摘  要: 针对ZigBee无线传感器网络大都不考虑多信号采集实时传输应用的情况，提出一种针对多传感器信号无线实时传输的时分快传算法。该算法先对传感器信号进行统计分析以提取特征值，然后结合时分多址进行快传，完成多个传感器信号的实时传输功能;在ZigBee无线传感器网络中利用该算法可以实现多个传感器信号实时采集，并能在接收端恢复及监测信号。

　　关键词: ZigBee;无线传感器网络;信号采集;信号重现

　　在油田开发中，钻井是一项高投入、高风险的工程，为了能很好地掌握钻井的工作状态，需要几十个传感器在不同点上对油田钻井工作进行实时监测。目前主要利用有线方式进行传感器监测。然而，钻井队钻完一口油井后需要转入下一口井继续工作，这就需要拆卸、安装钻井装置以及监控仪器;另外监测中心与钻井塔台存在一定的距离，现场布线很不方便，系统有线传输的弊端暴露无遗。因此，无线传输替代有线传输成为迫切的需求。

　　基于ZigBee^[1-2]协议的低功率无线传感器网络是工业过程控制领域涌现的最具吸引力的技术之一。它除了具有功耗低、成本低、复杂度低、组网能力强等优点外，还因为采用码相位移位键控CPSK(Code Phase Shifting Keying)扩频技术，而具有一定抗干扰能力。目前它主要用于工业控制、消费电子、汽车自动化、物业自动化管理、医用设备监控和定位等对实时性要求不高，或虽然实时性要求较高，但只传少量信息的传感器系统^[3-5]。如果要对多个传感器信号全速采集并实时传输，需要改进现有的ZigBee传输方式。

　　本文提出一种时分快传算法。该算法首先对信号进行统计分析提取信号特征值，然后进行定时快传。针对区域网络，提出一种低复杂度系统同步方法，即先基于TDMA时分多址(Time Division Multiple Access)原理，将一个周期划分为n个时隙以便于定时传输多个传感器信号，然后利用信标完成区域内设备时钟同步;在此基础上各发送器按照次序在各自时隙将已经采集好一个周期的低速传感器信号进行高速传输，而接收端对接收信号采用定时复现技术从而实现多传感器信号重现，实现实时、准确监测目的;同时系统利用频分多址FDMA(Frequency Division Multiple Access)技术进一步扩展，实现对更多的传感器信号实时传输。

1 多传感器信号实时传输系统

    利用ZigBee网络实现传感器信号的无线实时传输一般采取三种处理方法。第一种是先对所有传感器信息全部处理，只传监控需要的信息。其优点是所传信息量较少，对网络传输实时性要求较低;其缺点是还需要其他处理器进行信息处理，这不但增加费用和功耗，而且体积增大，不利于在钻井平台布局。第二种方法是对所有传感器信号采样后实时传输。由于ZigBee属于低速传输类型，虽然最高速率可达250kb/s，但由于帧头等开销，其实际最高传输速率约110kb/s，而绞车传感器响应频率为1.5kHz。为较好地恢复该信号，采用10倍以上采样速率，如果用8位的A/D采样位数，则传输速率最低要求达到:

　　V_low=1.5×10×8=120kb/s

　　这一要求超出了ZigBee的传输能力。第三种方法对传感器信号加以分析，进行针对性传输。传感器信号分为脉冲传感器和模拟传感器，其中模拟传感器一般工作频率较低，工作频率为100Hz;脉冲传感器工作频率有的较高，但由于是脉冲数字信号，幅值一定，可以先统计脉冲信息，再定时快传统计信息，这将大大降低对传输速率的要求。

　　当有多个传感器信号需传输时，如果采用一对一的方式收发，则接收设备较多。这一方面增加了系统成本，另一方面增加了接收端数据集线器的连线数，不利于数据采集。根据上面分析，假设模拟传感器信号采样频率为10倍工作频率，采用8bit采样，则一路传递速率为:

　　V=100×10×8=8kb/s

　　因此只要规划好时隙，就可以用一个接收机接收多路信号，从而实现多路实时传输。对于工作频率较高的脉冲传感器，可以占用多个时隙进行传输，也可以采用先对脉冲信号进行统计，以速率较高的绞车传感器为例，它通过两路含90°相位差的脉冲信息来表示钻机的运行方向和距离等，而通过含ZigBee的单片机较易统计出它的脉冲信息量，因而传输数据大为减少，这里选择后一种方式。

