无线传感器网络节点的系统研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 无线传感器网络节点的系统研究 摘要：本文通过总结无线传感器 网络硬件节点的设计原则，提出了一种 无线传感器网络通用节点设备的基本构 架，设计实现了基于超低功耗处理器 Atmega128L 和射频芯片 CC2420 的无 线传感器网络节点设备，其组成的网络 系统性能稳定、通信效率高、功耗低， 可以广泛应用于控制、信号采集与传输 等领域。 中国论文网 /2/view-12868004.htm 关键词：无线传感器网络、节 点设计、通信网络技术 中图分类号：F626 文献标识码： A 文章编号 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 Abstract: this paper summarizes the wireless sensor network hardware node of the design principle, put forward a kind of wireless sensor network general node the basic framework of the equipment, design realized based on low power consumption processor Atmega128L and rf chip CC2420 of wireless sensor network node equipment, its network of system has stable performance, communication with high efficiency, low power consumption, and can be widely used in control, signal acquisition and transmission, and other fields. Keywords: wireless sensor network, node design, communication network technology 1 引言 随着通信技术、嵌入式计算技 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 术和传感器技术的飞速发展和日益成熟， 具有感知能力、计算能力和通信能力的 微型传感器开始在世界范围内出现。 本文就是面向具体的应用，以 实现无线传感器网络无所不能的感知能 力为目标，研究无线传感器节点的系统 结构、组成和实现技术。 通过总结无线传感器网络硬件 节点的设计原则，提出了一种无线传感 器网络通用节点设备的基本构架，设计 实现了基于超低功耗处理器 Atmega128L 和射频芯片 CC2420 的无 线传感器网络节点设备。该设备具有能 量自检测功能，并可以改变通用硬件接 口上的数据采集部分实现多种不同类型 的应用。采用模块化软件设计，引入有 限状态机进行系统模式调度，设计实现 了既能独立运行又支持嵌入式操作系统 的节点适应层软件。 2 无线传感器网络硬件结构及通 信 2.1 传感器网络硬件结构 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 无线传感器网络典型的体系结 构如图 1 所示。传感器节点分布于网络 的各个部分，用于收集数据，并且将数 据路由至信息收集节点（Sink） 。信息 收集节点与信息处理节点通过广域网络 （如 Internet 网络或卫星网络）进行通 信，从而对收集到的数据进行处理。 图 1 无线传感器网络通信体系 结构图 无线传感器网络节点一般由 4 个部分组成：传感器模块、处理模块、 无线收发模块和能量供应模块，如图 2 所示。其中，传感器模块负责信息采集 和数据转换；处理模块控制整个传感器 节点的操作，处理本身采集的数据和其 他节点发来的数据，运行高层网络协议； 无线收发模块负责与其他传感器节点进 行通信；能量供应模块为传感器节点提 供运行所需的能量，通常是微型蓄电池。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 图 2 传感器节点的体系结构 2.2 无线传感器网络通信 2.2.1 数据采集 最底层的传感数据采集应用由自 主的传感器节点提供的。每个传感器节 点收集关于它周围环境的即时数据。由 于传感器节点离观察点很近，故对传感 器的精度要求并不高，降低了成本。高 的空间分辨率可以通过布置密集的传感 器节点来达到。而传统的传感应用方法 是使用一些有着精密复杂的信号处理能 力的高质量传感器。无线传感器网络结 构则通过布置密集的传感器节点提供较 高的健壮性，单个节点阻塞和组件失效 不会造成太大的破坏。 