依賴IEEE802.15.4的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在燈光控制中的應(yīng)用

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，在現(xiàn)實(shí)生活中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。隨著通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，傳感器正逐漸向智能化、微型化、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)外主要研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低功耗硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)、路南算法和拓?fù)?/strong>控制、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、定位技術(shù)等。這個(gè)設(shè)計(jì)以檢測(cè)光線強(qiáng)度的傳感器為例，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)傳感器所檢測(cè)的光線強(qiáng)弱來(lái)關(guān)閉或開(kāi)啟指示燈。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、短程無(wú)線通信技術(shù)，有著廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)不需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動(dòng)，不需要原先任何固定網(wǎng)絡(luò)的支持，能夠快速布置，方便調(diào)整，并且具有很好的可維護(hù)性和拓展性。

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)適用于低速率、低功耗、低復(fù)雜度和短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的無(wú)線傳輸過(guò)程中，采用帶沖突避免的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)機(jī)制(CSMA／CA)，支持超幀結(jié)構(gòu)和時(shí)槽保障機(jī)制(GTS)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是星型網(wǎng)或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的對(duì)等網(wǎng)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了3種數(shù)據(jù)傳輸頻率，分別為868MHz、915MHz、2.4GHz。前兩種傳輸頻率采取BPSK的調(diào)制方式，后一種采取0-0PSK的調(diào)制方式。各種頻率分別支持20 kbit／s，40kbit／s和 250 kbit／s的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率，傳輸距離在0m～70m之間。本義中采用的是頻率為2.4GHz的無(wú)線發(fā)射模塊。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)組建

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)由光強(qiáng)傳感器模塊、微處理器模塊、無(wú)線發(fā)射模塊三個(gè)部分組成，如圖1所示。微處理器模塊和無(wú)線發(fā)射模塊集成在一塊板子上，而光強(qiáng)傳感器模塊通過(guò)接口與微處理器相連，這樣可以通過(guò)更換不同的傳感器模塊來(lái)應(yīng)用于各種場(chǎng)合。

光強(qiáng)傳感器模塊

由于各種不同的應(yīng)用場(chǎng)合中需要采集的模擬量千籌萬(wàn)刖，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中傳感器模塊采用了擁有50針插針的通用接口。這樣可以通過(guò)更換不同的傳感器模塊子板來(lái)應(yīng)用于各種場(chǎng)合。傳感器電路部分設(shè)計(jì)采用power。gating技術(shù)在無(wú)數(shù)據(jù)采集任務(wù)時(shí)降低功耗。

微處理器模塊

微處理器選用8位低功耗微控制器ATMEGA128，數(shù)據(jù)吞吐率很高，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。相對(duì)于其他通用的8位微處理器來(lái)說(shuō)，它具有非常豐富的資源，具有片內(nèi)128k字節(jié)的程序存儲(chǔ)器(Flash)，4k字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SRAM，可外擴(kuò)到64k)和4k字節(jié)的EEPROM。它高速和大容量RAM的特性，為處理數(shù)據(jù)包提供了便利。

無(wú)線發(fā)射模塊

無(wú)線發(fā)射模塊采用的是Chipcon公司的CC2420芯片。CC2420是TI-Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。該芯片只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過(guò)了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。

組網(wǎng)類型

在本文中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采取星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器作為中心節(jié)點(diǎn)，可以跟任何一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)通信。普通節(jié)點(diǎn)上含有光強(qiáng)傳感器對(duì)周圍環(huán)境中的光信號(hào)強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、采樣，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)往中心節(jié)點(diǎn)，并且可以對(duì)中心節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)、命令進(jìn)行分析處理，完成相應(yīng)的操作。若兩個(gè)普通節(jié)點(diǎn)之間要傳送數(shù)據(jù)則必須經(jīng)過(guò)中心節(jié)點(diǎn)，由中心節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。

