课程设计实验报告-无线温湿度传感器网络节点和网关研究与硬件设计.doc

无线温湿度传感器网络节点和网关研究与硬件设计课程设计实验报告 2011年6月26号无线温湿度传感器网络节点和网关研究与硬件设计引言随着传感器技术、嵌入式技术以及通信和半导体技术的飞速发展，传感器信息获取技术从单一化到集成化、微型化，进而智能化、网络化，形成智能传感器网络。并且随着无线网络的发展，融合了传感器技术、信息处理技术和网络通信技术的无线传感器网络技术也应运而生。目前新兴的现场参数无线检测装置大都是基于该技术设计的。无线传感器网络(wireless sensor networks，wsn)是由一组微型传感器节点以自组织方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网路覆盖地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者. 无线传感器网络广泛应用于军事、环境、楼宇控制、保健、交通等领域。随着无线传感器网络技术在各领域越来越广泛的应用，在尽量节省系统能量消耗、尽量节省信息处理及简易信号收发等方面，对无线通信技术也提出了更高、更新的要求。zigbee(紫蜂)技术就是在这种背景下产生的。zigbee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、高可靠性、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程监控等领域，可以嵌入到各种设备中。自从2004年12月，zigbee规范正式公布之后，短短几年时间，zigbee技术就以其低成本、低功耗、网络容量大、传输时延短和可靠性高等特点，在工业检测、智能家居、楼字自动化、环境监测等领域得到广泛应用。由传感器和zigbee装置构成的zigbee无线传感器监控网络，可自动采集、分析和处理各个节点的数据，同时，zigbee技术的网络扩展能力很强，理论上，一个zigbee网络可容纳65536个节点，适合于各种需要数据自动采集并要求网络传输的领域，具有极其广阔的应用领域和很高的研究价值。考虑到zigbee技术的这些特点，本文在构建无线温湿度传感器网络时，采用zigbee作为组建网络的无线通信协议。到目前为止无线传感器网络的发展己经经历了三个阶段：(1) 点对点。只是简单取代了有线网络，各个设备之间只是直接联系，只有有限通信能力。(2) 点对多点。传感器网络中有一个路由和控制的中央节点，所有数据流动必须通过基站。(3) 多跳网状结构。完全的rf冗余，具有多数据通道，自我建构，自我调整，智能分布式。本文以无线温湿度传感器网络结点和网关结点的研究与设计为主线,从而介绍无线传感器网络、zigbee无线通信技术的基本概念。由于时间有限，重点以无线温湿度传感器网络的两个结点的硬件原理设计为主，进而对无线传感器网络的建立与保持、设备入网流程、zigbee组网技术做一些理论上的介绍。无线传感器网张的结构与特点，硬件选择与设计，组网协议与gprs通信介绍是本文的一个总体框架。关键字：无线传感器网络 、传感器结点、网关结点、sht11温湿度传感器、cc2430无线射频单片机 、arm嵌入式技术、gprs无线模块。第一章 无线传感器网络11 无线传感器网络结构无线传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、网关节点(sink node)和任务管理节点。大量传感器节点通过飞行器撒播、人工埋置或火箭弹射等方式随机部署在监测区域内部或附近，通过自组织方式构成网络。无线传感器网络结构如下图11所示。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过intemet、卫星或gsm等通信方式到达任务管理节点。用户通过任务管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其它节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其它节点协作完成一些特定任务。目前传感器节点的软硬件技术是传感器网络研究的重点。无线传感器网络中的传感器节点主要由传感器模块、处理器模块、无线收发模块和能量供应模块组成（如图12）。数据采集单元负责信息的采集和数据转换；数据处理单元控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线传输单元负责与其他传感器节点进行无线通信；电源供给单元为传感器节点提供运行所需要的能量，通常采用小型便携式电池供电。