摘 要： 在研究2.4G技術的基礎上，分析了Wireless USB技術應用于無線傳感器網絡領域的技術優勢，并以此為平臺，以通用MCU為處理器，基于軟件無線電理念分別設計制作了傳感節點和Sink節點。軟件設計依托認知無線電技術組建分簇型結構網絡，并在安全機制、抗干擾機制和低功耗方面作了深入研究，經調試系統達到了設計指標。
關鍵詞： 無線傳感器網絡；Wireless USB；2.4G；分簇型結構網絡
無線傳感系統較有線傳感系統有易于部署、易于擴展等優勢，為此，人們開發了多種無線傳感器網絡。常用的無線通信技術有紅外技術、普通射頻技術（RF）、2.4G技術等。紅外技術操作簡單、價格低廉，但存在直線對準通信、單向通信、高功耗等缺點，不適合開發傳感器網絡。射頻技術可輕松突破上述局限，與其他射頻頻段相比，2.4G技術具有頻段免費、全球通用、設備體積小、數傳速率高、抗干擾能力強、低功耗等優點，在開發無線傳感器網絡方面有巨大優勢，目前較成熟的2.4G無線傳感系統是基于藍牙技術（Bluetooth、 IEEE 802.15.1）和ZigBee技術（IEEE 802.15.4）的[1]。
與傳統的以電纜和紅外方式傳輸測控數據相比，在測控領域應用藍牙技術主要有抗干擾能力強、節省成本、無方向限制、可實現多個設備互通等優勢，但藍牙的同步時鐘對電池的使用壽命有很大影響，且一個藍牙主設備只能連接7個從設備，限制了其應用范圍。
ZigBee依據IEEE 802.15.4標準，可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，一個主節點最多可管理254個子節點，同時主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65 000個節點的較大網絡。但ZigBee復雜的協議也導致成本增加，且ZigBee在稍微高速率、低延遲的應用中表現不夠好，制約了它在該領域的應用。
Wireless USB技術是由賽普拉斯半導體公司開發的一種新型的點對點以及點對多點的2.4 GHz無線通信技術。該技術為這一領域的應用提供了低功耗、低延遲、低成本、高可靠性的解決方案，具有廣闊的應用前景。本文基于Wireless USB技術，以“模塊化、小體積、低功耗、低成本和通用性”為目標，開發設計了嵌入式網絡節點硬、軟件系統，使其滿足監測任務要求的數據采集、計算、無線通信和互聯能力。
1 系統構架
1.1 Wireless USB技術簡介
Wireless USB在頻段管理上把2.4 GHz頻段分成98個信道，每個信道帶寬1 MHz，包括26個快速信道（切換時間為100 μs）、35個中速信道（切換時間為180 μs）、37個慢速信道（切換時間為270 μs）[2]。該機制為實現頻分多址、跳頻及頻率捷變提供了技術基礎。該技術在每一個信道上又使用了直接序列擴頻（DSSS）技術，DSSS系統的特點主要有：較強抗干擾能力；很強的隱蔽性和抗偵察、抗竊聽、抗測向能力；選址能力，可實現碼分多址；抗衰落，抗頻率選擇性能好；抗多徑干擾；可進行高分辨率的測向和定位[3]。此外，該技術還使用GFSK調制技術。
Wireless USB協議層的設計采用了主-從方式的星形結構，主設備實時處于接收狀態，接收來自從設備的信息，同時監視干擾狀況，選擇干凈的頻帶，決定是否跳頻。從設備采集并發送數據，發送結束后立刻進入睡眠狀態，最大限度地節省電池電量。協議中還可實現時分雙角色（既可接收，也可發射），可以作為一個類似路由器的角色使用。一個主設備可以帶上百個從設備[4]。網絡ID是Wireless USB網絡的標識，是Wireless USB網絡彼此區分的依據，每個芯片在出廠時有6 B的ID，此ID是唯一的，網絡ID由這個芯片ID計算得到。相比那些沒有ID的其他射頻芯片，這無疑又是一個優點。
此外，Wireless USB技術支持接收信號強度指示（RSSI）功能，為實現認知無線電技術提供了理論基礎，可以檢測復雜電磁環境的頻譜空洞，提高頻譜利用率[5]。
1.2 系統結構
本文采用層次性網絡結構，將整個系統分成3級網絡。
