無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在車位控制中的應(yīng)用

1  引言
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，在現(xiàn)實生活中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。隨著通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，傳感器正逐漸向智能化、微型化、無線網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展[1]。目前，國內(nèi)外主要研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的低功耗硬件平臺設(shè)計拓撲控制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、定位技術(shù)等。這個設(shè)計以檢測超聲波強度的傳感器為例，實現(xiàn)了一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)傳感器所檢測的超聲波強弱來決定開啟或關(guān)閉車位指示燈，從而判斷是否有車輛進入檢測區(qū)域。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、短程無線通信技術(shù)，有著廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)不需要對現(xiàn)場結(jié)構(gòu)進行改動，不需要原先任何固定網(wǎng)絡(luò)的支持，能夠快速布置，方便調(diào)整，并且具有很好的可維護性和拓展性。
2  IEEE 802.15.4標準
    IEEE 802.15.4標準[2]適用于低速率、低功耗、低復(fù)雜度和短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線個域網(wǎng)(WPAN)。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的無線傳輸過程中，采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問機制(CSMA／CA)，支持超幀結(jié)構(gòu)和時槽保障機制(GTS)。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可以是星型網(wǎng)或點對點的對等網(wǎng)。該標準定義了3種數(shù)據(jù)傳輸頻率，分別為868MHz、915MHz、2.4GHz。前兩種傳輸頻率采取BPSK的調(diào)制方式，后一種采取0-0PSK的調(diào)制方式。各種頻率分別支持20 kbit／s，40kbit／s和 250 kbit／s的無線數(shù)據(jù)傳輸速率，傳輸距離在0m～70m之間。本文中采用的是頻率為2.4GHz的無線發(fā)射模塊。
3  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)
3.1  網(wǎng)絡(luò)平臺組建
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺由超聲波傳感器模塊、微處理器模塊、無線發(fā)射模塊三個部分組成[3]，如圖1所示。微處理器模塊和無線發(fā)射模塊集成在一塊板子上，而超聲波傳感器模塊通過接口與微處理器相連，這樣可以通過更換不同的傳感器模塊來應(yīng)用于各種場合。
3.1.1  超聲波傳感器模塊
    由于超聲波指向性強，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)[4]。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求。為了使汽車能自動避障行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的距離信息(距離和方向)。本文所介紹的三方向(前、左、右)超聲波測距系統(tǒng)，就是為后臺工作人員了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而提供一個運動距離信息[5]。

  圖 1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)

圖 2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信拓撲結(jié)構(gòu)

