（信号与信息处理专业论文）运用fpga的无线智能监控系统终端节点设计.pdf

摘要 摘要 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 技术起源于上世纪9 0 年 代的美国，是一种由众多传感器组成的自组织无线网络通信系统，涉及到微电子 技术、计算机技术、无线网络技术、自动控制技术、人工智能等众多学科，是当 今电子信息科学领域内热门的研究方向之一。应用了无线传感器网络技术的监控 系统，通过现场安置的传感器，可以实现对监控领域各种物理信息的感知，并通 过无线网络发送给终端用户，以到达远程监控的目的。 本文以一个采用了无线传感器网络技术的无线智能监控系统工程设计为背 景，介绍了无线传感器网络技术的应用现状及发展趋势，重点阐述了此系统中终 端节点的硬件设计方法，同时也对无线传感器网络的o s i 网络架构和使用的 i e e e8 0 2 1 5 4 规范和z i g b e e 通信协议做了必要说明。终端节点的设计采用a l t e r a 公司c y c l o n e 系列中e p l c 4 f 4 0 0 c 6 器件作为数字逻辑处理核心，在此f p g a 器 件内部设计了1 2 c 总线接口逻辑、c c 2 4 2 0 接口逻辑、滤波器、存储器等功能模 块，以完成终端节点的传感数据采集、处理及传输功能。终端节点安装的传感器 抛弃传统的模拟传感器而使用带有1 2 c 接口的数字传感器，传感器与f p g a 的通 信通过1 2 c 总线完成。数据的无线传输则由c l l i p c o n 公司的c c 2 4 2 0 无线射频收 发芯片完成。 我国对无线传感器网络技术的研究起步较晚，此项技术在工程领域的应用也 尚未普及。传统运用无线传感器网络技术设计的监控系统中终端节点多采用模拟 传感器加m c u ( 多为混合信号处理器，如m s p 4 x x 系列单片机) 的设计方法， 本文则借鉴s o c 设计理念，提出了一种运用f p g a 器件设计终端节点的“单片 解决方案。按本文设计方法设计的终端节点在具有较好的功能扩展性和监控对象 通用性的同时，还具有体积微小、价格低廉、稳定性强、功耗低等优势，具有较 好的市场前景，可以产生良好的社会和经济效益。 关键字：无线传感器网络终端节点f p g a 数字传感器1 2 c 总线c c 2 4 2 0 z i g b e e i e e e8 0 2 15 4 a b s t r a c t a bs t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) i sas e l f - o r g a n i z i n gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n n e t w o r ks y s t e mt h a ti sc o m p o s e do fal a r g en u m b e ro fs e n s o r s t h i sn e wr e s e a r c h t o p i cc o v e r ss o m ed i s c i p l i n e ss u c h f i t sm i c r o e l e c t r o n i c ，s o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，a u t o m a t i cc o n t r o la n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a n di sn o wb e c o m i n ga h o ts p o ti ne l e c t r o n i ca n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y am o n i t o r i n gs y s t e mu s i n gw s n c a nd e t e c ta n dc o l l e c tp h y s i c a li n f o r m a t i o nw h i c hd i s t r i b u t eo v e rt h er e g i o nt h a ti t s s e n s o r sc o v e r , a n dt r a n s m i tt h ei n f o r m a t i o nt ot h ee n d - u s e rt h r o u g hw i r e l e s sn e t w o r k u s i n gt h i ss y s t e m ，t h ep u r p o s eo fr e m o t em o n i t o r i n gc a nb ea c h i e v e d t h i sp a p e rf i r s tb r i e f l yi n t r o d u c e sc u r r e n tc o n d i t i o na n dd e v e l o p i n gt r e n do f w s na p p l i e di nt h ee n g i n e e r i n gp r o j e c t ，a n dt h e ng i v e se m p h a s i st oh a r d w a r ed e s i g n o ft e r m i n a ln o d eb a s e do nap r a