（控制理论与控制工程专业论文）基于无线传感器网络的环境监测系统设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 传统的环境监测系统由于传感器成本高，部署比较困难，并且维护成本比较 高，因此很难应用于环境恶劣的场合。本课题设计基于电力系统中高压母线温度 监控的应用背景，实现了一种基于无线传感器网络的环境监测系统，提出了传感 器节点汇聚节点胡艮务器客户端的四层结构。该系统将传感器节点任意部署在监 测区域内，通过自组网的方式构成传感器网络；每个节点采集的数据经过多跳的 方式路由到汇聚节点；汇聚节点将数据经过初步处理后存储到数据中心；远程用 户可以通过i n t e m e t 访问数据中心的数据，并可进行远程任务控制。这种实现方 式易于部署，降低了开发和维护成本，并且可以通过无线通信方式获取数据或进 行远程控制，极大地提高了系统的开发效率。 本文共分为六章，第一章介绍了无线传感网络的研究意义、发展历程以及国 内外发展状况；第二章从项目的实际要求出发，提出解决方案，分析系统结构体 系，并选择硬件平台、操作系统、编程语言以及软件协议；第三章介绍系统硬件 平台的具体设计方案，按照模块化结构，介绍各部分的硬件选型和电路设计，以 及设计时要考虑的关键因素；第四章介绍了组件化编程语言n e s c ，具体分析了操 作系统t i n y o s 的调度机制和通信模型，最后介绍了t i n y o s 的移植；第五章主要 讲述环境监测系统软件的具体实现，首先分析了最底层节点中与硬件相关的设备 驱动程序的编写；其次，着重介绍数据采样和收集的过程以及系统所采用的通信 机制；最后，简要介绍了服务器的实现和远程任务的控制；第六章总结了该系统 尚存的不足，并对今后的发展方向进行了展望。 关键字：无线传感器网络，温度测量，t i n y o s ，m i c a ，无线收发 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h eh i g hm a i n t e n a n c ec o s ta n dc o m p l e x i t yo fd i s p o s e ，t r a d i t i o n a l e n v i r o n m e n ts u r v e i l l a n c es y s t e m sa r er e s t r i c t e di ns e v e r a lc r u c i a la p p l i c a t i o n sw i t hb a d c i r c u m s t a n c e i no r d e rt os u r v e i lt h et e m p r e t u r eo f h i g h v o l 嘲g eb u si ne l e c t r i cs y s t e m s ， an e w i m p l e m e n t a t i o no f s u r v e i l l a n c es y s t e mb a s e do nw s n ( w t r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) i sp r o p o s e di nt h i st h e s i s t h es y s t e mh 勰f o u r - l a y e ra r c h i t e c t u 地：t h es e n s o rn o d e s t h e s i n kn o d e , t h es t , w v e ra n dt h ec l i e n t s a f l s o rn o d e sa r ep l a c e di nt h es m v e i l l a n c ea r e a c a s u a l l ya n dt h e yc o n s t m e tas e l f - o r g a n i z e dn e t w o & a u t o m a t i c a l l y s e n s o rn o d e ss e n d t h ec o l l e c t i o nd a t at ot h es i n kn o d ev i am u l t i - h o pr o 她w h i c hi sd e t e r m i n e db ya 删cr o t r f i n gp r o t o c o l ，t h e ns i n kn o d er e v e i v e sd a t aa n ds e n d si tt ot h er e m o t e dd a t a c e n t e r , s u c ha sad a t a b a s es e r v e r u l t i m a t e l y , a n yc l i e n ti nt h ei n t e r n e tc a nl i n kt ot h e s e r v e ra n dr e v i e wt h e t h i st h e s i si sd i v i d e di n t os i xp a r t s c h a p t e r1i n t r o d u c e st h eh