《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 通信與網(wǎng)絡(luò) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 基于Wireless USB的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
基于Wireless USB的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
來源:微型機(jī)與應(yīng)用2013年第19期
宋曉鷗
(中國人民武裝警察部隊(duì)工程大學(xué) 信息工程系,,陜西 西安 710086)
摘要: 在研究2.4G技術(shù)的基礎(chǔ)上,分析了Wireless USB技術(shù)應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢,,并以此為平臺(tái),,以通用MCU為處理器,基于軟件無線電理念分別設(shè)計(jì)制作了傳感節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn),。軟件設(shè)計(jì)依托認(rèn)知無線電技術(shù)組建分簇型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò),,并在安全機(jī)制、抗干擾機(jī)制和低功耗方面作了深入研究,,經(jīng)調(diào)試系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo),。
Abstract:
Key words :

摘  要: 在研究2.4G技術(shù)的基礎(chǔ)上,分析了Wireless USB技術(shù)應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢,,并以此為平臺(tái),以通用MCU為處理器,基于軟件無線電理念分別設(shè)計(jì)制作了傳感節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn),。軟件設(shè)計(jì)依托認(rèn)知無線電技術(shù)組建分簇型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò),,并在安全機(jī)制、抗干擾機(jī)制和低功耗方面作了深入研究,,經(jīng)調(diào)試系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo),。
關(guān)鍵詞: 無線傳感器網(wǎng)絡(luò);Wireless USB,;2.4G,;分簇型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

 無線傳感系統(tǒng)較有線傳感系統(tǒng)有易于部署、易于擴(kuò)展等優(yōu)勢,,為此,,人們開發(fā)了多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。常用的無線通信技術(shù)有紅外技術(shù),、普通射頻技術(shù)(RF),、2.4G技術(shù)等。紅外技術(shù)操作簡單,、價(jià)格低廉,,但存在直線對(duì)準(zhǔn)通信、單向通信,、高功耗等缺點(diǎn),,不適合開發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)。射頻技術(shù)可輕松突破上述局限,,與其他射頻頻段相比,,2.4G技術(shù)具有頻段免費(fèi)、全球通用,、設(shè)備體積小,、數(shù)傳速率高、抗干擾能力強(qiáng),、低功耗等優(yōu)點(diǎn),,在開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面有巨大優(yōu)勢,目前較成熟的2.4G無線傳感系統(tǒng)是基于藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth,、 IEEE 802.15.1)和ZigBee技術(shù)(IEEE 802.15.4)的[1],。
與傳統(tǒng)的以電纜和紅外方式傳輸測控?cái)?shù)據(jù)相比,在測控領(lǐng)域應(yīng)用藍(lán)牙技術(shù)主要有抗干擾能力強(qiáng),、節(jié)省成本,、無方向限制、可實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備互通等優(yōu)勢,,但藍(lán)牙的同步時(shí)鐘對(duì)電池的使用壽命有很大影響,,且一個(gè)藍(lán)牙主設(shè)備只能連接7個(gè)從設(shè)備,,限制了其應(yīng)用范圍。
 ZigBee依據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn),,可采用星狀,、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn),,一個(gè)主節(jié)點(diǎn)最多可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn),,同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理,最多可組成65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)的較大網(wǎng)絡(luò),。但ZigBee復(fù)雜的協(xié)議也導(dǎo)致成本增加,,且ZigBee在稍微高速率、低延遲的應(yīng)用中表現(xiàn)不夠好,,制約了它在該領(lǐng)域的應(yīng)用,。
 Wireless USB技術(shù)是由賽普拉斯半導(dǎo)體公司開發(fā)的一種新型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的2.4 GHz無線通信技術(shù)。該技術(shù)為這一領(lǐng)域的應(yīng)用提供了低功耗,、低延遲,、低成本、高可靠性的解決方案,,具有廣闊的應(yīng)用前景,。本文基于Wireless USB技術(shù),以“模塊化,、小體積,、低功耗、低成本和通用性”為目標(biāo),,開發(fā)設(shè)計(jì)了嵌入式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬,、軟件系統(tǒng),使其滿足監(jiān)測任務(wù)要求的數(shù)據(jù)采集,、計(jì)算,、無線通信和互聯(lián)能力。
1 系統(tǒng)構(gòu)架
1.1 Wireless USB技術(shù)簡介

