【正文】 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)方案 緒 論 課題背景無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一門新興的，跨學(xué)科的技術(shù)，已經(jīng)引起了國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，被列為全球未來三大高科技產(chǎn)業(yè)之一，其發(fā)展速度驚人，并有著廣闊的前景。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)以及無線通信技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)之間能夠?qū)懽鞯膶?shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種客觀環(huán)境或監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)信息，并對這些信息進(jìn)行處理，有選擇性的將有用信息傳輸給需要這些信息的用戶。另一個(gè)方面，近幾年人們提出了物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things,IOT【1】）的概念，它可以認(rèn)為是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，通過把感應(yīng)器、處理器和無線通信模塊等設(shè)備嵌入到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、建筑、電器等各種物體中，使它們相互連接，構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)，它被稱為是繼計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮，由物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成智慧地球。智慧地球的基礎(chǔ)是需要世界更全面的互聯(lián)互通和更深入的智能化，它涉及幾乎所有的行業(yè)并賦予人們能力去越來越智慧地解決問題。國際上有多個(gè)國家和地區(qū)已經(jīng)啟動了相應(yīng)的研究計(jì)劃，如我國的“感知中國”概念、日本的UJapan計(jì)劃、韓國的UKorea計(jì)劃、美國的“智慧地球”等，而歐洲智能系統(tǒng)集成技術(shù)平臺（EPoSS）在《Internet of Things in 2020》中分析預(yù)測，未來物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將經(jīng)歷四個(gè)階段：2010年之前RFID被廣泛應(yīng)用于物流、零售和制藥領(lǐng)域，2010~2015年物體互聯(lián)，2015~2020年物體進(jìn)入半智能化，2020年之后物體進(jìn)入全智能化。這些技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，都為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了良好的外部環(huán)境，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將形成巨大的、全新的制造、運(yùn)營產(chǎn)業(yè)。美國總統(tǒng)信息科技顧問委員會的報(bào)告指出，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是21世紀(jì)最具有科技重要性和經(jīng)濟(jì)前途的九大領(lǐng)域之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是信息感知和采集技術(shù)的一場革命，作為一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域在基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用兩個(gè)方面向科技工作人員提出了大量的挑戰(zhàn)性研究課題。在此背景下，本文主要研究的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN【2】）是一種全新的信息獲取平臺，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種監(jiān)測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)的目標(biāo)檢測與跟蹤。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（如圖11）。圖11 典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量功能相同或不同的無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成，每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集某塊(傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器)、處理器模塊(微處理器)、通信模塊(無線收發(fā)器)和供電模塊(電池、DC/DC能量轉(zhuǎn)換器)等組成(如圖12)。處理器模塊通信模塊數(shù)據(jù)采集模塊 供電模塊圖12 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖 其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集，并將其傳給處理器單元；處理器模塊接收來自數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)并將其傳給通信模塊的接收端；通信模塊分為接收模塊和發(fā)送模塊，發(fā)送模塊將從處理器接收的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)模塊，完成通信；通電模塊為整個(gè)節(jié)點(diǎn)的各個(gè)模塊正常工作提供所需的能量。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)【3】：(1) 能量資源有限網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由電池供電，而電池的容量是有限的，這就決定了可用的能量石有限的，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般應(yīng)用在環(huán)境比較惡劣的地方，有的地方人類有甚至不能到達(dá)，這些特殊性決定了在應(yīng)用的過程中不能及時(shí)地更換電池，無法給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充能量，因此，需要高效地使用能量來最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期。(2) 硬件資源有限傳感器節(jié)點(diǎn)是一種微型嵌入式設(shè)備，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中會部署很多傳感器節(jié)點(diǎn)，要高效地使用能量就需要各節(jié)點(diǎn)具有低功耗、低成本的特點(diǎn)。由于能量有限，所能攜帶的處理器也有限，處理能力相對較弱，導(dǎo)致計(jì)算能力和存儲能力有限。在硬件設(shè)備受限的條件下，傳感器要完成正常的工作，如數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、管理、處理等，就要優(yōu)化設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)硬件的協(xié)調(diào)工作。(3) 大規(guī)模性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性包括兩個(gè)方面：一個(gè)方面是傳感器節(jié)點(diǎn)通常分布在很大的地理區(qū)域內(nèi)，在這些區(qū)域內(nèi)需要部署許多傳感器節(jié)點(diǎn)；另一個(gè)方面，在一定的比較小的空間內(nèi)分布大量傳感器節(jié)點(diǎn)，因此傳感器的分布比較密集。