一种应用于煤矿监控的异构型wsn的设计与实现.pdf

声明声明下面论文由免费论文教育网 http//www.PaperE 用 户转载自互联网，版权归原作者所有，本文档仅供参考，严禁抄袭 免费免费论文论文教育教育网网 - 1 - 一种应用于煤矿监控的异构型一种应用于煤矿监控的异构型 WSN 的设计与实现的设计与实现1 罗海波，罗娟，李仁发 湖南大学计算机与通信学院，长沙（410082） E-mail robhappy, juanluo 摘摘 要要在无线传感器网络中，硬件节点往往只有一种类型，而针对特殊的应用，则应考虑 节点硬件异构以及网络异构的 WSN。本文针对煤矿监控的特殊应用背景，研究设计了一种 异构型的无线传感网络，并在此基础上提出了一种可用的网络体系结构和混合式的网络拓 扑， 即把树型拓扑与网状拓扑， 无线传感网络与有线网络结合起来， 在设计中， 使用 CC2430 构建可穿戴的普通节点，而中心节点由 Atmega128L、CC2420、以及以太网芯片 DM9000A 组建，很好的综合了成本，功耗，体积和性能的要求。 关键词关键词异构；可穿戴；无线传感网络；无线通信节点 1. 引言引言 近年来，随着无线通信、微机电系统、和传感器等硬件技术的发展，使得布置具有无线 通信和板载信号处理能力的微型低能量传感器成为可能。 无线传感器网络在环境监测、 办公 室智能化、战场监视以及交通流量监测等许多方面显示出越来越大的作用[1]。随着IC集成度 的提高，集处理能力和射频通信能力于一身的SOC芯片的出现，无线传感器网络的硬件节点 成本，功耗也越来越低，体积也越来越小。 目前， WSN的节点硬件的设计主要有三种方式○ 1单片机射频芯片， ○ 232位嵌入式处理器 射频芯片，○ 3SOC，第一类主要用于精简功能设备（RFD） ，如普通的传感节点，第二类主 要用于比较复杂的应用，如多媒体节点、网关节点等，第三类芯片里面集成了处理器内核以 及射频前端，所以在体积、编程控制、节点的设计等各方面都相对要简便，而且特别适合要 求体积小，能耗低，成本低的WSN场合，是未来发展的趋势所在。通常情况下，WSN中的 普通节点只有一种，而针对特殊应用，就需要考虑采用不同种类型节点组成的异构型WSN 体系。 本文第二部分介绍本设计的应用背景，第三部分分析了针对此次应用的网络体系结构， 接下来，第四部分概述了网络中两种不同的节点硬件的设计，而第五、六部分给出了网络运 行的性能分析以及结论。 2. 应用背景分析应用背景分析 目前矿井监控系统存在的主要问题是通信协议不规范， 现有厂家的监控系统几乎都采用 各自专用通信协议，井下节点主要分布在巷道口，以有线电缆的方式传送数据。各种传感器 1 本课题得到国家自然科学基金60673061,高等教育学校博士点基金20060532024,湖南省自然科学基金 06JJ50111,06JJ50113，长沙市科技攻关项目K069015-12 , “十一五”国家科技支撑计划重点项目总项目 号2007BAK23B00，子项号2007BAK23B03,资助。 - 2 - 通过电缆与工控机连接、上传模拟信号，传感器之间不能通信；通信基础架构不仅一次性投 资大、维护难，而且不能随着工作面的推进而及时铺设；井下的各种传感器节点都需预先安 装且不具有移动性；传感器节点不具有计算功能，其感应参数不能远程动态修改；入井人员 管理困难，井上人员难以掌握井下人员的动态分布及作业情况，一旦事故发生，对井下人员 的抢救缺乏可靠信息。 无线传感网络具有无需固定设备支撑、 可以快速部署、 易于组网以及不受有线网络的约 束等特点,非常适合应用于难以使用传统有线通信机制的恶劣环境中,比如一些危险的工业环 境，在矿井下，环境复杂，难以布置传统的有线网络，而无线传感网的特性很适合在矿井下 的环境监控、人员定位等应用。 在矿井下， 巷道比较窄而且环境复杂， 无线电磁波衰减严重， 大大影响节点的通信能力， 而且2.4G电磁波的穿透性很差，所以在矿 井下每个巷道都布置一个或一个以上的 “中心节点”，用于汇集和转发其它节点的 信息， 如图1所示， 为增加整个网络的鲁棒 性，每个中心节点既可通过无线方式向其 它中心节点转发数据，也可通过有线的方 式直接发送至地面控制中心，这取决于实 际情况，比如有线通道在突发情况下瘫痪。 图 矿井巷道模型 可见， 中心节点既要求有较强的处理能力， 又要求能较方便的与其它有线控制系统互连， 且能耗要低。而对于安装在矿帽上的节点来说，可穿戴性和成本至关重要，即要求节点体积 小，成本低。则整个网络需要两种类型的硬件节点。 3. 网络体系结构网络体系结构 3.1 异构性设计异构性设计 传感器硬件节点可以根据感测能力、计算能力、通信能力和能量等分为不同的种类。