無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)是當前在國際上備受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。傳感器技術、微機電系統(tǒng)、現(xiàn)代網絡和無線通信等技術的進步，推動了現(xiàn)代無線傳感器網絡的產生和發(fā)展。無線傳感器網絡擴展了人們信息獲取能力，將客觀世界的物理信息同傳輸網絡連接在一起，在下一代網絡中將為人們提供最直接、最有效、最真實的信息。無線傳感器網絡能夠獲取客觀物理信息，具有十分廣闊的應用前景，能應用于軍事國防、工農業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境檢測、搶險救災、危險區(qū)域遠程控制等領域。
無線傳感器網絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內的大量廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給監(jiān)控終端。本文根據(jù)無線傳感器網絡具有成本低、能耗小、組網靈活、系統(tǒng)抗毀性強等多方面優(yōu)勢，通過對環(huán)境的無縫精確定位技術和基于無線傳感器網絡的無縫監(jiān)控預警技術，完成了基于無線傳感器網絡的監(jiān)控預警終端原理樣機的設計和實現(xiàn)，滿足在物聯(lián)網應用中環(huán)境監(jiān)測、監(jiān)控預警、應急管理、人員定位與導航等的需求。
1 手持終端系統(tǒng)組成
無線傳感器網絡終端由主控制器、ZigBee無線傳輸模塊、傳感器模塊組成。其中，主控制器負責處理來自ZigBee無線傳輸模塊的數(shù)據(jù)，并根據(jù)情況做出相應的判斷；ZigBee無線傳輸模塊負責接收來自傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與主控制器的通信；傳感器模塊負責采集環(huán)境內的數(shù)據(jù)，并進行相應的分析和處理。
系統(tǒng)主控制器采用ARM11架構的32位嵌入式RISC處理器S3C6410。ZigBee無線傳輸模塊采用集信號采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信于一體的CC2430芯片，CC2430集成符合IEEE 802．15．4標準的2．4 GHz的RF無線電收發(fā)機，具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性，有數(shù)字化的RSSI／LQI支持和強大的DMA功能，集成14位模數(shù)轉換的A／D轉換器；帶有2個強大的支持幾組協(xié)議的USART，1個符合IEEE 802．15．4規(guī)范的MAC計時器，1個常規(guī)的16位計時器和2個8位計時器。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信息，并加以處理，通過無線通信方式將數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)手持終端。終端通過查詢傳感器發(fā)送來的數(shù)據(jù)進行分析并做出判斷，結合實際情況采取相應的措施。無線傳輸節(jié)點通過采集手持終端的接收信號強度指示(RSSI)，對終端進行定位。
2 系統(tǒng)硬件設計
無線傳感器網絡手持終端主要由基于ARM11架構的三星S3C641O處理器和基于無線傳輸?shù)腃C2430芯片組成。
2．1 無線傳輸模塊硬件設計
ZigBee技術是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，采用IEEE802．15．4標準，具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸速率低、時延小、網絡容量大、成本低、通信可靠性高、安全、組網靈活等優(yōu)點，主要應用在無線數(shù)據(jù)采集、無線工業(yè)控制、消費電子、汽車自動化、家庭和樓宇自動化、醫(yī)用設備控制、遠程網絡控制等領域。傳感器采集溫度、濕度、亮度、人體紅外感應等數(shù)據(jù)，并進行信息處理，通過無線傳感器網絡發(fā)送給監(jiān)控終端。
無線傳輸模塊采用具有數(shù)據(jù)采集、無線通信和信息處理的單片機射頻芯片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位電路，無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個時鐘晶振，第一個為32 MHz，為無線收發(fā)提供時鐘；第二個為32．768 kHz，為系統(tǒng)睡眠喚醒提供時鐘。C191和C211為32 MHz的負載電容，電容值取決于負載電容的大小，CL=1／(1／C191+1／C211)+Cf，其中CL典型值為16 pF，Cf為2～5 pF，保證晶體振蕩器產生的頻率準確和穩(wěn)定。C191和C211的典型值為27 pF。
2)R221和R261為偏置電阻，電阻R221主要用來為32 MHz晶振提供一個合適的電流。
3)電壓調節(jié)器為1．8 V電壓的引腳和內部電源供電，電容C241和C421是去耦電容，用來實現(xiàn)電源濾波，以提高芯片工作的穩(wěn)定性。
4)復位電路由限流電阻R101、濾波電容C101和按鍵組成，實現(xiàn)低電平復位。
