基于CC1110的井下无线传感器监测网络的设计与实现*

2010-12-07袁向全刘蕴络

传感器与微系统 2010年9期

王超，李翔，袁向全，刘蕴络

(1.北京科技大学信息工程学院，北京100083;2.西部矿业股份有限公司，青海西宁810001)

0 引言

矿井的安全生产一直是备受关注的，通过对井下的安全生产环境进行实时的监测，可以提前有效地发现危险，提高生产安全管理水平。本文介绍了一种基于CC1110的井下无线传感器监控网络，给出了网络中信息采集节点和传输节点的硬件构成方法、网络拓扑结构以及网络协议栈的构成。该网络是基于多跳的自组织网络，通过部署在监测区域的大量微型传感器节点，协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并经由网关发送到数据库中，以便综合分析预警［1］。

1 系统硬件设计

无线传感器网络(WSNs)中，传感器节点是网络中最基本的单元，是构成WSNs的基础［2］。本文采用CC1110芯片设计WSNs节点，构建矿井下WSNs。网络中有2种节点，终端数据采集节点和数据汇聚传输节点。数据采集节点和数据汇聚传输节点都采用了以CC1110芯片为核心，配合无线通信电路而构成的无线通信模块。数据采集节点在无线通信模块的基础上增加了各种传感器;而数据接收传输节点则在无线通信模块的基础上增加了存储芯片、串行通信电路等，以便数据的存储以及与网关的相连。

1.1 无线通信模块设计

TI公司的CC1110芯片是一种包含了射频单元的单芯片无线传感器模块，内嵌了加强型51内核单片机，8通道8～14 bit A/D转换器、位定时器、串口及多个 IO接口［3］。芯片功耗极低，工作温度范围为－40～85℃，可在恶劣环境工作，如矿井下等。

1.2 射频模块设计

CC1110芯片的RF性能优异，可用频率范围为300～348 MHz，391～464 MHz和 782～ 928 MHz，最大输出功率可达10 dBm，最大数据率可达500 kbps，可以选择2—FSK，GFSK，MSK等多种调制方式。对于矿井下的WSNs，考虑到传输性能和井下的独立性，采用的频率为915 MHz，传输速率选择250 kbps和2—FSK调制。该频点传输性能最好，并且对其他设备没有影响［4］。除器件选择高速的电容器和电感器外，在设计PCB的版图时，特别注意了PCB布局的对称性和阻抗的控制。制板前，通过仿真保证了信号的完整性。选择了915MHz的外接天线。这些措施保证了射频部分良好的传输性。

1.3 传感器设备的接入

数据采集节点是在无线通信模块的基础上外接了传感器。传感器的信息经过CC1110的A/D采集后变为数字信号，发送给数据传输节点。

数据采集节点可以根据矿井下的实际需要选择合适的传感器，如，温度、湿度、甲烷含量、氧气含量、压强等。传感器数据采集节点的设计框图如图1所示。

图1 传感器节点框图Fig 1 Block diagram of sensor nodes

2 无线网络设计

在无线网络的设计上，采用了SimpliciTI网络协议。它是由TI公司推出的，针对简单、小型RF网络的，专有低功耗RF协议，能在CC1110控制器上收发运行，适合用来设计小型WSNs。

2.1 SimpliciTI网络协议

SimpliciTI网络协议的模块包括网络管理、数据中心、跳频、范围扩展、加密、低功耗网络。协议主要分为3层:应用层、网络层和硬件逻辑层，加密在网络层处理。硬件逻辑层包括射频层(radio)和板级驱动包(BSP)。不存在传统网络中的物理层(PHY)和数据链路层(MAC/LLC)，数据直接从射频层接收，板级驱动包提供了射频层与网络层的通信接口。

2.2 SimpliciTI网络结构

SimpliciTI支持2种基本网络拓扑结构:星状网络拓扑和点对点对等网络拓扑，同时支持网络拓扑扩展，即在星状网络的基础上，使用范围扩展设备使网络扩展为串状网络［5］。本文网络设计并没有使用范围扩展设备，而是通过串口实现在不同子网之间的数据传输，达到构建主干网的目的。

2.3 数据帧格式

数据帧大小为:最小22字节，最大74字节。其中，数据长度，目的地址，源地址，PORT，设备信息，交换记录，有效数据等进行CRC校验。有效数据载荷为0～52字节，如表1所示。

表1 数据帧格式Tab 1 Format of data frame

对于帧中的有效数据，根据传感器和网关部分的设计，将其长度设置为14字节，各个数据位分别为G，子网号，n，节点号，温度，湿度，瓦斯，压强，氧气，数据所占字节数，如表2所示。