 Wireless USB在頻段管理上把2.4 GHz頻段分成98個(gè)信道,,每個(gè)信道帶寬1 MHz,,包括26個(gè)快速信道(切換時(shí)間為100 μs)、35個(gè)中速信道(切換時(shí)間為180 μs),、37個(gè)慢速信道(切換時(shí)間為270 μs)[2],。該機(jī)制為實(shí)現(xiàn)頻分多址、跳頻及頻率捷變提供了技術(shù)基礎(chǔ),。該技術(shù)在每一個(gè)信道上又使用了直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù),,DSSS系統(tǒng)的特點(diǎn)主要有:較強(qiáng)抗干擾能力;很強(qiáng)的隱蔽性和抗偵察,、抗竊聽,、抗測向能力,;選址能力,可實(shí)現(xiàn)碼分多址,;抗衰落,,抗頻率選擇性能好;抗多徑干擾,;可進(jìn)行高分辨率的測向和定位[3]。此外,,該技術(shù)還使用GFSK調(diào)制技術(shù),。
 Wireless USB協(xié)議層的設(shè)計(jì)采用了主-從方式的星形結(jié)構(gòu),主設(shè)備實(shí)時(shí)處于接收狀態(tài),,接收來自從設(shè)備的信息,,同時(shí)監(jiān)視干擾狀況,選擇干凈的頻帶,,決定是否跳頻,。從設(shè)備采集并發(fā)送數(shù)據(jù),發(fā)送結(jié)束后立刻進(jìn)入睡眠狀態(tài),,最大限度地節(jié)省電池電量,。協(xié)議中還可實(shí)現(xiàn)時(shí)分雙角色(既可接收,也可發(fā)射),,可以作為一個(gè)類似路由器的角色使用,。一個(gè)主設(shè)備可以帶上百個(gè)從設(shè)備[4]。網(wǎng)絡(luò)ID是Wireless USB網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)識(shí),,是Wireless USB網(wǎng)絡(luò)彼此區(qū)分的依據(jù),,每個(gè)芯片在出廠時(shí)有6 B的ID,此ID是唯一的,,網(wǎng)絡(luò)ID由這個(gè)芯片ID計(jì)算得到,。相比那些沒有ID的其他射頻芯片,這無疑又是一個(gè)優(yōu)點(diǎn),。
 此外,,Wireless USB技術(shù)支持接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)功能,為實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電技術(shù)提供了理論基礎(chǔ),,可以檢測復(fù)雜電磁環(huán)境的頻譜空洞,,提高頻譜利用率[5]。
1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
 本文采用層次性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),,將整個(gè)系統(tǒng)分成3級(jí)網(wǎng)絡(luò),。
 匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink節(jié)點(diǎn))與傳感器節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的第一級(jí)網(wǎng)絡(luò),,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)警和數(shù)據(jù)基本處理功能,,并根據(jù)上級(jí)網(wǎng)絡(luò)的通信指令完成與管理節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信。每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)每隔一定時(shí)間采集多組數(shù)據(jù),,為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性求平均值,,通過多址機(jī)制,把采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn),。匯聚節(jié)點(diǎn)收到所有數(shù)據(jù)后,,首先判斷數(shù)據(jù)是否超出設(shè)定閾值,如果超出,,則發(fā)出報(bào)警信息,。當(dāng)收到的數(shù)據(jù)正常時(shí),就對(duì)數(shù)據(jù)再次累加求平均值,,接收到上級(jí)網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)的通信指令時(shí),,封裝數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)焦芾砉?jié)點(diǎn)。
 第二級(jí)網(wǎng)絡(luò)由匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)組成(管理節(jié)點(diǎn)由匯聚節(jié)點(diǎn)連接服務(wù)器構(gòu)成),。匯聚節(jié)點(diǎn)作為第二級(jí)網(wǎng)絡(luò)的基本工作站,,在聯(lián)合站內(nèi)的管理節(jié)點(diǎn)作為核心組成星形網(wǎng)絡(luò)。管理節(jié)點(diǎn)同時(shí)用于存儲(chǔ)所有數(shù)據(jù),,管理人員可以進(jìn)行查詢,、監(jiān)控和打印報(bào)表。通常第二級(jí)網(wǎng)絡(luò)需采用大功率的無線數(shù)傳模塊作為網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備,。
可以利用已經(jīng)建立的局域網(wǎng)構(gòu)成第三級(jí)辦公網(wǎng)絡(luò),,數(shù)據(jù)庫服務(wù)器分布在不同的聯(lián)合站內(nèi),在局域網(wǎng)內(nèi)的任何一臺(tái)電腦上,,通過管理軟件可以對(duì)聯(lián)合站的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問,,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

