一种蓝牙传感器网络的设计与实现

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0引 言

无线传感器网络(WSNs)是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感器节点密集分布在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自治测控网络系统。如果说因特网改变了人与人之间交流、沟通的方式，那么，WSNs则将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起，将改变人与自然交互的方式。为此，2003年，MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中，将其列为改变世界的十大新兴技术之一。
蓝牙是一种短距无线通信的技术规范。由于蓝牙具有工作在2.4 GHz的ISM(industrial，scientific and medi-cal)频段；可以同时传输语音和数据；有很好的抗干扰能力和低功耗等特点。采用蓝牙技术构建由固定传感器节点组成的蓝牙传感网络，是无线传感器领域内一个新兴的研究方向，可以在一些特殊的场合实现信息的采集、处理和发送。

介绍了一种用于广场环境监测的蓝牙传感器网络的构建和传感器节点的设计，研究了蓝牙传感器网络的节点定位和电源问题。最后，探讨了WSNs领域内存在的问题和发展方向。

1 蓝牙传感器网络构建

整个蓝牙传感器网络由若干蓝牙传感器节点和监控主机组成，其中，无线传感器节点分布于需要监测的广场四周，执行数据采集、预处理和传输等工作；监控主机放置在智能小车内，通过蓝牙模块与传感器节点通信。

1.1 蓝牙传感器网络模型

为了把信号输入到终端，采用了蓝牙，而没有采用有线、红外和光等进行传输信号，原因在于它最适合短距离无线低功率通信，用它组建的传感器网络被称为蓝牙传感器网络。

为了对蓝牙传感器网络进行直观的说明，构建了蓝牙传感器网络模型。蓝牙传感器网络模型基于邻近组网的原则，2个彼此靠近到一定程度的蓝牙传感器可以自发地由蓝牙模块建立通信链接。蓝牙组网时最多可以有256个蓝牙设备单元连接起来组成微微网(Piconet)，其中，1个主节点和7个从节点处于工作状态，而其他节点则处于空闲模式。主节点负责控制异步无连接(asynchronous connec-tionless，ACL)链接的带宽，并决定微微网中的每个节点可以占用多少带宽及连接的对称性。从节点只有被选中时才能发送数据，即从节点在发射数据前必须接受轮询。微微网络之间可重叠交叉，从设备单元可以共享。由多个相互重叠的微微网组成的网络称为散射网(Seatternet)。

用于广场环境监测的传感器网络是由预先放置在广场四周的传感器节点组成微微网，各微微网组成散射网。其网络通信体系结构如图1所示。节点具有传感、信号处理和无线通信功能，它们既是信息包的发起者，也是信息包的转发者。通过网络自组织和多跳路由，将数据向监控发送。

1.2 蓝牙传感器网络节点定位

节点定位机制是指依靠有限的位置已知节点，确定布设区中其他节点的位置，在传感器节点间建立起空间关系的机制。在大多数情况下，只有结合位置信息，传感器网络获取的数据才有实际意义。另外，对蓝牙传感器网络协议的研究也要利用节点的位置信息。在网络层，因为蓝牙传感器网络节点无全局标志，设计了基于节点位置信息的路由算法；在应用层，根据节点位置，蓝牙传感器网络系统可以智能地选择一些特定的节点来完成任务，从而降低整个系统的能耗，提高系统的存活时间。

由于设计的蓝牙传感器网络系统中各个传感器节点位置固定，可以采用基于测距的节点定位机制。通过测量节点问点到点的距离，使用最大似然估计法计算节点位置。基于测距定位机制要求2个节点具有测量相互间距离的能力。采用了TDOA(time difference on arrival)：测距技术。在节点上安装超声波收发器和蓝牙收发器。测距时，在发射端，2种收发器同时发射信号，利用声波与电磁波在空气中传播速度的巨大差异在接收端通过记录2种不同信号到达时间的差异，基于已知信号传播速度，直接把时间转换为距离。该技术的测距精度可达到厘米级，但受限于超声波传播距离有限和非视距(NLOS)问题对超声波信号的传播影响。

2 传感器节点设计

传感器节点的设计主要包括：硬件的设计、软件的设计和电源的设计。

2.1 传感器节点总体设计

在不同的应用中，传感器节点设计也各不相同，但是，它们的基本结构是一样的。根据具体需要，设计出的传感器节点主要包括以下几个子系统：数据处理子系统、数据采集子系统、无线通信子系统和电源子系统构成，节点结构示意图如图2所示。

