摘 要： 在研究2.4G技術的基礎上，分析了Wireless USB技術應用于無線傳感器網絡領域的技術優(yōu)勢,，并以此為平臺,，以通用MCU為處理器，基于軟件無線電理念分別設計制作了傳感節(jié)點和Sink節(jié)點,。軟件設計依托認知無線電技術組建分簇型結構網絡,，并在安全機制、抗干擾機制和低功耗方面作了深入研究,，經調試系統(tǒng)達到了設計指標,。
關鍵詞： 無線傳感器網絡,；Wireless USB,；2.4G；分簇型結構網絡
無線傳感系統(tǒng)較有線傳感系統(tǒng)有易于部署,、易于擴展等優(yōu)勢,，為此，人們開發(fā)了多種無線傳感器網絡,。常用的無線通信技術有紅外技術,、普通射頻技術（RF）、2.4G技術等,。紅外技術操作簡單,、價格低廉，但存在直線對準通信,、單向通信,、高功耗等缺點，不適合開發(fā)傳感器網絡,。射頻技術可輕松突破上述局限,，與其他射頻頻段相比，2.4G技術具有頻段免費,、全球通用,、設備體積小,、數傳速率高、抗干擾能力強,、低功耗等優(yōu)點,，在開發(fā)無線傳感器網絡方面有巨大優(yōu)勢，目前較成熟的2.4G無線傳感系統(tǒng)是基于藍牙技術（Bluetooth,、 IEEE 802.15.1）和ZigBee技術（IEEE 802.15.4）的[1],。
與傳統(tǒng)的以電纜和紅外方式傳輸測控數據相比，在測控領域應用藍牙技術主要有抗干擾能力強,、節(jié)省成本,、無方向限制、可實現多個設備互通等優(yōu)勢,，但藍牙的同步時鐘對電池的使用壽命有很大影響,，且一個藍牙主設備只能連接7個從設備，限制了其應用范圍,。
ZigBee依據IEEE 802.15.4標準,，可采用星狀、片狀和網狀網絡結構,，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點,，一個主節(jié)點最多可管理254個子節(jié)點，同時主節(jié)點還可由上一層網絡節(jié)點管理,，最多可組成65 000個節(jié)點的較大網絡,。但ZigBee復雜的協(xié)議也導致成本增加，且ZigBee在稍微高速率,、低延遲的應用中表現不夠好,，制約了它在該領域的應用。
Wireless USB技術是由賽普拉斯半導體公司開發(fā)的一種新型的點對點以及點對多點的2.4 GHz無線通信技術,。該技術為這一領域的應用提供了低功耗,、低延遲、低成本,、高可靠性的解決方案,，具有廣闊的應用前景。本文基于Wireless USB技術,，以“模塊化,、小體積、低功耗,、低成本和通用性”為目標,，開發(fā)設計了嵌入式網絡節(jié)點硬、軟件系統(tǒng),，使其滿足監(jiān)測任務要求的數據采集,、計算,、無線通信和互聯(lián)能力。
1 系統(tǒng)構架
1.1 Wireless USB技術簡介
Wireless USB在頻段管理上把2.4 GHz頻段分成98個信道,，每個信道帶寬1 MHz,，包括26個快速信道（切換時間為100 μs）、35個中速信道（切換時間為180 μs）,、37個慢速信道（切換時間為270 μs）[2],。該機制為實現頻分多址、跳頻及頻率捷變提供了技術基礎,。該技術在每一個信道上又使用了直接序列擴頻（DSSS）技術,，DSSS系統(tǒng)的特點主要有：較強抗干擾能力；很強的隱蔽性和抗偵察,、抗竊聽,、抗測向能力；選址能力,，可實現碼分多址,；抗衰落，抗頻率選擇性能好,；抗多徑干擾,；可進行高分辨率的測向和定位[3]。此外,，該技術還使用GFSK調制技術,。
Wireless USB協(xié)議層的設計采用了主-從方式的星形結構，主設備實時處于接收狀態(tài),，接收來自從設備的信息,，同時監(jiān)視干擾狀況,，選擇干凈的頻帶,，決定是否跳頻。從設備采集并發(fā)送數據,，發(fā)送結束后立刻進入睡眠狀態(tài),，最大限度地節(jié)省電池電量。協(xié)議中還可實現時分雙角色（既可接收,，也可發(fā)射）,，可以作為一個類似路由器的角色使用。一個主設備可以帶上百個從設備[4],。網絡ID是Wireless USB網絡的標識,，是Wireless USB網絡彼此區(qū)分的依據，每個芯片在出廠時有6 B的ID,，此ID是唯一的,，網絡ID由這個芯片ID計算得到,。相比那些沒有ID的其他射頻芯片，這無疑又是一個優(yōu)點,。
