一種藍(lán)牙傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　0 引 言

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）是由大量無(wú)處不在的，具有通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)密集分布在無(wú)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(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。如果說(shuō)因特網(wǎng)改變了人與人之間交流、溝通的方式，那么，WSNs則將邏輯上的信息世界與真實(shí)物理世界融合在一起，將改變?nèi)伺c自然交互的方式。為此，2003年，MIT技術(shù)評(píng)論在預(yù)測(cè)未來(lái)技術(shù)發(fā)展的報(bào)告中，將其列為改變世界的十大新興技術(shù)之一。

　　藍(lán)牙是一種短距無(wú)線通信的技術(shù)規(guī)范。由于藍(lán)牙具有工作在2.4 GHz的ISM（industrial，scientific and medi-cal）頻段；可以同時(shí)傳輸語(yǔ)音和數(shù)據(jù)；有很好的抗干擾能力和低功耗等特點(diǎn)。采用藍(lán)牙技術(shù)構(gòu)建由固定傳感器節(jié)點(diǎn)組成的藍(lán)牙傳感器網(wǎng)絡(luò)，是無(wú)線傳感器領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)新興的研究方向，可以在一些特殊的場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)信息的采集、處理和發(fā)送。

　　介紹了一種用于廣場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的藍(lán)牙傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，研究了藍(lán)牙傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位和電源問(wèn)題。最后，探討了WSNs領(lǐng)域內(nèi)存在的問(wèn)題和發(fā)展方向。

　　1 藍(lán)牙傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

　　整個(gè)藍(lán)牙傳感器網(wǎng)絡(luò)由若干藍(lán)牙傳感器節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控主機(jī)組成，其中，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)分布于需要監(jiān)測(cè)的廣場(chǎng)四周，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和傳輸?shù)裙ぷ鳎槐O(jiān)控主機(jī)放置在智能小車內(nèi)，通過(guò)藍(lán)牙模塊與傳感器節(jié)點(diǎn)通信。

　　1.1 藍(lán)牙傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

　　為了把信號(hào)輸入到終端，采用了藍(lán)牙，而沒(méi)有采用有線、紅外和光等進(jìn)行傳輸信號(hào)，原因在于它最適合短距離無(wú)線低功率通信，用它組建的傳感器網(wǎng)絡(luò)被稱為藍(lán)牙傳感器網(wǎng)絡(luò)。

　　為了對(duì)藍(lán)牙傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行直觀的說(shuō)明，構(gòu)建了藍(lán)牙傳感器網(wǎng)絡(luò)模型。藍(lán)牙傳感器網(wǎng)絡(luò)模型基于鄰近組網(wǎng)的原則，2個(gè)彼此靠近到一定程度的藍(lán)牙傳感器可以自發(fā)地由藍(lán)牙模塊建立通信鏈接。藍(lán)牙組網(wǎng)時(shí)最多可以有256個(gè)藍(lán)牙設(shè)備單元連接起來(lái)組成微微網(wǎng)（Piconet），其中，1個(gè)主節(jié)點(diǎn)和7個(gè)從節(jié)點(diǎn)處于工作狀態(tài)，而其他節(jié)點(diǎn)則處于空閑模式。主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)控制異步無(wú)連接（asynchronous connec-tionless，ACL）鏈接的帶寬，并決定微微網(wǎng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以占用多少帶寬及連接的對(duì)稱性。從節(jié)點(diǎn)只有被選中時(shí)才能發(fā)送數(shù)據(jù)，即從節(jié)點(diǎn)在發(fā)射數(shù)據(jù)前必須接受輪詢。微微網(wǎng)絡(luò)之間可重疊交叉，從設(shè)備單元可以共享。由多個(gè)相互重疊的微微網(wǎng)組成的網(wǎng)絡(luò)稱為散射網(wǎng)（Seatternet）。

　　用于廣場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)是由預(yù)先放置在廣場(chǎng)四周的傳感器節(jié)點(diǎn)組成微微網(wǎng)，各微微網(wǎng)組成散射網(wǎng)。其網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。節(jié)點(diǎn)具有傳感、信號(hào)處理和無(wú)線通信功能，它們既是信息包的發(fā)起者，也是信息包的轉(zhuǎn)發(fā)者。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自組織和多跳路由，將數(shù)據(jù)向監(jiān)控發(fā)送。

