用于大规模实时连续监测的WSN多信道基站设计

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基于无 线传感 器网络 (wireless sensor net-work，简称 WSN)的大规模实时连续监测方法已成为国内外研究的热点口]，覆盖领域包括车辆监控 ]、工业监测 ]、生态环境监测5 及结构降监测[6]等。例如，在 2025年全面投人使用的美国国家智能交通系统项 目规划”7 将通过大规模无线传感器网络进行实时连续监测 ，实现车辆 的高效及安全运行。Crossbow，TI，EnOcean GmbH，MicroStrain等大型公司都在积极开发相关产品，力图在该领域为用户提供 WSN的解决方案。由于大规模实时连续监测 中数据量庞大、传输实时性高等特点，对WSN技术提出更高要求8州。WSN软件协议大多以能源效率和网络自适应 自组织为研究重点 ，如能量多路径路由机制、LMAC协议等，不适用于大规模实时连续监测应用；常用无线节点如 Micaz，te-losb及 Imote等，均为单控制芯片单射频结构，不能同时处理多个信道内数据，实时性不足，数据容量受限于 IEEE 802.15.4协议规定的 250 kbps。

为实现大规模实时连续监测，国内外许多科研机构在已有技术基础上进行了大量研究。软件协议方面，土耳其海峡大学 Ozlem Durmaz Incel等在单信道 LMAC协议的基础上提出了MC-LMAC多信道协议，提高了无线传感器网络的数据容量 ]。美国Jo，)l，I大学的 Hoi-Sheung等提出 McMac协议 ，改善了数据传输的实时性1 。但多信道协议不能解决节点单射频结构带来的限制，多个信道传输的数据仍需由基站分时依次接收；大多数多信道协议需要节点以较高频率发送信标重制信道，占用数据帧的发送时隙，加大了数据容量的负第 。组网技术方面，伊利诺伊大学香槟分校的 B.F.Spencer等在韩国 JINDO大桥进行 了桥梁强度测试实验引，将大量节点分布在两个信道内，由两个基站分别接收。此外也有将大量节点布置在两个或以上信道中的研究1 ，监控中心和基站数量随信道数量增加而增加。使用上述组网方式所搭建的多信道多基站网络架构主要存在以下 问题：a.监控中心需为每个基站节点提供独立的串口，对监控中心提出更多要求；信道数量多时，系统搭建复杂。b.每个基站节点都含有独立的射频拈及单片机拈，基站节点数量多时系统成本提高。C.如采用多个监控中心分摊基站节点，需要对多个监控中心的数据进行汇总，增加数据处理的时间，降低监测的实时性。

针对上述研究中存在的问题，笔者提出了多信道单基站网络结构，并设计该网络的核心无线传感器网络多信道基站节点。网络理论上可同时并行接收IEEE 802.15.4协议规定的15个信道数据(保留- 个信道用作同步信道)，网络数据传输速率最高可 国家自然科学基金资助项 目(50830201)；长江学者和创新团队发展计划资助项目(IRT0968)收稿日期：2011-05-30；修改稿收到日期 ：2011-09-05第 3期 王子龙，等：用于大规模实时连续监测的 WSN多信道基站设计 495为 250 kbps×15-3.75 Mbps，可以提供更高的网络数据容量；每个信道内均采用时分多址接入(timedivision multiple access，简称 TDMA)机制。多信道基站节点主要由单个 FPGA芯片和多个射频模块组成。应用 FPGA的高速并行功能，同步并行接收多个数据信道内的采样数据，提供更高的网络数据容量；采用数据标准化封装高速缓存机制，解决使用多个基站时监控 中心处理数据会遇到的问题；控制单个 USB2.0总线完成与监控中心高速实时连续数据传输，避免采用多个基站对监控中心的要求。

1 多信道单基站网络结构大规模实时连续监测系统 中采集通道数 目多 ，各通道需保持采集时刻同步，数据需实时连续传输给监控中心。为解决大规模实时连续监测的难点，可采用本 文提 出的基 于 IEEE802.15.4标准 的多信道单基站网络结构。如图 1所示，在网络中将所有采集节点分布在多个信道中，同步采集后每个信道 内的节点按照各 自信道 内划分 的发送时隙向多信道基站节点发送数据。不同信道中的数据不会产生碰撞，网络中同时有多个信道进行数据传输，网络数据传输速率由原来单个信道的 250 kbps倍增；当使用 IEEE802.15.4规定的 15个信道时(保留-个信道用作同步信道)，网络瞬时数据传输速率可以达到 3.75 Mbps。因此可 以提供更高的 网络数据容量 。