匯聚節點（Sink節點）與傳感器節點形成一個星形網絡拓撲結構，組成無線傳感器網絡的第一級網絡，實現數據采集、實時數據報警和數據基本處理功能，并根據上級網絡的通信指令完成與管理節點的數據通信。每個傳感節點每隔一定時間采集多組數據，為保證數據的準確性求平均值，通過多址機制，把采集數據傳輸到匯聚節點。匯聚節點收到所有數據后，首先判斷數據是否超出設定閾值，如果超出，則發出報警信息。當收到的數據正常時，就對數據再次累加求平均值，接收到上級網絡管理節點的通信指令時，封裝數據幀傳輸到管理節點。
第二級網絡由匯聚節點和管理節點組成（管理節點由匯聚節點連接服務器構成）。匯聚節點作為第二級網絡的基本工作站，在聯合站內的管理節點作為核心組成星形網絡。管理節點同時用于存儲所有數據，管理人員可以進行查詢、監控和打印報表。通常第二級網絡需采用大功率的無線數傳模塊作為網絡通信設備。
可以利用已經建立的局域網構成第三級辦公網絡，數據庫服務器分布在不同的聯合站內，在局域網內的任何一臺電腦上，通過管理軟件可以對聯合站的數據庫進行訪問，實現數據的共享。系統結構如圖1所示。
2 硬件設計
2.1 傳感節點設計
傳感器網絡節點是網絡的基本單元，目前，不同應用中各種節點的組成結構不盡相同，導致通用性及可維護性降低[6]。本文構建了一個類似于軟件無線電的通用節點結構，將硬件功能軟件化以解決上述問題[7]。
微控制器模塊是網絡節點的計算中心，選擇合適的微控制器在節點設計中至關重要。微控制器模塊的設計主要考慮以下幾個方面：（1）選擇帶Flash的8 bit或16 bit簡單內核的微控制器，帶Flash的微控制器可將功耗降低5倍；（2）低電壓供電可以大大降低系統的工作電流，基于漏電流的考慮，選擇3 V（3.3 V）要比5 V供電的功耗至少降低40%[1]。綜合考慮功耗、體積和功能等因素，本選擇ATmega8L單片機作為控制器[8]。
無線通信模塊是網絡節點的重要組成部分，需要滿足低功耗、通信質量、通信距離、通信速度、組網方便、抗干擾和易于布控等要求。根據前面分析，Wireless USB技術在無線傳感器網絡領域有獨特優勢，本文以基于該技術的CYRF6936芯片為核心設計射頻電路部分，CYRF6936是典型的低成本高集成度2.4 GHz DSSS射頻片上系統，具有可配置的雙向功能。數據傳輸速率可達1 Mb/s，最大發射功率為4 dBm，可工作在-55℃～125℃環境中，功耗低，待機電流僅1 μA[9]。
ATmega8L的PC0～PC5端口作為傳感器數據采集端口，通過SPI口連接CYRF6936，SPI口（SS、MOSI、MISO、SCK）同時作為程序下載端口。此外，ATmega8L的PD3（INT1）腳連接CYRF6936的IRQ腳，接收射頻中斷信號。射頻部分元器件均采用0402封裝。單片機ATmega8L、射頻芯片CYRF6936、電源芯片XC6209B332的外圍電路分別見其參考設計。在單板上完全集成節點的全部組成部分，結構緊湊，降低了使用功耗。電路布局時，將強電信號電路和弱電信號電路分開，數字信號電路和模擬信號電路分開，完成同一功能的電路盡量安排在一定的范圍之內，從而減小信號環路面積。各部分電路的濾波網絡就近連接，這樣不僅可以減少輻射，而且可以減小被干擾的幾率，提高電路的抗干擾能力。PCB布局、實體電路分別如圖2 所示。
2.2 Sink節點的設計
無線傳感器網絡實際應用時，必須與其他信息設備或監視設備相連接，將網絡采集數據實時匯總顯示，為觀察者提供所需數據信息。很明顯，所設計傳感器節點僅具有數據采集發射及轉發功能，無法與觀察者交換信息，對于實際應用是沒有意義的。本節在遵循傳感器節點相關設計原則的基礎上，設計Sink節點，它是觀察者與網絡的交流窗口，同時是管理的核心，也是與有線網絡連接的接口。Sink節點作為第一級網絡核心部分，負責數據轉發和協議轉換，還應具有存儲、顯示和設置功能，接收來自網絡中傳感節點的采集信息，處理、顯示并可通過鍵盤區實現人工控制。也可通過串口與監視器連接，監視器可同時看作數據庫服務器，并可通過它與互聯網連接。考慮到Sink節點需較強處理能力，選用ATmega16L單片機作為微控制器、以射頻芯片CYRF6936和2.4G射頻前端芯片CC2591構成射頻電路部分。CC2591外圍器件少，集成轉換開關、匹配網絡和PA/LNA。此外，以電平轉換模塊MAX3232、RS-232串口轉換電路構成監控模塊與監視器相連，同時添加了5個功能按鍵、11個指示燈和16個I/O接口（其中11個用于連接液晶顯示屏）。