 

 

2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的基本單元,,目前,不同應(yīng)用中各種節(jié)點(diǎn)的組成結(jié)構(gòu)不盡相同,,導(dǎo)致通用性及可維護(hù)性降低[6],。本文構(gòu)建了一個(gè)類似于軟件無線電的通用節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu),將硬件功能軟件化以解決上述問題[7],。
微控制器模塊是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算中心,,選擇合適的微控制器在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。微控制器模塊的設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)方面:(1)選擇帶Flash的8 bit或16 bit簡單內(nèi)核的微控制器,,帶Flash的微控制器可將功耗降低5倍,;(2)低電壓供電可以大大降低系統(tǒng)的工作電流,基于漏電流的考慮,選擇3 V(3.3 V)要比5 V供電的功耗至少降低40%[1],。綜合考慮功耗,、體積和功能等因素,本選擇ATmega8L單片機(jī)作為控制器[8],。
無線通信模塊是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的重要組成部分,,需要滿足低功耗、通信質(zhì)量,、通信距離,、通信速度、組網(wǎng)方便,、抗干擾和易于布控等要求,。根據(jù)前面分析,Wireless USB技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域有獨(dú)特優(yōu)勢,,本文以基于該技術(shù)的CYRF6936芯片為核心設(shè)計(jì)射頻電路部分,CYRF6936是典型的低成本高集成度2.4 GHz DSSS射頻片上系統(tǒng),,具有可配置的雙向功能,。數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1 Mb/s,最大發(fā)射功率為4 dBm,,可工作在-55℃~125℃環(huán)境中,,功耗低,待機(jī)電流僅1 μA[9],。
 ATmega8L的PC0~PC5端口作為傳感器數(shù)據(jù)采集端口,,通過SPI口連接CYRF6936,SPI口(SS,、MOSI,、MISO、SCK)同時(shí)作為程序下載端口,。此外,,ATmega8L的PD3(INT1)腳連接CYRF6936的IRQ腳,接收射頻中斷信號(hào),。射頻部分元器件均采用0402封裝,。單片機(jī)ATmega8L、射頻芯片CYRF6936,、電源芯片XC6209B332的外圍電路分別見其參考設(shè)計(jì),。在單板上完全集成節(jié)點(diǎn)的全部組成部分,結(jié)構(gòu)緊湊,,降低了使用功耗,。電路布局時(shí),將強(qiáng)電信號(hào)電路和弱電信號(hào)電路分開,,數(shù)字信號(hào)電路和模擬信號(hào)電路分開,,完成同一功能的電路盡量安排在一定的范圍之內(nèi),,從而減小信號(hào)環(huán)路面積。各部分電路的濾波網(wǎng)絡(luò)就近連接,,這樣不僅可以減少輻射,,而且可以減小被干擾的幾率,提高電路的抗干擾能力,。PCB布局,、實(shí)體電路分別如圖2 所示。

