具有自適應通信能力的無線傳感網(wǎng)節(jié)點設計

無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)是由大量無處不在的、具有通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點密集布設在無人值守的監(jiān)控區(qū)域而構(gòu)成的能夠根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務的智能自治測控網(wǎng)絡系統(tǒng)，可廣泛應用于航天、航空、國防、電力、能源、環(huán)境、醫(yī)療、災難預警、空間探索等領域。2003年，MIT技術(shù)評論在預測未來技術(shù)發(fā)展的報告中，將其列為改變世界的十大新技術(shù)之一。一般情況下，WSN節(jié)點采用隨機散布的方式，且存在著功耗受限、通信能力受限、計算能力受限、存儲能力受限等問題，因此對設計提出了較高要求。
　　WSN的應用環(huán)境多樣，存在所接前端探測器不相同、布設環(huán)境不一樣的可能。特別在隨機布設時，各個節(jié)點所處的位置及相隔的距離無法預先確定。探測器的不同及對數(shù)據(jù)處理方式不同，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量可能不同。同時，布設的環(huán)境可能為城區(qū)、郊區(qū)、山地等不同環(huán)境。要在多變的傳輸需求和環(huán)境下實現(xiàn)良好的通信，傳感網(wǎng)節(jié)點必須具有良好的環(huán)境適應性，即可以通過調(diào)整自身的通信參數(shù)滿足不同傳輸要求。因此需要WSN節(jié)點具有相當?shù)撵`活性。
　　目前在WSN節(jié)點的設計上，大多將信息處理模塊與通信模塊隔離開來，分別采用不同的硬件進行處理，通信模塊基本采用現(xiàn)有成熟產(chǎn)品。這樣設計的系統(tǒng)，缺乏整體考慮，難以在體積功耗上進行最小化的設計，且由于通信模塊固定，不能同時適應具有不同傳輸數(shù)據(jù)量、不同傳輸速率和不同誤碼率要求的系統(tǒng)。而這些條件是WSN中是應滿足的常見要求。
本文給出基于整體性能優(yōu)化、具有相當靈活性、能夠滿足自適應通信要求的WSN節(jié)點實現(xiàn)方案，并就能耗與通信的適應性進行分析。
1 工作環(huán)境與通信體制
　　在考慮傳感器節(jié)點的通信方式前，需要首先考慮傳感器的布設環(huán)境。傳感器節(jié)點間一般通過無線方式進行信息交互；傳感器節(jié)點的布設環(huán)境多為近地環(huán)境，直達的視距信號較少，多為衍射或折射后到達的信號，存在較多的多徑干擾；傳感網(wǎng)的布設具有不定性，節(jié)點間距離不一定相等；傳感器節(jié)點間的信息交互量較少。同時，由于傳感器節(jié)點大規(guī)模散布，需要減少對其他系統(tǒng)的干擾并提高自身抗干擾能力，并具備信息安全保密功能。
　　由于直達的視距信號較少，需要采用能有效利用多徑方式實現(xiàn)通信。擴頻通信體制能很好地適應多徑傳輸環(huán)境，且可通過擴頻增益的更改調(diào)整自身通信靈敏度，在距離近時能提高傳輸速率減小信息碰撞，在距離遠時能通過有效提高靈敏度的方式來實現(xiàn)和其他節(jié)點的通信及自適應通信，同時考慮到信息保密安全的問題，采用直接序列擴頻通信體制作為WSN的主要通信方式。由于信息交互量較小，且系統(tǒng)無中心節(jié)點，所以適合采用異步通信體制。
　　由于WSN的應用環(huán)境不定，電磁環(huán)境中可能存在固定頻點干擾，因此設計的系統(tǒng)要求能在多個頻點上跳轉(zhuǎn)工作，對存在干擾的頻點可實現(xiàn)干擾避免。
　　系統(tǒng)采用擴頻通信方式時，發(fā)射信號為：

　　S(t)=N(t)D1(T)cos(2πft)+N(t)D2(T)sin(2πft)　　　　(1)