網絡工作時，該節點同時作為時鐘同步節點，定時發射時鐘同步幀，保持網絡時鐘同步。節點結構圖如圖3所示。
3 軟件設計
2.4 GHz頻段設備越來越多，而且網絡內眾多節點存在頻譜搶占現象，如何快速尋找空閑頻譜是傳感器網絡高效可靠工作的基礎。為此，本文的軟件設計是基于認知無線電理念的[10]，接收信號強度檢測（RSSI）是該理念的實現基礎。各終端在接收模式下，通過讀取寄存器RSSI值判斷當前信道上無線信號的功率密度即干擾強度，主動尋找可用信道（頻譜空洞），類似頻譜感知，系統功能框圖如圖4所示。其工作時序為：先進行監聽，如果信道有強干擾則跳轉到下一頻道，若無強干擾，則傳輸數據。
本設計以Visual Studio 2005為開發環境，采用C語言編寫了主程序和相應的子程序。
4 通信協議
4.1 MAC協議
本文以一個匯聚節點為中心節點（簇節點）設計了一個星形網絡，該網絡是大型網絡的基礎，可認為是大型網絡的子簇。采用TDMA、CDMA聯合方式組網，即各傳感節點采用固定的PN碼周期等待與簇節點通信，而簇節點采用滑動PN碼方式，通過周期改變PN碼輪詢訪問的方式實現與各傳感器節點的通信（輪詢過程見網絡拓展部分）。通信過程如圖5所示。首先，簇節點實現與同PN碼傳感節點綁定（本文在綁定過程中啟用載波偵聽（RSSI）功能實現認知無線電理念），綁定完成后簇節點發送同步幀；傳感器節點收到同步幀后，根據同步幀的信息修改自己的時鐘，達到與簇節點時間同步的目的，然后發送數據幀；簇節點收到傳感器節點的數據幀（data）后，進行數據處理和融合，然后發送應答幀（ACK）給傳感節點，之后傳感節器點進入睡眠模式（sleep）；簇節點開始啟動與下一節點通信。如此循環往復。簇節點可與Sink節點以同樣方式構成父簇，Sink節點通過串口與連接有線網絡的電腦相連。
4.2 網絡層協議的設計[11]
時鐘同步對任何分布式系統而言都是很重要的，無線傳感器網絡中許多算法或協議也需要節點間的時鐘同步作為支撐。在無線傳感器網絡的應用中，傳感器節點采集的數據如果沒有空間和時間信息是無任何意義的。此外，準確的時間同步是實現傳感器網絡自身協議的運行、數據聚集、TDMA調度、協同休眠、定位等的基礎。本文將簇節點同時作為時鐘同步節點，如MAC協議中所述，各傳感節點每次與簇節點通信時都以其時鐘為基準進行一次時鐘校準，因為各節點都定期以此節點為時鐘基準校正，可近似認為網絡時鐘是同步的（本文中所有節點使用的外部晶振時鐘漂移率不超過30 ppm）。
本文MAC協議中，簇節點采用輪詢訪問的方式與各節點通信，故所用網絡拓補的方法是：新節點采用各傳感節點未使用的合法PN碼（簇節點可產生的PN碼），當節點需要加入網絡時，先發送申請加入網絡的信息，接著進入偵聽的狀態，持續1 s，隨機延遲后再次發送申請信息，如此循環，直到簇節點輪詢到該節點時接受其加入網絡請求。然后，根據收到的允許加入網絡的信息，節點修改自己的時鐘，達到時間同步，這樣新的節點就成功入網。輪詢過程如圖6所示。
4.3 功率控制
傳感器節點的耗能，除采用低功耗器件外，還應從節點的工作體制上考慮。除MAC協議中提到的睡眠機制外，本文采用功率控制算法進一步降低功耗。功率控制是指通過合理地設置或動態調整節點的發射功率，在保證整個網絡連通的同時，降低對其他設備的干擾，達到提高節點能量利用率，延長網絡生存時間的目的。文中各端節點根據接收到的時鐘同步信號強度調整發射功率[12]。
4.4 安全機制
賽普拉斯建議采用微型加密算法（TEA）作為Wireless USB的加密算法。微型加密算法是現有最快速、最高效的加密算法之一，它是一種采用混合（正交）代數組（這里為XOR、ADD和SHIFT）運算的Feistel密碼，每次用128位密鑰加密64個數據比特，抗差動密碼分析的能力極強，6輪之后才能實現全漫射。需說明的是，任何加密算法都可用于Wireless USB，不只限于TEA。
4.5 抗干擾機制
除協議中使用的擴頻技術外，本文還采用以下技術增強網絡抗干擾能力。
（1）糾錯編譯碼
Wireless USB技術支持的數據傳輸幀結構簡畫如圖7所示。
（2）CRC校驗技術
