基于DASH7技術的溫度無線傳感器網絡設計

楊林舉 詹宜巨 王榮杰

1 引言

無線傳感器網絡技術融合了無線通信、計算機、傳感器和微電子等多個學科領域，由傳感器節點和讀寫器組成。傳感器節點可以感知現實世界中的物理量，能量有限，工作可靠；讀寫器具有更充足的能量，主要負責收集傳感器節點的信息并發送到控制終端。安裝有溫度傳感器的無線傳感器網絡布線靈活、功耗低并能在惡劣環境下工作，在環境監測、溫室控制和冷鏈監控等領域具有廣闊的應用前景。

目前，無線傳感器網絡領域已經有國內外學者做了大量研究工作，并取得成果。周銘等人設計一種超高頻無線溫度傳感系統，該系統傳感器節點的控制芯片采用 LPC938，傳感器采用數字溫度傳感器DS18B20，精度可以達到 0.125℃，射頻模塊采用nRF2401，系統使用了硬件本身提供的低功耗功能實現節能[1]。梁健等人設計一種基于GSM無線傳輸的溫室溫度監控系統，該系統采用GSM通信方式將溫度信息通過手機短信發送給管理人員，管理人員通過手機短信就可以實現數據查詢和參數修改等功能，該系統的傳感器節點通過有線（RS232總線）通信的方式將采集到的溫度數據發送到控制終端[2]。王明合等人設計一種基于 Zigbee的溫度無線傳感器網絡，該無線傳感器網絡采用 PIC18F4580微控制器芯片和CC2420無線芯片搭建，工作于2.4GHz頻段，采用Zigbee協議組建星形無線傳感器網絡，通過分站節點將溫度探頭所采集的溫度信息發送到中心節點來實現溫度檢測[3]。Hu H.等人設計一種基于CC430芯片的無線火災探測器，傳感器節點包括一氧化碳傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器等多個類型的傳感器，節點內的軟件包括組網協議和BP算法等，探測器的傳感器節點通過BP算法對采集到的數據進行計算，直接判斷是否發生火災[4]。

由 DASH7聯盟倡導的 DASH7技術基于ISO18000-7標準，采用433.92MHz的ISM頻段進行通信，具有功耗低、通信距離遠的特點。采用DASH7技術的無線信號可穿透墻壁、混凝土和水等物質[5]。因此本文采用 DASH7技術構建溫度無線傳感器網絡。作為DASH7聯盟的成員，TI公司的CC430系列芯片支持DASH7技術，其中CC430F5137芯片集成了MSP430微控制器核和CC1101射頻核，采用超低功耗設計，支持不超過1GHz頻率的無線通信，并具有射頻發射功率可調的功能，非常適合在無線傳感器網絡中使用[6]。

本文采用DASH7技術，以CC430F5137芯片為主控芯片，設計出溫度無線傳感器網絡。

2 工作原理

本文提出的溫度無線傳感器網絡采用星形拓撲結構，如圖1所示，主要由傳感器節點和讀寫器組成。讀寫器通過無線通信方式訪問傳感器節點收集溫度信息，通過 RS232總線與控制終端通信，向控制終端發送收集到的溫度傳感器數據。傳感器節點通過無線通信方式應答讀寫器，通過AD轉換獲取傳感器信息，并將該信息回傳到讀寫器，工作過程如圖2所示。

為了實現傳感器節點和讀寫器之間可靠、有效、快速地進行無線通信，兩者之間需要遵循一定的協議。傳感器節點的能量僅由一塊不可充電的電池供應，非常有限；而讀寫器的能量來自電網供應。本文提出一種通信協議，也對通信中的能量消耗進行了優化，將在第四部分介紹此內容。

圖1 溫度傳感器網絡拓撲結構

圖2 溫度傳感器網絡工作流程

3 硬件設計

讀寫器和傳感器節點均選用 CC430 F5137，CC430F5137芯片內部包含 16位的微控制器核MSP430和射頻核CC1101，兩者之間通過專用的命令和數據通道進行通信。芯片內的UCS統一時鐘模塊可以向芯片提供三種可用的標準數字時鐘信號：輔助時鐘 ACLK、主時鐘 MCLK和子系統主時鐘SMCLK。功率管理模塊PMM 主要通過對三種時鐘信號的開、關狀態進行控制，從而實現對整個芯片的功耗控制，提供了功耗從高到低的五種低功耗模式：LPM0、LPM1、LPM2、LPM3、LPM4。此外芯片具有ADC模數轉換器模塊、REF參考電壓模塊、TimerA定時器等等功能。CC430F5137的主要功能模塊如圖3所示。

