實(shí)現(xiàn)碼分多址；抗衰落，抗頻率選擇性能好；抗多徑干擾；可進(jìn)行高分辨率的測(cè)向和定位[3]。此外，該技術(shù)還使用GFSK調(diào)制技術(shù)。

Wireless USB協(xié)議層的設(shè)計(jì)采用了主-從方式的星形結(jié)構(gòu)，主設(shè)備實(shí)時(shí)處于接收狀態(tài)，接收來(lái)自從設(shè)備的信息，同時(shí)監(jiān)視干擾狀況，選擇干凈的頻帶，決定是否跳頻。從設(shè)備采集并發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送結(jié)束后立刻進(jìn)入睡眠狀態(tài)，最大限度地節(jié)省電池電量。協(xié)議中還可實(shí)現(xiàn)時(shí)分雙角色（既可接收，也可發(fā)射），可以作為一個(gè)類似路由器的角色使用。一個(gè)主設(shè)備可以帶上百個(gè)從設(shè)備[4]。網(wǎng)絡(luò)ID是Wireless USB網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)識(shí)，是Wireless USB網(wǎng)絡(luò)彼此區(qū)分的依據(jù)，每個(gè)芯片在出廠時(shí)有6 B的ID，此ID是唯一的，網(wǎng)絡(luò)ID由這個(gè)芯片ID計(jì)算得到。相比那些沒(méi)有ID的其他射頻芯片，這無(wú)疑又是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

此外，Wireless USB技術(shù)支持接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）功能，為實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)，可以檢測(cè)復(fù)雜電磁環(huán)境的頻譜空洞，提高頻譜利用率[5]。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文采用層次性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將整個(gè)系統(tǒng)分成3級(jí)網(wǎng)絡(luò)。

匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink節(jié)點(diǎn)）與傳感器節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的第一級(jí)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)警和數(shù)據(jù)基本處理功能，并根據(jù)上級(jí)網(wǎng)絡(luò)的通信指令完成與管理節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信。每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)每隔一定時(shí)間采集多組數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性求平均值，通過(guò)多址機(jī)制，把采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)收到所有數(shù)據(jù)后，首先判斷數(shù)據(jù)是否超出設(shè)定閾值，如果超出，則發(fā)出報(bào)警信息。當(dāng)收到的數(shù)據(jù)正常時(shí)，就對(duì)數(shù)據(jù)再次累加求平均值，接收到上級(jí)網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)的通信指令時(shí)，封裝數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)焦芾砉?jié)點(diǎn)。

第二級(jí)網(wǎng)絡(luò)由匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)組成（管理節(jié)點(diǎn)由匯聚節(jié)點(diǎn)連接服務(wù)器構(gòu)成）。匯聚節(jié)點(diǎn)作為第二級(jí)網(wǎng)絡(luò)的基本工作站，在聯(lián)合站內(nèi)的管理節(jié)點(diǎn)作為核心組成星形網(wǎng)絡(luò)。管理節(jié)點(diǎn)同時(shí)用于存儲(chǔ)所有數(shù)據(jù)，管理人員可以進(jìn)行查詢、監(jiān)控和打印報(bào)表。通常第二級(jí)網(wǎng)絡(luò)需采用大功率的無(wú)線數(shù)傳模塊作為網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備。

可以利用已經(jīng)建立的局域網(wǎng)構(gòu)成第三級(jí)辦公網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器分布在不同的聯(lián)合站內(nèi)，在局域網(wǎng)內(nèi)的任何一臺(tái)電腦上，通過(guò)管理軟件可以對(duì)聯(lián)合站的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的基本單元，目前，不同應(yīng)用中各種節(jié)點(diǎn)的組成結(jié)構(gòu)不盡相同，導(dǎo)致通用性及可維護(hù)性降低[6]。本文構(gòu)建了一個(gè)類似于軟件無(wú)線電的通用節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，將硬件功能軟件化以解決上述問(wèn)題[7]。

微控制器模塊是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算中心，選擇合適的微控制器在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。微控制器模塊的設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)方面：（1）選擇帶 Flash的 8 bit或 16 bit簡(jiǎn)單內(nèi)核的微控制器，帶Flash的微控制器可將功耗降低5倍；（2）低電壓供電可以大大降低系統(tǒng)的工作電流，基于漏電流的考慮，選擇 3 V（3.3 V）要比5 V供電的功耗至少降低40%[1]。綜合考慮功耗、體積和功能等因素，本選擇ATmega8L單片機(jī)作為控制器[8]。

