基于遠距離通信模塊的無線傳感器網(wǎng)絡設計

王奎英，魏義長，袁　楓，董　遠

(1．河南機電職業(yè)學院電子工程系，河南鄭州　451191；2．華北水利水電大學3S技術開發(fā)與應用研究所，河南鄭州　450045；3．沈陽巍圖信息化工程技術有限公司，遼寧沈陽　110023)

0　引言

在規(guī)模化農(nóng)田布設無線傳感器網(wǎng)絡，因無線傳感器網(wǎng)絡是靠內(nèi)置電池供電[1]，一方面關注系統(tǒng)耗能；又因傳感器節(jié)點間距及離監(jiān)控中心遠，另一方面關注數(shù)據(jù)傳輸距離。低能耗和遠距離傳輸二者必須相輔相成[2-3]，在規(guī)?；r(nóng)田里是缺一不可的。

截至目前，無線傳感器節(jié)點與監(jiān)控中心間的通信方式主要有兩種形式：一種是基于GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無線業(yè)務)的無線通信模塊[4-5]；另一種是基于數(shù)傳電臺的無線數(shù)傳模塊[6-7]。二者均是再通過現(xiàn)場監(jiān)控中心計算機并入互聯(lián)網(wǎng)，從而實現(xiàn)在全球其它任何地方通過聯(lián)網(wǎng)計算機或手機遠程監(jiān)測與控制農(nóng)田的灌溉施肥等農(nóng)事活動等。

“GPRS通信模塊”是近年來非常流行起來的[8]，在農(nóng)田監(jiān)控中常用GPRS DTU(Data Transfer unit數(shù)據(jù)傳輸單元)設備[9]，DTU是專門用于將串口數(shù)據(jù)轉換為IP數(shù)據(jù)或將IP數(shù)據(jù)轉換為串口數(shù)據(jù)，并通過無線通信網(wǎng)絡進行傳送的無線終端設備[10-11]。

“無線數(shù)傳模塊”是在無線數(shù)傳電臺的基礎上發(fā)展起來[12]，在分布式網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)中無線數(shù)傳模塊與計算機通過串口連接，其計算機發(fā)送的指令經(jīng)無線數(shù)傳模塊編碼調(diào)制后發(fā)送，遠程的無線數(shù)傳模塊接收到命令后傳送給RTU(Remote Terminal Units)，判斷數(shù)據(jù)中的地址域，決定是否執(zhí)行命令和應答。其無線數(shù)據(jù)傳輸可以采用任意的透明傳輸模塊完成[13]，譬如229 MHz的無線電臺、433 MHz無線通信模塊和2.4 GHz的高速頻段等。該系統(tǒng)克服了依賴于第三方進行通信的缺點，線路為專用，沒有線路忙之困擾，數(shù)據(jù)現(xiàn)場直接收發(fā)，中間環(huán)節(jié)少且具有施工維護方便、安裝簡單、控制面積大等優(yōu)點。但一般的無線傳感器網(wǎng)絡的無線通信部分的發(fā)射功率都很小(如CC2531的發(fā)射功率只有4.5 dBm)，加上其接收靈敏度也固定在一定水平，這樣就限制了無線傳感器網(wǎng)絡的通信距離，傳輸距離通常為幾百m不等[13]。而規(guī)?；r(nóng)田的應用環(huán)境中，要求無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點間的安放距離達到1 km以上，甚至更遠。為此，國內(nèi)外有許多學者對此進行了研究[14-16]，通過提高無線通信部分的發(fā)射功率，改善其接收靈敏度，從而延長通信距離。然而目前的研究成果在無線傳感器網(wǎng)絡通信距離和節(jié)點功耗協(xié)調(diào)上還不適合規(guī)?；r(nóng)田。

所以，針對無線傳感器網(wǎng)路系統(tǒng)中的無線通信模塊，在分析國內(nèi)外農(nóng)田無線通信成果的基礎上，通過對市場上常規(guī)通信模塊進行篩選，同時進行田間測試比較、效益分析，研究開發(fā)出了基于遠距離通信模塊、以太陽能電池和鉛酸蓄電池為供電方式的無線傳感器網(wǎng)路系統(tǒng)，構建適應于規(guī)模化農(nóng)田的通信性能和功耗協(xié)調(diào)的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，該無線傳感器網(wǎng)路收發(fā)數(shù)據(jù)的抗干擾能力強，通信距離可達4 km以上，更好地保證了規(guī)?；r(nóng)田無線傳感器節(jié)點間通信的成功率和正確性。

