基于远距离通信模块的无线传感器网络设计

王奎英，魏义长，袁　枫，董　远

(1．河南机电职业学院电子工程系，河南郑州　451191；2．华北水利水电大学3S技术开发与应用研究所，河南郑州　450045；3．沈阳巍图信息化工程技术有限公司，辽宁沈阳　110023)

0　引言

在规模化农田布设无线传感器网络，因无线传感器网络是靠内置电池供电[1]，一方面关注系统耗能；又因传感器节点间距及离监控中心远，另一方面关注数据传输距离。低能耗和远距离传输二者必须相辅相成[2-3]，在规模化农田里是缺一不可的。

截至目前，无线传感器节点与监控中心间的通信方式主要有两种形式：一种是基于GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线业务)的无线通信模块[4-5]；另一种是基于数传电台的无线数传模块[6-7]。二者均是再通过现场监控中心计算机并入互联网，从而实现在全球其它任何地方通过联网计算机或手机远程监测与控制农田的灌溉施肥等农事活动等。

“GPRS通信模块”是近年来非常流行起来的[8]，在农田监控中常用GPRS DTU(Data Transfer unit数据传输单元)设备[9]，DTU是专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据，并通过无线通信网络进行传送的无线终端设备[10-11]。

“无线数传模块”是在无线数传电台的基础上发展起来[12]，在分布式网络监控系统中无线数传模块与计算机通过串口连接，其计算机发送的指令经无线数传模块编码调制后发送，远程的无线数传模块接收到命令后传送给RTU(Remote Terminal Units)，判断数据中的地址域，决定是否执行命令和应答。其无线数据传输可以采用任意的透明传输模块完成[13]，譬如229 MHz的无线电台、433 MHz无线通信模块和2.4 GHz的高速频段等。该系统克服了依赖于第三方进行通信的缺点，线路为专用，没有线路忙之困扰，数据现场直接收发，中间环节少且具有施工维护方便、安装简单、控制面积大等优点。但一般的无线传感器网络的无线通信部分的发射功率都很小(如CC2531的发射功率只有4.5 dBm)，加上其接收灵敏度也固定在一定水平，这样就限制了无线传感器网络的通信距离，传输距离通常为几百m不等[13]。而规模化农田的应用环境中，要求无线传感器网络节点间的安放距离达到1 km以上，甚至更远。为此，国内外有许多学者对此进行了研究[14-16]，通过提高无线通信部分的发射功率，改善其接收灵敏度，从而延长通信距离。然而目前的研究成果在无线传感器网络通信距离和节点功耗协调上还不适合规模化农田。

所以，针对无线传感器网路系统中的无线通信模块，在分析国内外农田无线通信成果的基础上，通过对市场上常规通信模块进行筛选，同时进行田间测试比较、效益分析，研究开发出了基于远距离通信模块、以太阳能电池和铅酸蓄电池为供电方式的无线传感器网路系统，构建适应于规模化农田的通信性能和功耗协调的无线传感器网络系统，该无线传感器网路收发数据的抗干扰能力强，通信距离可达4 km以上，更好地保证了规模化农田无线传感器节点间通信的成功率和正确性。

1　无线传感器网络节点的设计

1．1无线通信芯片的选择

通过对国内外市场上所有无线通信芯片进行调研，考虑到农田环境中应用的特点，而且作物的生长会对无线通信有阻碍作用，故选择高功率的无线数传模块JN5139-001-M02作为数据无线通信芯片，该模块是2007年初Jennic公司发布的第二代无线微处理器产品[17]，兼容IEEE802．15．4/ZigBee协议栈的低成本、低功耗微控制器，它提供500 mW的高发射功率，能够提供4 km的通信距离，适合农田信息在线监测领域内的应用；该模块集成了一个32位16 MHz主频的RISC处理器(如图1所示)，代码效率、代码大小方面高度优化，其内置的192 KB的ROM存储器集成了点对点通信和网状网通信的完整协议栈，96 KB的RAM存储器可以支持网状路由和控制器功能，而不需要外部扩展任何的存储器空间。同时，它拥有4路12位的模拟量输入，2路11位的模拟量输出，2个比较器，温度传感器，2个应用程序定时器，3个系统定时器，2个UART异步串口(一个用于系统调试)，SPI接口以及2线串行接口，21个可用的I/O引脚。

