基于Nios II/s的 通用無線傳感網絡節(jié)點的設計
1． 引言
無線傳感網絡（Wireless Sensor Network, WSN）是部署在監(jiān)測區(qū)域內大量廉價微型傳感器結點組成的，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網絡系統(tǒng)[1]，其目的是協(xié)作地感知，采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀測者。該技術起源于20世紀90年代的美國，經過十年的發(fā)展，無線傳感網絡技術集成了傳感器技術，微機電系統(tǒng)，現(xiàn)代網絡和無線通信等技術，跨越了計算機、半導體、嵌入式、網絡、通信、光學、微機械、化學、生物、航天、醫(yī)學、農業(yè)等眾多領域，相關技術已取得了長足的進步[2-4]。美國商業(yè)周刊和MIT技術評論在預測未來技術發(fā)展的報告中，分別將無線傳感網絡列為21世紀最具有影響的21項技術和改變世界的十大技術之一。
無線傳感器節(jié)點通過飛機大量拋撒或人工固定布置在任意地點，即便在惡劣的溫度條件下，也能迅速組成自組織網絡，同時傳遞出信息量豐富的信息。此過程中，無線網絡傳感節(jié)點的研究就顯得至關重要。隨著科學技術的進一步發(fā)展以及人類對高質高效社會的進一步追求，在原有基礎上，以現(xiàn)代高新技術為依托，人們對無線傳感網絡技術的研究不斷深入，研究成果也層出不窮。
本文的項目從工程技術和基礎理論兩個層面出發(fā)，重點對單個傳感器進行了基本設計，從整體上建立一個對環(huán)境具有普適性的通用無線傳感網絡模型。特別在節(jié)點IP地址分配方法和能源供應問題上作出了改進。
2． 系統(tǒng)構成
整個系統(tǒng)主要由傳感器，Nios?II處理器，并行模/數(shù)轉換芯片，射頻模塊，能源模塊以及外圍部件構成。由傳感器監(jiān)測區(qū)域內信息并采集數(shù)據，并交由AC/DC進行數(shù)據轉換；處理器負責傳感節(jié)點的總體操作，處理本身采集的數(shù)據以及由其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據或控制信息；射頻模塊負責該節(jié)點與其他節(jié)點之間的無線通信，相互交換由匯聚節(jié)點或其他上層發(fā)來的控制信息和收發(fā)所采集的數(shù)據；擬用太陽能電池陣列與節(jié)點本身所攜帶的微型電池供電。
2.1 Nios II處理器
Nios II系列32位RISC嵌入式處理器Nios II 嵌入式CPU支持32位指令集、32位數(shù)據線寬度、32個通用寄存器、32個外部中斷源、2GB尋址空間，包含高達256個用戶自定義的 CPU 定制指令。其可選的片上 JTAG 調試模塊是基于邊界測試的調試邏輯，支持硬件斷點、數(shù)據觸發(fā)和片外片內的調試跟蹤，具有的完全可定制特性、性能、較低的產品和實施成本、易用性、適應性和不會過時。由于處理器是軟核形式，具有很大的靈活性，可以在多種系統(tǒng)設置組合中進行選擇，達到性能、特性和成本目標。相比于市場的同類產品它具有非常多的優(yōu)勢。圖二為Nios II的標準內核設計框圖
●高靈活性
Nios II開發(fā)包含有一套通用外設和接口庫，可以自己定制外設，使用SOPC Builder，可以在Altera FPGA中，組合實現(xiàn)現(xiàn)有處理器無法達到的嵌入式處理器配置，每次都能得到所需的結果。
●豐富的外設、存儲器和接口。
功能接口包含： 外部三態(tài)橋接外部SRAM接口, UARTLCD接口, 用戶邏輯接口,JTAG UARTC ,并行I/O,S8900 10Base-T接口, 系統(tǒng)ID,EPCS串行閃存控制器片內ROM, 直接存儲器通道(DMA),緊湊閃存接口(CFI), 串行外設接口(SPI),SDR SDRAM ,片內RAM,LAN 91C111 10/100 ,有源串行存儲器接口,以太網接口PCI,PCI DDR SDRAM CAN RNGUSB DDR2 SDRAM DES 16550 UARTRSA SHA-1 I2C10/100/1000 Ethernet MAC 浮點單元
●高速的數(shù)據處理能力
