摘要：該文將對電流檢測節點的組網通信加以研究。首先對射頻組網的通信協議（幀格式）進行解析；之后分析設計節點的各功能模塊和硬件電路。

關鍵詞：射頻；節點；傳感器

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)28-0053-03

A Forming Net Design of Radio Network

JIAN Lin-xiang

(Computer and Information College Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 350002，China)

Abstract:This paper will research forming net communication of galvanoscopy nodes.First of all，it'll resolve communication protocols(frame format) of radio forming net;then，it'll analyse and design every function module and hardware circuit of nodes.

Key words:radio;node;sensor

1 引言

該文將對電流檢測節點的組網通信加以研究。首先對射頻組網的通信協議（幀格式）進行解析；之后分析設計節點的各功能模塊和硬件電路，具體有信息處理模塊、串口和射頻通信模塊、電源控制器、能耗管理和模塊間的接口；在硬件電路設計的基礎上設計組網方式及軟件算法。

2 射頻網絡

2.1 射頻網絡概述

射頻無線傳感器網絡（RF Wireless Sensor Network）綜合了微電子技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等先進技術，由部署在監測區域內的成千上萬微型傳感器節點組成的，并且以隨機方式散布，并且要滿足在多變的傳輸需求和環境下實現良好的通信，傳感網節點必須具有良好的環境適應性，即可以通過調整自身的通信參數滿足不同傳輸要求。

2.2 數據傳輸

射頻網絡通信協議采用半雙工通信方式。通信鏈路的建立與解除均由遠程監管終端發出的信息幀控制。根據項目需求及程序設計需要，自行設計了數據傳輸協議，其幀格式如表1所示，由幀起始符、地址域、控制碼、數據長度、數據域、幀信息縱向校驗碼及幀結束符7個部分組成。每部分由若干字節組成。

3 射頻網絡節點的功能模塊

3.1 網絡節點功能描述

目前的射頻傳感器網絡大多數都包括簡單信息處理模塊、數據存儲模塊、通信模塊、電源模塊等必備功能單元。在設計上，大多將信息處理模塊與通信模塊合而為一，一塊芯片里面既有MCU（微控制處理單元），同時又含有通信模塊，這樣設計的系統，缺乏靈活性考慮，難以在體積功耗上進行最小化的設計，且由于通信模塊固定，不能同時適應具有不同傳輸數據量、不同傳輸速率和不同誤碼率要求的系統。而這些條件在WSN中是應滿足的常見要求。本系統分別采用不同的硬件進行處理，將信息處理模塊和通信模塊隔離開來[1]，均采用市場現有成熟產品，使性能優化，具有相當靈活性、能夠滿足自適應通信要求，同時充分考慮了成本因素，克服了后期大規模推廣中的成本瓶頸。

下面各小節將分節討論各個功能模塊的實現和關鍵技術。

3.2 信息處理模塊

信息處理模塊是傳感器網絡節點的核心部分，一方面接收來自傳感器的測量數據，按要求對數據進行處理和計算等，交給通信模塊發送；另一方面讀取通信模塊送入的數據信息，對硬件平臺其它模塊的操作進行控制。

有關程序運行流程將在射頻網絡組網設計中介紹。

3.3 射頻通信模塊

基于射頻網絡所要求的數據傳輸速率不高、傳輸距離相對節點能耗控制要求嚴格的特點，綜合研究比較了幾類無線收發模塊，選用桑銳電子的SRWF-506型無線數傳模塊。

該模塊采用高效FEC前向糾錯技術結合高性能的無線射頻IC，比一般的射頻模塊的基礎上添加了適當的功率放大器增加了通信距離，可以和該系列的其他產品進行無線通信，如SRWF-501、SRWF-505、SRWF-507、SRWF-508，因此增大了使用靈活性。在傳輸方面具有很強的抗干擾能力，基于FSK的調制方式，采用高效通信協議，在信道誤碼率為10-2時，可得到實際誤碼率10-5～10-6。