　　通过以上方法可以大大减少接收机的数量。但是在传感器数量较多时，总的传输速率将超过信道容量，这时用一个接收机显然不可能实时接收。例如传20路模拟信号，需要8×20=160kb/s，同时还需要考虑同步开销，以及传输过程中可能受到的干扰等因素，因而无法做到多传感器实时传输。在这种情况下可以利用FDMA进行传输， ZigBee具有16个同带宽的信道，在不同信道传输的信号的相互干扰可以忽略。根据以上分析，本系统提出了如图1所示的多传感器信号无线实时传输的系统结构。

　　系统由多个子系统构成，子系统由一个接收机和若干个发送端组成，采用“星形”网络拓扑方式进行构建。其中接收端为主，发送端为从，同一个子系统的接收端与发送端在同一信道上，不同子系统的信道不同，通过FDMA以保证处理更多的传感器信号。在同一个子系统内，基于时分快传的算法进行通信，它先实现各子系统内同步，然后按次序利用不同的时间片快速传输低速率传感器信号。主控端通过数据集线器与各接收机相连，它利用定时处理方法恢复出原始的传感器信号，这样可以在主机端实时监测到不同传感器信息。下面将介绍用到的关键技术。

2 关键技术

2.1 传感器时分速传信号采集算法

　　钻井平台采用的模拟传感器信号工作频率一般不高于100Hz，如果采用通常的即采即传方案，它在A/D采样到一个样点就进行传输，接收端收到后就直接输出，保证了单个点对点实时传输，从而可保证低速传感器信号在接收端重现。但其缺点也显而易见，即对于较高速率的采样信号的无法实时传输，而且，如果有多个传感器需同时传输，就可能因相互冲突造成延迟。由于它是定时传输，对时延有一定要求，所以甚至有可能丢失数据，这也是目前ZigBee网络主要只用于网络非实时控制的原因。它只传输控制信号，数据量相对少得多，即使冲突，通过载波侦听，也可以保证短时间到达接收方。

　　针对以上问题，本文提出利用ZigBee快速传输实现实时传输传感器信号。以模拟传感器信号为例，一路信号只要保证最低传输速率8kb/s就可以实现信号实时采样和收端重现功能。由于ZigBee实际最高速率可以达到110kb/s，并且一帧最多可携带107B信息，如果短时先预存采样好的数据，再利用ZigBee高速传输，可以保证系统采集的数据快速到达接收端;在接收端设置与发送端采样数据一致的定时器，定时向外发送数据，就可以实时重现信号。对于速率较高的脉冲信号，由于脉冲的幅值一般不变，以绞车传感器为例，在测量到两路方波脉冲信号的相位差和个数，这样只要统计它们的信息，再定时传输，接收端既可统计，也可恢复出该路信号，解决了较高速传感器信号实时传输问题。

　　由于这里ZigBee传输速率远高于采样速率，可以利用分时快传算法实现一个ZigBee接收机接收多路ZigBee发送端传来的信息。它预先在子系统内按照主从方式构建网络拓扑，接收端为主，各发送端为从;子系统内在建立同步后，各传感器发射端预先编好次序，在规定的时间发送数据。为了保证可靠传输，设计时需要保证为各传感器的传输时间预留一定的保护时隙。