5)射頻阻抗匹配電路：CC2430可以使用不同類型的天線，本設計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度對應電磁波長1／4的諧振天線，射頻信號采用差分方式，最佳差分負載阻抗是115+j180 Ω，阻抗匹配電路需要根據(jù)該數(shù)值進行調整。設計采用50 Ω單極子天線，采用巴倫電路(平衡，非平衡轉換電路)完成雙端口到單端口的轉換。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，信號從差分射頻端口RF_P、RF_N經巴倫電路變?yōu)閱味诵盘?，由RXTX_SWITCH信號控制2個邏輯開關，選通功率放大電路(PA)，放大后的信號從天線發(fā)射出去。接收信號時，在RXTX_SWITCH信號控制下，從天線接收的信號經低噪聲放大電路(LNA)放大，經巴倫電路轉換，由RF_P、RF_N端口接收。
2．2 手持終端硬件設計
手持終端主要由處理器核心系統(tǒng)、無線傳輸模塊、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)和外設電路提供相應電源控制和管理。輸入輸出系統(tǒng)為用戶提供下載接口、語音系統(tǒng)、圖形界面和外設存儲。其系統(tǒng)框圖如圖3所示。
S3C6410和CC2430通過串口通信，F(xiàn)lash存儲操作系統(tǒng)相關的內容，SD卡存儲環(huán)境監(jiān)測中采集的各種傳感器數(shù)據(jù)、定位與導航應用的地圖和應用程序等，傳感器采集的數(shù)據(jù)通過LED界面顯示出來，管理者通過LCD顯示的數(shù)據(jù)進行監(jiān)控、定位和應急管理，報警信息、通話等通過音頻模塊輸出。手持終端原理樣機如圖4所示。
3 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件設計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CC2430單片機分別編寫數(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 無線傳輸模塊軟件設計
無線傳輸模塊的軟件架構由數(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CC2430單片機射頻芯片SPI等進行初始化設置，發(fā)射程序將打包的數(shù)據(jù)包通過單片機的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行和信道選擇，低功耗定時器運行準備接收信號，等待傳感器請求發(fā)送信號，若請求合法，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 手持終端軟件設計
S3C6410處理器通過串口和無線傳輸模塊進行通信。首先串口接收無線傳輸模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，并進行相應的信息處理再通過串口下達相應指令給無線傳輸模塊，無線傳輸模塊再通過無線方式傳輸指令給傳感器模塊，最終實現(xiàn)大型復雜環(huán)境的監(jiān)控和管理。其中串口應用程序主要包括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UTRSTAT0寄存器相應位來判斷并實現(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當讀取UTRSTAT0寄存器位[0]為1時，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)主要實現(xiàn)UART1的初始化，從串口接收字符串，信息判斷和相應功能函數(shù)調用等功能。
4 系統(tǒng)實際應用
該無線傳感器網絡終端系統(tǒng)已完成演示，通過在3個實驗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放置一個無線傳輸模塊，傳感器將采集到的溫濕度、亮度和人體紅外信息通過無線傳輸模塊發(fā)送到手持終端顯示出來，根據(jù)實際情況手持終端發(fā)送命令控制實驗室的溫濕度、亮度狀態(tài)，超過某一閾值會發(fā)出報警信息，當有人進去實驗室，人體紅外傳感器會發(fā)出報警信息發(fā)送給手持終端控制中心。當人員攜帶手持終端，樓內的無線傳輸模塊通過采集手持終端的RSSI值，以及三點定位算法確定人員的位置，指引人員想去的地方，當有突發(fā)緊急情況時進行人員導航和疏散，將人員和物品轉移至安全的地方。經試驗驗證該無線傳感器網絡終端基本滿足大型復雜建筑物室內精確定位導航、無縫監(jiān)控預警、應急事件管理等方面的應用，溫度精度0．5℃，濕度精度4．5％RH，亮度精度0．5 lux，室內定位精度優(yōu)于3 m(95％)，系統(tǒng)初次定位時間少于30 s，系統(tǒng)可用性優(yōu)于90％。
5 結束語
本文所設計的手持數(shù)據(jù)采集終端基于S3C6410處理器、CC2430無線通信芯片和無線傳感器技術，其性能優(yōu)越，能滿足大型復雜環(huán)境監(jiān)測和管理的應用。采用手持終端可方便管理和應對突發(fā)緊急事件，使應急救援力量在最短時間內到達事件發(fā)生地點，指引災難人群在最短時間內選擇最短最優(yōu)路徑進行人員疏散，對建立面向應急管理的定位導航與無縫監(jiān)控預警系統(tǒng)具有重要意義和使用價值，在物聯(lián)網中有著廣泛的應用。
系統(tǒng)設計創(chuàng)新之處：1)采用低功耗ZigBee無線傳輸技術，提高了節(jié)能效率；2)采用ARM和無線傳感器網絡技術結合便于使用和管理；3)將無線傳感器技術應用于物聯(lián)網大大提高了管理的效率并降低成本。
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