鄭繼紅，汪學明

（貴州大學 計算機科學與信息學院，貴州 貴陽550025）

0 引 言

無線分布式傳感控制網(wǎng)絡在工控行業(yè)表現(xiàn)出了極大的需求，因此針對WDSCN的研究層出不窮。2007年，鄧洪等人提出了一種基于多信道Ad Hoc網(wǎng)絡的WDSCN，該網(wǎng)絡采用多信道具有自動跳頻功能的Ad Hoc網(wǎng)絡來實現(xiàn)WDSCN，使網(wǎng)絡具有較強的抗干擾能力和較高的實用價值［1］。2008年，馮莉等人以LabVIEW為開發(fā)工具，采用PC機多線程技術和虛擬儀器技術，構建了基于LabVIEW的無線分布式傳感網(wǎng)絡的控制系統(tǒng)［2］，該網(wǎng)絡通過RF技術，可以根據(jù)實際需求和環(huán)境自行組建網(wǎng)絡，實現(xiàn)傳感網(wǎng)絡中各個傳感器和測量設備數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。該系統(tǒng)還具有傳輸數(shù)據(jù)可靠、操作簡單、界面友好的特點。2010年，陳純等人在分布式傳感網(wǎng)絡前沿技術與實時應用國際研討會上對分布式傳感網(wǎng)絡進行了系統(tǒng)的討論、分析和研究。2011年，林嘉怡等人對地下車庫用誘導風機無線傳感控制網(wǎng)絡自組織路由協(xié)議進行了研究和實現(xiàn)，該協(xié)議很好地解決了車庫現(xiàn)場障礙物拐角不利于通信的問題。WDSCN研究雖然取得了一些令人矚目的成就，但還存在一定的不足，如存在網(wǎng)絡自組織性不夠靈活、網(wǎng)絡覆蓋范圍不夠大、沒有采用標準的工業(yè)級通信協(xié)議不利于系統(tǒng)的擴展、沒有充分考慮系統(tǒng)的工作效率等問題［3］。

新的分布式傳感控制網(wǎng)絡針對現(xiàn)有無線分布式傳感控制網(wǎng)絡的不足，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性的情況下，采用低功耗的ZigBee［4－6］通信技術研究并實現(xiàn)了一種新的無線分布式傳感控制網(wǎng)絡，并對該無線分布式傳感控制網(wǎng)絡的實際應用進行驗證分析。

1 系統(tǒng)架構

1.1 系統(tǒng)拓撲結構

現(xiàn)有的無線傳感器控制網(wǎng)絡存在沒有標準的工業(yè)級通信協(xié)議的問題。針對沒有標準的工業(yè)級通信協(xié)議問題，我們采用ZigBee通信協(xié)議標準對WDSCN進行深入研究，開發(fā)出低功耗、時延短、可靠、安全、網(wǎng)絡容量大、組網(wǎng)靈活的數(shù)據(jù)采集與控制平臺。ZigBee是一種基于IEEE802.15.4通信協(xié)議的無線個域網(wǎng)通信高層協(xié)議規(guī)范，它的主要特性是低功耗、靈活的拓撲機構以及容易被集成。

ZigBee網(wǎng)絡有3種可供選擇的拓撲結構：星型、樹形和mesh型?；赯igBee技術的樹形拓撲結構，WDSCN也采用樹形的采集控制結構，由一臺PC機、一個協(xié)調器、若干路由器和多個終端組成。PC機是整個系統(tǒng)的信息系統(tǒng)和監(jiān)控中心，協(xié)調器負責啟動整個網(wǎng)絡，路由器主要負責信息的中繼，終端的主要功能是實現(xiàn)信息的采集和接受信息系統(tǒng)的命令來控制受控設備。終端可以直接和協(xié)調器通信也可以通過路由器間接和協(xié)調器通信，構成分布式無線傳感控制網(wǎng)絡，系統(tǒng)拓撲結構如圖1所示。

