無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)是當(dāng)前在國(guó)際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了現(xiàn)代無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展了人們信息獲取能力，將客觀世界的物理信息同傳輸網(wǎng)絡(luò)連接在一起，在下一代網(wǎng)絡(luò)中將為人們提供最直接、最有效、最真實(shí)的信息。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠獲取客觀物理信息，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，能應(yīng)用于軍事國(guó)防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境檢測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給監(jiān)控終端。本文根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有成本低、能耗小、組網(wǎng)靈活、系統(tǒng)抗毀性強(qiáng)等多方面優(yōu)勢(shì)，通過對(duì)環(huán)境的無(wú)縫精確定位技術(shù)和基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫監(jiān)控預(yù)警技術(shù)，完成了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控預(yù)警終端原理樣機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，滿足在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中環(huán)境監(jiān)測(cè)、監(jiān)控預(yù)警、應(yīng)急管理、人員定位與導(dǎo)航等的需求。
1 手持終端系統(tǒng)組成
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端由主控制器、ZigBee無(wú)線傳輸模塊、傳感器模塊組成。其中，主控制器負(fù)責(zé)處理來(lái)自ZigBee無(wú)線傳輸模塊的數(shù)據(jù)，并根據(jù)情況做出相應(yīng)的判斷；ZigBee無(wú)線傳輸模塊負(fù)責(zé)接收來(lái)自傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與主控制器的通信；傳感器模塊負(fù)責(zé)采集環(huán)境內(nèi)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的分析和處理。
系統(tǒng)主控制器采用ARM11架構(gòu)的32位嵌入式RISC處理器S3C6410。ZigBee無(wú)線傳輸模塊采用集信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通信于一體的CC2430芯片，CC2430集成符合IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的2．4 GHz的RF無(wú)線電收發(fā)機(jī)，具有優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性，有數(shù)字化的RSSI／LQI支持和強(qiáng)大的DMA功能，集成14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的A／D轉(zhuǎn)換器；帶有2個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART，1個(gè)符合IEEE 802．15．4規(guī)范的MAC計(jì)時(shí)器，1個(gè)常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器和2個(gè)8位計(jì)時(shí)器。傳感器模塊包括溫度，濕度，亮度和人體紅外傳感器。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。
本系統(tǒng)中，傳感器的功能是分別采集環(huán)境中的溫度信息、濕度信息、亮度信息和人體紅外感應(yīng)信息，并加以處理，通過無(wú)線通信方式將數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)手持終端。終端通過查詢傳感器發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并做出判斷，結(jié)合實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施。無(wú)線傳輸節(jié)點(diǎn)通過采集手持終端的接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)，對(duì)終端進(jìn)行定位。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)手持終端主要由基于ARM11架構(gòu)的三星S3C641O處理器和基于無(wú)線傳輸?shù)腃C2430芯片組成。
2．1 無(wú)線傳輸模塊硬件設(shè)計(jì)
ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)，具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸速率低、時(shí)延小、網(wǎng)絡(luò)容量大、成本低、通信可靠性高、安全、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用在無(wú)線數(shù)據(jù)采集、無(wú)線工業(yè)控制、消費(fèi)電子、汽車自動(dòng)化、家庭和樓宇自動(dòng)化、醫(yī)用設(shè)備控制、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制等領(lǐng)域。傳感器采集溫度、濕度、亮度、人體紅外感應(yīng)等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行信息處理，通過無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控終端。
