基于WSN節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)智能自治測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：付耀先;何洪路;劉海濤

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是由大量無處不在的、具有通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)密集布設(shè)在無人值守的監(jiān)控區(qū)域而構(gòu)成的能夠根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的智能自治測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于航天、航空、國防、電力、能源、環(huán)境、醫(yī)療、災(zāi)難預(yù)警、空間探索等領(lǐng)域。2003年，MIT技術(shù)*論在預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展的報(bào)告中，將其列為改變世界的十大新技術(shù)之一。一般情況下，WSN節(jié)點(diǎn)采用隨機(jī)散布的方式，且存在著功耗受限、通信能力受限、計(jì)算能力受限、存儲能力受限等問題，因此對設(shè)計(jì)提出了較高要求。

WSN的應(yīng)用環(huán)境多樣，存在所接前端探測器不相同、布設(shè)環(huán)境不一樣的可能。特別在隨機(jī)布設(shè)時(shí)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)所處的位置及相隔的距離無法預(yù)先確定。探測器的不同及對數(shù)據(jù)處理方式不同，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量可能不同。同時(shí)，布設(shè)的環(huán)境可能為城區(qū)、郊區(qū)、山地等不同環(huán)境。要在多變的傳輸需求和環(huán)境下實(shí)現(xiàn)良好的通信，傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)必須具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，即可以通過調(diào)整自身的通信參數(shù)滿足不同傳輸要求。因此需要WSN節(jié)點(diǎn)具有相當(dāng)?shù)撵`活性。

目前在WSN節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)上，大多將信息處理模塊與通信模塊隔離開來，分別采用不同的硬件進(jìn)行處理，通信模塊基本采用現(xiàn)有成熟產(chǎn)品。這樣設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，缺乏整體考慮，難以在體積功耗上進(jìn)行最小化的設(shè)計(jì)，且由于通信模塊固定，不能同時(shí)適應(yīng)具有不同傳輸數(shù)據(jù)量、不同傳輸速率和不同誤碼率要求的系統(tǒng)。而這些條件是WSN中是應(yīng)滿足的常見要求。

本文給出基于整體性能優(yōu)化、具有相當(dāng)靈活性、能夠滿足自適應(yīng)通信要求的WSN節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)方案，并就能耗與通信的適應(yīng)性進(jìn)行分析。

1 工作環(huán)境與通信體制

在考慮傳感器節(jié)點(diǎn)的通信方式前，需要首先考慮傳感器的布設(shè)環(huán)境。傳感器節(jié)點(diǎn)間一般通過無線方式進(jìn)行信息交互；傳感器節(jié)點(diǎn)的布設(shè)環(huán)境多為近地環(huán)境，直達(dá)的視距信號較少，多為衍射或折射后到達(dá)的信號，存在較多的多徑干擾；傳感網(wǎng)的布設(shè)具有不定性，節(jié)點(diǎn)間距離不一定相等；傳感器節(jié)點(diǎn)間的信息交互量較少。同時(shí)，由于傳感器節(jié)點(diǎn)大規(guī)模散布，需要減少對其他系統(tǒng)的干擾并提高自身抗干擾能力，并具備信息安全保密功能。

由于直達(dá)的視距信號較少，需要采用能有效利用多徑方式實(shí)現(xiàn)通信。擴(kuò)頻通信體制能很好地適應(yīng)多徑傳輸環(huán)境，且可通過擴(kuò)頻增益的更改調(diào)整自身通信靈敏度，在距離近時(shí)能提高傳輸速率減小信息碰撞，在距離遠(yuǎn)時(shí)能通過有效提高靈敏度的方式來實(shí)現(xiàn)和其他節(jié)點(diǎn)的通信及自適應(yīng)通信，同時(shí)考慮到信息保密安全的問題，采用直接序列擴(kuò)頻通信體制作為WSN的主要通信方式。由于信息交互量較小，且系統(tǒng)無中心節(jié)點(diǎn)，所以適合采用異步通信體制。

由于WSN的應(yīng)用環(huán)境不定，電磁環(huán)境中可能存在固定頻點(diǎn)干擾，因此設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要求能在多個(gè)頻點(diǎn)上跳轉(zhuǎn)工作，對存在干擾的頻點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)干擾避免。

系統(tǒng)采用擴(kuò)頻通信方式時(shí)，發(fā)射信號為：

S（t）=N（t）D1（T）cos（2πft）+N（t）D2（T）sin（2πft）（1）

其中：N（t）為偽隨機(jī)碼，D1（T）和D2（T）為待傳送數(shù)據(jù)，cos（2πft）和sin（2πft）為調(diào)制載波信號。t為時(shí)間單元，T為碼元持續(xù)時(shí)間，f為載波頻率。