2.2.2 传感数据到 Internet -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 我们可以将来自传感器节点的数 据传输到 Internet 上，这些数据可能是 原始的，或者被过滤过，或者被处理过。 建立到每个传感器节点的直接的广域网 的连接是不可行的，因为设备代价太昂 贵，它需要消耗传感器节点大量的能量， 设备安装也容易对环境带来一些很大的 干扰。因此在我们的传感器网络的系统 结构中，到广域网的连接功能由基站完 成，我们为基站设备提供足够的能量和 存储空间。基站可以使用无线局域网与 布置了传感器的小块领域通信（通过 silk 节点） 。为了向终端用户提供数据， 基站提供 WAN 连接，并且为传感器区 域集合提供了永久性数据存储。 3 节点系统设计 3.1 节点系统结构 节点硬件采取模块化结构设计 如图 3 所示，由运算及通信子板、传感 器子板、充电及状态显示子板构成。运 算及通信子板由微处理器、数据存储电 路、无线通信模块、电源管理模块等组 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 成，主要作用是储存、处理数据，完成 节点间的无线通信，并为系统提供能量。 传感器子板由若干传感器组成，负责监 测区域内信息的采集。充电及状态显示 子板由充电模块和 LCD 液晶显示模块 组成，用来显示节点电池充电情况节点 的工作状态以及电池的电量。 图 3 节点系统接口 （1）微处理器电路采用 Atmel 公司的 ATmega128L 微控制器9，它采 用低功耗 CMOS 工艺生产，基于 RISC 结构，具有片内 128KB 的程序存储器 (Flash)、4KB 的数据存储器(SRAM)和 4KB 的 EEPROM； （2）数据存储电路选用 512KB 串行 FLASH AT45DB041 存储数据。与 普通的数据存储器相比，该芯片具有功 耗低、体积小、串行接口、外部电路简 单等特点，适合传感器节点使用。 （3）无线通信模块采用无线射 频 CC242011-12模块。它是 Chipcon -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 公司在 2003 年底推出的一款兼容 2.4GHz IEEE802.15.4 标准的无线收发模 块，基于 Chipcon 公司的 SmartRF03 技 术，使用 CMOS 工艺生产，工作电压 低、能耗低、体积小，具有输出强度和 收发频率可编程等特点。 （4）电能是传感器网络非常宝 贵的资源，为了保证硬件电路的低功耗 设计，节点芯片的选择均使用低功耗、 低电压工作的芯片。系统采用普通电池 或者可充电的锂离子电池工作。电源管 理芯片采用 AD 公司的 ADP33383.3, SOT 一 223 封装。 （5）充电模块使用达拉斯公司 的 DS2770 和电池保护芯片 DS2720 设 计，具有充电控制、电源控制、电量计 数、电池保护等功能。处理器与 DS2770 用一线接口来传递信息，并需 外接一个约 4.7 的上拉电阻。 （6）节点外部接口包括 JTAGE 接口、ISP 编程接口、RS232 接 口、充电接口、传感器接口、SMA 天 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 线座接口等。节点使用 JTAGE、ISP 多 种方法下载程序；使用 RS232 接口直接 与 PC 机串口连接； 可根据不同需求经 传感器接口挂接不同的传感器模块；在 有充电条件的情况下， 可通过充电接 口迅速为节点补充能量。 3.2 节点设计要点 射频部分是本设计的重点与难 点，也是系统设计成功的关键。在模块 设计过程中遇到的主要问题及解决方法 有： CC2420 的载波频率是 2.4GHz， 每 5MHz 增加一个频道，而晶振的精确 度将影响载波的频率，从而影响通信的 建立和稳定性。CC2420 要求时钟源的 精度在 40ppm 以内。如果使用外部晶振 应尽量使用精度高、性能稳定的四脚贴 片晶振。 CC2420 射频电路工作在 2.400GHz2.4835GHz 高频率工作频段， 抗干扰设计直接关系到射频性能和整个 传感器节点的运转情况。在射频部分布 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 线时，合理的布局与布线及采用多层板 既是布线所必须的也是降低电磁干扰提 高抗干扰能力的有效手段。 对于无线通信网络来说，天线 起着举足轻重的作用，天线的选择和设 置会直接影响整个无线通信网络的运行 质量。本节点射频芯片 CC2420 可以使 用金属倒 F 型 PCB 引线天线和单极天 线两种设计方案。PCB 引线天线是印制 在电路板上的导线，通过它来感应空中 电波，接收信息。PCB 天线的形状、尺 寸应严格按照数据手册设计。 4 结论 本文阐述了传感器网络硬件节 点的设计原则，提出了一种无线传感器 网络通用节点设备的基本构架，设计实 现了基于超低功耗处理器 Atmega128L、射频芯片 CC2420 和温度 传感器 DS