依据应用需求，它可能还有定位模块，能源补给模块或者移动模块。相应的软件则为节点提供必要的应用支持，如嵌入式操作系统、网络协议栈等。传感器模块处理器模块无线收发模块能量供应模块图 12 传感器节点结构框图网关节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网张与intemet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。路由节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。无线传感器网络中的网关节点主要由中央处理模块，存储器模块，射频收发模块，gprs无线通信模块，电源模块五个部分组成。典型组成图如图13所示。射频收发模块将传感器结点上传上的采集数据传送给中央处理器，中央处理器将数据进行存储处理后传送给gprs通信模块，gprs通信模块把数据通过gsm与internet网传送给远端接收用户，电源模块为gprs无线模块，中央处理器，射频模块，存储器供电，让它们正常工作。中 央 处 理 器存储器模块电源模块gprs无线通信模块射频收发模块图13 网关节点结构框图1.2 无线传感器网络协议栈传感器网络协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与intemet协议栈的五层协议相对应。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。传感器网络协议栈如图12所示。图14 无线传感器网络协议栈各层协议和平台的功能如下：物理层：提供简单而健壮的信号调制和无线收发技术。数据链路层：负责数据成帧、帧监测、媒体访问和差错控制。网络层：主要负责路由生成与路由选择。传输层：负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分。应用层：包括一系列基于监测任务的应用层软件。能量管理平台：管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量。移动管理平台：监测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由。任务管理平台：在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。1.3 无线传感器网络的关键技术无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，涉及许多方面技术，主要有以下方面：(1)网络拓扑控制对于无线自组织传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义。通过拓扑控制自动生成良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和mac协议的效率，可为数据融合、时间同步等多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。拓扑控制可以分为节点功率控制和层次型拓扑结构形成两个方面。功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，减少节点的发送功率，均衡节点单跳可达的邻居数目。功率控制方面目前已经提出了compow，lintlilt，cbtc，lmst，rng，drng和dlss等算法。层次型的拓扑控制利用分簇机制，让一些节点作为簇头节点，由簇头节点形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量。层次型拓扑控制目前提出了topdisc，gaf，leach和heed等算法。除了传统的功率控制和层次型拓扑控制，研究人员还提出了启发式的节点唤醒和休眠机制。该机制能够使节点在没有事件发生时设置通信模块为睡眠状态，而在有事件发生时及时自动醒来并唤醒邻居节点，形成数据转发的拓扑结构。这种机制重点在于解决节点在睡眠状态和活动状态之间的转换问题，不能独立作为一种拓扑结构控制机制，因此需要与其他拓扑控制算法结合使用。(2)网络协议传统因特网的实现是通过ip协议，也包括移动ip。但是在无线传感器网络中，不需要使用此种协议。在无线传感器网络中，常常要用到成千上万个传感器节点，其路由一般是基于固定的地理位置信息，而它的路径建立方式则是基于需求的，即根据某项数据或者某项任务来进行的。所以需要根据拓扑维持路由表的ip对于无线传感器网络来说是不可行的。