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關(guān)鍵詞：IEEE802.15.4; 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò); MC13192
王東（1969—）
男，江蘇南京人，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)等。
1 前言
隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和制造得到了迅速的發(fā)展，現(xiàn)在很多公司在從事這方面的工作，它們?cè)O(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)各有不同，在硬件上有選用DSP芯片的，也有選用8位、16位、32位微處理器的；在無(wú)線協(xié)議中，有用IEEE802.11、IEEE802.1 5.4(ZigBee)、IEEE802.15.1(Buletooth)的；在軟件上有作操作系統(tǒng)（Tiny OS），也有注重硬件小型化方面研究的。
本文將針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的特點(diǎn),利用Freescale公司研發(fā)的MC13192無(wú)線通訊芯片，構(gòu)建了一個(gè)基于IEEE802.15.4協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)。文中首先討論IEEE802.15.4協(xié)議，然后研究如何用MC13192模塊來(lái)構(gòu)建無(wú)線傳感器模塊，并對(duì)制作的模塊進(jìn)行必要測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集和傳輸。最后將設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器模塊應(yīng)用到“無(wú)線燃?xì)獬硐到y(tǒng)”項(xiàng)目中。
2 IEEE802.15.4技術(shù)介紹
IEEE無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(PAN)工作組的IEEE 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)旨在為低能耗的簡(jiǎn)單設(shè)備提供有效覆蓋范圍在10～100m左右的低速連接，主要應(yīng)用于工業(yè)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控和樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域，傳感器網(wǎng)絡(luò)是其主要市場(chǎng)對(duì)象。將傳感器與IEEE802.15.4設(shè)備組合，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、處理和分析，就可以構(gòu)成無(wú)線傳感器模塊。其應(yīng)用實(shí)例包括惡劣環(huán)境下的檢測(cè)，諸如涉及危險(xiǎn)的火和化學(xué)物質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)、監(jiān)測(cè)以及維護(hù)正在運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器等。在這些應(yīng)用上，一個(gè)IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)可以極大地降低新傳感器網(wǎng)絡(luò)的安裝成本，簡(jiǎn)化對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)充。
2.1 IEEE802.15.4協(xié)議架構(gòu)及其技術(shù)特點(diǎn)
IEEE802.15.4滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)開(kāi)放系統(tǒng)互連(OSI)參考模式。它定義了單一的介質(zhì)訪問(wèn)層（MAC）和多樣的物理層（PHY），表1中概括了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)特征。Zigbee聯(lián)盟制定了MAC層以上協(xié)議，其協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會(huì)聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。
IEEE802.15.4的MAC層能支持多種LLC標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)SSCS（Service-Specific Convergence Sublayer，業(yè)務(wù)相關(guān)的會(huì)聚子層）協(xié)議承載IEEE802.2類型的LLC標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)允許其他LLC標(biāo)準(zhǔn)直接使用IEEE 802.15.4 的MAC層服務(wù)。
表1 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)特征
|
復(fù)雜程度 |
比現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)低 |
通信時(shí)延 |
≥15ms |
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目的 |
只支持?jǐn)?shù)據(jù)通信 |
功耗 |
約45μA |
|
頻段、數(shù)據(jù)率及信道數(shù) |
868MHz：20Kbps 1925MHz:40Kbps 102.4GHz:250Kbps 16 |
MAC的控制方式 |
星型網(wǎng)絡(luò)對(duì)等網(wǎng)絡(luò) |
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每個(gè)網(wǎng)絡(luò)支持節(jié)點(diǎn)數(shù) |
65536 |
尋址方式 |
64bit IEEE地址8bit 網(wǎng)絡(luò)地址 |
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連接層結(jié)構(gòu) |
開(kāi)放式 |
溫度 |
40℃～85℃ |
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傳輸范圍 |
室內(nèi)：10m速率250Kbps；+0dBm TX室外：30m-75m速率40KB/s，300m速率20KB/s |
應(yīng)用 |
傳感器、玩具、控制等領(lǐng)域 |