图1　无线数传模块JN5139-001-M02的内部结构框图

1．2供电电源的选择

大部分情况下农田监测现场都无市电，经过分析论证和反复试验，选择采用太阳能电池和免维护铅酸蓄电池的电源方案。太阳能电源结构如图2所示，白天太阳能电池将太阳辐射转换成电能，对蓄电池充电，同时为监测系统提供电能；夜间蓄电池放电，继续维持系统正常运转。DC-DC电源变换电路把单一的+12 V电压转换为各部分所需的不同种类直流电压。

图2　太阳能电源框图

1．3无线传感器网络节点的设计

传感器节点是一个具有信息收集和处理能力的微处理系统[1]，由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块等组成(如图3所示)。传感器节点在网络中可以充当数据采集者、数据中转站或簇头节点的角色。数据采集节点收集传感器数据(如温度、湿度、压力、流量等)，通过通信路由协议直接或间接将数据传输给远方基站节点；作为数据中转站，节点除了完成采集控制任务外，还要接收邻近节点的数据，将其转发给到距离基站更近的邻居节点或者直接转发到基站点；作为簇头，节点负责收集该簇内所有节点采集的数据，经数据融合后，发送到基站点。

图3　无线传感器网络节点体系结构图

1．4数据处理软件

监测中心计算机数据处理软件包括串口通信部分、数据处理模块、监测结果图形显示部分以及菜单界面等。软件采用面向对象的高级编程语言Visual C++为编程语言，实现了友好的用户界面和动态化的监测点图形显示。观测结果存放采用后台ACCESS数据库，并具有监测点数据统计和位移超限告警功能(软件数据流程见图4)。

图4　软件系统数据流程图

1．5无线传感器网络节点性能的测定方法

在规模化农田中布置无线传感器网络，主要关心的是通信信号的质量(通信距离)和节点的能耗(工作时间)，因此，该研究主要对无线传感器网络节点的通信信号和能耗进行测定。

1．5．1无线传感器节点通信信号的测定

根据信号的调制解调的基本原理，自行设计了一套无线通信信号测量装置(见图5)，包括一个高频功率放大(发射部分)和一个信号分析及测量装置(接收部分)，测量载波频率和分析调制信号类型。该装置的信号处理部分采用单片调频接收电路MC13135，其第二中频信号经过455 kHz陶瓷滤波器后，经放大、整形，实现载波频率测量，经检波实现AM、ASK解调；由芯片内部自带电路实现FM和FSK解调。信号由STM32控制核心经FFT解析可分析出不同调制信号类型。系统亦可较准确分析出经功率放大前后无线传输的信号。

图5　通信信号的测定装置原理图

1．5．2无线传感器网络节点能耗的实时监测

该无线传感器网络节点是靠太阳能电池和铅酸蓄电池供电，尽管比干电池源供电时间和电量大得多了，但遇到长时间的连续阴雨天气，也会出现能源耗尽；若控制中心不能正常显示传感器节点电量水平，就会导致无从得知无线传感器节点不能正常传输数据的原因：是电池能量耗尽，还是传感器节点硬件电路出现问题导致的不能正常显示。为此，在传感器网络节点上增加太阳能电池和蓄电池电压监测装置，电压信号也作为传感器采集信息一同通过发射模块发送给监控中心，实时监测无线传感器网络节点的能耗，并通过软件设置进行实时能耗预警预报。

2　结果与分析

2．1无线数传模块的性能(传输距离)比较

结合当前主流的微控制器芯片解决方案和发展趋势，该研究选择三款一片式的带微处理器的无线数传模块，它们分别是Atmega128RF系列方案[9]，CC430( MSP430 +RF芯片)[16]方案，以及JN5139模块[17]，三款无线数传模块的各项性能指标对比分析进见表1。