2.2 Sink節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)
 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用時(shí),,必須與其他信息設(shè)備或監(jiān)視設(shè)備相連接,,將網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)匯總顯示,為觀察者提供所需數(shù)據(jù)信息,。很明顯,,所設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)僅具有數(shù)據(jù)采集發(fā)射及轉(zhuǎn)發(fā)功能,無法與觀察者交換信息,,對(duì)于實(shí)際應(yīng)用是沒有意義的,。本節(jié)在遵循傳感器節(jié)點(diǎn)相關(guān)設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)Sink節(jié)點(diǎn),,它是觀察者與網(wǎng)絡(luò)的交流窗口,,同時(shí)是管理的核心,也是與有線網(wǎng)絡(luò)連接的接口,。Sink節(jié)點(diǎn)作為第一級(jí)網(wǎng)絡(luò)核心部分,,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換,還應(yīng)具有存儲(chǔ),、顯示和設(shè)置功能,,接收來自網(wǎng)絡(luò)中傳感節(jié)點(diǎn)的采集信息,處理,、顯示并可通過鍵盤區(qū)實(shí)現(xiàn)人工控制,。也可通過串口與監(jiān)視器連接,監(jiān)視器可同時(shí)看作數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,,并可通過它與互聯(lián)網(wǎng)連接,。考慮到Sink節(jié)點(diǎn)需較強(qiáng)處理能力,,選用ATmega16L單片機(jī)作為微控制器,、以射頻芯片CYRF6936和2.4G射頻前端芯片CC2591構(gòu)成射頻電路部分。CC2591外圍器件少,,集成轉(zhuǎn)換開關(guān),、匹配網(wǎng)絡(luò)和PA/LNA。此外,以電平轉(zhuǎn)換模塊MAX3232,、RS-232串口轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成監(jiān)控模塊與監(jiān)視器相連,,同時(shí)添加了5個(gè)功能按鍵、11個(gè)指示燈和16個(gè)I/O接口(其中11個(gè)用于連接液晶顯示屏),。
 網(wǎng)絡(luò)工作時(shí),,該節(jié)點(diǎn)同時(shí)作為時(shí)鐘同步節(jié)點(diǎn),定時(shí)發(fā)射時(shí)鐘同步幀,,保持網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步,。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)
 2.4 GHz頻段設(shè)備越來越多,,而且網(wǎng)絡(luò)內(nèi)眾多節(jié)點(diǎn)存在頻譜搶占現(xiàn)象,如何快速尋找空閑頻譜是傳感器網(wǎng)絡(luò)高效可靠工作的基礎(chǔ),。為此,,本文的軟件設(shè)計(jì)是基于認(rèn)知無線電理念的[10],接收信號(hào)強(qiáng)度檢測(RSSI)是該理念的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ),。各終端在接收模式下,,通過讀取寄存器RSSI值判斷當(dāng)前信道上無線信號(hào)的功率密度即干擾強(qiáng)度,主動(dòng)尋找可用信道(頻譜空洞),,類似頻譜感知,系統(tǒng)功能框圖如圖4所示,。其工作時(shí)序?yàn)椋合冗M(jìn)行監(jiān)聽,,如果信道有強(qiáng)干擾則跳轉(zhuǎn)到下一頻道,若無強(qiáng)干擾,,則傳輸數(shù)據(jù),。

 本設(shè)計(jì)以Visual Studio 2005為開發(fā)環(huán)境,采用C語言編寫了主程序和相應(yīng)的子程序,。
4 通信協(xié)議
4.1 MAC協(xié)議

 本文以一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)為中心節(jié)點(diǎn)(簇節(jié)點(diǎn))設(shè)計(jì)了一個(gè)星形網(wǎng)絡(luò),,該網(wǎng)絡(luò)是大型網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ),可認(rèn)為是大型網(wǎng)絡(luò)的子簇,。采用TDMA,、CDMA聯(lián)合方式組網(wǎng),即各傳感節(jié)點(diǎn)采用固定的PN碼周期等待與簇節(jié)點(diǎn)通信,,而簇節(jié)點(diǎn)采用滑動(dòng)PN碼方式,,通過周期改變PN碼輪詢?cè)L問的方式實(shí)現(xiàn)與各傳感器節(jié)點(diǎn)的通信(輪詢過程見網(wǎng)絡(luò)拓展部分)。通信過程如圖5所示,。首先,,簇節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與同PN碼傳感節(jié)點(diǎn)綁定(本文在綁定過程中啟用載波偵聽(RSSI)功能實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電理念),綁定完成后簇節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步幀;傳感器節(jié)點(diǎn)收到同步幀后,,根據(jù)同步幀的信息修改自己的時(shí)鐘,,達(dá)到與簇節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步的目的,然后發(fā)送數(shù)據(jù)幀,;簇節(jié)點(diǎn)收到傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀(data)后,,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和融合,然后發(fā)送應(yīng)答幀(ACK)給傳感節(jié)點(diǎn),,之后傳感節(jié)器點(diǎn)進(jìn)入睡眠模式(sleep),;簇節(jié)點(diǎn)開始啟動(dòng)與下一節(jié)點(diǎn)通信。如此循環(huán)往復(fù),。簇節(jié)點(diǎn)可與Sink節(jié)點(diǎn)以同樣方式構(gòu)成父簇,,Sink節(jié)點(diǎn)通過串口與連接有線網(wǎng)絡(luò)的電腦相連。

