無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的3 連通多跳控制集

郝 琳

（許昌電氣職業(yè)學(xué)院， 河南 許昌 461000）

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的作用

無線片上系統(tǒng)（SoC）自身功率小、耗能少，加之小尺寸和低價(jià)格，在無線通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面有廣闊應(yīng)用。傳統(tǒng)傳感器采集系統(tǒng)需依賴線路采集，若需在多區(qū)域采集數(shù)據(jù)，則接線較多、接線復(fù)雜。此外，若接線距離較遠(yuǎn)，不僅會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Ч?，還會(huì)對(duì)后期線路維護(hù)管理造成諸多不便。而多采用無線傳感器，其數(shù)據(jù)交互無需線路支持，后期維護(hù)工作開展簡(jiǎn)單，且數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)器模塊實(shí)現(xiàn)迅速采集，數(shù)據(jù)傳輸速度突出，系統(tǒng)可靠。這種無線傳感器僅需手持無線收發(fā)器模塊的主機(jī)，就可以對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在短短的幾秒鐘采集到大量的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作分析，儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，無線傳感器還配置有專業(yè)的人機(jī)交互頁(yè)面，使用者在界面選擇對(duì)應(yīng)的操作按鈕，即可一鍵操作，操作界面簡(jiǎn)潔、美觀，在各行各業(yè)中實(shí)用性突出。通過將計(jì)算機(jī)的技術(shù)及射頻無線技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)傳感器的無線傳輸，可減少不必要的人力成本投入，大大提高工作效率及工作質(zhì)量。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)與論證

由上可得，無線傳輸技術(shù)已經(jīng)在我們的日常生活中廣泛應(yīng)用，如藍(lán)牙技術(shù)、nRF 技術(shù)、紅外線傳技術(shù)等，極大的方便了我們的日常生活。其中，紅外線傳輸技術(shù)其支持的距離較短，若實(shí)際應(yīng)用距離較長(zhǎng)，則系統(tǒng)無法穩(wěn)定工作，且紅外線傳輸容易受各個(gè)因素的干擾，其傳輸效果并不理想。以下就針對(duì)TRF6900A Datasheet 中的部分參數(shù)數(shù)值對(duì)算TRF6900A 的通信距離計(jì)算分析。

數(shù)據(jù)在自由空間傳輸，也就是在對(duì)應(yīng)天線周圍的各個(gè)介質(zhì)傳播，計(jì)算器無線通信距離，電波在自由空間傳播本身不會(huì)散射、反射，周圍障礙物對(duì)電波的影響微乎其微，常見障礙物并不會(huì)吸收電波，使得無線傳輸?shù)碾姴ㄐ盘?hào)通信距離大大提高，發(fā)射功率也得到有效保障。

此式即為自由空間下電波傳播的損耗公式，式中Lfs 為傳輸?shù)膿p耗，d 為傳輸?shù)木嚯x，頻率單位以MHz 計(jì)算。

由（2.1）式可得，自由空間中，無線電波傳輸?shù)膿p耗，主要受其工作頻率及傳播距離影響，若工作頻率或傳播距離增加，則傳輸損耗隨之增加，工作頻率或傳播距離增加一倍，則無線電波傳輸損耗分別增加6dB。

對(duì)TRF6900A 通信距離計(jì)算，不考慮實(shí)際操作各項(xiàng)因素對(duì)其影響，按照905的Datasheet，其實(shí)際發(fā)射功率達(dá)到10dBm，接收的靈敏度-100dbm，工作頻率為433.2MHz。套用公式2.1，最終得到結(jié)果為：d=17.5Km。

但是此計(jì)算結(jié)果僅僅為理想型的通訊距離，沒有考慮實(shí)際操作中各項(xiàng)意思對(duì)通訊距離的影響。故實(shí)際操作中，得到的數(shù)值往往低于該數(shù)值，實(shí)際操作需考慮到大氣環(huán)境、障礙物、多徑對(duì)通訊傳播造成的損耗影響，將損耗考慮到其中，得到符合實(shí)際的近似通訊距離。例如，若假設(shè)各方面的損耗為40dB，則得到最終的通訊距離為d=180M。

綜上所述，TRF6900A 以其自身穩(wěn)定的傳輸速率、可靠的傳輸距離、接口操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，可滿足系統(tǒng)需求。