表1　通信芯片的对比

从表1可看到，利用JN5139的无线传感器节点的稳定传输距离最远，它是真正意义上的一片式微控制器解决方案，它的集成度最高，而CC430仍旧是采用低功耗的微处理器CPU芯片加上RF射频芯片的集成模式，而且没有附加天线接口和可选的功率放大器，传输距离仅为1km；而Atmega128RFA1的传输距离虽为3 km，但运算能力较低，外设接口少，不利于后续系统开发。因此，Jennic模块化的设计能够达到真正的低功耗，所设计的产品具有竞争力，JN5139可充分兼容2.4 GHz IEEE802．15．4收发器，带有功率放大器的模块拥有500mW的高发射功率，高功率模式下通信距离能达到4km，符合农田信息监测的远距离需求。

2．2与GSM/GPRS通信模块全面对比结果

2．2．1GSM/GPRS通信模块简介及GPRS通信模块较GSM通信模块的优势

GSM是全球移动通信系统(Global System for Mobile Communications)的简称，GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的简称[5]，GPRS是在GSM系统基础上发展起来的分组数据承载和传输业务，GSM模块根据提供的数据传输速率可以分为GPRS模块、EDGE模块和纯短信模块，所以GPRS是具有数据传输功能的GSM模块。

相对GSM的拨号方式的电路交换数据传送方式，GPRS是分组交换技术，具有如下的优点：

(1)实时在线(发起的数据传输是双向的)：指用户随时与网络保持联系。用户访问互联网时，通信模块在无线信道上发送和接收数据，就算没有数据传送，终端也会一直与网络保持连接，不但可以由用户发起数据传输，还可以从网络随时启动рush类业务，不像GSM的普通拨号上网那样断线后必须重新拨号才能再次接入互联网。

(2)按量计费(信道共享)：对于电路交换模式的GSM系统，在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将独自占有无线信道。对于分组交换模式的GPRS，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源。这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。相应于分组交换的技术特点，GPRS用户的计费以通信的数据流量为主要依据，体现了“得到多少、支付多少”的原则。没有数据流量传递时，用户即使挂在网上也是不收费的。

(3)快捷登录：GPRS通信模块一开机就能够附着到GPRS网络上，即已经与GPRS网络建立联系，附着的时间一般是3～5 s．每次使用GPRS数据业务时，需要一个激活的过程，一般是1～3 s，激活之后就已经完全接入了互联网。而GSM的固定拨号方式接入互联网需要拨号、验证用户姓名密码、登录服务器等过程，至少需要8～10 s甚至更长的时间。

(4)高速传输：GPRS 采用分组交换技术，数据传输速率最高理论值能达171.2 kbit/s，完全支持像多媒体图像传输业务。但171.2 kbit/s的理论值是在采用CS-4编码方式且无线环境良好、信道充足的情况下实现的。实际数据传输速率要受网络编码方式、终端支持、无线环境等诸多因素影响。目前GPRS用户的接入速度还在40 kbit/s以下，在使用数据加速系统后，速率可以提高到60 kbit/s～80 kbit/s左右[5]。

3．2．2与GSM/GPRS通信模块全面对比结果

与GPRS通信模块相比，无线数传模块的优势见表2。

表2　无线数传模块与GPRS通信模块相比的优势

从表2可以看到，GPRS通信模块采用的是公网平台[2]，通信协议比采用无线数传模块的专网复杂很多，入门有一定难度，不如无线数传模块简单易用。无线数传模块是“即插即用”型产品，不需要任何驱动程序或通信协议，编程设置也非常简单。

尽管GPRS已经形成了覆盖全国的数据网络，只要农田附近有GPRS基站，就可以利用GPRS模块作为无线传感器网数据通信模块，没有通信距离的限制[5]。然而，GPRS在实际使用中遵循的是语音优先原则，这就意味着在有语音服务请求时，如果信道不够，移动服务器会自动关闭正在使用的GPRS数据业务而把信道让给GSM语音业务，其结果就会使已经连接的GPRS终端掉线。