i s t o r yo fw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k sb r i e f l y c h a p t e r2m t r o d u c e st h es o l u t i o na c c o r d i n gt oo u rs y s t e m n e e d s ，a n dd e c i d e st h ek e yt e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n gs y s t e ma r c h i t e c t u r e ，o p e r a t i n g s y s t e ma n ds o f t w a r ep r o t o c o l s c h a p t e r3i m p l e m e n t sap l a t f o r m , a n dm 打o d u c e st h e d e s i g no f e a c hm o d u l e c h a p t e r4f i r s ti n t r o d u c e sn e s cl a n g u a g eb r i e f l y ；t h e na n a l y z e s t h es c h e d u l em e c h a n i s ma n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l eo fy m y o s ；f i n a l l y , t m y o si s t r a n s p l a n t e dt oo u rp l a t f o r m c h a p t e r5d e t a i l st h es o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o no ns e n s o r n o d e s , i n c l u d i n gd r i v es o f t w a r eo f d e v i c e s ，d a t ac o l l e c t i o n , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n d r e m o t ec o n t r 0 1 c h a l n e r6 p r e s e n t ss o m es u g g e s t i o n sf o rf 1 1 n 1 1 e rd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：w i 埘e s ss e n s o rn e t w o r k so v s n ) , t h f f m l o m e t f y ，t m y o s m i c a , w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了具有 现代意义的无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，w s n ) 的产生和发展。无 线传感器网络由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通 信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理 网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者“1 。传感器、感知对象和观察 者构成了传感器网络的三个要素。 无线传感器网络具有十分广阔的应用前景田，在军事、国防、工农业、环境 监测、城市交通、医疗卫生、智能家居、空间探索、抢险救灾、防恐反恐、危险 区域远程检测等许多领域都有重要的研究价值和巨大的实用价值，已经引起了世 界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注，被认为是将对二十一世纪 产生巨大影响力的技术之一。 环境监测系统是无线传感网络的典型应用。传感器网络具有一些显著的特点： 只需要部署一次，减少了人为因素对环境的影响；节点数量庞大，可以得到更丰 富的采集数据：具备通信能力，可以协同工作等。这些特点使得基于无线传感网 络的环境监测系统优于传统的环境监测系统，具有越来越广泛的应用前景。 1 2 无线传感网络的研究意义及国内外研究现状 无线传感器网络是继i n t e r n e t 之后，将对2 1 世纪人类生活方式产生重大影响 的一种r r 热点技术。i n t e r n e t 改变了人与人之间交流、沟通的方式，而无线传感 器网络将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起，将改变人与自然交互的 方式。2 0 0 3 年著名的美国商业周刊在其“未来技术专版”中发表文章指出，效 用计算、传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官是全球未来的四大高技术产业， 它们将掀起新的产业浪潮。