同时，传感器网络节点的硬件资源有限且拓扑结构实时动态变化，要维持路由表需要耗费大量的时间、金钱和能源，所以无线传感器网络需要有一套不能太复杂但又高效，并适合自己的控制和路由协议。通过安置大量的传感器节点，提供足够多的路径算法总能找到合适路径，来满足网络的生存和对环境的适应。系统还要考虑的一个很重要的问题就是一些重要的网络参数如何设定的问题，如网络大小，节点密度，以及能耗、可靠性和反应时间的折中问题。 (3) 时间同步时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制。jeremy elson和kayromer在2002年8月的hotnetsi国际会议上首次提出并阐述了无线传感器网络中的时间同步机制的研究课题，在传感器网络研究领域引起了关注。目前已提出了多个时间同步机制，其中rbs、tinyminisync和tpsn被认为是三个基本的同步机制。(4)定位技术位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置信息的检测消息通常毫无意义。确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一。目前的定位技术有基于距离的定位，如基于toa的定位、基于aoa的定位、基于rssi的定位等；和与距离无关的定位算法，如质心算法、dvhop算法、apit算法等(5)数据融合传感器网络存在能量约束。减少传输的数据量能够有效地节省能量，因此在从各个传感器节点收集数据的过程中，可利用节点的本地计算和存储能力处理数据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的。由于传感器节点的易失效性，传感器网络也需要数据融合技术对多份数据进行综合，提高信息的准确度。但融合技术会牺牲其他方面的性能，如延迟和鲁棒性的代价。数据融合技术可以与传感器网络的多个协议层次进行结合。在应用层设计中，可以利用分布式数据库技术，对采集到的数据进行逐步筛选，达到融合的效果；在网络层中，很多路由协议均结合了数据融合机制，以期减少数据传输量；此外，还有研究者提出了独立于其他协议层的数据融合协议层，通过减少mac层的发送冲突和头部开销达到节省能量的目的，同时又不损失时间性能和信息的完整性。数据融合技术己经在目标跟踪、目标自动识别等领域得到了广泛的应用。在传感器网络的设计中，只有面向应用需求，设计针对性强的数据融合方法，才能最大限度的获益。(6)嵌入式操作系统传感器节点是一个微型的嵌入式系统，携带非常有限的硬件资源，需要操作系统能够节能高效地使用其有限的内存、处理器和通信模块，且能够对各种特定应用提供最大的支持。在面向无线传感器网络的操作系统的支持下，多个应用可以并发地使用系统的。有限资源。美国加州大学伯克利分校研发了tinyos操作系统，在科研机构的研究中得到了比较广泛的使用，但目前仍然存在不足之处。(7)节能设计在多数情况下，传感器网络中的节点都是由电池供电，电池容量毕竟有限，并且对于有成千上万节点的无线传感器网路来说，更换电池是非常困难的，甚至是不可能的，但是却要求无线传感器网络生存时间长达一年甚至数年。如果网络中的节点因为能量耗尽而不能工作，会带来网络拓扑结构的改变以及路由的重新建立等问题，甚至可能使网络出现不连通的部分，造成通信中断。因此，如何在不影响功能的前提下，尽可能地节约无线传感器网络的电池能量成为无线传感器网络软硬件设计的核心问题。首先在功能上，由于无线传感器网络大都是为某一专用目的而设计的，去掉不必要的功能，可以节省能量，延长节点生存时间。因此，无线传感器网络设计应考虑两点原n-延长网络工作时间、减少不必要的功能，突出专用性。其次，可以设计专门提高传感器网络能量效率的协议以及采用专门的技术，这些协议和技术涉及到网络的各个层次，如物理层可以采用超宽带无线通信技术，mac层可以采用适合节点在休眠和工作状态间切换的接入协议，网络层可以以能量作为路由度量等。此外，还可以采用跨层设计的方式，提高网络的能量效率。1.4 无线传感器网络特点与应用（1）高度自适应的自治能力。无线网络中的节点都兼备数据采集和无线路由功能，不存在一个网络中心控制点，用户节点之间的地位是平等的。出于应用环境等的限制，无线传感器网络必须是自我配置的，网络路由协议必须能感应各种原因而导致无线传感器网络本身的拓扑结构所发生的变化，具有很强的自适应性和健壮性。（2）多跳路由。由于射频器件的信号传播范围有限，一般在几百米范围内，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范圈之外的节点进行通信，则网络中每个节点都需具备路由器的功能，这样每个节点既可以是信息的发起者，也是信息的转发者。