此外,，Wireless USB技術支持接收信號強度指示（RSSI）功能，為實現認知無線電技術提供了理論基礎,，可以檢測復雜電磁環(huán)境的頻譜空洞,，提高頻譜利用率[5]。
1.2 系統(tǒng)結構
本文采用層次性網絡結構,，將整個系統(tǒng)分成3級網絡,。
匯聚節(jié)點（Sink節(jié)點）與傳感器節(jié)點形成一個星形網絡拓撲結構，組成無線傳感器網絡的第一級網絡,，實現數據采集,、實時數據報警和數據基本處理功能，并根據上級網絡的通信指令完成與管理節(jié)點的數據通信,。每個傳感節(jié)點每隔一定時間采集多組數據,，為保證數據的準確性求平均值，通過多址機制,，把采集數據傳輸到匯聚節(jié)點,。匯聚節(jié)點收到所有數據后，首先判斷數據是否超出設定閾值,，如果超出,，則發(fā)出報警信息。當收到的數據正常時,，就對數據再次累加求平均值,，接收到上級網絡管理節(jié)點的通信指令時，封裝數據幀傳輸到管理節(jié)點,。
第二級網絡由匯聚節(jié)點和管理節(jié)點組成（管理節(jié)點由匯聚節(jié)點連接服務器構成）,。匯聚節(jié)點作為第二級網絡的基本工作站，在聯(lián)合站內的管理節(jié)點作為核心組成星形網絡,。管理節(jié)點同時用于存儲所有數據,，管理人員可以進行查詢、監(jiān)控和打印報表,。通常第二級網絡需采用大功率的無線數傳模塊作為網絡通信設備,。
可以利用已經建立的局域網構成第三級辦公網絡，數據庫服務器分布在不同的聯(lián)合站內,，在局域網內的任何一臺電腦上,，通過管理軟件可以對聯(lián)合站的數據庫進行訪問，實現數據的共享。系統(tǒng)結構如圖1所示,。
2 硬件設計
2.1 傳感節(jié)點設計
傳感器網絡節(jié)點是網絡的基本單元,，目前，不同應用中各種節(jié)點的組成結構不盡相同,，導致通用性及可維護性降低[6],。本文構建了一個類似于軟件無線電的通用節(jié)點結構，將硬件功能軟件化以解決上述問題[7],。
微控制器模塊是網絡節(jié)點的計算中心,，選擇合適的微控制器在節(jié)點設計中至關重要。微控制器模塊的設計主要考慮以下幾個方面：（1）選擇帶Flash的8 bit或16 bit簡單內核的微控制器,，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單片機作為控制器[8],。
無線通信模塊是網絡節(jié)點的重要組成部分，需要滿足低功耗,、通信質量,、通信距離、通信速度,、組網方便,、抗干擾和易于布控等要求。根據前面分析,，Wireless USB技術在無線傳感器網絡領域有獨特優(yōu)勢,，本文以基于該技術的CYRF6936芯片為核心設計射頻電路部分，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,。數據傳輸速率可達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，待機電流僅1 μA[9],。
ATmega8L的PC0～PC5端口作為傳感器數據采集端口，通過SPI口連接CYRF6936,，SPI口（SS,、MOSI、MISO、SCK）同時作為程序下載端口,。此外,，ATmega8L的PD3（INT1）腳連接CYRF6936的IRQ腳，接收射頻中斷信號,。射頻部分元器件均采用0402封裝,。單片機ATmega8L、射頻芯片CYRF6936,、電源芯片XC6209B332的外圍電路分別見其參考設計,。在單板上完全集成節(jié)點的全部組成部分，結構緊湊,，降低了使用功耗,。電路布局時，將強電信號電路和弱電信號電路分開,，數字信號電路和模擬信號電路分開,，完成同一功能的電路盡量安排在一定的范圍之內，從而減小信號環(huán)路面積,。各部分電路的濾波網絡就近連接,，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、實體電路分別如圖2 所示,。
2.2 Sink節(jié)點的設計