2 0 0 3 年m i t 技术评论t e c h n o l o g yr e v i e w 在预测未来 技术发展的报告中认为，有十种新兴技术在不远的将来将改变世界，其中无线传 感器网络被列为首位1 3 1 。 目前，传感器网络在军事、民用和学术届等许多领域的研究都取得了重大的 1 浙江大学硕士学位论文 进展。国外一些主要的研究项目及研究内容如表1 1 所示。国内，包括国家自然 基金及各大高校、研究所也都对无线传感器网络投入了研究。 表1 - 1 无线传感器网络的研究进展 计划名称研究内容与进展资助部 承担单位 起止年代 门 ， w q s 目标：涉及传感器网络设计的各个方 国防高 加州大学 ( w i r e l e s s 面。研究了m e m s 传感器和接收器、级研究洛杉矶分 i n t e g r a t e d信号处理结构、网络协议设计和监测理计划署校 1 9 9 1 3 n e t w o r k论的基本原理。 ( d a r p a ( u c l a ) s e n s o r s ) 进展：数据链路层采用t d m a 技术； ) 联合罗克 1 9 9 9 网络初始化阶段，在成对节点间协商分韦尔研究 立槽：物理层采用r f 扩频技术 中心 s m a r td u s t 目标与进展：结合m e m s 技术和集成d a mu c 1 9 9 9 电路技术，研制出体积不超过一立方毫 m 1 o b e r k e l e y 米，使用太阳能电池供电，具有光通信 m e m s2 0 0 1 能力的自治传感器节点。由于体积小、 重量轻，该节点可以附着在其它物体 上，甚至漂浮在空气中。 圳m p s ( m i c r o 目标：设计节能、自组织、可重构的无 d a r p a 皿t1 9 9 6 - a d a p t i v e线传感器网络。进展：设计了低功耗的 m u l t i - d o m a i n g a m p s - i 、p a m p s - i i 传感器节点；提 1 9 5 1 9 p o w e r - a w a r e 出了以节能、可重构为主要目标的成组 s e n s o r s ) 递阶网络通信协议- - l e a c h s e n s i t 内容与目标：计划共有2 9 个研究子项 d a r p au c1 9 9 8 ( s e n s o r 目。主要集中在两个方向：一是适应战 b e r k e l e y i n f o r m a t i o n 场高度动态环境、可以快速进行任务分 等2 5 个2 0 0 2 t e c h n o l o g y ) 配和查询的反应式网络技术：二是旨在研究机构 发挥网络化观测优势的协作信息处理 技术 2 浙江大学硕士学位论文 s e a w e b 内容与目标：研究基于水声通信的传感海军研 s r ”m r1 9 9 9 器网络的组网技术，验证了水声传感器 究 s y s t e m s 网络系统在水声监控方面应用的可行办公室 c e n t e r2 0 0 4 性，取得了一些基础数据。( o n r ) 进展：项目在1 9 9 9 年到2 0 0 4 年问进行 了多次实验，取得了大量的现场数据 1 3 传感器网络节点的限制 传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，也存在一些限制： 1 ) 电源能量有限 传感器节点的体积微小，电源能量十分有限。传感器节点往往部署在环境复 杂的区域，有些区域甚至是人员所不能到达的，采用更换电源的方式是不现实的。 如何在降低网络功耗的同时延长网络的寿命成为传感器网络面临的重大挑战。 根据d e b o r a he s t r i n 在m o b i e o m2 0 0 2 会议上的特邀报告( w u e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，p a r ti v ：s e n s o r n e t w o r kp r o t o c o l s ) 跚中所述，传感器节点的绝大部分能量 消耗在无线通信模块。传感器节点传输信息时要比执行计算时更消耗电能，传输 1 比特信息1 0 0 m 距离需要的能量大约相当于执行3 0 0 0 条计算指令所消耗的能量。 氅 寒 厂 、 囹网 一 圈蒯罔 一m豳圈国一 传感蓐蜒虐嚣 童迸 接收空阿 唾呵 近信 图1 - 1 传感器节点能量消耗情况 无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠四种状态。无线通信模块在空闲 状态一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在睡眠状态 时则关闭通信模块。图卜1 显示了传感器节点各个部分，以及各个状态下的能量 消耗情况。根据d e b o r a he s t r i n 的描述，无线通信模块在发送状态时的能量消耗 最大；空闲状态和接收状态时的能量消耗接近或略少于发送状态时的能量消耗； 3 浙江大学硕士学位论文 睡眠状态时的能量消耗最少。因此，为了降低能量消耗，在设计无线通信协议时， 应该尽量减少数据包不必要的转发和接收，不需要通讯时尽快进入睡眠状态。 2 ) 通信能力有限 传感器网络一般采用多跳路由的传输机制，节点的无线通信带宽较窄。同时 由于节点能量的变化，以及自然环境的影响，无线通信性能可能经常变化，通信 失败的情况时有发生。