表2 有效数据格式Tab 2 Format of valid data

3 系统软件设计

软件主要包含两部分，数据汇聚传输节点，也叫数据中心(access point，AP)设计，数据采集终端节点(end device，ED)设计。

3.1 网络拓扑结构

图2中只给出了2个子网和1个网关，通过网关的转换，数据进入互联网，并传输到远端的服务器。该拓扑图中，单个子网使用星状网络拓扑。0号子网的AP在接收了2个ED-S所采集的传感器数据后，将其依次发送至该子网中的ED-R。ED-R并没有承担一般终端节点发送数据帧的任务，而是接收本子网中AP发送的数据帧。ED-R将收到的数据存入Buf中，整个Buf中的数据通过串口发送到1号子网的AP上，同时1号子网的AP也接收本子网中的ED-S发送的数据帧，再将所有数据依次发至ED-R上，同样，这个ED-R将收到的所有数据存入Buf，再打包发送到下一层。这个过程可以一直延续下去，组建出多个子网构成主干网，但需要考虑到节点的实际数据承载能力，应根据实际情况对拓扑结构进行适当的修改。

图2 网络拓扑图Fig 2 Network topology

3.2 数据中心(AP)程序设计

AP进行BSP的初始化，通过SMPL_Init()打开射频，完成对网络部分的初始化工作。建立星状网络，等待ED加入。对串口初始化后，打开串口中断，等待接收下层子网ED-R通过串口发送来的数据。其中，定义了结构体Uart_R，用于存放串口接收的数据。每次发送的串口数据帧长可以在Framelenth中进行修改。AP中设置了每个网络唯一的4bit JOIN_TOKEN，只有该数值相同的节点才能加入这个网络，保证了2个AP不会同时对新加入的节点进行回应。JOIN_TOKEN可以在smpl_nwk_config.dat文件中进行修改设置。成功建立网络后，只要未达到AP所能接受的最大连接数NUM_CONNECTIONS，AP就始终监听是否有终端节点的连接请求。最大连接数NUM_CONNECTIONS可在smpl_config.dat中修改设置。若收到新节点的加入信息，AP为每个ED分配ID，并向ED发送应答信息。在收到数据帧之后，AP根据ID号将数据保存入缓存中，按照先入先出规则将这些数据帧无线发送至本子网中的 ED-R。为了判断串口状态，定义了结构体 Uart_S，当状态为“接收完毕RXOVER”或者“定时器关闭TIMEROVER”时，串口已经完成接收工作，可以对数据进行处理。由于下层子网ED-R发送的串口数据是成块发送，无法直接通过无线发送，需要重新按照SimpliciTI的数据帧协议格式，将其中的有效数据，分为独立帧结构，分别发送至ED-R。每次串口工作完毕，都要对Uart_R中数据缓存进行清空。程序流程如图3所示。

图3 AP主函数程序流程图Fig 3 Flow chart of the main function program in AP

3.3 终端节点(ED)设计

ED在经过BSP，串口等的初始化以后，AP发送加入网络的请求，加入成功后同AP进行连接，其流程如图4所示。

图4 ED主函数流程图Fig 4 Flow chart of the main function()in ED

在星状网络中，ED要加入AP建立的网络中，需要向AP发送连接请求命令。AP允许ED加入并分配ID，对其请求进行应答。在主函数中体现为link to()，其流程如图5。

图5 link to()函数流程图Fig 5 Flow chart of the link to()function

图5为一般数据采集节点ED的程序流程，主要负责采集传感器数据，封装为数据帧之后发送至子网汇聚结点AP。本设计中的数据采集节点能分别采集5只传感器的数据，每只传感器数据占用一个片内通道，采样精度为12位，用2个字节表示。将寄存器ADCCON3设置为“0x0F+ch”的格式，根据不同传感器的通道号，每次可以对相应传感器的数据进行A/D转换。寄存器ADCCON1的EOC位用来指示当前转换是否结束。一次A/D转换完成后，将转换结果低八位ADCL存入adc_value［1］，高八位ADCH存入 adc_value［0］，对2个数据进行移位处理，最终使得采集到的12位数据的高四位存放于adc_value［0］中，低八位存放于adc_value［1］中。在link to()函数中，读取这2个数值，完成对传感器原始数据的采集。

构建2个子网，还需要另外一个接收节点ED-R，该节点用于接收AP发送来的数据帧，并将其存入Buf中，通过串口发送至下一个子网中的AP或者直接发至网关，将数据交给上层服务器处理。

对于ED-R的主函数流程，与其他所有ED相同，只是在link to中，成功分配ID之后，需要进行一些修改，ED-R不需要采集传感器数据，只需将射频控制IOCTL_OBJ_RADIO设置为Rx接收状态。设置串口发送缓存Buf，当接收到数据帧后，根据帧中有效数据的子网号G和节点号n，保存入Buf相应位置。处理完毕，通过串口通信将Buf发送到下个子网AP。设置计数器Number，发送10次之后，清空整个Buf，满足数据的实时更新要求。这部分流程图如图6所示。