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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計思路

2015-6-7 17:16:16點擊:
  一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用廣泛,百花齊放
  無線傳感器和傳感器網(wǎng)絡(luò),是具有非常廣泛的市場前景,將會給人類的生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)影響的新技術(shù)。美國的《技術(shù)評論》雜志在論述未來新興十大技術(shù)時,更是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項未來新興技術(shù),《商業(yè)周刊》?預(yù)測的未來四大新技術(shù)中,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列入其中。
  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著十分廣泛的應(yīng)用前景,在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療,數(shù)字家庭,綠色節(jié)能,智慧交通等傳統(tǒng)和新興領(lǐng)域有具有巨大的運(yùn)用價值,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將無處不在,將完全融入我們的生活。圖一是無線傳感器應(yīng)用示意。
  由于無線傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)巨大的市場和應(yīng)用前景,所以目前全世界許多公司都推出了各自的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。這些技術(shù)百花齊放,各有千秋,但是這些技術(shù)之間,幾乎不能相互兼容和互通。
  目前正在開發(fā)中的各種無線傳感器技術(shù),從這個圖我們可以看到,不同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),最終都是希望實現(xiàn)和互聯(lián)網(wǎng)的通訊,這可能是這些傳感器網(wǎng)絡(luò)最終交匯的通道。
  二、如何選擇合適的無線傳感器技術(shù)
  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本架構(gòu)包括三部分,第一部分是無線收發(fā)芯片,其職責(zé)是將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為高頻無線信號傳送出去和將接收到的高頻無線信號恢復(fù)成數(shù)字信息。無線傳感器收發(fā)芯片而言,IEEE?802.15.4能為無線傳感器應(yīng)用提供最佳方案,這是因為IEEE?802.15.4規(guī)范可能是主要且可能唯一的實用標(biāo)準(zhǔn)。目前全球有多家公司提供這方面的收發(fā)芯片。像TI公司的CC2420/CC2520等芯片都特別適用于鈕扣電池和低電能應(yīng)用的低功耗特性。
  實現(xiàn)一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和路由器,可以采用多芯片方案,如圖3所示,由一個無線收發(fā)芯片和一個微控制器(單片機(jī))組成,微處理器可以采用低功耗的MSP430,無線芯片可以采用CC2520/CC2420等。
  隨著技術(shù)不斷發(fā)展,已經(jīng)有越來越多的公司,將無線收發(fā)器芯片和微控制器和無線收發(fā)器做成了一個片上系統(tǒng)(SoC),例如TI公司采用8051內(nèi)核的CC2430/CC2431等ZigBee無線單片機(jī),隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對計算能力提高要求,最近Freescale公司也推出了ARM內(nèi)核的32位ZigBee無線單片機(jī)。使用這些SoC無線單片機(jī)設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò),將使無線傳感器節(jié)點具有更小的體積,更低的功耗和更低的價格;TI公司在國內(nèi)的技術(shù)合作伙伴無線龍科技公司等,也同時提供這些芯片,開發(fā)工具的相關(guān)技術(shù)支持。
  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架第二部分是運(yùn)行于單片機(jī)或者無線單片機(jī)內(nèi)部的嵌入式軟件,也稱軟件協(xié)議棧(network?stack),網(wǎng)絡(luò)堆棧有兩個職責(zé)。首先它必須要處理節(jié)點間的無線鏈接通信質(zhì)量的頻繁變化和環(huán)境因數(shù)對無線通訊造成的干擾,具有對網(wǎng)絡(luò)自組織,自恢復(fù)的能力;網(wǎng)絡(luò)堆棧的第二個職能是要具有很強(qiáng)的路由算法能力,確保信息可靠高效地通過各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?星狀/網(wǎng)狀等等)從源節(jié)點(如果現(xiàn)有,可以通過成百上千路由節(jié)點)發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點。確保通訊的實時性要求。