圖1 WDSCN系統(tǒng)拓撲結構

1.2 WDSCN架構

WSCN架構如圖2所示，三層架構促進了任務的分配和設備間的合作。第一層是終端節(jié)點層，它的特性是尺寸很小而且具有低功耗的無線收發(fā)模塊，可以集成傳感器。還有應用范圍很廣，而且組合靈活的控制模塊也可以和無線收發(fā)模塊通過排線靈活連接。第二層是路由器層，它的目的是促使終端節(jié)點和信息系統(tǒng)的通信以及信息的路由。第三層是協(xié)調器層，它的功能是收集在網(wǎng)絡中傳輸?shù)姆植际叫畔?，提供一個和信息系統(tǒng)之間的通信接口。

圖2 WDSCN架構

2 WDSCN的設計

2.1 WDSCN的硬件設計

2.1.1 終端節(jié)點層的硬件設計

這一層的硬件設備連接著被監(jiān)測和控制的對象。它們的一個功能是通過傳感器采集周圍的信息并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳給信息中心，另一個功能是接收來自信息系統(tǒng)的指令來控制受控設備。

這些設備由一個微控制器去控制，這個微控制器選擇TI的CC2530，CC2530是一種集微控制器與射頻收發(fā)器為一體的片上SOC［7－9］。這個微控制器負責管理終端節(jié)點的操作，包括和路由器的通信、從傳感器上獲得數(shù)據(jù)以及去控制周圍環(huán)境。終端節(jié)點主要由傳感器模塊，控制模塊和通信模塊三部分組成。這三部分由外設模塊和核心模塊兩個模塊組成。外設模塊可以根據(jù)不同需求添加不同外設，例如傳感器模塊 （溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器）、繼電器組以及485通信等外設。核心模塊主要包括主芯片和射頻兩部分。兩個模塊中間通過排針相連，圖3為終端節(jié)點核心模塊實物。

圖3 終端節(jié)點核心模塊實物

2.1.2 路由器節(jié)點層的硬件設計

路由器層負責對信息的存儲轉發(fā)，通過無線網(wǎng)絡來中繼終端節(jié)點和協(xié)調器之間的信息傳輸，這一層使用ZigBee通信協(xié)議路由信息來使信息到達目的節(jié)點。

對于zigbee協(xié)議，一個值得一提的優(yōu)點是節(jié)點間的動態(tài)路由特性。它能夠在通往協(xié)調器的信息流上提供優(yōu)秀的可靠性。這個特性在節(jié)點以動態(tài)的方式離開和鍵入網(wǎng)絡時非常有用。這層設備另外一個功能是過濾掉不必要的信息，例如冗余的信息來避免堵塞。

組成路由器的原件如下：一個CC2530核心模塊，負責無線通信。一個電源底座，通過電池或者5V直流電進行供電。

由路由器組成的第二層設備是被放置在一個固定的位置，最好的選擇是把它們放進一個網(wǎng)格的中心并且靠近有直接電源的地方。在一個孤立的位置，用大功率的可充電的電池為路由器供電，在電源方便的地方可以使用直接電源進線供電，路由器節(jié)點用一個CC2530核心板就可以處理所有事件。圖4為路由器節(jié)點實物。

圖4 路由器節(jié)點實物

2.1.3 協(xié)調器節(jié)點層的硬件設計

協(xié)調器層連接無線傳感器網(wǎng)絡和已經(jīng)存在的信息系統(tǒng)。這些被無線傳感器網(wǎng)絡捕獲的信息被傳送到信息系統(tǒng)。在無線傳感器網(wǎng)絡中只有一個協(xié)調器，被稱為 “個域網(wǎng)協(xié)調器”。首先，它選擇一個被網(wǎng)絡使用的頻率信道。然后開始組建網(wǎng)絡，允許子節(jié)點和它相連。它可以提供信息里有：安全管理以及其它服務。

協(xié)調器的模型如圖5所示，允許通過USB和一個個人電腦進行通信，將來的開發(fā)將會包括以太網(wǎng)通信。協(xié)調器節(jié)點主要包括顯示控制模塊和ZigBee通信模塊兩部分組成，兩個模塊之間通過排針相連。

圖5 協(xié)調器節(jié)點實物

2.2 WDSCN的軟件設計

2.2.1 軟件技術提高能量傳輸效率

能量效率對于無線傳感器網(wǎng)絡是一個關鍵點，特別是對于節(jié)能設備或者在電池供電的情況下。一個具體的硬件實現(xiàn)的能量最優(yōu)化允許一個適當?shù)碾娫垂芾砟K的存在。無線傳感器網(wǎng)絡中，通信任務中的能量消耗可以直接通過軟件來控制。在實現(xiàn)代碼上進行精簡修改可以對能量傳輸效率產生有力地改善。