無(wú)線傳輸模塊采用具有數(shù)據(jù)采集、無(wú)線通信和信息處理的單片機(jī)射頻芯片CC2430。由于CC2430的集成度高，所以只需要極少的外圍元器件，其內(nèi)部使用1．8 V的工作電壓，外部數(shù)字I／O使用的3．3 V的電壓，通過片上集成的自流穩(wěn)壓器，把3.3 V電壓轉(zhuǎn)換為1．8 V電壓。該模塊主要包括3．3 V和1．8 V電源濾波電路、晶振電路、偏置電路、巴倫電路、射頻阻抗匹配電路和復(fù)位電路，無(wú)線傳輸模塊硬件電路圖如圖2所示。
1)晶振電路：CC2430工作需要2個(gè)時(shí)鐘晶振，第一個(gè)為32 MHz，為無(wú)線收發(fā)提供時(shí)鐘；第二個(gè)為32．768 kHz，為系統(tǒng)睡眠喚醒提供時(shí)鐘。C191和C211為32 MHz的負(fù)載電容，電容值取決于負(fù)載電容的大小，CL=1／(1／C191+1／C211)+Cf，其中CL典型值為16 pF，Cf為2～5 pF，保證晶體振蕩器產(chǎn)生的頻率準(zhǔn)確和穩(wěn)定。C191和C211的典型值為27 pF。
2)R221和R261為偏置電阻，電阻R221主要用來(lái)為32 MHz晶振提供一個(gè)合適的電流。
3)電壓調(diào)節(jié)器為1．8 V電壓的引腳和內(nèi)部電源供電，電容C241和C421是去耦電容，用來(lái)實(shí)現(xiàn)電源濾波，以提高芯片工作的穩(wěn)定性。
4)復(fù)位電路由限流電阻R101、濾波電容C101和按鍵組成，實(shí)現(xiàn)低電平復(fù)位。
5)射頻阻抗匹配電路：CC2430可以使用不同類型的天線，本設(shè)計(jì)中使用一種非平衡天線，連接非平衡變壓器可使天線性能更好。單極非平衡天線是長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)電磁波長(zhǎng)1／4的諧振天線，射頻信號(hào)采用差分方式，最佳差分負(fù)載阻抗是115+j180 Ω，阻抗匹配電路需要根據(jù)該數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。設(shè)計(jì)采用50 Ω單極子天線，采用巴倫電路(平衡，非平衡轉(zhuǎn)換電路)完成雙端口到單端口的轉(zhuǎn)換。電路中的非平衡變壓器由L321、L3 31、L341、C341和PCB微波傳輸線組成，L321和L341匹配RF輸入／輸出50 Ω阻抗匹配，L321和L331同時(shí)提供功率放大器和低噪聲放大器的直流偏置。L321為8．2 nH，L331為22 nH，L341為1．8 nH，C341為5．6 pF。
CC2430發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，信號(hào)從差分射頻端口RF_P、RF_N經(jīng)巴倫電路變?yōu)閱味诵盘?hào)，由RXTX_SWITCH信號(hào)控制2個(gè)邏輯開關(guān)，選通功率放大電路(PA)，放大后的信號(hào)從天線發(fā)射出去。接收信號(hào)時(shí)，在RXTX_SWITCH信號(hào)控制下，從天線接收的信號(hào)經(jīng)低噪聲放大電路(LNA)放大，經(jīng)巴倫電路轉(zhuǎn)換，由RF_P、RF_N端口接收。
2．2 手持終端硬件設(shè)計(jì)
手持終端主要由處理器核心系統(tǒng)、無(wú)線傳輸模塊、電源管理系統(tǒng)和輸入輸出系統(tǒng)4部分組成。處理器核心系統(tǒng)由處理器(S3C6410)、SDR-AM(K4X51163PC-LGC3)和Flash(K9F2G08XOA)組成。電源管理系統(tǒng)為核心系統(tǒng)和外設(shè)電路提供相應(yīng)電源控制和管理。輸入輸出系統(tǒng)為用戶提供下載接口、語(yǔ)音系統(tǒng)、圖形界面和外設(shè)存儲(chǔ)。其系統(tǒng)框圖如圖3所示。
S3C6410和CC2430通過串口通信，F(xiàn)lash存儲(chǔ)操作系統(tǒng)相關(guān)的內(nèi)容，SD卡存儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)中采集的各種傳感器數(shù)據(jù)、定位與導(dǎo)航應(yīng)用的地圖和應(yīng)用程序等，傳感器采集的數(shù)據(jù)通過LED界面顯示出來(lái)，管理者通過LCD顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控、定位和應(yīng)急管理，報(bào)警信息、通話等通過音頻模塊輸出。手持終端原理樣機(jī)如圖4所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括傳感器的采集程序和手持終端串口通信程序，采集程序根據(jù)不同傳感器的接口方式不同，對(duì)CC2430單片機(jī)分別編寫數(shù)據(jù)采集程序，手持終端需要編寫處理器和CC2430之間的串口通信程序。
3．1 無(wú)線傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)
無(wú)線傳輸模塊的軟件架構(gòu)由數(shù)據(jù)采集端軟件和數(shù)據(jù)接收端軟件組成，包含有發(fā)射程序和接收程序。其中初始化的程序主要對(duì)CC2430單片機(jī)射頻芯片SPI等進(jìn)行初始化設(shè)置，發(fā)射程序?qū)⒋虬臄?shù)據(jù)包通過單片機(jī)的SPI接口發(fā)送至射頻發(fā)生模塊輸出，接收程序完成終端采集數(shù)據(jù)的接收并做相應(yīng)的處理。數(shù)據(jù)采集軟件流程圖如圖5所示。