  ZigBee聯(lián)盟是由眾多技術(shù)供應(yīng)商和開發(fā)商組成的獨立標(biāo)準(zhǔn)組織。也是目前世界是最大的,基于IEEE?802.15.4平臺的網(wǎng)絡(luò)軟件協(xié)議棧標(biāo)準(zhǔn)提供聯(lián)盟。
  該組織從ZigBee2004、ZigBee2006、ZigBee2007不斷發(fā)展,目前提供的兩個網(wǎng)絡(luò)棧是:ZigBee和ZigBee?PRO。從使用角度看ZigBee堆棧很適合一般包含十到幾百個節(jié)點的小型網(wǎng)絡(luò)。而ZigBee?PRO是ZigBee超集,它增加了一些功能,可對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展并更好地應(yīng)對來自其他技術(shù)的無線干擾,而且可以適應(yīng)更大型的網(wǎng)絡(luò)和具有更加可靠的路由通訊算法和無線通訊可靠性。
  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架第三部分應(yīng)用軟件,這部分包括各種根據(jù)用戶現(xiàn)有開發(fā)的軟件代碼,這些代碼目前大部分是采用C語言來進(jìn)行開發(fā),可以之間以接口和API方式,調(diào)用軟件協(xié)議棧的功能。
  在多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中,我們認(rèn)為采用802.15.4國際標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee技術(shù),作為我們設(shè)計無線傳感器系統(tǒng)的起步,有如下優(yōu)點:
  兼容一個全球化的可靠的國際標(biāo)準(zhǔn)。
  可以通過TI、?Freescale這樣的大型芯片供應(yīng)商。獲得穩(wěn)定的無線收發(fā)芯片和無線單片機(jī)來源,也可以獲得免費(fèi)的ZigBee協(xié)議棧和相關(guān)源代碼,降低開放門檻。
  能夠采用KEIL和IAR這樣的高性能軟件編譯調(diào)試環(huán)境,可以大大加快開放速度,縮短上市周期。
  一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用廣泛,百花齊放
  無線傳感器和傳感器網(wǎng)絡(luò),是具有非常廣泛的市場前景,將會給人類的生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)影響的新技術(shù)。美國的《技術(shù)評論》雜志在論述未來新興十大技術(shù)時,更是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項未來新興技術(shù),《商業(yè)周刊》?預(yù)測的未來四大新技術(shù)中,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列入其中。
  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著十分廣泛的應(yīng)用前景,在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療,數(shù)字家庭,綠色節(jié)能,智慧交通等傳統(tǒng)和新興領(lǐng)域有具有巨大的運(yùn)用價值,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將無處不在,將完全融入我們的生活。圖一是無線傳感器應(yīng)用示意。
  由于無線傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)巨大的市場和應(yīng)用前景,所以目前全世界許多公司都推出了各自的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。這些技術(shù)百花齊放,各有千秋,但是這些技術(shù)之間,幾乎不能相互兼容和互通。
  目前正在開發(fā)中的各種無線傳感器技術(shù),從這個圖我們可以看到,不同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),最終都是希望實現(xiàn)和互聯(lián)網(wǎng)的通訊,這可能是這些傳感器網(wǎng)絡(luò)最終交匯的通道。
  二、如何選擇合適的無線傳感器技術(shù)
  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本架構(gòu)包括三部分,第一部分是無線收發(fā)芯片,其職責(zé)是將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為高頻無線信號傳送出去和將接收到的高頻無線信號恢復(fù)成數(shù)字信息。無線傳感器收發(fā)芯片而言,IEEE?802.15.4能為無線傳感器應(yīng)用提供最佳方案,這是因為IEEE?802.15.4規(guī)范可能是主要且可能唯一的實用標(biāo)準(zhǔn)。目前全球有多家公司提供這方面的收發(fā)芯片。像TI公司的CC2420/CC2520等芯片都特別適用于鈕扣電池和低電能應(yīng)用的低功耗特性。
  實現(xiàn)一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和路由器,可以采用多芯片方案,如圖3所示,由一個無線收發(fā)芯片和一個微控制器(單片機(jī))組成,微處理器可以采用低功耗的MSP430,無線芯片可以采用CC2520/CC2420等。