2.2 基于信标的同步方案算法

　　采用时分速传可以实现多路传感器信号的实时传输，前提是同步。如果系统没有同步，则可能造成同一频段上多个传感器信号相互之间出现严重的碰撞，从而丢失信息，因此子系统同步显得格外重要。目前用于无线传感器的时钟同步算法^[6-7]较多，有RBS同步算法、TPSN算法、DMTS算法和FTSP算法等，其中基于FTSP算法同步开销小、精度高、协议最简单。但它们主要针对大规模的传感器网络，实现相对复杂，这将消耗部分系统资源;针对星形网络，可以采用易于实现的时分-信标同步方法，如图2所示。其中接收机负责系统同步处理，各发送机积极应答同步信号。实现过程为:先将一个周期分成n个时隙，接收机占用第一个时隙用于发送信息，其余各发送机分配相应时隙，以便于发送采样数据;同步帧由信标和同步标志等信息构成，系统未同步上时，相应同步标志为未同步标志‘0’，接收机在第一时隙发出同步帧;各传感器信号发送机若接收到信标，启动定时器，按照事先规定好次序，考虑到信道延时、发送时间和接入时间，在相应的时隙回传应答信号。接收机对收到信息进行处理，在确认所有发射端全部同步后，在下一周期第一个时间片所发的同步帧中设置系统同步信标。如果有设备没有被同步，则继续同步过程，此时系统同步标志位为未同步标志，直到系统被全部同步为止。

2.3 FDMA扩容

　　以上技术解决了多个传感器信号实时传输的问题，但是由于监测点往往超过20个，如果在同一信道上传输，根据以上分析，总的传输速率将超过信道容量，这就导致无线传输信号相互碰撞，使数据传输延迟，甚至丢失数据。解决方法是使用FDMA技术。根据ZigBee协议，FDMA共有16个信道，虽然接收机和发送机需要工作在同一个信道，但是可以预先组合好各子系统。如图1所示，不同子系统采用不同信道，这样一方面降低同一信道上最大传输速率，另一方面可以增加传输容量。

3 系统实现方案

　　在实际设计中，选用TI公司的CC2430^[8]作为无线传输模块，该芯片工作频率为32MHz。它除了射频收发器外，还包括增强型8051MCU、A/D采样电路、DMA、看门狗等。由于外围器件少，大大简化了硬件设计。如图3所示，CC2430芯片完成虚框内A/D采样，数据缓存和定时速传功能，对于传感器信号，先经过光电耦合以防止强干扰信号，如果传感器信号是模拟的，将它与含A/D采样的P0_0管脚相连，A/D硬件电路自动高速采样，并将采样值存放到特定寄存器中，这时可利用定时器0定时读取。这里设读取频率为1kHz，8bit采样，利用乒乓方式传递，两个缓存数组各为100B，当存满一组数组后，设置该组满标志位，并清除下一数组的满标志位，同时将地址指针指向下一组数组起始位置;Timer2用于定时发送，当到达规定时间，Timer2中断触发DMA传输，发送端将满标志位数组数据发送出。对于较高速的数字脉冲信号，将信号接PIO口，通过边沿中断方式进行计数，当计时到一个周期时，将该数据发送出去，同时将计数器清零，以便重新计数。接收端收到数据后，通过高速串口卡上传给工控机，工控机接收到数据后利用定时处理机制，在显示终端显示结果，同时通过这些数据可以实时监测钻井系统工作状态。

    在设计中需要处理好各定时器的设置，以采样模拟传感器信号为例，通过以上分析知，定时器0的时间周期为1/1K=0.001s，则一个周期时间T=100/1K=0.1s，它也是定时器2的时间周期，在定时器中断后DMA传输期间应该保证定时器1写入的数组还处于另一个数组。这里就有一个时间差的计算设计问题，如果设计不好，就有可能出现同一个数组被A/D采样后数据输入的同时被DMA方式读取。这是因为DMA速度快造成发出的数据一部分是刚存的，一部分是以前的，从而造成数据混乱。可以采用图4所示的发送端定时器，收到同步帧信号后，先根据发送时间设置用于发送数据的Timer2定时器初值，设置允许中断标志位;然后设置延迟定时器T1，它决定了用于A/D采样的定时器0的开启时间，目的是保证利用Timer0定时器中断读取A/D采样的数据在向当前数组刚存放一小部分数据时，Timer2中断来时DMA读取的是另一个数组。由于DMA传输快，故它传完另一个数组的数据时，当前数组还没被Timer0中断读取A/D采样值的数据存满。

　　本文提出并完成一种用于多点传感器信号无线实时传输的系统设计。该系统采用时分快传的算法，在系统同步的基础上实现监测钻井的多个传感器信号实时传输，从而实现接收端实时监控的目的。由于采用ZigBee技术，系统成本较低，无协议专利费支出，同时功耗较低。该算法可适合于其他低速实时网络传输系统。

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