系統附加CRC16于每一個數據包中。CRC16是一個16 bit的循環冗余校驗碼（CRC），使用USB的CRC多項式運算所得，可以檢測所有單位和雙位差錯。
（3）數據應答與重發
為使傳感器節點盡量將每一周期內的檢測數據無誤地發送到簇節點，本文使能Wireless USB的ACK功能。簇節點收到正確數據包后自動發送ACK信號。端節點發射數據前設定ACK等待時長，發送完數據后，打開超時定時器開始計時，同時轉入接收模式。如果設定時間內未收到ACK信號，重發數據，否則，進入睡眠模式。
（4）頻率捷變
只是在受到干擾時頻道才發生改變，如圖9所示，如果當前頻道受到了干擾，系統通過鑒別錯誤數據包的數量來判斷信道的鏈接質量。如果錯誤包的數量超過了設計的極限，就跳轉到下一頻道；此外，還要周期性地偵聽頻道信號強度，如果一個強的信號持續一段時間，則跳轉出去。
5 實驗及結果分析
（1）有效通信距離測試
CYRF6936支持SDR/DDR/8DR/GFSK 4種工作模式，發射功率可控為-35、-30、-24、-18、-13、-5、0和4 dBm共8個檔次；CC2591最高發射增益22 dB，最大發射功率22 dBm，最高接收增益11 dB。測試中選擇8DR模式，該模式下，接收靈敏度為-97 dBm，Sink節點將發射功率和接收增益設置為最大值，射頻頻率設定在2 400 MHz頻段，4節5號電池供電，天線距離地面高度為1.5 m。傳感器節點之間有效通信距離，室內10 m，戶外30 m。傳感器節點與Sink節點有效通信距離測試如表1所示。
（2）共存性能測試
打開實驗室所有設備及藍牙、Wi-Fi、WLAN等，測試表明系統可在復雜電磁環境下正常工作。
所開發的無線傳感器網絡，以Wireless USB技術為平臺，依托認知無線電、軟件無線點理念，充分利用頻率捷變技術、數據應答與重發技術、CRC校驗技術、DSSS技術、BCH技術和RSSI功能，功耗低，抗干擾能力強，能在復雜電磁環境中正常工作。通過AGC調節發射功率實現不同距離可變功率控制。該設計性能優越，應用前景廣闊。但研究尚處于試驗階段，各種功能尚不完善，有待在以后的研究中深入開發。
參考文獻
[1] 景博，張劼，孫勇.智能網絡傳感器與無線傳感器網絡[M].北京：國防工業出版社，2011.
[2] Cypress Semiconductor.2.4 GHz頻段上的新一代點對點無線技術[J].世界電子元器件，2004（1）：28-30.
[3] Cypress的Wireless USB擴至多點到點（N：1）應用[J].電子產品世界，2005（1）：122.
[4] Cypress Semiconductor.防止2.4 GHz ISM頻帶的干擾——從硬件與軟件技術中建構強固的RF通信環境[J].電子與電腦，2004（8）：90-95.
[5] Cypress Semiconductor.Cypress供應WirelessUSB LP器件[17][EB/OL]. http：//www.csyb.com.cn/it/p286/J28635231.html，2013-06-01.
[6] 唐旻，趙曙光，方艷紅.基于無線USB技術的系統開發與應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2005（11）：48-51.
[7] 向新，張啟發，王興華，等.軟件無線電原理與技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.
[8] 馬潮.AVR單片機嵌入式系統原理與應用實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.
[9] Cypress Semiconductor. Optimum PCB and stencil layout for wireless USB QFN package[Z]. 2005.
[10] 侯賽因·阿爾斯.認知無線電、軟件定義無線電和自適應無線系統[M].任品毅，等，譯.西安：西安交通大學出版社，2010.
[11] 于宏毅，李鷗，張效義，等.無線傳感器網絡理論、技術與實現[M].北京：國防工業出版社，2008.
[12] 杜曉通.無線傳感器網絡技術與工程應用[M].北京：機械工業出版社，2010.