楊勇俠，韓 鸝

(1.中航工業(yè)洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471009;2.貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴陽 550008)

0 引言

機載設(shè)備在實驗、安裝、使用維護過程中，經(jīng)常需要在外場進行各種參數(shù)的試驗現(xiàn)場測試、記錄、觀測對比等工作。通常，外場條件簡陋，測量參數(shù)種類多，性質(zhì)各異，且無固定的方案。一般情況下，根據(jù)每次具體要求選擇測量儀表設(shè)備，現(xiàn)場進行信號連接與匹配，或多或少對儀器儀表、設(shè)備做必要的改裝，使整個測試過程費時、費力、數(shù)據(jù)重復(fù)性差，不便管理。因此，如何建立一套通用的多參數(shù)數(shù)據(jù)采集、傳輸系統(tǒng)，通過RS232接口或USB接口連接，傳感節(jié)點設(shè)置靈活，不對現(xiàn)場做過多改動，且采用無線傳輸方式，能實現(xiàn)多參數(shù)測量監(jiān)控的機敏傳感網(wǎng)絡(luò)［1］就顯得越發(fā)重要。

1 網(wǎng)絡(luò)選擇

試驗測試現(xiàn)場各設(shè)備間信號傳輸通常采用有線傳輸方式，需要臨時鋪設(shè)大量的線纜和各種接插件。為了實現(xiàn)參數(shù)檢測網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，并且盡量少地改動原儀器儀表，減少施工量，甚至不改動現(xiàn)場，應(yīng)優(yōu)先考慮使用無線局域網(wǎng)絡(luò)通信。在諸如 ZigBee［2］、802.11b、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA 等眾多無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)中，ZigBee是基于IEEE802.15.4無線標準研制開發(fā)的關(guān)于組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件等方面的技術(shù)標準，最適合于短距離工業(yè)數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場應(yīng)用。

ZigBee主要應(yīng)用于距離短、數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間。通常，符合下列條件的應(yīng)用都可以考慮采用ZigBee技術(shù):

1)設(shè)備距離短;

2)設(shè)備成本低、數(shù)據(jù)傳輸量小;

3)設(shè)備體積小，沒有充足的電力支持;

4)需要覆蓋的范圍較大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)需要容納的設(shè)備較多;

5)網(wǎng)絡(luò)主要用于監(jiān)測或控制。因此，基于ZigBee技術(shù)的機敏傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特別適合于本案例的應(yīng)用，ZigBee協(xié)議棧［3］結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)Fig.1 Stack structure of ZigBee protocol

制定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議首先要確定的是網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。本文所涉及的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用簇－樹(Cluster-tree)拓撲［4－5］。簇 － 樹拓撲是由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coordinator)展開生成樹狀的拓撲結(jié)構(gòu)，適合于節(jié)點靜止或者移動較少的場合，并且不需要存儲路由表，具有路由算法復(fù)雜度低、無初始延時等優(yōu)點。

2 網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計

2.1 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)與路由

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點任意散落在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，并以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，通過多跳中繼方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳到自組織路由節(jié)點，最終借助長距離或臨時建立的自組織鏈路將整個區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠程中心進行集中處理。本設(shè)計采用簇－樹網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

如圖2所示，在簇－樹結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中鄰近區(qū)域內(nèi)的節(jié)點構(gòu)成了一個簇，每個簇有且僅有一個簇頭(CH0，CH1，…)，相鄰的簇頭又循環(huán)構(gòu)成了另一個簇，這樣依次反復(fù)，構(gòu)成了一個樹形結(jié)構(gòu)的傳感網(wǎng)絡(luò)。在此結(jié)構(gòu)中，樹根節(jié)點(DD/CH0)作為整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器可以和PC機相連，接收傳感器所采集的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行顯示和處理。簇間的通信由路由實現(xiàn)，邊界節(jié)點作為路由器起到簇與簇間的中繼作用。

圖2 簇－樹網(wǎng)絡(luò)和邊界節(jié)點Fig.2 A cluster-tree network and the border nodes

2.2 網(wǎng)絡(luò)的自組織

機敏傳感網(wǎng)絡(luò)最初是由全功能設(shè)備(FFD)的節(jié)點發(fā)起并建立的。網(wǎng)絡(luò)建立后，此發(fā)起設(shè)備就作為整個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，該協(xié)調(diào)器可以通過串行接口和PC相連接，處理接收到的各種數(shù)據(jù)，也可以和其他異種網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交換。節(jié)點自發(fā)建網(wǎng)過程如下［6］:FFD節(jié)點首先進行信道能量檢測(ED)，選取檢測到的能量峰值最小的那個信道作為要建立的機敏傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸信道;然后在此信道上發(fā)送跨網(wǎng)信標(Beacon)請求幀，用以獲取節(jié)點操作范圍內(nèi)其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息參數(shù)，在接收到Beacon幀后，選擇未被使用的網(wǎng)絡(luò)標號，最后根據(jù)已確定的網(wǎng)絡(luò)信道號、網(wǎng)絡(luò)標號及其他相關(guān)參數(shù)來設(shè)定硬件中相關(guān)寄存器的值，至此機敏傳感網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器就形成了。圖3所示為設(shè)備自發(fā)建網(wǎng)示意圖。

