引言

　　在汽車駕駛和車輛診斷方面一般都會用到射頻技術（RF）。按照國際標準的要求，所有車輛的技術應用必須經(jīng)過詳盡的測試，而這些測試都要基于合理的涉及感測數(shù)據(jù)采集的實證實驗。因此在汽車行業(yè)，無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展是伴隨著典型傳感器和射頻設備的發(fā)展而發(fā)展起來的。對于汽車測試環(huán)境，無線傳感器有三個方面的優(yōu)勢：第一是體積小，無線傳感器不需要電纜端口；第二是節(jié)約時間，無線傳感器節(jié)約了將所有傳感器連接到電源和數(shù)據(jù)線的時間，因此無線傳感器可以更快速地展開和輕松地移動，這樣一來既提高了感測數(shù)據(jù)的空間分辨率又改善了傳感器網(wǎng)絡的故障容差；第三是在駕駛測試期問，連同傳感器一起可以安全地塞進駕駛艙的數(shù)據(jù)線的數(shù)量得到了限制。

　　本文具體結構如下：第二部分，給出了無線傳感器的硬件設計方案；第三部分給出了無線傳感器網(wǎng)絡以及通信協(xié)議；第四部分主要討論了無線傳感器網(wǎng)絡的使用周期；最后總結了一下整體設計情況。

　　1 無線傳感器結構硬件設計

　　1.1 無線傳感器結構圖

　　無線傳感器體系結構含有電源單元、感應模塊、無線通信模塊、微控制器。硬件設計結構如圖1所示。

　　圖1 無線傳感器結構圖

　　1.2 電源單元

　　無線傳感器通常的工作電壓范圍為3.0 V～3.6 V。此次電源設計加入了TLFA274穩(wěn)壓器（如圖2所示），可轉換3 V～40 V的電壓，比如通常使用的小型電池或者是汽車電池，給使用者帶來了很大的方便。

　　圖2 電源模塊硬件電路設計

　　1.3 感應模塊

　　為了盡量減少電量的消耗，感應模塊（如圖3所示）在測量之前接通電源，之后立刻關閉（快速的開關切換對器件并沒有影響）。

　　圖3 感應模塊硬件電路設計

　　1.4 無線通信模塊

　　由于不同品牌汽車的差異性，造成了射頻技術（RF）運行環(huán)境的不確定性。無線通訊模塊必須滿足兩個基本的設計標準：第一，多頻段通信，選擇低功耗的射頻（RF）芯片，即433／868／915 MHz頻段收發(fā)器nRF905和2.4 GHz頻段nRF2401收發(fā)器；第二，兩種可供選擇的天線（如圖4所示），PCB（簡潔、低功耗，但難調節(jié)）和外部天線（與PCB相反）。不同射頻頻段和天線之間具有切換的功能，以保證通信暢通，特別是在引擎艙和駕駛艙之間有厚金屬板擋板的車輛中。

　　圖4 無線傳感器射頻天線示意圖

　　1.5 微控制器

　　對微控制器芯片選擇Atmel ATmega88，因為它具有低功耗，還有待機模式和主動模式的快速轉換功能，所以無線傳感器能夠在非常短的時間完成數(shù)據(jù)的測量和傳輸；它有一個內置的掉電檢測電路，可用來提醒用戶傳感器網(wǎng)絡電池是否需要更換；它還有一個內置的A／D轉換器，可以將傳感器的模擬信號轉換成具有10位數(shù)字值的數(shù)字信號（零代表0 V，210-1代表電源電壓和最大可能電壓）。

　　以上只是說明了單個無線傳感器的設計。然而，在實際的汽車測試環(huán)境中，還必須考慮有多少個傳感器在同時工作，有多大量的數(shù)據(jù)需要傳輸。

　　2 無線傳感器網(wǎng)絡

　　無線傳感器的數(shù)據(jù)通信將用到時分多址通信協(xié)議。使用時分多址（TDMA）意味著只有有用的數(shù)據(jù)才能在通信模式（較高功率）下傳輸和接受，因此無線傳感器其他任何時候都處于即時通信模式。我們假設一個無線傳感器（主）作為恒定的數(shù)據(jù)接收器（星形拓撲網(wǎng)絡），且無線傳感器是有汽車電池供電（所以無需考慮主無線傳感器的電源問題），除了發(fā)揮中央處理器的作用外，當所有子無線傳感器開始傳輸數(shù)據(jù)的時候，主無線傳感器會同步返給子無線傳感器一個專門的請求信息。

