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如何开始设计无线传感器网络系统 |
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作者：嵌入式无线高级工程师 吴线 |
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一、无线传感器网络技术应用广泛，百花齐放
无线传感器和传感器网络，是具有非常广泛的市场前景，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响的新技术。美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，《商业周刊》 预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中。
无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，在工业、农业、军事、环境、医疗，数字家庭，绿色节能，智慧交通等传统和新兴领域有具有巨大的运用价值，无线传感器网络将无处不在，将完全融入我们的生活。图一是无线传感器应用示意。
图1 无线传感器应用部分实例
由于无线传感器和无线传感器网络巨大的市场和应用前景，所以目前全世界许多公司都推出了各自的无线传感器网络。这些技术百花齐放，各有千秋，但是这些技术之间，几乎不能相互兼容和互通。
图2是目前正在开发中的各种无线传感器技术，从这个图我们可以看到，不同的无线传感器网络，最终都是希望实现和互联网的通讯，这可能是这些传感器网络最终交汇的通道。
图2 目前全球开发中的部分无线传感器网络技术
二、如何选择合适的无线传感器技术
无线传感器网络系统的基本架构包括三部分，第一部分是无线收发芯片，其职责是将数字信息转换为高频无线信号传送出去和将接收到的高频无线信号恢复成数字信息。无线传感器收发芯片而言，IEEE 802.15.4能为无线传感器应用提供最佳方案，这是因为IEEE 802.15.4规范可能是主要且可能唯一的实用标准。目前全球有多家公司提供这方面的收发芯片。像TI公司的CC2420/CC2520等芯片都特别适用于钮扣电池和低电能应用的低功耗特性。
实现一个典型的无线传感器网络节点和路由器，可以采用多芯片方案，如图3所示，由一个无线收发芯片和一个微控制器(单片机)组成，微处理器可以采用低功耗的MSP430，无线芯片可以采用CC2520/CC2420等。
图3 典型的无线传感器网络节点或者路由器
随着技术不断发展，已经有越来越多的公司，将无线收发器芯片和微控制器和无线收发器做成了一个片上系统(SoC)，例如TI公司采用8051内核的CC2430/CC2431等ZigBee无线单片机，随着无线传感器网络对计算能力提高要求，最近Freescale公司也推出了ARM内核的32位ZigBee无线单片机。使用这些SoC无线单片机设计无线传感器网络，将使无线传感器节点具有更小的体积，更低的功耗和更低的价格；TI公司在国内的技术合作伙伴无线龙科技公司等，也同时提供这些芯片，开发工具的相关技术支持。
无线传感器网络构架第二部分是运行于单片机或者无线单片机内部的嵌入式软件，也称软件协议栈(network stack)，网络堆栈有两个职责。首先它必须要处理节点间的无线链接通信质量的频繁变化和环境因数对无线通讯造成的干扰，具有对网络自组织，自恢复的能力；网络堆栈的第二个职能是要具有很强的路由算法能力，确保信息可靠高效地通过各种网络拓扑(星状/网状等等)从源节点(如果现有，可以通过成百上千路由节点)发送到目标节点。确保通讯的实时性要求。
ZigBee联盟是由众多技术供应商和开发商组成的独立标准组织。也是目前世界是最大的，基于IEEE 802.15.4平台的网络软件协议栈标准提供联盟。
该组织从ZigBee2004、ZigBee2006、ZigBee2007不断发展，目前提供的两个网络栈是：ZigBee和ZigBee PRO。从使用角度看ZigBee堆栈很适合一般包含十到几百个节点的小型网络。而ZigBee PRO是ZigBee超集，它增加了一些功能，可对网络进行扩展并更好地应对来自其他技术的无线干扰，而且可以适应更大型的网络和具有更加可靠的路由通讯算法和无线通讯可靠性。
无线传感器网络构架第三部分应用软件，这部分包括各种根据用户现有开发的软件代码，这些代码目前大部分是采用C语言来进行开发，可以之间以接口和API方式，调用软件协议栈的功能。