4.2 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的設(shè)計(jì)[11]
 時(shí)鐘同步對(duì)任何分布式系統(tǒng)而言都是很重要的,,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中許多算法或協(xié)議也需要節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘同步作為支撐,。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中,傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)如果沒有空間和時(shí)間信息是無任何意義的,。此外,,準(zhǔn)確的時(shí)間同步是實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)自身協(xié)議的運(yùn)行、數(shù)據(jù)聚集,、TDMA調(diào)度,、協(xié)同休眠、定位等的基礎(chǔ),。本文將簇節(jié)點(diǎn)同時(shí)作為時(shí)鐘同步節(jié)點(diǎn),,如MAC協(xié)議中所述,各傳感節(jié)點(diǎn)每次與簇節(jié)點(diǎn)通信時(shí)都以其時(shí)鐘為基準(zhǔn)進(jìn)行一次時(shí)鐘校準(zhǔn),,因?yàn)楦鞴?jié)點(diǎn)都定期以此節(jié)點(diǎn)為時(shí)鐘基準(zhǔn)校正,,可近似認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘是同步的(本文中所有節(jié)點(diǎn)使用的外部晶振時(shí)鐘漂移率不超過30 ppm)。
 本文MAC協(xié)議中,,簇節(jié)點(diǎn)采用輪詢?cè)L問的方式與各節(jié)點(diǎn)通信,,故所用網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)的方法是:新節(jié)點(diǎn)采用各傳感節(jié)點(diǎn)未使用的合法PN碼(簇節(jié)點(diǎn)可產(chǎn)生的PN碼),當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要加入網(wǎng)絡(luò)時(shí),,先發(fā)送申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)的信息,,接著進(jìn)入偵聽的狀態(tài),持續(xù)1 s,,隨機(jī)延遲后再次發(fā)送申請(qǐng)信息,,如此循環(huán),直到簇節(jié)點(diǎn)輪詢到該節(jié)點(diǎn)時(shí)接受其加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求,。然后,,根據(jù)收到的允許加入網(wǎng)絡(luò)的信息,,節(jié)點(diǎn)修改自己的時(shí)鐘,達(dá)到時(shí)間同步,,這樣新的節(jié)點(diǎn)就成功入網(wǎng),。輪詢過程如圖6所示。

4.3 功率控制
 傳感器節(jié)點(diǎn)的耗能,,除采用低功耗器件外,,還應(yīng)從節(jié)點(diǎn)的工作體制上考慮。除MAC協(xié)議中提到的睡眠機(jī)制外,,本文采用功率控制算法進(jìn)一步降低功耗,。功率控制是指通過合理地設(shè)置或動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率,在保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)連通的同時(shí),,降低對(duì)其他設(shè)備的干擾,,達(dá)到提高節(jié)點(diǎn)能量利用率,延長網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的目的,。文中各端節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的時(shí)鐘同步信號(hào)強(qiáng)度調(diào)整發(fā)射功率[12],。
4.4 安全機(jī)制
 賽普拉斯建議采用微型加密算法(TEA)作為Wireless USB的加密算法。微型加密算法是現(xiàn)有最快速,、最高效的加密算法之一,,它是一種采用混合(正交)代數(shù)組(這里為XOR、ADD和SHIFT)運(yùn)算的Feistel密碼,,每次用128位密鑰加密64個(gè)數(shù)據(jù)比特,,抗差動(dòng)密碼分析的能力極強(qiáng),6輪之后才能實(shí)現(xiàn)全漫射,。需說明的是,,任何加密算法都可用于Wireless USB,不只限于TEA,。
4.5 抗干擾機(jī)制
 除協(xié)議中使用的擴(kuò)頻技術(shù)外,本文還采用以下技術(shù)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力,。
?。?)糾錯(cuò)編譯碼
 Wireless USB技術(shù)支持的數(shù)據(jù)傳輸幀結(jié)構(gòu)簡畫如圖7所示。

?。?)CRC校驗(yàn)技術(shù)
 系統(tǒng)附加CRC16于每一個(gè)數(shù)據(jù)包中,。CRC16是一個(gè)16 bit的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC),使用USB的CRC多項(xiàng)式運(yùn)算所得,,可以檢測所有單位和雙位差錯(cuò),。
 (3)數(shù)據(jù)應(yīng)答與重發(fā) 
 為使傳感器節(jié)點(diǎn)盡量將每一周期內(nèi)的檢測數(shù)據(jù)無誤地發(fā)送到簇節(jié)點(diǎn),,本文使能Wireless USB的ACK功能,。簇節(jié)點(diǎn)收到正確數(shù)據(jù)包后自動(dòng)發(fā)送ACK信號(hào),。端節(jié)點(diǎn)發(fā)射數(shù)據(jù)前設(shè)定ACK等待時(shí)長,發(fā)送完數(shù)據(jù)后,,打開超時(shí)定時(shí)器開始計(jì)時(shí),,同時(shí)轉(zhuǎn)入接收模式。如果設(shè)定時(shí)間內(nèi)未收到ACK信號(hào),,重發(fā)數(shù)據(jù),,否則,進(jìn)入睡眠模式,。
?。?)頻率捷變
 只是在受到干擾時(shí)頻道才發(fā)生改變,如圖9所示,,如果當(dāng)前頻道受到了干擾,,系統(tǒng)通過鑒別錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包的數(shù)量來判斷信道的鏈接質(zhì)量。如果錯(cuò)誤包的數(shù)量超過了設(shè)計(jì)的極限,,就跳轉(zhuǎn)到下一頻道,;此外,還要周期性地偵聽頻道信號(hào)強(qiáng)度,,如果一個(gè)強(qiáng)的信號(hào)持續(xù)一段時(shí)間,,則跳轉(zhuǎn)出去。