　　1.2 藍(lán)牙傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位

　　節(jié)點(diǎn)定位機(jī)制是指依靠有限的位置已知節(jié)點(diǎn)，確定布設(shè)區(qū)中其他節(jié)點(diǎn)的位置，在傳感器節(jié)點(diǎn)間建立起空間關(guān)系的機(jī)制。在大多數(shù)情況下，只有結(jié)合位置信息，傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取的數(shù)據(jù)才有實(shí)際意義。另外，對(duì)藍(lán)牙傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究也要利用節(jié)點(diǎn)的位置信息。在網(wǎng)絡(luò)層，因?yàn)樗{(lán)牙傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)無(wú)全局標(biāo)志，設(shè)計(jì)了基于節(jié)點(diǎn)位置信息的路由算法；在應(yīng)用層，根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置，藍(lán)牙傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以智能地選擇一些特定的節(jié)點(diǎn)來(lái)完成任務(wù)，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的能耗，提高系統(tǒng)的存活時(shí)間。

　　由于設(shè)計(jì)的藍(lán)牙傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)位置固定，可以采用基于測(cè)距的節(jié)點(diǎn)定位機(jī)制。通過(guò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)問(wèn)點(diǎn)到點(diǎn)的距離，使用最大似然估計(jì)法計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置。基于測(cè)距定位機(jī)制要求2個(gè)節(jié)點(diǎn)具有測(cè)量相互間距離的能力。采用了TDOA（time difference on arrival）：測(cè)距技術(shù)。在節(jié)點(diǎn)上安裝超聲波收發(fā)器和藍(lán)牙收發(fā)器。測(cè)距時(shí)，在發(fā)射端，2種收發(fā)器同時(shí)發(fā)射信號(hào)，利用聲波與電磁波在空氣中傳播速度的巨大差異在接收端通過(guò)記錄2種不同信號(hào)到達(dá)時(shí)間的差異，基于已知信號(hào)傳播速度，直接把時(shí)間轉(zhuǎn)換為距離。該技術(shù)的測(cè)距精度可達(dá)到厘米級(jí)，但受限于超聲波傳播距離有限和非視距（NLOS）問(wèn)題對(duì)超聲波信號(hào)的傳播影響。

　　2 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)主要包括：硬件的設(shè)計(jì)、軟件的設(shè)計(jì)和電源的設(shè)計(jì)。

　　2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)總體設(shè)計(jì)

　　在不同的應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)也各不相同，但是，它們的基本結(jié)構(gòu)是一樣的。根據(jù)具體需要，設(shè)計(jì)出的傳感器節(jié)點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、無(wú)線通信子系統(tǒng)和電源子系統(tǒng)構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

　　2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　傳感器節(jié)點(diǎn)主要由超低功耗處理器、各種傳感器及其輔助電路構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)原理圖如圖3所示。

　　2.3 電源問(wèn)題

　　電源問(wèn)題是WSNs中的關(guān)鍵問(wèn)題。只有提供長(zhǎng)期有效的能源才能使傳感器網(wǎng)絡(luò)降低維護(hù)運(yùn)行成本，進(jìn)一步體現(xiàn)其巨大優(yōu)勢(shì)。為了最大限度節(jié)約電能，在節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)以最快的速度執(zhí)行任務(wù)，一旦有可能就進(jìn)入節(jié)能模式。在節(jié)能模式中，通過(guò)電源管理電路，將除單片機(jī)、藍(lán)牙模塊和硬件看門狗以外器件的供電切斷。這時(shí)只有硬件看門狗、單片機(jī)的串口中斷邏輯和藍(lán)牙模塊消耗電能，可以最大限度地節(jié)約電能。

　　節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，執(zhí)行完必須的任務(wù)，包括初始化藍(lán)牙設(shè)備，獲得本地地址等，就進(jìn)入節(jié)能模式。進(jìn)入節(jié)能模式后，如果監(jiān)控中心需要訪問(wèn)該節(jié)點(diǎn)，就通過(guò)藍(lán)牙模塊喚醒該節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)。