图 1 多信道单基站无线传感器网络结构o (图中大圆)信道； 多信道基站节点；-无线路由。 传感器节点； - 串Vl；a 管理节点； -- USB2.02 多信道基站节点设计多信道基站节点为实现多信道单基站网络结构的核心，需要具有高速并行接收多个信道内大量数据的能力。设计 中应用 了 FPGA 的高 速并行工作能力，控制多个射频拈实时连续并行接收多个信道 中的数据包，采用高级数据链路控制 (High-leveldata link control，简称 HDLC)封装、循环冗余码校验(cyclical redundancy check，简称 CRC)，等机制高速处理所接收的数据包，并通过 USB2.0端口将数据流高速实时地上传给监控中心。

2.1 节点硬件设计多信道基站节点的硬件结构如图2所示。其硬件结构包括多个独立的射频拈 、FPGA芯片、USB芯片、E2PROM 芯片 、电源管理拈、时钟拈及各芯片的周边电路 。

多信道基站节点硬件架构、 - 图 2 多信道基站节点硬件结构FPGA拈选型主要考虑以下几点 ：(1)满足可用 I/O引脚需求；(2)支持工作晶振频率高；(3)芯片体积校本设计选用了ALTERA公司 CycloneII系列 EP2C5Q2O8C8N芯片。射频拈选用 TI公司的CC2420射频拈。针对单个 CC2420拈，FPGA芯片使用 4个可用 I/O引脚接收 CC2420的工作状态，并使用另外 4个可用 I/O引脚模拟 SPI接口与 CC2420进行数据交换、命令发送以及访问CC2420内部寄存器和存储区等操作。USB2.0芯片 选 用 CYPRESS 公 司 的 EZ-USB FX2CY7C68013。芯片以 Slave FIFO模式工作，此时FPGA芯片可像操作普通先入先出队列(First in-put first output，FIFO)-样对 CY7C68013芯片的缓冲 FIFO进行读写操作。

2.2 节点软件设计多信道基站节点的软件结构如图 3所示。该结构从下至上经过无线接收层、数据处理缓存层、逻辑控制层及数据通信层。数据处理缓存层含数据处理和数据存储单元，逻辑控制层含逻辑控制单元。

节点的工作流程如图 4(a，b)所示。数据处理单元包括射频拈管理状态机和数据包处理状态496 振 动 、测 试 与 诊 断 第 33卷l usB通信管理状态机 l鳅借旭佰坛fl篓H F搿H FIOI 管 理层 、 牵 - 数整 I I 据 处 -窖 理 缓 . 存层兀 L - - L - 7 - - / 通道1//通道Ⅳ无线数据接收层块 。数 据 包处 理 状 态 机 的主 要 功 能有 ：a.按 照HDLC协议处理读取 的数据包；b.在数据包尾部增加 CRC校验码 ，用于监控中心的数据传输正确性校验；C.将处理完的数据包存人数据存储单元中相应的 FIFO。数 据存储 单元 由 FPGA 内部构建 多个FIFO组成。每个数据通道包含-个 FIFO，用来缓存该通道接收并处理过的数据包 。FIFO的读使能受逻辑控制单元控制，写使能同时受数据处理单元和逻辑控制单元控制。当逻辑控制单元从 FIFO中读取数据时 ，关闭 FIFO的写使能，直到 FIFO内的数据被完全移 出。逻辑控制单元包括 FIFO扫查状态机、FIFO管理状态机和数据流生成拈。FIFO扫查状态机不断依次扫查所有通道 内 FIFO的空满情况，FIFO管理状态机根据扫查结果，对 FIFO进行控制。

图。多信道基站节点软件结构 3 实验验证节点工f塑- I检查通道1的FIFO(a)单通道数据接收及存储工作流程/ I否. FIFO lRXFIFO I厶 否 模 内数l / 据的读取使能 qR煎 理丕l将该通FIFO内的数据移入USB芯片的缓存FIFO内 将USB芯片的FIFOI 数据以批量传输的 方式上传给监控中心数据的读取使能(b)多信道基站节点数据上传的工作流程图 4 多信道基站节点工作流程机。射频拈管理状态机主要功能有：a.上电初始化射频拈；b.响应射频拈接收到数据后发出的中断信号，读取数据包；C.状态异常时复位射频模3.1 实验系统搭建实验系统如图 5所示 ，由悬臂梁、砝码、15个传感器节点、笔记本电脑(监控中心)及多信道基站节点组成 。悬臂梁采用尾端托盘添加砝码 的方式加载，应变片布置情况如图 6所示。每个传感器节点含 4路 1O位采样通道，每采集-次产生 8个字节数据，采样频率为 32 Hz，数据采样率为 2.048 kbps。

