无线网络wifi技术的研究

无线网络wifi技术的研究

温度监测广泛应用于工业控制、农业管理、仓库储存、公共物品保护等领域。它对降低成本、经济高效的温度网络监测设备非常重要。目前应用的温湿度网络传感器大多采用ZigBee技术,ZigBee技术虽然功耗较低,但其传输速率低,构建的WSN是封闭的,不能和Interet/Intranet直接集成,需要网关的支持,与之相比,WiFi技术具有传输速率高、覆盖范围广、组网成本低、与Internet网络无缝连接等优点,文献和文献分别将WiFi技术应用到煤矿安全生产、温室栽培中,取得了良好的应用效果,但都存在功耗过大、无法定位的问题。文献采用使WiFi芯片组睡眠的方式有效地减少了无线通信的能量消耗,但没有解决无线传感器在空闲状态下的功耗问题以及低功耗模式下网络节点的管理问题。文献虽然设计了能量管理任务来控制无线通信芯片和处理器芯片的能量消耗,但是其系统体积较大,成本高,不利于产品的应用推广。针对以上设计中的不足之处,本文的温湿度网络传感器采用集成WiFi功能的超低功耗芯片GS1010为核心,通过减少通信次数,降低传感器数据采集、处理时的功耗,使节点绝大多数时间处于休眠状态,达到延长传感器寿命的目的,并将SNMP协议应用到低功耗模式下节点的网络管理中,此外采用基于RSSI的三角形质心定位算法定位传感器的位置。1系统的设计目标系统的拓扑结构如图1所示,由无线路由器等无线网络设备组建局域网,传感器采用周期性睡眠/唤醒机制,在被定时唤醒后,会根据网络SSID和无线通道号加入指定网络,向监控中心定时发送温湿度数据并对中心发出的SNMP管理信息帧做出响应。本文的设计目标是一款可以在无人值守状态下长期工作的超低功耗温湿度网络传感器,其实现方法主要包括以下几个方面:①极低的休眠电流,处理器芯片、电源芯片、温湿度传感器的休眠电流都在几μA到十几μA之间,整个系统的休眠电流不超过50μA,在一节AA电池供电的情况下,整个系统可以休眠1～2年;②根据传感器在温湿度采集、网络传输、无线定位等工作状态中各模块的使用情况,将整个系统的运行分为多个功耗状态,通过减少各状态下工作模块的数量,降低传感器在以上工作状态下的能量消耗;③低功耗状态下,网络节点不能及时响应用户的访问命令,因此对低功耗状态下网络节点的管理也是本文的主要研究内容之一。2s1010芯片单元传感器的硬件结构框图如图2所示,节点硬件主要包括GS1010芯片及其外围电路单元、温湿度传感器及调理电路单元、USB通信单元、3.3V和1.8V供电单元和天线滤波收发单元。下面将详细介绍各功能模块。(1)gs110系统无线通信状态本设计采用GainSpan公司推出的基于IEEE802.11b/g的超低功耗SoC芯片GS1010,休眠电流仅为5μA,该芯片采用双ARM7处理器结构,将384KBFlash、192KBSRAM、802.11MAC/PHY和RF收发器以及I2C、SPI、ADC等外设全部设计在一只QFN封装的单芯片中,降低了系统功耗和应用设计的复杂性,实现了无线网络传感器的微型化和集成化。GS1010的不同运行状态下CPU、存储器及片内外设的工作和能量消耗情况如表1所示。由表中可以看出Listen、Receive、Transmit3种无线通信状态消耗的能量比其他状态大得多,只在无线定位、监听SNMP管理命令和传输数据时,传感器才会进入这些状态;其次是Active、Sleep状态所消耗的能量,这两种状态用于传感器的数据采集、处理和节点系统管理;传感器在进行完所有操作后就进入功耗最低的Standby状态。(2)无线网络传感器的应用本文采用瑞士Sensirion公司推出的SHT15单片数字温湿度集成传感器,该产品低功耗、响应快、体积小的特点非常适合应用在无线网络传感器设计中。SHT15在系统上电或数据采集和通信工作完成后会自动进入休眠模式,其睡眠电流仅为0.3μA,温度和湿度转换响应时间最短分别为5s和8s,因此不需要设计专门的电源控制电路来降低传感器在空闲状态下的能量消耗。SHT15采用的是两线制数字接口(但并不是文献中所叙述的I2C接口),与控制器的接口电路如图3所示。