IEEE802.15.4定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是2.4GHz物理層和868/915MHz物理層。它們都基于DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴(kuò)頻），使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長(zhǎng)度和傳輸速率。
2.4GHz波段為全球統(tǒng)一的無(wú)需申請(qǐng)的ISM頻段，有助于ZigBee設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2.4GHz的物理層通過(guò)采用高階調(diào)制技術(shù)能夠提供250KB/s的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時(shí)延和更短的工作周期，從而更加省電。
868/915MHz物理層使用簡(jiǎn)單的DSSS方法，即二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)方式。868MHz是歐洲的ISM頻段，傳輸速率為20KB/s；915MHz是美國(guó)的ISM頻段，傳輸速率為40KB/s。這兩個(gè)頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無(wú)線通信設(shè)備的相互干擾，且這兩個(gè)頻段上的無(wú)線信號(hào)傳播損耗較小，因此可以降低對(duì)接收機(jī)靈敏度的要求，獲得較遠(yuǎn)的有效通信距離，從而可以用較少的設(shè)備覆蓋給定的區(qū)域。
2.2 IEEE802.15.4技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用
IEEE802.15.4/ZigBee技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)及其與藍(lán)牙和Wi-Fi的比較：
IEEE802.15.4從一開(kāi)始就被設(shè)計(jì)用來(lái)構(gòu)建包括恒溫裝置，安全裝置和煤氣讀數(shù)表等設(shè)備的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。這是由其主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)決定的：
（1）數(shù)據(jù)傳輸速率低：只有10KB/s到250KB/s，專注于低傳輸應(yīng)用。
（2）功耗低：在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號(hào)干電池可使用6個(gè)月到2年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。這也是IEEE802.15.4/ZigBee的支持者所一直引以為豪的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
（3） 成本低：IEEE802.15.4/ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，所以大大降低了成本。且免收專利費(fèi)。
（4） 網(wǎng)絡(luò)容量大：每個(gè)IEEE802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)設(shè)備。
（5）時(shí)延短：通常時(shí)延都在15ms至30ms之間。
（6） 安全：IEEE802.15.4提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法。
（7） 有效范圍小：有效覆蓋范圍10～100m之間，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。
（8）工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz(歐洲)及915MHz(美國(guó))，均為免執(zhí)照頻段。
與之相反，藍(lán)牙技術(shù)基本上只是設(shè)計(jì)作為有線的替代品，經(jīng)常是為手機(jī)和附近的耳機(jī)或PDA聯(lián)網(wǎng)用的。它可以在不充電的情況下工作幾周，但無(wú)法工作幾個(gè)月，更不用說(shuō)幾年了；一般情況下，藍(lán)牙設(shè)備需要人手配置和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接；它可以用來(lái)有效地處理8個(gè)設(shè)備（一個(gè)主設(shè)備和7個(gè)從設(shè)備），如果更多的話，通訊速率則顯著下降。而IEEE802.11a/g, 也被稱作Wi-Fi，也有類似的問(wèn)題。雖然它是將筆記本和桌面電腦接入有線網(wǎng)絡(luò)的很好的解決方案，但它的功耗卻非常高。
由此可見(jiàn)，IEEE802.15.4技術(shù)彌補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無(wú)線通信市場(chǎng)的空缺，其成功的關(guān)鍵在于豐富而便捷的應(yīng)用，而不是技術(shù)本身。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，將有越來(lái)越多的內(nèi)置式IEEE802.15.4功能的設(shè)備進(jìn)入日常生活，并將極大地改善人們的生活方式和體驗(yàn)。
3 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
3.1 硬件設(shè)計(jì)
（1）MCU芯片。MCU選用P89LV51RD2，是一款80C51微控制器，它其中包含64KB Flash和1024字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM。P89LV51RD2的典型特性是它的X2方式選項(xiàng)。設(shè)計(jì)者可通過(guò)該特性來(lái)選擇應(yīng)用程序以傳統(tǒng)的80C51時(shí)鐘頻率（每個(gè)機(jī)器周期包含12個(gè)時(shí)鐘）或X2 方式（每個(gè)機(jī)器周期包含6個(gè)時(shí)鐘）的時(shí)鐘頻率運(yùn)行，其中，選擇X2方式可在相同時(shí)鐘頻率下獲得2倍的吞吐量。從該特性獲益的另一種方法是將時(shí)鐘頻率減半來(lái)保持特性不變，這樣可以極大地降低EMI。 Flash程序存儲(chǔ)器支持并行和串行在系統(tǒng)編程（ISP）。并行編程方式提供了高速的分組編程（頁(yè)編程）方式，可節(jié)省編程花費(fèi)和推向市場(chǎng)的時(shí)間。
（2）數(shù)據(jù)采集。對(duì)于數(shù)據(jù)采集部分，由于所采集的對(duì)象的不同，可能存在采集時(shí)的速度，分辨率等有不同的要求，所以在模塊設(shè)計(jì)中，將采集部分獨(dú)立出來(lái)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口與MCU芯片進(jìn)行通訊。