Nios II/s（快速）擁有5級流水線，動態(tài)支路預測，可設置指令及數(shù)據緩沖，動態(tài)支路預測，Nios II處理器定制指令擴展了CPU指令集，提高對時間要求嚴格的軟件運行速度，從而能夠大大提高系統(tǒng)性能。采用定制指令可以實現(xiàn)傳統(tǒng)處理器無法達到的最佳系統(tǒng)性能。
Nios II系列處理器支持多達256條的定制指令，加速通常由軟件實現(xiàn)的邏輯和復雜數(shù)學算法支持固定和可變周期操作，其向導功能將用戶邏輯做為定制指令輸入系統(tǒng)，自動生成便于在開發(fā)人員代碼中使用的軟件宏功能。
●Avalon交換架構
Avalon交換架構的同時多主機體系結構提高了系統(tǒng)帶寬，消除了帶寬瓶頸（圖4）。采用Avalon交換架構，每個總線主機均有自己的專用互聯(lián)，總線主機只需搶占共享從機，而不是總線本身。每當系統(tǒng)加入模塊或者外設接入優(yōu)先權改變時，SOPC Builder利用最少的FPGA資源，產生新的最佳Avalon交換架構。Avalon交換架構支持多種系統(tǒng)體系結構，如單主機/多主機系統(tǒng)，可實現(xiàn)數(shù)據在外設與性能最佳數(shù)據通道之間的無縫傳輸。
2.2 24位并行模/數(shù)轉換芯片AD7787
AD7787是ADI公司推出的適用于低頻測量的低功耗、低噪聲、雙通道、24位Σ一△模數(shù)轉換器。它利用片內時鐘電路工作，因而無需用戶提供時鐘源。AD7787的數(shù)據輸出速率可由軟件設置，這一特性使其轉換速率可在9．5Hz～120Hz之間變化。該芯片采用l0腳MSOP封裝（圖三），非常適合用于需要高分辨率、低功耗的便攜式儀器、溫度測量、傳感器測量、稱重儀等。
AD7787的主要特點如下：
●可在2．5、，～5．25V電壓范圍內工作。正常模式下的最大工作電流為75ttA，掉電模式下為l A；09．5Hz轉換速率下的RMS噪聲為1．1 V；
●22位有效分辨率時的峰峰值分辨率為l9．5位；
● 內部非線性度：3．5ppm；
●具有50Hz和60Hz同步抑制功能；
●具有內部時鐘振蕩器和VDD監(jiān)控通道；
●內含軌至軌輸入緩沖器；
● 帶有三線制串行接El，與SPI、QSPI、MI．CROWIRE及DSP兼容；
●工作溫度范圍為一40～+105℃。
AD7787內部（圖四）集成了一個Σ一△調制器、一個緩沖器和一個片內數(shù)字濾波器。數(shù)字濾波器的主要功能是提供正常模式抑制。在16．6Hz默認轉換速率條件下，它能提供50Hz和60Hz的同步抑制。AD7787采用內部時鐘電路工作，因而無需外接時鐘源。時鐘頻率以2、4、8因子分頻后應用于調制器和濾波器，從而可降低芯片的功耗。當采用5V單電源供電、緩沖器使能且時鐘以最大速率工作時，AD7787的功耗電流最大僅為160uA。
2.3 射頻芯片cc2510
CC2510是Chipcon公司推出的一款2.4GHz射頻芯片, 該器件成本低，包含UHF RF收發(fā)器和高性能低功耗8051微控制器，集成了32 KB在系統(tǒng)可編程Flash和外設內嵌4 KBSHAM。CC2510功能強大，擁有128位AES安全協(xié)處理器和DMA功能；系統(tǒng)時鐘是16MHz片內RC振蕩器或26 MHz晶體振蕩器，實時時鐘采用低功耗32.768 kHz晶體振蕩器或內部34 kHz RC振蕩器；具有高靈敏度(10 kb/s下為-100 dBm)和較高的接收靈敏度和阻塞功能，支持2-FSK,GFSK和MSK等調制方式；支持數(shù)字RSSI/LQI，工作電壓2.0 V~3.6V；具有21個通用I/O接口、兩個UART/SPI接口和可編程看門狗計時器，片內有1個16位定時器和3個8 位定時器，真正的隨機號碼發(fā)生器，支持硬件調試，有兩個數(shù)據指針。
3．設計思想
3.1 節(jié)點的定位
在普通的IP網絡中，IP地址都是直接分配給每個接入網絡的節(jié)點，IP地址分配采用手動分配或動態(tài)分配(比如：DHCP)。在一個大范圍的傳感器網絡中，采用手動分配IP的方法顯然不可行，而采用動態(tài)分配IP的方法在通信方面開銷又太大[6] ，同時文獻[6]給出了一種三維基于笛卡爾坐標系的IP分配方法，但本身實行起來不好操作，而且由于無線電波距離有限，精度不是很理想。本文設計了一種全新的IP地址三維的分配方法，節(jié)點用球坐標表示，通過三角定位法[8]將匯聚節(jié)點（一個主匯聚節(jié)點與一個輔助匯聚節(jié)點）和目標均看作三維空間的點，那么由方位角、俯仰角可以確定一條源自匯聚節(jié)點經過目標的視線(1ine of sight，LOS)，計算出與主匯聚節(jié)點與匯聚點之間的距離（圖五）按照IP:(127.r.ρ.θ)就可以唯一節(jié)點了。
