新的无线分布式传感控制网络研究与实现

郑继红，汪学明

（贵州大学 计算机科学与信息学院，贵州 贵阳550025）

0 引 言

无线分布式传感控制网络在工控行业表现出了极大的需求，因此针对WDSCN的研究层出不穷。2007年，邓洪等人提出了一种基于多信道Ad Hoc网络的WDSCN，该网络采用多信道具有自动跳频功能的Ad Hoc网络来实现WDSCN，使网络具有较强的抗干扰能力和较高的实用价值［1］。2008年，冯莉等人以LabVIEW为开发工具，采用PC机多线程技术和虚拟仪器技术，构建了基于LabVIEW的无线分布式传感网络的控制系统［2］，该网络通过RF技术，可以根据实际需求和环境自行组建网络，实现传感网络中各个传感器和测量设备数据的统一管理。该系统还具有传输数据可靠、操作简单、界面友好的特点。2010年，陈纯等人在分布式传感网络前沿技术与实时应用国际研讨会上对分布式传感网络进行了系统的讨论、分析和研究。2011年，林嘉怡等人对地下车库用诱导风机无线传感控制网络自组织路由协议进行了研究和实现，该协议很好地解决了车库现场障碍物拐角不利于通信的问题。WDSCN研究虽然取得了一些令人瞩目的成就，但还存在一定的不足，如存在网络自组织性不够灵活、网络覆盖范围不够大、没有采用标准的工业级通信协议不利于系统的扩展、没有充分考虑系统的工作效率等问题［3］。

新的分布式传感控制网络针对现有无线分布式传感控制网络的不足，在保证系统稳定性和鲁棒性的情况下，采用低功耗的ZigBee［4－6］通信技术研究并实现了一种新的无线分布式传感控制网络，并对该无线分布式传感控制网络的实际应用进行验证分析。

1 系统架构

1.1 系统拓扑结构

现有的无线传感器控制网络存在没有标准的工业级通信协议的问题。针对没有标准的工业级通信协议问题，我们采用ZigBee通信协议标准对WDSCN进行深入研究，开发出低功耗、时延短、可靠、安全、网络容量大、组网灵活的数据采集与控制平台。ZigBee是一种基于IEEE802.15.4通信协议的无线个域网通信高层协议规范，它的主要特性是低功耗、灵活的拓扑机构以及容易被集成。

ZigBee网络有3种可供选择的拓扑结构：星型、树形和mesh型。基于ZigBee技术的树形拓扑结构，WDSCN也采用树形的采集控制结构，由一台PC机、一个协调器、若干路由器和多个终端组成。PC机是整个系统的信息系统和监控中心，协调器负责启动整个网络，路由器主要负责信息的中继，终端的主要功能是实现信息的采集和接受信息系统的命令来控制受控设备。终端可以直接和协调器通信也可以通过路由器间接和协调器通信，构成分布式无线传感控制网络，系统拓扑结构如图1所示。

图1 WDSCN系统拓扑结构

1.2 WDSCN架构

WSCN架构如图2所示，三层架构促进了任务的分配和设备间的合作。第一层是终端节点层，它的特性是尺寸很小而且具有低功耗的无线收发模块，可以集成传感器。还有应用范围很广，而且组合灵活的控制模块也可以和无线收发模块通过排线灵活连接。第二层是路由器层，它的目的是促使终端节点和信息系统的通信以及信息的路由。第三层是协调器层，它的功能是收集在网络中传输的分布式信息，提供一个和信息系统之间的通信接口。

图2 WDSCN架构

2 WDSCN的设计

2.1 WDSCN的硬件设计

2.1.1 终端节点层的硬件设计

这一层的硬件设备连接着被监测和控制的对象。它们的一个功能是通过传感器采集周围的信息并将监测到的数据传给信息中心，另一个功能是接收来自信息系统的指令来控制受控设备。

这些设备由一个微控制器去控制，这个微控制器选择TI的CC2530，CC2530是一种集微控制器与射频收发器为一体的片上SOC［7－9］。这个微控制器负责管理终端节点的操作，包括和路由器的通信、从传感器上获得数据以及去控制周围环境。终端节点主要由传感器模块，控制模块和通信模块三部分组成。这三部分由外设模块和核心模块两个模块组成。外设模块可以根据不同需求添加不同外设，例如传感器模块 （温度传感器、湿度传感器、二氧化碳浓度传感器）、继电器组以及485通信等外设。核心模块主要包括主芯片和射频两部分。两个模块中间通过排针相连，图3为终端节点核心模块实物。

