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基于DASH7技术的温度无线传感器网络设计


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论 文

基于 DASH7 技术的温度无线传感器网络设计
杨林举 1 詹宜巨 1 王荣杰 2
(1.中山大学工学院 2.集美大学轮机工程学院) 摘要:无线传感器网络具有布线灵活、低功耗的特点,能在恶劣环境下可靠工作,适合温度采集。本文介
绍了基于 ISO18000-7 标准的 DASH7 无线技术,探讨了

无线 SoC 芯片 CC430 的结构特点和工作原理,设计一种 星形拓扑结构的温度无线传感器网络,提出一种节能能量模型和通信协议,并对协议进行了能量优化。

关键词:无线传感器网络;DASH7;CC430;能量模型;通信协议 现温度检测[3]。Hu H.等人设计一种基于 CC430 芯片 的无线火灾探测器,传感器节点包括一氧化碳传感 无线传感器网络技术融合了无线通信、计算机、 传感器和微电子等多个学科领域, 由传感器节点和读 写器组成。传感器节点可以感知现实世界中的物理 量, 能量有限, 工作可靠; 读写器具有更充足的能量, 主要负责收集传感器节点的信息并发送到控制终端。 安装有温度传感器的无线传感器网络布线灵活、 功耗 低并能在恶劣环境下工作,在环境监测、温室控制和 冷链监控等领域具有广阔的应用前景。 目前, 无线传感器网络领域已经有国内外学者做 了大量研究工作,并取得成果。周铭等人设计一种超 高频无线温度传感系统, 该系统传感器节点的控制芯 片 采 用 LPC938 , 传 感 器 采 用 数 字 温 度 传 感 器 DS18B20 ,精度可以达到 0.125 ℃,射频模块采用 nRF2401,系统使用了硬件本身提供的低功耗功能实 现节能[1]。梁健等人设计一种基于 GSM 无线传输的 温室温度监控系统,该系统采用 GSM 通信方式将温 度信息通过手机短信发送给管理人员, 管理人员通过 手机短信就可以实现数据查询和参数修改等功能, 该 系统的传感器节点通过有线(RS232 总线)通信的方 式将采集到的温度数据发送到控制终端[2]。王明合等 人设计一种基于 Zigbee 的温度无线传感器网络,该 无线传感器网络采用 PIC18F4580 微控制器芯片和 CC2420 无线芯片搭建,工作于 2.4GHz 频段,采用 Zigbee 协议组建星形无线传感器网络, 通过分站节点 将温度探头所采集的温度信息发送到中心节点来实 器、烟雾传感器、温度传感器等多个类型的传感器, 节点内的软件包括组网协议和 BP 算法等,探测器的 传感器节点通过 BP 算法对采集到的数据进行计算, 直接判断是否发生火灾[4]。 由 DASH7 联 盟 倡 导 的 DASH7 技 术 基 于 ISO18000-7 标准,采用 433.92MHz 的 ISM 频段进行 通信, 具有功耗低、 通信距离远的特点。 采用 DASH7 技术的无线信号可穿透墙壁、混凝土和水等物质[5]。 因此本文采用 DASH7 技术构建温度无线传感器网 络。作为 DASH7 联盟的成员,TI 公司的 CC430 系 列芯片支持 DASH7 技术,其中 CC430F5137 芯片集 成了 MSP430 微控制器核和 CC1101 射频核, 采用超 低功耗设计,支持不超过 1GHz 频率的无线通信,并 具有射频发射功率可调的功能, 非常适合在无线传感 器网络中使用[6]。 本文采用 DASH7 技术,以 CC430F5137 芯片为 主控芯片,设计出温度无线传感器网络。

1 引言

2 工作原理
本文提出的温度无线传感器网络采用星形拓扑 结构, 如图 1 所示, 主要由传感器节点和读写器组成。 读写器通过无线通信方式访问传感器节点收集温度 信息,通过 RS232 总线与控制终端通信,向控制终 端发送收集到的温度传感器数据。 传感器节点通过无 线通信方式应答读写器, 通过 AD 转换获取传感器信

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息, 并将该信息回传到读写器, 工作过程如图 2 所示。 为了实现传感器节点和读写器之间可靠、有效、 快速地进行无线通信,两者之间需要遵循一定的协 议。传感器节点的能量仅由一块不可充电的电池供 应,非常有限;而读写器的能量来自电网供应。本文 提出一种通信协议, 也对通信中的能量消耗进行了优 化,将在第四部分介绍此内容。

