无线传感执行器网络双射频通信节点设计与实现

　　摘要：针对无线传感器执行器网络拓扑结构动态变化、通信量大、实时性强及协同工作等特点，同时为降低通信时的信号干扰，设计并实现了一种基于IEEE 802.15.4的双射频多信道通信节点。对关键的天线电路进行了分析和设计;开发了通信模块与控制决策中心的USART接口程序和双通信芯片间的I²C接口程序。

　　引言

　　无线传感器执行器网络是一种分布式、多跳、协同工作网络系统。任务感知节点将检测到的相关信息通过有效通信，实现信息投递、共享和处理，然后由控制决策中心进行多维信息融合、决策，最终下达对应指令指示执行装置完成任务。

　　WSANs通常部署在无基础通信设施的环境中，各节点往往具有一定的移动性且能量有限，网络拓扑结构经常变化，同时对数据传输的实时性要求较高。这些特点决定了无中心、自组织且支持多跳路由和节点移动的Ad hoc网络能较好的满足WSANs的应用需求。

　　然而，传统单射频、单信道网络节点不能很好满足WSANs大数据量实时通信的要求，这是因为大量节点密集部署且共用同一信道，易导致信道拥塞和干扰，使得信息投递延迟和丢包增加，传输速率下降，网络可靠性变差。因此有研究者采用多信道通信方式来解决竞争和冲突以提高网络性能，这种方法的好处有：(1)可减小网络中数据包的平均传输时延;(2)多信道通信允许邻近范围内的多个节点采用不同信道通信，能够有效降低竞争回退和通信干扰;(3)多射频多信道方式能降低并发任务处理时各任务间的信号干扰;(4)多射频通信节点提高了信息传输容量和信道利用率。

　　基于上述分析，本文设计了一种支持Ad-Hoc组网的，基于IEEE 802.15.4协议的双射频、多信道网络通信节点。

　　节点设计

　　WSANs双射频多信道节点的设计框图如图1所示，分为控制、决策、执行中心和网络通信模块两大部分。控制、决策、执行中心采用高速DSP芯片作为主控制器，各类传感器采集的信息传递给DSP处理，处理后的信息经过通信接口传输给网络通信模块，经RF传输给其他节点，实现信息的传递和共享。节点主控制器DSP对来自自身传感器或者其它节点的信息进行分析和处理后控制执行器装置的动作。　　

　　本文主要完成网络通信模块设计部分。该部分由处理器1和射频1构成通信模块1，处理器2和射频2组成通信模块2，由于射频1和射频2独立设计，两个射频模块可工作在相同或不同的频段或信道上，根据应用系统设计需求，可分别将两个通信模块用于不同的目的构建不同的网络。例如，可令其中一个通信模块承担全局组网任务，另外一个通信模块承担任务子网的构建，或者将一个通信模块构建指挥控制网络，另外一个通信网络构建数据传输网络，以保证控制指令和数据的实时传输。这种灵活的组网方式和工作模式为不同应用系统的构建提供了扩展性很强的基础平台。