　　2.3.1 電源管理

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)的電源管理采用動(dòng)態(tài)功率管理模式是降低系統(tǒng)耗能的有效設(shè)計(jì)方法。動(dòng)態(tài)功率管理是一種有效地能夠在降低系統(tǒng)功率消耗而不影響系統(tǒng)性能的辦法。最基本的思想就是傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部各個(gè)設(shè)備在不需要時(shí)關(guān)閉，而在需要時(shí)喚醒。從而可以使傳感器適時(shí)進(jìn)入相應(yīng)的低功耗模式，降低總體能量消耗。動(dòng)態(tài)功率管理技術(shù)適用的基本前提是，系統(tǒng)元件在工作時(shí)間內(nèi)有著不相同的工作量，大多數(shù)的系統(tǒng)都具有此種情況。另一個(gè)前提是，可以在一定程度上確信能夠預(yù)知系統(tǒng)、元件的工作量的波動(dòng)性。這樣才有轉(zhuǎn)換耗能狀態(tài)的可能，并且，在對(duì)工作量的觀察和預(yù)知的時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)不可以消耗過(guò)多的能量。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)成傳感器節(jié)點(diǎn)的各個(gè)模塊有不同的功率狀態(tài)，因而，電源管理采用動(dòng)態(tài)功率管理是比較合適的。動(dòng)態(tài)功率管理系統(tǒng)中，不同元件的工作狀態(tài)要?jiǎng)討B(tài)地適應(yīng)不同程度的性能要求，只有這樣才能最小化空閑時(shí)間浪費(fèi)的能量或者無(wú)用元件浪費(fèi)的能量。對(duì)于電源管理實(shí)施時(shí)間的判斷，要用到動(dòng)態(tài)預(yù)知方法，根據(jù)歷史的工作量預(yù)測(cè)即將到來(lái)的工作量，決定是否轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)和何時(shí)喚醒。

　　2.3.2 能耗的降低措施

　　1） 采用系統(tǒng)芯片技術(shù)、MEMS技術(shù)、特定用途集成電路等新技術(shù)可以大大減少傳感器網(wǎng)絡(luò)部件，減少能耗；

　　2） 采用傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠減少網(wǎng)絡(luò)通信量，降低數(shù)據(jù)冗余度，提高能量效率；

　　3） 減少傳輸誤差也能降低能量的消耗。

　　2.4 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

　　在網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)固定的地址（由藍(lán)牙模塊地址決定），其中，連接于監(jiān)控主機(jī)的傳感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)，它采用串行接口與藍(lán)牙模塊和監(jiān)控主機(jī)通信。數(shù)據(jù)的傳送采用主從站方式，與監(jiān)控主機(jī)連接的節(jié)點(diǎn)作為主站，控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信時(shí)序；其他節(jié)點(diǎn)作為從站，可以被主站尋址。

　　傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)分為主機(jī)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和從節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)2個(gè)部分。主節(jié)點(diǎn)主要完成采集各從節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析、處理數(shù)據(jù)；從節(jié)點(diǎn)主要完成各種傳感器原始數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理工作。

　　2.4.1 主節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

　　主節(jié)點(diǎn)中，監(jiān)控主機(jī)與主機(jī)控制器（藍(lán)牙模塊）之間是通過(guò)藍(lán)牙主機(jī)控制器接口（host controller interface．HCI）收發(fā)分組（Packet）的方式進(jìn)行信息交換的。主機(jī)控制器執(zhí)行監(jiān)控主機(jī)指令后產(chǎn)生結(jié)果信息，主機(jī)控制器通過(guò)相應(yīng)的事件分組將此信息發(fā)給監(jiān)控主機(jī)。在藍(lán)牙傳感器網(wǎng)絡(luò)中，主節(jié)點(diǎn)上的藍(lán)牙模塊與其他節(jié)點(diǎn)的藍(lán)牙模塊最簡(jiǎn)單的ACL數(shù)據(jù)通信流程有5個(gè)步驟：藍(lán)牙模塊自身初始化、查詢、建立連接、進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和斷開(kāi)連接。主節(jié)點(diǎn)程序的流程圖如圖4所示。

　　依據(jù)處理后的數(shù)據(jù)既可以實(shí)時(shí)掌握廣場(chǎng)環(huán)境信息，對(duì)突發(fā)事件及時(shí)采取相應(yīng)措施，還能根據(jù)廣場(chǎng)上的亮度情況來(lái)設(shè)定照明亮度和照明時(shí)間，既能預(yù)警，又節(jié)能。

　　2.4.2 從節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

　　從節(jié)點(diǎn)程序主要完成采集各種傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)初步處理后傳送給主節(jié)點(diǎn)，其程序流程圖如圖5所示。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用主從站結(jié)構(gòu)，由主站統(tǒng)一控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信時(shí)序。節(jié)點(diǎn)以低功耗單片機(jī)ATmega128L為核心，采用藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信。在軟件方面，采用串口中斷的方法接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)使用電池供電，利用單片機(jī)的節(jié)能模式，可以最大限度節(jié)約電能，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的使用壽命。實(shí)驗(yàn)表明：采用這種模式建立的WSNs穩(wěn)定可靠，通信效率高。