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嵌入式技術  

建構基於嵌入式網路的無線感測器網路平台軟硬體

上網時間: 2004年11月01日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:無線感測器網路  嵌入式系統  ARM處理器  自給供電  感測器節點 

隨著技術的發展,基於分散式、無線感測器網路的應用也越來越多。本文提出了一個基於嵌入式系統的無線感測器網路實驗平台,該實驗平台在無線感測器網路的演算法和協議驗證方面具有良好的應用前景圖1 無線感測器網路系統架構。

積體電路、微機電系統以及通訊理論的發展促使了無線感測器網路的出現。這種無線感測器網路是由很多自給供電感測器節點組成的。每個感測器節點都可以進行周圍環境數據的採集、簡單運算以及與其它節點及外界進行通訊。感測器網路的多節點特性使得眾多的感測器可以透過協同工作進行高品質的感測,以及組成一個容錯性好的的採集系統。正是由於這些優點,近年來出現了許多基於分佈式的無線感測器網路應用,如搶險救災、智慧家居以及生物化學武器攻擊的探測和救援。

然而,作為一種新興出現的技術,設立一個運轉良好、強韌性好的無線感測器網路還是面臨著許多挑戰。而且由於它的一些獨特特性,無線感測器網路的設計方法與現有無線網路的設計方法有很大不同。例如,由於感測器網路中的感測器節點分佈密集,所以需要大範圍的數據管理和處理技術。其次,無線感測器網路節點一般部署在人類難以到達和接觸的區域,這就使感測器網路節點的維護面臨著很大的挑戰。除此之外,電源消耗也是一個很重要的問題,無線感測器節點作為微小元件,只能配備有限的電源,在有些應用場合下,更換電源是近乎不可能的。這使得感測器節點的壽命在很大程度上依賴於電池的壽命,所以降低功耗以延長系統的壽命是無線感測器網路設計需要首要考慮的問題。許多無線感測器網路方面的研究人員都在注重研究新的節約功耗的協議和演算法,這些協議和演算法需要感測器網路平台進行實驗和驗證。在本文中,我們就將介紹一種對協議和演算法進行實驗和驗證的無線感測器網路平台。

無線感測器網路平台架構

一般來說,一個無線感測器網路包括感測器節點以及感測器網路網路閘道節點,如圖1所示。網路閘道節點用於組合從各個感測器節點得到的數據以及負責與外界的通訊,該節點基於嵌入式系統。圖2:感測器節點結構圖。

感測器節點首先採集諸如聲、光和距離等環境相關的數據,並對這些數據進行簡單處理後傳送到網路閘道節點。無線感測器網路通常具有兩種應用模式:主動輪詢模式、被動模式。主動模式要求網路閘道節點對各個感測器節點進行主動的輪詢以獲得消息,而被動模式則要求在某個感測器節點事件產生時,網路閘道節點能作出及時的響應。各個感測器節點得到的數據還能進行組合,這也很大地提高了感測器網路的效率。當然這也要求感測器節點要具有一定的運算能力。

系統硬體實現

在本文介紹的系統架構中,主要需要實現的是感測器節點和網路閘道的硬體平台,下面介紹這兩個平台的硬體實現。

1. 感測器節點的硬體實現

感測器節點的功能是採集人們感興趣的數據,並將數據發送給各個感測器節點組的網路閘道。感測器節點主要由電源模組、運算模組、儲存單元、通訊模組和感測單元組成,如圖2所示。

感測器節點的運算單元的功能已經在上節中介紹過,在我們的系統中採用了TI公司的16位元微控制器MSP430F149。MSP430具有豐富的晶片上儲存資源,在5MHz的工作頻率下,MSP430的功耗大約為1.5mW,而且該微控制器還有多種省電模式可供選擇。除了豐富的晶片上儲存資源和多種省電模式以外,MSP430還具有多個AD介面和I/O數據線,使之很容易用軟體編程,這些介面還可以作為與感測單元的介面。

感測器節點的通訊模組的功能是由nRF903射頻收發器來實現。該收發器所具有的低功耗和小尺寸使之非常適合用於無線感測器網路系統中,該收發器可以工作在433MHz、868MHz、915MHz等公共頻段中。射頻模組透過串列埠與MSP430通訊。nRF903還可以根據輸入電流來決定傳輸功率,這一特性使之具有以下優點:

a. 可以使一個節點自動調整通訊的相鄰節點的個數,因而使得整個網路的規模可調。


b. 可以使一個節點在與相對較近的節點通訊時,使用較少的能量。


c. 可以被輔助用來進行無線訊息通道的衝突檢測。圖3:網路閘道的硬體結構圖。


d. 可以用來確定一個節點在網路中的相對位置。

每個感測器節點採用AA電池供電。

2. 網路閘道的硬體實現

網路閘道的硬體部份主要由中央處理單元、儲存單元、射頻收發模組和GPRS通訊模組組成,如圖3所示。

網路閘道的中央處理單元主要用來處理從感測器節點採集到的數據以及完成一些控制功能。中央處理單元的主要元件是Atmel公司的AT91RM9200微處理器,AT91RM9200是基於ARM920T指令集的ARM處理器。該處理器具有豐富的週邊設備以及介面,這使得它在低成本、低功耗的條件下能完成一些功能豐富的應用。AT91RM9200處理器整合了許多週邊設備介面,包括USB2.0介面和乙太網路介面。此外,該處理器還提供了多個符合產業標準的通訊介面,包括音訊、電信、快閃記憶體卡、紅外線、智慧卡介面等。

為了將採集到的數據傳輸到網際網路上,網路閘道設備還配有GPRS通訊單元,GPRS通訊單元主要是由Sony-Ericsson公司的GM47模組組成,該模組透過現成的GPRS網路將感測器採集到的數據傳輸的網際網路上,用戶可以透過普通PC和GPRS手機終端來觀測感測器採集到的數據。網路閘道同時還配有與感測器節點相同的RF收發模組,用於接受感測器節點發送的數據。

系統的軟體結構

在我們的無線感測器網路系統中,軟體部份主要是在網路閘道和感測器節點上。網路閘道端的軟體主要完成的功能是處理和管理感測器節點傳輸過來的數據,它主要由GPRS通訊軟體、RF通訊軟體、命令行軟體以及任務管理軟體組成,如圖4所示。

考慮到各種需求,我們採用開放原始碼的作業系統-Linux。Linux是一個網路化的作業系統環境,特別適用於網路應用。Linux具有完整的TCP/IP協議堆疊,同時支援其它多種網路協定,如PPP協議堆疊,使其很容易實現GPRS撥號的功能。由於Linux的開放原始碼特性,用戶很容易在其基礎上開發自己的應用程式。圖4:網路閘道的軟體結構。

感測器節點上的軟體主要利用匯編和C語言開發,主要完成的功能是接受感測單元的數據,並將數據發送到感測器節點組的網路閘道上。

本文小結

本文介紹了一個用於嵌入式系統的無線感測器網路展示系統,整個系統設立在嵌入式Linux和ARM處理器的基礎上,具有低功耗,軟體易開發等優點。

隨著社會和科學技術的日益發展,無線感測器網路將得到日益廣泛的應用。目前無線感測器網路在能源、節點規模方面還有不足,隨著這些問題的解決,無線感測器網路在環境監測、智慧建築以及軍事等領域必然會得到越來與廣泛的應用。

作者:周波


Email: bzhou3@mail.ustc.edu.cn


中國科學技術大學精密機械與儀器系





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