基于WirelessUSB的无线传感器网络系统硬件构建

武警工程大学 耿新元 李庆鹏 陈 浩

基于WirelessUSB的无线传感器网络系统硬件构建

武警工程大学 耿新元 李庆鹏 陈 浩

本文着眼于对无线传感器网络跨层构建的需求，选择2．4GHz频段上WirelessUSB数据传输技术，深入研究了WIrelessUSB无线数据传输技术，在分析解读其原技术基础上，结合其拓扑结构，提出该技术用于无线传感器网络时整体系统框架和拓扑结构，即提出基于WirelessUSB构建物理层方案，为现有ZigBee无线传感器网络物理层之外提供另一个选择。

无线传感器网络；WirelessUSB；数据融合；跨层设计

0 引言

目前，信息网络已形成4G及其演进、无线局域网等无线宽带网络为核心，宽带接入网络为补充的网络格局。目前我们要实现真正的信息化，就需要把信息采集，传输和处理融为一体，使时间相互连通，于是无线传感器网络应运而生。作为通信网感应末梢，它通过大规模的冗余具有感知、处理、通信能力节点部署，以达到实时监测、感知和采集分布区域内的各种环境或监测对象的信息的目的[1-5]。

无线传感器网络其定义可表述为：工作在相应区域静止或者移动的传感器节点所构成的以多跳和无线自组织网络系统搜索对象的信息在覆盖区域进行收集、加工和传导，从而用于监控、采集和处理信息，并将信息传送到控制者的网络。

1 无线传感器网络系统硬件方案规划

本文构建分簇型的网络属于层次网络结构，由网络上层和网络下层构成。网络上层由汇聚作用的中心节点构成；网络下层为一般传感器节点，可能没有路由、管理及汇聚处理等功能，通常是信息采集节点[3]。从当前看，层次网络结构硬件实现为节点同构和节点异构[4]。此外，针对分簇型网络，添加具有远距离通信能力的节点后，网络的覆盖范围可大大提高。簇头节点集中管理开销比较大，对硬件要求比较高，因此可选择性能较高、体积较大的处理器及电源存储。我们采用添加射频前端芯片来增强节点的通信能力使其具备远距离通信的能力。[5]

2 系统传感器节点设计及实现

针对以上系统方案，本文设计并硬件实现了一系列的基于WirelessUSB数传技术的无线传感器节点，简称为WUSBnode。

2.1 传感器节点硬件结构

图1 节点硬件模块框图

本文的无线传感器网络系统方案考虑到不同节点角色不同、分工不同，因此不同节点采用不同的设计，建立的是一个由异构节点组成的网络。节点通过模块化设计，根据功能将节点划为五个模块，分别为：数据获取单元、数据处理单元、数据传输单元、能量供应单元，即电源和天线。

2.2 强化节点设计

簇首节点是低级网络核心部分，负责信息采集，融合以及协议转化，充当簇单元的管理者。其具有通信、储存和配置等功能，方便用户对该簇进行直接的管理。汇聚节点经过串口与监视器相连，论文中将与个人电脑相连的汇聚节点定义为管理节点，个人电脑也看做与数据库作用类似的服务器与互联网相连。本文构架的强化节点，使其成为用户与网络的信息交换的通道，也是网络设置、管理的重中之重，也是与有线网络连接的接口，因此在固有五大模块基础上添加人机交互模块。强化节点构架框图如图2所示。

图2 强化节点功能框图

为扩大系统的覆盖范围，需要增大节点的通信距离，但是通信距离的增大势必造成无线通信功耗的增加。设计射频模块时，考虑距离、功耗、成本的不同需求，分成基础型和距离强化型两类进行设计。基础性射频模块架构与传感节点射频部分类似，以CYRF6936及其外围电路作为核心。距离强化型射频模块由射频芯片CYRF6936和2.4G射频前端芯片CC2591 [9]构成。CC2591是一种成本廉价性能良好的低功率、小封装、2.4GHz无线RF前端芯片，外围器件少，片内集成功率放大器PA、低噪放大器LNA、RF匹配网络、转换开关、不平衡变压器等。设计原理图如图3所示。

图3 强化型射频模块设计原理图

CYRF6936外围电路同传感节点部分，CYRF6936的RFP、RF_N脚分别接CC2591的RF_P、RF_N脚充当射频信号输入/输出通道；CYRF6936的PACTL脚连接CC2591的RXTX脚，作为发射/接收转换开关。CYRF6936的XOUT脚作为GPIO口使用连接CC2591的HGM口，单片机通过CYRF6936间接实现对CC2591的工作模式控制；CC2591的PAEN/EN脚可实现CC2591使能状态的有效控制。另外，CC2591的AVDD_BIAS /AVDD_PA1 /AVDD_PA2 /AVDD_LNA分别经过相应滤波电容接3.3V电压。

设计射频板时，须严格按基板插槽布局，两插槽相距1020mil，插槽JP1的1—8脚分别为GND/+5V/RFRST/IRQ/SS/MOSI/MISO/SCK。JP2中1—8脚是7个接地另一个连接单片机的I/O口。

图4 无线传感器网络跨层模型

3 无线传感器网络系统协议研究模型

协议模型的建立对无线传感器网络协议的研究意义重大，论文在系统方案的基础上采用跨层设计原理，对协议研究模型进行设计。

无线传感器网络是一类节点计算能力、存储空间、电源资源受限的网络，而且针对这些特点的考虑必须要贯穿于整个层次结构。因此，它的结构是一个多维结构，而不是一个线性结构[6]。功率控制、系统状态、事件发现、信道监测、定时等功能在硬件和通信栈的各个层次上都需要相应的处理，因此需要为相应的功能提供跨层的控制接口。无线传感器网络跨层模型如图4所示。

4 小结

本文首先对WirelessUSB技术理论概述，全面叙述WirelessUSB N:1无线传感器网络方案，分析得出WirelessUSB N:1无线传感器网络是一个星状简单网络，存在覆盖范围小等问题，有必要对基于WirelessUSB传输技术进行重新设计。基于WirelessUSB传输技术，论文针对数据收集应用提出了无线传感器网络系统硬件实现方案，并设计实现了WUSB系列节点。为提供实践依据，论文对无线传感器网络系统模型进行构建，并绘制大量图例来清晰表述相关知识理论探究，方便未来探究工作。

[1]崔莉,鞠海玲,苗勇等．无线传感器网络研究进展[J]．计算机研究与发展,2005,42(1):163-174．

[2]21世纪的思考[J]．商业周刊,1999,30(08):78-167．

[3]D．Koller．十大新兴技术将改变世界[J]．技术,2003,106(01):33-49．

[4]周伟．基于分簇的无线传感器网络关键技术研究[D]．上海:上海大学,2011:1-3．

[5]高峰,孙饶．控制网与信息网互联的研究[S]．控制工程:哈尔滨工程大学,2002:38(4):155-159．

[6]张龙妹,史浩山,杨俊刚,陆伟．一种适用于WMSNs的多信道快速数据收集算法[J]．西北工业大学学报,2011,29(3):380-384．

耿新元【通讯作者】（1993—），山东济南人，硕士研究生在读，现就读于武警工程大学，主要研究方向：光通信技术。