無(wú)線網(wǎng)絡(luò)wifi技術(shù)的研究

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)wifi技術(shù)的研究

溫度監(jiān)測(cè)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)管理、倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)存、公共物品保護(hù)等領(lǐng)域。它對(duì)降低成本、經(jīng)濟(jì)高效的溫度網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)設(shè)備非常重要。目前應(yīng)用的溫濕度網(wǎng)絡(luò)傳感器大多采用ZigBee技術(shù),ZigBee技術(shù)雖然功耗較低,但其傳輸速率低,構(gòu)建的WSN是封閉的,不能和Interet/Intranet直接集成,需要網(wǎng)關(guān)的支持,與之相比,WiFi技術(shù)具有傳輸速率高、覆蓋范圍廣、組網(wǎng)成本低、與Internet網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫連接等優(yōu)點(diǎn),文獻(xiàn)和文獻(xiàn)分別將WiFi技術(shù)應(yīng)用到煤礦安全生產(chǎn)、溫室栽培中,取得了良好的應(yīng)用效果,但都存在功耗過(guò)大、無(wú)法定位的問(wèn)題。文獻(xiàn)采用使WiFi芯片組睡眠的方式有效地減少了無(wú)線通信的能量消耗,但沒(méi)有解決無(wú)線傳感器在空閑狀態(tài)下的功耗問(wèn)題以及低功耗模式下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的管理問(wèn)題。文獻(xiàn)雖然設(shè)計(jì)了能量管理任務(wù)來(lái)控制無(wú)線通信芯片和處理器芯片的能量消耗,但是其系統(tǒng)體積較大,成本高,不利于產(chǎn)品的應(yīng)用推廣。針對(duì)以上設(shè)計(jì)中的不足之處,本文的溫濕度網(wǎng)絡(luò)傳感器采用集成WiFi功能的超低功耗芯片GS1010為核心,通過(guò)減少通信次數(shù),降低傳感器數(shù)據(jù)采集、處理時(shí)的功耗,使節(jié)點(diǎn)絕大多數(shù)時(shí)間處于休眠狀態(tài),達(dá)到延長(zhǎng)傳感器壽命的目的,并將SNMP協(xié)議應(yīng)用到低功耗模式下節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)管理中,此外采用基于RSSI的三角形質(zhì)心定位算法定位傳感器的位置。1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,由無(wú)線路由器等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組建局域網(wǎng),傳感器采用周期性睡眠/喚醒機(jī)制,在被定時(shí)喚醒后,會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)SSID和無(wú)線通道號(hào)加入指定網(wǎng)絡(luò),向監(jiān)控中心定時(shí)發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)并對(duì)中心發(fā)出的SNMP管理信息幀做出響應(yīng)。本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)是一款可以在無(wú)人值守狀態(tài)下長(zhǎng)期工作的超低功耗溫濕度網(wǎng)絡(luò)傳感器,其實(shí)現(xiàn)方法主要包括以下幾個(gè)方面:①極低的休眠電流,處理器芯片、電源芯片、溫濕度傳感器的休眠電流都在幾μA到十幾μA之間,整個(gè)系統(tǒng)的休眠電流不超過(guò)50μA,在一節(jié)AA電池供電的情況下,整個(gè)系統(tǒng)可以休眠1～2年;②根據(jù)傳感器在溫濕度采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、無(wú)線定位等工作狀態(tài)中各模塊的使用情況,將整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行分為多個(gè)功耗狀態(tài),通過(guò)減少各狀態(tài)下工作模塊的數(shù)量,降低傳感器在以上工作狀態(tài)下的能量消耗;③低功耗狀態(tài)下,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不能及時(shí)響應(yīng)用戶的訪問(wèn)命令,因此對(duì)低功耗狀態(tài)下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的管理也是本文的主要研究?jī)?nèi)容之一。