作者：付耀先;何洪路;劉海濤

無線傳感器網絡（WSN）是由大量無處不在的、具有通信與計算能力的微小傳感器節點密集布設在無人值守的監控區域而構成的能夠根據環境自主完成指定任務的智能自治測控網絡系統，可廣泛應用于航天、航空、國防、電力、能源、環境、醫療、災難預警、空間探索等領域。2003年，MIT技術*論在預測未來技術發展的報告中，將其列為改變世界的十大新技術之一。一般情況下，WSN節點采用隨機散布的方式，且存在著功耗受限、通信能力受限、計算能力受限、存儲能力受限等問題，因此對設計提出了較高要求。

WSN的應用環境多樣，存在所接前端探測器不相同、布設環境不一樣的可能。特別在隨機布設時，各個節點所處的位置及相隔的距離無法預先確定。探測器的不同及對數據處理方式不同，產生的數據量可能不同。同時，布設的環境可能為城區、郊區、山地等不同環境。要在多變的傳輸需求和環境下實現良好的通信，傳感網節點必須具有良好的環境適應性，即可以通過調整自身的通信參數滿足不同傳輸要求。因此需要WSN節點具有相當的靈活性。

目前在WSN節點的設計上，大多將信息處理模塊與通信模塊隔離開來，分別采用不同的硬件進行處理，通信模塊基本采用現有成熟產品。這樣設計的系統，缺乏整體考慮，難以在體積功耗上進行最小化的設計，且由于通信模塊固定，不能同時適應具有不同傳輸數據量、不同傳輸速率和不同誤碼率要求的系統。而這些條件是WSN中是應滿足的常見要求。

本文給出基于整體性能優化、具有相當靈活性、能夠滿足自適應通信要求的WSN節點實現方案，并就能耗與通信的適應性進行分析。

1 工作環境與通信體制

在考慮傳感器節點的通信方式前，需要首先考慮傳感器的布設環境。傳感器節點間一般通過無線方式進行信息交互；傳感器節點的布設環境多為近地環境，直達的視距信號較少，多為衍射或折射后到達的信號，存在較多的多徑干擾；傳感網的布設具有不定性，節點間距離不一定相等；傳感器節點間的信息交互量較少。同時，由于傳感器節點大規模散布，需要減少對其他系統的干擾并提高自身抗干擾能力，并具備信息安全保密功能。

由于直達的視距信號較少，需要采用能有效利用多徑方式實現通信。擴頻通信體制能很好地適應多徑傳輸環境，且可通過擴頻增益的更改調整自身通信靈敏度，在距離近時能提高傳輸速率減小信息碰撞，在距離遠時能通過有效提高靈敏度的方式來實現和其他節點的通信及自適應通信，同時考慮到信息保密安全的問題，采用直接序列擴頻通信體制作為WSN的主要通信方式。由于信息交互量較小，且系統無中心節點，所以適合采用異步通信體制。

由于WSN的應用環境不定，電磁環境中可能存在固定頻點干擾，因此設計的系統要求能在多個頻點上跳轉工作，對存在干擾的頻點可實現干擾避免。

系統采用擴頻通信方式時，發射信號為：

S（t）=N（t）D1（T）cos（2πft）+N（t）D2（T）sin（2πft）（1）

其中：N（t）為偽隨機碼，D1（T）和D2（T）為待傳送數據，cos（2πft）和sin（2πft）為調制載波信號。t為時間單元，T為碼元持續時間，f為載波頻率。

為滿足自適應通信需求，在系統設計中，要求T和f可調。

當T=Mt時，擴頻增益為A=10log10M；當T=t時，擴頻增益為0，此時數據傳輸速率最高；當T=13t時，擴頻增益為11.1394dB，當T=1023t時，擴頻增益為30.1030dB。

設在T=t時系統靈敏度為SNR=-SdB，則當T=Mt時，系統靈敏度為SNR=-（S+A）dB。

f的變化帶來傳播損耗的變化，頻率越低，傳播損耗越小，繞射性越好。當需要進行遠距離傳輸或和接收端無法建立聯系時，可以將發射頻率降到最小。

2 系統設計

在進行系統設計時充分考慮到系統的硬件體積功耗，實現硬件功能軟件化及復用，同時盡量降低設計復雜度。本設計中的WSN節點可實現傳感探測信息處理、協議控制、處理后的信息發送及接收等功能，其硬件平臺組成如圖1所示。該硬件平臺采用DSP作為主要的信息處理平臺及系統運作控制器，DSP軟件存儲于FLASH中（包括協議控制模塊、信息處理模塊和通信處理模塊等），通過DSP啟動相應的硬件電路及調用不同的軟件模塊來實現系統功能。

