無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由散布在工作區(qū)域中大量的體積小、成本低、具有無線通信、傳感和數(shù)據(jù)處理能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的。每個節(jié)點(diǎn)可能具有不同的感知形態(tài)，例如聲納、震動波、紅外線等，節(jié)點(diǎn)卻可以完成對目標(biāo)信息的采集、傳輸、決策制定與實(shí)施，實(shí)現(xiàn)區(qū)域監(jiān)控、目標(biāo)跟蹤、定位和預(yù)測等任務(wù)。每一個節(jié)點(diǎn)都具有存儲、處理、傳輸數(shù)據(jù)的能力。通過無線網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)之間可以相互交換信息，也可以把信息傳送到遠(yuǎn)程端。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通訊體系結(jié)構(gòu)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)需要自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，相對于一般意義上的自組織網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)有以下一些特點(diǎn)，需要在體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計中特殊考慮。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多，這就對傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性提出了要求，由于傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)目多、開銷大，傳感器網(wǎng)絡(luò)通常不具備全球唯一的地址標(biāo)識，這使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層相對于一般網(wǎng)絡(luò)而言有很大的簡化。
自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)最大的特點(diǎn)就是能量受限，傳感器節(jié)點(diǎn)受環(huán)境的限制，通常由電量有限且不可更換的電池供電，所以在考慮傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)以及各層協(xié)議設(shè)計時，節(jié)能是設(shè)計的主要考慮目標(biāo)之一。
由于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的環(huán)境的特殊性，無線信號不穩(wěn)定以及能源受限的特點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)受損的概率遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，因此自組織網(wǎng)絡(luò)的健壯性保障是必須的，以保證部分傳感器網(wǎng)絡(luò)的損壞不會影響全局任務(wù)的進(jìn)行。
傳感器節(jié)點(diǎn)高密度部署，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快。對于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的維護(hù)也提出了挑戰(zhàn)。
根據(jù)以上特性分析，傳感器網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)用戶對網(wǎng)絡(luò)的需求設(shè)計適應(yīng)自身特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法的標(biāo)準(zhǔn)化提供統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，使其能夠滿足用戶的需求。無線傳感執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，即橫向的通信協(xié)議層和縱向的傳感器網(wǎng)絡(luò)管理面。通信協(xié)議層可以劃分為物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。而網(wǎng)絡(luò)管理面則可以劃分為能耗管理面、移動性管理面以及任務(wù)管理面，管理面的存在主要是用于協(xié)調(diào)不同層次的功能以求在能耗管理、移動性管理和任務(wù)管理方面獲得綜合考慮的最優(yōu)設(shè)計。
圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通訊體系與結(jié)構(gòu)
基于CC2510的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信技術(shù)自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。從小體積、低功耗和高可靠性節(jié)點(diǎn)設(shè)計和自組織協(xié)議的角度,基于CC2510的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)能方便地實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)自組織和數(shù)據(jù)多點(diǎn)跳傳的無線通訊協(xié)議。
Chipcon公司的CC2510芯片是一塊內(nèi)嵌8051單片機(jī)的單片可編程UHF收發(fā)器芯片。該芯片除了以8051技術(shù)為核心外,還內(nèi)嵌32kB的Flash存儲器、4kB的SRAM,以及8通道8-14bitA/D轉(zhuǎn)換器、1個16位定時器和3個8位定時器、2個UART/SPI、RTC、看門狗電路、DES編碼和21個通用I/O。芯片的高度集成結(jié)構(gòu)使其具有高速度、高靈敏度性、低功耗、低成本、集成單片機(jī)和位判決、同步、頻率靈活性等特點(diǎn)。
以往的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計是將數(shù)據(jù)處理控制模塊和通信模塊分開,至少使用兩塊芯片。CC2510芯片使原有的數(shù)據(jù)處理控制和通信兩大模塊的設(shè)計只需要1塊6mmx6mm芯片就可以完成,減少了整個系統(tǒng)體積,降低了成本。而且無線收發(fā)電路和8051單片機(jī)系統(tǒng)有機(jī)地整合在同一晶片上,最大限度地減少了單片機(jī)數(shù)字電路對高頻模擬電路的干擾,提高了可靠性。圖2為應(yīng)用CC2510芯片的節(jié)點(diǎn)設(shè)計框架。
圖2 基于CC2510芯片的節(jié)點(diǎn)設(shè)計框架
該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由一個基站和若干個無線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,文中以6個傳感器節(jié)點(diǎn)為例。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)中轉(zhuǎn)其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包和采集、處理、壓縮數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。基站節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)發(fā)出控制命令和接收各個傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)回的數(shù)據(jù),并通過RS232接口把數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)。PC機(jī)對各個數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理。網(wǎng)絡(luò)組成如圖3所示。
