摘? 要: 針對ZigBee無線傳感器網絡大都不考慮多信號采集實時傳輸應用的情況，提出一種針對多傳感器信號無線實時傳輸的時分快傳算法。該算法先對傳感器信號進行統計分析以提取特征值，然后結合時分多址進行快傳，完成多個傳感器信號的實時傳輸功能;在ZigBee無線傳感器網絡中利用該算法可以實現多個傳感器信號實時采集，并能在接收端恢復及監測信號。
關鍵詞: ZigBee;無線傳感器網絡;信號采集;信號重現
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在油田開發中，鉆井是一項高投入、高風險的工程，為了能很好地掌握鉆井的工作狀態，需要幾十個傳感器在不同點上對油田鉆井工作進行實時監測。目前主要利用有線方式進行傳感器監測。然而，鉆井隊鉆完一口油井后需要轉入下一口井繼續工作，這就需要拆卸、安裝鉆井裝置以及監控儀器;另外監測中心與鉆井塔臺存在一定的距離，現場布線很不方便，系統有線傳輸的弊端暴露無遺。因此，無線傳輸替代有線傳輸成為迫切的需求。
基于ZigBee[1-2]協議的低功率無線傳感器網絡是工業過程控制領域涌現的最具吸引力的技術之一。它除了具有功耗低、成本低、復雜度低、組網能力強等優點外，還因為采用碼相位移位鍵控CPSK(Code Phase Shifting Keying)擴頻技術，而具有一定抗干擾能力。目前它主要用于工業控制、消費電子、汽車自動化、物業自動化管理、醫用設備監控和定位等對實時性要求不高，或雖然實時性要求較高，但只傳少量信息的傳感器系統[3-5]。如果要對多個傳感器信號全速采集并實時傳輸，需要改進現有的ZigBee傳輸方式。
本文提出一種時分快傳算法。該算法首先對信號進行統計分析提取信號特征值，然后進行定時快傳。針對區域網絡，提出一種低復雜度系統同步方法，即先基于TDMA時分多址(Time Division Multiple Access)原理，將一個周期劃分為n個時隙以便于定時傳輸多個傳感器信號，然后利用信標完成區域內設備時鐘同步;在此基礎上各發送器按照次序在各自時隙將已經采集好一個周期的低速傳感器信號進行高速傳輸，而接收端對接收信號采用定時復現技術從而實現多傳感器信號重現，實現實時、準確監測目的;同時系統利用頻分多址FDMA(Frequency Division Multiple Access)技術進一步擴展，實現對更多的傳感器信號實時傳輸。
1 多傳感器信號實時傳輸系統
????利用ZigBee網絡實現傳感器信號的無線實時傳輸一般采取三種處理方法。第一種是先對所有傳感器信息全部處理，只傳監控需要的信息。其優點是所傳信息量較少，對網絡傳輸實時性要求較低;其缺點是還需要其他處理器進行信息處理，這不但增加費用和功耗，而且體積增大，不利于在鉆井平臺布局。第二種方法是對所有傳感器信號采樣后實時傳輸。由于ZigBee屬于低速傳輸類型，雖然最高速率可達250kb/s，但由于幀頭等開銷，其實際最高傳輸速率約110kb/s，而絞車傳感器響應頻率為1.5kHz。為較好地恢復該信號，采用10倍以上采樣速率，如果用8位的A/D采樣位數，則傳輸速率最低要求達到:
Vlow=1.5×10×8=120kb/s
這一要求超出了ZigBee的傳輸能力。第三種方法對傳感器信號加以分析，進行針對性傳輸。傳感器信號分為脈沖傳感器和模擬傳感器，其中模擬傳感器一般工作頻率較低，工作頻率為100Hz;脈沖傳感器工作頻率有的較高，但由于是脈沖數字信號，幅值一定，可以先統計脈沖信息，再定時快傳統計信息，這將大大降低對傳輸速率的要求。
當有多個傳感器信號需傳輸時，如果采用一對一的方式收發，則接收設備較多。這一方面增加了系統成本，另一方面增加了接收端數據集線器的連線數，不利于數據采集。根據上面分析，假設模擬傳感器信號采樣頻率為10倍工作頻率，采用8bit采樣，則一路傳遞速率為:
V=100×10×8=8kb/s
因此只要規劃好時隙，就可以用一個接收機接收多路信號，從而實現多路實時傳輸。對于工作頻率較高的脈沖傳感器，可以占用多個時隙進行傳輸，也可以采用先對脈沖信號進行統計，以速率較高的絞車傳感器為例，它通過兩路含90°相位差的脈沖信息來表示鉆機的運行方向和距離等，而通過含ZigBee的單片機較易統計出它的脈沖信息量，因而傳輸數據大為減少，這里選擇后一種方式。