圖3 CC430F5137主要功能結構

芯片中的射頻核CC1101是一個提供1GHz以下頻率的無線通信核，也采用低功耗設計，通過控制CC1101核的時鐘源可以將其關閉或者打開，其內部硬件結構已經實現射頻收發功能。射頻核CC1101支持休眠、空閑、發送和接收等狀態轉換的內部狀態機，發射功率在一定范圍內可調，具有自動喚醒功能[7]。

CC1101核受MSP430核的控制，二者之間的通信通過四組寄存器 RF1AINSTRx、RF1ADIN、RF1ADOUT、RF1ASTAT實現。MSP430核通過RF1AINSTRx向射頻核發送命令，通過RF1ADIN向射頻核發送需要被處理的數據，射頻核執行命令、處理數據的結果通過RF1ADOUT返回給MSP430核，同時將執行的狀態寫入 RF1ASTAT。這樣就可以設計滿足要求的無線通信功能。

本文提出的溫度無線傳感器網絡采用熱敏電阻作為溫度傳感器，讀寫器選擇增益較大的彈簧天線，傳感器節點選擇體積較小的陶瓷天線，總體結構如圖4所示。

圖4 傳感器節點和讀寫器結構圖

4 軟件設計

軟件部分主要是溫度無線傳感器網絡的通信協議。根據硬件提供的資源，在物理層上選擇433.92MHz的載波頻率，調制方式選擇GFSK。數據包采用可變長度格式，選擇4字節前導碼，4字節同步子，擁有地址、數據長度和CRC校驗和字段，如圖5所示。使用地址字段，接收方可以利用芯片內的硬件資源判斷數據包中的地址是否與自己的地址匹配，如果匹配則繼續接收，否則自動過濾掉該數據包。使用CRC校驗和字段，發送方芯片在發送數據時自動計算校驗和，并把校驗和附加到該字段，當接收方芯片收到數據包的時候自動根據 CRC校驗和進行CRC 校驗[8]。

圖5 數據包格式

文獻[6]中，TI公司提供的CC430芯片的發送與接收電流消耗均在17mA以上，而休眠時最低可到達1.0μA。因此，實現降低系統功耗需要減少發射與接收的時間，延長休眠的時間。溫度無線傳感器網絡基于星形拓撲結構， MAC協議選用TDMA比較合適。讀寫器首先廣播同步消息，實現全部節點在時間上同步，然后為每一個傳感器節點分配時隙。傳感器節點在給定的時隙內與讀寫器通信，完成傳感器數據采集，其他時間則處于休眠狀態，達到降低功耗的目的，下一個時隙到來的時候由傳感器節點內的定時器將傳感器節點喚醒，繼續與讀寫器進行通信。

無線傳感器網絡中傳感器節點能量非常有限，節能是一個非常關鍵的問題，已經有學者對無線傳感器網絡協議的能耗進行研究[9,10]。由于所有傳感器節點在空間中隨機分布，到達讀寫器的通信距離差別較大，對傳感器節點的發射功率需求不同，能量消耗也不同。距離讀寫器較近的傳感器節點需要較低的發射功率，距離讀寫器遠的傳感器節點則反之。在保證可靠通信的前提下，如果全網中的傳感器節點采用同一功率發射，將造成部分節點的能量浪費。因此本文針對星形拓撲結構的無線傳感器網絡提出一個能量模型，在此基礎上對傳感器節點的發射功率進行優化，達到節能的目的。

提出的傳感器節點能量模型如下：

式中，Ptr是發射功率；Ttr是發射1bit數據需要的時間；Etr是發射nbit數據消耗的總能量；Prev是接收功率；Trev是接收1bit數據需要的時間；Erev是接收nbit數據消耗的總能量。

讀寫器能量無限，將讀寫器的發射功率調到最大即可，不需要再作調整。溫度無線傳感器網絡在開始收集溫度數據之前，所有傳感器節點需要進行發射功率匹配，發射功率在minPtr～maxPtr范圍內可調，匹配步長設為Pgap，匹配過程如下：

① 傳感器節點在自己的時隙內向讀寫器發送一個匹配指令數據包；

② 讀寫器收到匹配指令數據包后在一定的時間內馬上向傳感器節點回傳確認數據包；

③ 如果傳感器節點在一定時間內收到讀寫器回傳的確認數據包則繼續，否則進入第④步。將自己的發射功率減少Pgap，如果減半后的功率小于minPtr，則將發射功率設為minPtr，進入第⑤步，如果匹配輪數超過maxC則進入第⑥步；

