基于WirelessUSB的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件構(gòu)建

武警工程大學(xué) 耿新元 李慶鵬 陳 浩

基于WirelessUSB的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件構(gòu)建

武警工程大學(xué) 耿新元 李慶鵬 陳 浩

本文著眼于對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層構(gòu)建的需求，選擇2．4GHz頻段上WirelessUSB數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，深入研究了WIrelessUSB無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，在分析解讀其原技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合其拓撲結(jié)構(gòu)，提出該技術(shù)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時整體系統(tǒng)框架和拓撲結(jié)構(gòu)，即提出基于WirelessUSB構(gòu)建物理層方案，為現(xiàn)有ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層之外提供另一個選擇。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；WirelessUSB；數(shù)據(jù)融合；跨層設(shè)計

0 引言

目前，信息網(wǎng)絡(luò)已形成4G及其演進、無線局域網(wǎng)等無線寬帶網(wǎng)絡(luò)為核心，寬帶接入網(wǎng)絡(luò)為補充的網(wǎng)絡(luò)格局。目前我們要實現(xiàn)真正的信息化，就需要把信息采集，傳輸和處理融為一體，使時間相互連通，于是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運而生。作為通信網(wǎng)感應(yīng)末梢，它通過大規(guī)模的冗余具有感知、處理、通信能力節(jié)點部署，以達到實時監(jiān)測、感知和采集分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息的目的[1-5]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)其定義可表述為：工作在相應(yīng)區(qū)域靜止或者移動的傳感器節(jié)點所構(gòu)成的以多跳和無線自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)搜索對象的信息在覆蓋區(qū)域進行收集、加工和傳導(dǎo)，從而用于監(jiān)控、采集和處理信息，并將信息傳送到控制者的網(wǎng)絡(luò)。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件方案規(guī)劃

本文構(gòu)建分簇型的網(wǎng)絡(luò)屬于層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由網(wǎng)絡(luò)上層和網(wǎng)絡(luò)下層構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)上層由匯聚作用的中心節(jié)點構(gòu)成；網(wǎng)絡(luò)下層為一般傳感器節(jié)點，可能沒有路由、管理及匯聚處理等功能，通常是信息采集節(jié)點[3]。從當(dāng)前看，層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)硬件實現(xiàn)為節(jié)點同構(gòu)和節(jié)點異構(gòu)[4]。此外，針對分簇型網(wǎng)絡(luò)，添加具有遠距離通信能力的節(jié)點后，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍可大大提高。簇頭節(jié)點集中管理開銷比較大，對硬件要求比較高，因此可選擇性能較高、體積較大的處理器及電源存儲。我們采用添加射頻前端芯片來增強節(jié)點的通信能力使其具備遠距離通信的能力。[5]

2 系統(tǒng)傳感器節(jié)點設(shè)計及實現(xiàn)

針對以上系統(tǒng)方案，本文設(shè)計并硬件實現(xiàn)了一系列的基于WirelessUSB數(shù)傳技術(shù)的無線傳感器節(jié)點，簡稱為WUSBnode。

2.1 傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

圖1 節(jié)點硬件模塊框圖

本文的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案考慮到不同節(jié)點角色不同、分工不同，因此不同節(jié)點采用不同的設(shè)計，建立的是一個由異構(gòu)節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點通過模塊化設(shè)計，根據(jù)功能將節(jié)點劃為五個模塊，分別為：數(shù)據(jù)獲取單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、能量供應(yīng)單元，即電源和天線。

2.2 強化節(jié)點設(shè)計

簇首節(jié)點是低級網(wǎng)絡(luò)核心部分，負責(zé)信息采集，融合以及協(xié)議轉(zhuǎn)化，充當(dāng)簇單元的管理者。其具有通信、儲存和配置等功能，方便用戶對該簇進行直接的管理。匯聚節(jié)點經(jīng)過串口與監(jiān)視器相連，論文中將與個人電腦相連的匯聚節(jié)點定義為管理節(jié)點，個人電腦也看做與數(shù)據(jù)庫作用類似的服務(wù)器與互聯(lián)網(wǎng)相連。本文構(gòu)架的強化節(jié)點，使其成為用戶與網(wǎng)絡(luò)的信息交換的通道，也是網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、管理的重中之重，也是與有線網(wǎng)絡(luò)連接的接口，因此在固有五大模塊基礎(chǔ)上添加人機交互模塊。強化節(jié)點構(gòu)架框圖如圖2所示。

