面向多傳感器接入的無線傳感器節點的研究

曹 源，徐曉輝，王 停，檀柏梅，宋 濤，蘇彥莽

（1.河北工業大學 電子信息工程學院，天津 300401；2.中國人民解放軍93756部隊 特設教研室，天津300131）

面向多傳感器接入的無線傳感器節點的研究

曹 源1，徐曉輝1，王 停2，檀柏梅1，宋 濤1，蘇彥莽1

（1.河北工業大學 電子信息工程學院，天津 300401；2.中國人民解放軍93756部隊 特設教研室，天津300131）

設計研究了用于環境數據采集的通用型多傳感器無線節點，節點由傳感器、單片機、無線通信模塊、電源等組成，依據待測環境參數的不同可以更換合適的傳感器。傳感器輸出信號經單片機存儲與處理后經由Wi-Fi無線通信模塊和其他節點組成星型網絡拓撲結構的無線傳感器網絡系統，傳至主節點綜合處理，完成特定數據的采集。系統考慮了節點低功耗和Wi-Fi無線通信模塊傳輸數據的安全性，選取USR-C322型號Wi-Fi模塊與TRAMA通信協議，設定休眠模式，系統可以進行正常的數據傳輸。

多傳感器；Wi-Fi；單片機；星型網絡

無線傳感器網絡由大量無線傳感器節點互相連接組成，傳感器節點主要由四部分組成，分別為數據收集模塊（傳感器、AD轉換器）、數據處理模塊（單片機）、數據傳輸模塊（Wi-Fi無線通信模塊）、電源等。傳感器收集所處環境的各種數據信息，經過轉換傳送給單片機進行數據的處理和存儲等功能，再由無線通信模塊負責與其他節點進行數據的傳輸，電源對各工作模塊提供所需能量[1-3]。

1 通信方式與器件選擇

1．1 系統的通信方式

1.1.1 無線通信技術

在目前有多種無線通信技術，主要有藍牙、ZigBee、RF、Wi-Fi等，其都有各自的優勢，要平衡各優缺點選取合適的無線通信技術來進行系統的構建。

Wi-Fi相較于其他無線通信技術在安全性上并不十分出眾，但它方便組建無線網絡，理論上只要用戶位于一個接入點四周的一定區域內，就能以最高約11 Mb/s的速度接入、web。且不受墻壁阻隔，并且其功耗可控范圍也比較大。Wi-Fi技術除上公司實施方案較簡便，所需成本較低。故比較符合本文所研究要節約功耗、構成方便等問題[4-7]。

1.1.2 網絡拓撲結構

傳感器節點所組成的網絡拓撲結構有很多種，主要包括星型結構、環形結構、總線型結構以及混合拓撲結構等。

星型結構[8]是以在網絡中心的中央節點為中心，其它的節點都與中央節點相連。其主要特點為結構簡單，較容易進行維護和管理，網絡延遲小、傳輸數據的誤差較低。但其成本較高，距離短；

考慮到本研究為實際應用，傳感器節點較多，總體成本不宜過高，維護、管理較簡單。故相互比較，采用星型拓撲結構網絡來進行此次研究的節點連接。

1.1.3 功耗選擇

在現今的研究方案中，主要有3種方法來解決無線傳感器節點的功耗問題：休眠管理、能量有效路由控制策略和拓撲控制策略[9]。拓撲控制策略主要是通過調節各節點的無線傳輸距離來降低其傳輸功耗，但調節傳輸距離后要保證其在正常的工作范圍內；路由控制策略主要是通過各節點的能量平均化，不會使某些節點因為能量過多的消耗而使其不能正常工作；休眠管理，其主要思想為有一些節點在特定的時間內并沒有進行工作，此時可以使這些節點處于“休眠”，等到需要其工作時，在對其進行“喚醒”，從而達到節約功耗的目的[9～11]。