（3）能量受限的节点。移动节点依靠电池提供工作所需的能量，尽可能的降低系统功耗将是影响网络协议栈设计的一个关键因素。（4）自组织。传感器网络的布设和展丌无需依赖于任何预设的网络设备，节点通过分层协议和分稚式算法协调各自的行为，节点丌机后就可以快速、自动的形成独立的网络。（5）节点能量众多，分布密集。为了对一个区域执行监测任务，往往有成千上万的传感器投到该区域，传感器节点分布非常密集，节点之间需高度连接来保证系统的容错性和抗毁性。随着传感器技术的深入研究和不断发展，传感器节点的成本越来越低，功能越来越强大，使其在军事应用、环境监测、医疗护理、智能家居、交通控制等多个领域都就广泛的应用。第二章 传感器结点与网关结点硬件设计一， 无线传感器结点硬件设计1，方案选择由于本课题所设计的检测网络是基于zigbee技术的，因此选择合适的zigbee硬件解决方案对zigbee组网是至关重要的。在过去几年中，世界各大无线通信芯片制造商和设备供应商陆续推出一些zigbee解决方案。在众多的解决方案中，被业界公认比较成熟的方案有两种：一种是单片机加上zigbee射频芯片的组合解决方案，另一种就是soc(system on chip，片上系统)单芯片解决方案。(1)单片机+zigbee射频芯片14ij解决方案：这种方案是zigbee推出初期，各大公司提供的解决方案。以8位单片机为主，搭配ieee802154zigbee射频芯片，组成集传输、通信、感测多功能于一体的嵌入式通信网络模块，我们可以称之为zigbee模块。这种芯片组的搭配，能够灵活地满足各种客户需求的架构。在这种组合方案中，单片机的作用是掌控协议栈、实施基本控制和监测、并作为整个模块电源和应用控制中枢，而射频芯片则主要提供符合ieee802154标准的无线通信接入。一般地，单片机和射频芯片通过spi接口进行通信。如图2.1所示：图 2.1 (2)soc单芯片方案：众所周知，采用soc(system on chip，片上系统)可以节省整个系统的成本，提高系统的性能。zigbee soc解决方案就是将rf射频收发器与mcu集成在一块芯片上，这使其开发难度远远小于使用两颗独立芯片的解决方案。目前zigbee soc解决方案有：ti(chipcon)的cc2430。cc2430是业界首款真正高效的soc cmos解决方案，也是世界上第一个真正意义上的soc zigbee一站式产品。它结合了业界领先的包括射频24ghz收发器和符合ieee8021 54协议的cc2420射频芯片以及一颗工业级加强版的8051微处理器。ti(chipcon)为其提供了完整的开发和调试环境，方便用户研发符合自己需要的zigbee无线产品。ember的soc解决方案em250。em250集成了可编程的微处理器、rf射频收发器、网络协议堆栈以及存储器，利用它建造具有zigbee功能的产品，可以极大的降低组件尺寸、成本和功耗。ember公司提供的insight em250开发套件，包括硬件、网络开发、调试软件以及用于嵌入式系统应用的编译器和一个现场可升级的zigbee协议栈ember znet 21，上述所有的工具都是为单一集成开发环境模式提供的。现场参数无线检测网络对硬件平台的要求十分苛刻。其所有节点都会同时运行多个任务。要求mcu处理速度足够快，才能能及时地响应各个任务，避免造成网络阻塞。同时无线检测网络协议栈和应用程序都要存储在程序存储器中，所以节点的mcu程序存储器要求有较大存储空间。另外，协调节点还应具备较大空间的数据存储器，以保存网络的各种信息。本装置采用电池供电方式，决定了mcu的工作电压必须较低，而且正常工作时应满足低功耗的要求。节点的mcu最好还具备ad转换能力，以减少外围器件的使用，从而有利于减小节点体积，降低节点功耗。通过对以上不同公司的多种方案进行比较，结合现场参数无线检测装置对硬件平台的要求，本着减少硬件设计复杂度以及提高射频通信系统稳定性的原则，本课题选用ti(chipcon)公司的cc2430 soc芯片作为zigbee无线检测装置的硬件解决方案。2，cc2430介绍cc2430芯片是chipcon公司生产的符合zigbee技术的2.4ghz射频系统单芯片。适用于各种zigbee或类似zigbee的无线网络节点，包括调谐器、路由器和终端设备。cc2430芯片延用了以住cc2430芯片的架构，在单个芯片上整合了zigbee射频（rf）前端、内存和微控制器。