摘要：為了實現擴展節點功能、添加硬件部件時可以在現有節點上直接添加，而無需設計新的節點。無線傳感器網絡節點的分布式體系結構采用IEEE1451．2標準中即插即用的構造方法，并給出具體_的硬件和軟件實現方法，得到了硬件平臺可擴展的結論。這樣的節點具有*統一的外部接口和多智能體結構，并且傳感器模塊能夠即插即用，可以在不同應用環境中，選擇不同的組件自由配置系統。
　　
　　無線傳感器網絡是一種由傳感器節點構成的網絡，能夠實時地監測、感知和采集節點部署區內的觀察者感興趣的感知對象的各種信息，如光強等，并對這些信息進行處理，然后以無線的方式發送出去，通過無線網絡zui終發送給觀察者，在軍事偵察、環境監測、醫療護理、智能家居及工業生產控制等領域有著廣闊的應用前景。無線傳感器網絡節點的傳統結構主要由處理器單元、無線傳輸單元、傳感器單元和電源模塊單元4部分組成。具體應用不同，傳感器節點的設計也不盡相同。節點的功能不同，主要是節點韻傳感器單元在變化，傳統的節點具有單一或較少的功能，為了感知更多的物理量，需要節點具有擴展性，來實現更多的功能，提出了無線傳感器網絡節點的分布式體系結構的設計。該設計借鑒了IEEE1451．2標準的即插即用思想，使節點具有多智能體結構，各智能體之間用標準接口來進行通信，實現在一個節點下多個傳感器模塊共存，使節點具有多種功能；或直接更換傳感器模塊，無需新的設計，具備所需要的功能。
　　
　　1即插即用思想
　　
　　IEEE1451．2標準定義了智能變送器接口模模塊STIM（SmartTransducerInterfaceModule），說明了它的硬件結構；提出了電子數據表單TEDS（TransducerElectronicDataSheet）概念；定義了該類變送器的TEDS及其數據格式；定義了變送器與微處理器之間硬件獨立的十線數字接口TII（TransducerInligentInterface）及其針腳定義、通信協議。如圖1所示。　　
　　通過定義一個標準的智能傳感器接口模塊STIM、STIM和網絡適配器之間的接口TII來統一網絡化智能傳感器基本結構，通過制定電子數據表格TEDS在軟件上使不同傳感器的即插即用成為可能，而接口間數據格式和通信協議的標準化使得數據處理簡單化。IEEE1451標準的核心之一就是TEDS，它存儲于STIM的非易失性存儲器中，它是實現傳感器模塊即插即用的基礎。TEDS由若干字節組成，可以充分描述STIM和傳感器的類型、行為和性能屬性等，提供對傳感器及執行器等模型的支持，具有自動識別傳感器或執行器的能力。當STIM插入接口時，傳感器的所有信息可以隨時得到，從而實現即插即用。
　　
　　IEEE1451．2標準列出了8種不同的TEDS。為節省存儲空間，這里采用這兩種必須的和終端用戶說明TEDS。Meta-TEDS包含STIM制造商ID、版本信息、產品描述等信息；Channel-TEDS包含每個通道對象的上下限、物理單位、啟動時間等信息，每個通道的這些數據以重復的格式存儲在數據塊中；End-UsersApplicationSpecificTEDS用來給zui終用戶定義所需要的特殊的信息。采用面向對象的方法，將TEDS設置為類的屬性，讀取和寫入信息設置為類的方法。
　　　　具體的Meta-TEDS，Channel-TEDS和End-UsersApplicationSpecificTEDS均為TEDS的派生類，可以根據自身的需要定義屬性和方法，用類的方法去讀取、修改相應的屬性，以實現傳感器信息、通道信息等STIM相關信息的在線識別和配置。
　　
　　2分布式結構的設計原理
　　
　　一個無線傳感器網絡節點的傳統結構如圖2所示。　　
　　數據采集模塊用來進行外部傳感器信號的接收、轉換；數據處理和控制模塊用來進行節點設備控制、任務調度、能量計算、功能協調等；通信模塊用來進行節點之間的數據發送、頻率選擇等；電源模塊專門為傳感器節點提供必要的能量。隨著無線傳感器網絡應用領域的不斷擴大，迫切需要節點能夠感知更多的物理量，這就需要對傳感平臺進行擴展，為此設計了無線傳感器網絡節點的分布式體系結構，它定義了統一、完整的外部接口，在需要添加新的硬件部件時可以在現有節點上直接添加，且不影響已有組件的工作，從而不需要開發新的節點。在不同的應用環境下，選擇不同的組件自由配置系統，這樣就不必為每個應用都開發一套全新的硬件系統。多智能體結構使節點各部分模塊化，功能分散化和獨立化，通信數據標準化，同時擴展能力更強。節點的分布式體系結構如圖3所示。　　