1　無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計

1．1無線通信芯片的選擇

通過對國內(nèi)外市場上所有無線通信芯片進行調(diào)研，考慮到農(nóng)田環(huán)境中應用的特點，而且作物的生長會對無線通信有阻礙作用，故選擇高功率的無線數(shù)傳模塊JN5139-001-M02作為數(shù)據(jù)無線通信芯片，該模塊是2007年初Jennic公司發(fā)布的第二代無線微處理器產(chǎn)品[17]，兼容IEEE802．15．4/ZigBee協(xié)議棧的低成本、低功耗微控制器，它提供500 mW的高發(fā)射功率，能夠提供4 km的通信距離，適合農(nóng)田信息在線監(jiān)測領域內(nèi)的應用；該模塊集成了一個32位16 MHz主頻的RISC處理器(如圖1所示)，代碼效率、代碼大小方面高度優(yōu)化，其內(nèi)置的192 KB的ROM存儲器集成了點對點通信和網(wǎng)狀網(wǎng)通信的完整協(xié)議棧，96 KB的RAM存儲器可以支持網(wǎng)狀路由和控制器功能，而不需要外部擴展任何的存儲器空間。同時，它擁有4路12位的模擬量輸入，2路11位的模擬量輸出，2個比較器，溫度傳感器，2個應用程序定時器，3個系統(tǒng)定時器，2個UART異步串口(一個用于系統(tǒng)調(diào)試)，SPI接口以及2線串行接口，21個可用的I/O引腳。

圖1　無線數(shù)傳模塊JN5139-001-M02的內(nèi)部結構框圖

1．2供電電源的選擇

大部分情況下農(nóng)田監(jiān)測現(xiàn)場都無市電，經(jīng)過分析論證和反復試驗，選擇采用太陽能電池和免維護鉛酸蓄電池的電源方案。太陽能電源結構如圖2所示，白天太陽能電池將太陽輻射轉換成電能，對蓄電池充電，同時為監(jiān)測系統(tǒng)提供電能；夜間蓄電池放電，繼續(xù)維持系統(tǒng)正常運轉。DC-DC電源變換電路把單一的+12 V電壓轉換為各部分所需的不同種類直流電壓。

圖2　太陽能電源框圖

1．3無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計

傳感器節(jié)點是一個具有信息收集和處理能力的微處理系統(tǒng)[1]，由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊等組成(如圖3所示)。傳感器節(jié)點在網(wǎng)絡中可以充當數(shù)據(jù)采集者、數(shù)據(jù)中轉站或簇頭節(jié)點的角色。數(shù)據(jù)采集節(jié)點收集傳感器數(shù)據(jù)(如溫度、濕度、壓力、流量等)，通過通信路由協(xié)議直接或間接將數(shù)據(jù)傳輸給遠方基站節(jié)點；作為數(shù)據(jù)中轉站，節(jié)點除了完成采集控制任務外，還要接收鄰近節(jié)點的數(shù)據(jù)，將其轉發(fā)給到距離基站更近的鄰居節(jié)點或者直接轉發(fā)到基站點；作為簇頭，節(jié)點負責收集該簇內(nèi)所有節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)融合后，發(fā)送到基站點。

圖3　無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點體系結構圖

1．4數(shù)據(jù)處理軟件

監(jiān)測中心計算機數(shù)據(jù)處理軟件包括串口通信部分、數(shù)據(jù)處理模塊、監(jiān)測結果圖形顯示部分以及菜單界面等。軟件采用面向對象的高級編程語言Visual C++為編程語言，實現(xiàn)了友好的用戶界面和動態(tài)化的監(jiān)測點圖形顯示。觀測結果存放采用后臺ACCESS數(shù)據(jù)庫，并具有監(jiān)測點數(shù)據(jù)統(tǒng)計和位移超限告警功能(軟件數(shù)據(jù)流程見圖4)。

圖4　軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

1．5無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點性能的測定方法

在規(guī)模化農(nóng)田中布置無線傳感器網(wǎng)絡，主要關心的是通信信號的質量(通信距離)和節(jié)點的能耗(工作時間)，因此，該研究主要對無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的通信信號和能耗進行測定。