采集 8次生成-个大小为 87字节的数据包 ，数据发送频率为 4 Hz。单个节点的理论吞吐量为 4×87×8-2.784 kbps，整个监测网络理论 网络数据容量为15×2.784-41.76 kbps。网络采用管理节点定 时发送同步命令包的方法进行同步，在同步过程中，管理节点会依次在所有使用的信道中发送-次同步命令包。根据信道的先后次序，同步时间间隔会扣除先后次序带来的延迟 。

图6中标注 1(2)等的长方形为应变片及其编号 ，括号 内数字代表另-面对称布置的应变片的编号。悬臂梁上共粘贴 32片应变片，1～28号应变片分别对应 14个节点的两路通道 ，29～32号应变片图 5 分簇无线传感器网络实时连续监测系统第 3期 王子龙，等：用于大规模实时连续监测的WSN多信道基站设计 497图 6 悬臂梁应变片布置方式(单位：cm)对应 1个节点的-路通道。

3.2 单信道网络实验配置所有传感器节点在同-信道中，采用 TD-MA机制分配节点发送时隙。实验过程 中保持悬臂梁砝码重量不变，分别使 1～15个节点处于工作状态，进行多组实验，测试单信道网络能实现的实际网络数据容量，结果如图 7所示。当单信道网络中包含 9个以上节点时，可能由于节点获得的发送 时隙过小导致数据包冲突加剧等原因，网络实际达到的数据容量低于理论值 ，随着节点数量进-步增多，差距逐渐增大 。当节点数量达到 15个时，网络数据容量为 37.77 kbps，比数据完整传输所需理论网络数据容量少 3.99 kbps，不能满足监测网络需求。

节点数量图 7 单信道网络数据容量随节点数量改变的变化关系3.3 多信道单基站网络实验为验证多信道单基站网络提高网络数据容量的能力，进行多信道单基站网络实验，考虑网络数据量最大的极限情况，即使用所有的 15个节点～ 15个传感器节点平均配置在 11，13和 15信道中▲行 15 h的长时间实验，在测量网络数据容量的同时，考察网络长时间工作的可靠性。实验过程中大部分时间保持载荷不变，可随时通过改变砝码质量验证应变监测的实时性 。

实验得到单个信道及网络整体的数据容量，如表 1所示。监控中心的上位机中根据整个实验过程中接收到的数据总和，得到单个信道的网络数据容量，并计算出整个监测网络的数据容量。表 2为 15个节点同时工作时，单信道网络实验、多信道单基站网络实验及理论值的对比。由表 2可知，多信道单基站网络实验结果与理论网络数据容量相符，验证了采用多信道基站节点搭建的多信道单基站网络实现实时监测的能力。与单信道网络实验结果相比，多信道单基站网络提供了更多的网络数据容量，使大规模实时监测 的实现更为可行 。

表 1 多信道基站节点数据接收功能试验数据表信道 数据量/kbps111315总和表 2 单信道 网络 、多信道单基站网络及 理论值对 比图 8显示在-个时间段内不断添加砝码对悬臂梁施加变化载荷，实 时连续获取 的应变片应变值的变化曲线 。两条曲线分别为-个节点的两个通道采集到的 17，l8号应变片应变值的实时数据，验证了应用多信道基站节点的无线传感器网络监测系统的实时连续监测功能。

数据包图 8 随载荷变化实时连续获取的应变值4 结束语提出了-种多信道单基站无线传感器网络，主9 8 8 5 498 振 动 、测 试 与 诊 断 第 33卷要工作包括：a.提出了多信道单基站的无线传感器网络大规模实时监测实现方法，设计了多信道基站节点；b.具体分析了多信道单基站网络的结构和多信道基站节点的软硬件结构，采用 FPGA实现 了多个 CC2420射频拈的并行工作和高速缓存机制，采用 USB2.0总线实现 了数据 的高速上传；c.验证了多信道单基站网络提高网络实际数据容量的能力，及多信道基站节点实时并行接收多个信道数据的功能。实验结果表明，多信道单基站网络可以实现多个信道的并行数据采集传输，是提高网络数据容量 、实现大规模实时监测的可行方法 ，能够保证数据接收的可靠性和实时性。