無(wú)線通信模塊是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的重要組成部分，需要滿足低功耗、通信質(zhì)量、通信距離、通信速度、組網(wǎng)方便、抗干擾和易于布控等要求。根據(jù)前面分析，Wireless USB技術(shù)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，本文以基于該技術(shù)的CYRF6936芯片為核心設(shè)計(jì)射頻電路部分，CYRF6936是典型的低成本高集成度2.4 GHz DSSS射頻片上系統(tǒng)，具有可配置的雙向功能。數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1 Mb/s，最大發(fā)射功率為4 dBm，可工作在-55℃～125℃環(huán)境中，功耗低，待機(jī)電流僅 1 μA[9]。

ATmega8L的PC0～PC5端口作為傳感器數(shù)據(jù)采集端口，通過(guò) SPI口連接 CYRF6936，SPI口（SS、MOSI、MISO、SCK）同時(shí)作為程序下載端口。此外，ATmega8L的PD3（INT1）腳連接CYRF6936的 IRQ腳，接收射頻中斷信號(hào)。射頻部分元器件均采用0402封裝。單片機(jī)ATmega8L、射頻芯片CYRF6936、電源芯片XC6209B332的外圍電路分別見(jiàn)其參考設(shè)計(jì)。在單板上完全集成節(jié)點(diǎn)的全部組成部分，結(jié)構(gòu)緊湊，降低了使用功耗。電路布局時(shí)，將強(qiáng)電信號(hào)電路和弱電信號(hào)電路分開(kāi)，數(shù)字信號(hào)電路和模擬信號(hào)電路分開(kāi)，完成同一功能的電路盡量安排在一定的范圍之內(nèi)，從而減小信號(hào)環(huán)路面積。各部分電路的濾波網(wǎng)絡(luò)就近連接，這樣不僅可以減少輻射，而且可以減小被干擾的幾率，提高電路的抗干擾能力。PCB布局、實(shí)體電路分別如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)布局圖

2.2 Sink節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，必須與其他信息設(shè)備或監(jiān)視設(shè)備相連接，將網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)匯總顯示，為觀察者提供所需數(shù)據(jù)信息。很明顯，所設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)僅具有數(shù)據(jù)采集發(fā)射及轉(zhuǎn)發(fā)功能，無(wú)法與觀察者交換信息，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用是沒(méi)有意義的。本節(jié)在遵循傳感器節(jié)點(diǎn)相關(guān)設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)Sink節(jié)點(diǎn)，它是觀察者與網(wǎng)絡(luò)的交流窗口，同時(shí)是管理的核心，也是與有線網(wǎng)絡(luò)連接的接口。Sink節(jié)點(diǎn)作為第一級(jí)網(wǎng)絡(luò)核心部分，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換，還應(yīng)具有存儲(chǔ)、顯示和設(shè)置功能，接收來(lái)自網(wǎng)絡(luò)中傳感節(jié)點(diǎn)的采集信息，處理、顯示并可通過(guò)鍵盤(pán)區(qū)實(shí)現(xiàn)人工控制。也可通過(guò)串口與監(jiān)視器連接，監(jiān)視器可同時(shí)看作數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，并可通過(guò)它與互聯(lián)網(wǎng)連接。考慮到Sink節(jié)點(diǎn)需較強(qiáng)處理能力，選用ATmega16L單片機(jī)作為微控制器、以射頻芯片CYRF6936和2.4G射頻前端芯片CC2591構(gòu)成射頻電路部分。CC2591外圍器件少，集成轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、匹配網(wǎng)絡(luò)和PA/LNA。此外，以電平轉(zhuǎn)換模塊MAX3232、RS-232串口轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成監(jiān)控模塊與監(jiān)視器相連，同時(shí)添加了5個(gè)功能按鍵、11個(gè)指示燈和16個(gè)I/O接口（其中11個(gè)用于連接液晶顯示屏）。

網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)，該節(jié)點(diǎn)同時(shí)作為時(shí)鐘同步節(jié)點(diǎn)，定時(shí)發(fā)射時(shí)鐘同步幀，保持網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 Sink節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