  隨著技術(shù)不斷發(fā)展,已經(jīng)有越來越多的公司,將無線收發(fā)器芯片和微控制器和無線收發(fā)器做成了一個片上系統(tǒng)(SoC),例如TI公司采用8051內(nèi)核的CC2430/CC2431等ZigBee無線單片機(jī),隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對計算能力提高要求,最近Freescale公司也推出了ARM內(nèi)核的32位ZigBee無線單片機(jī)。使用這些SoC無線單片機(jī)設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò),將使無線傳感器節(jié)點具有更小的體積,更低的功耗和更低的價格;TI公司在國內(nèi)的技術(shù)合作伙伴無線龍科技公司等,也同時提供這些芯片,開發(fā)工具的相關(guān)技術(shù)支持。
  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架第二部分是運(yùn)行于單片機(jī)或者無線單片機(jī)內(nèi)部的嵌入式軟件,也稱軟件協(xié)議棧(network?stack),網(wǎng)絡(luò)堆棧有兩個職責(zé)。首先它必須要處理節(jié)點間的無線鏈接通信質(zhì)量的頻繁變化和環(huán)境因數(shù)對無線通訊造成的干擾,具有對網(wǎng)絡(luò)自組織,自恢復(fù)的能力;網(wǎng)絡(luò)堆棧的第二個職能是要具有很強(qiáng)的路由算法能力,確保信息可靠高效地通過各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?星狀/網(wǎng)狀等等)從源節(jié)點(如果現(xiàn)有,可以通過成百上千路由節(jié)點)發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點。確保通訊的實時性要求。
  ZigBee聯(lián)盟是由眾多技術(shù)供應(yīng)商和開發(fā)商組成的獨立標(biāo)準(zhǔn)組織。也是目前世界是最大的,基于IEEE?802.15.4平臺的網(wǎng)絡(luò)軟件協(xié)議棧標(biāo)準(zhǔn)提供聯(lián)盟。
  該組織從ZigBee2004、ZigBee2006、ZigBee2007不斷發(fā)展,目前提供的兩個網(wǎng)絡(luò)棧是:ZigBee和ZigBee?PRO。從使用角度看ZigBee堆棧很適合一般包含十到幾百個節(jié)點的小型網(wǎng)絡(luò)。而ZigBee?PRO是ZigBee超集,它增加了一些功能,可對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展并更好地應(yīng)對來自其他技術(shù)的無線干擾,而且可以適應(yīng)更大型的網(wǎng)絡(luò)和具有更加可靠的路由通訊算法和無線通訊可靠性。
  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架第三部分應(yīng)用軟件,這部分包括各種根據(jù)用戶現(xiàn)有開發(fā)的軟件代碼,這些代碼目前大部分是采用C語言來進(jìn)行開發(fā),可以之間以接口和API方式,調(diào)用軟件協(xié)議棧的功能。
  在多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中,我們認(rèn)為采用802.15.4國際標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee技術(shù),作為我們設(shè)計無線傳感器系統(tǒng)的起步,有如下優(yōu)點:
  兼容一個全球化的可靠的國際標(biāo)準(zhǔn)。
  可以通過TI、?Freescale這樣的大型芯片供應(yīng)商。獲得穩(wěn)定的無線收發(fā)芯片和無線單片機(jī)來源,也可以獲得免費(fèi)的ZigBee協(xié)議棧和相關(guān)源代碼,降低開放門檻。
  能夠采用KEIL和IAR這樣的高性能軟件編譯調(diào)試環(huán)境,可以大大加快開放速度,縮短上市周期。
  三、開始無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)備些什么?
  首先我們現(xiàn)需要進(jìn)行一些知識準(zhǔn)備,對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要的技術(shù)和知識,進(jìn)行準(zhǔn)備,雖然可能我們已經(jīng)熟悉單片機(jī)和相關(guān)軟件開發(fā)技術(shù),但是無線收發(fā)器和無線SoC(無線單片機(jī))還是有獨特的地方,而且IEEE802.15.4和ZigBee協(xié)議棧等,也是具有一定難度的知識領(lǐng)域;好在目前在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線單片機(jī)方面,已經(jīng)有大量的技術(shù)書籍可供參考,圖四是一些無線傳感器相關(guān)技術(shù)書籍,對入門無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能開卷有益。
  其次我們?nèi)匀恍枰惶兹菀资褂玫臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)開發(fā)系統(tǒng),這是因為:
