隨著技術(shù)的發(fā)展，基于分布式、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也越來越多。本文提出了一個基于嵌入式系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺，該實(shí)驗(yàn)平臺在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的算法和協(xié)議驗(yàn)證方面具有良好的應(yīng)用前景。

集成電路、微機(jī)電系統(tǒng)以及通信理論的發(fā)展促使了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)。這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由很多自給供電的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的。每個傳感器節(jié)點(diǎn)都可以進(jìn)行周圍環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、簡單計(jì)算以及與其它節(jié)點(diǎn)及外界進(jìn)行通信。傳感器網(wǎng)絡(luò)的多節(jié)點(diǎn)特性使得眾多的傳感器可以通過協(xié)同工作進(jìn)行高質(zhì)量的傳感，以及組成一個容錯性好的的采集系統(tǒng)。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，近年來出現(xiàn)了許多基于分布式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如搶險救災(zāi)、智能家居以及生物化學(xué)武器攻擊的探測和救援。

然而，作為一種新興出現(xiàn)的技術(shù)，建立一個運(yùn)轉(zhuǎn)良好、魯棒性好的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還是面臨著許多挑戰(zhàn)。而且由于它的一些獨(dú)特特性，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法有很大不同。例如，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)分布密集，所以需要大范圍的數(shù)據(jù)管理和處理技術(shù)。其次，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般部署在人類難以到達(dá)和接觸的區(qū)域，這就使傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的維護(hù)面臨著很大的挑戰(zhàn)。除此之外，電源消耗也是一個很重要的問題，無線傳感器節(jié)點(diǎn)作為微小器件，只能配備有限的電源，在有些應(yīng)用場合下，更換電源是近乎不可能的。這使得傳感器節(jié)點(diǎn)的壽命在很大程度上依賴于電池的壽命，所以降低功耗以延長系統(tǒng)的壽命是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)需要首要考慮的問題。許多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究人員都在注重研究新的節(jié)約功耗的協(xié)議和算法，這些協(xié)議和算法需要傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證。在本文中，我們就將介紹一種對協(xié)議和算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺架構(gòu)

一般來說，一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括傳感器節(jié)點(diǎn)以及傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)用于組合從各個傳感器節(jié)點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)以及負(fù)責(zé)與外界的通信，該節(jié)點(diǎn)基于嵌入式系統(tǒng)。

傳感器節(jié)點(diǎn)首先采集諸如聲、光和距離等環(huán)境相關(guān)的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單處理后傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常具有兩種應(yīng)用模式：主動輪詢模式、被動模式。主動模式要求網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)對各個傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行主動的輪詢以獲得消息，而被動模式則要求在某個傳感器節(jié)點(diǎn)事件發(fā)生時，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)能作出及時的響應(yīng)。各個傳感器節(jié)點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)還能進(jìn)行組合，這也很大地提高了傳感器網(wǎng)絡(luò)的效率。當(dāng)然這也要求傳感器節(jié)點(diǎn)要具有一定的計(jì)算能力。

系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

在本文介紹的系統(tǒng)架構(gòu)中，主要需要實(shí)現(xiàn)的是傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的硬件平臺，下面介紹這兩個平臺的硬件實(shí)現(xiàn)。

1. 傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件實(shí)現(xiàn)

傳感器節(jié)點(diǎn)的功能是采集人們感興趣的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給各個傳感器節(jié)點(diǎn)組的網(wǎng)關(guān)。傳感器節(jié)點(diǎn)主要由電源模塊、計(jì)算模塊、存儲單元、通信模塊和傳感單元組成，如圖2所示。

傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算單元的功能已經(jīng)在上節(jié)中介紹過，在我們的系統(tǒng)中采用了ti 公司的16位微控制器msp430f149。msp430具有豐富的片上存儲資源，在5 mhz的工作頻率下，msp430的功耗大約為1.5mw，而且該微控制器還有多種省電模式可供選擇。除了豐富的片上存儲資源和多種省電模式以外，msp430還具有多個ad接口和i/o數(shù)據(jù)線，使之很容易用軟件編程，這些接口還可以用作與傳感單元的接口。

傳感器節(jié)點(diǎn)的通信模塊的功能是由nrf903 射頻收發(fā)器來實(shí)現(xiàn)。該收發(fā)器所具有的低功耗和小尺寸使之非常適合用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，該收發(fā)器可以工作在433mhz、868mhz、915mhz等公共頻段中。射頻模塊通過串口與msp430通信。nrf903還可以根據(jù)輸入電流來決定傳輸功率，這一特性使之具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a. 可以使一個節(jié)點(diǎn)自動調(diào)整通信的相鄰節(jié)點(diǎn)的個數(shù)，從而使得整個網(wǎng)絡(luò)的規(guī)�？烧{(diào)。

b. 可以使一個節(jié)點(diǎn)在與相對較近的節(jié)點(diǎn)通信時，使用較少的能量。

c. 可以被輔助用來進(jìn)行無線信道的沖突檢測。

d. 可以用來確定一個節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的相對位置。

每個傳感器節(jié)點(diǎn)采用aa電池供電。

2. 網(wǎng)關(guān)的硬件實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)關(guān)的硬件部分主要由中央處理單元、存儲單元、射頻收發(fā)模塊和gprs通信模塊組成，如圖3所示。

網(wǎng)關(guān)的中央處理單元主要用來處理從傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)以及完成一些控制功能。中央處理單元的主要器件是atmel 公司的at91rm9200 微處理器，at91rm9200是基于arm920t 指令集的arm處理器。該處理器具有豐富的外設(shè)以及接口，這使得它在低成本、低功耗的條件下能完成一些功能豐富的應(yīng)用。at91rm9200處理器集成了許多外設(shè)接口，包括usb2.0接口和以太網(wǎng)接口。此外，該處理器還提供了多個符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，包括音頻、電信、閃存卡、紅外、智能卡接口等。

為了將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)上，網(wǎng)關(guān)設(shè)備還配有g(shù)prs通信單元，gprs通信單元主要是由 索尼-愛立信公司的g