組網(wǎng)流程

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)自組織的網(wǎng)絡(luò)，如果一個(gè)全功能節(jié)點(diǎn)被激活，它就可能建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)并把自己沒(méi)為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，其他的普通節(jié)點(diǎn)可以申請(qǐng)加入該網(wǎng)絡(luò)。這樣就可以建成一個(gè)具有星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本文中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)支持超幀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器經(jīng)過(guò)能量掃描、主動(dòng)信道掃描后，按照設(shè)定的參數(shù)周期性的發(fā)送信標(biāo)幀。普通節(jié)點(diǎn)首先經(jīng)過(guò)能量掃捕和被動(dòng)信道掃描后，獲取信標(biāo)幀中包含網(wǎng)絡(luò)特征的參數(shù)，如信標(biāo)序號(hào)(beaconorder)、超幀序號(hào)(superframeorder)和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)等。通過(guò)mlmeSyncRequest()函數(shù)(根據(jù)MLME-SYNC.request原語(yǔ)編寫)請(qǐng)求與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器同步，再通過(guò)mlmeAssociateRequest()函數(shù)(根據(jù)MLME-ASSOCIATE.request原語(yǔ)編寫)請(qǐng)求與網(wǎng)絡(luò)協(xié)涮器關(guān)聯(lián)。在與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器關(guān)聯(lián)的過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為每個(gè)請(qǐng)求關(guān)聯(lián)的普通節(jié)點(diǎn)分配16位的短地址。這樣在以后的數(shù)據(jù)傳送中就可以用短地址進(jìn)行通信，提高通信效率、降低發(fā)射中的能量消耗，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。

數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制

數(shù)據(jù)格式

在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中定義了四種幀，分別是信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀、命令幀、確認(rèn)幀。存燈光控制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，這四種幀都得到了應(yīng)用。

(1) 信標(biāo)幀：用以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在支持超幀結(jié)構(gòu)的第一個(gè)時(shí)槽向其臨近節(jié)點(diǎn)廣播信標(biāo)，當(dāng)附近的節(jié)點(diǎn)接受到信標(biāo)幀后就可以申請(qǐng)加入該網(wǎng)絡(luò)。信標(biāo)幀的結(jié)構(gòu)如表1所示，在幀控制域中定義了幀的類型為信標(biāo)幀。

由于本文中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用相對(duì)簡(jiǎn)單的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在信標(biāo)幀的結(jié)構(gòu)上與IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)有所不同：在信標(biāo)幀的地址域中儀包含源節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)和短地址，不包含目的節(jié)點(diǎn)信息(因?yàn)椴捎脧V播方式發(fā)送)。在信標(biāo)幀中沒(méi)有GTS域，不支持時(shí)槽保障機(jī)制。

(2) 數(shù)據(jù)幀：用來(lái)傳送含有光強(qiáng)度信息的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)如表2所示，在幀控制域中定義了幀的類型為數(shù)據(jù)幀。

在地址域中包含源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的剛絡(luò)標(biāo)號(hào)和短地址。由于數(shù)據(jù)幀的傳送方向有兩種：從普通節(jié)點(diǎn)傳向中心節(jié)點(diǎn)和從中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送給普通節(jié)點(diǎn)。它們的數(shù)據(jù)負(fù)載域的長(zhǎng)度不同，分別20字節(jié)和1字節(jié)。

(3) 命令幀：用于組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、傳輸同步數(shù)據(jù)等。命令幀在格式上和其他類型的幀沒(méi)有太多的區(qū)別，其結(jié)構(gòu)如表3所示。

在幀控制域中定義了幀的類型為命令幀，其地址域根據(jù)不同的命令存存兩種長(zhǎng)度，命令幀的具體功能由幀的負(fù)載數(shù)據(jù)表示。負(fù)載數(shù)據(jù)是一個(gè)變長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，所有命令幀負(fù)載的第一個(gè)字節(jié)是命令類型字節(jié)，后面的數(shù)據(jù)針對(duì)不同的命令類型有不同的含義。在本文所建立的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，用到的命令類型有關(guān)聯(lián)請(qǐng)求(association request)、關(guān)聯(lián)響應(yīng)(Association response)、數(shù)據(jù)請(qǐng)求(Data request)等。