這種大規(guī)模性的優(yōu)點(diǎn)是：由于可以通過許多空間視角觀察傳感器網(wǎng)絡(luò)，因此獲得的信息具有更大的信噪比；大量冗余節(jié)點(diǎn)的存在，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有特別強(qiáng)的容錯(cuò)性；增大了監(jiān)測區(qū)域的覆蓋，可以減少盲區(qū)；通過利用分布式算法處理大量信息可以降低對單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)精度的要求。(4) 自組織性在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)往往被安置在沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方，通常是通過飛機(jī)播撒到未知區(qū)域，其位置不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點(diǎn)之間的相互鄰居關(guān)系也不知道，這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織的能力。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)播撒后，傳感器節(jié)點(diǎn)能自動進(jìn)行配置和管理，利用拓?fù)錂C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議形成多跳路由的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)能自動轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)(5) 多跳路由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳輸距離一般為幾十到幾百米，通信距離非常有限，節(jié)點(diǎn)只能和它相鄰的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積較大，因此需要采用多跳路由的方式進(jìn)行通信。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)沒有專門的路由設(shè)備，多條路由的功能由普通的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來完成。由于每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都或多或少的受到外界環(huán)境的影響，路由可能會隨時(shí)發(fā)生變化，因此會導(dǎo)致通信中斷。為了滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信能力，需要對網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)多條路由機(jī)制。(6) 網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性強(qiáng)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作的過程中，部分節(jié)點(diǎn)會附著于物體表面，因此節(jié)點(diǎn)會隨處移動。因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量有限，當(dāng)電能耗盡時(shí)，無線傳感器節(jié)點(diǎn)會出現(xiàn)故障或失效；由于外界環(huán)境的不斷變化，可能會造成通信鏈路的中斷并可能使帶寬發(fā)生變化；有時(shí)由于實(shí)際的需要，可能會在網(wǎng)絡(luò)中加入新的節(jié)點(diǎn)，這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)這種變化。(7) 可靠性傳感器網(wǎng)絡(luò)通常分布在環(huán)境特別惡劣甚至是人類不能到達(dá)的區(qū)域，有可能工作在露天環(huán)境，一般是通過飛機(jī)播撒隨機(jī)部署，這些都要求傳感器節(jié)點(diǎn)必須非常堅(jiān)固，不易損壞，能適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，否則就會造成通信的中斷；魚油監(jiān)測環(huán)境的特殊性以及傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目非常龐大，因此不能“人工”照顧到?jīng)]一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)一般維護(hù)起來比較困難甚至不可維護(hù)，這就需要傳感器網(wǎng)絡(luò)具有較好的魯棒性和容錯(cuò)性；由于傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事方面等一些需要保密的場所有所應(yīng)用，因此要防止監(jiān)測到的數(shù)據(jù)被他人盜取或得到別人偽造的數(shù)據(jù)，由于應(yīng)用的特殊性，這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)具有良好的保密性和安全性。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，因此，在應(yīng)用領(lǐng)域上也與傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)具有明顯的區(qū)別，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用領(lǐng)域【4】有:(1) 軍事領(lǐng)域 軍事領(lǐng)域是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)誕生的領(lǐng)域。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有快速部署、自組織、隱蔽性強(qiáng)及高抗毀能力等點(diǎn)，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)對敵軍兵力和裝備的監(jiān)控、戰(zhàn)區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、目標(biāo)的定位、戰(zhàn)場評估、核攻擊和生物化學(xué)攻擊的監(jiān)測和搜索等功能。目前國際上有很多機(jī)構(gòu)的課題都是以戰(zhàn)場需求為背景開展的。比如，美軍開展的C4KISR計(jì)劃、Smart Sensor Web、靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信、無人值守地面?zhèn)鞲衅魅?、傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)、網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)CEC等等。 在軍事領(lǐng)域應(yīng)用方面，該項(xiàng)技術(shù)的遠(yuǎn)景目標(biāo)是:利用飛機(jī)或火炮等發(fā)射裝置，將大量廉價(jià)傳感器節(jié)點(diǎn)按照一定的密度布放在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，對周邊的各種參數(shù)，如溫濕度、聲音、磁場、紅外線等各種信息進(jìn)行采集，然后由傳感器自身構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)關(guān)、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星等信道，傳回信息中心。(2) 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域 我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)對國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大。