　　其中：N(t)為偽隨機碼，D1(T)和D2(T)為待傳送數(shù)據(jù)，cos(2πft)和sin(2πft)為調(diào)制載波信號。t為時間單元，T為碼元持續(xù)時間，f為載波頻率。
　　為滿足自適應通信需求，在系統(tǒng)設計中，要求T和f可調(diào)。
　　當T=Mt時，擴頻增益為A=10log10M；當T=t時，擴頻增益為0，此時數(shù)據(jù)傳輸速率最高；當T=13t時，擴頻增益為11.1394dB，當T=1023t時，擴頻增益為30.1030dB。
　　設在T=t時系統(tǒng)靈敏度為SNR=-SdB，則當T=Mt時，系統(tǒng)靈敏度為SNR=-(S+A)dB。
　　f的變化帶來傳播損耗的變化，頻率越低，傳播損耗越小，繞射性越好。當需要進行遠距離傳輸或和接收端無法建立聯(lián)系時，可以將發(fā)射頻率降到最小。
2 系統(tǒng)設計
　　在進行系統(tǒng)設計時充分考慮到系統(tǒng)的硬件體積功耗，實現(xiàn)硬件功能軟件化及復用，同時盡量降低設計復雜度。本設計中的WSN節(jié)點可實現(xiàn)傳感探測信息處理、協(xié)議控制、處理后的信息發(fā)送及接收等功能，其硬件平臺組成如圖1所示。該硬件平臺采用DSP作為主要的信息處理平臺及系統(tǒng)運作控制器，DSP軟件存儲于FLASH中(包括協(xié)議控制模塊、信息處理模塊和通信處理模塊等)，通過DSP啟動相應的硬件電路及調(diào)用不同的軟件模塊來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

協(xié)議控制模塊為主運行模塊，根據(jù)約定的流程實現(xiàn)硬件電路的調(diào)用控制、參數(shù)更改及信息處理和通信處理軟件模塊的協(xié)調(diào)調(diào)用、參數(shù)更改，使軟硬件配合實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能。
　　信息處理模塊和探測器、調(diào)理電路及值守單片機組成信息處理單元，完成傳感信息的探測、模式識別分析、融合處理及目標報警等功能。探測器將探測到的模擬信息通過調(diào)理電路的信號放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換后送至單片機進行預處理；單片機進行初步的處理分析，發(fā)現(xiàn)信號后給DSP中斷；DSP收到中斷后啟動相應的處理程序進行進一步的信號處理分析，對目標的有無及目標種類進行確切分析。分析確認目標后給協(xié)議控制模塊中斷信號，以提示報警。
　　通信處理模塊和外圍的射頻電路及相應的輔佐器件組成通信單元，包括發(fā)射和接收兩大部分。系統(tǒng)采用零中頻方案，將頻率較高的處理放在模擬器件中完成，可以降低AD、DA采樣頻率，減少數(shù)字運算工作量，達到節(jié)省功耗的目的。在射頻模塊中采用一次上變頻和一次下變頻的處理，可以減少系統(tǒng)復雜度，節(jié)省硬件體積。在收發(fā)切換上采用電子開關(guān)進行時分雙工，收時不發(fā)，發(fā)時不收，可以有效減小系統(tǒng)體積，且和協(xié)議配合實現(xiàn)通信功能時可節(jié)省功耗。射頻的頻率合成器可對收發(fā)頻率進行設置，實現(xiàn)多個頻點的信息收發(fā)。需要注意的是，由于該系統(tǒng)前端濾波處理抑制度不夠，故可能存在較多的大信號干擾，這對AD器件的轉(zhuǎn)換精度提出了較高的要求，同時為達到較好的效果，需要在DSP內(nèi)進行數(shù)字濾波。DSP可對AGC和VCO進行控制，實現(xiàn)對信號幅度及本地載波頻率相位的調(diào)整。
　　系統(tǒng)將整個時間段劃分為目標探測時間段、發(fā)射時間段和接收時間段。各個節(jié)點處于發(fā)射和接收態(tài)的時間不同，具體時間根據(jù)協(xié)議約定結(jié)果進行設置。通常，處于信息中轉(zhuǎn)的節(jié)點在其他節(jié)點處于發(fā)射態(tài)時需處于接收態(tài)，且大多數(shù)時間處于接收態(tài)，同時可以根據(jù)系統(tǒng)布設的密度和需要進行接收及發(fā)射的時間設置。
　　各個節(jié)點收發(fā)時間的交錯可減少系統(tǒng)沖突的概率。設傳感網(wǎng)中8個節(jié)點均與Sink節(jié)點通信，則Sink節(jié)點和其他節(jié)點的狀態(tài)設置如圖2所示。