圖3 設(shè)備自發(fā)建網(wǎng)示意圖Fig.3 Diagram of equipment in building its own network

當一個節(jié)點要申請加入已建好的機敏傳感網(wǎng)絡(luò)時，此節(jié)點首先預(yù)設(shè)好網(wǎng)絡(luò)標號和使用的信道，然后發(fā)送網(wǎng)內(nèi)Beacon請求廣播幀，在接收到多個帶有鏈路質(zhì)量信號參數(shù)的Beacon幀后，選取鏈路質(zhì)量較好、剩余能量較多的節(jié)點進行連接，向相應(yīng)的協(xié)調(diào)器發(fā)送入網(wǎng)請求命令幀，協(xié)調(diào)器允許后會分配網(wǎng)內(nèi)短地址給該節(jié)點;每個節(jié)點都有一張鄰居表，并且對其動態(tài)維護;在該鄰居表中含有一個父節(jié)點地址(除了根節(jié)點)和多個子節(jié)點地址(除了葉結(jié)點)。依次重復(fù)這樣的過程，所有的節(jié)點就可以自組成一個簇－樹狀的機敏傳感網(wǎng)絡(luò)。圖4所示為節(jié)點入網(wǎng)握手示意圖。

圖4 節(jié)點入網(wǎng)握手示意圖Fig.4 Node accessing handshake diagram

同理，一個節(jié)點要離開網(wǎng)絡(luò)的話，只要向其父節(jié)點發(fā)送請求命令幀，父節(jié)點在接收到請求后會做出相應(yīng)的操作并發(fā)送響應(yīng)幀給予回應(yīng)。圖5所示為節(jié)點出網(wǎng)握手示意圖。

圖5 節(jié)點出網(wǎng)握手示意圖Fig.5 Node leaving handshake diagram

對于ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的全功能設(shè)備、路由、節(jié)點均可由專用芯片開發(fā)生成。目前，已有一片式解決方案，即片上集成了從應(yīng)用層接口(API)到物理層(PHY)，包括MAC層在內(nèi)的完整的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，應(yīng)用者只需通過軟件設(shè)計和少量的外部元件連接，就可方便地開發(fā)出相應(yīng)的全功能設(shè)備、路由設(shè)備、節(jié)點設(shè)備。

3 基于IEEE/ZigBee傳感節(jié)點的設(shè)計

機敏傳感網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上也是一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)［7－8］，是由大量分布式智能傳感器節(jié)點組成的面向任務(wù)的無線個人局域網(wǎng)(WPAN)。下面，以測試現(xiàn)場某設(shè)備的溫度和環(huán)境溫濕度測量為例，闡述Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點的設(shè)計過程。

3.1 傳感器節(jié)點的硬件參考模型

本文設(shè)計的傳感器節(jié)點實現(xiàn)機理是以IEEE/Zig-Bee傳輸模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的串行通信模塊，將采集到的信息數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送出去。該節(jié)點包括IEEE/ZigBee無線通信模塊、微控制器模塊、傳感器模塊及接口、直流電源模塊以及外部存儲器等。

3.2 傳感器節(jié)點的各模塊器件選擇

隨著IEEE/ZigBee標準的發(fā)布，世界各大無線芯片廠商陸續(xù)推出了支持該標準的無線收發(fā)芯片。這些芯片大都集成了該標準的物理層功能，可作為傳感器節(jié)點的通信模塊。采用微控制器作為處理模塊實現(xiàn)MAC層功能。

3.2.1 無線收發(fā)芯片選擇

無線收發(fā)芯片的選擇主要考慮以下因素。

1)頻段。IEEE802.14.5定義了兩種工作頻率。一般來講，高頻率能提供高的數(shù)據(jù)傳輸速率，但對天線要求較高，高速率意味著需要耗費更多的能量。各國對無線電產(chǎn)品都有嚴格的管理和監(jiān)督，根據(jù)國內(nèi)無線頻譜管理相關(guān)規(guī)定，只能選擇工作在2.4 GHz頻段的器件。