此處涉及了一個轉換問題，將θ的0°--360°轉換為0-255，即將360°劃分為256等份，以次近似來確定位置，而ρ的0——180轉換為0——255，即將180°分為256等份，其范圍為0—255.設匯聚節(jié)點的有效傳輸距離為 r，在此把0—r劃分為256等份，即精確度大到了r/256。所以IP空間為127.0.0.0——127.255.255.255 可以有2^24個節(jié)點,充分利用處理器2GB的尋址空間，大大的提高了可以容納節(jié)點的數(shù)量。
3.2 節(jié)點的供能
由于在無線傳感網絡中傳感器節(jié)點數(shù)目往往比較龐大，且分布廣，環(huán)境復雜，若由人工定期為節(jié)點更換電池不僅會消耗巨大的人力無力，在有些工程實踐環(huán)境下甚至是不可實現(xiàn)的。本項目擬用太陽能與電池共同來提供電源。所采用的太陽能電池采用光—電直接轉換方式。
太陽能電池是一種由于光生伏特效應而將太陽光能直接轉化為電能的器件，是一個半導體光電二極管，當太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產生電流。當許多個電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點.太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽能電池不會引起環(huán)境污染；太陽能電池可以大中小并舉，大到百萬千瓦的中型電站，小到只供一戶用的太陽能電池組，這是其它電源無法比擬的。
當太陽能十分充足的時候，由太陽能為節(jié)點提供能量。并同時對電池進行充電并儲存在電池內。自帶電源為在無光的情況下使用，利用太陽能所存儲的電能為節(jié)點供電。
采用此太陽能的優(yōu)點在于：小巧便捷，安裝方便，功率強大，持續(xù)性強，環(huán)保節(jié)能。
3.3 工作原理
● 鏈路層MAC協(xié)議
匯聚節(jié)點接收傳感器采集的信息，進行處理或者轉發(fā)。通信協(xié)議采用的是無線局域網802.11標準，MAC子層基于分布協(xié)調功能（Distributed Coordination Function ,DFC）,使用CSMA/CA控制協(xié)議,并以物理信道偵聽與虛擬信道相結合方式，使載波偵聽更為有效。采用此標準，從而與以太網有很好的兼容性。
本設計采用IEEE的802.11標準的MAC幀格式（如表一）[5]
FC:幀控制字段。
Dur/id：持續(xù)時間字段。
Addr1-Addr4:地址字段，隨幀類型不同而最多可達4個地址段。
SC：序列控制字段。
幀體：MAC幀中封裝的內容，可以是MSDU及WEP控制信息等
FCS:幀校驗序列，根據CRC-32多項式的生成
盡管在802.11 MAC協(xié)議基礎上，出現(xiàn)了針對傳感器網絡的節(jié)省能量的需求而提出了S-MAC傳感器網絡MAC協(xié)議，以及在S-MAC協(xié)議的基礎之上提出的T-MAC協(xié)議。但是S-MAC協(xié)議假設通常情況下傳感器網絡的數(shù)據傳輸量少，采用周期性偵聽/睡眠的低占空比工作方式，其周期長度受限于延遲要求和緩存大小，活動時間主要依賴于消息速率。由于消息速率的時變性，當負載動態(tài)較小時，節(jié)點處于空閑偵聽的時間大大增加。T-MAC協(xié)議雖然針對S-MAC協(xié)議進行了改進，根據當前的網絡通信情況，通過提前結束活動周期來減少空閑偵聽，但是帶來了“早睡”問題。T-MAC協(xié)議的適用場合以及對網絡動態(tài)拓撲的適應性都需要進一步的研究。因此，在本文項目實現(xiàn)上，仍然采用傳統(tǒng)的802.11 MAC協(xié)議，并在其基礎上，考慮建立可供配置的子協(xié)議，以實現(xiàn)多種協(xié)議的自適應選取以及協(xié)議參數(shù)的自適應選擇，形成支持任務協(xié)調控制的無線傳感器網絡分布自治系統(tǒng)。
● 網絡層IP協(xié)議
