傳感測試技術(shù)正朝著多功能化、微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、無線化的方向發(fā)展，自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(selforganizing wireless sensornetwork)作為新興技術(shù)，是目前國外研究的熱點，其在軍事、環(huán)境、健康、家庭、商業(yè)、空間探索和災(zāi)難拯救等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，早在2003年美國自然科學(xué)基金委員會已經(jīng)斥巨資來支持這方面的研究，并且出現(xiàn)了一些致力于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的公司。其中，crossbow公司已推出了mica系列傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，國內(nèi)很多大學(xué)現(xiàn)已經(jīng)開展相關(guān)領(lǐng)域的研究，但大部分工作仍處在自組織無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能仿真和硬件節(jié)點小規(guī)模實驗設(shè)計階段，本文就國防科技大學(xué)傳感器教研室開展可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測方面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)進(jìn)行介紹。
1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型(如圖1所示)是不同于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的以基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)，通過在監(jiān)測區(qū)去內(nèi)隨意布撒大量傳感器節(jié)點(簡稱節(jié)點)，由各節(jié)點自行協(xié)調(diào)并迅速組建通信網(wǎng)絡(luò)，在能量利用率優(yōu)先考慮原則下進(jìn)行工作任務(wù)劃分以獲取監(jiān)視區(qū)域的信息，網(wǎng)絡(luò)的自組織特性體現(xiàn)在當(dāng)節(jié)點失效或新節(jié)點加入時網(wǎng)絡(luò)能夠自適應(yīng)重新組建，以調(diào)整全局的探測精度，充分發(fā)揮資源優(yōu)勢，即網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點除具備數(shù)據(jù)采集功能外兼有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)多跳的路由功能。
1.1 節(jié)點組成
典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸和電源4個主要部分組成，傳感探測單元由傳感器進(jìn)行監(jiān)測區(qū)域內(nèi)待測對象的信息采集，微控制單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲等功能，無線傳輸單元負(fù)責(zé)低功耗短距離節(jié)點間通信，供電單元選取小型化、高容量的電池，以確保節(jié)點的長壽命和微型化，具體節(jié)點設(shè)計如圖2和圖3所示。
(1)無線傳輸單元
無線收發(fā)模塊選用挪威nordic公司推出的nrf401芯片，nrf401是工作在ism頻段433.92mhz/434.33mhz單片無線收/發(fā)一體芯片，是包括了高片發(fā)射/接收、plll合成，fsk調(diào)制/解調(diào)和雙頻道切換等單元的高集成度無線傳感器產(chǎn)品，其最高傳輸速率可達(dá)到20kb/s接收靈敏度為-105dbm，最大發(fā)射功率為10dbm，較其他類別射頻收發(fā)芯片外圍電路設(shè)計簡單，設(shè)計中工作頻率鎖定在434.33mhz，微控制單元僅須提供四跟口線：收發(fā)狀態(tài)切換txen、待機(jī)與工作狀態(tài)切換pwr-up和數(shù)據(jù)通信接口線din/dout。射頻信號輸出設(shè)計采用環(huán)形差分輸出天線。
(2)微控制單元
ti公司msp430系列單片機(jī)是一種具有集成度高、功能豐富、功耗級低等技術(shù)特點的16位單片機(jī)，超低功耗的混合信號控制器、豐富的片內(nèi)外設(shè)、節(jié)能考慮的多種工作模式和對c語言程序設(shè)計的支持，使得msp430系列單片機(jī)非常適合于應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計中選用flash存儲器可進(jìn)行在線編程的msp430x13x、msp430x14x系列單片機(jī)，外圍模塊有看門狗、定時器a/b、同步/異步串行通信接口、10/12位a/d以及6個8位并行端口等多種組合形式。其實現(xiàn)功能如下：
操作無線收發(fā)芯片，為nrf401提供工作狀態(tài)控制線和兩條單向串行傳輸數(shù)據(jù)線。
實現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)采集-加速度、溫度、聲音和感光強(qiáng)度探測;
本地數(shù)據(jù)處理--剔除冗余數(shù)據(jù)，以減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢?fù)載和對無線傳輸數(shù)據(jù)的封裝與驗證。
應(yīng)答遠(yuǎn)控中心查詢，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與存儲;
區(qū)域內(nèi)節(jié)點的路由維護(hù)功能;
節(jié)點電源管理，合理地設(shè)置待機(jī)狀態(tài)，以節(jié)省能量消耗，延長節(jié)點使用壽命。
(3)傳感探測單元
根據(jù)實際需要選擇合適傳感器對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)溫度、濕度、振動、聲音和光線等物理信號進(jìn)行檢測。實驗設(shè)計選用了兩種外圍電路簡單的數(shù)字格式傳感器、光敏器件和駐極體話筒，分別對振動、溫度、光強(qiáng)和聲音進(jìn)行探測。
ad公司的adxl202是雙軸向加速度傳感器，其采用先進(jìn)的mems技術(shù)，在同一硅片中刻蝕了一個多晶硅編碼微機(jī)械傳感器，集成精度的信號處理電路，可測靜態(tài)及動態(tài)加速度，輸出為周期的占空比調(diào)制(dcm)循環(huán)數(shù)字信號，測試范圍為-2-+2g，測試帶寬為0.01hz-5khz(外置單電容可調(diào))，60hz帶寬下分辨率為5mg，該傳感器可廣泛應(yīng)用于慣性導(dǎo)航、地震監(jiān)測、車輛安全和電池供電設(shè)備的運(yùn)動狀態(tài)測試等領(lǐng)域。
maxim公司的ds18b20是一線式數(shù)字溫度傳感器，測量結(jié)果可選用9-12位串行數(shù)據(jù)輸出，測量范圍-55-125℃，在-10-85℃測量準(zhǔn)確度為±0.5℃。