2.2 传感器节点硬件设计

传感器节点主要由超低功耗处理器、各种传感器及其辅助电路构成。节点原理图如图3所示。

2.3 电源问题

电源问题是WSNs中的关键问题。只有提供长期有效的能源才能使传感器网络降低维护运行成本，进一步体现其巨大优势。为了最大限度节约电能，在节点的设计中，单片机以最快的速度执行任务，一旦有可能就进入节能模式。在节能模式中，通过电源管理电路，将除单片机、蓝牙模块和硬件看门狗以外器件的供电切断。这时只有硬件看门狗、单片机的串口中断逻辑和蓝牙模块消耗电能，可以最大限度地节约电能。

节点启动后，执行完必须的任务，包括初始化蓝牙设备，获得本地地址等，就进入节能模式。进入节能模式后，如果监控中心需要访问该节点，就通过蓝牙模块唤醒该节点的单片机。

2.3.1 电源管理

传感器网络的电源管理采用动态功率管理模式是降低系统耗能的有效设计方法。动态功率管理是一种有效地能够在降低系统功率消耗而不影响系统性能的办法。最基本的思想就是传感器节点内部各个设备在不需要时关闭，而在需要时唤醒。从而可以使传感器适时进入相应的低功耗模式，降低总体能量消耗。动态功率管理技术适用的基本前提是，系统元件在工作时间内有着不相同的工作量，大多数的系统都具有此种情况。另一个前提是，可以在一定程度上确信能够预知系统、元件的工作量的波动性。这样才有转换耗能状态的可能，并且，在对工作量的观察和预知的时间内，系统不可以消耗过多的能量。在传感器网络中，构成传感器节点的各个模块有不同的功率状态，因而，电源管理采用动态功率管理是比较合适的。动态功率管理系统中，不同元件的工作状态要动态地适应不同程度的性能要求，只有这样才能最小化空闲时间浪费的能量或者无用元件浪费的能量。对于电源管理实施时间的判断，要用到动态预知方法，根据历史的工作量预测即将到来的工作量，决定是否转换工作状态和何时唤醒。

2.3.2 能耗的降低措施

1) 采用系统芯片技术、MEMS技术、特定用途集成电路等新技术可以大大减少传感器网络部件，减少能耗；

2) 采用传感器数据融合技术能够减少网络通信量，降低数据冗余度，提高能量效率；

3) 减少传输误差也能降低能量的消耗。

2.4 传感器节点软件设计

在网络中，每个节点都有一个固定的地址(由蓝牙模块地址决定)，其中，连接于监控主机的传感器节点是一个特殊的节点，它采用串行接口与蓝牙模块和监控主机通信数据的传送采用主从站方式，与监控主机连接的节点作为主站，控制网络内的通信时序；其他节点作为从站，可以被主站寻址。

传感器节点软件设计分为主机点软件设计和从节点软件设计2个部分。主节点主要完成采集各从节点数据，进而分析、处理数据；从节点主要完成各种传感器原始数据的采集和预处理工作。

2.4.1 主节点程序设计

主节点中，监控主机与主机控制器(蓝牙模块)之间是通过蓝牙主机控制器接口(host controller interface．HCI)收发分组(Packet)的方式进行信息交换的。主机控制器执行监控主机指令后产生结果信息，主机控制器通过相应的事件分组将此信息发给监控主机。在蓝牙传感器网络中，主节点上的蓝牙模块与其他节点的蓝牙模块最简单的ACL数据通信流程有5个步骤：蓝牙模块自身初始化、查询、建立连接、进行数据通信口断开连接。主节点程序的流程图如图4所示。

依据处理后的数据既可以实时掌握广场环境信息，对突发事件及时采取相应措施，还能根据广场上的亮度情况来设定照明亮度和照明时间，既能预警，又节能。

2.4.2 从节点程序设计

从节点程序主要完成采集各种传感器的数据，经过初步处理后传送给主节点，其程序流程图如图5所示。

3 结束语

整个网络采用主从站结构，由主站统一控制网络内的通信时序。节点以低功耗单片机ATmega128L为核心，采用蓝牙模块进行通信。在软件方面，采用串口中断的方法接收和发送数据。节点使用电池供电，利用单片机的节能模式，可以最大限度节约电能，延长节点的使用寿命。实验表明：采用这种模式建立的WSNs稳定可靠，通信效率高。