通過以上方法可以大大減少接收機的數量。但是在傳感器數量較多時，總的傳輸速率將超過信道容量，這時用一個接收機顯然不可能實時接收。例如傳20路模擬信號，需要8×20=160kb/s，同時還需要考慮同步開銷，以及傳輸過程中可能受到的干擾等因素，因而無法做到多傳感器實時傳輸。在這種情況下可以利用FDMA進行傳輸， ZigBee具有16個同帶寬的信道，在不同信道傳輸的信號的相互干擾可以忽略。根據以上分析，本系統提出了如圖1所示的多傳感器信號無線實時傳輸的系統結構。
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系統由多個子系統構成，子系統由一個接收機和若干個發送端組成，采用“星形”網絡拓撲方式進行構建。其中接收端為主，發送端為從，同一個子系統的接收端與發送端在同一信道上，不同子系統的信道不同，通過FDMA以保證處理更多的傳感器信號。在同一個子系統內，基于時分快傳的算法進行通信，它先實現各子系統內同步，然后按次序利用不同的時間片快速傳輸低速率傳感器信號。主控端通過數據集線器與各接收機相連，它利用定時處理方法恢復出原始的傳感器信號，這樣可以在主機端實時監測到不同傳感器信息。下面將介紹用到的關鍵技術。
2 關鍵技術
2.1 傳感器時分速傳信號采集算法
鉆井平臺采用的模擬傳感器信號工作頻率一般不高于100Hz，如果采用通常的即采即傳方案，它在A/D采樣到一個樣點就進行傳輸，接收端收到后就直接輸出，保證了單個點對點實時傳輸，從而可保證低速傳感器信號在接收端重現。但其缺點也顯而易見，即對于較高速率的采樣信號的無法實時傳輸，而且，如果有多個傳感器需同時傳輸，就可能因相互沖突造成延遲。由于它是定時傳輸，對時延有一定要求，所以甚至有可能丟失數據，這也是目前ZigBee網絡主要只用于網絡非實時控制的原因。它只傳輸控制信號，數據量相對少得多，即使沖突，通過載波偵聽，也可以保證短時間到達接收方。
針對以上問題，本文提出利用ZigBee快速傳輸實現實時傳輸傳感器信號。以模擬傳感器信號為例，一路信號只要保證最低傳輸速率8kb/s就可以實現信號實時采樣和收端重現功能。由于ZigBee實際最高速率可以達到110kb/s，并且一幀最多可攜帶107B信息，如果短時先預存采樣好的數據，再利用ZigBee高速傳輸，可以保證系統采集的數據快速到達接收端;在接收端設置與發送端采樣數據一致的定時器，定時向外發送數據，就可以實時重現信號。對于速率較高的脈沖信號，由于脈沖的幅值一般不變，以絞車傳感器為例，在測量到兩路方波脈沖信號的相位差和個數，這樣只要統計它們的信息，再定時傳輸，接收端既可統計，也可恢復出該路信號，解決了較高速傳感器信號實時傳輸問題。
由于這里ZigBee傳輸速率遠高于采樣速率，可以利用分時快傳算法實現一個ZigBee接收機接收多路ZigBee發送端傳來的信息。它預先在子系統內按照主從方式構建網絡拓撲，接收端為主，各發送端為從;子系統內在建立同步后，各傳感器發射端預先編好次序，在規定的時間發送數據。為了保證可靠傳輸，設計時需要保證為各傳感器的傳輸時間預留一定的保護時隙。
2.2 基于信標的同步方案算法
采用時分速傳可以實現多路傳感器信號的實時傳輸，前提是同步。如果系統沒有同步，則可能造成同一頻段上多個傳感器信號相互之間出現嚴重的碰撞，從而丟失信息，因此子系統同步顯得格外重要。目前用于無線傳感器的時鐘同步算法[6-7]較多，有RBS同步算法、TPSN算法、DMTS算法和FTSP算法等，其中基于FTSP算法同步開銷小、精度高、協議最簡單。但它們主要針對大規模的傳感器網絡，實現相對復雜，這將消耗部分系統資源;針對星形網絡，可以采用易于實現的時分-信標同步方法，如圖2所示。其中接收機負責系統同步處理，各發送機積極應答同步信號。實現過程為:先將一個周期分成n個時隙，接收機占用第一個時隙用于發送信息，其余各發送機分配相應時隙，以便于發送采樣數據;同步幀由信標和同步標志等信息構成，系統未同步上時，相應同步標志為未同步標志‘0’，接收機在第一時隙發出同步幀;各傳感器信號發送機若接收到信標，啟動定時器，按照事先規定好次序，考慮到信道延時、發送時間和接入時間，在相應的時隙回傳應答信號。接收機對收到信息進行處理，在確認所有發射端全部同步后，在下一周期第一個時間片所發的同步幀中設置系統同步信標。如果有設備沒有被同步，則繼續同步過程，此時系統同步標志位為未同步標志，直到系統被全部同步為止。