圖2 強化節(jié)點功能框圖

為擴大系統(tǒng)的覆蓋范圍，需要增大節(jié)點的通信距離，但是通信距離的增大勢必造成無線通信功耗的增加。設(shè)計射頻模塊時，考慮距離、功耗、成本的不同需求，分成基礎(chǔ)型和距離強化型兩類進行設(shè)計。基礎(chǔ)性射頻模塊架構(gòu)與傳感節(jié)點射頻部分類似，以CYRF6936及其外圍電路作為核心。距離強化型射頻模塊由射頻芯片CYRF6936和2.4G射頻前端芯片CC2591 [9]構(gòu)成。CC2591是一種成本廉價性能良好的低功率、小封裝、2.4GHz無線RF前端芯片，外圍器件少，片內(nèi)集成功率放大器PA、低噪放大器LNA、RF匹配網(wǎng)絡(luò)、轉(zhuǎn)換開關(guān)、不平衡變壓器等。設(shè)計原理圖如圖3所示。

圖3 強化型射頻模塊設(shè)計原理圖

CYRF6936外圍電路同傳感節(jié)點部分，CYRF6936的RFP、RF_N腳分別接CC2591的RF_P、RF_N腳充當(dāng)射頻信號輸入/輸出通道；CYRF6936的PACTL腳連接CC2591的RXTX腳，作為發(fā)射/接收轉(zhuǎn)換開關(guān)。CYRF6936的XOUT腳作為GPIO口使用連接CC2591的HGM口，單片機通過CYRF6936間接實現(xiàn)對CC2591的工作模式控制；CC2591的PAEN/EN腳可實現(xiàn)CC2591使能狀態(tài)的有效控制。另外，CC2591的AVDD_BIAS /AVDD_PA1 /AVDD_PA2 /AVDD_LNA分別經(jīng)過相應(yīng)濾波電容接3.3V電壓。

設(shè)計射頻板時，須嚴(yán)格按基板插槽布局，兩插槽相距1020mil，插槽JP1的1—8腳分別為GND/+5V/RFRST/IRQ/SS/MOSI/MISO/SCK。JP2中1—8腳是7個接地另一個連接單片機的I/O口。

圖4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層模型

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)協(xié)議研究模型

協(xié)議模型的建立對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究意義重大，論文在系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上采用跨層設(shè)計原理，對協(xié)議研究模型進行設(shè)計。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一類節(jié)點計算能力、存儲空間、電源資源受限的網(wǎng)絡(luò)，而且針對這些特點的考慮必須要貫穿于整個層次結(jié)構(gòu)。因此，它的結(jié)構(gòu)是一個多維結(jié)構(gòu)，而不是一個線性結(jié)構(gòu)[6]。功率控制、系統(tǒng)狀態(tài)、事件發(fā)現(xiàn)、信道監(jiān)測、定時等功能在硬件和通信棧的各個層次上都需要相應(yīng)的處理，因此需要為相應(yīng)的功能提供跨層的控制接口。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層模型如圖4所示。

4 小結(jié)

本文首先對WirelessUSB技術(shù)理論概述，全面敘述WirelessUSB N:1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方案，分析得出WirelessUSB N:1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個星狀簡單網(wǎng)絡(luò)，存在覆蓋范圍小等問題，有必要對基于WirelessUSB傳輸技術(shù)進行重新設(shè)計。基于WirelessUSB傳輸技術(shù)，論文針對數(shù)據(jù)收集應(yīng)用提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方案，并設(shè)計實現(xiàn)了WUSB系列節(jié)點。為提供實踐依據(jù)，論文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型進行構(gòu)建，并繪制大量圖例來清晰表述相關(guān)知識理論探究，方便未來探究工作。

[1]崔莉,鞠海玲,苗勇等．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進展[J]．計算機研究與發(fā)展,2005,42(1):163-174．

[2]21世紀(jì)的思考[J]．商業(yè)周刊,1999,30(08):78-167．

[3]D．Koller．十大新興技術(shù)將改變世界[J]．技術(shù),2003,106(01):33-49．

[4]周偉．基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．上海:上海大學(xué),2011:1-3．

[5]高峰,孫饒．控制網(wǎng)與信息網(wǎng)互聯(lián)的研究[S]．控制工程:哈爾濱工程大學(xué),2002:38(4):155-159．

[6]張龍妹,史浩山,楊俊剛,陸偉．一種適用于WMSNs的多信道快速數(shù)據(jù)收集算法[J]．西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2011,29(3):380-384．

耿新元【通訊作者】（1993—），山東濟南人，碩士研究生在讀，現(xiàn)就讀于武警工程大學(xué)，主要研究方向：光通信技術(shù)。