曹 源，徐晓辉，王 停，檀柏梅，宋 涛，苏彦莽

（1.河北工业大学 电子信息工程学院，天津 300401；2.中国人民解放军93756部队 特设教研室，天津300131）

面向多传感器接入的无线传感器节点的研究

曹 源1，徐晓辉1，王 停2，檀柏梅1，宋 涛1，苏彦莽1

（1.河北工业大学 电子信息工程学院，天津 300401；2.中国人民解放军93756部队 特设教研室，天津300131）

设计研究了用于环境数据采集的通用型多传感器无线节点，节点由传感器、单片机、无线通信模块、电源等组成，依据待测环境参数的不同可以更换合适的传感器。传感器输出信号经单片机存储与处理后经由Wi-Fi无线通信模块和其他节点组成星型网络拓扑结构的无线传感器网络系统，传至主节点综合处理，完成特定数据的采集。系统考虑了节点低功耗和Wi-Fi无线通信模块传输数据的安全性，选取USR-C322型号Wi-Fi模块与TRAMA通信协议，设定休眠模式，系统可以进行正常的数据传输。

多传感器；Wi-Fi；单片机；星型网络

无线传感器网络由大量无线传感器节点互相连接组成，传感器节点主要由四部分组成，分别为数据收集模块（传感器、AD转换器）、数据处理模块（单片机）、数据传输模块（Wi-Fi无线通信模块）、电源等。传感器收集所处环境的各种数据信息，经过转换传送给单片机进行数据的处理和存储等功能，再由无线通信模块负责与其他节点进行数据的传输，电源对各工作模块提供所需能量[1-3]。

1 通信方式与器件选择

1．1 系统的通信方式

1.1.1 无线通信技术

在目前有多种无线通信技术，主要有蓝牙、ZigBee、RF、Wi-Fi等，其都有各自的优势，要平衡各优缺点选取合适的无线通信技术来进行系统的构建。

Wi-Fi相较于其他无线通信技术在安全性上并不十分出众，但它方便组建无线网络，理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区域内，就能以最高约11 Mb/s的速度接入、web。且不受墙壁阻隔，并且其功耗可控范围也比较大。Wi-Fi技术除上公司实施方案较简便，所需成本较低。故比较符合本文所研究要节约功耗、构成方便等问题[4-7]。

1.1.2 网络拓扑结构

传感器节点所组成的网络拓扑结构有很多种，主要包括星型结构、环形结构、总线型结构以及混合拓扑结构等。

星型结构[8]是以在网络中心的中央节点为中心，其它的节点都与中央节点相连。其主要特点为结构简单，较容易进行维护和管理，网络延迟小、传输数据的误差较低。但其成本较高，距离短；

考虑到本研究为实际应用，传感器节点较多，总体成本不宜过高，维护、管理较简单。故相互比较，采用星型拓扑结构网络来进行此次研究的节点连接。

1.1.3 功耗选择

在现今的研究方案中，主要有3种方法来解决无线传感器节点的功耗问题：休眠管理、能量有效路由控制策略和拓扑控制策略[9]。拓扑控制策略主要是通过调节各节点的无线传输距离来降低其传输功耗，但调节传输距离后要保证其在正常的工作范围内；路由控制策略主要是通过各节点的能量平均化，不会使某些节点因为能量过多的消耗而使其不能正常工作；休眠管理，其主要思想为有一些节点在特定的时间内并没有进行工作，此时可以使这些节点处于“休眠”，等到需要其工作时，在对其进行“唤醒”，从而达到节约功耗的目的[9～11]。

政府制定产业政策的主要原因是当前的经济发展状况和产业发展状况决定的，为了更好地引导国家产业的发展方向，更好地推动产业结构升级转型，协调各方发展，最终实现国民经济持续健康发展。我国的经济发展状况在各地区都有着不同的特点，面临各种各样的问题，这些问题带有明显的地域特征，解决这些问题所采取的方法也不尽相同，因此在制定产业扶持的相关政策时也应该考虑不同地区的环境、社会、文化特征。乡镇经济作为组成我国经济的重要部分，在我国经济发展中占据重要地位。

通过对比，休眠机制可以有效地降低节点的功耗，本文采取对使节点在一定的时间开始工作，使之处于休眠模式，并对Wi-Fi无线模块进行休眠模式的设定，来达到降低整个节点的功耗问题。

1．2 数据收集模块

数据收集模块采用传感器收集数据信息，考虑到实际应用中可能涉及到不同种类的传感器，需要单片机具有数据通用、多路输入处理的功能：模拟信号（电流信号、电压信号）和数字信号都能够传输到单片机中进行处理。如图1所示：数据状态；当节点i处于时隙t是接受数据段，则处于接受数据状态；其余时刻，节点处于休眠状态[11]。其将工作时间分为随机访问及预定访问两个时间段，在随机时，传感器节点开始工作进行接收或发送数据，其余时间处于休眠状态。TRAMA协议降低了传输数据时产生碰撞的可能性并且增加了节点的休眠时间，可以有效地降低传感器节点的功耗问题。