　　兩個收發(fā)器240位射頻數(shù)據(jù)包，采用十五個16位的數(shù)據(jù)包（3位配給具有5通道的A／D轉換器，10位配給感測數(shù)據(jù)，3位剩余）。10 ms的窗口時間足夠接收器處理單個數(shù)據(jù)包，最小的TDMA也要5ms的間隔。

　　下面計算一下此網(wǎng)絡可負載無線傳感器的最大數(shù)量，即一個TDMA網(wǎng)絡可以支持的數(shù)值。

　　定義：NP=數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)位號=240；MB=測量尺寸（位數(shù)）=16；SIl=采樣時間間隔（用戶自定義單位：秒）；SN=傳感器數(shù)量（用戶自定義 單位：秒）；TT=使用TDMA協(xié)議時，每個收發(fā)器所需最小時間=5ms；MT=MCU處理每個數(shù)據(jù)包所需要的最小時間=10ms。

　　基于以上定義，以下數(shù)據(jù)可以計算的變量為：

　　TA=平均傳輸時間間隔；TM=每個主傳感器在TDMA協(xié)議下傳輸和處理的平均窗口時間（單位：毫秒）；

　　傳感器按采樣時間間隔率每采樣15次將發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，平均傳輸時間間隔是這樣的：TA=SP*SI。

　　如果每一個TA傳感器傳送一個數(shù)據(jù)包，那么每一個傳感器可以獲得一個時分多路復用的時間窗。為了精確計算時間槽的大小，間隔時間必須除以網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)。1 000轉換為毫秒如下：

　　無線傳感網(wǎng)絡能夠支持的最大無線傳感器的數(shù)量取決于所抽樣的時間間隔（SI）。一旦合適的時間間隔被選定（基于輸入的改變速率），使用公式（1）確定節(jié)點的數(shù)目和TDMA時隙數(shù)。

　　利用溫度傳感器作為感應器，如果需要一個1 s的采樣間隔，那么主節(jié)點可以處理的最大節(jié)點數(shù)為1 400（10.714 ms的TM）主節(jié)點已經(jīng)達到10ms，如圖5（b）所示。

　　（a）

　　（b）

　　圖5 溫度傳感器兩種采樣間隔與信源數(shù)目對比

　　在本節(jié)中研究了無線感應器的傳輸協(xié)議，并表明該設計可以達到相對較高的空間分辨率（大于1 000個節(jié)點規(guī)模的汽車）。但是，如果傳感器耗電量過快，就需要定期更換上千個電池，這樣一來，實際上是限制了空間分辨率。因此，這就需要考慮無線傳感器網(wǎng)絡的生命周期。

　　3 傳感器網(wǎng)絡的生命周期

　　無線傳感器的三個主要消耗電能的模塊是：感應模塊、無線通信模塊和微控制器模塊，如表1所示。這三個模塊主要有兩個操作模式：關機模式和工作模式。在這兩種模式下分析了每種模塊的功耗，以及總的消耗量。

　　此外，使用一個標準為500 mAh電池，這是由供應所需要的電流不能降低，要扣除20％的理論量。因此，要計算出平均壽命（小時），計算公式為：

　　BS=電池供電一小時=500 mAh；AO=工作模式下傳感器電流量=453.581μA；

　　AOF=關機模式下傳感器電流量=17.479μA；TO=傳感器處于工作模式的時間率（％）。

　　4 結束語

　　本文詳細介紹了單個無線傳感器的硬件設計方案和無線傳感網(wǎng)絡傳輸協(xié)議，可方便快捷收集大量汽車測試環(huán)境中的真實數(shù)據(jù)。此設計比較靈活，能夠使用多種帶寬、天線、電源、傳感器類型。采用無線傳輸方式對車輛各部狀況進行測試，大大改善了測試設備對真實環(huán)境的影響，使測試數(shù)據(jù)更加真實。但是在實際的測試環(huán)境中，往往采用無線星型網(wǎng)絡拓撲結構，有多個射頻發(fā)射裝置，有可能造成互調失真。無線信號在車輛周圍有可能多次傳播（反射、衍射等），導致噪聲的發(fā)生。這些問題都將有待進一步實驗和調試。由于外部振蕩器的功率消耗比較大，所以將在內部使用一個相對精確的內部振蕩器；由于較高的時鐘誤差率，必須定期進行重新同步，以達到預期的通信性能。