2.4 GHz頻段設(shè)備越來(lái)越多，而且網(wǎng)絡(luò)內(nèi)眾多節(jié)點(diǎn)存在頻譜搶占現(xiàn)象，如何快速尋找空閑頻譜是傳感器網(wǎng)絡(luò)高效可靠工作的基礎(chǔ)。為此，本文的軟件設(shè)計(jì)是基于認(rèn)知無(wú)線電理念的[10]，接收信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)（RSSI）是該理念的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。各終端在接收模式下，通過(guò)讀取寄存器RSSI值判斷當(dāng)前信道上無(wú)線信號(hào)的功率密度即干擾強(qiáng)度，主動(dòng)尋找可用信道（頻譜空洞），類似頻譜感知，系統(tǒng)功能框圖如圖4所示。其工作時(shí)序?yàn)椋合冗M(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，如果信道有強(qiáng)干擾則跳轉(zhuǎn)到下一頻道，若無(wú)強(qiáng)干擾，則傳輸數(shù)據(jù)。

圖4 頻譜感知功能圖

本設(shè)計(jì)以Visual Studio 2005為開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用C語(yǔ)言編寫(xiě)了主程序和相應(yīng)的子程序。

4 通信協(xié)議

4.1 MAC協(xié)議

本文以一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)為中心節(jié)點(diǎn)（簇節(jié)點(diǎn)）設(shè)計(jì)了一個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)是大型網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，可認(rèn)為是大型網(wǎng)絡(luò)的子簇。采用TDMA、CDMA聯(lián)合方式組網(wǎng)，即各傳感節(jié)點(diǎn)采用固定的PN碼周期等待與簇節(jié)點(diǎn)通信，而簇節(jié)點(diǎn)采用滑動(dòng)PN碼方式，通過(guò)周期改變PN碼輪詢?cè)L問(wèn)的方式實(shí)現(xiàn)與各傳感器節(jié)點(diǎn)的通信（輪詢過(guò)程見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)拓展部分）。通信過(guò)程如圖5所示。首先，簇節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與同PN碼傳感節(jié)點(diǎn)綁定 （本文在綁定過(guò)程中啟用載波偵聽(tīng)（RSSI）功能實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線電理念），綁定完成后簇節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步幀；傳感器節(jié)點(diǎn)收到同步幀后，根據(jù)同步幀的信息修改自己的時(shí)鐘，達(dá)到與簇節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步的目的，然后發(fā)送數(shù)據(jù)幀；簇節(jié)點(diǎn)收到傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀（data）后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和融合，然后發(fā)送應(yīng)答幀（ACK）給傳感節(jié)點(diǎn)，之后傳感節(jié)器點(diǎn)進(jìn)入睡眠模式（sleep）；簇節(jié)點(diǎn)開(kāi)始啟動(dòng)與下一節(jié)點(diǎn)通信。如此循環(huán)往復(fù)。簇節(jié)點(diǎn)可與Sink節(jié)點(diǎn)以同樣方式構(gòu)成父簇，Sink節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口與連接有線網(wǎng)絡(luò)的電腦相連。

圖5 MAC協(xié)議示意圖

4.2 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的設(shè)計(jì)[11]

時(shí)鐘同步對(duì)任何分布式系統(tǒng)而言都是很重要的，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中許多算法或協(xié)議也需要節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘同步作為支撐。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)如果沒(méi)有空間和時(shí)間信息是無(wú)任何意義的。此外，準(zhǔn)確的時(shí)間同步是實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)自身協(xié)議的運(yùn)行、數(shù)據(jù)聚集、TDMA調(diào)度、協(xié)同休眠、定位等的基礎(chǔ)。本文將簇節(jié)點(diǎn)同時(shí)作為時(shí)鐘同步節(jié)點(diǎn)，如MAC協(xié)議中所述，各傳感節(jié)點(diǎn)每次與簇節(jié)點(diǎn)通信時(shí)都以其時(shí)鐘為基準(zhǔn)進(jìn)行一次時(shí)鐘校準(zhǔn)，因?yàn)楦鞴?jié)點(diǎn)都定期以此節(jié)點(diǎn)為時(shí)鐘基準(zhǔn)校正，可近似認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘是同步的（本文中所有節(jié)點(diǎn)使用的外部晶振時(shí)鐘漂移率不超過(guò)30 ppm）。

