無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks,WSN）是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域。傳感器技術(shù)、微機電系統(tǒng)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無線通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動了現(xiàn)代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展。電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanism System, MEMS）、片上系統(tǒng)（SOC, System on Chip）、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，孕育出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks, WSN），并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠獲取客觀物理信息，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，能應(yīng)用于軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境檢測、搶險救災(zāi)、危險區(qū)域遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給監(jiān)控終端。本文根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有成本低、能耗小、組網(wǎng)靈活、系統(tǒng)抗毀性強等多方面優(yōu)勢，完成了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控預(yù)警終端原理樣機的設(shè)計和實現(xiàn)，滿足在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中環(huán)境監(jiān)測、監(jiān)控預(yù)警、應(yīng)急管理、人員定位與導(dǎo)航等的需求。

　　1 手持終端系統(tǒng)組成

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端由主控制器、ZigBee無線傳輸模塊、傳感器模塊組成。其中，主控制器負(fù)責(zé)處理來自ZigBee無線傳輸模塊的數(shù)據(jù)，并根據(jù)情況做出相應(yīng)的判斷；ZigBee無線傳輸模塊負(fù)責(zé)接收來自傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與主控制器的通信；傳感器模塊負(fù)責(zé)采集環(huán)境內(nèi)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的分析和處理。

　　系統(tǒng)主控制器采用ARM11架構(gòu)的32位嵌入式RISC處理器S3C6410.ZigBee無線傳輸模塊采用集信號采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信于一體的CC2430芯片，CC2430集成符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz的RF無線電收發(fā)機，具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性，有數(shù)字化的RSSI/LQI支持和強大的DMA功能，集成14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的A/D轉(zhuǎn)換器；帶有2個強大的支持幾組協(xié)議的USART,1個符合IEEE 802.15.4規(guī)范的MAC計時器，1個常規(guī)的16位計時器和2個8位計時器。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

　　本系統(tǒng)中，傳感器的功能是分別采集環(huán)境中的溫度信息、濕度信息、亮度信息和人體紅外感應(yīng)信息，并加以處理，通過無線通信方式將數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)手持終端。終端通過查詢傳感器發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并做出判斷，結(jié)合實際情況采取相應(yīng)的措施。無線傳輸節(jié)點通過采集手持終端的接收信號強度指示，對終端進(jìn)行定位。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)手持終端主要由基于ARM11架構(gòu)的三星S3C641O處理器和基于無線傳輸?shù)腃C2430芯片組成。

　　2.1 無線傳輸模塊硬件設(shè)計

　　ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。

　　ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz（流行）、868MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國流行）3個頻段上，分別具有250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi)，但可以繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee具有如下特點：

　?。?） 低功耗： 由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達(dá)6個月到2年左右的使用時間，這是其它無線設(shè)備望塵莫及的。   （2） 成本低： ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.5-2.5美元， 并且ZigBee協(xié)議是的。低成本對于ZigBee也是一個關(guān)鍵的因素。

　?。?） 時延短： 通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設(shè)備時延30ms,休眠激活的時延是15ms, 活動設(shè)備信道接入的時延為15ms.因此ZigBee技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場合等）應(yīng)用。

　?。?） 網(wǎng)絡(luò)容量大： 一個星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備， 一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)， 而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。

　?。?） 可靠： 采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式， 每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā)。

　?。?） 安全： ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和， 采用了AES-128的加密算法，各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

　　無線傳輸模塊采用具有數(shù)據(jù)采集、無線通信和信息處理的單片機射頻芯片CC2430.由于CC2430的集成度高，所以只需要極少的外圍元器件，其內(nèi)部使用1.8 V的工作電壓，外部數(shù)字I/O使用的3.3 V的電壓，通過片上集成的自流穩(wěn)壓器，把3.3 V電壓轉(zhuǎn)換為1.8 V電壓。該模塊主要包括3.3 V和1.8 V電源濾波電路、晶振電路、偏置電路、巴倫電路、射頻阻抗匹配電路和復(fù)位電路，無線傳輸模塊硬件電路圖如圖2所示。

　　1）晶振電路：CC2430工作需要2個時鐘晶振，個為32 MHz,為無線收發(fā)提供時鐘；第二個為32.768 kHz,為系統(tǒng)睡眠喚醒提供時鐘。C191和C211為32 MHz的負(fù)載電容，電容值取決于負(fù)載電容的大小，CL=1/（1/C191+1/C211）+Cf,其中CL典型值為16 pF,Cf為2~5 pF,保證晶體振蕩器產(chǎn)生的頻率準(zhǔn)確和穩(wěn)定。C191和C211的典型值為27 pF.