許多被路由器消耗的能量被用來做激活處理，通過ZigBee協(xié)議來存儲以及發(fā)送數(shù)據(jù)，這里有一個選擇使用信標來保證通信［10］。然而，信標模式在我們的應用中沒有使用，我們使用的運行模式是我們使用我們自己的周期信標幀來開關設備，在一個時間周期過后，設備重新被激活。

對節(jié)點操作的第一個方法如圖6所示，這個節(jié)點沒有使用標準的通信協(xié)議。節(jié)點保持在超低功耗模式直到一個被看門狗觸發(fā)的中斷的到來。當這個發(fā)生時，微控制器改變收發(fā)模式到接受模式。然后，如果一個載波被監(jiān)測到，這個檢點保持等待信標。否則，它又進入睡眠模式。經(jīng)過這樣一個過程，如果CC2530在一個預先設定的時間周期內接受到一個正確的信標，微控制器改變收發(fā)模式到發(fā)送模式并發(fā)送相應的數(shù)據(jù)。這樣的話，CC2530變?yōu)榻邮苣Ｊ降却粋€來自路由器的確認幀。如果確認信號來自路由器，這個節(jié)點關閉睡眠模式。否則，系統(tǒng)回到等待信標的模式。如果通信時間過長，變量Tmax負責將節(jié)點返回到睡眠模式。

圖6 終端節(jié)點的操作

對于ZigBee通信，一些軟件上的改進也可以用來增加整個系統(tǒng)的自治。

2.2.2 WSCN的信息流

為了協(xié)調分布式設備，一個數(shù)據(jù)模式需要被定義用來描述信息流以滿足總體需求。數(shù)據(jù)模式定義目標事件作為網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)共享目標，以及管理事件作為內部信息需要來保持網(wǎng)絡上的功能。目標事件在路由器節(jié)點中是序列化的以及它和無線傳感器網(wǎng)絡中其余節(jié)點通信。無線傳感器網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟襟E如圖7所示。

圖7 基于目標事件的信息流

（1）當他的傳感器從環(huán)境中得到數(shù)據(jù)時，終端節(jié)點保存環(huán)境信息在自己的存儲器中。

（2）路由器節(jié)點以250KB／s的速度，16bytes大小的數(shù)據(jù)包，通過射頻通信接受信息。

（3）路由器節(jié)點準備目標事件。

（4）已經(jīng)發(fā)送的目標事件在無線傳感器網(wǎng)絡中以250KB／s的速度進行路由。

（5）協(xié)調器接受目標事件以及發(fā)送數(shù)據(jù)到信息系統(tǒng)。

3 WDSCN的實現(xiàn)

WSCN可以被應用于很多工業(yè)、生活和辦公場所。為了驗證WDSCN能否在實踐中達到預期的效果，WSCN被用在某學校的一棟實驗樓里來調節(jié)整個實驗環(huán)境的空氣質量。因為我們的協(xié)調器上有液晶和按鍵，所以不用PC便能完成所有的采集和控制任務。我們的WDSCN主要設備有1個協(xié)調器，2個路由器和4個終端節(jié)點。每個終端節(jié)點連接一個溫濕度傳感器，一個二氧化碳濃度傳感器和一個風機盤管 （中央空調的末端裝置），每個終端節(jié)點既可以單獨完成所有任務，也可以和其它節(jié)點協(xié)作組網(wǎng)完成任務。

協(xié)調器主要的功能是啟動網(wǎng)絡，還有對終端節(jié)點采集回來的數(shù)據(jù)進行實時顯示已經(jīng)對終端節(jié)點發(fā)指令來控制風機盤管來調節(jié)室內空氣質量。

經(jīng)過測試，通過協(xié)調器在對終端節(jié)點進行固定溫濕度［11］以及二氧化碳濃度值設定之后，通過風機盤管的一段時間的調節(jié)，在協(xié)調器的顯示屏上我們會看到從終端節(jié)點采集回來的數(shù)據(jù)和能夠達到我們預先設定的效果。圖8至圖10將實時室溫和加設WDSCN環(huán)境控制設備之后的環(huán)境參數(shù)進行了比較。