LPM0、LPM1、LPM2、LPM3、LPM4。此外芯片具 有 ADC 模数转换器模块、 REF 参考电压模块、 TimerA 定时器等等功能。CC430F5137 的主要功能模块如图 3 所示。

图3

CC430F5137 主要功能结构

芯片中的射频核 CC1101 是一个提供 1GHz 以下 频率的无线通信核,也采用低功耗设计,通过控制 CC1101 核的时钟源可以将其关闭或者打开,其内部
图 1 温度传感器网络拓扑结构

硬件结构已经实现射频收发功能。 射频核 CC1101 支 持休眠、 空闲、 发送和接收等状态转换的内部状态机, 发射功率在一定范围内可调,具有自动唤醒功能[7]。 CC1101 核受 MSP430 核的控制,二者之间的通 信 通 过 四 组 寄 存 器 RF1AINSTRx 、 RF1ADIN 、 RF1ADOUT 、 RF1ASTAT 实现。 MSP430 核通过 RF1AINSTRx 向射频核发送命令, 通过 RF1ADIN 向 射频核发送需要被处理的数据,射频核执行命令、处 理数据的结果通过 RF1ADOUT 返回给 MSP430 核, 同时将执行的状态写入 RF1ASTAT。这样就可以设

图 2 温度传感器网络工作流程

计满足要求的无线通信功能。 本文提出的温度无线传感器网络采用热敏电阻 作为温度传感器,读写器选择增益较大的弹簧天线, 传感器节点选择体积较小的陶瓷天线, 总体结构如图 4 所示。

3 硬件设计
读写器和传感器节点均选用 CC430 F5137 , CC430F5137 芯片内部包含 16 位的微控制器核 MSP430 和射频核 CC1101,两者之间通过专用的命 令和数据通道进行通信。芯片内的 UCS 统一时钟模 块可以向芯片提供三种可用的标准数字时钟信号: 辅 助时钟 ACLK 、主时钟 MCLK 和子系统主时钟 SMCLK。功率管理模块 PMM 主要通过对三种时钟 信号的开、关状态进行控制,从而实现对整个芯片的 功耗控制,提供了功耗从高到低的五种低功耗模式:
6

图 4 传感器节点和读写器结构图

杨林举 詹宜巨 王荣杰:基于 DASH7 技术的温度无线传感器网络设计

4 软件设计
软件部分主要是温度无线传感器网络的通信协 议。根据硬件提供的资源,在物理层上选择 433.92MHz 的载波频率,调制方式选择 GFSK。数据 包采用可变长度格式,选择 4 字节前导码,4 字节同 步子,拥有地址、数据长度和 CRC 校验和字段,如 图 5 所示。使用地址字段,接收方可以利用芯片内的 硬件资源判断数据包中的地址是否与自己的地址匹 配, 如果匹配则继续接收, 否则自动过滤掉该数据包。 使用 CRC 校验和字段,发送方芯片在发送数据时自 动计算校验和,并把校验和附加到该字段,当接收方 芯片收到数据包的时候自动根据 CRC 校验和进行 CRC 校验[8]。

靠通信的前提下, 如果全网中的传感器节点采用同一 功率发射,将造成部分节点的能量浪费。因此本文针 对星形拓扑结构的无线传感器网络提出一个能量模 型,在此基础上对传感器节点的发射功率进行优化, 达到节能的目的。 提出的传感器节点能量模型如下:

E tr ? Ptr ? n ? Ttr
Erev ? P rev? n?T rev

(1) (2)

式中,Ptr 是发射功率;Ttr 是发射 1bit 数据需要 的时间;Etr 是发射 nbit 数据消耗的总能量;Prev 是接 收功率;Trev 是接收 1bit 数据需要的时间;Erev 是接 收 nbit 数据消耗的总能量。 读写器能量无限, 将读写器的发射功率调到最大 即可,不需要再作调整。温度无线传感器网络在开始 收集温度数据之前, 所有传感器节点需要进行发射功 匹配 率匹配, 发射功率在 minPtr~maxPtr 范围内可调,