為滿足自適應(yīng)通信需求，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要求T和f可調(diào)。

當(dāng)T=Mt時(shí)，擴(kuò)頻增益為A=10log10M；當(dāng)T=t時(shí)，擴(kuò)頻增益為0，此時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速率最高；當(dāng)T=13t時(shí)，擴(kuò)頻增益為11.1394dB，當(dāng)T=1023t時(shí)，擴(kuò)頻增益為30.1030dB。

設(shè)在T=t時(shí)系統(tǒng)靈敏度為SNR=-SdB，則當(dāng)T=Mt時(shí)，系統(tǒng)靈敏度為SNR=-（S+A）dB。

f的變化帶來傳播損耗的變化，頻率越低，傳播損耗越小，繞射性越好。當(dāng)需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸或和接收端無法建立聯(lián)系時(shí)，可以將發(fā)射頻率降到最小。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到系統(tǒng)的硬件體積功耗，實(shí)現(xiàn)硬件功能軟件化及復(fù)用，同時(shí)盡量降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度。本設(shè)計(jì)中的WSN節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)傳感探測信息處理、協(xié)議控制、處理后的信息發(fā)送及接收等功能，其硬件平臺組成如圖1所示。該硬件平臺采用DSP作為主要的信息處理平臺及系統(tǒng)運(yùn)作控制器，DSP軟件存儲于FLASH中（包括協(xié)議控制模塊、信息處理模塊和通信處理模塊等），通過DSP啟動(dòng)相應(yīng)的硬件電路及調(diào)用不同的軟件模塊來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

協(xié)議控制模塊為主運(yùn)行模塊，根據(jù)約定的流程實(shí)現(xiàn)硬件電路的調(diào)用控制、參數(shù)更改及信息處理和通信處理軟件模塊的協(xié)調(diào)調(diào)用、參數(shù)更改，使軟硬件配合實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能。

信息處理模塊和探測器、調(diào)理電路及值守單片機(jī)組成信息處理單元，完成傳感信息的探測、模式識別分析、融合處理及目標(biāo)報(bào)警等功能。探測器將探測到的模擬信息通過調(diào)理電路的信號放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換后送至單片機(jī)進(jìn)行預(yù)處理；單片機(jī)進(jìn)行初步的處理分析，發(fā)現(xiàn)信號后給DSP中斷；DSP收到中斷后啟動(dòng)相應(yīng)的處理程序進(jìn)行進(jìn)一步的信號處理分析，對目標(biāo)的有無及目標(biāo)種類進(jìn)行確切分析。分析確認(rèn)目標(biāo)后給協(xié)議控制模塊中斷信號，以提示報(bào)警。

通信處理模塊和外圍的射頻電路及相應(yīng)的輔佐器件組成通信單元，包括發(fā)射和接收兩大部分。系統(tǒng)采用零中頻方案，將頻率較高的處理放在模擬器件中完成，可以降低AD、DA采樣頻率，減少數(shù)字運(yùn)算工作量，達(dá)到節(jié)省功耗的目的。在射頻模塊中采用一次上變頻和一次下變頻的處理，可以減少系統(tǒng)復(fù)雜度，節(jié)省硬件體積。在收發(fā)切換上采用電子開關(guān)進(jìn)行時(shí)分雙工，收時(shí)不發(fā)，發(fā)時(shí)不收，可以有效減小系統(tǒng)體積，且和協(xié)議配合實(shí)現(xiàn)通信功能時(shí)可節(jié)省功耗。射頻的頻率合成器可對收發(fā)頻率進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻點(diǎn)的信息收發(fā)。需要注意的是，由于該系統(tǒng)前端濾波處理抑制度不夠，故可能存在較多的大信號干擾，這對AD器件的轉(zhuǎn)換精度提出了較高的要求，同時(shí)為達(dá)到較好的效果，需要在DSP內(nèi)進(jìn)行數(shù)字濾波。DSP可對AGC和VCO進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對信號幅度及本地載波頻率相位的調(diào)整。

系統(tǒng)將整個(gè)時(shí)間段劃分為目標(biāo)探測時(shí)間段、發(fā)射時(shí)間段和接收時(shí)間段。各個(gè)節(jié)點(diǎn)處于發(fā)射和接收態(tài)的時(shí)間不同，具體時(shí)間根據(jù)協(xié)議約定結(jié)果進(jìn)行設(shè)置。通常，處于信息中轉(zhuǎn)的節(jié)點(diǎn)在其他節(jié)點(diǎn)處于發(fā)射態(tài)時(shí)需處于接收態(tài)，且大多數(shù)時(shí)間處于接收態(tài)，同時(shí)可以根據(jù)系統(tǒng)布設(shè)的密度和需要進(jìn)行接收及發(fā)射的時(shí)間設(shè)置。