它使用1个8位mcu（8051），具有128kb可编程闪存和8kb的ram，还包含模拟数字转换器（adc）、几个定时器、aes128协同处理器、看门狗定时器、32khz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程i/o引脚。2.1 主要特点cc2430芯片采用0.18um cmos工艺生产，工作时的电流损耗为27ma;在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27ma或25ma，cc2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那引动要求电池寿命非常长的应用。（1） 高性能和低功耗的8051微控制器核。（2） 集成符合ieee802.15.4标准的2.4ghz的rf无线电收发机.（3） 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。（4） 在休眠模式时仅0.9ua的流耗，外部的中断或rtc能唤醒系统;在待机模式时少于0.6ua的流耗，外瓤子的中断能唤醒系统。（5） 硬件支持csma/ca功能。（6） 较宽的电压范围（2.03.6v）。（7） 数字化的rssi/lqi支持和强大的dma功能。（8） 具有电池监测和温度感测功能。（9） 集成了14们模数转换的adc。（10） 集成aes安全协处理器。（11） 带有个强大的支持几组协议的usart，以及个符合ieee 802.15.4规范的mac计时器，个常规的位计时器和个们计时器。（12） 强大和灵活的开发工具。2.2 引脚介绍cc2430芯片采用mm*mmqlp封装，共有48引脚。全部引脚可分为i/ 端口线引脚、电源线引脚和控制引脚三类。i/端口线引脚功能cc2430有个可编程的i/o口引脚，p0、p1口是完全的位口，p2口只有个可使用的位。通过软件设定一组寄存器的位和字节，可使这些引脚作为通常的/o口作为连接、计时器或usart部件的外围设备i/o口使用。可设置为通常的i/o口，也可设置为外围i/o使用，在输入时有上拉和下拉能力。都具有响应外部的中断能力 ，同是外部的中断事件也能被用来唤醒休眠模式。2.3 收发器性能基于ieee802154的cc2430无线收发模块的核心部分是cc2420射频收发器。cc2430的无线接收器是一个低中频的接收器。接收到的射频信号经过低噪声放大器(lna)和io(同向信号和正交相位信号)下变频转换为中频(if)信号，中频信号为2mhz。此混合io信号经过滤波、放大、ad转换、自动增益控制、数字解调和解扩，最终恢复出传输的正确数据。cc2430的无线发送器是基于直接上变频的。要发送的数据先被送入128字节的发送缓存器(txfifo)中，帧引导序列和帧开始定界符由硬件自动产生。所要发送数据流的每4位使用ieee802154序列扩展技术扩展为32码片的扩频序列，输出到da变换器。然后，经过低通滤波和上变频的混频后的射频信号被调制到24ghz，经功率放大(pa)后送到天线发射出去。cc2430采用了内部发送接收(讯)开关电路，天线的接口及匹配比较容易。rf为差动连接。单极天线可以使用不平衡变压器。通过外接直流通路，连接引脚txrx switch到引脚rf p和引脚rf n，实现功率放大器和低噪声放大器的偏置。3，sht11介绍shtll单芯片传感器是瑞士sensirion公司生产的具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器，可用来测量相对湿度、温度和露点等参数，具有数字式输出、免调试、免标定、兔外围电路及全互换的特点。shtl 1采用sensirion公司专利的cmosens过程微加工技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的ad转换器以及串行接口电路在同芯片上实现无缝连接，体积仅与大火柴头相近，因此，该传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、极高的性价比等优点。shtl l传感器默认的测量温度和相对湿度的分辨率分别为14位、12位，通过状态寄存器可降至12位、8位。湿度测量范围是o100rh，对于12位的分辨率为003rh，精度为45ri-i。测温范围为-40-一+1238。c对于14位的分辨率为00l。精度为05。每个传感器芯片都在极为精确的湿度室中进行了标定，校准系数以程序形式储存在otp内存中，在测量过程中可对相对湿度自动校准，这使shtll具有100的互换性。