基於IEEE802.15.4的無線感測器網路的設計

    基於IEEE802.15.4的無線感測器網路由於廉價、簡單、低功耗、低數據傳輸速率（250Kbit/s）以及工作在免申請的ISM（工業、科學和醫療）頻段的特點，將在自動控制、環境監測等領域得到廣泛應用，在對無線感測器網路深入研究的基礎上，我們選用了Helicomm公司新推出的IP-link1200模塊搭建了一個驗證系統，實現了對目標點溫度指標與濕度指標的實時監測控制功能。

1 驗證系統總體方案設計
    無線感測器網路採用大量具有多功能多信息信號獲取能力的感測器，利用自組織無線接入網路與感測器控制器連接，構成無線感測器網路，典型的網路結構如圖1所示。
 
    無線感測器節點經多跳轉發，通過網關接入網路，在網路的任務管理節點對感測器信息進行管理、分類、處理，再把感測器信息送給終端用戶。
    與傳統Ad hoc網路相比，無線感測器網路具有一些明顯特徵：

1. 以數據為中心，以無連接方式傳輸數據；
2. 網路的拓撲結構變化不大，主要是舊節點的離開和新節點的加入；
3. 網路結點密度高，感測器節點數量眾多，單位面積擁有的節點數遠遠大於傳統的Ad hoc網路；
4. 感測器節點由電池供電，節點能量有限；
5. 網路還應該具有容錯能力。

    對於無線感測器網路協議，IEEE802.15.4滿足OSI-RM（開放系統互連參考模型）標準，定義了MAC（媒體接入控制）層和PHY（物理）層協議。Zigbee是全球許多家公司組成的一個產業聯盟，它定義了一組基於IEEE802.15.4的有關組網、安全和應用軟體方面的技術標準，我們搭建的系統符合Zigbee聯盟的規定，而Zigbee的MAC層、物理層則符合IEEE802.15.4協議，由於該標準是開放的，基於該標準的產品不必支持專利費，有利於加快無線感測器網路領域的產業進程。
    對於該無線感測器網路驗證系統的具體實現，可以由多種方案，有移動網、衛星以及Internet等多種手段，此外還可以建立專網傳輸數據至管理中心、終端用戶。
    針對本實驗驗證系統的實際應用是農業監測控制，所以要考慮它的實際情況：一是建設的周期、資金；二是網路的覆蓋範圍；三是終端用戶獲取數據信息的便利性，根據這3個要素，選擇GSM（全球移動通信系統）網路較符合系統要求。
    如圖2所示，無線感測器網路驗證系統主要由數據採集和傳輸網路（本地網路）、GSM網路、管理中心、用戶終端4部分組成，其中，用戶終端就是普通的手機，它和GSM網路都是非常成熟的穩定的平台，因此驗證的主要研究工作在管理中心和本地網路的設計實現以及如何接入GSM網路。
 
    管理中心的硬體由一台PC機和數個GSM模塊組成，考慮到網路阻塞問題，管理中心採用多個GSM模塊，軟體部分由任務管理軟體和資料庫組成，系統支持Internet網路發布功能，實現數據共享。
    本地網路由一個兼做接收器的目的節點負責本地網路的協調，並將採集的數據簡單處理后發給GSM網路的管理中心，一個本地網路中最多只能有255個感測器節點，如果要安放更多的節點，可以通過增加本地忘了網路的數目而達到目的。
    實驗驗證系統實現的功能如下：用戶只需用普通的GSM手機向管理中心指定的號碼按照規定格式發送節點號、時間等數據請求信息，就會收到相應節點在該時間點上對應的溫濕度信息，例如，請求信息N112T05/09/01/20：30：00，表示節點號為112在2005年9月1日20時30分；返回信息為N112T05/09/01/20：30：00/W25S56表示112號節點在那一時刻的溫度是25攝氏度，相對濕度為65%，另外，在部分節點還加上了控制裝置，同樣，用戶也只需發簡訊，就能完成控制操作，還提供了Internet上的資料庫查詢服務，以便為用戶提供更多的信息。
    感測器採集數據的方式可以是定時採集，也可以是按用戶要求採集，數據的時間間隔、感測器的節能等功能可以在管理中心進行設定，採集到的數據存放到管理中心的資料庫中，供顯示、報表列印使用，併發布到Internet上以利於各種用戶共享數據。