图 5 数据包格式

步长设为 Pgap,匹配过程如下: ① 传感器节点在自己的时隙内向读写器发送一 个匹配指令数据包; ② 读写器收到匹配指令数据包后在一定的时间 内马上向传感器节点回传确认数据包; ③ 如果传感器节点在一定时间内收到读写器回 传的确认数据包则继续,否则进入第④步。将自己的 发射功率减少 Pgap,如果减半后的功率小于 minPtr, 则将发射功率设为 minPtr,进入第⑤步,如果匹配轮 数超过 maxC 则进入第⑥步; ④ 如果是首轮发射功率匹配,则将自己的功率 否则将自己的发射功率设为上一轮匹 增大到 maxPtr; 配前的发射功率。进入第⑤步,如果匹配轮数超过 maxC 则进入第⑥步; ⑤ 一个轮次的功率匹配结束,计算剩余能量和 通信覆盖半径,进入第①步进行下一轮次匹配; ⑥ 整个功率匹配过程结束,所有传感器节点按 照匹配后的发射功率进行通信。 其中 maxi 为一个传感器节点的功率匹配最大轮
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文献[6]中,TI 公司提供的 CC430 芯片的发送与 接收电流消耗均在 17mA 以上, 而休眠时最低可到达 1.0μA。因此,实现降低系统功耗需要减少发射与接 收的时间,延长休眠的时间。温度无线传感器网络基 于星形拓扑结构, MAC 协议选用 TDMA 比较合适。 读写器首先广播同步消息, 实现全部节点在时间上同 步,然后为每一个传感器节点分配时隙。传感器节点 在给定的时隙内与读写器通信,完成传感器数据采 集, 其他时间则处于休眠状态, 达到降低功耗的目的, 下一个时隙到来的时候由传感器节点内的定时器将 传感器节点唤醒,继续与读写器进行通信。 无线传感器网络中传感器节点能量非常有限, 节 能是一个非常关键的问题, 已经有学者对无线传感器 网络协议的能耗进行研究[9,10]。由于所有传感器节点 在空间中随机分布,到达读写器的通信距离差别较 大,对传感器节点的发射功率需求不同,能量消耗也 不同。 距离读写器较近的传感器节点需要较低的发射 功率,距离读写器远的传感器节点则反之。在保证可

次数,maxC 越小,则温度无线传感器网络越快速完 成功率匹配, 进入温度采集状态。 设计一个评价函数, 通过仿真计算出最优的功率匹配最大轮次数 maxC。 最优的 maxC 必须满足:① 传感器节点的剩余 能量尽量多;② 传感器节点通信覆盖半径与距读写 器实际距离之差的绝对值尽量小。每轮匹配结束,记 录传感器节点的剩余能量 RE,通信覆盖半径 r。由 r 可以计算出该节点与读写器间的实际距离之差 d。因 此设计评价函数 F:
F? RE D ?1000

配,所有传感器节点匹配结束后,传感器节点开始进 入各自的时隙内向读写器发送温度数据。经测试,该 系统具有工作可靠、功耗低、使用寿命长的特点。

5 结论
本文提出了基于 DASH7 技术的无线传感器网 络,该系统基于星形拓扑结构,节点上安装有温度传 感器,实现温度信息采集。在软件上,系统遵循选用 硬件提供的物理层通信协议,设计了基于 TDMA 的 MAC 层协议,同时优化了传感器节点的发射功率,

(3)

实现节能。在实际应用中,该系统可以实现可靠的温 度监控,功耗低。但是该系统的通信距离不理想,下 一步工作将研究该芯片的天线设计与阻抗匹配问题。 参考文献
[1] 周铭,颜锦奎,吉美凤.超高频无线温度传感系统[J].传感器与 微系统, 2007, 26(7): 96-98. [2] 梁健,戈振扬,齐亚峰.基于 GSM 无线传输的温室温度监控 系统的设计[J].湖南农业科学,2010,(7):135-136. [3] 王明合,王立华.基于 Zigbee 的无线温度传感器网络设计[J]. 微计算机信息(嵌入式与 SOC),2010,26(7-2): 68-70. [4] Hu Haibing, Wang Jinjun, Fang Jun. Design A Low Power Wireless Fire Detector Conference Based on on CC430[C]. 2010 International Intelligent Computation