  我們需要一套完整的軟件編譯開發(fā)平臺,包括IAR和KEIL的編譯調(diào)試環(huán)境,在線仿真器等必要的開發(fā)工具。
  我們進(jìn)入無線傳感器系統(tǒng)設(shè)計的難度重心,是盡快掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧軟件使用,同時盡快進(jìn)入相關(guān)應(yīng)用軟件開發(fā),所以我們需要一套已經(jīng)完成高頻測試的無線節(jié)點,網(wǎng)關(guān),路由器和無線模塊來進(jìn)行硬件評估和運(yùn)行我們的嵌入式應(yīng)用軟件和協(xié)議棧軟件。
  我們需要相關(guān)溫度,壓力,加速度,光線,濕度等傳感器接口到這個系統(tǒng),方便我們系統(tǒng)設(shè)計。
  我們在進(jìn)入一個陌生的技術(shù)領(lǐng)域時,往往會有很多的困難,我們需要相應(yīng)的技術(shù)支持和知識支持。
  目前很多國內(nèi)企業(yè),都已經(jīng)推出了各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工具,圖五是國內(nèi)企業(yè)成都無線龍通訊科技公司的一種最新的,支持美國德州儀器TI?CC2520無線收發(fā)器和TI的ZigBee2007/PRO協(xié)議棧無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)開發(fā)系統(tǒng)的新產(chǎn)品,包括在線仿真器,PC?GUI網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視控制軟件,相關(guān)源代碼無線傳感器網(wǎng)絡(luò)示范代碼包裝等,是快速進(jìn)入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計的可選擇國產(chǎn)工具之一。
  四、設(shè)計無線傳感器系統(tǒng)具體過程
  當(dāng)我們完成了上述的知識準(zhǔn)備和相關(guān)開發(fā)工具準(zhǔn)備后,我們就可以開始一個無線傳感器設(shè)計過程了,下面,我們以一個家庭節(jié)能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為實例,看看一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際過程。家庭節(jié)能系統(tǒng)框圖如圖六所示。
  家庭中的電器,包括空調(diào),洗衣機(jī),冰箱等,構(gòu)成一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),通過能源管理網(wǎng)關(guān)和安裝在戶外的無線轉(zhuǎn)發(fā)路由器,實時傳輸?shù)侥茉垂倦娔X化管理網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)對家庭能源的管理。
  設(shè)計任務(wù)包括設(shè)計嵌入到家電內(nèi)部的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)單元(無線節(jié)點),家庭無線顯示單元和家庭能源控制單元(無線節(jié)點或者無線路由器),能源管理網(wǎng)關(guān)(無線網(wǎng)關(guān))等。
  首先,我們采用無線龍WSN無線傳感器開發(fā)系統(tǒng)平臺提供的多個無線SoC模塊(內(nèi)含CC2430等無線單片機(jī)),下載TI?ZigBee協(xié)議棧和聰明能源相關(guān)代碼,進(jìn)行無線通訊效果,可靠性評估,該軟件包是有TI公司免費(fèi)提供(經(jīng)過無線龍工程師的實際測試和評估),可以免費(fèi)用于技術(shù)開發(fā),圖7是軟件結(jié)構(gòu)。
  使用強(qiáng)大的KEIL和IAR編譯開發(fā)環(huán)境,在線仿真器等調(diào)試工具,完全開源的ZigBee協(xié)議棧軟件,應(yīng)該可以很快完成無線節(jié)點和路由器,網(wǎng)關(guān)的性能評估,通訊可靠性評估和ZigBee無線通訊代碼開發(fā)。
  然后我們可以仍然直接使用這些無線SoC的模塊,添加我們的應(yīng)用設(shè)計,例如LED和LCD顯示部分,可以顯示實時的電費(fèi)是多少,家里有沒有能源浪費(fèi)等。同時設(shè)計相關(guān)我們需要的控制電路,如開關(guān)控制,電機(jī)控制,以在需要時,對空調(diào)器等電器,進(jìn)行節(jié)能控制。
  由于在無線龍?zhí)峁┑拈_發(fā)工具中,有一套網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析監(jiān)視儀,我們可以在測試過程中,清楚的監(jiān)視到各種在空氣中的傳輸?shù)臒o線包裝內(nèi)容,從而很快確定我們的無線通訊軟件代碼是否正確。
  由于使用現(xiàn)成的高頻模塊,我們避免了在入門時涉及高頻技術(shù)的困難,而是將主要精力集中到最主要的方向,我們的應(yīng)用代碼和我們的應(yīng)用需要的硬件設(shè)計,這樣就大大加快了系統(tǒng)產(chǎn)品化的進(jìn)度;對于客戶訂單中,產(chǎn)品最后使用的無線模塊,我們可以容易的找到OEM專業(yè)廠家來生產(chǎn)完成。如果一切順利,3-4個星期,這個ZigBee家庭節(jié)能系統(tǒng),有希望完成。