當Sink節(jié)點處于發(fā)射態(tài)時，所有節(jié)點均處于接收態(tài)；反之，當所有節(jié)點處于發(fā)射態(tài)時，Sink節(jié)點處于接收態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)設定，將節(jié)點劃分為不同的簇，不同簇間節(jié)點的發(fā)射時間可以互相交錯，其提前或滯后時間為一個常見信息幀的發(fā)送時間。這樣在一簇節(jié)點僅有一個信息上傳時，基本可以實現(xiàn)時分，從而減少信息沖突。
　　系統(tǒng)工作狀態(tài)如圖3所示。

系統(tǒng)開機后，首先進入?yún)f(xié)議控制態(tài)，協(xié)議控制態(tài)根據(jù)約定流程進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并將單片機探測目標中斷優(yōu)先級設置到最高，一旦該中斷觸發(fā)，即通過硬件DMA將數(shù)據(jù)信號送入RAM中存儲，等待處理。當發(fā)射時間片到時，協(xié)議控制模塊檢測是否有信號待發(fā)送。如無，則進入休眠態(tài)；如有，則進入發(fā)射狀態(tài)，發(fā)射完畢后返回協(xié)議控制態(tài)；如仍處于發(fā)射時間段，協(xié)議控制模塊控制轉(zhuǎn)入休眠態(tài)。當接收時間片到，系統(tǒng)進入接收態(tài)，隨時進行信號的接收，直至接收時間片結(jié)束為止。當進入目標探測時間片時，對存儲的數(shù)據(jù)進行處理，分析是否存在信號，并將分析結(jié)果上報給協(xié)議控制模塊。
　　主要的自適應通信模塊處于DSP中，其軟件功能實現(xiàn)如圖4所示。

通信模塊采用直接序列擴頻方式，可通過擴頻增益的更改來獲得不同的靈敏度，以滿足不同數(shù)據(jù)速率及傳輸距離的要求。擴頻碼為0～1 023位的Gold碼，擴頻增益存在30dB的差別，更高的擴頻增益意味著更高的靈敏度和更遠的傳輸距離。
　　信道編解碼模塊參數(shù)可調(diào)整，根據(jù)系統(tǒng)接收效果設置不同的參數(shù)。當對信息誤碼率要求不高、而對信息的傳輸速率要求較高時，可視傳輸信道情況適當降低信道編解碼的糾錯能力，反之則可提高。
　　調(diào)制方式采用QPSK/OQPSK。發(fā)射濾波處理為對信號進行成型濾波，接收濾波處理為相應的匹配濾波。
3 主芯片器件性能及能量管理
　　選用Blackfin533作為主要的數(shù)字處理器件。Blackfin系列DSP是美國模擬器件公司（簡稱ADI）基于微信號體系結(jié)構(gòu)的DSP，是專為滿足嵌入式音頻、視頻和通信應用的計算要求和功耗約束條件而設計的16到32 位嵌入式處理器。它將一個32 位RISC型指令集和雙16位乘法累加(MAC)信號處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在一起，能夠同時滿足信號處理和控制處理應用的需求，從而極大地簡化了硬件和軟件設計。其處理速度快（ADSP-BF533處理速度可達750MHz）、功耗低的特點更適合WSN應用。
　　同時，Blackfin 處理器基于一種選通時鐘內(nèi)核設計，可按照逐條指令選擇切斷功能單元的電源。通過內(nèi)部的動態(tài)電源管理模塊對工作頻率和電壓進行獨立控制，以滿足正在執(zhí)行的算法性能要求。這些轉(zhuǎn)換可以在一個 RTOS(實時操作系統(tǒng))或用戶固定的控制之下連續(xù)出現(xiàn)。大多數(shù) Blackfin 處理器都提供了片上內(nèi)核穩(wěn)壓電路，并可在低至0.8V的電壓條件下工作，因而特別適合于需要低功耗的便攜式應用。
　　降低工作頻率后，能量節(jié)省因子可表示為：