GPRS的运行费用较高，因为GPRS是按流量计费，那样通过网络侵入的无用信息也会被计费。利用无线数传模块的初期安装成本虽然可能略高于GPRS通信模块，但后期的运行费用很少，几乎可以忽略不计。

GPRS实时性差，因为目前的公网系统是个话音优先的系统，尤其是每天中话务高峰时段及节假日，公网系统的负荷会达到高峰(如短信、彩信成倍增长)，系统及网络堵塞严重，信息不畅，不能及时发送或收到有用信息。采用无线数传模块的专网就没有这方面的问题。

GPRS相对而言“掉线”及“死机”问题比较严重，当然这不仅是产品本身的问题，与网络运行情况也很有关系，所以系统集成商或客户很难自行维护，必须要GPRS的运营商配合才行。但是对于GPRS的运营商来说，由于数据业务占的比例非常小，因此有时在服务质量难免会有一定的问题。尤其是“死机”后，一般很难自行恢复正常工作，需要人工复位，极为不便。而无线数传模块就不可能存在“掉线”及“死机”问题，由于是自建的独立系统，维护相对而言非常方面，一般的小问题，可以自行解决，不需要系统集成商去解决。

GPRS系统安全性较差，由于GPRS是通过互联网发送数据，是一个开放的系统，而目前的网络安全性不高，越来越容易受到攻击，造成瘫痪。采用无线数传模块的专网是一个独立的封闭系统。

GPRS模块的硬件售后服务工作较困难，因为此类模块一旦损坏，只能更换，不能像无线数传模块一样做到元件级的维修，因此售后服务质量不如无线数传专网有保证。尤其是超过保修后，无线数传模块的维护成本就很低，而GPRS模块一旦损坏就只有更换，成本较高。总的来说，GPRS模块的调试、测试、维修工作远没有无线数传模块方便。

GPRS的数据通信服务功能有限，是由2G向3G过渡的产品，生命周期很短，一旦系统升级，软件、硬件都要全面修改，损失较大。

3　结语

(1)证实了无线传感器网络节点与监控中心之间的通信模块采用无线数传模块比GPRS通信模块具有更大的优势，这个与刘勤[18]在测绘数据传输中得出的结论基本相同。因此，无线数传模块是经历了长时间、不同环境、不同领域等多种方式的实地考验，已经成为了技术成熟，应用广泛，简便可靠的通讯方式，能满足规模化农田无线通信系统的使用要求，这些都是这一特殊领域中其它数据传输设备无法比拟的。

(2)常规无线传感器网络在实际使用中常因电源问题造成终端设备瘫痪[20]，这主要是由于内置锂电池，节点能量有限[21]，节点仅为单一物理量的传感器，而该研究设计的无线传感器网络是采用太阳能电池和铅酸蓄电池供电，不但可以增加通信模块的收发功率，具有远的传输距离，而且每个节点可以集成多个传感器(如温度、湿度、噪声、光强度、压力、水质状况等)，减少了节点数量，提高了传感器节点间的协作能力。尽管该无线传感器网络节点在体积上增大了，由小盒子成为了小箱子，但对于规模化农田来说却是好事，由于目标大[22]，易于巡视到，便于检修和维护，发展前景好。

(3)无线传感器网络是融合了多种学科和多种技术[23]，是一个随着电子和通信技术不断发展而发展的应用系统[24]。因此，在规模化农田的应用中要全面考虑，不要单纯为了追求能耗最小，而忽略通信收发功率；不要单纯追求体积小，而忽略系统功能的完整性，等等。近年来国内也有厂家生产无线数传模块[25-26]，下一步将尽量使用国产品牌的通信模块，并对国内外各种通信模块[27-28]从通信性能和能耗上等进行多方面地比较，为推动国产品牌做出应有的贡献。

(4)为了保护仪器设备，使其能够多年发挥作用，在冬季不使用的情况下，建议把无线传感器网络节点设备收回到室内，待春季开始使用时再经调试好后布置到田间，这样才能保证在作物整个生长季或一整年内系统通畅，不出现问题。

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