各個(gè)節(jié)點(diǎn)收發(fā)時(shí)間的交錯(cuò)可減少系統(tǒng)沖突的概率。設(shè)傳感網(wǎng)中8個(gè)節(jié)點(diǎn)均與Sink節(jié)點(diǎn)通信，則Sink節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)設(shè)置如圖2所示。

當(dāng)Sink節(jié)點(diǎn)處于發(fā)射態(tài)時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)均處于接收態(tài)；反之，當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)處于發(fā)射態(tài)時(shí)，Sink節(jié)點(diǎn)處于接收態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定，將節(jié)點(diǎn)劃分為不同的簇，不同簇間節(jié)點(diǎn)的發(fā)射時(shí)間可以互相交錯(cuò)，其提前或滯后時(shí)間為一個(gè)常見信息幀的發(fā)送時(shí)間。這樣在一簇節(jié)點(diǎn)僅有一個(gè)信息上傳時(shí)，基本可以實(shí)現(xiàn)時(shí)分，從而減少信息沖突。

系統(tǒng)工作狀態(tài)如圖3所示。

系統(tǒng)開機(jī)后，首先進(jìn)入?yún)f(xié)議控制態(tài)，協(xié)議控制態(tài)根據(jù)約定流程進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并將單片機(jī)探測目標(biāo)中斷優(yōu)先級設(shè)置到最高，一旦該中斷觸發(fā)，即通過硬件DMA將數(shù)據(jù)信號送入RAM中存儲，等待處理。當(dāng)發(fā)射時(shí)間片到時(shí)，協(xié)議控制模塊檢測是否有信號待發(fā)送。如無，則進(jìn)入休眠態(tài)；如有，則進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)，發(fā)射完畢后返回協(xié)議控制態(tài)；如仍處于發(fā)射時(shí)間段，協(xié)議控制模塊控制轉(zhuǎn)入休眠態(tài)。當(dāng)接收時(shí)間片到，系統(tǒng)進(jìn)入接收態(tài)，隨時(shí)進(jìn)行信號的接收，直至接收時(shí)間片結(jié)束為止。當(dāng)進(jìn)入目標(biāo)探測時(shí)間片時(shí)，對存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析是否存在信號，并將分析結(jié)果上報(bào)給協(xié)議控制模塊。

主要的自適應(yīng)通信模塊處于DSP中，其軟件功能實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

通信模塊采用直接序列擴(kuò)頻方式，可通過擴(kuò)頻增益的更改來獲得不同的靈敏度，以滿足不同數(shù)據(jù)速率及傳輸距離的要求。擴(kuò)頻碼為0～1 023位的Gold碼，擴(kuò)頻增益存在30dB的差別，更高的擴(kuò)頻增益意味著更高的靈敏度和更遠(yuǎn)的傳輸距離。

信道編解碼模塊參數(shù)可調(diào)整，根據(jù)系統(tǒng)接收效果設(shè)置不同的參數(shù)。當(dāng)對信息誤碼率要求不高、而對信息的傳輸速率要求較高時(shí)，可視傳輸信道情況適當(dāng)降低信道編解碼的糾錯(cuò)能力，反之則可提高。

調(diào)制方式采用QPSK/OQPSK。發(fā)射濾波處理為對信號進(jìn)行成型濾波，接收濾波處理為相應(yīng)的匹配濾波。

3 主芯片器件性能及能量管理

選用Blackfin533作為主要的數(shù)字處理器件。Blackfin系列DSP是美國模擬器件公司（簡稱ADI）基于微信號體系結(jié)構(gòu)的DSP，是專為滿足嵌入式音頻、視頻和通信應(yīng)用的計(jì)算要求和功耗約束條件而設(shè)計(jì)的16到32 位嵌入式處理器。它將一個(gè)32 位RISC型指令集和雙16位乘法累加（MAC）信號處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在一起，能夠同時(shí)滿足信號處理和控制處理應(yīng)用的需求，從而極大地簡化了硬件和軟件設(shè)計(jì)。其處理速度快（ADSP-BF533處理速度可達(dá)750MHz）、功耗低的特點(diǎn)更適合WSN應(yīng)用。

