1、引言 無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取和處理技術，在現實生活中得到了越來越廣泛的應用。隨著通信技術、嵌入式技術、傳感器技術的發(fā)展，傳感器正逐漸向智能化、微型化、無線網絡化發(fā)展。目前，國內外主要研究無線傳感器網絡節(jié)點的低功耗硬件平臺設計拓撲控制和網絡協議、定位技術等。這個設計以檢測超聲波強度的傳感器為例，實現了一個無線傳感器網絡，根據傳感器所檢測的超聲波強弱來決定開啟或關閉車位指示燈，從而判斷是否有車輛進入檢測區(qū)域。這種傳感器網絡綜合了嵌入式技術、傳感器技術、短程無線通信技術，有著廣泛的應用。該系統不需要對現場結構進行改動，不需要原先任何固定網絡的支持，能夠快速布置，方便調整，并且具有很好的可維護性和拓展性。 2 IEEE 802.15.4標準 IEEE 802.15.4標準適用于低速率、低功耗、低復雜度和短距離數據傳輸的無線個域網（WPAN）。在網絡內的無線傳輸過程中，采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問機制（CSMA／CA），支持超幀結構和時槽保障機制（GTS）。網絡拓撲結構可以是星型網或點對點的對等網。該標準定義了3種數據傳輸頻率，分別為868MHz、915MHz、2.4GHz。前兩種傳輸頻率采取BPSK的調制方式，后一種采取0-0PSK的調制方式。各種頻率分別支持20 kbit／s，40kbit／s和 250 kbit／s的無線數據傳輸速率，傳輸距離在0m～70m之間。本文中采用的是頻率為2.4GHz的無線發(fā)射模塊。 3 無線傳感器網絡的實現 3.1 網絡平臺組建 無線傳感器網絡平臺由超聲波傳感器模塊、微處理器模塊、無線發(fā)射模塊三個部分組成，如圖1所示。微處理器模塊和無線發(fā)射模塊集成在一塊板子上，而超聲波傳感器模塊通過接口與微處理器相連，這樣可以通過更換不同的傳感器模塊來應用于各種場合。 3.1.1 超聲波傳感器模塊 由于超聲波指向性強，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求。為了使汽車能自動避障行走，就必須裝備測距系統，以使其及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。本文所介紹的三方向（前、左、右）超聲波測距系統，就是為后臺工作人員了解其前方、左側和右側的環(huán)境而提供一個運動距離信息。 [align=center] 圖1 無線傳感器網絡節(jié)點結構[/align] [align=center] 圖2 無線傳感器網絡節(jié)點通信拓撲結構[/align] SL-SRF-25超聲波傳感器，接上電源，可以單獨作為超聲波測距使用，由3位LED數碼管顯示障礙物距離，3位LED數碼管采用積木式插裝方式，便于調試檢查及使用在不同場合。測量范圍10cm-250cm，測距小于100cm時，誤差是1～2cm.，大于100cm時，誤差是4～5cm。SL- SRF-25超聲波傳感器，還可以指定從單片機I/O端口上輸出分段距離檢測信號。 3.1.2 微處理器模塊 處理器模塊選擇美國加州伯克利大學的 Mica2 模型節(jié)點。節(jié)點板上提供如下功能：433MHz 中心頻率的無線通信接口，通過編程可以定制多種功能：能夠提供-20db～10db 多種通信功率；能夠在曼徹斯特編碼方式下提供從 0.3kbps～ 38.4kbps 多種傳輸速率；能夠在 433M 附近設置多種通信頻率，頻率間隔為 76k。它高速和大容量RAM的特性，為處理數據包提供了便利。 3.1.3 無線發(fā)射模塊 無線發(fā)射模塊采用桑銳電子科技公司的SRWF-501型微功率無線模塊射頻收發(fā)器。該芯片只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。該收發(fā)器提供 3 個串口 3 種接口方式，COM1 為 TTL 電平 UART 接口，COM2 為標準的 RS-232 接口標準的 RS-485 接口；晶體穩(wěn)頻，內置數字鎖相環(huán)，頻點根據用戶需要在 300—1000MHz 范圍內可以靈活設置；自動過濾噪聲，簡化了用戶接口的編程，做到與有線一樣方 便；“收”“發(fā)” 自動切換，無需專用的收發(fā)控制線，不發(fā)數據時為常態(tài) “收”狀態(tài)；發(fā)數據時自動轉換為“發(fā)”狀態(tài)，“發(fā)”完后自動回到“收”；微發(fā)射功率 ： 最大發(fā)射功率 10mW。SRWF-501的選擇性和敏感性指數超過了IEEE802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。 3.2 系統軟件平臺 選擇美國加州伯克利大學開發(fā)的TinyOS 系統開發(fā)環(huán)境。