其测量原理：首先利用2只传感器分别产生相对湿度、温度的信号；然后经过放大，分别送至ad转换器进行模数转换、校准和纠错；再通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至微控器；最后利用微控器完成非线性补偿和温度补偿。shtll与cc2430的接口十分简单，属于12c总线接口，只需占用两个普通数字io口。其中，sck为shtll的串行时钟输入线，cc2430通过sck向shtl l提供时钟脉冲，用于两者之间的通信同步。4，无线传感器结点硬件总体方案设计根据无线检测网络的功能，将便件设计分为两大部分：cc2430基本工作电路与天线电路和节点外围电路。cc2430基本工作电路与天线电路是实现单片机和天线正常工任的保证，包括cc2430的时钟电路，去耦电路、偏置电阻电路和天线电路。面节点外围电路用于实现网络的功能，下载程序，数据采集电路，按键电路和电源电路等组成。节点硬件整体设计图如图2.2所示。reset电路调试/下载电路两节电池供电或usb口供电数据采集电路sht11网络状态指示电路图2.2 无线传感器结点硬件总体方案设计4.1 cc2430基本工作电路与天线电路实现基于ieee802154的cc2430无线芯片是集运算控制单元和射频单元于一身的soc无线解决方案。射频单元的核心部分是cc2420射频收发器。正是由于cc2430的高度集成性，所以只需要很少的外围器件就能搭建好一个应用系统。cc2430的供电电压范围很宽，从2o到36v均可以使用。它内部使用18v的工作电压，外部数字io口使用的是33v电压。其片内还集成了一个自流稳压器，能够把33v的电压转换为18v的电压。这样外围电路就不用再专门设计一个电压转换电路。下图是参照ti公司提供的参考电路设计的原理图。（1） 时钟设计 cc2430工作需要两个时cc2430工作需要两个时钟晶振，第一个为32mhz，为无线收发提供时钟；第二个为32768khz，为睡眠模式提供时钟。c19和c20为32mhz晶振的负载电容，电容值取决于负载电容的大小，cl=i(1c19+1c20)+cf，其中cl典型值为16pf，cf为25pf，为保证晶体振荡器产生的频率准确而稳定。所以c19和c20的典型值为33pf。(2) 偏置电阻配置r4为电流基准发生器的精密电阻。其值为43k欧姆（3）电压协调器片上电压协调器为片上提供1.8v电压，r选择22o欧姆使其更稳定。（4）电源的去藕和滤波为得到更好的电源性能，选择了合适的去藕电容0.1uf.（5） 天线设计cc2430可以使用不同类型的天线，近程通信中最常使用的天线是单极天线、螺旋天线和环形天线。单极非平衡天线是长度对应电磁波长14的谐振天线。这种天线的设计简单，功耗低，是一种使用范围最佳的14波长单极非平衡天线。本设计参考是ti公司公布的24ghz弯曲型单极非平衡天线的样板设计。天线谐振率为245ghz，天线面积为152mm57mm，工作带宽为100mhz，在该工作频段内其驻波比小于2或者说馈电点反射损耗小于10db，天线的辐射效率超过90。本论文中pcb微带天线实测中心频率为2447ghz，实际带宽约为96mhz，该pcb天线完全能够满足cc2430工作频段的要求(cc2430工作频带为2400ghz-2480ghz)。cc2430的射频信号采用差分方式，最佳差分负载阻抗是115+j180f2。巴伦电路需要根据这一数值调整。巴伦电路即天线阻抗匹配电路，其原理图如图34所示。采用非平衡天线，如果加上一个非平衡变压器可使天线的性能更好，电路中的非平衡变压器是采用非平衡天线,如果加上一个非平衡变压器可使天线的性能更好,电路中的非平衡变压器是由l4、l5、l6、c17及双1/2传输线组成，其中，l5和l6匹配rf输入、输出阻抗匹配（50）.l4和l5同时提供功率放大器和低噪声放大器的直流偏置.c17为5.6pf。l5为2.2nh,l4为5.6nh,l6为1.8nh. 。以上器件的选择都是严格参照cc2430datasheet中的器件参数进行设置的。为了达到最佳的射频收发性能，传输线的接入点、长度及宽度也需严格遵照ti提供的这一资料中的参数。图2.4 传感器节点电路原理图4.2 cc2430节点外围电路设计与实现（1）电源供电电路如图2.4中的power部分，本系统采用两种供电模式，电池供电和usb口供电。并由led显示供电状态。（2）数据采集电路如图2.4中，sht11的data是串行数据线，接到p1.0的引脚。sck为sht11的串行时钟输入线，接到p1.1引脚。（3）节点程序下载调试电路建立cc2430无线单片机程序存储器采用先进的内置闪存技术。在对单片机下载程序时，这项技术使用户不再需要使用烧写器就可以把程序下载到单片机内，因为它支持程序在线下载和在线调试。