1．5．1無線傳感器節(jié)點通信信號的測定

根據(jù)信號的調(diào)制解調(diào)的基本原理，自行設計了一套無線通信信號測量裝置(見圖5)，包括一個高頻功率放大(發(fā)射部分)和一個信號分析及測量裝置(接收部分)，測量載波頻率和分析調(diào)制信號類型。該裝置的信號處理部分采用單片調(diào)頻接收電路MC13135，其第二中頻信號經(jīng)過455 kHz陶瓷濾波器后，經(jīng)放大、整形，實現(xiàn)載波頻率測量，經(jīng)檢波實現(xiàn)AM、ASK解調(diào)；由芯片內(nèi)部自帶電路實現(xiàn)FM和FSK解調(diào)。信號由STM32控制核心經(jīng)FFT解析可分析出不同調(diào)制信號類型。系統(tǒng)亦可較準確分析出經(jīng)功率放大前后無線傳輸?shù)男盘枴?/p>

圖5　通信信號的測定裝置原理圖

1．5．2無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點能耗的實時監(jiān)測

該無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點是靠太陽能電池和鉛酸蓄電池供電，盡管比干電池源供電時間和電量大得多了，但遇到長時間的連續(xù)陰雨天氣，也會出現(xiàn)能源耗盡；若控制中心不能正常顯示傳感器節(jié)點電量水平，就會導致無從得知無線傳感器節(jié)點不能正常傳輸數(shù)據(jù)的原因：是電池能量耗盡，還是傳感器節(jié)點硬件電路出現(xiàn)問題導致的不能正常顯示。為此，在傳感器網(wǎng)絡節(jié)點上增加太陽能電池和蓄電池電壓監(jiān)測裝置，電壓信號也作為傳感器采集信息一同通過發(fā)射模塊發(fā)送給監(jiān)控中心，實時監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的能耗，并通過軟件設置進行實時能耗預警預報。

2　結果與分析

2．1無線數(shù)傳模塊的性能(傳輸距離)比較

結合當前主流的微控制器芯片解決方案和發(fā)展趨勢，該研究選擇三款一片式的帶微處理器的無線數(shù)傳模塊，它們分別是Atmega128RF系列方案[9]，CC430( MSP430 +RF芯片)[16]方案，以及JN5139模塊[17]，三款無線數(shù)傳模塊的各項性能指標對比分析進見表1。

表1　通信芯片的對比

從表1可看到，利用JN5139的無線傳感器節(jié)點的穩(wěn)定傳輸距離最遠，它是真正意義上的一片式微控制器解決方案，它的集成度最高，而CC430仍舊是采用低功耗的微處理器CPU芯片加上RF射頻芯片的集成模式，而且沒有附加天線接口和可選的功率放大器，傳輸距離僅為1km；而Atmega128RFA1的傳輸距離雖為3 km，但運算能力較低，外設接口少，不利于后續(xù)系統(tǒng)開發(fā)。因此，Jennic模塊化的設計能夠達到真正的低功耗，所設計的產(chǎn)品具有競爭力，JN5139可充分兼容2.4 GHz IEEE802．15．4收發(fā)器，帶有功率放大器的模塊擁有500mW的高發(fā)射功率，高功率模式下通信距離能達到4km，符合農(nóng)田信息監(jiān)測的遠距離需求。

2．2與GSM/GPRS通信模塊全面對比結果

2．2．1GSM/GPRS通信模塊簡介及GPRS通信模塊較GSM通信模塊的優(yōu)勢

GSM是全球移動通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communications)的簡稱，GPRS是通用分組無線業(yè)務(General Packet Radio Service)的簡稱[5]，GPRS是在GSM系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的分組數(shù)據(jù)承載和傳輸業(yè)務，GSM模塊根據(jù)提供的數(shù)據(jù)傳輸速率可以分為GPRS模塊、EDGE模塊和純短信模塊，所以GPRS是具有數(shù)據(jù)傳輸功能的GSM模塊。

相對GSM的撥號方式的電路交換數(shù)據(jù)傳送方式，GPRS是分組交換技術，具有如下的優(yōu)點：

(1)實時在線(發(fā)起的數(shù)據(jù)傳輸是雙向的)：指用戶隨時與網(wǎng)絡保持聯(lián)系。用戶訪問互聯(lián)網(wǎng)時，通信模塊在無線信道上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，就算沒有數(shù)據(jù)傳送，終端也會一直與網(wǎng)絡保持連接，不但可以由用戶發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，還可以從網(wǎng)絡隨時啟動рush類業(yè)務，不像GSM的普通撥號上網(wǎng)那樣斷線后必須重新?lián)芴柌拍茉俅谓尤牖ヂ?lián)網(wǎng)。