政府制定產業政策的主要原因是當前的經濟發展狀況和產業發展狀況決定的，為了更好地引導國家產業的發展方向，更好地推動產業結構升級轉型，協調各方發展，最終實現國民經濟持續健康發展。我國的經濟發展狀況在各地區都有著不同的特點，面臨各種各樣的問題，這些問題帶有明顯的地域特征，解決這些問題所采取的方法也不盡相同，因此在制定產業扶持的相關政策時也應該考慮不同地區的環境、社會、文化特征。鄉鎮經濟作為組成我國經濟的重要部分，在我國經濟發展中占據重要地位。

通過對比，休眠機制可以有效地降低節點的功耗，本文采取對使節點在一定的時間開始工作，使之處于休眠模式，并對Wi-Fi無線模塊進行休眠模式的設定，來達到降低整個節點的功耗問題。

1．2 數據收集模塊

數據收集模塊采用傳感器收集數據信息，考慮到實際應用中可能涉及到不同種類的傳感器，需要單片機具有數據通用、多路輸入處理的功能：模擬信號（電流信號、電壓信號）和數字信號都能夠傳輸到單片機中進行處理。如圖1所示：數據狀態；當節點i處于時隙t是接受數據段，則處于接受數據狀態；其余時刻，節點處于休眠狀態[11]。其將工作時間分為隨機訪問及預定訪問兩個時間段，在隨機時，傳感器節點開始工作進行接收或發送數據，其余時間處于休眠狀態。TRAMA協議降低了傳輸數據時產生碰撞的可能性并且增加了節點的休眠時間，可以有效地降低傳感器節點的功耗問題。

圖1 數據收集模塊示意圖

2 無線傳感器網絡節點的設計與構成

2．1 無線傳感器網絡節點的設計

傳感器輸出信號（數字/模擬信號）送給單片機用于處理與存儲，Wi-Fi無線通信模塊與其他節點進行連接，組成星型網絡拓撲結構，從而連接成無線傳感器網絡。

2.2 無線傳感器網絡節點系統的構成

傳感器網絡由若干無線傳感器節點連接組成，無線傳感器節點由單片機、傳感器、無線模塊與電源等組成。從節點收集整理數據后經由無線模塊傳輸給主節點，由檢測者接收。

設計無線傳感器分節點的結構如圖2所示：

圖2 無線傳感器分節點結構構成圖

1．3 無線通信模塊

本系統采用的無線模塊為USR-C322型號的Wi-Fi無線模塊。

USR-C322模塊可以采用多種休眠模式來進行功耗的降低，其優秀的低功耗工作模式有效地可以降低這一問題的影響，并且其模塊具備WEP-A、WPA-PSK、WPA2-PSK安全機制，WEP64、WEP128、TKIP、AES加密機制，對于傳輸的數據具有很強的保密性，可以有效地保證其傳輸數據的安全性。比較符合本研究主要考慮降低無線傳感器節點功耗與提高數據傳輸安全性的問題。因此此次研究使用此種型號的Wi-Fi無線模塊。

1．4 系統的通信協議

由于無線傳感器節點的構成比較簡便，運行程序、使用功能所消耗的能量不能過多。因此其只能運行較為簡便的網絡協議[12]。無線傳感器節點的功耗問題是研究的一大方向，因此選擇網絡協議主要在此方向研究。在MAC通信協議中，有一種TRAMA（流量自適應介質訪問協議）可以增加節點的能量使用效率及提高網絡的吞吐量。TRAMA協議通過節點的時隙選擇在t時刻的優先級來進行序列，其公式為式（1）所示：