2)調(diào)制方式。無線傳感網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、密度高和帶寬窄的特點使得其存在嚴重的內(nèi)部通信干擾。因此ZigBee需要實現(xiàn)簡單、抗干擾能力強、功耗低且成本低廉的調(diào)制和擴頻機制。目前廣泛應(yīng)用的包括FSK和OQPSK兩種，其中FSK具有設(shè)備簡單、調(diào)制和解調(diào)方便等優(yōu)點，并且具有較好的抗多徑時延性能。

3)睡眠電流與喚醒時間。傳感器通常處于睡眠狀態(tài)，睡眠喚醒時間以及睡眠電流都是必須考慮的指標。

綜合考慮以上因素，適合在國內(nèi)使用的射頻芯片是工作在 2.4 GHz頻段的 CC2431［9］。該模塊是將射頻電路和微控制器集成在一起的一體化解決方案。

3.2.2 傳感器和電源

溫度傳感器為TC77(也可使用被測設(shè)備內(nèi)部的溫度傳感器)，它是SPI串行接口的數(shù)字硅溫度傳感器，特別適合于低功耗、低成本、低尺寸應(yīng)用。溫度數(shù)據(jù)由內(nèi)部溫度敏感元件轉(zhuǎn)換得到，隨時都可以轉(zhuǎn)換成13位的二進制補碼數(shù)字。與CPU之間的通信通過SPI和Microwire可兼容接口完成。TC77有一個±12位的ADC，溫度分辨率為 0.062℃，TC77可以精確到±1 ℃，工作電流僅250 μA。

現(xiàn)場濕溫度檢測采用了Sensirion公司的數(shù)字式溫濕度傳感器DHT90或普通數(shù)字式傳感器。DHT90集成了溫度/濕度傳感器、信號放大調(diào)理器、A/D轉(zhuǎn)換器和總線接口，能夠進行全校準數(shù)字輸出，可以直接提供溫度在－40～120℃范圍內(nèi)、分辨率為14位、濕度在0～100%RH范圍內(nèi)且分辨率為12位的數(shù)字輸出。

其他待檢參數(shù)傳感器根據(jù)實際的需要進行選擇。考慮因素主要是低功耗、小于3.6 V的工作電壓、數(shù)字式信號輸出。如果選用模擬式傳感器，可利用CC2431本身集成的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換。

電源模塊可采用輸出電壓3.6 V可充電鋰離子鈕扣電池LIR2032供電。該類電池自放電率小于10%/月，但額定容量較小，限制了節(jié)點的生存期，若以兩節(jié)堿性5號電池供電，則可維持更長的工作時間，在以網(wǎng)絡(luò)形式工作狀態(tài)下通過合理地設(shè)置節(jié)點發(fā)射極的接收、發(fā)射以及待機狀態(tài)，可有效地延長節(jié)點電池的使用壽命。針對節(jié)點供電單元不便于更換的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，也可以采用現(xiàn)場AC/DC變換器，電源轉(zhuǎn)換可由跳線來進行選擇。

3.2.3 天線的阻抗匹配

CC2431的射頻信號采用差分方式，其最佳差分負載阻抗是115+j180 Ω，阻抗匹配電路需要根據(jù)這一數(shù)值進行調(diào)整。本設(shè)計采用50 Ω單極子天線，由于CC2431的射頻端口是差分形式具有兩個端口，而天線是單端口，因此需要一個巴倫電路來完成兩端口到單端口間的轉(zhuǎn)換。巴倫電路由成本低廉的電感和電容構(gòu)成，包括電感L321、L331、L341和電容C341和兩段長的傳輸線。

3.3 節(jié)點參考設(shè)計原理圖

3.3.1 基于TC77的節(jié)點硬件

采用CC2431片上系統(tǒng)作為節(jié)點控制芯片，用TC77［10］數(shù)字溫度集成傳感器測量溫度。CC2431沿用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器，它使用1個8位MCU(8051)，具有128 kB可編程閃存和8 kB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個定時器(Timer)、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器(Watchdog timer)、32.768 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路(PowerOn Reset)、掉電檢測電路(Brown out detection)，以及21個可編程I/O引腳。CC2431芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27 mA;在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2431一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需要3～10 s、WiFi需要3 s，因此，CC2431特別適合那些要求低功耗的應(yīng)用。CC2431可以實現(xiàn)IEEE802.15.4的物理層協(xié)議。終端節(jié)點程序流程如圖6所示。