2s1010芯片單元傳感器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,節(jié)點(diǎn)硬件主要包括GS1010芯片及其外圍電路單元、溫濕度傳感器及調(diào)理電路單元、USB通信單元、3.3V和1.8V供電單元和天線濾波收發(fā)單元。下面將詳細(xì)介紹各功能模塊。(1)gs110系統(tǒng)無(wú)線通信狀態(tài)本設(shè)計(jì)采用GainSpan公司推出的基于IEEE802.11b/g的超低功耗SoC芯片GS1010,休眠電流僅為5μA,該芯片采用雙ARM7處理器結(jié)構(gòu),將384KBFlash、192KBSRAM、802.11MAC/PHY和RF收發(fā)器以及I2C、SPI、ADC等外設(shè)全部設(shè)計(jì)在一只QFN封裝的單芯片中,降低了系統(tǒng)功耗和應(yīng)用設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,實(shí)現(xiàn)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的微型化和集成化。GS1010的不同運(yùn)行狀態(tài)下CPU、存儲(chǔ)器及片內(nèi)外設(shè)的工作和能量消耗情況如表1所示。由表中可以看出Listen、Receive、Transmit3種無(wú)線通信狀態(tài)消耗的能量比其他狀態(tài)大得多,只在無(wú)線定位、監(jiān)聽(tīng)SNMP管理命令和傳輸數(shù)據(jù)時(shí),傳感器才會(huì)進(jìn)入這些狀態(tài);其次是Active、Sleep狀態(tài)所消耗的能量,這兩種狀態(tài)用于傳感器的數(shù)據(jù)采集、處理和節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)管理;傳感器在進(jìn)行完所有操作后就進(jìn)入功耗最低的Standby狀態(tài)。(2)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的應(yīng)用本文采用瑞士Sensirion公司推出的SHT15單片數(shù)字溫濕度集成傳感器,該產(chǎn)品低功耗、響應(yīng)快、體積小的特點(diǎn)非常適合應(yīng)用在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器設(shè)計(jì)中。SHT15在系統(tǒng)上電或數(shù)據(jù)采集和通信工作完成后會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠模式,其睡眠電流僅為0.3μA,溫度和濕度轉(zhuǎn)換響應(yīng)時(shí)間最短分別為5s和8s,因此不需要設(shè)計(jì)專門的電源控制電路來(lái)降低傳感器在空閑狀態(tài)下的能量消耗。SHT15采用的是兩線制數(shù)字接口(但并不是文獻(xiàn)中所敘述的I2C接口),與控制器的接口電路如圖3所示。(3)無(wú)線接口設(shè)計(jì)采用USB通信接口可以節(jié)約PCB空間,縮小傳感器體積,該接口既可用于程序的有線下載和調(diào)試,也可作傳感器信息輸出的人機(jī)交互,而在傳感器正常工作的情況下是采用無(wú)線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理的,因此設(shè)計(jì)有專門的電源開(kāi)關(guān)將其關(guān)閉。(4)gs110控制器本單元采用LM3671系列芯片將3.0～4.2V的鋰離子電池供電電壓轉(zhuǎn)換為3.3V,為GS1010控制器片內(nèi)外設(shè)及片內(nèi)存儲(chǔ)器、溫濕度傳感器及調(diào)理電路、USB接口電路供電;將電池供電電壓轉(zhuǎn)換為1.8V,為GS1010控制器的ARM內(nèi)核供電。該系列電源芯片的最大輸出電流為600mA,當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)3.3V電源芯片的靜態(tài)電流僅為16μA,而GS1010控制器會(huì)通過(guò)電源芯片的使能引腳關(guān)閉內(nèi)核的1.8V供電,1.8V電源芯片的關(guān)斷電流僅為0.01μA,1.8V穩(wěn)壓電路原理圖如圖4所示。