(3)无线接口设计采用USB通信接口可以节约PCB空间,缩小传感器体积,该接口既可用于程序的有线下载和调试,也可作传感器信息输出的人机交互,而在传感器正常工作的情况下是采用无线的方式进行数据收集和网络节点管理的,因此设计有专门的电源开关将其关闭。(4)gs110控制器本单元采用LM3671系列芯片将3.0～4.2V的锂离子电池供电电压转换为3.3V,为GS1010控制器片内外设及片内存储器、温湿度传感器及调理电路、USB接口电路供电;将电池供电电压转换为1.8V,为GS1010控制器的ARM内核供电。该系列电源芯片的最大输出电流为600mA,当系统进入休眠状态时3.3V电源芯片的静态电流仅为16μA,而GS1010控制器会通过电源芯片的使能引脚关闭内核的1.8V供电,1.8V电源芯片的关断电流仅为0.01μA,1.8V稳压电路原理图如图4所示。(5)射频收发器GS1010控制器内部已经集成了802.11b/g射频收发器,片外选用2.45GHz带通滤波器,使射频前端与天线端口之间的微带线及天线的阻抗为50Ω。3开发公开代码传感器的软件开发是基于μC/OS-II嵌入式实时操作系统,它是一种免费公开源代码的实时操作系统,具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点,非常适合无线网络节点的软件设计。本文中无线网络传感器的软件设计主要包括:能耗管理、网络管理、无线定位和温湿度数据采集及处理。3.1实现传感器响应和响应传感器低功耗软件设计是在硬件设计的基础上,通过减少传感器的无线通信次数和流量、减少系统配置和数据采集时的功耗、缩短应用程序的运行时间、延长休眠周期使节点大部分时间处于休眠状态等措施,将系统的平均功耗控制在传感器设计的范围内。本设计中主要采取以下5项能量消耗控制措施:①创建专门的能耗管理任务,监视整个系统的任务运行情况,按照图5所示的系统运行状态转换图控制整个系统的任务运行。当所有的系统任务和应用任务运行完毕后,能耗管理任务会计算系统进入休眠状态的时间,并将系统运行过程中的网络连接信息、系统错误类型等关键信息保存到RTC存储器中,而后调用RequestForStandby命令,进入Standby状态。②利用μC/OS-II中空闲任务的扩展接口,使系统在空闲状态下进入Sleep模式,降低控制器在进行系统配置和采集传感器数据时的功耗。进入空闲任务后,操作系统会利用时钟节拍周期性地唤醒控制器,控制器被唤醒之后,将判断是否有任务处于就绪状态,如果有任务处于就绪状态,就执行该任务;如果没有,将再次进入Sleep模式。③采用UDP协议传输传感器数据,虽然UDP协议并不能保证数据的可靠传输,但与TCP协议相比,UDP协议不需要建立链接、释放链接等过程,缩短了通信时间,节约了能量。④控制器在开启传感器进行数据采集完毕后并不立即将数据发送出去,而是首先与之前的历史数据相对比,如果两次采集到的温度数据之差在一定的范围内(本设计采用温度数据之差在0.5℃之内,湿度数据之差在1.0%RH之内),并且在整个运行过程中传感器运行无误,节点就认为当前的外界状态没有发生变化,不需要向监控中心无线传输数据,而是直接进入低功耗状态,这项措施大大减少了传感器的通信次数,降低了功耗。同时本文引入无线网络传感器通信与数据采集次数比作为调整的标准:当该比值低于下限阈值时,控制器会以1.5～2倍的速度延长采样周期;而当比值超过上限阈值后,控制器会以0.5～0.75的速度缩短采集周期,这种自适应调节的方法既满足了系统的实时性,又降低了传感器因采样频率过高造成的能量消耗,提高了传感器的适应能力。⑤用户采用trap-响应机制唤醒传感器。传感器在低功耗状态下不能响应用户的SNMP命令,传感器在发送Configuretrap后会等待数秒,在此期间,如果接收到用户SNMP配置或查询命令,传感器就暂时不进入低功耗状态,响应用户的管理命令;如果接收到无线定位请求,传感器就采集锚节点的RSSI信号强度和定位信息,上传给服务器运行定位算法,并将回传的定位信息保存在Flash中;如果没有接收到任何用户命令,传感器就进入Standby状态。