在多种无线传感器网络技术中，我们认为采用802.15.4国际标准和ZigBee技术，作为我们设计无线传感器系统的起步，有如下优点：
兼容一个全球化的可靠的国际标准。
可以通过TI、 Freescale这样的大型芯片供应商。获得稳定的无线收发芯片和无线单片机来源，也可以获得免费的ZigBee协议栈和相关源代码，降低开放门槛。
能够采用KEIL和IAR这样的高性能软件编译调试环境，可以大大加快开放速度，缩短上市周期。
三 开始无线传感器网络系统设计准备些什么？
首先我们现需要进行一些知识准备，对无线传感器网络需要的技术和知识，进行准备，虽然可能我们已经熟悉单片机和相关软件开发技术，但是无线收发器和无线SoC(无线单片机)还是有独特的地方，而且IEEE802.15.4和ZigBee协议栈等，也是具有一定难度的知识领域；好在目前在无线传感器网络和无线单片机方面，已经有大量的技术书籍可供参考，图四是一些无线传感器相关技术书籍，对入门无线传感器网络可能开卷有益。
其次我们仍然需要一套容易使用的无线传感器网络(WSN)开发系统，这是因为：
我们需要一套完整的软件编译开发平台，包括IAR和KEIL的编译调试环境，在线仿真器等必要的开发工具。
我们进入无线传感器系统设计的难度重心，是尽快掌握无线传感器网络协议栈软件使用，同时尽快进入相关应用软件开发，所以我们需要一套已经完成高频测试的无线节点，网关，路由器和无线模块来进行硬件评估和运行我们的嵌入式应用软件和协议栈软件。
我们需要相关温度，压力，加速度，光线，湿度等传感器接口到这个系统，方便我们系统设计。
我们在进入一个陌生的技术领域时，往往会有很多的困难，我们需要相应的技术支持和知识支持。
目前很多国内企业，都已经推出了各种无线传感器网络开发工具，图五是国内企业成都无线龙通讯科技公司的一种最新的，支持美国德州仪器TI CC2520无线收发器和TI的ZigBee2007/PRO协议栈无线传感器网络(WSN)开发系统的新产品，包括在线仿真器，PC GUI网络监视控制软件，相关源代码无线传感器网络示范代码包装等，是快速进入无线传感器网络系统设计的可选择国产工具之一。
无线传感器网络开发系统
四 设计无线传感器系统具体过程
当我们完成了上述的知识准备和相关开发工具准备后，我们就可以开始一个无线传感器设计过程了，下面，我们以一个家庭节能无线传感器网络系统为实例，看看一个无线传感器网络的实际过程。家庭节能系统框图如图六所示。
图六 采用ZigBee网络技术家庭节能系统
从图我们看出，家庭中的电器，包括空调，洗衣机，冰箱等，构成一个典型的无线传感器网络，通过能源管理网关和安装在户外的无线转发路由器，实时传输到能源公司电脑化管理网络和数据库，实现对家庭能源的管理。
设计任务包括设计嵌入到家电内部的无线传感器网络单元(无线节点)，家庭无线显示单元和家庭能源控制单元(无线节点或者无线路由器)，能源管理网关(无线网关)等。
首先，我们采用无线龙WSN无线传感器开发系统平台提供的多个无线SoC模块(内含CC2430等无线单片机)，下载TI ZigBee协议栈和聪明能源相关代码，进行无线通讯效果，可靠性评估，该软件包是有TI公司免费提供(经过无线龙工程师的实际测试和评估)，可以免费用于技术开发，图7是软件结构。
图7 ZigBee聪明能源软件包
使用强大的KEIL和IAR编译开发环境，在线仿真器等调试工具，完全开源的ZigBee协议栈软件，应该可以很快完成无线节点和路由器，网关的性能评估，通讯可靠性评估和ZigBee无线通讯代码开发。
然后我们可以仍然直接使用这些无线SoC的模块，添加我们的应用设计，例如LED和LCD显示部分，可以显示实时的电费是多少，家里有没有能源浪费等。同时设计相关我们需要的控制电路，如开关控制，电机控制，以在需要时，对空调器等电器，进行节能控制。
由于在无线龙提供的开发工具中，有一套网络协议分析监视仪，我们可以在测试过程中，清楚的监视到各种在空气中的传输的无线包装内容，从而很快确定我们的无线通讯软件代码是否正确。
由于使用现成的高频模块，我们避免了在入门时涉及高频技术的困难，而是将主要精力集中到最主要的方向，我们的应用代码和我们的应用需要的硬件设计，这样就大大加快了系统产品化的进度；对于客户订单中，产品最后使用的无线模块，我们可以容易的找到OEM专业厂家来生产完成。如果一切顺利，3－4个星期，这个ZigBee家庭节能系统，有希望完成。(end)
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(3/23/2009) |
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