小型無線傳感器網絡的實現與WLAN互聯

滕 飛，賈懷義

（北京交通大學電子信息工程學院，北京100044）

在傳統的無線傳感網絡（WSN）中，傳感器節點通常是散布于一些用戶感興趣的，并且有時并不連續的區域。但是單個傳感器節點的通信范圍和數據處理能力十分有限，因此這些分散區域的傳感器節點間的通信，以及數據如何匯聚到監控中心就成了一個需要關注的問題。基于IEEE 802.11標準的無線局域網（WLAN）目前已十分成熟，它具有覆蓋范圍大（相對于WSN），組網靈活，運行成本較低等特點，因此，兩種網絡的結合可以彌補上述單純用WSN組網的不足[1]。

1 系統結構

本文提出的網絡系統整體結構可分為兩部分，如圖1。

圖1 系統結構圖

（1）傳感器網絡，幾個傳感器網絡按照需要，分布于需要監控的幾個并不連續的區域。每個傳感器網絡由3種不同類型的設備組成：終端設備（ED）、中繼設備（RE）和數據中心（DC），這3種設備協同工作完成WSN的各項功能。（2）WLAN網絡，它在較大的區域實現無線覆蓋，在WLAN網絡中，WSN的數據中心通過WLAN接口以無線的方式發送至WLAN內的監控設備。

2 基于SimpliciTI協議的小型無線傳感器網絡的設計與實現

2.1 SimpliciTI網絡協議

SimpliciTI協議是TI公司推出針對簡單小型無線網絡的專有低功耗無線網絡協議。該協議所需的硬件資源較少，具有低成本、低功耗、易于開發等特點。

協議主要包括3層，如圖2，用戶主要在應用層進行相應開發來實現各種功能的網絡系統[2]。

圖2 SimpliciTI協議框架

2.2 傳感器網絡系統描述

本文設計與實現的基于SimpliciTI協議的WSN，在室內環境中對光照強度和溫度進行采集。數據中心通過串口與電腦相連，如圖3，通過電腦可以實現對WSN的監控。

圖3 無線傳感器網絡示意圖

終端設備由射頻模塊、傳感器模塊和電源模塊組成，由它來實際負責環境數據的采集并將處理完的有效數據發回數據中心；范圍擴展設備由射頻模塊和電源模塊組成，它為無法直接與數據中心通信的終端設備提供中繼；數據中心由射頻模塊和數據處理模塊組成，通過串口與監控計算機相連，通過計算機端的監控程序，可以實時查看各終端設備發送回來的光照和溫度信息，同時還可以實現對整個傳感器網絡的配置和管理。

2.3 系統硬件設計

系統的硬件主要包括射頻模塊、傳感器模塊和電源模塊3部分。其中，射頻模塊包括處理器單元和通信單元，處理器單元負責控制整個傳感器設備的操作，存儲和處理本身采集的數據以及其它設備發來的數據；通信單元負責與其他傳感器設備進行通信，交換控制信息和收發采集數據。

2.4 系統軟件設計

系統的軟件設計主要分為數據中心設備、范圍擴展設備和終端設備3部分。考慮到程序的開發周期和可讀性，程序使用C語言進行開發。

2.4.1 數據中心設備

數據中心設備經過BSP（應用板支持層程序包）、協議棧、串口等初始化后，打開串口中斷，實現計算機與數據中心的通信，然后建立串狀網絡，等待終端節點和范圍擴展節點的加入。對于已經加入網絡的設備，數據中心監測是否收到這些設備發來的數據，如果收到符合格式的數據，則通過串口上傳給計算機顯示。同時數據中心不斷檢測信道噪聲，如果噪聲過大，則廣播通知所有設備跳轉到信道列表的下一個信道。

2.4.2 范圍擴展設備

范圍擴展設備經過硬件初始化和協議棧初始化之后，向數據中心發送加入網絡請求。成功加入網絡后，向數據中心節點周期發送Ping消息，如果收到應答，則處于等待數據轉發狀態，向數據中心轉發終端節設備來的數據信息，如果沒有收到應答，則查詢網絡當前的工作信道，并跳轉至該信道，再轉發數據信息。

2.4.3 終端設備

終端設備在初始化底層模塊、定時器和各傳感器模塊后，開始向中心節點發送加入網絡消息，并等待加入。加入網絡后，每隔一個固定的時間間隔通過傳感器模塊采集環境信息，查找中心節點工作的信道并跳變到該信道，將采集的環境信息發送到數據中心。