在這些方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有卓越的技術(shù)優(yōu)勢。它可用來監(jiān)視農(nóng)作物灌溉情況、土壤空氣變更、牲畜和家禽的環(huán)境狀況以及大面積地表監(jiān)測。 一個(gè)典型的監(jiān)測系統(tǒng)是由環(huán)境監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、Sink節(jié)點(diǎn)、通信網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)控中心軟件構(gòu)成。在實(shí)際部署時(shí)，可以根據(jù)需要，在待測區(qū)域內(nèi)安放不同功能的傳感器節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)，搜集需要的客觀環(huán)境信息。(3) 環(huán)境觀測 應(yīng)用于環(huán)境觀測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，一般具有部署簡單、便宜、長期不需要更換電池、無需派人現(xiàn)場維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。通過密集的節(jié)點(diǎn)布置，可以觀察到微觀的環(huán)境因素，為環(huán)境研究和環(huán)境監(jiān)測提供一條嶄新的途徑。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境觀測領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)有很多的應(yīng)用實(shí)例了，包括:對海島鳥類生活規(guī)律的觀測:氣象現(xiàn)象的觀測和天氣預(yù)報(bào)。森林火警。生物群落的微觀觀測。洪災(zāi)預(yù)警等。(4) 建筑領(lǐng)域 在建筑領(lǐng)域內(nèi)，各類大型工程的安全施工及監(jiān)控是建筑設(shè)計(jì)單位長期關(guān)注的問題，比如三峽工程、海底電纜、奧運(yùn)場館等。采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以讓大樓、橋梁和其它建筑物能夠自身感覺并意識到它們自己的狀況，使得安裝了傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能建筑自動告訴管理部門它們的狀態(tài)信息，從而讓管理部門按照優(yōu)先級進(jìn)行定期的維修工作。(5) 醫(yī)療監(jiān)護(hù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)測人體生理數(shù)據(jù)、老年人健康狀況、醫(yī)院藥品管理以及遠(yuǎn)程醫(yī)療等方面同樣可以發(fā)揮出色的作用。在病人身上安置體溫采集、呼吸、血壓等監(jiān)測傳感器，醫(yī)生便可以遠(yuǎn)程了解病人的情況。利用傳感器網(wǎng)絡(luò)長時(shí)間地收集人的生理數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在研制新藥品的過程中也非常有用。 美國Intel公司目前正在研制家庭護(hù)理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是美國“應(yīng)對老齡化社會技術(shù)項(xiàng)目”的一個(gè)環(huán)境。根據(jù)演示，該系統(tǒng)在鞋、家具、以及家用電器等設(shè)備上嵌入傳感器，幫助老年人及患者、殘障人士獨(dú)立地進(jìn)行家庭生活，并在必要時(shí)由醫(yī)務(wù)人員、社會工作者進(jìn)行幫助。 本文主要內(nèi)容以及文章結(jié)構(gòu) 本文將從無線傳感器的硬件特性分析和通信協(xié)議的構(gòu)想，硬件電路的設(shè)計(jì)，簡單MAC協(xié)議和路由協(xié)議的設(shè)計(jì)、軟硬件調(diào)試及相關(guān)結(jié)果介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。本文的內(nèi)容安排如下：第一章是緒論部分；第二章是硬件設(shè)計(jì)方案；第三章是軟件設(shè)計(jì)方案；第四章是調(diào)試及調(diào)試結(jié)果；最后將得出結(jié)論。 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如上介紹無線傳感器節(jié)點(diǎn)的基本組成包括數(shù)據(jù)采集模塊(傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器)、數(shù)據(jù)處理和控制模塊(微處理器、存儲器)、通信模塊(無線收發(fā)器)和供電模塊(電池、DC/DC能量轉(zhuǎn)換器)。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)處理和控制模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲和處理本地采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)；通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；供電模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需要的能量，通常采用微型電池，下不做詳細(xì)介紹。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)處理單元是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心，和其他單元一起完成數(shù)據(jù)的采集、處理和收發(fā)。從處理器的角度看，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基本可以分為兩類：一類采用以ARM處理器為代表的高端處理器。該類節(jié)點(diǎn)的能量消耗比采用微控制器大很多，但是其處理能力也強(qiáng)很多，適合圖像等高數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)的應(yīng)用，也適合作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。另一類是以采用單片機(jī)為代表的節(jié)點(diǎn)。該類節(jié)點(diǎn)的處理能力較弱，但是能量消耗功率也很小。本課題的設(shè)計(jì)要求比較低，采用能耗較小的單片機(jī)是合適的。本課題選擇AT89C51，其是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。另外其良好的適應(yīng)性和強(qiáng)大的功能能滿足本設(shè)計(jì)的需要。 通信模塊通信模塊主要是指無線收發(fā)器，在選擇無線收發(fā)芯片時(shí)應(yīng)考慮需要以下幾點(diǎn)因素：功耗、發(fā)射功率、接收靈敏度、收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量、芯片成本、數(shù)據(jù)傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼等。本課題選擇315無線收發(fā)模塊。315無線收發(fā)模塊由發(fā)射模塊和接收模塊組成，由于其工作頻率為315MHz，故取名315收發(fā)模塊。315無線發(fā)射模塊的主要參數(shù)及特點(diǎn)如下：（1）通訊方式：調(diào)幅AM（2）工作頻率：315MHZ（3）頻率穩(wěn)定度：177。75KHZ（4）發(fā)射功率：≤500MW（5）靜態(tài)電流：≤（6）發(fā)射電流：3～50MA（7）工作電壓：DC 3～12V 圖21 DF數(shù)據(jù)模塊DF數(shù)據(jù)模塊（如圖21）具有較寬的工作電壓范圍3～12V，當(dāng)電壓變化時(shí)發(fā)射頻率基本不變,和發(fā)射模塊配套的接收模塊無需任何調(diào)整就能