c t i c a lw s nm o n i t o r i n gs y s t e md e s i g np r o j e c t a l s o s o m en e c e s s a r yi n t r o d u c t i o nt ow s n sb a s i ct h e o r y , i n c l u d i n gi t so s ia r c h i t e c t u r ea n d z i g b e ep r o t o c o li sc o v e r e di nt h i sp a p e r t h ed e s i g nm e t h o di l l u s t r a t e di nt h ep a p e r e n g a g e sa l t e r a sc y c l o n es e r i e s e p e c 4 f 4 0 0 c 6d e v i c e a st e r m i n a ln o d e sc o r e p r o c e s s o r , a n dt h i sf p g ai n t e g r a t e sa n1 2 ci n t e r f a c e ，ac c 2 4 2 0i n t e r f a c e ，af i l t e r , a r a ma n dam i c r oc o n t r o lu n i tt oa c h i e v et e r m i n a ln o d e sd a t as a m p l i n g ，p r o c e s s i n g a n dt r a n s m i t t i n gf u n c t i o n 1 2 cb u si su s e df o rd a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nf p g aa n d d i g i t a ls e n s o r s c c 2 4 2 0 i su t i l i z e df o rr fs e n d i n ga n dr e c e i v i n g t h ed o m e s t i cr e s e a r c hw o r ko nw s nh a sj u s ts t a r t e df o rs e v e r a ly e a r s ，a n di t s a p p l i c a t i o ni ne n g i n e e r i n gp r o j e c th a sn o tb e c o m ep o p u l a ry e t t h i sp a p e rp r o v i d e sa s o l u t i o nt oi m p l e m e n taw s nm o n i t o r i n gs y s t e m st e r m i n a ln o d eu s i n gf p g ad e v i c e t h et e r m i n a ld e s i g n e di nt h i sp a p e rh a sn o to n l yag o o ds c a l a b i l i t yf o rf u r t h e rf u n c t i o n e x t e n s i o na n dc o m p a t i b i l i t yf o rd i f f e r e n tm o n i t o r i n go b j e c t s ，b u ta l s oa d v a n t a g e si n s i z e ，c o s t , p o w e rc o n s u m p t i o na n ds t a b i l i t y , s o i ts h o u l dh a v eap r o m i s i n gm a r k e t p r o s p e c ta n d w i l lp r o d u c eb o me c o n o m i c a la n ds o c i a lb e n e f i t s k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；f p g a ，t e r m i n a ln o d e ；d i g i t a ls e n s o r , 1 2 c ； c c 2 4 2 0 ；z i g b e e ；i e e e8 0 2 15 4 目录 目录 第一章引言1 1 1 课题的提出及意义1 1 2 应州无线传感器网络技术的无线智能监控系统2 1 - 3 无线传感器网络技术国内外应用现状以及发展趋势4 1 4 本课题主要研究：【：作及论文结构6 第二章无线传感器网络8 2 1无线传感器网络体系结构8 2 2 无线传感器网络通信协议1 1 2 2 1z i g b e e 的起源n 2 2 2i e e e8 0 2 1 5 4 规范1 2 2 2 3z i g b e e 协议1 7 2 3 无线传感器网络特点1 9 2 4 本章小结2 0 第三章无线通信接口模块设计2 1 3 1c c 2 4 2 0 无线收发芯片2 1 3 1 1 芯片功能描述2 l 3 1 2 芯片内部结构2 3 3 1 3 标准应用电路2 4 3 2c c 2 4 2 0 接口设计2 5 3 2 1 数据发送寄存器2 7 3 2 2 数据接收寄存器2 7 3 1 2 3p s d u 封包单元2 7 3 2 ，4p s d u 解包单元3 0 3 2 5 时钟发生器3 1 3 2 6 接口主控单元3 2 3 3c c 2 4 2 0 接口顶层实体与仿真分析3 3 3 4 本章小结3 s 第四章1 2 c 接口模块设计3 6 4 11 2 c 总线概述3 6 4 21 2 c 接口设计3 7 目录 4 2 1 核心控制模块。