無線傳感器網絡實際應用時,，必須與其他信息設備或監(jiān)視設備相連接，將網絡采集數據實時匯總顯示,，為觀察者提供所需數據信息,。很明顯，所設計傳感器節(jié)點僅具有數據采集發(fā)射及轉發(fā)功能,，無法與觀察者交換信息,，對于實際應用是沒有意義的。本節(jié)在遵循傳感器節(jié)點相關設計原則的基礎上,，設計Sink節(jié)點,，它是觀察者與網絡的交流窗口，同時是管理的核心,，也是與有線網絡連接的接口,。Sink節(jié)點作為第一級網絡核心部分，負責數據轉發(fā)和協(xié)議轉換,，還應具有存儲,、顯示和設置功能，接收來自網絡中傳感節(jié)點的采集信息，處理,、顯示并可通過鍵盤區(qū)實現人工控制,。也可通過串口與監(jiān)視器連接，監(jiān)視器可同時看作數據庫服務器,，并可通過它與互聯(lián)網連接,。考慮到Sink節(jié)點需較強處理能力,，選用ATmega16L單片機作為微控制器,、以射頻芯片CYRF6936和2.4G射頻前端芯片CC2591構成射頻電路部分。CC2591外圍器件少,，集成轉換開關,、匹配網絡和PA/LNA。此外,，以電平轉換模塊MAX3232,、RS-232串口轉換電路構成監(jiān)控模塊與監(jiān)視器相連，同時添加了5個功能按鍵,、11個指示燈和16個I/O接口（其中11個用于連接液晶顯示屏）,。
網絡工作時，該節(jié)點同時作為時鐘同步節(jié)點,，定時發(fā)射時鐘同步幀,，保持網絡時鐘同步。節(jié)點結構圖如圖3所示,。
3 軟件設計
2.4 GHz頻段設備越來越多,，而且網絡內眾多節(jié)點存在頻譜搶占現象，如何快速尋找空閑頻譜是傳感器網絡高效可靠工作的基礎,。為此,，本文的軟件設計是基于認知無線電理念的[10]，接收信號強度檢測（RSSI）是該理念的實現基礎,。各終端在接收模式下,，通過讀取寄存器RSSI值判斷當前信道上無線信號的功率密度即干擾強度，主動尋找可用信道（頻譜空洞）,，類似頻譜感知,，系統(tǒng)功能框圖如圖4所示。其工作時序為：先進行監(jiān)聽,，如果信道有強干擾則跳轉到下一頻道,，若無強干擾，則傳輸數據,。
本設計以Visual Studio 2005為開發(fā)環(huán)境,，采用C語言編寫了主程序和相應的子程序,。
4 通信協(xié)議
4.1 MAC協(xié)議
本文以一個匯聚節(jié)點為中心節(jié)點（簇節(jié)點）設計了一個星形網絡,，該網絡是大型網絡的基礎,，可認為是大型網絡的子簇。采用TDMA,、CDMA聯(lián)合方式組網,，即各傳感節(jié)點采用固定的PN碼周期等待與簇節(jié)點通信，而簇節(jié)點采用滑動PN碼方式,，通過周期改變PN碼輪詢訪問的方式實現與各傳感器節(jié)點的通信（輪詢過程見網絡拓展部分）,。通信過程如圖5所示。首先,，簇節(jié)點實現與同PN碼傳感節(jié)點綁定（本文在綁定過程中啟用載波偵聽（RSSI）功能實現認知無線電理念）,，綁定完成后簇節(jié)點發(fā)送同步幀；傳感器節(jié)點收到同步幀后,，根據同步幀的信息修改自己的時鐘,，達到與簇節(jié)點時間同步的目的，然后發(fā)送數據幀,；簇節(jié)點收到傳感器節(jié)點的數據幀（data）后,，進行數據處理和融合，然后發(fā)送應答幀（ACK）給傳感節(jié)點,，之后傳感節(jié)器點進入睡眠模式（sleep）,；簇節(jié)點開始啟動與下一節(jié)點通信。如此循環(huán)往復,。簇節(jié)點可與Sink節(jié)點以同樣方式構成父簇,，Sink節(jié)點通過串口與連接有線網絡的電腦相連。
4.2 網絡層協(xié)議的設計[11]
時鐘同步對任何分布式系統(tǒng)而言都是很重要的,，無線傳感器網絡中許多算法或協(xié)議也需要節(jié)點間的時鐘同步作為支撐,。在無線傳感器網絡的應用中，傳感器節(jié)點采集的數據如果沒有空間和時間信息是無任何意義的,。此外,，準確的時間同步是實現傳感器網絡自身協(xié)議的運行、數據聚集,、TDMA調度,、協(xié)同休眠、定位等的基礎,。本文將簇節(jié)點同時作為時鐘同步節(jié)點,，如MAC協(xié)議中所述，各傳感節(jié)點每次與簇節(jié)點通信時都以其時鐘為基準進行一次時鐘校準,，因為各節(jié)點都定期以此節(jié)點為時鐘基準校正,，可近似認為網絡時鐘是同步的（本文中所有節(jié)點使用的外部晶振時鐘漂移率不超過30 ppm）,。