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2.3 FDMA擴容
以上技術解決了多個傳感器信號實時傳輸的問題，但是由于監測點往往超過20個，如果在同一信道上傳輸，根據以上分析，總的傳輸速率將超過信道容量，這就導致無線傳輸信號相互碰撞，使數據傳輸延遲，甚至丟失數據。解決方法是使用FDMA技術。根據ZigBee協議，FDMA共有16個信道，雖然接收機和發送機需要工作在同一個信道，但是可以預先組合好各子系統。如圖1所示，不同子系統采用不同信道，這樣一方面降低同一信道上最大傳輸速率，另一方面可以增加傳輸容量。
3 系統實現方案
在實際設計中，選用TI公司的CC2430[8]作為無線傳輸模塊，該芯片工作頻率為32MHz。它除了射頻收發器外，還包括增強型8051MCU、A/D采樣電路、DMA、看門狗等。由于外圍器件少，大大簡化了硬件設計。如圖3所示，CC2430芯片完成虛框內A/D采樣，數據緩存和定時速傳功能，對于傳感器信號，先經過光電耦合以防止強干擾信號，如果傳感器信號是模擬的，將它與含A/D采樣的P0_0管腳相連，A/D硬件電路自動高速采樣，并將采樣值存放到特定寄存器中，這時可利用定時器0定時讀取。這里設讀取頻率為1kHz，8bit采樣，利用乒乓方式傳遞，兩個緩存數組各為100B，當存滿一組數組后，設置該組滿標志位，并清除下一數組的滿標志位，同時將地址指針指向下一組數組起始位置;Timer2用于定時發送，當到達規定時間，Timer2中斷觸發DMA傳輸，發送端將滿標志位數組數據發送出。對于較高速的數字脈沖信號，將信號接PIO口，通過邊沿中斷方式進行計數，當計時到一個周期時，將該數據發送出去，同時將計數器清零，以便重新計數。接收端收到數據后，通過高速串口卡上傳給工控機，工控機接收到數據后利用定時處理機制，在顯示終端顯示結果，同時通過這些數據可以實時監測鉆井系統工作狀態。
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????在設計中需要處理好各定時器的設置，以采樣模擬傳感器信號為例，通過以上分析知，定時器0的時間周期為1/1K=0.001s，則一個周期時間T=100/1K=0.1s，它也是定時器2的時間周期，在定時器中斷后DMA傳輸期間應該保證定時器1寫入的數組還處于另一個數組。這里就有一個時間差的計算設計問題，如果設計不好，就有可能出現同一個數組被A/D采樣后數據輸入的同時被DMA方式讀取。這是因為DMA速度快造成發出的數據一部分是剛存的，一部分是以前的，從而造成數據混亂。可以采用圖4所示的發送端定時器，收到同步幀信號后，先根據發送時間設置用于發送數據的Timer2定時器初值，設置允許中斷標志位;然后設置延遲定時器T1，它決定了用于A/D采樣的定時器0的開啟時間，目的是保證利用Timer0定時器中斷讀取A/D采樣的數據在向當前數組剛存放一小部分數據時，Timer2中斷來時DMA讀取的是另一個數組。由于DMA傳輸快，故它傳完另一個數組的數據時，當前數組還沒被Timer0中斷讀取A/D采樣值的數據存滿。
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本文提出并完成一種用于多點傳感器信號無線實時傳輸的系統設計。該系統采用時分快傳的算法，在系統同步的基礎上實現監測鉆井的多個傳感器信號實時傳輸，從而實現接收端實時監控的目的。由于采用ZigBee技術，系統成本較低，無協議專利費支出，同時功耗較低。該算法可適合于其他低速實時網絡傳輸系統。
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