3 8 4 2 2 数据寄存器4 1 4 2 3 寻址字节寄存器4 2 4 2 4 信号检测器4 3 4 2 5 信号发生器4 3 4 2 6 时钟模块4 4 4 2 7 接u 缓存4 4 4 3 模块项层实体与仿真分析4 6 4 4 本章小结4 8 第五章终端传感节点的硬件实现4 9 5 1 终端节点硬件结构4 9 5 2f p g a 总体设计5 0 5 2 1 滤波器设计5 0 5 2 2 存储器设计5 3 5 2 3 主控模块设计5 5 5 2 4f p g a 顶层设计6 2 5 3 外围电路设计6 4 5 3 1 天线电路6 4 5 3 2 电源电路6 s s 3 3 时钟电路6 6 5 3 4 复位电路6 6 5 4 主要技术指标及应用说明。6 7 5 5 本章小结6 9 第六章结束语6 9 攻读硕士学位期间发表的论文一7 0 参考文献7 l 致谢7 4 i v 硕士学位论文 1 1 课题的提出及意义 第一章引言 传感器 s e n s o r ) 广义而言是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外 界各种信号，包括物理条件( 如光、热、湿度) 或化学组成( 如烟雾) ，并将探 知的信息传递给其他装置或器官【l 】。国家标准g b 7 6 6 5 8 7 对传感器的定义如 下：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装 置，通常由敏感元件和转换元件组成，【2 1 。传感器是一种检测装置，能感受 到被测量的信息，并能将感知到的信息按一定规律变换成为电信号或其他 所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控 制等要求，是实现自动检测和自动控制的首要环节【3 】。可以毫不夸张地说， 从茫茫太空，到浩瀚海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化 项目，都离不开各种各样的传感器【4 1 。 伴随着微电子、计算机软件、无线通信、自动控制、人工智能等学科的飞速 发展，传感器正在逐渐向微型化、集成化、智能化的方向发展，而由众多传感器 组成的传感器网络的应用早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、 环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛 的领域【4 】。如今，融合了当今最先进的无线网络技术的无线传感器网络( w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 正逐渐成熟并取代传统的传感器网络架构成为主流应用。 无线传感器网络被认为是2 l 世纪最具备发展潜力的网络技术之一，其与“物联 网”的融合被认为会对未来的人类生活方式产生巨大影响【5 】。国外对此领域的相 关研究工作早已开展，并且在应用领域已取得成果；国内对此技术的研究及应用 也正呈现出方兴未艾之势。 本文借鉴当今数字电子系统设计领域流行的s o c ( s y s t e mo nc h i p ，可 理解为单片系统) 设计理念，使用a l e r a 公司出品的c y c l o n e 系列中的 e p l c 4 f 4 0 0 c 6 器件完成基于无线传感器网络技术的无线智能监控系统中终端 节点的硬件设计。终端节点的所有数字逻辑功能，包括数据的采集、处理与传输， 引言 以及节点的控制，均由f p g a 器件完成。以本文所述的设计方法设计的终端节点 通用性强，安装不同类型的传感器即可应用于不同的监控领域；同时由于使用了 f p g a 器件，使得终端节点还具有集成度高、稳定性好、功耗低等优势，具有广 阔的市场应用前景。 1 2 应用无线传感器网络技术的无线智能监控系统 应用无线传感器网络技术的无线智能监控系统是由部署在监测区域内大量 的传感器节点通过无线通信的方式，相互联系、处理和传递信息的网络【6 】。该系 统综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，可以 实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象信息，并对信息进 行处理，传递给所需用户，并根据实际需要进行控制管理【7 1 。该系统具有体积 小、节能、安全、工作稳定等优点，可广泛地应用于工业、农业、环境监控、国 防军事、交通运输、医疗卫生、家庭安全、仓储管理、反恐抗灾等领域。可以说， 应用无线传感器网络技术组建的监控网络是无线网络技术的一场革命，具有广阔 的市场潜力和美好的应用前剥4 1 。 此无线智能监控系统由传感器终端、路由器、主控终端以及网络管理软件组 成，如图1 1 所示。监控系统必须具备一个主控终端，路由器和传感器终端的数 量则根据监控区域大小、监测环境以及监测要求视具体情况而定。此无线智能监 控系统结合了g s m 网络与z i g b e e 网络技术，利用g s m 网络传输基于z i g b e e 无线传感器网络的数据，克服了传统的监控网络传输距离的限制，可以灵活地构 建起巨大的无线通信网络，实现无线远程智能综合监控管理【引。 