3.4 串口通信模塊

節點的串口通信模塊主要負責PC機與射頻探測器節點之間的通信，以及在網絡中的網關節點（main節點）中含有的串口通信，用來對手持設備的通信。網關節點是射頻網絡中所特有的，主要向下級節點發送查詢命令，同時散布在外界環境中的網絡節點將采集到的信號信息通過多跳轉發至main節點并通過串口送至遠程終端或手持設備。由于所選MCU具有片內UART[2]，因此實現串口通信比較容易，但需要進行電平轉換，因為單片機和上位機進行通信的電平是不同的，串口通信電路的設計采用MAX3232實現TTL電平與PC機或其他RS232接口電平的轉換。

3.5 電源控制器

監測器節點供電系統為太陽能電池系統，它含有太陽能電池、太陽能充電控制器和蓄電池三部分。由于采集和無線收發等電路是安裝在戶外，并且采集和無線首發單元是微功耗，故采用太陽能和蓄電池提供補充能源。在日照良好的情況下，太陽能電池經太陽能充電控制器向蓄電池充電，以保證電源系統正常工作。在連陰雨天氣，無日照情況下，充好電的蓄電池則對節點供電，保證其正常運行。

3.6 能耗管理

如本節開始所述，射頻無線網絡節點設計是一個功率受限系統，在整個硬件平臺的設計中，節能一直是本文考慮的一個重要因素，此因素決定節點單元的實用性，因此必須考慮其各個狀態工作時系統的功耗，為節點單元的收發信號窗口長度的確定提供依據。節點節能的最主要的方式是休眠機制。當節點目前沒有傳感任務并且不需要為其他節點轉發數據時關閉節點的通信模塊、數據采集模塊以節約能量。這樣，一個傳感任務發生時，只有與之相鄰的區域內的傳感節點處于活動狀態，才能形成一個活動區域，這點非常重要。活動區域隨著數據向main節點傳送而移動，原來活動的節點在離開活動區域后就可以轉入休眠模式從而節省能量。另外，由于處理器系統中有一個活動模式和另外五種低功耗模式，所以通過指令控制處理器的時鐘打開與關閉（即采用不同的工作模式），實現對總體功耗的控制來達到節能的目的。

3.7 模塊間接口

網絡節點采集的各類數據通過無線模塊（RS232/485）傳送給遠程監管終端（或手持設備），遠程監管終端把數據進行本地保存，通過GPRS網絡把數據傳送給遠程監管中心。手持機通過RS232與遠程監管終端通信。

如圖1所示，電流采集節點內各模塊間接口包括電源供電部分和MCU的接口、射頻模塊和MCU的接口、數據采集模塊和MCU的接口等。

4 射頻網絡組網設計

4.1 射頻網絡傳輸原理

當有信號激活網絡節點或節點的上報時間到達，射頻傳感器會將檢測到的信號采集存儲下來，射頻網絡將以無線接力通訊方式自動在各網絡節點之間將此信息送至遠程監管終端。基于無線射頻數據傳輸原理如圖2所示。

圖2給出了5個網絡節點（N1~N5）時的情況，當N5收到信號或節點的上報時間到達則被激活，經過處理模塊將數據處理后信息被送至N4；N4首先判斷信息的ID，發現是自己的ID號，則將該信息接收下來，經處理后提出目的ID號，與自己的ID進行比較發現最終目的地不是自己，則將發送節點的ID進行修改，改為N4的ID，轉發給下一個；N3判斷信息的ID，發現是自己的ID號，則將該信息接收下來，經處理后提出目的ID號，與自己的ID進行比較發現最終目的地不是自己，則將發送節點的ID進行修改，改為N3的ID，轉發給下一個；最后由main節點收到該信息，經判斷是發給自己，則不再轉發，存儲下來，等待上報給監管中心。

射頻傳輸網絡接力傳輸工作原理如圖3所示，1號節點主動呼叫，最先接到射頻信號的是2號節點，如2號節點此時工作正常，則立即回傳一個應答信號（如有數據，則順帶捎回），當2號節點出現故障，則信息通過ID識別的方式呼叫下一個節點，確認機制為三次確認。下一個節點收到信息后，存儲并處理，同時更改ID號繼續呼叫下個節點。依次類推直至最末一個節點，則最末節點回傳告知最后節點的ID號，此時從最末節點開始回傳預設的相關采集信號，前一個節點收到后一個節點的數據后立即給出確認。如果在信號回傳途中出現節點故障，則進行3次確認跳傳，收到信號后仍然給出確認，直至信號回傳到節點1。