本文MAC協(xié)議中，簇節(jié)點采用輪詢訪問的方式與各節(jié)點通信,，故所用網絡拓補的方法是：新節(jié)點采用各傳感節(jié)點未使用的合法PN碼（簇節(jié)點可產生的PN碼）,，當節(jié)點需要加入網絡時，先發(fā)送申請加入網絡的信息,，接著進入偵聽的狀態(tài),，持續(xù)1 s，隨機延遲后再次發(fā)送申請信息,，如此循環(huán),，直到簇節(jié)點輪詢到該節(jié)點時接受其加入網絡請求。然后,，根據收到的允許加入網絡的信息,，節(jié)點修改自己的時鐘，達到時間同步,，這樣新的節(jié)點就成功入網,。輪詢過程如圖6所示。
4.3 功率控制
傳感器節(jié)點的耗能,，除采用低功耗器件外,，還應從節(jié)點的工作體制上考慮。除MAC協(xié)議中提到的睡眠機制外,，本文采用功率控制算法進一步降低功耗,。功率控制是指通過合理地設置或動態(tài)調整節(jié)點的發(fā)射功率，在保證整個網絡連通的同時,，降低對其他設備的干擾,，達到提高節(jié)點能量利用率，延長網絡生存時間的目的,。文中各端節(jié)點根據接收到的時鐘同步信號強度調整發(fā)射功率[12],。
4.4 安全機制
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）代數組（這里為XOR、ADD和SHIFT）運算的Feistel密碼,，每次用128位密鑰加密64個數據比特,，抗差動密碼分析的能力極強，6輪之后才能實現全漫射,。需說明的是,，任何加密算法都可用于Wireless USB，不只限于TEA,。
4.5 抗干擾機制
除協(xié)議中使用的擴頻技術外,，本文還采用以下技術增強網絡抗干擾能力,。
（1）糾錯編譯碼
Wireless USB技術支持的數據傳輸幀結構簡畫如圖7所示,。
?。?）CRC校驗技術
系統(tǒng)附加CRC16于每一個數據包中。CRC16是一個16 bit的循環(huán)冗余校驗碼（CRC）,，使用USB的CRC多項式運算所得,，可以檢測所有單位和雙位差錯,。
?。?）數據應答與重發(fā)
為使傳感器節(jié)點盡量將每一周期內的檢測數據無誤地發(fā)送到簇節(jié)點，本文使能Wireless USB的ACK功能,。簇節(jié)點收到正確數據包后自動發(fā)送ACK信號,。端節(jié)點發(fā)射數據前設定ACK等待時長，發(fā)送完數據后,，打開超時定時器開始計時,，同時轉入接收模式。如果設定時間內未收到ACK信號,，重發(fā)數據,，否則，進入睡眠模式,。
?。?）頻率捷變
只是在受到干擾時頻道才發(fā)生改變，如圖9所示,，如果當前頻道受到了干擾,，系統(tǒng)通過鑒別錯誤數據包的數量來判斷信道的鏈接質量。如果錯誤包的數量超過了設計的極限,，就跳轉到下一頻道,；此外，還要周期性地偵聽頻道信號強度,，如果一個強的信號持續(xù)一段時間,，則跳轉出去。
5 實驗及結果分析
?。?）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)點將發(fā)射功率和接收增益設置為最大值，射頻頻率設定在2 400 MHz頻段,，4節(jié)5號電池供電,，天線距離地面高度為1.5 m。傳感器節(jié)點之間有效通信距離,，室內10 m,，戶外30 m。傳感器節(jié)點與Sink節(jié)點有效通信距離測試如表1所示,。
?。?）共存性能測試
打開實驗室所有設備及藍牙、Wi-Fi,、WLAN等,，測試表明系統(tǒng)可在復雜電磁環(huán)境下正常工作。
所開發(fā)的無線傳感器網絡,，以Wireless USB技術為平臺,，依托認知無線電、軟件無線點理念,，充分利用頻率捷變技術,、數據應答與重發(fā)技術、CRC校驗技術,、DSSS技術,、BCH技術和RSSI功能，功耗低,，抗干擾能力強,，能在復雜電磁環(huán)境中正常工作。通過AGC調節(jié)發(fā)射功率實現不同距離可變功率控制,。該設計性能優(yōu)越,，應用前景廣闊。但研究尚處于試驗階段,，各種功能尚不完善,，有待在以后的研究中深入開發(fā)。
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