(5)射頻收發(fā)器GS1010控制器內(nèi)部已經(jīng)集成了802.11b/g射頻收發(fā)器,片外選用2.45GHz帶通濾波器,使射頻前端與天線端口之間的微帶線及天線的阻抗為50Ω。3開(kāi)發(fā)公開(kāi)代碼傳感器的軟件開(kāi)發(fā)是基于μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),它是一種免費(fèi)公開(kāi)源代碼的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn),非常適合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)。本文中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的軟件設(shè)計(jì)主要包括:能耗管理、網(wǎng)絡(luò)管理、無(wú)線定位和溫濕度數(shù)據(jù)采集及處理。3.1實(shí)現(xiàn)傳感器響應(yīng)和響應(yīng)傳感器低功耗軟件設(shè)計(jì)是在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,通過(guò)減少傳感器的無(wú)線通信次數(shù)和流量、減少系統(tǒng)配置和數(shù)據(jù)采集時(shí)的功耗、縮短應(yīng)用程序的運(yùn)行時(shí)間、延長(zhǎng)休眠周期使節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)等措施,將系統(tǒng)的平均功耗控制在傳感器設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)。本設(shè)計(jì)中主要采取以下5項(xiàng)能量消耗控制措施:①創(chuàng)建專門的能耗管理任務(wù),監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)運(yùn)行情況,按照?qǐng)D5所示的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖控制整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)運(yùn)行。當(dāng)所有的系統(tǒng)任務(wù)和應(yīng)用任務(wù)運(yùn)行完畢后,能耗管理任務(wù)會(huì)計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)的時(shí)間,并將系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的網(wǎng)絡(luò)連接信息、系統(tǒng)錯(cuò)誤類型等關(guān)鍵信息保存到RTC存儲(chǔ)器中,而后調(diào)用RequestForStandby命令,進(jìn)入Standby狀態(tài)。②利用μC/OS-II中空閑任務(wù)的擴(kuò)展接口,使系統(tǒng)在空閑狀態(tài)下進(jìn)入Sleep模式,降低控制器在進(jìn)行系統(tǒng)配置和采集傳感器數(shù)據(jù)時(shí)的功耗。進(jìn)入空閑任務(wù)后,操作系統(tǒng)會(huì)利用時(shí)鐘節(jié)拍周期性地喚醒控制器,控制器被喚醒之后,將判斷是否有任務(wù)處于就緒狀態(tài),如果有任務(wù)處于就緒狀態(tài),就執(zhí)行該任務(wù);如果沒(méi)有,將再次進(jìn)入Sleep模式。③采用UDP協(xié)議傳輸傳感器數(shù)據(jù),雖然UDP協(xié)議并不能保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸,但與TCP協(xié)議相比,UDP協(xié)議不需要建立鏈接、釋放鏈接等過(guò)程,縮短了通信時(shí)間,節(jié)約了能量。④控制器在開(kāi)啟傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集完畢后并不立即將數(shù)據(jù)發(fā)送出去,而是首先與之前的歷史數(shù)據(jù)相對(duì)比,如果兩次采集到的溫度數(shù)據(jù)之差在一定的范圍內(nèi)(本設(shè)計(jì)采用溫度數(shù)據(jù)之差在0.5℃之內(nèi),濕度數(shù)據(jù)之差在1.0%RH之內(nèi)),并且在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中傳感器運(yùn)行無(wú)誤,節(jié)點(diǎn)就認(rèn)為當(dāng)前的外界狀態(tài)沒(méi)有發(fā)生變化,不需要向監(jiān)控中心無(wú)線傳輸數(shù)據(jù),而是直接進(jìn)入低功耗狀態(tài),這項(xiàng)措施大大減少了傳感器的通信次數(shù),降低了功耗。