④ 如果是首輪發射功率匹配，則將自己的功率增大到maxPtr；否則將自己的發射功率設為上一輪匹配前的發射功率。進入第⑤步，如果匹配輪數超過maxC則進入第⑥步；

⑤ 一個輪次的功率匹配結束，計算剩余能量和通信覆蓋半徑，進入第①步進行下一輪次匹配；

⑥ 整個功率匹配過程結束，所有傳感器節點按照匹配后的發射功率進行通信。

其中maxi為一個傳感器節點的功率匹配最大輪次數，maxC越小，則溫度無線傳感器網絡越快速完成功率匹配，進入溫度采集狀態。設計一個評價函數，通過仿真計算出最優的功率匹配最大輪次數maxC。

最優的maxC必須滿足：① 傳感器節點的剩余能量盡量多；② 傳感器節點通信覆蓋半徑與距讀寫器實際距離之差的絕對值盡量小。每輪匹配結束，記錄傳感器節點的剩余能量RE，通信覆蓋半徑r。由r可以計算出該節點與讀寫器間的實際距離之差d。因此設計評價函數F：

式中與分母相乘的數字1000是為了調整計算的精度，F將隨著匹配輪次的增加而變化。當F達到最大值，此時傳感器節點的剩余能量較多，同時傳感器節點通信覆蓋半徑與距讀寫器實際距離之差的絕對值較小。仿真計算共進行60個輪次的功率匹配，計算出所有輪功率匹配中所有傳感器節點的平均評價函數值，記為meanF，如圖6所示。

從圖6中可看出評價函數的平均情況，平均評價函數隨著匹配輪次的增加首先呈上升趨勢，然后到達第16次匹配時達到最大值，之后開始震蕩，震蕩的峰值逐次遞減。從全網絡的平均情況看，評價函數在第16次匹配時達到最大。因此可得每個傳感器節點的發射功率匹配最優輪次數為maxC=16次。

將上述協議用 C代碼編譯后運行在前文提出的硬件系統中，讀寫器通過發送同步廣播數據包，實現全網時間同步，然后為每個傳感器節點分配時隙，每個傳感器節點在自己的時隙內與讀寫器進行16次匹配，所有傳感器節點匹配結束后，傳感器節點開始進入各自的時隙內向讀寫器發送溫度數據。經測試，該系統具有工作可靠、功耗低、使用壽命長的特點。

5 結論

本文提出了基于 DASH7技術的無線傳感器網絡，該系統基于星形拓撲結構，節點上安裝有溫度傳感器，實現溫度信息采集。在軟件上，系統遵循選用硬件提供的物理層通信協議，設計了基于TDMA的MAC層協議，同時優化了傳感器節點的發射功率，實現節能。在實際應用中，該系統可以實現可靠的溫度監控，功耗低。但是該系統的通信距離不理想，下一步工作將研究該芯片的天線設計與阻抗匹配問題。

[1] 周銘,顏錦奎,吉美鳳.超高頻無線溫度傳感系統[J].傳感器與微系統, 2007, 26(7): 96-98.

[2] 梁健,戈振揚,齊亞峰.基于 GSM 無線傳輸的溫室溫度監控系統的設計[J].湖南農業科學,2010,(7):135-136.

[3] 王明合,王立華.基于Zigbee的無線溫度傳感器網絡設計[J].微計算機信息(嵌入式與SOC),2010,26(7-2): 68-70.

[4] Hu Haibing, Wang Jinjun, Fang Jun. Design A Low Power Wireless Fire Detector Based on CC430[C]. 2010 International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation. Changsha, China: IEEE,2010:1107 - 1110.

[5] http://www.dash7.org.

[6] CC430F5137.pdf. http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/cc430f5137.html.

[7] CC1101.pdf. http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/cc1101.html.

[8] CC430 Family User's Guide.http://focus.ti.com/lit/ug/slau259b/slau259b.pdf.

[9] Heinzelman W R, Chandrakasan A, Balakrishnan H. Energy Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks[C]. Proceedings of the 33rd Annual Hawaii International Conference on System Sciences. Hawaii, USA:[s.n.], 2000:1-10.

[10] Heinzelman W B, Chandrakasan A P, Balakrishnan H. An Application-specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks[J]. IEEE Trans. on Wireless Communications, 2002, 1(4):660-670.