小型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)與WLAN互聯(lián)

滕 飛，賈懷義

（北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京100044）

在傳統(tǒng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）中，傳感器節(jié)點(diǎn)通常是散布于一些用戶感興趣的，并且有時(shí)并不連續(xù)的區(qū)域。但是單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的通信范圍和數(shù)據(jù)處理能力十分有限，因此這些分散區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信，以及數(shù)據(jù)如何匯聚到監(jiān)控中心就成了一個(gè)需要關(guān)注的問題?；贗EEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）目前已十分成熟，它具有覆蓋范圍大（相對(duì)于WSN），組網(wǎng)靈活，運(yùn)行成本較低等特點(diǎn)，因此，兩種網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合可以彌補(bǔ)上述單純用WSN組網(wǎng)的不足[1]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文提出的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)可分為兩部分，如圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）傳感器網(wǎng)絡(luò)，幾個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)按照需要，分布于需要監(jiān)控的幾個(gè)并不連續(xù)的區(qū)域。每個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)由3種不同類型的設(shè)備組成：終端設(shè)備（ED）、中繼設(shè)備（RE）和數(shù)據(jù)中心（DC），這3種設(shè)備協(xié)同工作完成WSN的各項(xiàng)功能。（2）WLAN網(wǎng)絡(luò)，它在較大的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無(wú)線覆蓋，在WLAN網(wǎng)絡(luò)中，WSN的數(shù)據(jù)中心通過WLAN接口以無(wú)線的方式發(fā)送至WLAN內(nèi)的監(jiān)控設(shè)備。

2 基于SimpliciTI協(xié)議的小型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

SimpliciTI協(xié)議是TI公司推出針對(duì)簡(jiǎn)單小型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的專有低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。該協(xié)議所需的硬件資源較少，具有低成本、低功耗、易于開發(fā)等特點(diǎn)。

協(xié)議主要包括3層，如圖2，用戶主要在應(yīng)用層進(jìn)行相應(yīng)開發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[2]。

圖2 SimpliciTI協(xié)議框架

2.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)描述

本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的基于SimpliciTI協(xié)議的WSN，在室內(nèi)環(huán)境中對(duì)光照強(qiáng)度和溫度進(jìn)行采集。數(shù)據(jù)中心通過串口與電腦相連，如圖3，通過電腦可以實(shí)現(xiàn)對(duì)WSN的監(jiān)控。

圖3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖

終端設(shè)備由射頻模塊、傳感器模塊和電源模塊組成，由它來(lái)實(shí)際負(fù)責(zé)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集并將處理完的有效數(shù)據(jù)發(fā)回?cái)?shù)據(jù)中心；范圍擴(kuò)展設(shè)備由射頻模塊和電源模塊組成，它為無(wú)法直接與數(shù)據(jù)中心通信的終端設(shè)備提供中繼；數(shù)據(jù)中心由射頻模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成，通過串口與監(jiān)控計(jì)算機(jī)相連，通過計(jì)算機(jī)端的監(jiān)控程序，可以實(shí)時(shí)查看各終端設(shè)備發(fā)送回來(lái)的光照和溫度信息，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的配置和管理。

2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件主要包括射頻模塊、傳感器模塊和電源模塊3部分。其中，射頻模塊包括處理器單元和通信單元，處理器單元負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器設(shè)備的操作，存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其它設(shè)備發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)；通信單元負(fù)責(zé)與其他傳感器設(shè)備進(jìn)行通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為數(shù)據(jù)中心設(shè)備、范圍擴(kuò)展設(shè)備和終端設(shè)備3部分?？紤]到程序的開發(fā)周期和可讀性，程序使用C語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)。

2.4.1 數(shù)據(jù)中心設(shè)備

數(shù)據(jù)中心設(shè)備經(jīng)過BSP（應(yīng)用板支持層程序包）、協(xié)議棧、串口等初始化后，打開串口中斷，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)中心的通信，然后建立串狀網(wǎng)絡(luò)，等待終端節(jié)點(diǎn)和范圍擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的加入。對(duì)于已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，數(shù)據(jù)中心監(jiān)測(cè)是否收到這些設(shè)備發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，如果收到符合格式的數(shù)據(jù)，則通過串口上傳給計(jì)算機(jī)顯示。同時(shí)數(shù)據(jù)中心不斷檢測(cè)信道噪聲，如果噪聲過大，則廣播通知所有設(shè)備跳轉(zhuǎn)到信道列表的下一個(gè)信道。

2.4.2 范圍擴(kuò)展設(shè)備

范圍擴(kuò)展設(shè)備經(jīng)過硬件初始化和協(xié)議棧初始化之后，向數(shù)據(jù)中心發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求。成功加入網(wǎng)絡(luò)后，向數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)周期發(fā)送Ping消息，如果收到應(yīng)答，則處于等待數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，向數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)發(fā)終端節(jié)設(shè)備來(lái)的數(shù)據(jù)信息，如果沒有收到應(yīng)答，則查詢網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的工作信道，并跳轉(zhuǎn)至該信道，再轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信息。

2.4.3 終端設(shè)備

終端設(shè)備在初始化底層模塊、定時(shí)器和各傳感器模塊后，開始向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)消息，并等待加入。加入網(wǎng)絡(luò)后，每隔一個(gè)固定的時(shí)間間隔通過傳感器模塊采集環(huán)境信息，查找中心節(jié)點(diǎn)工作的信道并跳變到該信道，將采集的環(huán)境信息發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。