如何在通信能力有限的情况下完成高质量的通信需求是无 线传感器网络面临的挑战之一。 一般而言，传感器节点的无线通信距离与能量消耗有关。其关系为：e = k d “ 其中，e ，d 分别为能量消耗和通信距离，参数n 满足2 n 3 s3 0 m s 联网时间 跳出睡眠时间 3 s 1 5 m s 从设备存取时间 2 m s1 5 m s 编码调制技术跳频直接序列扩频 软件内存 2 5 0 1 4 ,2 8 k b 电池充电电池普通电池 网络规模 82 6 5 参数 传输速度1 枷秘2 5 0 k b p s 工作距离1 眯 2 0 0 0 j g ： ( 加放大器) 由此可见，蓝牙主要是为高服务质量、不同工作周期、中等传输速度、非常 有限的工作节点而设计。而z i g b e e 是为低，甚至超低的工作周期而设计，适用于 静态和动态的、需要大量节点的应用环境，非常适合于无线传感网络。 在本系统中，无线通信模块的选择和采用的通信协议标准密切相关，主要考 虑通信协议中的物理层和m a c 层技术，这两个层次决定了硬件模块的具体架构。 1 ) 从物理层协议看：一般无线传感器网络的功耗低、数据传输量比较小，所以对 数据传输速率的要求并不高。不过提高速率可以减少数据收发的时间，对于节能 有一定好处，只是需要同时考虑提高网络速度对收发功率的影响。一般用单个字 节的收发能耗来定义数据传输对能量的效率，单字节能耗越小越好。 无线通信特有的空间独占性决定了在实际应用中必须要符合一定的规范。各 个国家对无线电子类产品都有指定部门进行监督和管理，任何无线电产品在应用 之前都要经过管理机构审批。2 4 g h z 频段在大多数国家都无需申请许可证，应该 是传感器网络优先选择的传输频段。 另外，通信模块消耗的能量在传感器节点中占主要部分，所以考虑通信模块 的工作模式和收发能耗很关键。与手机、p d a 等使用电池方式工作的设备一样， 无线传感器网络的通信模块必须是能量可控的，并且收发数据的功耗要非常低， 对于支持低功耗待机监听模式的技术要优先考虑。 4 浙江大学硕士学位论文 2 ) 从链路层协议看：传感器网络的链路层和其他网络的链路层一样，需要提供流 量可控、传输可靠的点到点通信服务。不同的是，传感器网络对网络传输速率要 求不高，而对是否能长期稳定地工作的要求比较高。在这种情况下，节点在绝大 部分时间里是休眠的，所以要求链路层协议能够解决通信同步问题，即通信节点 双方需要在通信时同时唤醒。同时，由于无线传感器网络是一种分布式网络，所 有节点在通信上地位都是对等的，所以要求做到全网范围内的同步，而不仅仅是 通信双方的同步。 8 0 2 1 5 4 协议( 即z i g b e e 协议) 定义了2 5 0 k b p s 的低复杂度、超低功耗和超 低价格的无线数据通信协议的物理层和m a c 层，同时支持无线安全通信。该标 准在设计过程中专门考虑了传感器网络的应用要求，在功耗方面、同步技术上以 及安全问题方面都作了充分的考虑。另外，除了2 4 g h z 的载波频段，z i g , b e e 还 定义了7 0 0 m h z 和8 6 6 m h z 两个频段，同时支持多种数据通信速率的选择。因此， 在我们的环境监测系统中，采用i e e e8 0 2 1 5 4 协议作为无线通信的协议标准。 2 5 编程语言及操作系统的选择 为了降低传感器网络的应用开发难度，同时，提高软件的可重用性，需要在 硬件平台上引入操作系统。无线传感网络作为一种新型的应用技术，可以看成是 由大量微型、廉价的传感器节点组成的，可协同工作的，面向分布式自组织网络 的计算机系统。由于传感器网络的特殊性，使得传感器网络对操作系统的需求相 对于传统操作系统有较大的差异。 首先，由于无线传感器网络的资源极为有限，现有的一些嵌入式操作系统， 如v x w o r k s ，l i n u x , w i n c e 等都很难应用于无线传感网络。其次，在传感器网络 中，传感器节点有两个突出的特点：一是并发性强，可能存在多个需要同时执行 的逻辑控制；二是节点的模块化程度高，要求操作系统能够让应用程序方便地对 硬件进行控制，且保证在不影响整体开销的情况下，应用程序中的各个部分能够 比较方便地进行重新组合。这两个特点给设计面向传感网络的操作系统提出了新 的挑战。针对这些特点，加州大学伯克利分校开发出了适合无线传感网络的微型 操作系统t i n y o s t s , 21 0 1 ，能基本上满足上述需求。 t m y o s 是一种面向传感器网络的新型操作系统，最初是由汇编和c 语言编 写的。但是研究人员发现，c 语言不能有效、方便地支持面向传感器网络的应用 5 浙江大学硕士学位论文 开发，所以对c 语言进行了一定的扩展，提出了支持组件化编程的n e s c ! “1 语言， 把组件似模块化思想和基于事件驱动的执行模型结合起来。 在我们的系统中，采用了t m y o s 操作系统，基于t m y o s 的应用程序基本上 用n e s c 编写，与以前相比，提高了应用开发的方便性和应用执行的可靠性。 2 6 本章小结 本章明确了本系统的具体设计目标，并根据系统要求，提出层次型的体系结 构，由传感器节点、汇聚节点、数据服务中心和用户四部分组成该环境监测系统。 无线传感器节点是网络的基本单元，它的稳定运行是整个网络可靠性的基本 保证。本章给出了传感器节点的设计思路。