引言
傳感測試技術正朝著多功能化、微型化、智能化、網絡化、無線化的方向發展。自組織無線傳感器網絡（SelfOrganizingWirelessSensorNetworks）作為新興技術，是目前國外研究的熱點，其在軍事、環境、健康、家庭、商業、空間探索和災難拯救等領域展現出廣闊的應用前景。早在2003年美國自然科學基金委員會已經斥巨資來支持這方面的研究，并且出現了一些致力于無線傳感器網絡的公司，其中Crossbow公司已推出了Mica系列傳感器網絡產品。國內很多大學現已經開展相關領域的研究，但大部分工作仍處在自組織無線網絡協議性能仿真和硬件節點小規模實驗設計階段。本文就國防科技大學傳感器教研室開展可應用于環境監測方面無線傳感器網絡設計與實現進行介紹。
1 無線傳感器網絡硬件設計
無線傳感器網絡模型（如圖1所示）是不同于傳統無線網絡的無基礎設施網，通過在監測區域內隨意布撒大量傳感器節點（簡稱節點），由各節點自行協調并迅速組建通信網絡，在能量利用率優先考慮原則下進行工作任務劃分以獲取監視區域信息。網絡的自組織特性體現在當節點失效或新節點加入時網絡能夠自適應重新組建，以調整全局的探測精度，充分發揮資源優勢，即網絡中的各節點除具備數據采集功能外兼有數據轉發實現多跳的路由功能。
圖1 無線傳感器網絡模型
1.1 節點組成
典型的無線傳感器網絡節點由數據采集、處理、傳輸和電源4個主要部分組成。傳感探測單元由傳感器進行監測區域內待測對象的信息采集；微控制單元實現數據的分析、處理和存儲等功能；無線傳輸單元負責低功耗短距離節點間通信；供電單元選取小型化、高容量的電池，以確保節點的長壽命和微型化。具體節點設計如圖2和圖3所示。
圖2 無線傳感器網絡節點結構
（1）無線傳輸單元
無線收發模塊選用挪威Nordic公司推出的nRF401芯片。nRF401是工作在ISM頻段433.92MHz/434.33MHz的單片無線收/發一體芯片，是包括了高頻發射/接收、PLL合成、FSK調制/解調和雙頻道切換等單元的高集成度無線數傳產品。其最高傳輸速率可達20Kb/s,接收靈敏度為-105dBm,最大發射功率為10dBm,較其他類別射頻收發芯片外圍電路設計簡單。設計中工作頻率在434.33MHz,微控制單元僅須提供四根口線：收發狀態切換TXEN、待機與工作狀態切換PWRUP和數據通信接口線DIN/DOUT。射頻信號輸出設計采用環形差分輸出天線。
（2）微控制單元
TI公司MSP430系列單片機是一種具有集成度高、功能豐富、功耗極低等技術特點的16位單片機。超低功耗的混合信號控制器、豐富的片內外設、節能考慮的多種工作模式和對C語言程序設計的支持，使得MSP430系列單片機非常適合于應用在嵌入式系統中。設計中選用帶有Flash存儲器可進行在線編程的MSP430x13x、MSP430x14x系列單片機；外圍模塊有看門狗、定時器A/B、同步/異步串行通信接口、10/12位A/D以及6個8位并行端口等多種組合形式。其實現功能如下：
◇操作無線收發芯片，為nRF401提供工作狀態控制線和兩條單向串行傳輸數據線；
◇實現傳感器的數據采集———加速度、溫度、聲音和感光強度探測；
◇本地數據處理———剔除冗余數據，以減少網絡傳輸的負載和對無線傳輸數據的封裝與驗證；
◇應答遠控中心查詢，完成數據的轉發與存儲；
◇區域內節點的路由維護功能；
◇節點電源管理，合理地設置待機狀態，以節省能量消耗，延長節點使用壽命。
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圖5 無線傳感器網絡節點工作流程圖
上位PC機作為控制中心必須具備網絡喚醒、數據處理、路由維護功能，C++Builder、Delphi和微軟的VisualBasic都是可選的快速開發工具。上層軟件功能由Delphi實現，圖6為無線傳感器網絡探測系統框圖。
考慮到點對點通信的可靠性，數據在底層無線傳輸中需要增加必要的協議規范。設計中對有效數據進行打包，格式為：前導碼、地址、有效數據載荷、校驗碼。針對nRF40x系列芯片，按廠家建議在支持UART方式下使用0x55FF（十六進制）作為“前導碼”；“地址”作為不同應答點的標識；“有效數據載荷”則包含滿足上層設計協議格式的數據包，該部分需根據應用要求盡量減小數據包長，以縮短該數據包在傳輸鏈路的生存期，數據包末尾增加“校驗碼”
可以驗證數據的有效性，CRC（循環冗余碼）是一種簡單易行的處理方法，數據封裝與處理全部由微控制單元實現。
圖6 無線傳感器網絡探測系統框圖
3 組網技術研究
對應nRF401使用的434.33MHz頻點，在組網設計中通信方式采用TDMA（時分復用）方式：sink點分時段對網絡中節點進行查詢，若節點有突發事件探測，則隨機選擇空閑時隙將數據上傳。當信道處于阻塞狀態則采用隨機退避機制，等待信道處于空閑狀態再進行數據傳輸，因此各節點在通信過程中必須避免長時間對信道的占用。
網絡的可靠性和高效性關鍵是合理的通信協議設計，SPIN（SensorProtocolforInformationviaNegotiation）是以數據為中心的自適應路由協議，通過協商機制來避免數據傳輸過程中的“內爆”和“重疊”問題，傳感器各節點只有在相應的請求時，才有目的地發送數據信息。SPIN協議中有3種類型的消息：ADV廣播數據發送、REQ請求數據接收和DATA數據封裝。
自組織無線傳感器網的網絡拓撲可分為3種：
①基于簇（Cluster）的分層結構。簇頭就是分布式處理中心，收集簇成員數據并完成數據處理和融合，最后將數據由其他簇頭多跳轉發或直接傳回sink點。
②基于網（Mesh）的平面結構。在這種結構下傳感器網絡連成一張網，臨近節點直接通信；在個別鏈路和傳感器節點發生失效時不會引起網絡分立。
③基于鏈（Chain）的線結構。在這種結構下傳感器節點被串聯在一條或多條鏈上，鏈尾與用戶節點相連。由于鏈型結構更易于在網絡初始化中實現，因此設計中采用該種網絡拓撲。
實現超低功耗即可延長節點和網絡的壽命。節點的能量消耗有3方面：傳感器件數據采集、微控制單元的數據存儲與處理和無線模塊數據接收/發射。其中能量消耗最大的是在射頻信號發射過程中，因此必須合理地切換芯片收發，并設置節點休眠與喚醒狀態，以最大限度降低能量消耗。
4 結語
基于MSP430的無線傳感器網絡設計在小規模實驗中表現出良好穩定的效果，可在特殊環境下實現監測區域內信號的采集傳輸與處理。伴隨無線自組織網絡技術的成熟和新的能量解決方案的提出，無線傳感器網絡的應用必將廣泛深入環境監測、醫療保健、空間探索和災害預測等各領域。