協議控制模塊為主運行模塊，根據約定的流程實現硬件電路的調用控制、參數更改及信息處理和通信處理軟件模塊的協調調用、參數更改，使軟硬件配合實現整個系統功能。

信息處理模塊和探測器、調理電路及值守單片機組成信息處理單元，完成傳感信息的探測、模式識別分析、融合處理及目標報警等功能。探測器將探測到的模擬信息通過調理電路的信號放大，模數轉換后送至單片機進行預處理；單片機進行初步的處理分析，發現信號后給DSP中斷；DSP收到中斷后啟動相應的處理程序進行進一步的信號處理分析，對目標的有無及目標種類進行確切分析。分析確認目標后給協議控制模塊中斷信號，以提示報警。

通信處理模塊和外圍的射頻電路及相應的輔佐器件組成通信單元，包括發射和接收兩大部分。系統采用零中頻方案，將頻率較高的處理放在模擬器件中完成，可以降低AD、DA采樣頻率，減少數字運算工作量，達到節省功耗的目的。在射頻模塊中采用一次上變頻和一次下變頻的處理，可以減少系統復雜度，節省硬件體積。在收發切換上采用電子開關進行時分雙工，收時不發，發時不收，可以有效減小系統體積，且和協議配合實現通信功能時可節省功耗。射頻的頻率合成器可對收發頻率進行設置，實現多個頻點的信息收發。需要注意的是，由于該系統前端濾波處理抑制度不夠，故可能存在較多的大信號干擾，這對AD器件的轉換精度提出了較高的要求，同時為達到較好的效果，需要在DSP內進行數字濾波。DSP可對AGC和VCO進行控制，實現對信號幅度及本地載波頻率相位的調整。

系統將整個時間段劃分為目標探測時間段、發射時間段和接收時間段。各個節點處于發射和接收態的時間不同，具體時間根據協議約定結果進行設置。通常，處于信息中轉的節點在其他節點處于發射態時需處于接收態，且大多數時間處于接收態，同時可以根據系統布設的密度和需要進行接收及發射的時間設置。

各個節點收發時間的交錯可減少系統沖突的概率。設傳感網中8個節點均與Sink節點通信，則Sink節點和其他節點的狀態設置如圖2所示。

當Sink節點處于發射態時，所有節點均處于接收態；反之，當所有節點處于發射態時，Sink節點處于接收態。根據系統設定，將節點劃分為不同的簇，不同簇間節點的發射時間可以互相交錯，其提前或滯后時間為一個常見信息幀的發送時間。這樣在一簇節點僅有一個信息上傳時，基本可以實現時分，從而減少信息沖突。

系統工作狀態如圖3所示。

系統開機后，首先進入協議控制態，協議控制態根據約定流程進行狀態轉換，并將單片機探測目標中斷優先級設置到最高，一旦該中斷觸發，即通過硬件DMA將數據信號送入RAM中存儲，等待處理。當發射時間片到時，協議控制模塊檢測是否有信號待發送。如無，則進入休眠態；如有，則進入發射狀態，發射完畢后返回協議控制態；如仍處于發射時間段，協議控制模塊控制轉入休眠態。當接收時間片到，系統進入接收態，隨時進行信號的接收，直至接收時間片結束為止。當進入目標探測時間片時，對存儲的數據進行處理，分析是否存在信號，并將分析結果上報給協議控制模塊。

主要的自適應通信模塊處于DSP中，其軟件功能實現如圖4所示。

通信模塊采用直接序列擴頻方式，可通過擴頻增益的更改來獲得不同的靈敏度，以滿足不同數據速率及傳輸距離的要求。擴頻碼為0～1 023位的Gold碼，擴頻增益存在30dB的差別，更高的擴頻增益意味著更高的靈敏度和更遠的傳輸距離。

信道編解碼模塊參數可調整，根據系統接收效果設置不同的參數。當對信息誤碼率要求不高、而對信息的傳輸速率要求較高時，可視傳輸信道情況適當降低信道編解碼的糾錯能力，反之則可提高。

