一種基于無線傳感器網絡的動態數據采集系統設計

摘 要：動態數據采集有著采集范圍大、采集點眾多、數據通信困難、布線空間有限、自動作業等特點，傳統的以總線方式組成網絡的采集系統很難滿足這種應用要求。提出一種基于無線傳感器網絡的動態數據采集系統設計方案，具有低功耗、靈活性強、可擴展好、體積小、成本低等特點，解決了傳統的采集系統的設計瓶頸，并具有新的優異特性。

關鍵詞：無線傳感器網絡；動態數據采集；ZigBee；TinyOS

中圖分類號：T18文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2007）12-0272-02

1 引言

無線傳感器網絡是是一門新興的信息技術，由一組按需隨機分布的集成有傳感器、數據處理單元、無線通信模塊和能量供應模塊的微型傳感器節點以自組織方式構成的無線網絡， 融合了信息處理技術、微電子技術、計算機技術和無線網絡技術，已經引起了世界許多國家的軍事部門、工業界和學術界的極大關注。

對于動態數據采集系統中的采集節點來說，其硬件設計主要有三點要求。第一，動態數據采集系統的采集對象往往是目標的溫度、濕度、速度等參數，整個系統需要在無人環境下長期正常工作，因此低功耗設計是動態數據采集系統的首要要素；第二，動態數據采集系統處理數率較低、數據傳輸量少、主要采用無線傳輸的形式，因此選擇無須許可的、合適、低價的通信方式是保證動態數據采集系統正常工作的關鍵。第三，系統采集的對象主要是人體、動物、車輛等等動態目標，為了實現監控的方便，采集節點還必須要滿足體積小、靈活性等特點。

2 無線傳感器網絡的節點結構

一個典型的無線傳感器網絡節點設計包括了傳感器單元、數據處理單元、無線通信單元和電源管理單元，以及用戶接口等一些擴展設計單元，如圖1：

3 節點硬件分析

目前，兩種典型的無線傳感器網絡節點研究平臺是mica系列和telos系列節點，它們采用目前應用最廣泛的TinyOS嵌入式網絡操作系統。

3.1 mica系列節點

mica系列節點包括Wec、Renee、mica2、mica2dot、Spec、micaz等，其中一些已經被Crossbow公司產品化。mica系列節點在硬件上由兩個部分組成，一個模塊是運算和通信平臺，另一個模塊是傳感器平臺。兩者之間通過51針的自定義接口連接。這種統一的接口使得不同的通信平臺和不同的傳感器平臺之間可以自由的組合。mica系列節點目前很大程度上都是作為研究使用的。為了能夠方便地對節點進行程序功能更新，Crossbow公司開發了一系列的開發工具，例如:MIB500、MIB510、MIB600等。

3.2 telos系列節點

telos節點是美國國防部DARPA支持NEST項目的一個部分，與mica系列比較，它的設計結構有很大變動。

(1) 在通信模塊選擇上，采用TI公司的支持IEEE802.15.4協議的CC2420芯片，這與micaz節點是一致的；250kbps的數據收發速率可以使節點更快的完成事件的處理，快速休眠，節省系統能量。而且CC2420支持ZigBee協議，標準化的通信協議有利于實現節點之間的互通。

(2) 采用TI公司的超低功耗微處理器芯片MSP430。

(3) telos本身就有SHT11溫濕度一體化器件，能夠作為獨立的傳感器節點使用。

(4) telos沒有mica2那樣豐富的外部引腳，只有一個10腳的接口，一方面可以連接簡單的傳感器板，另一方面可以通過一塊適配板與mica2系列部件互聯。通過適配板，telos和mica2通過UART可以實現一個2.4GHz的IEEE802.15.4到CC1000的915MHz-ISM頻段之間的網關，通過適配板，telos還可以直接控制與mica2連接的傳感器板。

(5) 使用USB-COM的橋連接，可以直接通過USB接口供電、編程和控制，進一步簡化外部接口。

3.3 本系統節點硬件平臺

本系統的硬件設計參考telos平臺，是telos平臺一次再設計過程。系統設計弱化傳感器部分的設計，對無線通信模塊選用射頻模塊電路，設計重點在微處理器模塊地電路實現上。同時，為了增加動態數據采集系統應用性，添加了PC接口電路，使得本設計可以作為動態終端節點，亦可以作為服務器的網關。

動態數據采集硬件平臺上選用MSP430F149微處理器芯片和FLASH芯片AT45DB041B分別作為處理器單元和存儲單元；選用FT232BM芯片完成MSP430的BSL編程電路和MSP430與PC的串行通信接口；選用CC2420射頻模塊完成無線數據收發；在電源管理上，當設計作為網關時選擇USB供電，當作為終端可用干電池供電。硬件原理框圖如圖2所示，與無線傳感器網絡節點設計相比，結構上具有一致性，同樣具有采集單元、處理和控制單元、無線通信單元和電源管理單元。

3.4 TinyOS嵌入式網絡操作系統

TinyOS是加州大學伯克利分校開發的一種開源的嵌入式網絡操作系統，基于組件化編程，是針對無線傳感器網絡設計的一種操作系統。

TinyOS的程序采用模塊化設計，程序核心都很小，一般來說核心代碼和數據大概在400 Bytes左右，突破了傳感器節點存儲資源少的限制，這使得TinyOS能很有效的運行在無線傳感器網絡上并去執行相應的管理工作。

TinyOS的組件有四個相互關聯的部分：一組命令處理程序句柄、一組事件處理程序句柄、一個經過封裝的私有數據幀和一組簡單任務；任務、命令和事件處理程序在幀的上下文中執行并切換幀的狀態。為了易于實現模塊化，每個組件還聲明了自己使用的接口及其要用信號通知的事件，這些聲明將用于組件的相互連接。如圖3所示為一個支持多跳無線通信的組件集合與這些組件之間的關系，上層組件對下層組件發命令，下層組件對上層組件發信號通知事件的發生，最低層的組件直接和硬件打交道。

TinyOS的組件通常可以分為以下三類：硬件抽象組件、合成組件、高層次的軟件組件；硬件抽象組件將物理硬件映射到TinyOS組件模型中，合成硬件組件模擬高級硬件的行為，高層次軟件模塊完成控制、路由以及數據傳輸等。

TinyOS使用基于事件的執行方式以滿足無線傳感器網絡需要的高水平運行效率。事件模塊在一個較小的空間內允許高效并發處理運行。當事件被觸發后，CPU會迅速處理所有與發出信號事件關聯的任務;當該事件以及所有關聯任務被處理完畢后，將未被使用的CPU循環置于睡眠狀態而不是積極尋找下一個活躍的事件。TinyOS這種事件驅動方式使得系統高效地使用CPU資源，保證了能量的高效利用。

4 結語

無線傳感器網絡是一門新興的信息技術，本文著眼無線傳感器節點硬件平臺的設計，完成了硬件模塊的劃分、芯片的選型、軟件系統以及通信方式的選擇，設計出了針對動態數據采集系統的無線傳感器網絡，具有低功耗、擴展性好、靈活性強、成本低等傳統數據采集系統難以達到的特性。 

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