异 构传感器网络heterogeneous sensor networks是指由多种不同类型的传感器节点构成的网 络；反之，由相同类型传感器节点组成的网络称为同构传感器网络homogeneous sensor networks[2]。在实际的应用中，由于目标应用环境的特殊性，可以选择同种节点类型组成的 同构传感网络，或者选择由结构、计算能力、存储能力各异的节点组成的异构型传感网络。 异构性设计可以充分满足目标应用的要求，而又不浪费软硬件、网络资源，其难点在于 异构节点的信息交互，软件的通用性设计。 3.2 体系结构体系结构 在矿井的复杂环境下， 网络的性能很难得到保证， 某一链路随时都可能因为环境状态的 改变而质量下降甚至不可用，为了增加网络的鲁棒性，可在路由算法，节能控制等各方面做 - 3 - 出改进，本设计在节点硬件异构的基础上，考虑到煤矿环境的实际应用，提出了一种混合的 网络拓扑和异构的网络体系。网络拓扑如图2所示，矿井下每个巷道都布置一个或以上的中 心节点，用于汇集和转发进入此巷道的普通节点采集的数据，在每一巷道中，为简化网络复 杂性，采用星型拓扑，而中心节点的连接采用MESH网络连接，每一中心节点都可选择直接 通过有线通道连接地面控制台， 这样既简化网络拓扑， 可有效增加每一巷道内数据的吞吐量， 也极大的增加了网络的安全性和有效性。 图 2 网络拓扑结构 图 3 网络体系模型 ■双向箭头连接表示无线链路 ■ ZIGBEE or OEM ■黑实线表示有线链路 ■ ZIGBEE Alliance Plat ■中心节点为巷道内固定节点 ■ IEEE 802.15.4 ■普通节点为矿工帽上可穿戴移动节点 ■ TCP/IP Protocol Architecture 本设计采用了一种异构的网络体系如图2，图3，其突出的特点如下 1）无论是普通节点还是中心节点，都额外的抽象出一层所谓的硬件抽象层HAL （Hardware Abstract Layer） ，这样易于协议代码以及应用程序的移植，保证了通用性。 2）中心节点把ZIGBEE体系与有线通信协议（如TCP/IP）融合在一起，可以无线或有线 的前向路由数据信息。 在这个体系中， 普通节点各层只可与中心父节点各层交换数据， 而中心父节点之间既可 对等的跟其它任一中心节点无线地交换数据，也可通过体系中TCP/IP协议有线地进行转发。 这取决于信道的质量，在正常情况下，有线通道优先转发。 4. 硬件节点设计硬件节点设计 4.1 芯片介绍及节点方案芯片介绍及节点方案 CC2420是Chipcon公司（现已并入TI公司）推出的一款符合IEEE 802.15.4规范的2.4GHz 射频芯片， 用来开发工业无线传感及家庭组网等PAN网络的ZigBee设备和产品， 使用CC2420 跟MCU的结合可以很容易的实现无线传感器网络。 - 4 - CC2430芯片延用了CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频RF前端、内 存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051） ，具有最大128KB可编程闪存和8KB的RAM，还 包含模拟数字转换器ADC、几个定时器（Timer） 、AES128协同处理器、看门狗定时器 （Watchdog timer） 、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路Power On Reset、掉电 检测电路Brown out detection，以及21个可编程I/O引脚[4]。 在本设计中， 搭配CC2420的MCU采用AVR单片机Atmega128L， 它采用低功耗CMOS 工 艺生产, 基于RISC 结构， 具有片内128KB 的程序内存 Flash、 4KB 的数据存储器 SRAM 和4KB的EEPROM，有8 个10 位ADC 通道、2个8 位和2 个16 位硬件定时/ 计数器、8 个 PWM 通道， 具有可编程看门狗定时器和片上振荡器、 片上模拟比较器、 JTAG、 UART、 SPI、 I2C 总线等接口。ATmega128L 可在多种不同模式下工作, 除了正常操作模式外, 还具有六 种不同等级的低能耗操作模式, 因此该微控制器适合于低能耗的应用场合[3][7]。 表 设计实现的两种节点类型的比较 节点实物图 节点类型 CC2420＋Atmega128L CC2430 处理器内核 AVR 8051 位数 8 8 主频率 8M 32M 工作电压（V） 3 2.0～3.6 工作模式 6种睡眠模式 4种工作模式 FLASH 128K 32/64/128K RAM 4K SRAM 8K RAM 能耗 较低 低 工作频段 2.4G 2.4G 由上表可以看出，CC2430配置最大FLASH为128K，而考虑到成本因素，可选择32K， 用于普通节点。 