4.2 網絡節點軟件設計

系統開機后首先進入協議控制態，協議控制態根據約定流程進行狀態轉換，并將單片機探測目標中斷優先級設置到最高，一旦中斷觸發，即通過硬件將數據信號送入MCU存儲等待處理。當發射時間片到時，協議控制模塊檢測是否有信號待發送[3]。如無，則進入休眠態；如有，則進仍處于發射時間段，發射完畢后進入協議控制態；如處于發射時間段，協議控制模塊控制轉入休眠態。

當接收時間片到，系統進入接收態，隨時進行信號的接收，直至接收時間片結束為止。當進入目標探測時間片時，對存儲的數據進行處理，分析是否存在信號，并將分析結果上報給協議控制模塊。

網絡節點狀態機分為主控制態、分析態、休眠態、接收態和發送態；節點的大部分時間均處于休眠態，不工作，目的是節約功耗，一旦有信號觸發，立即結束休眠進入主控制態，根據控制碼標簽指示選擇工作態；如此時是從外界接收信號，進入接收態，一幀字符接收完畢，立即回主控制態等待指令；當接收完字節后進行處理則進入分析態。

主程序片斷如下：

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Init( )是初始化函數，用于初始化系統各個參數，包括寄存器、控制器等控制字的寫入，Read_ADC( )是單片機和A/D的控制接口函數，用于讀取由數模轉換后的數字信號量，Save_AlarmData( )函數用于存儲告警上報信號，Time( )定時器的軟件擴展，為各部分提供軟件定時標志位，RF_Process( )是處理函數，包括發送、接收在內的功能均由該函數完成。

4.3 數據沖突避免算法

協議控制模塊為主運行模塊，根據約定的流程實現硬件電路的調用控制、參數更改及信息處理和通信處理，軟件模塊的協調調用、參數更改，使軟件硬件配合實現整個系統功能。

各采集終端之間彼此完全獨立，相互之間并不了解其他終端的存在，正是因為這個原因才會導致向中心上報數據時出現爭搶，進而發生數據碰撞的現象。傳感器節點在網絡中有唯一的地址標識ID，通信方式選擇9600bit/s速率。由于所選的通信速率的為9.6kbit/s，使得發送每個字節的時間大于1ms（約1.1ms）。另外，系統規定采集終端向中心注冊上報指令最長為13個字節，即需要14.3ms，考慮到即使是同一型號的器件其參數也不可能完全一樣，再將前后保護時間考慮進去，因此總線上兩個采集終端的數據傳輸間隔為25ms。同時因為上報的時間不能太長，系統用于給采集終端注冊上報的時間規定為500ms，所以一個注冊周期內有20個時隙，如果考慮200個節點都必須注冊的情況，需要多個注冊周期。

基于系統的約束條件下面將從兩個不同的角度針對數據沖突來分析。

哈希算法是用來解決數據存儲時沖突，由于該系統中各個采集終端的彼此完全獨立性，因此選擇隨機數哈希算法，其核心思想是通過將待存儲對象的特征(關鍵字)提出作為傳入參數，先產生一個隨機數表，經過哈希運算，得到鍵值(Hash Key)，對象的分布儲存依據鍵值來進行。由于哈希算法采用的是隨機數，與采集終端ID的相關性不大，因此地址可以是0x00到0xFF 任意200個數作為地址ID。但又因為作為延遲參數的返回值是隨機產生的，所以沖突不可能完全避免，必須要多次循環周期才能上報上去。

5 結束語

該文研究了采集節點的射頻組網方式。首先簡要描述了射頻節點的功能模塊組成，接著分別詳細討論了信息處理模塊、射頻通信模塊、串口通信模塊、電源控制器，以及各模塊間的接口設計，在硬件電路的基礎的上研究了節點間通信的程序設計，包括幀結構、程序流程和數據傳輸時的碰撞避免技術。

參考文獻：

[1] 李志宇，史浩山.無線傳感器網絡微型節點的實現[J].電子產品世界，2005，(11):115-117.

[2] 孫一平，吳繼光.微型計算機操作系統結構分析與應用[M].北京:宇航出版社，1993:41-105.

[3] Chipoon.SmartRF CC2430[EB/OL].(2005-08-20)[2008-06-25].http://www.ehipoon.corn.