fCCLKRED為降頻后的時鐘頻率，fCCLKNOM為正常狀態(tài)下的時鐘頻率，VDDINTRED為降頻工作后的電壓，VDDINTNOM為正常狀態(tài)下的電壓，TRED為降頻后工作時間,TNOM為正常狀態(tài)下的工作時間。
　　Blackfin處理器支持的轉(zhuǎn)換狀態(tài)如表1所示。
　　Blackfin533在各種不同狀態(tài)下的功耗如表2所示。其中，IDDTYP為典型應用情況下的電流，IDDSLEEP為休眠狀態(tài)下的情況，IDDDEEPSLEEP為深度休眠狀態(tài)下的情況，IDDHIBERNATE為關(guān)掉電源管理后的電流（VDDEXT=3.65V，VDDINT=0V），IDDRTC為VDDRTC=3.3V時測得的電流。
　　電壓標志含義如表3所示。

4 系統(tǒng)性能分析
　　下面從自適應通信和傳輸距離的關(guān)系及能耗兩個方面來分析系統(tǒng)的性能。
　　(1)系統(tǒng)路徑損耗與傳輸距離/傳輸頻率的關(guān)系
　　系統(tǒng)仿真參數(shù)設置為：
　　最大擴頻增益：30dB
　　射頻頻率變化范圍：200MHz~2GHz
　　發(fā)射機天線高度：5m
　　接收機天線高度：2m
　　最高速率時系統(tǒng)靈敏度：80dB
　　具有代表意義的傳播為自由空間傳播和近地傳播。首先觀察在自由空間傳播中的情況。
　　設原有系統(tǒng)的靈敏度為-80dB，傳輸頻率為400MHz，在增加30dB的擴頻增益后，在自由空間中傳輸距離可增加近20km。且頻率越高，這種增長的趨勢越明顯。
　　以Hata模型為例說明在其他環(huán)境下的對比情況。Hata模型是根據(jù)Okumura曲線圖所作的經(jīng)驗公式，頻率范圍為150MHz~1 500MHz，以市區(qū)傳播模型損耗為標準，其他地區(qū)在此基礎上進行修正，適用于半徑超過1km的大區(qū)域移動系統(tǒng)。
　　設系統(tǒng)工作頻點為400MHz，則在不同環(huán)境下，系統(tǒng)的損耗與傳輸距離關(guān)系如圖5所示。在城區(qū)環(huán)境下，系統(tǒng)的損耗較大，傳輸距離較近，30dB的增益僅能提升3km的距離。但如果增大發(fā)射功率，仍可獲得較好的效果。

(2)系統(tǒng)能耗分析
　　各個狀態(tài)符號的含義如表4。各部分能耗設定如表5所示。
　　協(xié)議控制態(tài)下系統(tǒng)功耗為：Dw+Cw+Tw
　　發(fā)射態(tài)下系統(tǒng)功耗為：Dw+Sw+Cw+Tw
　　接收態(tài)下系統(tǒng)功耗為：Dw+Rw+Cw+Tw
　　分析態(tài)下系統(tǒng)功耗為：Dw+Cw+Tw
　　休眠態(tài)下系統(tǒng)功耗為：Ds+Cw+Tw
　　系統(tǒng)總功耗為：
　　P=(Dw)X%+(Dw+Sw)(S%SZ%))+(Dw+Rw)R%+(Dw)A%AZ%+(Ds)[S%(1-SZ%)+A%(1-AZ%)]+Cw+Tw

本文所述的WSN節(jié)點在相同的硬件平臺上通過軟件方式實現(xiàn)多種通信模式，獲得不同的系統(tǒng)靈敏度，具有靈活的適應性，且具有干擾檢測避免的功能，適合各種復雜環(huán)境下的通信，還具有小體積低功耗的特點，滿足WSN節(jié)點要求。