这种方式极大的降低了程序工程师的工作难度，使调试程序变的更加方便快捷。图2.4中右上角为cc2430程序在线调试下载电路图，只要按图上的标号将9条线接到cc2430相应的口线上就可以了。此下载调试模块和上一节提到的usb通信模块配合使用就可以实现cc2430程序在线调试和在线下载。（4）复位电路和网络术指示灯在图2.4 中都可以找到。到此以cc2430为核心，sht11为温度检测的无线传感器结点电路原理图已经介绍完毕。二，无线传感器网络网关设计作为感知区域内传感器节点与外部网络或终端用户的桥梁，网关节点要处理大量的数据，必须具备高速度、大存储量和较远的传输距离，即低成本、高效能。同时因部署在环境恶劣地域，频繁更换能源很不现实，充足的能量供应必须优先考虑，低功耗设计也成为整个设计的关键环节之一。网关节点在完成不同网络间协议转换的同时，还要对传感器网络进行管理和设置，需具备以下功能：扫描并选定物理信道，要配无线传感器网络内部网络地址，初始化网络设置：记录wsn网张所采用的mac算法和路由协议，协助节点完成与邻居节点连接的建立和路由的形成;发送监控中心控制指令，为用户实现特定的操作功能;接收采集节点的请求和数据，具有数据融合，仲裁请求和路由选择功能。1，网关结点的总体设计。依照设计原则，在很好地实现上述网关节点功能的同时，为克服因传统网关采用有线方式。（如串口电缆rs232）与终端用户相连面导致的移动范围受限、远程监控困难、不能准确提供基准定位信息等一系列缺点，参考当今前沿的短距离无线通信技术、嵌入式技术，给出集中央处理单元、存储单元、射频收发模块、gprs无线通信模块、电源模块五位于一休的硬件设计方案。其总体结构框图及相互接口如图2.5所示。arm7微处理器lpc2294/lpc2292射频收发模块cc2430gprs无线通信模块sim300c5v直流插座供电或usb口供电512k的16位的flash存储器am29lv040b512k的16位的ram存储器hy62v8400allt2arm7微处理器lpc2294/lpc2292射频收发模块cc2430gprs无线通信模块sim300c5v直流插座供电或usb口供电512k的16位的flash存储器am29lv040b512k的16位的ram存储器hy62v8400allt2图2.5 网关结点总体结构框图2，中央处理单元lpc2294网关的中内处理单元主要用来收集和处理从采集传感器点送来的数据，合理分配不同节点的数据存储，并且完成终端用户对传感器网络节点的控制命令（包括休眠时间、采集间隔、传感器开关）;同时支持休眠、任务唤醒模式，满足整个系统低功耗要求。为了实现上述功能，采用philips公司的lpc2200系列32位arm处理器lpc2294.lpc220系列为16/32们的lqfp144脚，基于arm7tdmis内核的徽控制器，16k字节静态ram，256k字节片内flash 程序存储器（在工作温度范围内，到少可擦除和写10000次），128们宽度接口及加速器可以实现高达60mhz的操作频率。可配置的外部存储器接口，最多支持4个bank，每个bank最大可支持到16mb，可支持8/16/32位字宽。片内boot装载程序实现isp和iap。flash编程时间：1ns可编程512字节，扇区擦除或整片擦除只需400ms.embeddedice-rt 接口使能断点和观察点。当前台任务使用片内realmonito软件调试时，中断服务程序可继续执行。两个32位定时器（带4路捕获和4路比较通道）、pwm单元、实时时钟看门狗。多个串行接口，包括两个16c550工业标准uart、高速iic接口（400khz） 和2个spi接口。lpc2294有两个低功耗模式：空闲和掉电，另外可通过个别使能/禁止外部功能来优化功耗。cpu操作电压范围：1.651.95v,i/o操作电压范围： 3.03.6v。lpc通信接口非常丰富足够满足与gprs之间的rs232通信，与cc2430之间的spi通信。由于具有大规模的缓冲区和强大的处理器能力，非常适合于通信网关和协议转换器、声音识别以及低端的图像处理。lpc2294电路图如图2.6：图2.6 lpc2294由于lpc2294引脚众多，工作的是时候需要很大的电流，所以在lpc周围加了很多的104小电容，这些电容有两个作用：1是去耦作用，滤除从电源引脚进入的lpc2294的高频部分噪声。2是储能的作用，因为lpc2294工作地的时候，电源供能可能一时供不上，这时这些小电容就充当小电池作用，让lpc2294工作的时候有充足的能量。在一些大型芯片布板的时候都会需要在这些芯片周围加一些小电容，使之能正常工作。在图2.6中还有一些磁珠元件，也是滤波的作用。 