如何開始無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(chǎng)前景，將會(huì)給人類的生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)影響的新技術(shù)。美國的《技術(shù)評(píng)論》雜志在論述未來新興十大技術(shù)時(shí)，更是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項(xiàng)未來新興技術(shù)，《商業(yè)周刊》 預(yù)測(cè)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(jià)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。 

圖1 無線傳感器應(yīng)用部分實(shí)例  

　　由于無線傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)巨大的市場(chǎng)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。  

　　圖2是目前正在開發(fā)中的各種無線傳感器技術(shù)，從這個(gè)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(shí)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。 

圖2目前全球開發(fā)中的部分無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)  

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(hào)傳送出去和將接收到的高頻無線信號(hào)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?yàn)镮EEE 802.15.4規(guī)范可能是主要且可能唯一的實(shí)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(shí)現(xiàn)一個(gè)典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和路由器，可以采用多芯片方案，如圖3所示，由一個(gè)無線收發(fā)芯片和一個(gè)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。 

圖3   典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或者路由器  

　　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(gè)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(duì)計(jì)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(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將使無線傳感器節(jié)點(diǎn)具有更小的體積，更低的功耗和更低的價(jià)格；TI公司在國內(nèi)的技術(shù)合作伙伴深圳無線龍科技公司等，也同時(shí)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(gè)職責(zé)。首先它必須要處理節(jié)點(diǎn)間的無線鏈接通信質(zhì)量的頻繁變化和環(huán)境因數(shù)對(duì)無線通訊造成的干擾，具有對(duì)網(wǎng)絡(luò)自組織，自恢復(fù)的能力；網(wǎng)絡(luò)堆棧的第二個(gè)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)洌ㄐ菭?網(wǎng)狀等等）從源節(jié)點(diǎn)（如果現(xiàn)有，可以通過成百上千路由節(jié)點(diǎn)）發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。確保通訊的實(shí)時(shí)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(dú)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(tái)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(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)的小型網(wǎng)絡(luò)。而ZigBee PRO是ZigBee超集，它增加了一些功能，可對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展并更好地應(yīng)對(duì)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?cè)O(shè)計(jì)無線傳感器系統(tǒng)的起步，有如下優(yōu)點(diǎn)： 

　　兼容一個(gè)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(jì)準(zhǔn)備些什么？ 

　　首先我們現(xiàn)需要進(jìn)行一些知識(shí)準(zhǔn)備，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要的技術(shù)和知識(shí)，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(dú)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(shí)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(duì)入門無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能開卷有益。 

圖四   無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)部分技術(shù)書籍 

　　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?yàn)椋?nbsp;

　　我們需要一套完整的軟件編譯開發(fā)平臺(tái)，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(jì)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(shí)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(cè)試的無線節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)，路由器和無線模塊來進(jìn)行硬件評(píng)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(gè)系統(tǒng)，方便我們系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 

　　我們?cè)谶M(jìn)入一個(gè)陌生的技術(shù)領(lǐng)域時(shí)，往往會(huì)有很多的困難，我們需要相應(yīng)的技術(shù)支持和知識(shí)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)深圳市無線龍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(jì)的可選擇國產(chǎn)工具之一。 

圖五  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)系統(tǒng) 

四、設(shè)計(jì)無線傳感器系統(tǒng)具體過程 

　　當(dāng)我們完成了上述的知識(shí)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(gè)無線傳感器設(shè)計(jì)過程了，下面，我們以一個(gè)家庭節(jié)能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為實(shí)例，看看一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際過程。家庭節(jié)能系統(tǒng)框圖如圖六所示。 

圖6 采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)家庭節(jié)能系統(tǒng)  

　　從圖我們看出，家庭中的電器，包括空調(diào)，洗衣機(jī)，冰箱等，構(gòu)成一個(gè)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(shí)時(shí)傳輸?shù)侥茉垂倦娔X化管理網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭能源的管理。 

　　設(shè)計(jì)任務(wù)包括設(shè)計(jì)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(diǎn)），家庭無線顯示單元和家庭能源控制單元（無線節(jié)點(diǎn)或者無線路由器），能源管理網(wǎng)關(guān)（無線網(wǎng)關(guān)）等。 

　　首先，我們采用深圳無線龍WSN無線傳感器開發(fā)系統(tǒng)平臺(tái)提供的多個(gè)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(píng)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(shí)際測(cè)試和評(píng)估），可以免費(fèi)用于技術(shù)開發(fā)，圖7是軟件結(jié)構(gòu)。  

圖7 ZigBee智能源軟件包  

    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(diǎn)和路由器，網(wǎng)關(guān)的性能評(píng)估，通訊可靠性評(píng)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(jì)，例如LED和LCD顯示部分，可以顯示實(shí)時(shí)的電費(fèi)是多少，家里有沒有能源浪費(fèi)等。同時(shí)設(shè)計(jì)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(shí)，對(duì)空調(diào)器等電器，進(jìn)行節(jié)能控制。 

    由于在深圳無線龍?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(cè)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(shí)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(jì)，這樣就大大加快了系統(tǒng)產(chǎn)品化的進(jìn)度；對(duì)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(gè)星期，這個(gè)ZigBee家庭節(jié)能系統(tǒng)，有希望完成。