（3）無(wú)線芯片。無(wú)線芯片采用內(nèi)置IEEE802.15.4協(xié)議的Freescale 公司生產(chǎn)的MC13192芯片。圖1為MC13192芯片引腳圖。
圖1 MC13192芯片引腳圖
圖2是典型連接示意圖。
CE：SPI端口控制線，MCU輸入低電平信號(hào)使其有效；
SPICLK：MCU提供給MC13192時(shí)鐘信號(hào)，數(shù)據(jù)的輸入輸出開(kāi)始發(fā)生在SPICLK脈沖的上升沿，在下降沿結(jié)束；
MOSI：數(shù)據(jù)從主設(shè)備（MCU）輸出，進(jìn)入從設(shè)備（MC13192）；
MISO：數(shù)據(jù)從從設(shè)備（MCU）輸出，進(jìn)入主設(shè)備（MC13192）。
圖2 MC13192芯片與MCU連接圖
3.2 電路設(shè)計(jì)
圖3是原理圖及線路板圖。
圖3 原理圖及線路板圖
3.3 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)試
圖4 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)模塊測(cè)試
（1）測(cè)試實(shí)驗(yàn)
利用超級(jí)終端軟件對(duì)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)模塊進(jìn)行必要的通訊測(cè)試如圖4所示。
將兩個(gè)無(wú)線傳感器模塊分別通過(guò)RS232接口與計(jì)算機(jī)連接。對(duì)無(wú)線模塊的性能進(jìn)行測(cè)試。對(duì)RS232接口進(jìn)行必要的設(shè)置（速度38400B/s、數(shù)據(jù)位8、奇偶校檢無(wú)、停止位1）
（2）測(cè)試結(jié)果及分析
① 無(wú)障礙測(cè)試結(jié)果如圖5所示。
圖5 無(wú)障礙測(cè)試時(shí)通訊距離與功率關(guān)系圖
② 穿墻測(cè)試結(jié)果
這里墻厚為20cm，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。節(jié)點(diǎn)的接受功率平均降低約-11dBm。
圖6 穿墻測(cè)試時(shí)通訊距離與功率關(guān)系圖
③ 復(fù)雜情況下的測(cè)試
在有過(guò)多障礙物的情況下，包括穿越幾堵墻和在通訊道路拐角過(guò)多的情況下測(cè)試，發(fā)現(xiàn)通信質(zhì)量很差，出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失和連接失敗的情況。在實(shí)際的應(yīng)用和測(cè)試中，為了得到良好的通信效果，應(yīng)盡量縮短通信距離和保持通信范圍的空曠。另外，可以從天線方面著手進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)靈敏度，從而提高通信質(zhì)量。
4 實(shí)際應(yīng)用
通過(guò)本文中無(wú)線傳感器模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)際的制作，我們將它們應(yīng)用于“無(wú)線燃?xì)獬硐到y(tǒng)” (圖7)，項(xiàng)目已通過(guò)甲方的驗(yàn)收并得到甲方的好評(píng)。
圖7 無(wú)線燃?xì)獬硐到y(tǒng)
在項(xiàng)目中每戶家庭中的煤氣表與設(shè)計(jì)的無(wú)線模塊相連接，通過(guò)一個(gè)手持式接受器（類似SINK節(jié)點(diǎn)），在樓宇間移動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行燃?xì)鈹?shù)據(jù)的收集；然后將手持機(jī)拿回基站通過(guò)RS232的下載數(shù)據(jù)線，將采集的燃?xì)鈹?shù)據(jù)下載到服務(wù)器中，以備數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。
在數(shù)據(jù)收集過(guò)程中，通過(guò)各樓層節(jié)點(diǎn)的廣播來(lái)激活樓層比較高的節(jié)點(diǎn)。并通過(guò)接力的方式將各戶的燃?xì)鈹?shù)據(jù)下載到手持機(jī)上。其數(shù)據(jù)收集的具體過(guò)程如下：
（1）手持機(jī)發(fā)出激活命令；
（2）無(wú)線燃?xì)獗砉?jié)點(diǎn)被激活；
（3）每個(gè)無(wú)線燃?xì)獗砉?jié)點(diǎn)分別延長(zhǎng)不同隨機(jī)倍數(shù)的時(shí)間段T后，發(fā)出通知信息，告知手持機(jī)自己被激活；
（4）手持機(jī)建立激活無(wú)線燃?xì)獗砉?jié)點(diǎn)表；
（5）手持機(jī)對(duì)激活節(jié)點(diǎn)表中的無(wú)線燃?xì)獗砉?jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)名通訊，直到表中所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)下載成功；
（6）重復(fù)(1)～(5)，直到小區(qū)所有燃?xì)鈹?shù)據(jù)下載完成。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于IEEE802.15.4協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)原型。其中包括基于Philiphs P89LV51RD2處理器和Freescale MC13192無(wú)線芯片的傳感器節(jié)點(diǎn)硬、軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，并將設(shè)計(jì)的原型系統(tǒng)應(yīng)用到“無(wú)線燃?xì)獬硐到y(tǒng)”項(xiàng)目中。為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步研究和實(shí)際應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。
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作者信息:
王 東 ，魏光明（重慶工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400050 ）
魏 延（重慶師范大學(xué)，重慶 400047）
張金榮（重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400030）
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)