本文MAC協(xié)議中，簇節(jié)點(diǎn)采用輪詢?cè)L問(wèn)的方式與各節(jié)點(diǎn)通信，故所用網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)的方法是：新節(jié)點(diǎn)采用各傳感節(jié)點(diǎn)未使用的合法PN碼 （簇節(jié)點(diǎn)可產(chǎn)生的PN碼），當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，先發(fā)送申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)的信息，接著進(jìn)入偵聽(tīng)的狀態(tài)，持續(xù)1 s，隨機(jī)延遲后再次發(fā)送申請(qǐng)信息，如此循環(huán)，直到簇節(jié)點(diǎn)輪詢到該節(jié)點(diǎn)時(shí)接受其加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求。然后，根據(jù)收到的允許加入網(wǎng)絡(luò)的信息，節(jié)點(diǎn)修改自己的時(shí)鐘，達(dá)到時(shí)間同步，這樣新的節(jié)點(diǎn)就成功入網(wǎng)。輪詢過(guò)程如圖6所示。

圖6 輪詢過(guò)程示意圖

4.3 功率控制

傳感器節(jié)點(diǎn)的耗能，除采用低功耗器件外，還應(yīng)從節(jié)點(diǎn)的工作體制上考慮。除MAC協(xié)議中提到的睡眠機(jī)制外，本文采用功率控制算法進(jìn)一步降低功耗。功率控制是指通過(guò)合理地設(shè)置或動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，在保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)連通的同時(shí)，降低對(duì)其他設(shè)備的干擾，達(dá)到提高節(jié)點(diǎn)能量利用率，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的目的。文中各端節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的時(shí)鐘同步信號(hào)強(qiáng)度調(diào)整發(fā)射功率[12]。

4.4 安全機(jī)制

賽普拉斯建議采用微型加密算法（TEA）作為Wireless USB的加密算法。微型加密算法是現(xiàn)有最快速、最高效的加密算法之一，它是一種采用混合（正交）代數(shù)組（這里為XOR、ADD和 SHIFT）運(yùn)算的Feistel密碼，每次用128位密鑰加密64個(gè)數(shù)據(jù)比特，抗差動(dòng)密碼分析的能力極強(qiáng)，6輪之后才能實(shí)現(xiàn)全漫射。需說(shuō)明的是，任何加密算法都可用于Wireless USB，不只限于TEA。

4.5 抗干擾機(jī)制

除協(xié)議中使用的擴(kuò)頻技術(shù)外，本文還采用以下技術(shù)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力。

（1）糾錯(cuò)編譯碼

Wireless USB技術(shù)支持的數(shù)據(jù)傳輸幀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)畫(huà)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)幀格式

項(xiàng)目采用微控制器內(nèi)集成的ADC采樣轉(zhuǎn)換電路，采樣精度為10 bit（各數(shù)據(jù)位由低到高權(quán)值從 20～29不等），而上述幀格式中每一路 （實(shí)質(zhì)是每一種傳感器的值）采樣數(shù)據(jù)占 2 B（16 bit）。為滿足系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)，且考慮低權(quán)值位發(fā)生錯(cuò)誤影響較小的特點(diǎn)，文中采用雙（7，4）BCH編碼（低2位不編碼），即按權(quán)值分段編碼，權(quán)值最高的4位作一組BCH編碼，較低的4位作完全不相關(guān)的另一組BCH碼，這樣既能糾正不止一位錯(cuò)誤，而且即使發(fā)生錯(cuò)糾，也是段內(nèi)錯(cuò)誤，減小錯(cuò)誤程度。碼字結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 雙（7，4）BCH碼結(jié)構(gòu)

（2）CRC 校驗(yàn)技術(shù)

系統(tǒng)附加CRC16于每一個(gè)數(shù)據(jù)包中。CRC16是一個(gè)16 bit的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC），使用 USB的CRC多項(xiàng)式運(yùn)算所得，可以檢測(cè)所有單位和雙位差錯(cuò)。

（3）數(shù)據(jù)應(yīng)答與重發(fā)

為使傳感器節(jié)點(diǎn)盡量將每一周期內(nèi)的檢測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)誤地發(fā)送到簇節(jié)點(diǎn)，本文使能Wireless USB的ACK功能。簇節(jié)點(diǎn)收到正確數(shù)據(jù)包后自動(dòng)發(fā)送ACK信號(hào)。端節(jié)點(diǎn)發(fā)射數(shù)據(jù)前設(shè)定ACK等待時(shí)長(zhǎng)，發(fā)送完數(shù)據(jù)后，打開(kāi)超時(shí)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，同時(shí)轉(zhuǎn)入接收模式。如果設(shè)定時(shí)間內(nèi)未收到ACK信號(hào)，重發(fā)數(shù)據(jù)，否則，進(jìn)入睡眠模式。