3 WSN的WLAN互聯(lián)實(shí)現(xiàn)

3.1 IEEE 802.11b協(xié)議

IEEE 802.11b是當(dāng)今無(wú)線局域網(wǎng)應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)之一，它工作在2.4 GHz的ISM頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率能根據(jù)環(huán)境條件的改變而調(diào)整, 最高可達(dá)到11 Mb/s。傳輸范圍在室內(nèi)約為100m，在室外約為300 m?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，以及兼容該標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備成本較低，所以本系統(tǒng)的WLAN采用了該無(wú)線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包括WSN和WLAN兩層網(wǎng)絡(luò)，重點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。

互聯(lián)的實(shí)現(xiàn)，在硬件上主要是通過為WSN的數(shù)據(jù)中心設(shè)備添加一個(gè)WLAN接口，而軟件上需要改造的功能主要有兩部分：（1）在數(shù)據(jù)中心設(shè)備的程序中添加WLAN接口模塊的配置程序，完成不同網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心與WLAN接口的協(xié)調(diào)工作；（2）在計(jì)算機(jī)端開發(fā)監(jiān)控程序，實(shí)現(xiàn)任何接入該WLAN的計(jì)算機(jī)都能夠通過無(wú)線方式監(jiān)控和管理WSN。

圖4 多個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

數(shù)據(jù)流程如圖4，WSN的終端設(shè)備在采集到光照和溫度的數(shù)據(jù)后，通過WSN的無(wú)線鏈路將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理和轉(zhuǎn)換后通過串口將數(shù)據(jù)再發(fā)送給數(shù)據(jù)中心的WLAN接口模塊，WLAN接口通過無(wú)線局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)經(jīng)過無(wú)線路由器（WLAN AP）將發(fā)往目標(biāo)IP的監(jiān)控計(jì)算機(jī)。其中WLAN接口模塊和WSN數(shù)據(jù)中心是通過接口電路封裝在一起的整體器件。

3.3 WLAN接口模塊設(shè)計(jì)

3.3.1 硬件設(shè)計(jì)

WLAN接口選用Wi-Fi 1000的串口WLAN模塊。它可實(shí)現(xiàn)802.11b網(wǎng)卡的功能，支持UART串口通信，具有體積小，穩(wěn)定性強(qiáng)和用戶接口開發(fā)較為快捷等優(yōu)點(diǎn)。由于和數(shù)據(jù)中心設(shè)備所使用的串口電平標(biāo)準(zhǔn)不同，還需一個(gè)轉(zhuǎn)換芯片及相關(guān)外圍電路。

3.3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分的主要工作是為數(shù)據(jù)中心設(shè)備添加相應(yīng)的程序，以實(shí)現(xiàn)對(duì)WLAN接口模塊的各種參數(shù)進(jìn)行配置以及協(xié)調(diào)工作。由于WLAN接口模塊需要通過串口以命令的形式操作，所以需要在其產(chǎn)品手冊(cè)中查找相應(yīng)的命令來(lái)實(shí)現(xiàn)各種操作。其中需要配置的參數(shù)分為系統(tǒng)參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。系統(tǒng)參數(shù)包括聯(lián)網(wǎng)模式、傳輸模式、監(jiān)聽模式等。網(wǎng)絡(luò)參數(shù)包括BSSID、信道號(hào)、SSID等。協(xié)調(diào)工作包括用命令的方式來(lái)引導(dǎo)WLAN模塊掃描，加入或者斷開網(wǎng)絡(luò)，完成數(shù)據(jù)傳遞以及轉(zhuǎn)換地址格式等。其流程如圖5。

圖5 數(shù)據(jù)中心設(shè)備程序流程

3.4 PC平臺(tái)的監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

WSN通過WLAN接口實(shí)現(xiàn)了WLAN接入，因此任何一個(gè)接入到這個(gè)WLAN的終端，比如臺(tái)式機(jī)、筆記本、手機(jī)等，只要安裝有相應(yīng)平臺(tái)的監(jiān)控程序，都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)WSN的監(jiān)控和管理。

本文使用Visual Basic 6.0開發(fā)了Windows操作系統(tǒng)下的監(jiān)控程序。程序主要包括4個(gè)功能模塊：通信、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和繪圖。程序流程如圖6。

圖6 監(jiān)控程序流程圖

通信模塊接收來(lái)自數(shù)據(jù)中心通過WLAN接口發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)包，接收到數(shù)據(jù)包后將數(shù)據(jù)拆包，檢測(cè)是否需要轉(zhuǎn)發(fā)。如果需要轉(zhuǎn)發(fā)，則根據(jù)目標(biāo)設(shè)備的設(shè)備地址查找其所在WSN數(shù)據(jù)中心WLAN接口的IP，進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。對(duì)于不需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)包中的終端設(shè)備信息和采集到數(shù)據(jù)放提取出來(lái)：通過讀取設(shè)備信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)設(shè)備的連接狀態(tài)和工作狀態(tài)；將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后，進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示。

4 結(jié)束語(yǔ)

從目前的趨勢(shì)來(lái)看，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的融合必將成為一個(gè)重要的發(fā)展方向，而WSN與WLAN的結(jié)合，應(yīng)用在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，更加有效地完成環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)[3]。本文首先設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于SimpliciTI協(xié)議的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，然后在WLAN環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了WLAN與WSN的互聯(lián)以及多個(gè)WSN網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)，擴(kuò)展了傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的發(fā)布能力，也加強(qiáng)了用戶對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控能力。

[1] 劉元安，葉靚，邵謙明，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的融合[J] . 北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29（6）：1-4.

[2] Texas Instruments.SimpliciTI:Simple Modular RF Network Specification Version 1.09[EB/OL] . http://www.TI.com.

[3] Mainwaring A.,J. Polastre,R. Szewczyk,D. Culler. Wireless Sensor Networks for Habitat Monitoring[J] .Intel Research,IRB-TR-02-006 June 2002.