　　2）R221和R261為偏置電阻，電阻R221主要用來為32 MHz晶振提供一個合適的電流。

　　3）電壓調(diào)節(jié)器為1.8 V電壓的引腳和內(nèi)部電源供電，電容C241和C421是去耦電容，用來實現(xiàn)電源濾波，以提高芯片工作的穩(wěn)定性。

　　4）復(fù)位電路由限流電阻R101、濾波電容C101和按鍵組成，實現(xiàn)低電平復(fù)位。

　　5）射頻阻抗匹配電路：CC2430可以使用不同類型的天線，本設(shè)計中使用一種非平衡天線，連接非平衡變壓器可使天線性能更好。電路中的非平衡變壓器由L321、L3 31、L341、C341和PCB微波傳輸線組成，L321和L341匹配RF輸入/輸出50 Ω阻抗匹配，L321和L331同時提供功率放大器和低噪聲放大器的直流偏置。L321為8.2 nH,L331為22 nH,L341為1.8 nH,C341為5.6 pF.

　　CC2430發(fā)送數(shù)據(jù)時，信號從差分射頻端口RF_P、RF_N經(jīng)巴倫電路變?yōu)閱味诵盘?，由RXTX_SWITCH信號控制2個邏輯開關(guān)，選通功率放大電路（PA），放大后的信號從天線發(fā)射出去。接收信號時，在RXTX_SWITCH信號控制下，從天線接收的信號經(jīng)低噪聲放大電路（LNA）放大，經(jīng)巴倫電路轉(zhuǎn)換，由RF_P、RF_N端口接收。

　　2.2 手持終端硬件設(shè)計

　　手持終端主要由處理器系統(tǒng)、無線傳輸模塊、電源管理系統(tǒng)和輸入輸出系統(tǒng)4部分組成。處理器系統(tǒng)由處理器（S3C6410）、SDR-AM（K4X51163PC-LGC3）和Flash（K9F2G08XOA）組成。電源管理系統(tǒng)為系統(tǒng)和外設(shè)電路提供相應(yīng)電源控制和管理。輸入輸出系統(tǒng)為用戶提供接口、語音系統(tǒng)、圖形界面和外設(shè)存儲。其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

　　S3C6410和CC2430通過串口通信，F(xiàn)lash存儲操作系統(tǒng)相關(guān)的內(nèi)容，SD卡存儲環(huán)境監(jiān)測中采集的各種傳感器數(shù)據(jù)、定位與導(dǎo)航應(yīng)用的地圖和應(yīng)用程序等，傳感器采集的數(shù)據(jù)通過LED界面顯示出來，管理者通過LCD顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控、定位和應(yīng)急管理，報警信息、通話等通過音頻模塊輸出。手持終端原理樣機如圖4所示。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計包括傳感器的采集程序和手持終端串口通信程序，采集程序根據(jù)不同傳感器的接口方式不同，對CC2430單片機分別編寫數(shù)據(jù)采集程序，手持終端需要編寫處理器和CC2430之間的串口通信程序。

　　3.1 無線傳輸模塊軟件設(shè)計

　　無線傳輸模塊的軟件架構(gòu)由數(shù)據(jù)采集端軟件和數(shù)據(jù)接收端軟件組成，包含有發(fā)射程序和接收程序。其中初始化的程序主要對CC2430單片機射頻芯片SPI等進(jìn)行初始化設(shè)置，發(fā)射程序?qū)⒋虬臄?shù)據(jù)包通過單片機的SPI接口發(fā)送至射頻發(fā)生模塊輸出，接收程序完成終端采集數(shù)據(jù)的接收并做相應(yīng)的處理。數(shù)據(jù)采集軟件流程圖如圖5所示。