3，gprs无线通信模块wsn是一种以数据为中心的网络，网关节点的上行数据量大而下行数据量小，因面在考虑网关节点与外部网络的连接方式时，上行数据率是一个关键指标;其次，应用环境制约数据上行方式;另外，网关节点的成本及集成难度也是一个关键因素。综合以胩三点，选用simcom公司生产的gprs无线通信模块sim300c。sim300c外形如下图所示：该模块具有如下特点：(1) 支持两种操作模式（一种是电路交换数据模式csd，支持语音、数据、sms和fax业务）;另一种是分组交换模式gprs，采用多时隙，支持csics4编码）;(2) 标准的at命令，为gsm语音，短消息以及gprs数据业务提供无线接口;(3) 内置tcp/ip协议，用户不必自己编写或者利用操作系统加入协议，降低了系统开发难度，缩短了开发周期;(4) 数据下行、上行传输速率分别高达85.6kbps和42.8kbps，标准rs232串行口，通过串行口使用at、命令完成对模块的操作;(5) 支持最少功能和休眠两种省电模式。需要将数据传输到网关节点时，节点按照wsn的协议规范对数据进行打包，然后通过无线方式经过一跳或多跳将数据传送到网关结点。传感器数据在通过无线传输进入网关节点后，微处理器利用率wsn的协议栈拆包，得到原始数据之后，网关节点可就用操作系统上的应用软件根据具体需求对原始数据进行处理（如进行数据的融合，去除冗余，减轻网关节点对外传送的负担）。处理后的数据经由tcp/ip模块打包后通过串口与sim300c相连，连接图如下图2.7所示。图2.7 sim300csim300c的dcd、dtr、txd、rxd、cts、rts、ri引脚与lpc2294的uart1的引脚相连，进行串口通信。sim300c的sim_vdd 、sim_rst、sim_io、sim_clk、sim_present、与手机sim卡座相连。vbat连接电源模块，且电压范围为3.44.5v，gprs_control控制sim300c的开关机。电路中还有，网络状态指示灯，模块工作状态灯。能过相应的at指令可以很方便的实现上位机和网关之间的自由通信，按流量计费，降低系统成本。常见的at指令有：（1） 连网指令：at返回状态：ok（连网成功）（2） 全功能开启指令：at+cfun1：（3） 关闭模块指令：at+cpowd1;（4） 读取第n条短信：at+cmgrn;同时，dtr外接一个上拉电阻，配合“at+csclk1”指令，可以轻易地实现sim300c的休眠，通过短信即可唤醒。休眠时gprs电流消耗仅2.5 ma,满足整个系统低功耗要求。4，存储单元网关系统在工作的时候，lpc2294需要存储操作系统的移植代码，通信转换代码，应用程序代码，以及传感器节点第天采集的数据量（第一个节点大约5k）故必须进行存储器的扩展。本系统外扩了flash存储器和sdram存储器。flash是一种非易失性的存储器，在系统中通常用于存入程序代码和一些在系统掉电后需要何在的数据。flash存储器最大优点就是可以进行在线可编程。目前常用的flash为8们或16们的数据宽度，编程电压为单3.3v。主要的和产厂商为atmel、amd、hyundat等，他们的生产的同型器件一般具有相同的的电器特性，可通用。本系统选用的是512k*8们的flash存储器am29lv040.仅需3v电压即可完成芯片的编程或擦除操作，通过对其内部命令寄存器定入标准的命令序列，可对flash进行编程、整片擦除、按扇区擦除以及其他操作。本系统提供一个512k*16们的flash存储系统，它需要选用两片am29lv040，并联成为16们的存储器，然后作为16位存储器的低端和高端。16位存储器的电路连接如图2.8所示：图2.8 存储单元此时地址的最低位始终为零，因此应将两片am29l040的地址线a018并联后与lpc220芯片的a1a19依次连接;数据线串联依次接在lpc2200芯片的d0d7和d8d15.输出使能端（r0en）与lpc2200的输出使能端相连。低8位和高8位的写使能端分别接lpc2200的bls0和bls1.在本系统中，地址译码信号作为片选信号实现对高端存储和低端存储的选择。sdram存储器接口，lpc2200拥有一个独特的存储器加速模块，flash在程序读取时的速度大大提高，工作时不会产生cache命中率问题。程序放在flash中直接运行，其速度和具有cache的arm处理器运行速度相当;但是写flash时仍然有命中率问题。为提高程序运行速率，系统中可以扩展sdram存储器。目前常用的sdram为8位/16位/32位数据宽度。工作电压为3.3v。本系统提供了一个16位的sram存储器系统，存储容量为51