Atmega128L的工作模式较灵活，内置128KFLASH，4K EEPROM，可满足TCP/IP协议 和ZIGBEE协议的存储要求。此外，Atmega128L的控制功能较强，它的I2C接口，PWM脉冲 调制功能等都易用于互连以及控制。丰富的IO以及外部扩展的地址总线（AB） ，数据总线 （DB）可用于扩展外部RAM以及同Ethernet以太网控制芯片交换数据。 根据第2节分析的煤矿的实际应用特点， 第3节分析设计的网络体系结构， 普通节点采用 以CC2430-F32 SOC芯片为核心的节点模块，满足体积小，成本低，性能稳定的可穿戴性要 - 5 - 求。而中心节点采用Atmega128LCC2420组合的模块，满足低功耗，存储能力强，控制交 互能力强的需求[5][6]。 4.2 CC2430 模块的设计模块的设计 CC2430是一款成熟的SOC芯片，设计时只需要很少的外围分立组件就可以构建完整的 ZigBee节点如图4所示。但是由于通信的频率很高，在设计时要小心天线电路的阻抗匹配、 晶振与电磁波的潜在的影响。 在CC2430模块PCB的设计中，难点在于天线 端设计，稳定性与通信距离的保证和良好的接地 设计。 天线端设计天线端设计 从CC2430射频端引脚RF_N和 RF_P看，阻抗是差分阻抗，其最佳的负载阻抗为 60j164欧，所以需要设计一个阻抗转换电路以匹 配50欧的天线，根据微带传输线理论，这个阻抗 转换电路跟导线的宽度，形状，厚度，以及制版 的厚度都有关系，此外，还需要额外的电容或者 电感来达到匹配[8]。 稳定性与通信距离的保证稳定性与通信距离的保证退耦电容的使用， 保证外围分立元器件的精度，晶振电路的设计等都 图4 CC2430外围电路图 与模块的稳定性相关， 而通信距离需要优良的天线 说明图中未画出退耦电容及接地设计， 电路来保证。 这也至关重要。 接地通孔接地通孔在设计模块时，需要充分保证芯片的接地良好，而CC2430的接地为芯片底 面整面设计，所以在设计本节点时，在PCB板上芯片底面部分打大通孔接地，焊接时通过灌 锡处理来获得良好接地效果。 4.3 硬件调试及组网硬件调试及组网 1 CC2420中心节点的调试 测试硬件平台CC2420节点硬件，ISP下载线。 测试软件平台WinAVR编译器，PonyProg2000下载工具。 2 CC2430普通节点的调试 测试硬件平台无线盛世的WS-TP型仿真器（针对CC2430/2431） ，CC2430模块等。 测试软件平台IDEIAR for 8051 7.20H，SmartRF Studio，SmartRF04Prog，相关测试 代码， TI ZStack-1.4.2， msstatePAN （A subset ZigBee Stack developed by Dr. Robert Reese from Electrical/Computer Engr, Mississippi State University） 。 硬件的调试应遵循一定的步骤， CC2430模块的调试步骤应如下 ○ 1晶振○ 2I/O○ 3USART○ 4定 时器/睡眠模式等○ 5点对点通信测试○ 6组网测试 3组网分析 - 6 - 根据图2所示的网络拓扑， 本设计先试验布置了一个ZIGBEE树型网络， 网络环境位于实 验室楼层，巷道模型跟煤矿类似。分析详见第5节。 5. 性能分析性能分析 本设计根据煤矿的实际应用，设计及实现了一个异构型WSN，抽象出HAL层，可方便 实现代码的移植和组网，充分考虑到设计中的可穿戴性，结合了树型拓扑和MESH拓扑，有 线和无线，极大的增加了网络的安全性和鲁棒性。 运行性能分析 ■节点性能 ■CC2430模块运行稳定，功耗比预想的要大。 ■CC2420模块能正常运行。 ■网络性能 ■经测验，网络运行受环境影响较大。 ■障碍物对无线信号屏蔽作用明显，非视距的中心节点间通信效果不如视距传播。 采用树型网络的结构，越接近树根的节点负载越重，对计算和存储的要求越高，预计在 本设计中，中心节点一级采用了MESH拓扑，可有效增加网络吞吐量。 6. 结论结论 基于煤矿的实际应用，本文提出了特定的异构型WSN体系结构，研究设计了一种计算 和存储异构的无线传感网络，硬件节点分为两种第一种采用TI公司SOC芯片CC2430设计， 用于普通节点，第二种采用了Atmega128L与射频芯片CC2420结合的方案，用于中心节点， 并且将树型拓扑和网状拓扑，有线和无线结合起来，增加了整个网络的性能。