一種藍牙傳感器網(wǎng)絡的設計與實現(xiàn)

藍牙是一種短距無線通信的技術規(guī)范。由于藍牙具有工作在2.4 GHz的ISM(industrial，scientific and medi-cal)頻段；可以同時傳輸語音和數(shù)據(jù)；有很好的抗干擾能力和低功耗等特點。采用藍牙技術構建由固定傳感器節(jié)點組成的藍牙傳感器網(wǎng)絡，是無線傳感器領域內一個新興的研究方向，可以在一些特殊的場合實現(xiàn)信息的采集、處理和發(fā)送。

介紹了一種用于廣場環(huán)境監(jiān)測的藍牙傳感器網(wǎng)絡的構建和傳感器節(jié)點的設計，研究了藍牙傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點定位和電源問題。最后，探討了WSNs領域內存在的問題和發(fā)展方向。

1 藍牙傳感器網(wǎng)絡構建

整個藍牙傳感器網(wǎng)絡由若干藍牙傳感器節(jié)點和監(jiān)控主機組成，其中，無線傳感器節(jié)點分布于需要監(jiān)測的廣場四周，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、預處理和傳輸?shù)裙ぷ?；監(jiān)控主機放置在智能小車內，通過藍牙模塊與傳感器節(jié)點通信。

1.1 藍牙傳感器網(wǎng)絡模型

為了把信號輸入到終端，采用了藍牙，而沒有采用有線、紅外和光等進行傳輸信號，原因在于它最適合短距離無線低功率通信，用它組建的傳感器網(wǎng)絡被稱為藍牙傳感器網(wǎng)絡。

為了對藍牙傳感器網(wǎng)絡進行直觀的說明，構建了藍牙傳感器網(wǎng)絡模型。藍牙傳感器網(wǎng)絡模型基于鄰近組網(wǎng)的原則，2個彼此靠近到一定程度的藍牙傳感器可以自發(fā)地由藍牙模塊建立通信鏈接。藍牙組網(wǎng)時最多可以有256個藍牙設備單元連接起來組成微微網(wǎng)(Piconet)，其中，1個主節(jié)點和7個從節(jié)點處于工作狀態(tài)，而其他節(jié)點則處于空閑模式。主節(jié)點負責控制異步無連接(asynchronous connec-tionless，ACL)鏈接的帶寬，并決定微微網(wǎng)中的每個節(jié)點可以占用多少帶寬及連接的對稱性。從節(jié)點只有被選中時才能發(fā)送數(shù)據(jù)，即從節(jié)點在發(fā)射數(shù)據(jù)前必須接受輪詢。微微網(wǎng)絡之間可重疊交叉，從設備單元可以共享。由多個相互重疊的微微網(wǎng)組成的網(wǎng)絡稱為散射網(wǎng)(Seatternet)。

用于廣場環(huán)境監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡是由預先放置在廣場四周的傳感器節(jié)點組成微微網(wǎng)，各微微網(wǎng)組成散射網(wǎng)。其網(wǎng)絡通信體系結構如圖1所示。節(jié)點具有傳感、信號處理和無線通信功能，它們既是信息包的發(fā)起者，也是信息包的轉發(fā)者。通過網(wǎng)絡自組織和多跳路由，將數(shù)據(jù)向監(jiān)控發(fā)送。

1.2 藍牙傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位

節(jié)點定位機制是指依靠有限的位置已知節(jié)點，確定布設區(qū)中其他節(jié)點的位置，在傳感器節(jié)點間建立起空間關系的機制。在大多數(shù)情況下，只有結合位置信息，傳感器網(wǎng)絡獲取的數(shù)據(jù)才有實際意義。另外，對藍牙傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的研究也要利用節(jié)點的位置信息。在網(wǎng)絡層，因為藍牙傳感器網(wǎng)絡節(jié)點無全局標志，設計了基于節(jié)點位置信息的路由算法；在應用層，根據(jù)節(jié)點位置，藍牙傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)可以智能地選擇一些特定的節(jié)點來完成任務，從而降低整個系統(tǒng)的能耗，提高系統(tǒng)的存活時間。

由于設計的藍牙傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)中各個傳感器節(jié)點位置固定，可以采用基于測距的節(jié)點定位機制。通過測量節(jié)點問點到點的距離，使用最大似然估計法計算節(jié)點位置?；跍y距定位機制要求2個節(jié)點具有測量相互間距離的能力。采用了TDOA(time difference on arrival)：測距技術。在節(jié)點上安裝超聲波收發(fā)器和藍牙收發(fā)器。測距時，在發(fā)射端，2種收發(fā)器同時發(fā)射信號，利用聲波與電磁波在空氣中傳播速度的巨大差異在接收端通過記錄2種不同信號到達時間的差異，基于已知信號傳播速度，直接把時間轉換為距離。該技術的測距精度可達到厘米級，但受限于超聲波傳播距離有限和非視距(NLOS)問題對超聲波信號的傳播影響。

2 傳感器節(jié)點設計

傳感器節(jié)點的設計主要包括：硬件的設計、軟件的設計和電源的設計。

2.1 傳感器節(jié)點總體設計

在不同的應用中，傳感器節(jié)點設計也各不相同，但是，它們的基本結構是一樣的。根據(jù)具體需要，設計出的傳感器節(jié)點主要包括以下幾個子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、無線通信子系統(tǒng)和電源子系統(tǒng)構成，節(jié)點結構示意圖如圖2所示。