图3 终端节点核心模块实物

2.1.2 路由器节点层的硬件设计

路由器层负责对信息的存储转发，通过无线网络来中继终端节点和协调器之间的信息传输，这一层使用ZigBee通信协议路由信息来使信息到达目的节点。

对于zigbee协议，一个值得一提的优点是节点间的动态路由特性。它能够在通往协调器的信息流上提供优秀的可靠性。这个特性在节点以动态的方式离开和键入网络时非常有用。这层设备另外一个功能是过滤掉不必要的信息，例如冗余的信息来避免堵塞。

组成路由器的原件如下：一个CC2530核心模块，负责无线通信。一个电源底座，通过电池或者5V直流电进行供电。

由路由器组成的第二层设备是被放置在一个固定的位置，最好的选择是把它们放进一个网格的中心并且靠近有直接电源的地方。在一个孤立的位置，用大功率的可充电的电池为路由器供电，在电源方便的地方可以使用直接电源进线供电，路由器节点用一个CC2530核心板就可以处理所有事件。图4为路由器节点实物。

图4 路由器节点实物

2.1.3 协调器节点层的硬件设计

协调器层连接无线传感器网络和已经存在的信息系统。这些被无线传感器网络捕获的信息被传送到信息系统。在无线传感器网络中只有一个协调器，被称为 “个域网协调器”。首先，它选择一个被网络使用的频率信道。然后开始组建网络，允许子节点和它相连。它可以提供信息里有：安全管理以及其它服务。

协调器的模型如图5所示，允许通过USB和一个个人电脑进行通信，将来的开发将会包括以太网通信。协调器节点主要包括显示控制模块和ZigBee通信模块两部分组成，两个模块之间通过排针相连。

图5 协调器节点实物

2.2 WDSCN的软件设计

2.2.1 软件技术提高能量传输效率

能量效率对于无线传感器网络是一个关键点，特别是对于节能设备或者在电池供电的情况下。一个具体的硬件实现的能量最优化允许一个适当的电源管理模块的存在。无线传感器网络中，通信任务中的能量消耗可以直接通过软件来控制。在实现代码上进行精简修改可以对能量传输效率产生有力地改善。

许多被路由器消耗的能量被用来做激活处理，通过ZigBee协议来存储以及发送数据，这里有一个选择使用信标来保证通信［10］。然而，信标模式在我们的应用中没有使用，我们使用的运行模式是我们使用我们自己的周期信标帧来开关设备，在一个时间周期过后，设备重新被激活。

对节点操作的第一个方法如图6所示，这个节点没有使用标准的通信协议。节点保持在超低功耗模式直到一个被看门狗触发的中断的到来。当这个发生时，微控制器改变收发模式到接受模式。然后，如果一个载波被监测到，这个检点保持等待信标。否则，它又进入睡眠模式。经过这样一个过程，如果CC2530在一个预先设定的时间周期内接受到一个正确的信标，微控制器改变收发模式到发送模式并发送相应的数据。这样的话，CC2530变为接受模式等待一个来自路由器的确认帧。如果确认信号来自路由器，这个节点关闭睡眠模式。否则，系统回到等待信标的模式。如果通信时间过长，变量Tmax负责将节点返回到睡眠模式。

图6 终端节点的操作

对于ZigBee通信，一些软件上的改进也可以用来增加整个系统的自治。

2.2.2 WSCN的信息流

为了协调分布式设备，一个数据模式需要被定义用来描述信息流以满足总体需求。数据模式定义目标事件作为网络中的数据共享目标，以及管理事件作为内部信息需要来保持网络上的功能。目标事件在路由器节点中是序列化的以及它和无线传感器网络中其余节点通信。无线传感器网络中数据传输的步骤如图7所示。

图7 基于目标事件的信息流

（1）当他的传感器从环境中得到数据时，终端节点保存环境信息在自己的存储器中。

（2）路由器节点以250KB／s的速度，16bytes大小的数据包，通过射频通信接受信息。

（3）路由器节点准备目标事件。

（4）已经发送的目标事件在无线传感器网络中以250KB／s的速度进行路由。

（5）协调器接受目标事件以及发送数据到信息系统。

3 WDSCN的实现

WSCN可以被应用于很多工业、生活和办公场所。为了验证WDSCN能否在实践中达到预期的效果，WSCN被用在某学校的一栋实验楼里来调节整个实验环境的空气质量。因为我们的协调器上有液晶和按键，所以不用PC便能完成所有的采集和控制任务。我们的WDSCN主要设备有1个协调器，2个路由器和4个终端节点。每个终端节点连接一个温湿度传感器，一个二氧化碳浓度传感器和一个风机盘管 （中央空调的末端装置），每个终端节点既可以单独完成所有任务，也可以和其它节点协作组网完成任务。