（4）頻率捷變

只是在受到干擾時(shí)頻道才發(fā)生改變，如圖9所示，如果當(dāng)前頻道受到了干擾，系統(tǒng)通過(guò)鑒別錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包的數(shù)量來(lái)判斷信道的鏈接質(zhì)量。如果錯(cuò)誤包的數(shù)量超過(guò)了設(shè)計(jì)的極限，就跳轉(zhuǎn)到下一頻道；此外，還要周期性地偵聽(tīng)頻道信號(hào)強(qiáng)度，如果一個(gè)強(qiáng)的信號(hào)持續(xù)一段時(shí)間，則跳轉(zhuǎn)出去。

圖9 頻率捷變示意圖

5 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

（1）有效通信距離測(cè)試

CYRF6936支持SDR/DDR/8DR/GFSK 4種工作模式，發(fā)射功率可控為-35、-30、-24、-18、-13、-5、0 和4 dBm共8個(gè)檔次；CC2591最高發(fā)射增益22 dB，最大發(fā)射功率22 dBm，最高接收增益11 dB。測(cè)試中選擇8DR模式，該模式下，接收靈敏度為-97 dBm，Sink節(jié)點(diǎn)將發(fā)射功率和接收增益設(shè)置為最大值，射頻頻率設(shè)定在2 400 MHz頻段，4節(jié)5號(hào)電池供電，天線距離地面高度為1.5 m。傳感器節(jié)點(diǎn)之間有效通信距離，室內(nèi)10 m，戶外30 m。傳感器節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)有效通信距離測(cè)試如表1所示。

表1 距離測(cè)試結(jié)果

（2）共存性能測(cè)試

打開(kāi)實(shí)驗(yàn)室所有設(shè)備及藍(lán)牙、Wi-Fi、WLAN等，測(cè)試表明系統(tǒng)可在復(fù)雜電磁環(huán)境下正常工作。

所開(kāi)發(fā)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以Wireless USB技術(shù)為平臺(tái)，依托認(rèn)知無(wú)線電、軟件無(wú)線點(diǎn)理念，充分利用頻率捷變技術(shù)、數(shù)據(jù)應(yīng)答與重發(fā)技術(shù)、CRC校驗(yàn)技術(shù)、DSSS技術(shù)、BCH技術(shù)和RSSI功能，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，能在復(fù)雜電磁環(huán)境中正常工作。通過(guò)AGC調(diào)節(jié)發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)不同距離可變功率控制。該設(shè)計(jì)性能優(yōu)越，應(yīng)用前景廣闊。但研究尚處于試驗(yàn)階段，各種功能尚不完善，有待在以后的研究中深入開(kāi)發(fā)。

[1]景博，張劼，孫勇.智能網(wǎng)絡(luò)傳感器與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

[2]Cypress Semiconductor.2.4 GHz頻段上的新一代點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線技術(shù)[J].世界電子元器件，2004（1）：28-30.

[3]Cypress的 Wireless USB擴(kuò)至多點(diǎn)到點(diǎn)（N：1）應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品世界，2005（1）：122.

[4]CypressSemiconductor.防止2.4 GHzISM頻帶的干擾——從硬件與軟件技術(shù)中建構(gòu)強(qiáng)固的RF通信環(huán)境[J].電子與電腦，2004（8）：90-95.

[5]Cypress Semiconductor.Cypress供應(yīng)WirelessUSB LP器件

[17][EB/OL].http：//www.csyb.com.cn/it/p286/J28635231.html，2013-06-01.

[6]唐旻，趙曙光，方艷紅.基于無(wú)線USB技術(shù)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2005（11）：48-51.

[7]向新，張啟發(fā)，王興華，等.軟件無(wú)線電原理與技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

[8]馬潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐 [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[9]Cypress Semiconductor.Optimum PCB and stencil layout for wireless USB QFN package[Z].2005.

[10]侯賽因·阿爾斯.認(rèn)知無(wú)線電、軟件定義無(wú)線電和自適應(yīng)無(wú)線系統(tǒng)[M].任品毅，等，譯.西安：西安交通大學(xué)出版社，2010.

[11]于宏毅，李鷗，張效義，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)理論、技術(shù)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

[12]杜曉通.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與工程應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.