圖8 室內溫度隨時間變化

圖9 室內相對濕度隨時間變化

通過觀察，我們可以清楚的看到經(jīng)過WDSCN環(huán)境控制設備的調節(jié)，溫度、相對濕度，二氧化碳濃度均能夠保持到我們工作環(huán)境的最佳值，給我們創(chuàng)造了更為舒適的工作環(huán)境。上述實驗說明，無線分布式傳感控制網(wǎng)絡經(jīng)過各層設備之間的協(xié)作之后，高可靠地完成了任務。

4 結束語

圖10 室內二氧化碳濃度隨時間變化

對當前的無線分布式傳感控制網(wǎng)絡的國內外研究現(xiàn)狀進行了研究，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)存網(wǎng)絡存在網(wǎng)絡自組織性不夠靈活，網(wǎng)絡范圍不夠大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性有待改進的問題。為了擴大無線傳感器網(wǎng)絡的應用范圍和改進現(xiàn)存網(wǎng)絡的不足，研究并實現(xiàn)了一種新的無線分布式傳感控制網(wǎng)絡。首先根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡的應用現(xiàn)狀搭建了系統(tǒng)架構和拓撲。然后針對具體應用對WDSCN中存在的3種具體設備——終端、路由器以及協(xié)調器進行了硬件設計并進行了實現(xiàn)。對于網(wǎng)絡通信實現(xiàn)，引進了ZigBee這種工業(yè)級的無線通信標準實現(xiàn)了通信網(wǎng)絡的標準化。最后，對實現(xiàn)的無線分布式傳感控制網(wǎng)絡在實際應用中進行驗證。結果表明，新的無線分布式傳感控制網(wǎng)絡經(jīng)過各層設備之間的協(xié)作之后，能夠高可靠地完成任務。

［1］DENG Hong，LONG Zhaohua，YANG Ling.Designing WDSCN based on the multi－channels Ad Hoc network ［J］.Microcomputer Information，2007，23 （8－3）：130－132 （in Chinese）.［鄧洪，龍昭華，楊令.基于多信道Ad Hoc網(wǎng)絡的WDSCN 的 設 計 ［J］. 微 計 算 機 信 息，2007，23 （8－3）：130－132.］

［2］FENG Li，ZHOU Jingjing，LIN Yuchi.Study of control system of wireless distributed sensing networks based on LabVIEW［J］.Transducer and Microsystem Technologies，2008，27（2）：32－34 （in Chinese）. ［馮莉，周晶晶，林玉池.基于LabVIEW的無線分布式傳感網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的研究 ［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2008，27 （2）：32－34.］

［3］FENG Li.Application study on the wireless distributed sensor／control networks［D］.Tianjin：Tianjin University，2006 （in Chinese）. ［馮莉.無線分布式傳感／控制網(wǎng)絡的應用研究［D］.天津：天津大學，2006.］

［4］Shahin Farahani.ZigBee wireless networks and transceivers［M］.USA：Newnes，2008.

［5］DrewGislason.ZigBee wireless networking ［M］.USA：Newnes，2008.

［6］ZigBeeSpecification ［OL］.http：／／www.ZigBee.org，2013.

［7］8051IAR embedded workbench help ［OL］.http：／／www.iar.com，2013.

［8］CC2530user’s guide ［OL］.http：／／www.ti.com，2013.

［9］CC2530F256－A true syetem－on－chip for 2.4Ghz IEEE 802.15.4 and ZigBee applications ［OL］.http：／／www.ti.com，2013.

［10］Pablo GARCíA ANSOLA，Andrés GARCíA，Javier de las MORENAS，et al.ZigID：Improving visibility in industrial environments by combining WSN and RFID ［J］.Journal of Zhejiang University Science A （An International Applied Physics ＆Engineering），2011，12 （11）：849－859.

［11］LI Lili，SHI Wei.Design of embedded wireless temperature control system for agricultral greenhous ［J］.Chinese Agricultural Science Bulletin，2011，27 （33）：278－282 （in Chinese）.［李麗麗，施偉.農業(yè)大棚嵌入式無線溫控系統(tǒng)設計［J］.中國農學通報，2011，27 （33）：278－282.］