同時(shí)，Blackfin 處理器基于一種選通時(shí)鐘內(nèi)核設(shè)計(jì)，可按照逐條指令選擇切斷功能單元的電源。通過內(nèi)部的動(dòng)態(tài)電源管理模塊對工作頻率和電壓進(jìn)行獨(dú)立控制，以滿足正在執(zhí)行的算法性能要求。這些轉(zhuǎn)換可以在一個(gè) RTOS（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）或用戶固定的控制之下連續(xù)出現(xiàn)。大多數(shù) Blackfin 處理器都提供了片上內(nèi)核穩(wěn)壓電路，并可在低至0.8V的電壓條件下工作，因而特別適合于需要低功耗的便攜式應(yīng)用。

降低工作頻率后，能量節(jié)省因子可表示為：

fCCLKRED為降頻后的時(shí)鐘頻率，fCCLKNOM為正常狀態(tài)下的時(shí)鐘頻率，VDDINTRED為降頻工作后的電壓，VDDINTNOM為正常狀態(tài)下的電壓，TRED為降頻后工作時(shí)間，TNOM為正常狀態(tài)下的工作時(shí)間。

Blackfin處理器支持的轉(zhuǎn)換狀態(tài)如表1所示。

Blackfin533在各種不同狀態(tài)下的功耗如表2所示。其中，IDDTYP為典型應(yīng)用情況下的電流，IDDSLEEP為休眠狀態(tài)下的情況，IDDDEEPSLEEP為深度休眠狀態(tài)下的情況，IDDHIBERNATE為關(guān)掉電源管理后的電流（VDDEXT=3.65V，VDDINT=0V），IDDRTC為VDDRTC=3.3V時(shí)測得的電流。

電壓標(biāo)志含義如表3所示。

4 系統(tǒng)性能分析

下面從自適應(yīng)通信和傳輸距離的關(guān)系及能耗兩個(gè)方面來分析系統(tǒng)的性能。

（1）系統(tǒng)路徑損耗與傳輸距離/傳輸頻率的關(guān)系

系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置為：

最大擴(kuò)頻增益：30dB

射頻頻率變化范圍：200MHz“2GHz

發(fā)射機(jī)天線高度：5m

接收機(jī)天線高度：2m

最高速率時(shí)系統(tǒng)靈敏度：80dB

具有代表意義的傳播為自由空間傳播和近地傳播。首先觀察在自由空間傳播中的情況。

設(shè)原有系統(tǒng)的靈敏度為-80dB，傳輸頻率為400MHz，在增加30dB的擴(kuò)頻增益后，在自由空間中傳輸距離可增加近20km。且頻率越高，這種增長的趨勢越明顯。

以Hata模型為例說明在其他環(huán)境下的對比情況。Hata模型是根據(jù)Okumura曲線圖所作的經(jīng)驗(yàn)公式，頻率范圍為150MHz”1 500MHz，以市區(qū)傳播模型損耗為標(biāo)準(zhǔn)，其他地區(qū)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，適用于半徑超過1km的大區(qū)域移動(dòng)系統(tǒng)。

設(shè)系統(tǒng)工作頻點(diǎn)為400MHz，則在不同環(huán)境下，系統(tǒng)的損耗與傳輸距離關(guān)系如圖5所示。在城區(qū)環(huán)境下，系統(tǒng)的損耗較大，傳輸距離較近，30dB的增益僅能提升3km的距離。但如果增大發(fā)射功率，仍可獲得較好的效果。

（2）系統(tǒng)能耗分析

各個(gè)狀態(tài)符號的含義如表4。各部分能耗設(shè)定如表5所示。

協(xié)議控制態(tài)下系統(tǒng)功耗為：Dw+Cw+Tw

發(fā)射態(tài)下系統(tǒng)功耗為：Dw+Sw+Cw+Tw

接收態(tài)下系統(tǒng)功耗為：Dw+Rw+Cw+Tw

分析態(tài)下系統(tǒng)功耗為：Dw+Cw+Tw

休眠態(tài)下系統(tǒng)功耗為：Ds+Cw+Tw

系統(tǒng)總功耗為：

P=（Dw）X%+（Dw+Sw）（S%SZ%））+（Dw+Rw）R%+（Dw）A%AZ%+（Ds）［S%（1-SZ%）+A%（1-AZ%）］+Cw+Tw

本文所述的WSN節(jié)點(diǎn)在相同的硬件平臺上通過軟件方式實(shí)現(xiàn)多種通信模式，獲得不同的系統(tǒng)靈敏度，具有靈活的適應(yīng)性，且具有干擾檢測避免的功能，適合各種復(fù)雜環(huán)境下的通信，還具有小體積低功耗的特點(diǎn)，滿足WSN節(jié)點(diǎn)要求。

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