传感器节点由传感器模块、处理器模 块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成。这四个部分相互依赖，在芯片选 型与布线设计方面要综合考虑。 i e e e 协会提出了i e e e8 0 2 1 5 系列标准，适用于小范围的无线网络应用。本 章比较了蓝牙和z i g b e e 协议标准，根据实际的应用需求，选择i e e e8 0 2 1 5 4 作 为本系统的协议标准。 本章最后根据无线传感器网络的特点以及应用需求，选择了加州大学伯克利 分校开发的操作系统t m y o s 作为系统的操作系统。t m y o s 基于组件化编程语言 n e s c 编写，是事件驱动型的操作系统，有利于充分利用传感器节点的有限硬件资 源，同时，模块化思想为软件的开发提供了极大的方便。 6 浙江大学硕士学位论文 第三章系统硬件平台设计 无线传感器网络由大量体积小、成本低、具有无线通信、传感、数据处理的 传感器节点组成。传感器节点性能的好坏将直接影响到整个网络的性能。 目前已经开发出了许多实用的硬件平台，其中使用最为广泛的是美国国防部 d a r p a 资助开发的s m a r td u s t 和加州大学伯克利分校开发的m o t e 。传感器网络 具有很强的应用相关性，在不同的应用要求下需要配套不同的硬件平台，但节点 的设计也具备一定的共同性。根据传感器网络的技术特点，节点硬件的设计必须 满足成本低，体积小，能耗低的要求。同时，还需要有一定的扩展性和安全性。 3 1 节点硬件平台设计 第二章中介绍了传感网络节点的结构，主要由处理器模块、无线通信模块、 传感器模块和能量供应模块四部分组成。这四个部分在无线传感器网络中是相互 影响、协调工作的，在设计时需要权衡各部分的性能和消耗，图3 i 显示了这四 个部分的相互依赖关系。 f 应用背景要求 。l 一 瓣 处 理 器 技 术 e b ； 图3 - 1 传感器节点各部件性能需求的依赖关系 应用背景对传感器的种类、精度和采样频率提出要求，同时对无线通信使用 的频段、传输距离、数据收发速率提出要求；传感器网络的能源技术则对传感器 技术和通信技术的能耗做出具体的约束，同时要求处理器本身必须是超低功耗的， 并且支持休眠模式；传感器的选取、采样频率以及数据收发速率对处理器的处理 能力、数据采样速度和精度以及通用i o 目的数量提出具体要求；处理器的选择 则由所有这些技术要求所制约 1 2 , 1 3 , 1 4 1 。 下面结合各具体模块，分析常用的设计技术，并给出选择方案。 浙江大学硕士学位论文 3 1 1 数据处理模块的选择 处理器模块是无线传感器节点的计算核心，所有的设备控制、任务调度、能 量计算和功能协调、通信协议、数据整合和数据存储程序都将在这个模块的支持 下完成，所以处理器的选择在传感器节点设计中是至关重要的。无线传感器网络 节点的数据处理单元使用的处理器应满足如下要求： 1 1 外形尽量小，处理器的尺寸基本决定了整个节点的尺寸。 2 ) 集成度尽可能高。要有足够的外部通用i o 和通信接1 2 1 ，使整个系统的处理器 外围电路简单整洁，基本不需要扩展任何额外的器件，减小整个节点的尺寸。 3 ) 功耗低而且支持睡眠模式，睡眠模式直接关系到节点的生命周期的长短。目前 使用两节5 号电池供给无线传感器网络节点，满负荷工作只能延续十几个小时。 为了让系统工作尽可能长的时间，系统在绝大多数时间内应处于待机或睡眠状态。 要求处理器必须支持超低功耗的睡眠状态。 4 ) 运行速度要尽量快。这样系统能够在最短的时间内完成必须完成的工作，从而 快速进入睡眠状态，节省系统能量。 5 ) 要有足够的外部通用i o 端口和通信接口。因为处理器必须和其他功能模块进 行连接通信，如通信模块、传感器模块或外扩的存储器等。另外，能量控制电路 也需要大量的1 0 端口来完成。 6 ) 成本要尽量低。因为节点要在网络中大量部署，低成本是一个前提。 目前，国际上大多采用高档8 位或1 6 位单片机为节点主控c p u ，如a t m e l 公司的a v r 系列8 位单片机和n 公司的m s p 4 3 0 超低功耗系列处理器，都可以 满足传感器网络的组网、路由等基本功能；在某些高端应用中，如图像信息压缩 后再传输或对多种传感器信息进行复杂的融合算法处理后再进行传输等领域，为 了满足高性能和低功耗的需求，采用3 2 位a r m 微处理器。a r i v l 处理器功耗低， 处理速度快，集成度也相当高，而且地址空间非常大。对于需要大量内存以及较 好的数据处理能力的汇聚节点( 即基站) 中，a r m 处理器是非常理想的选择。 但由于a r m 价格相对较高，外围电路较复杂，且功耗较大，不太适合在一些低 端场合中应用。 由于本文设计的系统功能比较简单，数据量不是很大，因此传感器节点的处 理器采用a t m e l 公司的a v r 系列8 位低功耗单片机a t m e g a l 2 8 l t l 5 , 1 6 。