同時(shí)本文引入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器通信與數(shù)據(jù)采集次數(shù)比作為調(diào)整的標(biāo)準(zhǔn):當(dāng)該比值低于下限閾值時(shí),控制器會(huì)以1.5～2倍的速度延長(zhǎng)采樣周期;而當(dāng)比值超過(guò)上限閾值后,控制器會(huì)以0.5～0.75的速度縮短采集周期,這種自適應(yīng)調(diào)節(jié)的方法既滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,又降低了傳感器因采樣頻率過(guò)高造成的能量消耗,提高了傳感器的適應(yīng)能力。⑤用戶采用trap-響應(yīng)機(jī)制喚醒傳感器。傳感器在低功耗狀態(tài)下不能響應(yīng)用戶的SNMP命令,傳感器在發(fā)送Configuretrap后會(huì)等待數(shù)秒,在此期間,如果接收到用戶SNMP配置或查詢命令,傳感器就暫時(shí)不進(jìn)入低功耗狀態(tài),響應(yīng)用戶的管理命令;如果接收到無(wú)線定位請(qǐng)求,傳感器就采集錨節(jié)點(diǎn)的RSSI信號(hào)強(qiáng)度和定位信息,上傳給服務(wù)器運(yùn)行定位算法,并將回傳的定位信息保存在Flash中;如果沒(méi)有接收到任何用戶命令,傳感器就進(jìn)入Standby狀態(tài)。3.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)SNMP協(xié)議簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),具有良好的可擴(kuò)充性,且不需要像Web方式那樣一直處于供電監(jiān)聽(tīng)狀態(tài),是工業(yè)界事實(shí)上的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),非常適合采用睡眠/喚醒機(jī)制低功耗傳感器的設(shè)計(jì)。由于網(wǎng)絡(luò)傳感器的資源非常有限,本設(shè)計(jì)的SNMP協(xié)議只支持以下操作:①GetRequest、SetRequest和GetResponse操作主要用于查詢和配置傳感器的以下信息:IP地址、MAC地址、子網(wǎng)掩碼等網(wǎng)絡(luò)信息,溫濕度數(shù)據(jù)的上下限值、最短采樣周期等感知信息,無(wú)線AP接入點(diǎn)列表、當(dāng)前節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)等定位信息,存儲(chǔ)空間的使用情況、電池的電量等系統(tǒng)信息。②由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障的易發(fā)性,需要節(jié)點(diǎn)在檢測(cè)到自身或網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)通過(guò)發(fā)送Trap,向管理者主動(dòng)發(fā)出告警信息。本文設(shè)計(jì)了3種Trap信息幀。Link-uptrap將每次網(wǎng)絡(luò)的搜索和連接情況反饋給監(jiān)控中心;Configuretrap將每一次網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)喚醒后的配置信息反饋給監(jiān)控中心;Errortrap如果運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤,就將錯(cuò)誤信息反饋給監(jiān)控中心。通信過(guò)程中的幀情況如圖6所示,正常情況下只有兩種幀,UDP數(shù)據(jù)包和Configuretrap。