無線傳感器網絡節點的測試

黃繼承

中圖分類號：TN

文獻標識碼：A

文章編號：1673-0992(2009)03-0069-02

摘要：隨著科學技術的發展，傳感技術得到了飛速的發展，并且傳感器無線網絡技術被越來越多的人關注和研究，本文主要介紹無線傳感器網絡節點的測試。

關鍵詞：無線傳感器網絡節點測試

隨著低功耗無線電通信技術、嵌入式計算技術和微型傳感器等技術的飛速發展和日益成熟，使得大量的低成本的微型傳感器通過無線鏈路自組織成無線傳感器網絡成為現實。無線傳感器網絡是目前國內外研究的熱點。作為一種獨立出現的計算機網絡，無線傳感器網絡的基本組成單位是節點。在無線傳感器網絡中，節點具有數量大、體積小、成本低等顯著特點。而無線傳感器網絡作為一種分布式自組織網絡，其應用范圍十分廣泛。現階段在國防軍事、國家安全、環境監測、交通管理、醫療衛生、制造業、反恐抗災等領域有著突出的作用。

一、無線傳盛器網絡的節點

無線傳感器網絡的節點通常是由傳感器、A/D轉換裝置、微處理器、無線接口和電源等多個功能模塊組合而成的。本實驗測試的單個傳感器節點包含有四層，每一層都完成節點中的一項具體的功能。這四層是信號處理層。通訊層，電源層以及傳感器層。

從中可以看出，模塊化的最大特點是其根據不同的需求來更換節點中的某一層，即便是需要重新設計時所投入的精力也較小。模塊化減小了重新設計的需要。因為模塊化設計不需要每一步都從草圖開始，這樣就節省了成本和設計時間。

(一)信號處理層

該層實現對智能傳感器的信號處理功能。在這層。從傳感器獲得的信號被轉化成適當的數字信號。此外，與其他傳感器節點的通訊控制也在該層實現。搜尋臨近節點、開啟和斷開無線連接，藍牙模塊控制，以及所有跟網絡控制相關的任務管理工作也在這一層實現。

同時，節電模式的控制也在該層實現。節電功能對于無線傳感器網絡來說是非常重要的一環。因為無線傳感器網絡要求在無人維護的情況下盡可能長時間的工作。處理層的結構可以有以下三種選擇。

(二)傳感器層

這一層是傳感器與環境的作用層。根據對傳感器網絡的不同使用目的，各種不同的傳感器都應該集成在傳感器層。現階段，傳感器層所包含的傳感器有溫度傳感器，濕度傳感器以及加速度傳感器。因此，有三種傳感器信號傳輸到FPGA中，其中包括模擬信號和數字信號。一方面，模數轉換，PWM處理等功能都需要單片機與FPGA的控制；另一方面，信號的通訊依賴于單片機。

(三)通訊層

在通訊層，藍牙技術作為最初設計的最佳選擇。因為藍牙技術的低功耗特點，數據傳輸速率可以滿足初期設計的要求。通常情況下，藍牙技術所采用的是2，4GHzISM許可頻率波段。單片機與藍牙模塊的通訊是通過UART口。藍牙模塊接受來自單片機的AT信號，搜尋附近節點，與其他節點建立或者斷開連接。為了適應模塊化的要求。其他形式的通訊層結構也予以考慮。為了能夠適應不同的無線通訊模塊接口的要求，單片機可以集成其他的接口，如UART，SPI以及通用的I／O口。無論采用那種接口。FPGA可以解決任何有關通訊接口的問題。同時為了適應其他應用要求，降低功耗成本，增強網絡的可靠性，其他的通訊協議正在研究之中，如ZigBee。

(四)電源供給層

該層為所有的芯片設備提供能源。在樣機中。供給層從外部獲得5V的電源供給。通過線性降壓調整，為傳感器節點提供3.3V，2.5V和1.2V的電壓。考慮到節點自主運行的要求。應該采用紐扣電池或者是AA電池來提供電壓。因此，功耗要盡可能降到最低。

二、測試工作

(一)解決的問題

傳感器層中的加速度傳感器采用PWM信號作為輸出。加速度數值可以通過公式A(g)=(T1／T2-0.5)／30％來計算得出。同時，T2=Rset/125MΩ，也就是說在公式中只有一個參數需要測量。加速度傳感器的測量周期(T2)可以通過改變預值電阻來設置。例如，如果需要獲得1毫秒的測量周期，預值電阻就應該選取124千歐的電阻。因此，如果需要實時的測量加速度數值。那么就應該選用小數值的預值電阻。為了能夠獲得更加精確的加速度數值，大電阻就應該被選用阻可以產生10毫秒的測量周期。在具體應用中，所采用的預值電阻是56千歐。測量周期是0.448毫秒。

對于單片機來說，處理周期要明顯慢于FPGA。因此。為了確保每一次加速度的變化都能夠傳送給單片機，單片機的每一個處理周期需要在加速度傳感器的采樣周期內完成。在實際的應用中，單片機的所有處理任務都應該在0.448毫秒內完成。

對于FPGA來說，最大的特點是其并行性。它可以快速的實現信號處理。此外，FPGA可以簡化接口，解放單片機。FPGA的最主要的任務就是實現與傳感器接口處理，對獲取的信號處理，與單片機的通訊。由于傳感器的信號輸出是PWM信號，因此可以通過計算PWM信號所持續的時間長度來測量加速度大小。在對加速度完成計數之后，在每一個傳感器信號的上升沿來臨的時候，FPGA將會向單片機發出一個觸發信號。同時前一個加速度值也會在輸出口上準備好。然后，當單片機監測到這個觸發信號之后，它就可以從FPGA的輸出口上讀取數據。因此，FPGA可以看作是通訊的主控件，而單片機作為單片機的從控件。

(二)FPGA與單片機之間的通訊

從上述的分析可以看出。FPGA和微處理器之間通過兩個信號來進行通訊。一個是來自FPGA的觸發信號。當FPGA檢測到來自傳感器的信號的上升沿的時候，它將產生一個觸發信號給微處理器，并且把處理完的數據在P0口和P2口上準備好。當微處理器接收到這個信號的時候，它也將產生一個應答信號給FPGA，以便使得FPGA等待微處理器完成接受處理工作，避免進行下一次觸發而使得數據重裝。導致錯誤。微處理器從P0口和P2口讀入數據，把二進制數轉化為可以在屏幕上顯示的ASCH模式。當微處理器完成處理工作，清除應答信號，等待下一個觸發信號。

(三)結果

在靜態零加速度的情況下，PC機上所顯示的數據與理想值有些細微的偏差，但是偏差不超過3％。因此。在不是特別強調精確度的情況下，試驗結果可以滿足用戶的需求。

三、結論

無線傳感器網絡的模塊化設計可以加快設計周期，增強可替代性與重復利用性。在這里，引入四層結構來完成節點內的所有功能。第一層是通訊層，第二層是電源供給層，第三層是信號處理層，可以采用單片機，FPGA或者兩者混和配置的形式。最后一層是傳感器層。