2 系統硬體設計和實現
2.1 本地網路
    我們把在本地網路中的節點分為以下3種類型：

1. 目的節點（接收器）：主要功能是匯總本地網路的數據，並將它通過GSM網路傳送給管理中心和用戶終端；
2. 中繼節點：不但有數據採集、而且還具有控制功能（比如控制各種電機動作）；
3. 源（普通）節點：具有實時採集溫度、濕度兩項指標的功能。

    目的接點如圖3所示，由IP-Link1200通信模塊、溫度感測器、濕度感測器、GSM模塊、單片機AT89C51，串口擴展晶元SP2328、輔助介面電路以及電源模塊組成。 
 
    IP-Link1200通信模塊是由Helicomm公司開發的一款基於Zigbee標準的集成無線網路模塊，它支持多種組網方式（星形網路、簇樹形網路、對等網路以及混合型網路），有1個UART（通用非同步收發器）口、2個可用的ADC（模/數轉換）口。
    溫度感測器和濕度感測器（HM150LF）分別連接到ADC0、ADC1口。
    GSM模塊選用WAVECOM公司生產的Q2403A，它支持900MHz和1800MHz兩個頻段，介面為RS232C，通過AT指令控制，符合GSM07.07命令集。RS-232介面經過電平轉換，接入到串口擴展晶元SP2328。   
    單片機AT89C51是主節點控制的核心部分，它通過串口擴展晶元SP2328擴展了3個串口UART0、UART1、UART2、分別與GSM模塊、IP-Link1200模塊以及控制電路相連，控制電路部分，其實只是一個介面轉換電路，它把UART2口傳送過來的數據送到標準RS-232串口與各種不同類型的控制器相連，控制信號的數據解碼任務由AT89C51完成。
    目的節點除去GSM部分的功能，就成為中繼節點。而普通節點具有溫濕度數據採集和網路通信功能，由IP-Link1200模塊、感測器和電源3部分組成，值得強調的是普通節點必須為配置結點參數留有一個UART介面。

2.2 管理中心
    在管理中心的一台PC機通過它的3個RS-232介面與相應的3個Q2403A模塊相連，多個GSM模塊的運用可以避免網路忙時造成阻塞。

3 軟體流程和實現
3.1 本地網路的軟體
    軟體部分由節點程序和遠程管理中心程序兩部分組成。
    節點程序主要流程圖如圖4所示。
 
    設備初始化成功后對通道進行掃描，這裡加入了節能考慮，查詢次數大於M時，設備自動轉入休眠計時狀態，休眠時間大於Tmax后，又返回掃描狀態。
    節點程序的物理層、MAC層和網路層部分運行於IP-Link1200通信模塊中，而應用層的程序則運行在AT89C51中，主要功能是通過控制3個UART口完成溫濕度數據採集、與GSM網路的通信和對控制器的操作，它的一般幀結構如圖5所示。
 
3.2 管理中心
    在位於遠程的管理中心，運行於PC上的管理軟體用Visual C++6.0開發，支持資料庫查詢，該資料庫由微軟的Access 2002創建，當需要查詢某一本地網路中某個節點的溫濕度指標時，僅輸入對應的節點號即可，界面如圖6所示，這時可以看到相應節點的溫濕度參數以及數據採集時間，界面如圖7所示，通常，在不進行手動採集時，設定一定的採集時間間隔，系統會自動採集並存儲數據。
 

4 結束語
    本文介紹了用IP-Link1200模塊組建無線感測器的網路的驗證系統，實現了實時的監控功能，可以相信，不久的將來，由於協議的開放性和Zigbee聯盟的大力推動，基於IEEE802.15.4的無線感測器網路將在樓宇自控、環境監測、PC外設等許多低速數據傳輸場合得到廣泛應用，並迅速形成產品。