在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸過程中，MCU控制器首先初始化運(yùn)行和信道選擇，低功耗定時(shí)器運(yùn)行準(zhǔn)備接收信號(hào)，等待傳感器請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)，若請(qǐng)求合法，則初始化采集數(shù)據(jù)，采集完畢后通過CC2430發(fā)送，完成數(shù)據(jù)采集功能。數(shù)據(jù)采集主程序如下：
3．2 手持終端軟件設(shè)計(jì)
S3C6410處理器通過串口和無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行通信。首先串口接收無(wú)線傳輸模塊發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的信息處理再通過串口下達(dá)相應(yīng)指令給無(wú)線傳輸模塊，無(wú)線傳輸模塊再通過無(wú)線方式傳輸指令給傳感器模塊，最終實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜環(huán)境的監(jiān)控和管理。其中串口應(yīng)用程序主要包括4部分：串口初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)、接收數(shù)據(jù)函數(shù)和主函數(shù)。
1)串口初始化
把使用到的串口引腳GPA4、GPA5定義為RXD1、TXD1，分別連接到CC2430的P0．3和P0．2腳。
2)發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)
通過對(duì)UTRSTAT0寄存器相應(yīng)位來(lái)判斷并實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收的功能。UTXH0把要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入此寄存器。
3)接收數(shù)據(jù)函數(shù)
URXH0當(dāng)讀取UTRSTAT0寄存器位[0]為1時(shí)，讀取寄存器獲得串口接收到的數(shù)據(jù)。
4)主函數(shù)
主函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)UART1的初始化，從串口接收字符串，信息判斷和相應(yīng)功能函數(shù)調(diào)用等功能。
4 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用
該無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)已完成演示，通過在3個(gè)實(shí)驗(yàn)室里分別放置溫濕度傳感器、亮度傳感器和人體紅外傳感器，在樓道每隔10 m放置一個(gè)無(wú)線傳輸模塊，傳感器將采集到的溫濕度、亮度和人體紅外信息通過無(wú)線傳輸模塊發(fā)送到手持終端顯示出來(lái)，根據(jù)實(shí)際情況手持終端發(fā)送命令控制實(shí)驗(yàn)室的溫濕度、亮度狀態(tài)，超過某一閾值會(huì)發(fā)出報(bào)警信息，當(dāng)有人進(jìn)去實(shí)驗(yàn)室，人體紅外傳感器會(huì)發(fā)出報(bào)警信息發(fā)送給手持終端控制中心。當(dāng)人員攜帶手持終端，樓內(nèi)的無(wú)線傳輸模塊通過采集手持終端的RSSI值，以及三點(diǎn)定位算法確定人員的位置，指引人員想去的地方，當(dāng)有突發(fā)緊急情況時(shí)進(jìn)行人員導(dǎo)航和疏散，將人員和物品轉(zhuǎn)移至安全的地方。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端基本滿足大型復(fù)雜建筑物室內(nèi)精確定位導(dǎo)航、無(wú)縫監(jiān)控預(yù)警、應(yīng)急事件管理等方面的應(yīng)用，溫度精度0．5℃，濕度精度4．5％RH，亮度精度0．5 lux，室內(nèi)定位精度優(yōu)于3 m(95％)，系統(tǒng)初次定位時(shí)間少于30 s，系統(tǒng)可用性優(yōu)于90％。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文所設(shè)計(jì)的手持?jǐn)?shù)據(jù)采集終端基于S3C6410處理器、CC2430無(wú)線通信芯片和無(wú)線傳感器技術(shù)，其性能優(yōu)越，能滿足大型復(fù)雜環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理的應(yīng)用。采用手持終端可方便管理和應(yīng)對(duì)突發(fā)緊急事件，使應(yīng)急救援力量在最短時(shí)間內(nèi)到達(dá)事件發(fā)生地點(diǎn)，指引災(zāi)難人群在最短時(shí)間內(nèi)選擇最短最優(yōu)路徑進(jìn)行人員疏散，對(duì)建立面向應(yīng)急管理的定位導(dǎo)航與無(wú)縫監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)具有重要意義和使用價(jià)值，在物聯(lián)網(wǎng)中有著廣泛的應(yīng)用。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新之處：1)采用低功耗ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)，提高了節(jié)能效率；2)采用ARM和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合便于使用和管理；3)將無(wú)線傳感器技術(shù)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)大大提高了管理的效率并降低成本。