　　在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸過程中，MCU控制器首先初始化運行和信道選擇，低功耗定時器運行準(zhǔn)備接收信號，等待傳感器請求發(fā)送信號，若請求合法，則初始化采集數(shù)據(jù)，采集完畢后通過CC2430發(fā)送，完成數(shù)據(jù)采集功能。數(shù)據(jù)采集主程序如下：

　　3.2 手持終端軟件設(shè)計

　　S3C6410處理器通過串口和無線傳輸模塊進(jìn)行通信。首先串口接收無線傳輸模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的信息處理再通過串口下達(dá)相應(yīng)指令給無線傳輸模塊，無線傳輸模塊再通過無線方式傳輸指令給傳感器模塊，終實現(xiàn)大型復(fù)雜環(huán)境的監(jiān)控和管理。其中串口應(yīng)用程序主要包括4部分：串口初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)、接收數(shù)據(jù)函數(shù)和主函數(shù)。

　　1）串口初始化

　　把使用到的串口引腳GPA4、GPA5定義為RXD1、TXD1,分別連接到CC2430的P0.3和P0.2腳。

　　2）發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)

　　通過對UTRSTAT0寄存器相應(yīng)位來判斷并實現(xiàn)發(fā)送和接收的功能。UTXH0把要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入此寄存器。

    3)接收數(shù)據(jù)函數(shù)

     URXH0當(dāng)讀取UTRSTAT0寄存器位[0]為1時，讀取寄存器獲得串口接收到的數(shù)據(jù)。

　　4）主函數(shù)

　　主函數(shù)主要實現(xiàn)UART1的初始化，從串口接收字符串，信息判斷和相應(yīng)功能函數(shù)調(diào)用等功能。

　　4 系統(tǒng)實際應(yīng)用

　　該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)已完成演示，通過在3個實驗室里分別放置溫濕度傳感器、亮度傳感器和人體紅外傳感器，在樓道每隔10 m放置一個無線傳輸模塊，傳感器將采集到的溫濕度、亮度和人體紅外信息通過無線傳輸模塊發(fā)送到手持終端顯示出來，根據(jù)實際情況手持終端發(fā)送命令控制實驗室的溫濕度、亮度狀態(tài)，超過某一閾值會發(fā)出報警信息，當(dāng)有人進(jìn)去實驗室，人體紅外傳感器會發(fā)出報警信息發(fā)送給手持終端控制中心。經(jīng)試驗驗證該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端基本滿足大型復(fù)雜建筑物室內(nèi)定位導(dǎo)航、無縫監(jiān)控預(yù)警、應(yīng)急事件管理等方面的應(yīng)用，溫度0.5℃，濕度4.5%RH,亮度0.5 lux,室內(nèi)定位優(yōu)于3 m（95%），系統(tǒng)初次定位時間少于30 s,系統(tǒng)可用性優(yōu)于90%.

　　5 結(jié)束語

　　本文所設(shè)計的手持?jǐn)?shù)據(jù)采集終端基于S3C6410處理器、CC2430無線通信芯片和無線傳感器技術(shù)，其性能優(yōu)越，能滿足大型復(fù)雜環(huán)境監(jiān)測和管理的應(yīng)用。采用手持終端可方便管理和應(yīng)對突發(fā)緊急事件，使應(yīng)急救援力量在短時間內(nèi)到達(dá)事件發(fā)生地點，指引災(zāi)難人群在短時間內(nèi)選擇短路徑進(jìn)行人員疏散，對建立面向應(yīng)急管理的定位導(dǎo)航與無縫監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)具有重要意義和使用價值，在物聯(lián)網(wǎng)中有著廣泛的應(yīng)用。

　　系統(tǒng)設(shè)計創(chuàng)新之處：1）采用低功耗ZigBee無線傳輸技術(shù)，提高了節(jié)能效率；2）采用ARM和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合便于使用和管理；3）將無線傳感器技術(shù)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)大大提高了管理的效率并降低成本。