5 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
?。?)有效通信距離測試
 CYRF6936支持SDR/DDR/8DR/GFSK 4種工作模式,,發(fā)射功率可控為-35、-30,、-24,、-18、-13,、-5,、0和4 dBm共8個(gè)檔次;CC2591最高發(fā)射增益22 dB,,最大發(fā)射功率22 dBm,,最高接收增益11 dB。測試中選擇8DR模式,,該模式下,,接收靈敏度為-97 dBm,Sink節(jié)點(diǎn)將發(fā)射功率和接收增益設(shè)置為最大值,,射頻頻率設(shè)定在2 400 MHz頻段,,4節(jié)5號(hào)電池供電,天線距離地面高度為1.5 m,。傳感器節(jié)點(diǎn)之間有效通信距離,,室內(nèi)10 m,,戶外30 m。傳感器節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)有效通信距離測試如表1所示,。

?。?)共存性能測試
 打開實(shí)驗(yàn)室所有設(shè)備及藍(lán)牙、Wi-Fi,、WLAN等,,測試表明系統(tǒng)可在復(fù)雜電磁環(huán)境下正常工作。
所開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),,以Wireless USB技術(shù)為平臺(tái),,依托認(rèn)知無線電、軟件無線點(diǎn)理念,,充分利用頻率捷變技術(shù),、數(shù)據(jù)應(yīng)答與重發(fā)技術(shù)、CRC校驗(yàn)技術(shù),、DSSS技術(shù),、BCH技術(shù)和RSSI功能,功耗低,,抗干擾能力強(qiáng),,能在復(fù)雜電磁環(huán)境中正常工作。通過AGC調(diào)節(jié)發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)不同距離可變功率控制,。該設(shè)計(jì)性能優(yōu)越,,應(yīng)用前景廣闊。但研究尚處于試驗(yàn)階段,,各種功能尚不完善,,有待在以后的研究中深入開發(fā)。
參考文獻(xiàn)
[1] 景博,,張劼,,孫勇.智能網(wǎng)絡(luò)傳感器與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2011.
[2] Cypress Semiconductor.2.4 GHz頻段上的新一代點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線技術(shù)[J].世界電子元器件,,2004(1):28-30.
[3] Cypress的Wireless USB擴(kuò)至多點(diǎn)到點(diǎn)(N:1)應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品世界,,2005(1):122.
[4] Cypress Semiconductor.防止2.4 GHz ISM頻帶的干擾——從硬件與軟件技術(shù)中建構(gòu)強(qiáng)固的RF通信環(huán)境[J].電子與電腦,2004(8):90-95.
[5] Cypress Semiconductor.Cypress供應(yīng)WirelessUSB LP器件[17][EB/OL]. http://www.csyb.com.cn/it/p286/J28635231.html,,2013-06-01.
[6] 唐旻,,趙曙光,,方艷紅.基于無線USB技術(shù)的系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,,2005(11):48-51.
[7] 向新,張啟發(fā),,王興華,,等.軟件無線電原理與技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,,2008.
[8] 馬潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.
[9] Cypress Semiconductor. Optimum PCB and stencil layout for wireless USB QFN package[Z]. 2005.
[10] 侯賽因·阿爾斯.認(rèn)知無線電,、軟件定義無線電和自適應(yīng)無線系統(tǒng)[M].任品毅,,等,譯.西安:西安交通大學(xué)出版社,,2010.
[11] 于宏毅,,李鷗,張效義,,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)理論,、技術(shù)與實(shí)現(xiàn)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.
[12] 杜曉通.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與工程應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,,2010.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),,未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。