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的3 連通多跳控制集

2.1.1 系統(tǒng)組成

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的3 連通多跳控制集其結(jié)構(gòu)為傳感器、前級(jí)處理電路、帶有A/D 轉(zhuǎn)換的ARM 單片機(jī)CC2430、無線收發(fā)模塊TRF6900A、以及射頻功率放大器組成；其主要由ARM 單片機(jī)CC2430、無線收發(fā)模塊TRF6900A、射頻功率放大器組成。

2.1.2 工作原理

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)部分基于支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的 32 位ARM7TDMI-STMCPU 微控制器。 ARM7TDMI-S 使用管道技術(shù)，處理和存儲(chǔ)系統(tǒng)的所有部分都能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)系。 CC2430 是每時(shí)每刻都在掃描按鍵的狀態(tài)，其可以通過中斷、查詢等方式，及時(shí)處理按鍵狀態(tài)，按照運(yùn)行的情況執(zhí)行功能，并以液晶顯示屏將執(zhí)行的功能顯示出來。

例如，通過TRF6900A 可對(duì)無線信號(hào)信息落實(shí)有效監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)接收頻率，則對(duì)應(yīng)載波檢測(cè)CD 被置高。若該模塊接收的地址分析發(fā)現(xiàn)其匹配AM 被置高，則在TRF6900A 接收到數(shù)據(jù)包，且分析發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包校驗(yàn)正常的，以TRF6900A 去掉前導(dǎo)碼地址和CRC 位，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)就緒DR 被置高。系統(tǒng)中 MCU 查詢，發(fā)現(xiàn)DR和AM 兩管腳主都是高后，可設(shè)置TRF6900A 到“standby ”模式，確保其以合適的速率，通過系統(tǒng)的SPI 接口獨(dú)處對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。MODBUS 命令全部接收后，MCU 執(zhí)行并處理命令，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，完成廣播采樣、發(fā)回采樣數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)性操作。

2.2 處理器CC2430

Chipcon 公司在無線電領(lǐng)域發(fā)展由來已久，其對(duì)相應(yīng)系統(tǒng)的研發(fā)技術(shù)的較為成熟，其系統(tǒng)運(yùn)行成本較低，一些射頻芯片功耗低，應(yīng)用價(jià)值高。例如，其發(fā)布的CC2430 產(chǎn)品作為一種可靠的系統(tǒng)芯片，可有效解決當(dāng)下無線電波傳輸問題。通過CC2430 產(chǎn)品的CMOS 解決方案，可以滿足以ZigBee 為核心的2.4GHz ISM 波段應(yīng)用，并且減少運(yùn)行中的成本投入，降低功耗。此方案對(duì)相關(guān)制造商造成巨大沖擊。之后，在家庭、樓宇供暖、供冷、物流及工業(yè)檢測(cè)等方面的終端產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)都有促進(jìn)作用，產(chǎn)品可使用相當(dāng)而且功耗低的CC2430 系列無線通信芯片。

CC2430 片上系統(tǒng)的功能模塊結(jié)構(gòu)如圖 2.4 所示。其芯片結(jié)合igBee 射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器優(yōu)勢(shì)，使用加強(qiáng)型的工業(yè)8 位8051 控制器核心，運(yùn)行時(shí)可以達(dá)到32MHz。此外，以CC2430 片為核心的系統(tǒng)其執(zhí)行時(shí)間較短，可迅速出去浪費(fèi)總線狀態(tài)方式，以051 指令集CC2430 增強(qiáng)型8051 內(nèi)核，有效提高系統(tǒng)運(yùn)行性能。系統(tǒng)HIA 可實(shí)現(xiàn)128KB 可編程閃存和8KB 的RAM，內(nèi)含有模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、上電復(fù)位電路、 32kHz 晶振的休眠模式定時(shí)器以及21 個(gè)可編程I/O 引腳。

系統(tǒng)芯片在正常接收及發(fā)射運(yùn)行中，電流損耗在低于27mA，且系統(tǒng)休眠及轉(zhuǎn)換的切換時(shí)間較短，可適當(dāng)延長(zhǎng)電池使用壽命。為實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用操作帶寬的處理，該CC2430 集成對(duì)定時(shí)要求苛刻，要求其滿足IEEE802.15.4MAC 協(xié)議，減少控制器所承擔(dān)的負(fù)擔(dān)。

從以上的描述中我們可以看出，CC243 0 集成度高，體積小，功耗低，非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。