经过实物模拟 试验和初步的目标环境试验表明， 设计的网络可以有效的进行煤矿环境的监控， 我们将继续 深入研究设计，使其达到可信和可靠的效果。 - 7 - 参考文献参考文献 [1] Akyildiz I, Su W, Sankarasubramaniam Y, Cayirici E. A survey on sensor networks. IEEE Communications Magazine, 2002,408 102−114. [2] Duarte-Melo EJ, Liu M. Analysis of energy consumption and lifetime of heterogeneous wireless sensor networks. In Wang CH, Lee Y, eds. Proc. of the GLOBECOM 2002. New York IEEE Press, 2002. 21−25. [3] Atmega128L Datasheet [4] datasheet_cc2430[rev.E].pdf , [5 ] Shortcut Tree Routing in ZigBee Networks, Taehong Kim, Daeyoung Kim, Noseong Park, Seong-eun Yoo, Toms Snchez Lpez Ination and Communications University, Electronics and Telecommunications Research Institute. 2007 [6] REN Feng-Yuan et al.. Wireless Sensor Networks . Journal of Software, 2003 ,14 7 12821291. in chinese [7] N. Wang, N. Zhang and M. Wang, Wireless sensors in agriculture and food industry recent developments and future perspective, Comput. Electron. Agric. 50 2006114 [8] mplementation of Microstrip Balun for CC2420 and CC243x. Audun Andersen,TI,2007. [9] igBee 2006 ZigBee Specification v 1.0. ZigBee Alliance Board of Directors, Website http//www.zigbee.org/ A Design and Implement of A Heterogeneous WSN Based on Coal Mine Luo Haibo, Luo Juan, Li Renfa School of Computer and Communication, Hunan University, ChangSha 410082 Abstract In WSN, There always be only one kind of hardware. but heterogeneous nodes and WSN should be concerned when it comes specific application. In this paper, we designed a heterogeneous WSN based on coal mine watch application. And in this foundation, a feasible network architecture and Composite network topology is proposed, that is combining tree and MESH routing, wireless and lineate network. In the design, the wearable ordinary nodes are structured by CC2430, and central nodes are composed of Atmega128L, CC2420,DM9000A. This tightly meets the demands of costs,power consumption, volume and perance. Keywords heterogeneous; wearable; wireless sensor network; architechure; node