3 WSN的WLAN互聯實現

3.1 IEEE 802.11b協議

IEEE 802.11b是當今無線局域網應用最為廣泛的標準之一，它工作在2.4 GHz的ISM頻段上，數據傳輸速率能根據環境條件的改變而調整, 最高可達到11 Mb/s。傳輸范圍在室內約為100m，在室外約為300 m。基于上述特點，以及兼容該標準的設備成本較低，所以本系統的WLAN采用了該無線協議標準。

3.2 整體系統設計

本系統包括WSN和WLAN兩層網絡，重點是如何實現兩種網絡的互聯。

互聯的實現，在硬件上主要是通過為WSN的數據中心設備添加一個WLAN接口，而軟件上需要改造的功能主要有兩部分：（1）在數據中心設備的程序中添加WLAN接口模塊的配置程序，完成不同網絡間數據格式的轉換，實現數據中心與WLAN接口的協調工作；（2）在計算機端開發監控程序，實現任何接入該WLAN的計算機都能夠通過無線方式監控和管理WSN。

圖4 多個傳感器網絡互聯系統數據流程圖

數據流程如圖4，WSN的終端設備在采集到光照和溫度的數據后，通過WSN的無線鏈路將數據發送至數據中心，數據中心對數據進行一定的處理和轉換后通過串口將數據再發送給數據中心的WLAN接口模塊，WLAN接口通過無線局域網將數據經過無線路由器（WLAN AP）將發往目標IP的監控計算機。其中WLAN接口模塊和WSN數據中心是通過接口電路封裝在一起的整體器件。

3.3 WLAN接口模塊設計

3.3.1 硬件設計

WLAN接口選用Wi-Fi 1000的串口WLAN模塊。它可實現802.11b網卡的功能，支持UART串口通信，具有體積小，穩定性強和用戶接口開發較為快捷等優點。由于和數據中心設備所使用的串口電平標準不同，還需一個轉換芯片及相關外圍電路。

3.3.2 軟件設計

軟件部分的主要工作是為數據中心設備添加相應的程序，以實現對WLAN接口模塊的各種參數進行配置以及協調工作。由于WLAN接口模塊需要通過串口以命令的形式操作，所以需要在其產品手冊中查找相應的命令來實現各種操作。其中需要配置的參數分為系統參數和網絡參數。系統參數包括聯網模式、傳輸模式、監聽模式等。網絡參數包括BSSID、信道號、SSID等。協調工作包括用命令的方式來引導WLAN模塊掃描，加入或者斷開網絡，完成數據傳遞以及轉換地址格式等。其流程如圖5。

圖5 數據中心設備程序流程

3.4 PC平臺的監控程序設計

WSN通過WLAN接口實現了WLAN接入，因此任何一個接入到這個WLAN的終端，比如臺式機、筆記本、手機等，只要安裝有相應平臺的監控程序，都可以實現對WSN的監控和管理。

本文使用Visual Basic 6.0開發了Windows操作系統下的監控程序。程序主要包括4個功能模塊：通信、數據處理、數據顯示和繪圖。程序流程如圖6。

圖6 監控程序流程圖

通信模塊接收來自數據中心通過WLAN接口發送來的數據包，接收到數據包后將數據拆包，檢測是否需要轉發。如果需要轉發，則根據目標設備的設備地址查找其所在WSN數據中心WLAN接口的IP，進行轉發。對于不需要轉發的數據包，將數據包中的終端設備信息和采集到數據放提取出來：通過讀取設備信息，實時監測每個設備的連接狀態和工作狀態；將傳感器采集的數據進行整理后，進行動態實時顯示。

4 結束語

從目前的趨勢來看，無線傳感器網絡與現有通信網絡的融合必將成為一個重要的發展方向，而WSN與WLAN的結合，應用在適當的環境下，可以實現優勢互補，更加有效地完成環境監測任務[3]。本文首先設計并實現了基于SimpliciTI協議的無線傳感網絡，然后在WLAN環境下實現了WLAN與WSN的互聯以及多個WSN網絡之間的互聯，擴展了傳感器網絡實時數據的發布能力，也加強了用戶對傳感器網絡的遠程管理和監控能力。

[1] 劉元安，葉靚，邵謙明，等.無線傳感器網絡與TCP/IP網絡的融合[J] . 北京郵電大學學報，2006，29（6）：1-4.

[2] Texas Instruments.SimpliciTI:Simple Modular RF Network Specification Version 1.09[EB/OL] . http://www.TI.com.

[3] Mainwaring A.,J. Polastre,R. Szewczyk,D. Culler. Wireless Sensor Networks for Habitat Monitoring[J] .Intel Research,IRB-TR-02-006 June 2002.