TinyDB 是 TinyOS 的查詢處理系統，它能夠從無線網絡中的sensor 節(jié)點上提取數據和信息。TinyOS 為 TinyDB 提供了一個可視化的 JAVA API 窗口，可以進行實時查詢。 3.3 組網類型 在本文中，無線傳感器網絡采取星型拓撲結構（如圖2），由一個網絡協調器作為中心節(jié)點，可以跟任何一個普通節(jié)點通信。普通節(jié)點上含有超聲波傳感器對周圍環(huán)境中的超聲波信號強度參數進行測量、采樣，將采集到的數據發(fā)往中心節(jié)點，并且可以對中心節(jié)點發(fā)來的數據、命令進行分析處理，完成相應的操作。若兩個普通節(jié)點之間要傳送數據則必須經過中心節(jié)點，由中心節(jié)點把數據傳送到相應的節(jié)點上。 3.4 組網流程 無線傳感器網絡是一個自組織的網絡，如果一個全功能節(jié)點被激活，它就可能建立一個網絡并把自己設為網絡協調器，其它的普通節(jié)點可以申請加入該網絡。這樣就可以建成一個具有星型拓撲結構的無線傳感器網絡。本文中的無線傳感器網絡支持超幀結構，網絡協調器經過能量掃描、主動信道掃描后，按照設定的參數周期性的發(fā)送信標幀。普通節(jié)點首先經過能量掃描和被動信道掃描后，獲取信標幀中包含網絡特征的參數，如信標序號、超幀序號和網絡標號等。通過同步請求與網絡協調器同步，再通過匹配請求與網絡協調器關聯。在與網絡協調器關聯的過程中，網絡協調器為每個請求關聯的普通節(jié)點分配16位的短地址。這樣在以后的數據傳送中就可以用短地址進行通信，提高通信效率、降低發(fā)射中的能量消耗，從而延長網絡的使用壽命。 3.5 數據傳輸機制 3.5.1 數據格式 在IEEE 802.15.4標準中定義了四種幀，分別是信標幀、數據幀、命令幀、確認幀。 （1） 信標幀：用以網絡協調器在支持超幀結構的第一個時槽向其臨近節(jié)點廣播信標，當附近的節(jié)點接受到信標幀后就可以申請加入該網絡。 由于本文中的無線傳感器網絡系統采用相對簡單的星型拓撲結構，在信標幀的結構上與IEEE802.15.4標準有所不同：在信標幀的地址域中僅包含源節(jié)點的網絡標號和短地址，不包含目的節(jié)點信息（因為采用廣播方式發(fā)送）。 （2） 數據幀：用來傳送含有超聲波度信息的數據。 在地址域中包含源節(jié)點和目的節(jié)點的網絡標號和短地址。由于數據幀的傳送方向有兩種：從普通節(jié)點傳向中心節(jié)點和從中心節(jié)點發(fā)送給普通節(jié)點。 （3） 命令幀：用于組建無線傳感器網絡、傳輸同步數據等。命令幀在格式上和其它類型的幀沒有太多的區(qū)別。 （4） 確認幀：用以確認目標節(jié)點成功接收到數據幀或命令幀。當目標節(jié)點成功接收到數據幀或命令幀后，就發(fā)送一個確認幀給發(fā)送方。發(fā)送方接收到這個確認幀說明發(fā)送成功。若在規(guī)定的時間內沒有接收到確認幀，則重發(fā)該數據幀或命令幀。 在幀控制域中定義了幀的類型為確認幀。確認幀的序列號要與被確認幀相同，并且負載長度為零。確認幀緊接著被確認幀發(fā)送，不需要使用CSMA-CA機制競爭信道。 3.5.2 傳輸流程 在整個無線傳感器網絡中，采取的是普通節(jié)點定時讀取其傳感器上的超聲波數據，并將超聲波數據發(fā)送給中心節(jié)點。中心節(jié)點對接受到的數據進行處理后傳送給相應的節(jié)點用以控制其上的車位置位標志。首先，網絡協調器對接收到的數據幀進行檢驗，圖2中的中心節(jié)點判斷是判斷是否為指定節(jié)點的傳感器數據。若接收的數據是指定節(jié)點上的數據，則將該數據與一個超聲波度閾值進行比較來設定控制變量（用來控制車位的開關狀態(tài)）。反之，則不進行發(fā)送操作。然后，判斷帶有空閑的節(jié)點是否加入網絡。若在網絡中找到帶有空閑的節(jié)點，則中心節(jié)點將控制變量作為數據幀負載發(fā)送給它。反之，則不發(fā)送帶有控制變量的數據幀。 結束語 在我們設計的無線傳感器網絡車位控制系統中，普通節(jié)點將它采集的超聲波數據發(fā)送給網絡協調器，網絡協調器將含有控制變量的數據幀發(fā)送給帶有車位占空標志接點的同時，還可以通過串口將超聲波度數據傳送給計算機。通過計算機上的后臺軟件，可以監(jiān)控超聲波度信號的變化。從超聲波傳感器可以判斷車位的占用情況。 本文從無線傳輸協議的制定、傳輸過程控制等幾個方面對設計實現無線傳感器網絡進行了論述。在實際運用中，只要對具體的傳感器進行更換，就可以適用于各種各樣的傳感器網絡。由于無線傳感器系統組網靈活，采用模塊化的設計，故具有很好的移植性和擴展性，隨著人們生活水平的提高，此系統在未來交通監(jiān)控領域有著廣闊的應用前景。在未來交通監(jiān)控領域、智能家電、家庭環(huán)境的智能調節(jié)上有著廣闊的前景。