　　整個系統由電源模塊、無線通信模塊、控制MCU和多個數據檢測及處理模塊組成。電源模塊給各部分提供足夠的能量。光線通信模塊也含有單獨的通信微處理器，可根據網絡的需要選擇合適的收發芯片，實現標準格式數據的收發和頻率選擇。比如Ember公司的EM250。數據檢測和處理模塊基本構成包括；傳感器、電子數據表TEDS、微處理器和存儲器。它可以連接單一的傳感器或多個傳感器，該模塊和傳感器的所有信息都將以電子數據表TEDS的形式存儲在非易失的存儲器中，將采集到的數據與這些信息結合，將數據打包成標準格式，使數據具有可識別特性。傳感微處理器使用I2C接口來與控制MCU進行通信，接收來自控制MCU的任務，或發送采集得到的數據，整個模塊可以在I2C接口上即插即用。選用MSP430F169單片機作為數據檢測及處理模塊的傳感微處理器。
　　
　　控制MCU負責和多個數據檢測及處理模塊進行通信，主要實現數據通信和尋址。也負責和無線通信模塊通信，包括將采集得到的數據通過無線通信模塊發送出去或接收其他節點發送過來的數據。控制MCU主要是控制和調度各模塊的工作，其I2C地址是預先設定并已知的。在設計中，可采用MSP430F5438單片機作為主控MCU。使用I2C接口來連接控制MCU和多個數據檢測及處理模塊，彼此之間的連線，只有電源線、地線、時鐘線和數據線4根線，可以實現觸發、尋址和數據傳輸。這樣的一個接口上可以掛接多個模塊，支持多主工作，而且它們都是即插即用的。每個檢測模塊可以測量幾種物理量，當實際需要實現多種功能時，可以掛接多個這樣的模塊來達到要求，實現節點的可擴展。
　　
　　3接口的數據格式
　　
　　每個數據檢測及處理模塊只有掛接在I2C接口下時，才能獲得電源。當檢測模塊插上去之后，首先檢測模塊將自己作為主機發送自己的I2C地址給控制MCU，這樣控制MCU將知道掛接在總線接口上的每個檢測模塊的地址，當它需要與某個檢測模塊通信時，可以通過該地址進行尋址。檢測模塊同樣可以對控制MCU發起中斷。I2C協議允許總線上接入多個器件，并支持多主工作，由于I2C總線具有總線仲裁機制，所以總線永遠只有一對主機和從機在進行通信，不會引起錯亂。而且I2C總線的應答機制也可以保證進行穩定的數據傳輸。每個檢測模塊的傳感微處理器的狀態圖如圖4所示。　　
　　數據傳輸遵循I2C協議，其數據格式采用面向對象消息的方法，使用基本類的ID和實例ID來組成對象檢測模塊ID，分析數據時可以明白數據針對的是哪個檢測模塊。而控制MCU的類ID和實例ID均設置為0。具體的數據對象消息格式如圖5所示。　　
　　字節0為除去自身外的整個對象消息的字節總數。一般該數值不超過255。當一個對象消息的長度超過255時，須將整個消息切耕成多個字節數小于255具有同樣格式的子幀，字節1為幀協議位，用來說明子幀的情況。字節2，3為類的ID號，可以定義多個不同屬性的基本類。字節4，5為具體對象即檢測模塊的ID號，可以在基本類上實現多種不同的對象，具有自身*的屬性和功能。字節6，7為功能命令，比如對某個通道進行采集。后面的字節為數據部分，比如采集得到的傳感器數據和單位等。當數據部分的長度不是16位的倍數時，將在zui后加一個字節去*，使其長度為16位的倍數，但該字節的內容是毫無意義的，也不計入消息的長度中，只是為了方便數據的傳送。具有對象消息格式的
　　
　　數據可以在任何接口之間進行發送，由于數據包具有對象的具體ID，所以接收方能夠知道數據包針對的對象。因此無論在控制MCU與傳感微處理器之間是使用I2C接口，還是使用SPI接口，以及在主控MCU與無線通信模塊的SPI接口之間，這樣的數據格式都將能夠很好的對數據進行處理。
　　
　　4結語
　　
　　無線傳感器網絡節點的分布式體系結構設計改變了節點的傳統結構，其軟硬件實現了數據檢測及處理模塊的即插即用，并且在一個I2C接口下面，可以掛接多個這樣的模塊，支持多主工作，使得整個節點的功能更加完善。節點各個模塊之間相互分工，彼此之間獨立工作，通過標準接口進行通信，數據格式標準化，達到多智能體結構，實際應用中可以根據需求來進行自由配置，靈活地針對不同應用實現新的硬件系統，實現節點硬件平臺的可擴展。