式中与分母相乘的数字 1000 是为了调整计算的 精度,F 将随着匹配轮次的增加而变化。当 F 达到最 大值,此时传感器节点的剩余能量较多,同时传感器 节点通信覆盖半径与距读写器实际距离之差的绝对 值较小。仿真计算共进行 60 个轮次的功率匹配,计 算出所有轮功率匹配中所有传感器节点的平均评价 函数值,记为 meanF,如图 6 所示。

Technology and Automation. Changsha, China: IEEE, 2010:1107 - 1110. [5] http://www.dash7.org. [6] CC430F5137.pdf. http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/ cc430f5137.html. 图 6 平均评价函数仿真 [7] CC1101.pdf. http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/cc1101.html. [8] CC430 Family User's Guide.http://focus.ti.com/lit/ug/slau259b/ slau259b.pdf. [9] Heinzelman W R, Chandrakasan A, Balakrishnan H. Energy Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks[C]. Proceedings of n.], 2000:1-10. [10] Heinzelman W B, Chandrakasan A P, Balakrishnan H. An Application-specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks[J]. IEEE Trans. on Wireless Communications, 2002, 1(4):660-670. (下转第 16 页) the 33rd Annual Hawaii International Conference on System Sciences. Hawaii, USA:[s.

从图 6 中可看出评价函数的平均情况, 平均评价 函数随着匹配轮次的增加首先呈上升趋势, 然后到达 第 16 次匹配时达到最大值,之后开始震荡,震荡的 峰值逐次递减。从全网络的平均情况看,评价函数在 第 16 次匹配时达到最大。因此可得每个传感器节点 的发射功率匹配最优轮次数为 maxC=16 次。 将上述协议用 C 代码编译后运行在前文提出的 硬件系统中,读写器通过发送同步广播数据包,实现 全网时间同步,然后为每个传感器节点分配时隙,每 个传感器节点在自己的时隙内与读写器进行 16 次匹
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Huang, and L.G. Chen, Advances in hardware architectures for image and video coding—A survey, Proceedings of the IEEE, 2005:184-197. [5] Z. He, Y. Liang, L. Chen, I. Ahmad, and D. Wu, Powerrate-distortion analysis for wireless video communication under energy constraints, IEEE Trans. on Circuits and Systems for Video Technology, 2005,15(5): 645-658. [6] Z. He and D. Wu, Resource allocation and performance analysis of wireless video sensors,IEEE Trans. on Circuits and Systems for Video Technology, 2006,16(5):590-599.

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Research of Optimal Schemes for RD Performance with Energy-Constrained
Cai Shuting Yin Min Xie Yun
(Guangdong University of Technology, Faculty of Automation)
Abstract: The influence of power to the RD performance for video coding is not considered traditionally. An optimal
computing and transmitting power which results in a minimized rate distortion is considered in this paper. The energy distributed of WSNs node is optimized, the power-rate -distortion model is constructed. Based on this model, the power is integrated into the rate-distortion analyze frame. The experiment results show that the optimum compression power PS makes the distortion of the system minimum.

Key Words: RD Performance; Energy-Constrained; Wireless Sensor Networks
作者简介: 蔡述庭,1979 年生,湖南益阳人,博士,副教授,主要研究方向为多媒体信号处理。

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(上接第 8 页)

Design and Implementation of Temperature Wireless Sensor Network Based on DASH7 Technology
Yang Linju1 Zhan Yiju1 Wang Rongjie2
(1.School of Engineering, Sun Yat-sen University 2.Marine Engineering Institute, Jimei University)
Abstract: Because of routing flexibility, low power consumption, and working reliably in harsh environments, wireless
sensor network is ideal for temperature acquisition. This paper introduces DASH7 technology evolved from ISO18000-7 and wireless SoC chip CC430, proposes a temperature wireless sensor network with star topology. Based on the hardware, a wireless communication protocol proposed and energy consumption from the aspect of protocol through simulation optimized.

Key Words: Wireless Sensor Network; DASH7; CC430; Communication Protocol; Energy Optimization
作者简介: 杨林举,男,1987 年生,硕士研究生,研究方向:无线传感器网络,智能信息处理。 詹宜巨,男,1955 年生,教授,中山大学博士生导师,研究方向:智能信息处理。 王荣杰,男,1981 年生,博士研究生,讲师,研究方向:智能信息处理,电力电子电路故障诊断。 16


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