(4) 確認(rèn)幀：用以確認(rèn)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)成功接收到數(shù)據(jù)幀或命令幀。當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)成功接收到數(shù)據(jù)幀或命令幀后，就發(fā)送一個(gè)確認(rèn)幀給發(fā)送方。發(fā)送方接收到這個(gè)確認(rèn)幀說(shuō)明發(fā)送成功。若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到確認(rèn)幀，則重發(fā)該數(shù)據(jù)幀或命令幀。確認(rèn)幀的結(jié)構(gòu)如表4所示。

在幀控制域中定義了幀的類型為確認(rèn)幀。確認(rèn)幀的序列號(hào)要與被確認(rèn)幀相同，并且負(fù)載長(zhǎng)度為零。確認(rèn)幀緊接著被確認(rèn)幀發(fā)送，不需要使用CSMA-CA機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)信道。

傳輸流程

在整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，采取的是普通節(jié)點(diǎn)定時(shí)讀取其傳感器上的光強(qiáng)數(shù)據(jù)，并將光強(qiáng)數(shù)據(jù)發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)對(duì)接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后傳送給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)用以控制其上的指示燈。在中心節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

首先，網(wǎng)絡(luò)絡(luò)協(xié)調(diào)器對(duì)接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行檢驗(yàn)，圖中的"節(jié)點(diǎn)判斷"是判斷是否為指定節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)。若接收的數(shù)據(jù)是指定節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)，則將該數(shù)據(jù)與一個(gè)光強(qiáng)度閾值進(jìn)行比較來(lái)設(shè)定控制變量(用來(lái)控制燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài))。反之，則不進(jìn)行發(fā)送操作。然后，判斷帶有指示燈的節(jié)點(diǎn)是否加入網(wǎng)絡(luò)。若在網(wǎng)絡(luò)中找到帶有指示燈的節(jié)點(diǎn)，則中心節(jié)點(diǎn)將控制變量作為數(shù)據(jù)幀負(fù)載發(fā)送給它。反之，則不發(fā)送帶有控制變量的數(shù)據(jù)幀。

結(jié)束語(yǔ)

在我們?cè)O(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，普通節(jié)點(diǎn)將它采集的光強(qiáng)數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將含有控制變量的數(shù)據(jù)幀發(fā)送給帶有指示燈接點(diǎn)的同時(shí)，還可以通過(guò)串口將光強(qiáng)度數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)。通過(guò)安裝存計(jì)算機(jī)上的后臺(tái)軟件，可以看出光強(qiáng)度信號(hào)的變化。如圖3所示，通過(guò)遮蓋光強(qiáng)傳感器可以改變采集到的光強(qiáng)數(shù)據(jù)，當(dāng)光強(qiáng)度比較低時(shí)曲線下降，反之曲線上升。從圖3中，可以明顯看出，在這一段時(shí)間中傳感器被遮蓋了兩次。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，從無(wú)線傳輸協(xié)議的制定、傳輸過(guò)程控制等幾個(gè)方面進(jìn)行了論述。在實(shí)際運(yùn)用中，只要對(duì)具體的傳感器進(jìn)行更換，就可以適用于各種各樣的傳感器網(wǎng)絡(luò)。此系統(tǒng)適用于家庭、大廈內(nèi)部環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)控及智能化處理。由于無(wú)線傳感器系統(tǒng)組網(wǎng)靈活，采用模塊化的設(shè)計(jì)，故具有很好的移植性和擴(kuò)展性，隨著人們生活水平的提高，此系統(tǒng)在智能家電、家庭環(huán)境的智能調(diào)節(jié)上有著廣闊的前景。