协调器主要的功能是启动网络，还有对终端节点采集回来的数据进行实时显示已经对终端节点发指令来控制风机盘管来调节室内空气质量。

经过测试，通过协调器在对终端节点进行固定温湿度［11］以及二氧化碳浓度值设定之后，通过风机盘管的一段时间的调节，在协调器的显示屏上我们会看到从终端节点采集回来的数据和能够达到我们预先设定的效果。图8至图10将实时室温和加设WDSCN环境控制设备之后的环境参数进行了比较。

图8 室内温度随时间变化

图9 室内相对湿度随时间变化

通过观察，我们可以清楚的看到经过WDSCN环境控制设备的调节，温度、相对湿度，二氧化碳浓度均能够保持到我们工作环境的最佳值，给我们创造了更为舒适的工作环境。上述实验说明，无线分布式传感控制网络经过各层设备之间的协作之后，高可靠地完成了任务。

4 结束语

图10 室内二氧化碳浓度随时间变化

对当前的无线分布式传感控制网络的国内外研究现状进行了研究，发现现存网络存在网络自组织性不够灵活，网络范围不够大，系统的稳定性和鲁棒性有待改进的问题。为了扩大无线传感器网络的应用范围和改进现存网络的不足，研究并实现了一种新的无线分布式传感控制网络。首先根据无线传感器网络的应用现状搭建了系统架构和拓扑。然后针对具体应用对WDSCN中存在的3种具体设备——终端、路由器以及协调器进行了硬件设计并进行了实现。对于网络通信实现，引进了ZigBee这种工业级的无线通信标准实现了通信网络的标准化。最后，对实现的无线分布式传感控制网络在实际应用中进行验证。结果表明，新的无线分布式传感控制网络经过各层设备之间的协作之后，能够高可靠地完成任务。

［1］DENG Hong，LONG Zhaohua，YANG Ling.Designing WDSCN based on the multi－channels Ad Hoc network ［J］.Microcomputer Information，2007，23 （8－3）：130－132 （in Chinese）.［邓洪，龙昭华，杨令.基于多信道Ad Hoc网络的WDSCN 的 设 计 ［J］. 微 计 算 机 信 息，2007，23 （8－3）：130－132.］

［2］FENG Li，ZHOU Jingjing，LIN Yuchi.Study of control system of wireless distributed sensing networks based on LabVIEW［J］.Transducer and Microsystem Technologies，2008，27（2）：32－34 （in Chinese）. ［冯莉，周晶晶，林玉池.基于LabVIEW的无线分布式传感网络控制系统的研究 ［J］.传感器与微系统，2008，27 （2）：32－34.］

［3］FENG Li.Application study on the wireless distributed sensor／control networks［D］.Tianjin：Tianjin University，2006 （in Chinese）. ［冯莉.无线分布式传感／控制网络的应用研究［D］.天津：天津大学，2006.］

［4］Shahin Farahani.ZigBee wireless networks and transceivers［M］.USA：Newnes，2008.

［5］DrewGislason.ZigBee wireless networking ［M］.USA：Newnes，2008.

［6］ZigBeeSpecification ［OL］.http：／／www.ZigBee.org，2013.

［7］8051IAR embedded workbench help ［OL］.http：／／www.iar.com，2013.

［8］CC2530user’s guide ［OL］.http：／／www.ti.com，2013.

［9］CC2530F256－A true syetem－on－chip for 2.4Ghz IEEE 802.15.4 and ZigBee applications ［OL］.http：／／www.ti.com，2013.

［10］Pablo GARCíA ANSOLA，Andrés GARCíA，Javier de las MORENAS，et al.ZigID：Improving visibility in industrial environments by combining WSN and RFID ［J］.Journal of Zhejiang University Science A （An International Applied Physics ＆Engineering），2011，12 （11）：849－859.

［11］LI Lili，SHI Wei.Design of embedded wireless temperature control system for agricultral greenhous ［J］.Chinese Agricultural Science Bulletin，2011，27 （33）：278－282 （in Chinese）.［李丽丽，施伟.农业大棚嵌入式无线温控系统设计［J］.中国农学通报，2011，27 （33）：278－282.］