该处理 浙江大学硕士学位论文 器模块的接口电路如图3 - 2 所示： 6 c 1 0 o 1 u f c 1 2 0 1 u f a t m e g a l 2 8 l ” p f 0 ( a d 0 0 ) p f l ( a d c d p f 2 ( a d c 2 ) p f 3 ( a d c 3 ) p f 4 ( a d c 4 t c k ) p f 5 ( a d c 5 t m s ) p f 6 ( a d c 6 t d o ) p f 7 ( a d c 7 t d l ) a r e f a g n d a v c c p e 0 f p d i r x d 0 ) p e l ( p d o l t x i ) 0 ) p e 2 “心x c k 0 ) p e 3 ( a c - o c 3 a ) p e 4 ( i n t 4 o c 3 b ) p e 50 n t 5 o c 3 c ) p e 6o n t 6 t 3 ) p e 7 ( i n t 7 i c 3 、 ( a 8 ) p c 0 ( a 9 ) p c i ( a 1 0 、p c 2 ( a 1 1 ) p c 3 ( a 1 2 ) p c 4 ( a t p c 5 ( a 1 钔p c 6 ( a 1 5 ) p c 7 矧怒 p b 0 两)厕s c l ) p d 0 p b lt s c k 。)赢is d a ) p d i p b 2 ( m o s n 意雹r o o d p d 2 p b 3 ( s ( 一n 岍3 t x d i ) p d 3 p b 4 ( o c o ) ( i c l ) p d 4 p b 5 ( o c l a ) ( x c k l ) p d 5 p b 6 ( o c l b ) ( t 1 ) p d 6 p b 7 ( o c 2 o c i c )( 1 2 ) p d 7 p e n r e s e tx t a l 2 p g 4 ( t o s c l ) ，、 p g 3 ( t o s c 2 ) 星星x t a l l 2 3 2 4 u 4 s f d c a x t 啦 x t a l l 图3 - 2a t m e g a l 2 8 l 接e l 电路 a t m e g a l 2 8 l 是a t m e l 公司于2 0 0 1 年推出的采用低功耗c o m s 工艺生产的 基于a v rr i s c 结构的8 位微控制器，是目前a v r 系列中功能最强大的单片机。 a t m e g a l 2 8 l 内部采用h a r v a r d 结构，使用1 6 m 时钟时，速度可达1 6 m i p s 。 a t m e g a l 2 8 l 具有丰富的资源和极低的能耗，它具有片内1 2 8 k b 的程序存储器 ( f l a s h ) ，4 k b 的数据存储器( s g a m ) 。可外扩到6 4 k b 和4 k b 的e 2 p r o m 。此外， 它还有8 个1 0 位a d c 通道，2 个8 位和2 个1 6 位硬件定时计数器，并可在多 种不同的模式下工作；8 个p w m 通道、可编程看门狗定时器和片上振荡器、片 上模拟比较器；u a r t 、s p i 、1 2 c 总线接口；j t a g 口为开发和调试提供了方便 加m心m：窨m肿眈嗍队眦m队队队队附 踯叫蚴聊蚴叻心删删叫“州似似 浙江大学硕士学位论文 的接口。除了正常操作模式外，a t m e g a l 2 8 l 还具有6 种不同等级的低能耗操作 模式。每种模式具有不同的能耗，因此a t m e g a l 2 8 l 非常适合于低能耗的应用场 合。另外a t m e g a l 2 8 l 外形很小，可以减小节点的尺寸。 3 1 2 无线通信模块的选择 根据第二章中所述，无线通信协议标准采用适合无线传感网络的i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，它是为低速率控制网络设计的标准无线网络协议，实现m a c 层 和物理层的规范。 3 1 2 1i e e e8 0 2 1 5 4 的m a c 层协议 i e e e8 0 2 1 5 4m a c 数据包的最大长度为1 2 7 字节。每个数据包都由头字节 和1 6 位c r c 值组成。1 6 位c r c 值验证帧的完整性。此外，i e e e8 0 2 1 5 4 还可 以选择使用应答数据传输机制。使用这种方法，所有特殊a c k 标志位置1 的帧 均会被它们的接收器应答。这就可以确定帧实际上已经被传递了。如果发送帧的 时候置位了a c k 标志位而且在一定的超时期限内没有收到应答，发送器将重复 进行固定次数的发送，如仍无应答就宣布发生错误。注意接收到应答仅仅表示帧 被m a c 层正确接收，而不表示帧被正确处理，这是非常重要的。接收节点的m a c 层可能正确地接收并应答了一个帧，但是由于缺乏处理资源，该帧可能被上层丢 弃。因此，很多上层和应用程序要求其他的应答响应。 3 1 2 2r f 收发芯片c c 2 4 2 0 c c 2 4 2 0 t 1 7 是c h i p c o n 公司推出的首款符合2 4 g h z l e e e 8 0 2 1 5 4 标准的射频 收发器。它基于c h i p c o n 公司的s m a r t r f0 3 技术，以o 1 8 u r nc m o s 工艺制成， 只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。c c 2 4 2 0 的选择性和敏感性指数超 过了i e e e8 0 2 1 5 4 标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯 片开发的无线通信设备支持数据传输率高达2 5 0 k b p s ，可以实现多点对多点的快 速组网。