(2)按量計費(信道共享)：對于電路交換模式的GSM系統(tǒng)，在整個連接期內(nèi)，用戶無論是否傳送數(shù)據(jù)都將獨自占有無線信道。對于分組交換模式的GPRS，用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用資源。這意味著多個用戶可高效率地共享同一無線信道，從而提高了資源的利用率。相應于分組交換的技術特點，GPRS用戶的計費以通信的數(shù)據(jù)流量為主要依據(jù)，體現(xiàn)了“得到多少、支付多少”的原則。沒有數(shù)據(jù)流量傳遞時，用戶即使掛在網(wǎng)上也是不收費的。

(3)快捷登錄：GPRS通信模塊一開機就能夠附著到GPRS網(wǎng)絡上，即已經(jīng)與GPRS網(wǎng)絡建立聯(lián)系，附著的時間一般是3～5 s．每次使用GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務時，需要一個激活的過程，一般是1～3 s，激活之后就已經(jīng)完全接入了互聯(lián)網(wǎng)。而GSM的固定撥號方式接入互聯(lián)網(wǎng)需要撥號、驗證用戶姓名密碼、登錄服務器等過程，至少需要8～10 s甚至更長的時間。

(4)高速傳輸：GPRS 采用分組交換技術，數(shù)據(jù)傳輸速率最高理論值能達171.2 kbit/s，完全支持像多媒體圖像傳輸業(yè)務。但171.2 kbit/s的理論值是在采用CS-4編碼方式且無線環(huán)境良好、信道充足的情況下實現(xiàn)的。實際數(shù)據(jù)傳輸速率要受網(wǎng)絡編碼方式、終端支持、無線環(huán)境等諸多因素影響。目前GPRS用戶的接入速度還在40 kbit/s以下，在使用數(shù)據(jù)加速系統(tǒng)后，速率可以提高到60 kbit/s～80 kbit/s左右[5]。

3．2．2與GSM/GPRS通信模塊全面對比結果

與GPRS通信模塊相比，無線數(shù)傳模塊的優(yōu)勢見表2。

表2　無線數(shù)傳模塊與GPRS通信模塊相比的優(yōu)勢

從表2可以看到，GPRS通信模塊采用的是公網(wǎng)平臺[2]，通信協(xié)議比采用無線數(shù)傳模塊的專網(wǎng)復雜很多，入門有一定難度，不如無線數(shù)傳模塊簡單易用。無線數(shù)傳模塊是“即插即用”型產(chǎn)品，不需要任何驅動程序或通信協(xié)議，編程設置也非常簡單。

盡管GPRS已經(jīng)形成了覆蓋全國的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，只要農(nóng)田附近有GPRS基站，就可以利用GPRS模塊作為無線傳感器網(wǎng)數(shù)據(jù)通信模塊，沒有通信距離的限制[5]。然而，GPRS在實際使用中遵循的是語音優(yōu)先原則，這就意味著在有語音服務請求時，如果信道不夠，移動服務器會自動關閉正在使用的GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務而把信道讓給GSM語音業(yè)務，其結果就會使已經(jīng)連接的GPRS終端掉線。

GPRS的運行費用較高，因為GPRS是按流量計費，那樣通過網(wǎng)絡侵入的無用信息也會被計費。利用無線數(shù)傳模塊的初期安裝成本雖然可能略高于GPRS通信模塊，但后期的運行費用很少，幾乎可以忽略不計。

GPRS實時性差，因為目前的公網(wǎng)系統(tǒng)是個話音優(yōu)先的系統(tǒng)，尤其是每天中話務高峰時段及節(jié)假日，公網(wǎng)系統(tǒng)的負荷會達到高峰(如短信、彩信成倍增長)，系統(tǒng)及網(wǎng)絡堵塞嚴重，信息不暢，不能及時發(fā)送或收到有用信息。采用無線數(shù)傳模塊的專網(wǎng)就沒有這方面的問題。