3.3傳感器的掃描本文采用基于RSSI的三角形質(zhì)心定位算法進(jìn)行目標(biāo)定位,在定位區(qū)域部署有多個(gè)AP接入點(diǎn),每個(gè)接入點(diǎn)都預(yù)先存儲(chǔ)有自身的定位坐標(biāo),整個(gè)定位過(guò)程分為以下幾個(gè)步驟:①傳感器首先掃描周圍環(huán)境,對(duì)獲得的多個(gè)AP信息按照信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行排序,選取信號(hào)最強(qiáng)的AP接入點(diǎn)作為錨節(jié)點(diǎn);②連續(xù)多次采集某個(gè)AP節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度值,并計(jì)算RSSI均值,然后將RSSI均值和每個(gè)AP節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息上傳到服務(wù)器;③服務(wù)器按照三角形質(zhì)心法求取傳感器的坐標(biāo),并通過(guò)SNMP協(xié)議寫(xiě)入傳感器的Flash中保存。由于定位過(guò)程需要多次掃描無(wú)線網(wǎng)絡(luò),會(huì)消耗節(jié)點(diǎn)的大量能量,節(jié)點(diǎn)只會(huì)在用戶發(fā)出定位請(qǐng)求后,才會(huì)采集周圍環(huán)境中的定位信息,并將定位信息傳輸?shù)椒?wù)器,由服務(wù)器完成定位運(yùn)算。3.4gs110控制器的程序傳感器的用戶任務(wù)需要完成溫濕度值、RSSI無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度和電池電量的采集,其中RSSI無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度和電池電量都是采用GS1010片內(nèi)的10位ADC完成的,較容易實(shí)現(xiàn)。而SHT15的溫濕度值采集流程圖如圖7所示。SHT15上電后進(jìn)入休眠模式,在讀寫(xiě)數(shù)據(jù)之前首先要發(fā)送一個(gè)“啟動(dòng)”時(shí)序,喚醒芯片。GS1010控制器發(fā)出讀溫度值命令(03H)或讀濕度值命令(05H)后就拉低SCK信號(hào)線等待測(cè)量完成,當(dāng)SHT15將DATA信號(hào)線拉成低電平后測(cè)量完成。GS1010控制器重新啟動(dòng)SCK信號(hào),SHT15就傳送兩個(gè)字節(jié)的測(cè)量數(shù)據(jù)與一個(gè)字節(jié)的CRC數(shù)據(jù),傳輸數(shù)據(jù)的順序是從最高位(MSB)到最低位(LSB),GS1010控制器每接收到一個(gè)字節(jié)就將數(shù)據(jù)線拉成低電平作為接收完畢的應(yīng)答信號(hào)ACK,CRC數(shù)據(jù)用于判斷測(cè)量過(guò)程是否出錯(cuò),而SHT15在測(cè)量和通信完成后會(huì)自動(dòng)返回睡眠模式。SHT15讀取的14位溫度值SOT和12位濕度值SORH還需按照下面的公式進(jìn)行校準(zhǔn):式中,T℃為溫度值轉(zhuǎn)換后的攝氏度值。式(3)為濕度值的線性化公式,式(4)為對(duì)濕度值進(jìn)行溫度補(bǔ)償。4實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和能力本文設(shè)計(jì)的溫濕度傳感器主要應(yīng)用于醫(yī)院、工廠等室內(nèi)環(huán)境溫濕度測(cè)量,網(wǎng)絡(luò)傳感器的目標(biāo)設(shè)計(jì)指標(biāo)為:溫度測(cè)量范圍-20～70℃,測(cè)量精度±0.5℃;濕度的測(cè)量范圍1%RH～99%RH(非凝結(jié)),測(cè)量精度±3%RH;每日至少采集數(shù)據(jù)100組,可連續(xù)工作1個(gè)月以上;無(wú)線定位的精度是50m的部署區(qū)域內(nèi)定位誤差不超過(guò)±10%。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用的溫濕度傳感器SHT15的溫度測(cè)量范圍為-40～123.8℃,測(cè)量精度為±0.3℃;濕度的測(cè)量范圍為0%RH～100%RH,測(cè)量精度為±2.0%RH,完全滿足設(shè)計(jì)的測(cè)量指標(biāo)。表2詳細(xì)列出了傳感器在不同系統(tǒng)狀態(tài)下的能量消耗情況和各種狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間,本文設(shè)計(jì)的傳感器使用1000mA·h的鋰聚合物電池供電,在兼顧傳感器網(wǎng)絡(luò)命令響應(yīng)時(shí)延和能量消耗的條件下,每日采集數(shù)據(jù)至少144組,可連續(xù)工作1～2個(gè)月,達(dá)到了數(shù)據(jù)采集和低功耗的設(shè)計(jì)要求。傳感器無(wú)線定位的誤差曲線如圖8所示,從圖中可以看出,隨著測(cè)試距離的增大,定位的誤差也不斷增大,但傳感器的定位精度可以滿足50m內(nèi)定位誤差不會(huì)超過(guò)5m的設(shè)計(jì)