3.2无线传感器网络监控系统的设计SNMP协议简单,易于实现,具有良好的可扩充性,且不需要像Web方式那样一直处于供电监听状态,是工业界事实上的网络管理协议标准,非常适合采用睡眠/唤醒机制低功耗传感器的设计。由于网络传感器的资源非常有限,本设计的SNMP协议只支持以下操作:①GetRequest、SetRequest和GetResponse操作主要用于查询和配置传感器的以下信息:IP地址、MAC地址、子网掩码等网络信息,温湿度数据的上下限值、最短采样周期等感知信息,无线AP接入点列表、当前节点坐标等定位信息,存储空间的使用情况、电池的电量等系统信息。②由于无线传感器网络故障的易发性,需要节点在检测到自身或网络出现故障时通过发送Trap,向管理者主动发出告警信息。本文设计了3种Trap信息帧。Link-uptrap将每次网络的搜索和连接情况反馈给监控中心;Configuretrap将每一次网络节点唤醒后的配置信息反馈给监控中心;Errortrap如果运行过程中出现错误,就将错误信息反馈给监控中心。通信过程中的帧情况如图6所示,正常情况下只有两种帧,UDP数据包和Configuretrap。3.3传感器的扫描本文采用基于RSSI的三角形质心定位算法进行目标定位,在定位区域部署有多个AP接入点,每个接入点都预先存储有自身的定位坐标,整个定位过程分为以下几个步骤:①传感器首先扫描周围环境,对获得的多个AP信息按照信号强度进行排序,选取信号最强的AP接入点作为锚节点;②连续多次采集某个AP节点的信号强度值,并计算RSSI均值,然后将RSSI均值和每个AP节点的坐标信息上传到服务器;③服务器按照三角形质心法求取传感器的坐标,并通过SNMP协议写入传感器的Flash中保存。由于定位过程需要多次扫描无线网络,会消耗节点的大量能量,节点只会在用户发出定位请求后,才会采集周围环境中的定位信息,并将定位信息传输到服务器,由服务器完成定位运算。3.4gs110控制器的程序传感器的用户任务需要完成温湿度值、RSSI无线信号强度和电池电量的采集,其中RSSI无线信号强度和电池电量都是采用GS1010片内的10位ADC完成的,较容易实现。而SHT15的温湿度值采集流程图如图7所示。SHT15上电后进入休眠模式,在读写数据之前首先要发送一个“启动”时序,唤醒芯片。GS1010控制器发出读温度值命令(03H)或读湿度值命令(05H)后就拉低SCK信号线等待测量完成,当SHT15将DATA信号线拉成低电平后测量完成。GS1010控制器重新启动SCK信号,SHT15就传送两个字节的测量数据与一个字节的CRC数据,传输数据的顺序是从最高位(MSB)到最低位(LSB),GS1010控制器每接收到一个字节就将数据线拉成低电平作为接收完毕的应答信号ACK,CRC数据用于判断测量过程是否出错,而SHT15在测量和通信完成后会自动返回睡眠模式。SHT15读取的14位温度值SOT和12位湿度值SORH还需按照下面的公式进行校准:式中,T℃为温度值转换后的摄氏度值。式(3)为湿度值的线性化公式,式(4)为对湿度值进行温度补偿。4实现了数据采集和能力本文设计的温湿度传感器主要应用于医院、工厂等室内环境温湿度测量,网络传感器的目标设计指标为:温度测量范围-20～70℃,测量精度±0.5℃;湿度的测量范围1%RH～99%RH(非凝结),测量精度±3%RH;每日至少采集数据100组,可连续工作1个月以上;无线定位的精度是50m的部署区域内定位误差不超过±10%。网络节点采用的温湿度传感器SHT15的温度测量范围为-40～123.8℃,测量精度为±0.3℃;湿度的测量范围为0%RH～100%RH,测量精度为±2.0%RH,完全满足设计的测量指标。表2详细列出了传感器在不同系统状态下的能量消耗情况和各种状态的持续时间,本文设计的传感器使用1000mA·h的锂聚合物电池供电,在兼顾传感器网络命令响应时延和能量消耗的条件下,每日采集数据至少144组,可连续工作1～2个月,达到了数据采集和低功耗的设计要求。传感器无线定位的误差曲线如图8所示,从图中可以看出,随着测试距离的增大,定位的误差也不断增大,但传感器的定位精度可以满足50m内定位误差不会超过5m的设计