GPRS相對而言“掉線”及“死機”問題比較嚴重，當然這不僅是產(chǎn)品本身的問題，與網(wǎng)絡運行情況也很有關系，所以系統(tǒng)集成商或客戶很難自行維護，必須要GPRS的運營商配合才行。但是對于GPRS的運營商來說，由于數(shù)據(jù)業(yè)務占的比例非常小，因此有時在服務質量難免會有一定的問題。尤其是“死機”后，一般很難自行恢復正常工作，需要人工復位，極為不便。而無線數(shù)傳模塊就不可能存在“掉線”及“死機”問題，由于是自建的獨立系統(tǒng)，維護相對而言非常方面，一般的小問題，可以自行解決，不需要系統(tǒng)集成商去解決。

GPRS系統(tǒng)安全性較差，由于GPRS是通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)，是一個開放的系統(tǒng)，而目前的網(wǎng)絡安全性不高，越來越容易受到攻擊，造成癱瘓。采用無線數(shù)傳模塊的專網(wǎng)是一個獨立的封閉系統(tǒng)。

GPRS模塊的硬件售后服務工作較困難，因為此類模塊一旦損壞，只能更換，不能像無線數(shù)傳模塊一樣做到元件級的維修，因此售后服務質量不如無線數(shù)傳專網(wǎng)有保證。尤其是超過保修后，無線數(shù)傳模塊的維護成本就很低，而GPRS模塊一旦損壞就只有更換，成本較高。總的來說，GPRS模塊的調(diào)試、測試、維修工作遠沒有無線數(shù)傳模塊方便。

GPRS的數(shù)據(jù)通信服務功能有限，是由2G向3G過渡的產(chǎn)品，生命周期很短，一旦系統(tǒng)升級，軟件、硬件都要全面修改，損失較大。

3　結語

(1)證實了無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點與監(jiān)控中心之間的通信模塊采用無線數(shù)傳模塊比GPRS通信模塊具有更大的優(yōu)勢，這個與劉勤[18]在測繪數(shù)據(jù)傳輸中得出的結論基本相同。因此，無線數(shù)傳模塊是經(jīng)歷了長時間、不同環(huán)境、不同領域等多種方式的實地考驗，已經(jīng)成為了技術成熟，應用廣泛，簡便可靠的通訊方式，能滿足規(guī)?；r(nóng)田無線通信系統(tǒng)的使用要求，這些都是這一特殊領域中其它數(shù)據(jù)傳輸設備無法比擬的。

(2)常規(guī)無線傳感器網(wǎng)絡在實際使用中常因電源問題造成終端設備癱瘓[20]，這主要是由于內(nèi)置鋰電池，節(jié)點能量有限[21]，節(jié)點僅為單一物理量的傳感器，而該研究設計的無線傳感器網(wǎng)絡是采用太陽能電池和鉛酸蓄電池供電，不但可以增加通信模塊的收發(fā)功率，具有遠的傳輸距離，而且每個節(jié)點可以集成多個傳感器(如溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、水質狀況等)，減少了節(jié)點數(shù)量，提高了傳感器節(jié)點間的協(xié)作能力。盡管該無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點在體積上增大了，由小盒子成為了小箱子，但對于規(guī)?；r(nóng)田來說卻是好事，由于目標大[22]，易于巡視到，便于檢修和維護，發(fā)展前景好。

(3)無線傳感器網(wǎng)絡是融合了多種學科和多種技術[23]，是一個隨著電子和通信技術不斷發(fā)展而發(fā)展的應用系統(tǒng)[24]。因此，在規(guī)?；r(nóng)田的應用中要全面考慮，不要單純?yōu)榱俗非竽芎淖钚?，而忽略通信收發(fā)功率；不要單純追求體積小，而忽略系統(tǒng)功能的完整性，等等。近年來國內(nèi)也有廠家生產(chǎn)無線數(shù)傳模塊[25-26]，下一步將盡量使用國產(chǎn)品牌的通信模塊，并對國內(nèi)外各種通信模塊[27-28]從通信性能和能耗上等進行多方面地比較，為推動國產(chǎn)品牌做出應有的貢獻。

(4)為了保護儀器設備，使其能夠多年發(fā)揮作用，在冬季不使用的情況下，建議把無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設備收回到室內(nèi)，待春季開始使用時再經(jīng)調(diào)試好后布置到田間，這樣才能保證在作物整個生長季或一整年內(nèi)系統(tǒng)通暢，不出現(xiàn)問題。

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