無線傳感執(zhí)行器網(wǎng)絡雙射頻通信節(jié)點設計與實現(xiàn)

　　摘要：針對無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡拓撲結構動態(tài)變化、通信量大、實時性強及協(xié)同工作等特點，同時為降低通信時的信號干擾，設計并實現(xiàn)了一種基于IEEE 802.15.4的雙射頻多信道通信節(jié)點。對關鍵的天線電路進行了分析和設計;開發(fā)了通信模塊與控制決策中心的USART接口程序和雙通信芯片間的I²C接口程序。

　　引言

　　無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡是一種分布式、多跳、協(xié)同工作網(wǎng)絡系統(tǒng)。任務感知節(jié)點將檢測到的相關信息通過有效通信，實現(xiàn)信息投遞、共享和處理，然后由控制決策中心進行多維信息融合、決策，最終下達對應指令指示執(zhí)行裝置完成任務。

　　WSANs通常部署在無基礎通信設施的環(huán)境中，各節(jié)點往往具有一定的移動性且能量有限，網(wǎng)絡拓撲結構經(jīng)常變化，同時對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求較高。這些特點決定了無中心、自組織且支持多跳路由和節(jié)點移動的Ad hoc網(wǎng)絡能較好的滿足WSANs的應用需求。

　　然而，傳統(tǒng)單射頻、單信道網(wǎng)絡節(jié)點不能很好滿足WSANs大數(shù)據(jù)量實時通信的要求，這是因為大量節(jié)點密集部署且共用同一信道，易導致信道擁塞和干擾，使得信息投遞延遲和丟包增加，傳輸速率下降，網(wǎng)絡可靠性變差。因此有研究者采用多信道通信方式來解決競爭和沖突以提高網(wǎng)絡性能，這種方法的好處有：(1)可減小網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)包的平均傳輸時延;(2)多信道通信允許鄰近范圍內的多個節(jié)點采用不同信道通信，能夠有效降低競爭回退和通信干擾;(3)多射頻多信道方式能降低并發(fā)任務處理時各任務間的信號干擾;(4)多射頻通信節(jié)點提高了信息傳輸容量和信道利用率。

　　基于上述分析，本文設計了一種支持Ad-Hoc組網(wǎng)的，基于IEEE 802.15.4協(xié)議的雙射頻、多信道網(wǎng)絡通信節(jié)點。

　　節(jié)點設計

　　WSANs雙射頻多信道節(jié)點的設計框圖如圖1所示，分為控制、決策、執(zhí)行中心和網(wǎng)絡通信模塊兩大部分。控制、決策、執(zhí)行中心采用高速DSP芯片作為主控制器，各類傳感器采集的信息傳遞給DSP處理，處理后的信息經(jīng)過通信接口傳輸給網(wǎng)絡通信模塊，經(jīng)RF傳輸給其他節(jié)點，實現(xiàn)信息的傳遞和共享。節(jié)點主控制器DSP對來自自身傳感器或者其它節(jié)點的信息進行分析和處理后控制執(zhí)行器裝置的動作。　　

　　本文主要完成網(wǎng)絡通信模塊設計部分。該部分由處理器1和射頻1構成通信模塊1，處理器2和射頻2組成通信模塊2，由于射頻1和射頻2獨立設計，兩個射頻模塊可工作在相同或不同的頻段或信道上，根據(jù)應用系統(tǒng)設計需求，可分別將兩個通信模塊用于不同的目的構建不同的網(wǎng)絡。例如，可令其中一個通信模塊承擔全局組網(wǎng)任務，另外一個通信模塊承擔任務子網(wǎng)的構建，或者將一個通信模塊構建指揮控制網(wǎng)絡，另外一個通信網(wǎng)絡構建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，以保證控制指令和數(shù)據(jù)的實時傳輸。這種靈活的組網(wǎng)方式和工作模式為不同應用系統(tǒng)的構建提供了擴展性很強的基礎平臺。