圖6 測溫節(jié)點流程圖Fig.6 Flow chart of temperature measurement node

3.3.2 基于TC77的測溫軟件

溫度傳感器為TC77，它是SPI串行接口的數(shù)字硅溫度傳感器，特別適合于低功耗、低成本、低尺寸應(yīng)用。溫度數(shù)據(jù)由內(nèi)部溫度敏感元件轉(zhuǎn)換得到，隨時都可以轉(zhuǎn)換成13位的二進制補碼數(shù)字。與CPU之間的通信通過SPI和Microwire可兼容接口完成［11］。TC77有一個±12位的ADC，溫度分辨率為0.062℃，TC77可以精確到±1℃，工作電流僅250 μA。CPU可以通過程序清單3.1所示的程序來讀取TC77。

程序清單3.1如下所示。

4 應(yīng)用測試

采用新興ZigBee組網(wǎng)技術(shù)的多參數(shù)測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了對測試現(xiàn)場(以及人員無法接近的其他危險、惡劣環(huán)境)的溫濕度等多參數(shù)進行實時在線檢測，經(jīng)過與監(jiān)控系統(tǒng)連接，在中心監(jiān)控PC極上就可以監(jiān)視采集數(shù)據(jù)，真正做到了遠距離遙測，當被測點參數(shù)超過預(yù)先設(shè)定的閥值時，就發(fā)出報警信號及時提醒有關(guān)人員采取措施。

系統(tǒng)特點(以TC77測溫為例):1)實時性，能實時在線監(jiān)測;2)低功耗，采用紐扣電池節(jié)點可連續(xù)運行兩年以上;3)準確性，測量精度可達±1℃;4)靈活性，用戶可根據(jù)自己的需求，靈活、方便地設(shè)置參數(shù);5)安全性，不論是產(chǎn)品還是工具及其維護，都具有系統(tǒng)的安全性和可靠性。

終端節(jié)點技術(shù)參數(shù)(以TC77測溫為例):1)頻率范圍為2.4 G～2.4835 GHz(免申請);2)最大輸出功率≤1 mW;3)最遠傳輸距離≤100 m(無阻擋);4)發(fā)射電流為17 mA;5)睡眠電流為0.01 mA;6)測量時間間隔為1 s～1 h可設(shè);7)電源電壓為3 V(紐扣電池);8)電池壽命為2～5年;9)測量溫度為－40～+125℃;10)測量精度為±1℃;11)尺寸為38 mm×36 mm×16 mm;12)重量＜40 g。

5 結(jié)束語

初步實驗結(jié)果表明，由PC機向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送自組網(wǎng)指令后，其他無線傳感器節(jié)點都能正常入網(wǎng)，入網(wǎng)時延小于200 ms，節(jié)點間有效間距大于70 m，傳輸速率大于100 kb/s，滿足壓縮圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅鞴?jié)點之間能夠正常發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。同時，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以把自身采集的數(shù)據(jù)或是由其他傳感器傳送過來的數(shù)據(jù)通過USB接口交由PC機處理。

由于相比使用其他無線設(shè)備來構(gòu)建傳感網(wǎng)所花費的成本要低，自組網(wǎng)能力強，相信利用此種技術(shù)來構(gòu)建無線傳感網(wǎng)的前景將非常樂觀。

［1］HENDERSON T C，VENKATARAMAN R，CHOIKIM G.Reaction-diffusion patternsin smartsensornetworks［C］//IEEE International Conference，Salt Lake City，USA，2004:654-658.

［2］Catch the buzz on ZigBee［DB/OL］.ZigBee Alliance.2007-02-11.http://www.ZigBee.Org/en/resources.

［3］Microchip Technology Inc.Microchip stack for the ZigBee protocol［DB/OL］.2007-03-14.http://www.Microchip.Com.

［4］高錦超.基于節(jié)能策略的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議［J］.電光與控制，2007，14(1):136-139.

［5］IEEE-TG15.4，Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks(LR-WPANs)［Z］.IEEE standard for Information Technology，2003.

［6］ZigBee specification ［DB/OL］.ZigBee Alliance.http://www.zigbee.or.2005.

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［8］LI Yanqiu，YU Hongyun，SU Bo.Hybrid micropower source for wireless sensor network［J］.Sensors Journal，IEEE，2008，8(6):678-681.

［9］System-on-chip for 2.4 GHz ZigBee(TM)/IEEE 802.15.4 with location engine［DB/OL］.Texas Instruments.http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/cc2431.pdf，July 2007.

［10］Interfacing the TC77 thermal sensor to a PICmicroR○microcontroller［DB/OL］.Microchip Technology Inc.http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00940a.pdf，2004.

［11］TC77 data sheet［DB/OL］.Microchip Technology Inc.http://www.microcip.com/downloads/en/device Doc/20092a.pdf，2002.