當節點i處于最高級并收集數據將要發送，則處于發送

收集單元通過傳感器收集數據信息后經過單片機處理后，經由無線模塊傳輸給主節點，顯示出數據信息，主節點根據實際需要來進行各種控制。

無線通信模塊如圖3所示。

圖3 無線通信模塊結構構成圖

單片機與Wi-Fi模塊的串口連接如圖4所示。

圖4 單片機與Wi-Fi模塊串口連接圖

在網絡的連接上選取星型網絡連接：星型無線網絡的拓撲結構如圖5所示。

圖5 星型無線網絡的拓撲結構

在連接Wi-Fi模塊與單片機時，要注意兩者的電壓問題。由于Wi-Fi模塊的電源和工作電壓都為3 V，而單片機的電壓都為5 V，因此兩者并不能直接進行相連，在Wi-Fi模塊的電壓處接一1117電壓轉換芯片，將5 V的電壓轉換成3.3 V的電壓來進行供電。在兩者的RXD與TXD串口連接時需進行連接以220 Ω的電阻，來解決兩者之間電壓的不同，防止出現傳輸數據問題。注意，在單片機的TXD輸出端上拉電阻來使系統可以啟動，進行正常工作。

在系統收集數據后，經單片機傳給Wi-Fi模塊，從節點在收到數據后，發送消息給主節點，主節點收到后，發送接受信息，從節點接受信息，完成應答，開始進行傳輸。從節點開始進行數據傳輸，數據按照定時時間進行傳輸，當數據高于一定數值時，直接進行傳輸，而不需考慮是否定時時間的到時；當主節點需要某時具體數據時，向從節點發送取數信息，從節點接收信息，從單片機調取某一時間數據進行發送，不需考慮定時時間的是否到達。

2.3 Wi-Fi模塊的使用

Wi-Fi模塊在使用前需要進行設定各項功能，如所處AP、STA模式，IP地址、密碼，SSID名稱，網絡協議參數等。

在進行Wi-Fi無線模塊的設定時，需使用專門的調試助手，用AT指令來進行各種設定。Wi-Fi無線模塊本身具有多種工作模式，將其設定為功耗模式3，當串口進入數據輸入時，開始工作，將數據進行發送。其余時刻進入休眠模式，降低本身功耗，可以有效地降低系統的功耗問題。

3 設計實驗結果

在進行數據輸入的仿真完成后，在確定Wi-Fi無線模塊可以進行正常的數據傳輸功能后，利用STC-ISP程序拷入軟件來將程序拷入硬件單片機中，開始進行系統實際電路的搭建連接。

在硬件電路連接完成后，通電開始進行數據的傳輸，傳輸數據結果如圖6所示。

圖6 系統接收數據顯示

有圖可見，主節點可以正常接受到從節點一和節點二發送過來的數據，每次發送時間間隔為10秒，兩節點間無相撞行為，可以正常傳輸，實現系統基本功能。

4 結論

系統通過收集數據，經過單片機傳給Wi-Fi無線模塊，通過傳感器網絡，將數據發送到主節點，進行數據顯示?；緦崿F了由無線傳感器節點組成星型網絡的數據傳輸方案，可以很好的完成數據的傳輸功能，并具有不錯的低功耗和系統的安全性。

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Research of multi-sensor access wireless sensor nodes

CAO Yuan1，XU Xiao-hui1，WANG Ting2，TAN Bo-mei1，SONG Tao1，SU Yan-mang1
（1.School of Electric Information Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China；2.Teaching and Research Section，The Chinese People’s Liberation Army 93756 Troops，Tianjin 300131，China）

Design of the universal multi-sensor wireless nodes for collecting environmental data，sensor nodes consist of sensor，microcontroller，wireless communication module，power supply and other components.According to the different environmental parameters，sensor can be replaced to find the appropriate sensor.Sensor output signal after single-chip computer storage and treatment via wi-fi wireless communication module and the other nodes of the star network topology of wireless sensor network system，comprehensive treatment to the master node，perform specific data collection.considering the low power of the system nodes and the security of the Wi-Fi wireless communication module，select the USR-C322 models of Wi-Fi module and communication protocols of TRAMA，setting the sleep mode，the system can be a normal data transmission.

sensor node；Wi-Fi；SCM；star network

TN6

A

1674－6236（2016）15-0135-03

2015-12-10 稿件編號：201512122

河北省科技支撐計劃（13210305D）；石家莊市科技支撐計劃（131130322A）

曹 源（1988—），男，河北定州人，碩士研究生。研究方向：集成電路應用。