该芯片体积小、功耗低，非常适合于家庭及楼宇自动化、工业监控等应 用系统。 c c 2 4 2 0 具有完全集成的压控振荡器，只需要天线、1 6 m h z 晶体等非常少的 外围电路就能在2 4 g h z 频段上工作。只需要极少的外围元器件，其典型应用电路 1 0 浙江大学硕士学位论文 如图3 3 所示。 图3 - 3c c 2 4 2 0 接口电路 它的外围电路包括晶振时钟电路、射频输入输出匹配电路和微控制器接口电 路三个部分。芯片晶振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供。由 内部电路提供时需外加晶体振荡器和两个负载电容，电容的大小取决于晶体的频 率及输入容抗等参数。 射频输入输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗，使其输入输出阻 抗为5 0 q 同时为芯片内部的p a 及l a n 提供直流偏置。c c 2 4 2 0 可以通过4 线s p i 总线( s i 、s o 、s c l k 、c s n ) 设置芯片的工作模式，并实现读写缓存数据，读 写状态寄存器等。通过控制f i f o 和f i f o p 管脚接口的状态可设置发射，接收缓存 器。注意：在s p i 总线接口上进行的地址和数据传输大多是m s b 优先的。 如前所述，c c 2 4 2 0 是一款符合i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的r f 收发芯片。c c 2 4 2 0 硬件支持一部分i e e e 8 0 2 1 5 4 数据帧格式。数据帧格式如表3 1 所示。 表3 1 数据通信帧格式 同步头包括前导序列和开始帧分隔符。在c c 2 4 2 0 中，前导序列长度和开始 1 1 浙江大学硕士学位论文 帧分隔符是可以配置的。默认值4 字节和1 字节是符合i e e e s 0 2 1 5 4 协议的。物 理头为1 字节，帧控制和序列号分别为2 字节和1 字节，地址包括个人区域网身 份识别号码、目的地址和源地址共6 字节，待发数据段长度为帧长度减去地址和 帧校验序列。当m o d e m c t r l 0 a u t o c r c 控制位置位时，这个帧校验序列自 动产生2 字节，并由c c 2 4 2 0 硬件自动插入。 3 1 2 3c c 2 4 2 0 与处理器的接口 c c 2 4 2 0 与处理器的连接十分简单。它使用s f d 、f i f o 、f i f o p 和c c a 四个 引脚表示收发数据的状态；而处理器通过s p i 接口与c c 2 4 2 0 交换数据。图3 - 4 所示是本系统中c c 2 4 2 0 与a t m e g a l 2 8 的接口示意图。 c c 2 4 2 0 a t m e g a l 2 $ f o g 1 0 0 f o p i n t e r r u p t c c ag i o l s f d t i m e r c a p t u r e c s ng 1 0 2 s l m o s i s o m i s o s c u 【 s c l k 图3 - 4c c 2 4 2 0 与a t m e g a l 2 8 接口 c c 2 4 2 0 是s p i 接口的从设备，接收来自处理器的时钟信号和片选信号，并 在处理器的控制下执行输入输出操作。s p i 接口接收或发送数据时都与时钟下降 沿对齐。 3 1 2 4 设计中应该注意的问题 c c 2 4 2 0 的载波频率是2 4 g h z ，每5 m h z 增加一个频道，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。c c 2 4 2 0 要求时钟源的精度在 - - 4 0 p p m 以内。使用外部晶振则应该尽量使用精度高、性能稳定的四脚贴片晶振。 c c 2 4 2 0 射频电路工作在2 4 0 0 g h z 2 4 8 35 g h z 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 浙江大学硕士学位论文 的有效手段。布线时特别要注意以下几点：一是射频电路没有用做布线的面积均 需用铜填充并连接到地，以提供r f 屏蔽达到有效抗干扰的目的；二是c c 2 4 2 0 芯片底部应接地；为了降低延迟、减少串扰，确保高频信号的传输， 要使用多 个接地过孔将c c 2 4 2 0 芯片底部和地层相连；三是尽可能地减少串扰，减少分布 参数的影响，器件要紧密地分布在c c 2 4 2 0 的四周，并使用较小封装。 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c c 2 4 2 0 可以使用金属倒 f 型p c b 引线天线和单极天线两种设计方案。p c b 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。p c b 天线的形状、尺寸应严格按照数 据手册设计。 3 1 3 传感器模块的选择 传感器模块是数据采集的核心模块，种类繁多，用于测量各种物理量，使用 何种传感器完全取决于应用系统。 