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(diǎn)研究領(lǐng)域,。傳感器技術(shù),、微機(jī)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。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展了人們信息獲取能力,，將客觀世界的物理信息同傳輸網(wǎng)絡(luò)連接在一起,，在下一代網(wǎng)絡(luò)中將為人們提供最直接,、最有效、最真實(shí)的信息,。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(diǎn)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(qiáng)等多方面優(yōu)勢,，通過對環(huán)境的無縫精確定位技術(shù)和基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無縫監(jiān)控預(yù)警技術(shù),，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(jī)的設(shè)計和實(shí)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(shí)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(jī),，具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性，有數(shù)字化的RSSI／LQI支持和強(qiáng)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(qiáng)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,。傳感器模塊包括溫度，濕度,，亮度和人體紅外傳感器,。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(shí)際情況采取相應(yīng)的措施,。無線傳輸節(jié)點(diǎn)通過采集手持終端的接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)，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)是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),，采用IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn),，具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸速率低,、時延小,、網(wǎng)絡(luò)容量大、成本低,、通信可靠性高,、安全、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn),，主要應(yīng)用在無線數(shù)據(jù)采集,、無線工業(yè)控制、消費(fèi)電子,、汽車自動化,、家庭和樓宇自動化、醫(yī)用設(shè)備控制,、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制等領(lǐng)域,。傳感器采集溫度、濕度,、亮度,、人體紅外感應(yīng)等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行信息處理,，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控終端,。
    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(jī)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,，第一個為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(shí)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(shí)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。單極非平衡天線是長度對應(yīng)電磁波長1／4的諧振天線,，射頻信號采用差分方式,，最佳差分負(fù)載阻抗是115+j180 Ω，阻抗匹配電路需要根據(jù)該數(shù)值進(jìn)行調(diào)整,。設(shè)計采用50 Ω單極子天線,，采用巴倫電路(平衡，非平衡轉(zhuǎn)換電路)完成雙端口到單端口的轉(zhuǎn)換,。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核心系統(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,。處理器核心系統(tǒng)由處理器(S3C6410)、SDR-AM(K4X51163PC-LGC3)和Flash(K9F2G08XOA)組成。電源管理系統(tǒng)為核心系統(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)為用戶提供下載接口,、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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(yùn)行和信道選擇,，低功耗定時器運(yùn)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,，最終實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)際情況手持終端發(fā)送命令控制實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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。當(dāng)人員攜帶手持終端,，樓內(nèi)的無線傳輸模塊通過采集手持終端的RSSI值,，以及三點(diǎn)定位算法確定人員的位置，指引人員想去的地方,，當(dāng)有突發(fā)緊急情況時進(jìn)行人員導(dǎo)航和疏散,，將人員和物品轉(zhuǎn)移至安全的地方。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)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)精確定位導(dǎo)航,、無縫監(jiān)控預(yù)警,、應(yīng)急事件管理等方面的應(yīng)用，溫度精度0．5℃,，濕度精度4．5％RH,，亮度精度0．5 lux，室內(nèi)定位精度優(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)急救援力量在最短時間內(nèi)到達(dá)事件發(fā)生地點(diǎn),，指引災(zāi)難人群在最短時間內(nèi)選擇最短最優(yōu)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。