本項目仍采用基本的在IEEE 802.11標準中定義的WLAN使用的參考模型。網絡協(xié)議棧劃分為物理層，數(shù)據鏈路層，網絡層，傳輸層，應用層。由于無線傳感器資源的不確定性，為達到任務合理分配，資源的有效控制和優(yōu)化，在網絡協(xié)議棧中還需引入移動管理平臺和監(jiān)測管理平臺。
移動管理平臺能夠計時檢測到節(jié)點的移動，并提供相關的認證關聯(lián)服務，及時調整監(jiān)測區(qū)域內網絡的相應配比；監(jiān)測管理平臺能在監(jiān)測區(qū)域內對節(jié)點任務進行平衡合理的調整，適時調整調度監(jiān)測任務。這些平臺的引入，可以使傳感器節(jié)點更高效地協(xié)同工作，平衡負荷，在不穩(wěn)定的網絡節(jié)點分布中相對穩(wěn)定地交互數(shù)據，共享資源。
● 網絡總體工作原理
無線傳感網絡節(jié)點數(shù)以萬計，節(jié)點之間松散耦合，構成了一個高復雜性的系統(tǒng)（圖六）。由于傳感器節(jié)點的位置不能預先精確設定，節(jié)點之間的相互鄰居關系預先也不能相互告知，這就要求傳感器節(jié)點具有強大的自組織能力，通過拓撲控制機制和網絡協(xié)議，自動形成轉發(fā)監(jiān)測數(shù)據的多跳無線網絡系統(tǒng)。從網絡功能上看，每個節(jié)點除了進行本地信息和數(shù)據處理外，還要對其他節(jié)點轉發(fā)來的數(shù)據進行存儲，管理和融合等多項處理，同時相互協(xié)同完成一些特殊的任務。因此，節(jié)點是無線傳感網絡建模的重點。
同一觀測區(qū)域內的節(jié)點之間進行無線通信（圖七）。各傳感器節(jié)點采集外部環(huán)境信息，或該節(jié)點接收到由其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據，由其本身的處理器進行存儲轉發(fā)處理，并交由相應簇頭節(jié)點處理，形成由簇頭節(jié)點為中心的子網絡。簇頭節(jié)點把跟它關聯(lián)的傳感器節(jié)點的信息融合后，根據匯聚節(jié)點發(fā)來的控制信息，針對實現(xiàn)的不同功能，采取相應的路由算法，最終將采集到的數(shù)據發(fā)送到匯聚節(jié)點進行匯總處理。引入簇頭節(jié)點的優(yōu)點是可以將一定數(shù)量的節(jié)點發(fā)來的數(shù)據信息融合后，再一次性交由匯聚節(jié)點，降低了整個系統(tǒng)收發(fā)信息的代價，提高了系統(tǒng)的效率，同時降低系統(tǒng)功耗，節(jié)約能源。
匯聚節(jié)點知道其附近的所有節(jié)點的IP（即位置），匯聚節(jié)點通過匯聚接入更大的匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點與遠匯聚節(jié)點之間的通信，通過INTERNET 即802.3協(xié)議完成，由于有相同網絡層與鏈路層，所以彼此兼容。
3.4 程序設計流程圖（圖六）
4． 系統(tǒng)性能特點
基于Nios II系列32位RISC嵌入式Nios?II處理器的無線傳感網絡，采用全新的三維IP地址分配方法，將節(jié)點編號與節(jié)點位置綁定，動態(tài)分配IP地址，有利于匯聚節(jié)點對收到數(shù)據的節(jié)點來源能更好的定位。另外，由于傳感器節(jié)點的體積微小，通常只有攜帶能量十分有限的電池，故本文考慮加入太陽能進行協(xié)同供電，并可由太陽能對節(jié)點攜帶電池進行充電，從能源上提高了節(jié)點的壽命和穩(wěn)定性。
5 結語
在IT技術大行其道的21世紀，作為當今IT熱點之一的無線傳感網絡的應用已滲透到人類生產生活的各個方面，可以說是風靡全球。無論是在軍事上還是民用上，無線傳感網絡都占據著越來越重要的地位。伴隨無線自組織網絡的發(fā)展以及各種新的能源解決方案提出與使用，無線傳感網絡必將得到更廣泛的應用。但是，我們更應該認識到，相對于其他網絡技術，無線傳感網絡技術的探索和研究才剛剛起步，它的很多方面還有待進一步完善。要想讓無線傳感網絡發(fā)展成為一個更為健全的領域，無論硬件設計，軟件設計，通信協(xié)議，還是實際應用實踐，都還有一段很長的路要走。
參考文獻
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