目前传感器的价格比较昂贵，部分原因是过于依赖传感器的精度。在无线传 感网络中，引入了传感器的网络化处理。通过网络化可以减少单点测量可能造成 的瞬态误差和单点环境激变可能造成的系统测量错误。由于在一个区域内存在多 个测量节点，单个节点的测量精度不必太高，利用区域内多点的测量数据，通过 统计学方法可以得到精度更高的数据。因此，传感器网络中对传感器的精度要求 并不是很高。 硬件设计时，为了提高模块化，最好将传感器模块与计算、通信子板独立开 来。根据实际应用的需要，传感器模块可以包含温度、湿度、振动、光强、气体 报警、磁阻、红外等。传感器还分为数字式和模拟式两种。模拟的传感器输出模 拟信号，通过a d 转换得到数字信号接入处理器处理；数字式传感器则直接输出 数字信号。由于节点多为电池供电，要求传感器体积小、功耗低、外围电路简单， 最好采用不需要复杂信号调理电路的数字传感器。 目前最常用的数字式温度传感器有d s l 8 8 2 0 1 1 引、s h t l l1 1 9 1 等，另外，还有一 种非接触式的红外温度传感器m l x 9 0 6 1 4 【2 0 。 d s l 8 8 2 0 的外部电路非常简单，只有3 个管脚，使用一线总线接口。其测量 范围是为5 5 。c 1 2 5 。c ，在。1 0 。c 8 5 。c 之间的测量精度为士0 5 。c ，分辨率最 浙江大学硕士学位论文 大可以设计为1 2 位。 s h t l l 是瑞士s e n s i f i o n 公司采用c m o s e n s ( r ) ( c c - m o - s e n s ) 专利技术( c m o s 和传感器技术的融合) ，研制成功的智能化湿度腽度传感器，其外形尺寸仅为 7 5 ( m m ) x 5 ( m m ) x 2 5 ( r a m ) ，体积与火柴头相近。出厂前，每只传感器都在极为精 确的湿度室中做过精密校准，校准系数被编成相应的程序存入校准存储器中，在 测量过程中可对相对湿度进行自动校准。它不仅能准确测量相对湿度，还能测量 温度和露点。 m e l e x i s 于近期推出了m l x 9 0 6 1 4 红外线温度计系列。这种小型的、性价比高 的非接触式温度计提供远程物体的经过充分校准的数字温度读数。同目前市场上 的其它红外线解决方案相比，m l x 9 0 6 1 4 精度高，价格低，更具优势。 图3 5 显示了s h t l l 和m l x 9 0 6 1 4 的实物图，它们的体积都非常小。 图3 - 5 ( 曲s h t l l图3 - 5 c o ) m l x 9 0 6 1 4 第一章中分析了本系统的应用背景，在电力系统中，高压开关、c l s ( 气体绝 缘变电站1 等高压电器和载流母线等电力设备在负载电流过大时会出现温升过高 的情况，最后温度有可能使相邻的绝缘部件性能劣化，甚至击穿。据统计，电力 系统发生事故原因中有相当部分与过热问题有关，因此采取有效措旄监测母线及 电接触温度是电力系统需要解决的课题。由于母线处于高电位，本系统采用非接 触式的红外温度传感器m l x 9 0 6 1 4 。该模块根据被测物体的红外辐射能量来确定 物体的温度，分辨率高、响应速度快、测温范围广、不受测温上限的限制、稳定 性好等特点，在家庭自动化、汽车电子、航空上得到了广泛的应用。 3 1 4 供电电路，电压检测电路的设计 电能是传感器网络最珍贵的资源，它决定着传感器网络的寿命。节点的电能 一旦耗尽，即宣布其寿命到期并退出网络，由剩下的节点再重新组网。因此节点 1 4 浙江大学硕士学位论文 的电源管理非常重要。系统采用普通电池或可充电锂离子电池工作，电源管理芯 片采用i n 觚a i i o n a lr e c t i f i e r 公司b a t 4 5 c 1 2 “。电源供电部分电路如图3 - 6 所示。 图3 石系统供电电路 作为由电池供电的传感器节点，必须实时了解电池能量存储情况，并根据自 己要完成的任务和自身的能量存储状况调整自己的工作状态和通信策略。这就要 求传感器节点必须具有一个行之有效的电池电压检测模块。节点的电压检测电路 如图3 7 所示： 。= f 图3 - 7 系统电压检测电路 通过将内部的参考电压v r e f 与一个稳定的电平v a 比较，从而得到v r e f 的变 化情况，只要v m f 与电池电压同步变化，就能够获得电池的供电电压情况。实现 时，v a 由稳压二极管l m 4 0 4 0 提供一个2 5 v 电压，v r e f 可利用a d 转换器的工 作电压。a d 控制器将v a 与v r e f 比较，可将差值比较放大写入寄存器值d a d c 中。 关系式如下：d a d c v a = a d c f s n m f , 其中a d c _ f s 是输入满量程时的测量值。 通过上式，可以通过a d c 寄存器的读数唯一得到实际工作电压值。 得到的实际工作电压值可以接入微处理器的管脚，当它低于某一个限度时， 就可以调整相应的工作状态和通信策略；同时，若系统扩展有充电模块，还可以 l5 浙江大学硕士学位论文 启动充电模块对电池进行充电。 3 1 5 外围电路的设计 1 外部存储电路 由于无线传感器节点的通信模块传输能力有限，加上节点工作的占空比非常 小，很多数据不能实时转发出去，所以需要有一个可管理的存储器存储这些数据， 暂