2.2 傳感器節(jié)點硬件設計

傳感器節(jié)點主要由超低功耗處理器、各種傳感器及其輔助電路構成。節(jié)點原理圖如圖3所示。

2.3 電源問題

電源問題是WSNs中的關鍵問題。只有提供長期有效的能源才能使傳感器網(wǎng)絡降低維護運行成本，進一步體現(xiàn)其巨大優(yōu)勢。為了最大限度節(jié)約電能，在節(jié)點的設計中，單片機以最快的速度執(zhí)行任務，一旦有可能就進入節(jié)能模式。在節(jié)能模式中，通過電源管理電路，將除單片機、藍牙模塊和硬件看門狗以外器件的供電切斷。這時只有硬件看門狗、單片機的串口中斷邏輯和藍牙模塊消耗電能，可以最大限度地節(jié)約電能。

節(jié)點啟動后，執(zhí)行完必須的任務，包括初始化藍牙設備，獲得本地地址等，就進入節(jié)能模式。進入節(jié)能模式后，如果監(jiān)控中心需要訪問該節(jié)點，就通過藍牙模塊喚醒該節(jié)點的單片機。

2.3.1 電源管理

傳感器網(wǎng)絡的電源管理采用動態(tài)功率管理模式是降低系統(tǒng)耗能的有效設計方法。動態(tài)功率管理是一種有效地能夠在降低系統(tǒng)功率消耗而不影響系統(tǒng)性能的辦法。最基本的思想就是傳感器節(jié)點內部各個設備在不需要時關閉，而在需要時喚醒。從而可以使傳感器適時進入相應的低功耗模式，降低總體能量消耗。動態(tài)功率管理技術適用的基本前提是，系統(tǒng)元件在工作時間內有著不相同的工作量，大多數(shù)的系統(tǒng)都具有此種情況。另一個前提是，可以在一定程度上確信能夠預知系統(tǒng)、元件的工作量的波動性。這樣才有轉換耗能狀態(tài)的可能，并且，在對工作量的觀察和預知的時間內，系統(tǒng)不可以消耗過多的能量。在傳感器網(wǎng)絡中，構成傳感器節(jié)點的各個模塊有不同的功率狀態(tài)，因而，電源管理采用動態(tài)功率管理是比較合適的。動態(tài)功率管理系統(tǒng)中，不同元件的工作狀態(tài)要動態(tài)地適應不同程度的性能要求，只有這樣才能最小化空閑時間浪費的能量或者無用元件浪費的能量。對于電源管理實施時間的判斷，要用到動態(tài)預知方法，根據(jù)歷史的工作量預測即將到來的工作量，決定是否轉換工作狀態(tài)和何時喚醒。

2.3.2 能耗的降低措施

1) 采用系統(tǒng)芯片技術、MEMS技術、特定用途集成電路等新技術可以大大減少傳感器網(wǎng)絡部件，減少能耗；

2) 采用傳感器數(shù)據(jù)融合技術能夠減少網(wǎng)絡通信量，降低數(shù)據(jù)冗余度，提高能量效率；

3) 減少傳輸誤差也能降低能量的消耗。

2.4 傳感器節(jié)點軟件設計

在網(wǎng)絡中，每個節(jié)點都有一個固定的地址(由藍牙模塊地址決定)，其中，連接于監(jiān)控主機的傳感器節(jié)點是一個特殊的節(jié)點，它采用串行接口與藍牙模塊和監(jiān)控主機通信。數(shù)據(jù)的傳送采用主從站方式，與監(jiān)控主機連接的節(jié)點作為主站，控制網(wǎng)絡內的通信時序；其他節(jié)點作為從站，可以被主站尋址。

傳感器節(jié)點軟件設計分為主機點軟件設計和從節(jié)點軟件設計2個部分。主節(jié)點主要完成采集各從節(jié)點數(shù)據(jù)，進而分析、處理數(shù)據(jù)；從節(jié)點主要完成各種傳感器原始數(shù)據(jù)的采集和預處理工作。

2.4.1 主節(jié)點程序設計

主節(jié)點中，監(jiān)控主機與主機控制器(藍牙模塊)之間是通過藍牙主機控制器接口(host controller interface．HCI)收發(fā)分組(Packet)的方式進行信息交換的。主機控制器執(zhí)行監(jiān)控主機指令后產(chǎn)生結果信息，主機控制器通過相應的事件分組將此信息發(fā)給監(jiān)控主機。在藍牙傳感器網(wǎng)絡中，主節(jié)點上的藍牙模塊與其他節(jié)點的藍牙模塊最簡單的ACL數(shù)據(jù)通信流程有5個步驟：藍牙模塊自身初始化、查詢、建立連接、進行數(shù)據(jù)通信和斷開連接。主節(jié)點程序的流程圖如圖4所示。

依據(jù)處理后的數(shù)據(jù)既可以實時掌握廣場環(huán)境信息，對突發(fā)事件及時采取相應措施，還能根據(jù)廣場上的亮度情況來設定照明亮度和照明時間，既能預警，又節(jié)能。

2.4.2 從節(jié)點程序設計

從節(jié)點程序主要完成采集各種傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過初步處理后傳送給主節(jié)點，其程序流程圖如圖5所示。

3 結束語

整個網(wǎng)絡采用主從站結構，由主站統(tǒng)一控制網(wǎng)絡內的通信時序。節(jié)點以低功耗單片機ATmega128L為核心，采用藍牙模塊進行通信。在軟件方面，采用串口中斷的方法接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。節(jié)點使用電池供電，利用單片機的節(jié)能模式，可以最大限度節(jié)約電能，延長節(jié)點的使用壽命。實驗表明：采用這種模式建立的WSNs穩(wěn)定可靠，通信效率高。