图1 数据收集模块示意图

2 无线传感器网络节点的设计与构成

2．1 无线传感器网络节点的设计

传感器输出信号（数字/模拟信号）送给单片机用于处理与存储，Wi-Fi无线通信模块与其他节点进行连接，组成星型网络拓扑结构，从而连接成无线传感器网络。

2.2 无线传感器网络节点系统的构成

传感器网络由若干无线传感器节点连接组成，无线传感器节点由单片机、传感器、无线模块与电源等组成。从节点收集整理数据后经由无线模块传输给主节点，由检测者接收。

设计无线传感器分节点的结构如图2所示：

图2 无线传感器分节点结构构成图

1．3 无线通信模块

本系统采用的无线模块为USR-C322型号的Wi-Fi无线模块。

USR-C322模块可以采用多种休眠模式来进行功耗的降低，其优秀的低功耗工作模式有效地可以降低这一问题的影响，并且其模块具备WEP-A、WPA-PSK、WPA2-PSK安全机制，WEP64、WEP128、TKIP、AES加密机制，对于传输的数据具有很强的保密性，可以有效地保证其传输数据的安全性。比较符合本研究主要考虑降低无线传感器节点功耗与提高数据传输安全性的问题。因此此次研究使用此种型号的Wi-Fi无线模块。

1．4 系统的通信协议

由于无线传感器节点的构成比较简便，运行程序、使用功能所消耗的能量不能过多。因此其只能运行较为简便的网络协议[12]。无线传感器节点的功耗问题是研究的一大方向，因此选择网络协议主要在此方向研究。在MAC通信协议中，有一种TRAMA（流量自适应介质访问协议）可以增加节点的能量使用效率及提高网络的吞吐量。TRAMA协议通过节点的时隙选择在t时刻的优先级来进行序列，其公式为式（1）所示：

当节点i处于最高级并收集数据将要发送，则处于发送

收集单元通过传感器收集数据信息后经过单片机处理后，经由无线模块传输给主节点，显示出数据信息，主节点根据实际需要来进行各种控制。

无线通信模块如图3所示。

图3 无线通信模块结构构成图

单片机与Wi-Fi模块的串口连接如图4所示。

图4 单片机与Wi-Fi模块串口连接图

在网络的连接上选取星型网络连接：星型无线网络的拓扑结构如图5所示。

图5 星型无线网络的拓扑结构

在连接Wi-Fi模块与单片机时，要注意两者的电压问题。由于Wi-Fi模块的电源和工作电压都为3 V，而单片机的电压都为5 V，因此两者并不能直接进行相连，在Wi-Fi模块的电压处接一1117电压转换芯片，将5 V的电压转换成3.3 V的电压来进行供电。在两者的RXD与TXD串口连接时需进行连接以220 Ω的电阻，来解决两者之间电压的不同，防止出现传输数据问题。注意，在单片机的TXD输出端上拉电阻来使系统可以启动，进行正常工作。

在系统收集数据后，经单片机传给Wi-Fi模块，从节点在收到数据后，发送消息给主节点，主节点收到后，发送接受信息，从节点接受信息，完成应答，开始进行传输。从节点开始进行数据传输，数据按照定时时间进行传输，当数据高于一定数值时，直接进行传输，而不需考虑是否定时时间的到时；当主节点需要某时具体数据时，向从节点发送取数信息，从节点接收信息，从单片机调取某一时间数据进行发送，不需考虑定时时间的是否到达。

2.3 Wi-Fi模块的使用

Wi-Fi模块在使用前需要进行设定各项功能，如所处AP、STA模式，IP地址、密码，SSID名称，网络协议参数等。

在进行Wi-Fi无线模块的设定时，需使用专门的调试助手，用AT指令来进行各种设定。Wi-Fi无线模块本身具有多种工作模式，将其设定为功耗模式3，当串口进入数据输入时，开始工作，将数据进行发送。其余时刻进入休眠模式，降低本身功耗，可以有效地降低系统的功耗问题。

3 设计实验结果

在进行数据输入的仿真完成后，在确定Wi-Fi无线模块可以进行正常的数据传输功能后，利用STC-ISP程序拷入软件来将程序拷入硬件单片机中，开始进行系统实际电路的搭建连接。

在硬件电路连接完成后，通电开始进行数据的传输，传输数据结果如图6所示。

图6 系统接收数据显示

有图可见，主节点可以正常接受到从节点一和节点二发送过来的数据，每次发送时间间隔为10秒，两节点间无相撞行为，可以正常传输，实现系统基本功能。

4 结论

系统通过收集数据，经过单片机传给Wi-Fi无线模块，通过传感器网络，将数据发送到主节点，进行数据显示。基本实现了由无线传感器节点组成星型网络的数据传输方案，可以很好的完成数据的传输功能，并具有不错的低功耗和系统的安全性。

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Research of multi-sensor access wireless sensor nodes

CAO Yuan1，XU Xiao-hui1，WANG Ting2，TAN Bo-mei1，SONG Tao1，SU Yan-mang1
（1.School of Electric Information Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China；2.Teaching and Research Section，The Chinese People’s Liberation Army 93756 Troops，Tianjin 300131，China）

Design of the universal multi-sensor wireless nodes for collecting environmental data，sensor nodes consist of sensor，microcontroller，wireless communication module，power supply and other components.According to the different environmental parameters，sensor can be replaced to find the appropriate sensor.Sensor output signal after single-chip computer storage and treatment via wi-fi wireless communication module and the other nodes of the star network topology of wireless sensor network system，comprehensive treatment to the master node，perform specific data collection.considering the low power of the system nodes and the security of the Wi-Fi wireless communication module，select the USR-C322 models of Wi-Fi module and communication protocols of TRAMA，setting the sleep mode，the system can be a normal data transmission.

sensor node；Wi-Fi；SCM；star network

TN6

A

1674－6236（2016）15-0135-03

2015-12-10 稿件编号：201512122

河北省科技支撑计划（13210305D）；石家庄市科技支撑计划（131130322A）

曹 源（1988—），男，河北定州人，硕士研究生。研究方向：集成电路应用。