    SL-SRF-25超聲波傳感器，接上電源，可以單獨作為超聲波測距使用，由3位LED數(shù)碼管顯示障礙物距離，3位LED數(shù)碼管采用積木式插裝方式，便于調(diào)試檢查及使用在不同場合。測量范圍10cm-250cm，測距小于100cm時，誤差是1～2cm.，大于100cm時，誤差是4～5cm。SL-SRF-25超聲波傳感器，還可以指定從單片機I/O端口上輸出分段距離檢測信號。
3.1.2  微處理器模塊
    處理器模塊選擇美國加州伯克利大學(xué)的 Mica2 模型節(jié)點。節(jié)點板上提供如下功能：433MHz 中心頻率的無線通信接口，通過編程可以定制多種功能：能夠提供-20db~10db 多種通信功率；能夠在曼徹斯特編碼方式下提供從 0.3kbps~ 38.4kbps 多種傳輸速率；能夠在 433M 附近設(shè)置多種通信頻率，頻率間隔為 76k。它高速和大容量RAM的特性，為處理數(shù)據(jù)包提供了便利。
3.1.3  無線發(fā)射模塊
    無線發(fā)射模塊采用桑銳電子科技公司的SRWF-501型微功率無線模塊射頻收發(fā)器。該芯片只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。該收發(fā)器提供 3 個串口 3 種接口方式，COM1 為 TTL 電平 UART 接口，COM2 為標準的 RS-232 接口標準的 RS-485 接口；晶體穩(wěn)頻，內(nèi)置數(shù)字鎖相環(huán)，頻點根據(jù)用戶需要在 300—1000MHz 范圍內(nèi)可以靈活設(shè)置；自動過濾噪聲，簡化了用戶接口的編程，做到與有線一樣方便；“收”“發(fā)” 自動切換，無需專用的收發(fā)控制線，不發(fā)數(shù)據(jù)時為常態(tài) “收”狀態(tài)；發(fā)數(shù)據(jù)時自動轉(zhuǎn)換為“發(fā)”狀態(tài)，“發(fā)”完后自動回到“收”；微發(fā)射功率 ： 最大發(fā)射功率 10mW。SRWF-501的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。
3.2  系統(tǒng)軟件平臺
    選擇美國加州伯克利大學(xué)開發(fā)的TinyOS 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境。TinyDB 是 TinyOS 的查詢處理系統(tǒng)，它能夠從無線網(wǎng)絡(luò)中的sensor 節(jié)點上提取數(shù)據(jù)和信息。TinyOS 為 TinyDB 提供了一個可視化的 JAVA API 窗口，可以進行實時查詢。
3.3  組網(wǎng)類型
    在本文中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采取星型拓撲結(jié)構(gòu)(如圖2)，由一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器作為中心節(jié)點，可以跟任何一個普通節(jié)點通信。普通節(jié)點上含有超聲波傳感器對周圍環(huán)境中的超聲波信號強度參數(shù)進行測量、采樣，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)往中心節(jié)點，并且可以對中心節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)、命令進行分析處理，完成相應(yīng)的操作。若兩個普通節(jié)點之間要傳送數(shù)據(jù)則必須經(jīng)過中心節(jié)點，由中心節(jié)點把數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的節(jié)點上。
3.4  組網(wǎng)流程
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個自組織的網(wǎng)絡(luò)，如果一個全功能節(jié)點被激活，它就可能建立一個網(wǎng)絡(luò)并把自己設(shè)為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，其它的普通節(jié)點可以申請加入該網(wǎng)絡(luò)[6]。這樣就可以建成一個具有星型拓撲結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本文中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支持超幀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器經(jīng)過能量掃描、主動信道掃描后，按照設(shè)定的參數(shù)周期性的發(fā)送信標幀。普通節(jié)點首先經(jīng)過能量掃描和被動信道掃描后，獲取信標幀中包含網(wǎng)絡(luò)特征的參數(shù)，如信標序號、超幀序號和網(wǎng)絡(luò)標號等。通過同步請求與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器同步，再通過匹配請求與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器關(guān)聯(lián)。在與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器關(guān)聯(lián)的過程中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為每個請求關(guān)聯(lián)的普通節(jié)點分配16位的短地址[7]。這樣在以后的數(shù)據(jù)傳送中就可以用短地址進行通信，提高通信效率、降低發(fā)射中的能量消耗，從而延長網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。
3.5  數(shù)據(jù)傳輸機制
3.5.1  數(shù)據(jù)格式
    在IEEE 802.15.4標準中定義了四種幀，分別是信標幀、數(shù)據(jù)幀、命令幀、確認幀[2]。
    (1) 信標幀：用以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在支持超幀結(jié)構(gòu)的第一個時槽向其臨近節(jié)點廣播信標，當附近的節(jié)點接受到信標幀后就可以申請加入該網(wǎng)絡(luò)。
    由于本文中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用相對簡單的星型拓撲結(jié)構(gòu)，在信標幀的結(jié)構(gòu)上與IEEE802.15.4標準有所不同：在信標幀的地址域中僅包含源節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)標號和短地址，不包含目的節(jié)點信息(因為采用廣播方式發(fā)送)。
    (2) 數(shù)據(jù)幀：用來傳送含有超聲波度信息的數(shù)據(jù)。
    在地址域中包含源節(jié)點和目的節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)標號和短地址。由于數(shù)據(jù)幀的傳送方向有兩種：從普通節(jié)點傳向中心節(jié)點和從中心節(jié)點發(fā)送給普通節(jié)點。
    (3) 命令幀：用于組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、傳輸同步數(shù)據(jù)等。命令幀在格式上和其它類型的幀沒有太多的區(qū)別。
    (4) 確認幀：用以確認目標節(jié)點成功接收到數(shù)據(jù)幀或命令幀。當目標節(jié)點成功接收到數(shù)據(jù)幀或命令幀后，就發(fā)送一個確認幀給發(fā)送方。發(fā)送方接收到這個確認幀說明發(fā)送成功。若在規(guī)定的時間內(nèi)沒有接收到確認幀，則重發(fā)該數(shù)據(jù)幀或命令幀。
    在幀控制域中定義了幀的類型為確認幀。確認幀的序列號要與被確認幀相同，并且負載長度為零。確認幀緊接著被確認幀發(fā)送，不需要使用CSMA-CA機制競爭信道[8]。
3.5.2  傳輸流程
    在整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，采取的是普通節(jié)點定時讀取其傳感器上的超聲波數(shù)據(jù)，并將超聲波數(shù)據(jù)發(fā)送給中心節(jié)點。中心節(jié)點對接受到的數(shù)據(jù)進行處理后傳送給相應(yīng)的節(jié)點用以控制其上的車位置位標志。首先，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器對接收到的數(shù)據(jù)幀進行檢驗，圖2中的"中心節(jié)點判斷"是判斷是否為指定節(jié)點的傳感器數(shù)據(jù)。若接收的數(shù)據(jù)是指定節(jié)點上的數(shù)據(jù)，則將該數(shù)據(jù)與一個超聲波度閾值進行比較來設(shè)定控制變量(用來控制車位的開關(guān)狀態(tài)) [9]。反之，則不進行發(fā)送操作。然后，判斷帶有空閑的節(jié)點是否加入網(wǎng)絡(luò)。若在網(wǎng)絡(luò)中找到帶有空閑的節(jié)點，則中心節(jié)點將控制變量作為數(shù)據(jù)幀負載發(fā)送給它。反之，則不發(fā)送帶有控制變量的數(shù)據(jù)幀。
4  結(jié)束語
    在我們設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)車位控制系統(tǒng)中，普通節(jié)點將它采集的超聲波數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將含有控制變量的數(shù)據(jù)幀發(fā)送給帶有車位占空標志接點的同時，還可以通過串口將超聲波度數(shù)據(jù)傳送給計算機。通過計算機上的后臺軟件，可以監(jiān)控超聲波度信號的變化。從超聲波傳感器可以判斷車位的占用情況。
    本文從無線傳輸協(xié)議的制定、傳輸過程控制等幾個方面對設(shè)計實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行了論述。在實際運用中，只要對具體的傳感器進行更換，就可以適用于各種各樣的傳感器網(wǎng)絡(luò)。由于無線傳感器系統(tǒng)組網(wǎng)靈活，采用模塊化的設(shè)計，故具有很好的移植性和擴展性，隨著人們生活水平的提高，此系統(tǒng)在未來交通監(jiān)控領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。在未來交通監(jiān)控領(lǐng)域[10]、智能家電、家庭環(huán)境的智能調(diào)節(jié)上有著廣闊的前景。