調制方式采用QPSK/OQPSK。發射濾波處理為對信號進行成型濾波，接收濾波處理為相應的匹配濾波。

3 主芯片器件性能及能量管理

選用Blackfin533作為主要的數字處理器件。Blackfin系列DSP是美國模擬器件公司（簡稱ADI）基于微信號體系結構的DSP，是專為滿足嵌入式音頻、視頻和通信應用的計算要求和功耗約束條件而設計的16到32 位嵌入式處理器。它將一個32 位RISC型指令集和雙16位乘法累加（MAC）信號處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在一起，能夠同時滿足信號處理和控制處理應用的需求，從而極大地簡化了硬件和軟件設計。其處理速度快（ADSP-BF533處理速度可達750MHz）、功耗低的特點更適合WSN應用。

同時，Blackfin 處理器基于一種選通時鐘內核設計，可按照逐條指令選擇切斷功能單元的電源。通過內部的動態電源管理模塊對工作頻率和電壓進行獨立控制，以滿足正在執行的算法性能要求。這些轉換可以在一個 RTOS（實時操作系統）或用戶固定的控制之下連續出現。大多數 Blackfin 處理器都提供了片上內核穩壓電路，并可在低至0.8V的電壓條件下工作，因而特別適合于需要低功耗的便攜式應用。

降低工作頻率后，能量節省因子可表示為：

fCCLKRED為降頻后的時鐘頻率，fCCLKNOM為正常狀態下的時鐘頻率，VDDINTRED為降頻工作后的電壓，VDDINTNOM為正常狀態下的電壓，TRED為降頻后工作時間，TNOM為正常狀態下的工作時間。

Blackfin處理器支持的轉換狀態如表1所示。

Blackfin533在各種不同狀態下的功耗如表2所示。其中，IDDTYP為典型應用情況下的電流，IDDSLEEP為休眠狀態下的情況，IDDDEEPSLEEP為深度休眠狀態下的情況，IDDHIBERNATE為關掉電源管理后的電流（VDDEXT=3.65V，VDDINT=0V），IDDRTC為VDDRTC=3.3V時測得的電流。

電壓標志含義如表3所示。

4 系統性能分析

下面從自適應通信和傳輸距離的關系及能耗兩個方面來分析系統的性能。

（1）系統路徑損耗與傳輸距離/傳輸頻率的關系

系統仿真參數設置為：

最大擴頻增益：30dB

射頻頻率變化范圍：200MHz“2GHz

發射機天線高度：5m

接收機天線高度：2m

最高速率時系統靈敏度：80dB

具有代表意義的傳播為自由空間傳播和近地傳播。首先觀察在自由空間傳播中的情況。

設原有系統的靈敏度為-80dB，傳輸頻率為400MHz，在增加30dB的擴頻增益后，在自由空間中傳輸距離可增加近20km。且頻率越高，這種增長的趨勢越明顯。

以Hata模型為例說明在其他環境下的對比情況。Hata模型是根據Okumura曲線圖所作的經驗公式，頻率范圍為150MHz”1 500MHz，以市區傳播模型損耗為標準，其他地區在此基礎上進行修正，適用于半徑超過1km的大區域移動系統。

設系統工作頻點為400MHz，則在不同環境下，系統的損耗與傳輸距離關系如圖5所示。在城區環境下，系統的損耗較大，傳輸距離較近，30dB的增益僅能提升3km的距離。但如果增大發射功率，仍可獲得較好的效果。

（2）系統能耗分析

各個狀態符號的含義如表4。各部分能耗設定如表5所示。

協議控制態下系統功耗為：Dw+Cw+Tw

發射態下系統功耗為：Dw+Sw+Cw+Tw

接收態下系統功耗為：Dw+Rw+Cw+Tw

分析態下系統功耗為：Dw+Cw+Tw

休眠態下系統功耗為：Ds+Cw+Tw

系統總功耗為：

P=（Dw）X%+（Dw+Sw）（S%SZ%））+（Dw+Rw）R%+（Dw）A%AZ%+（Ds）［S%（1-SZ%）+A%（1-AZ%）］+Cw+Tw

本文所述的WSN節點在相同的硬件平臺上通過軟件方式實現多種通信模式，獲得不同的系統靈敏度，具有靈活的適應性，且具有干擾檢測避免的功能，適合各種復雜環境下的通信，還具有小體積低功耗的特點，滿足WSN節點要求。

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