传感器终端带有各种类型的传感器，一般包括温度、湿度、气体、压力等传 感器，用于不同的环境信息监测【6 】。它置于监测环境中进行监测数据的采集，数 据经过必要处理后将通过z i g b e e 无线通信协议上传至路由器，同时能够接收和 执行经由路由器转发的来自主控终端的命令对相关设备进行管理控制。 路由器用于转发传感器终端与主控终端之间的数据，其与传感器终端以及路 由器之间通信采用z i g , b e e 协议，与主控终端之间通信使用g s m 网络【引。 主控终端位于用户端，一般包括主控端路由器、p c 机和数据服务器。主控 端路由器连接g s m 网络，中转p c 机与各个监控区域中路由器的数据传输i 鄹。 2 硕十学位论文 数据服务器存储系统全部监控数据，以备用户查阅处理。p c 机是用户的操作平 台，用户可使用安装在p c 机上的网络管理软件完成系统的全部管理操作。 系统管理软件，涵盖整个系统的监控和管理功能，实现对传感器节点采集的 数据分析、整理及保存；可以对任意节点的历史数据和实时数据进行图表、曲线 显示，并进行打印( 须配备打印机) ；可以实现对某时间段内数据统计分析，并 进行检测、处理；可以对整个网络的拓扑结构、位置分布以及网络参数进行设置； 当监测数据超过设定标准时，可以产生报警信息，及时通知用户进行处理【6 】。系 统管理软件是一个集成环境，可将用户管理、网络控制、数据分析、实时监控、 报警处理、智能化自动控制等多项功能集中在一个统一平台，为用户提供简洁、 高效且全方位的监控管理。 白- 0 - ， i， 一 i 溺 迄d 图l l 应用无线传感器网络技术的无线智能监控系统总体结构图 f i g u e1 - 1aw i r e l e s si n t e l l i g e n c em o n i t o r i n gs y s t e mu s i n gw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 监控系统的功能主要由系统管理软件所决定。综上所述，系统功能主要有如 下几个方面： ( 1 ) 采集和处理功能：对现场各种环境信息( 包括温度、湿度、气体、压 力等信息，由传感器终端类型和数量决定) 进行采样和必要的预处理，并且以一 定的形式输出，如存储、实时显示、打印数据报表等等，为用户提供详实的数据， 以便了解和掌握现场实际情况。 ( 2 ) 管理功能：利用已有的有效数据，对现场情况进行分析，包括故障诊 断、险情预测，并采用声光电等多种形式对二1 e 法事件进行报警。 ( 3 ) 应用功能：可以对网络位置、网络历史数据进行查询分析，用于实现 系统的各种其它功能。 3 兰蛐 引言 ( 4 ) 控制功能：在监测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略 形成负反馈控制输出，作用于终端器件。 ( 5 ) 可以实现自动监测、记录、分析、控制、报警等功能。 1 3 无线传感器网络技术国内外应用现状以及发展趋势 无线传感器网络技术是典型的具有交叉学科性质的军民两用战略高技 术，可以广泛应用于国防军事、国家安全、环境科学、交通管理、灾害预 测、医疗卫生、制造业、城市信息化建设等领域。无线传感器网络在国际 上被视为互联网之后第二大“泛在网”，著名的美国橡岭国家实验室( o a k ) 断言：i t 时代j 下在从“计算机网络”转变为“传感器网络 。为此，无线传 感网络技术作为现在国际最前沿的新技术被誉为i t 技术的第四次产业革 命，是未来i t 产业创新发展的重要方向【9 1 。以其智能化、低功耗、自组织 的特性渗透到物流、电力、智能家庭等众多行业。该技术处于计算机网络 研究领域的前沿，并终将发展成为一个新的巨大规模高科技市场，体现巨 大产业发展前景。据市场调研公司o nw o r l d 近期发布的一份报告表明，预 计到2 0 1 1 年，世界市场无线传感网络系统与服务业总产值将达到4 6 亿美 元【10 1 。 国际上比较有代表性和影响力的无线传感网络实用和研发项目有遥控 战场传感器系统( r e m o t eb a t t l e f i e l ds e n s o rs y s t e m ) 、网络中心战( n c w ) 及灵 巧传感器网络( s s w ) 、智能尘( s m a r td u s t ) 、行为习性监控( h a b i t a tm o n i t o r i n g ) 项目、英国国家网格等i 川。尤其是最近最新试制成功的低成本美军“狼群” 地面无线传感器网络标志着电子战领域技战术的最新突破。俄亥俄州正在 开发“沙地直线”( al i n ei nt h es a n d ) 无线传感器网络系统。这个系统能够 散射电子绊m ( t r i p w i r e s ) 至1 任何地方，以侦测运动的高金属含量目标1 2 1 。 在民用方面，2 0 0 3 英特尔研究实验室研究人员将处方药瓶大小的1 5 0 个安有d 型微型电池的传感器连进互联网，以读出缅因州“大鸭岛”上的 气候，评价一种海燕鸟巢的条件1 3 】。他们的目的是让世界各国研究人员实 现无入侵式及无破坏式的、对敏感野生动物及其栖居地的监测。该公司还 开发出了用于家庭护理的无线传感器网络系统。系统通过在鞋、家具，以 4 硕士学位论文 及家用电器中嵌入半导体传感器，帮助老年人、阿尔茨海默氏病患者，以 及残障人士的家庭生活，减轻护理人员的负担。日立制作所与y r p 泛在网 络化研究所2 0 0 4 年1 1 月2 4 日宣布开发出了全球体积最小的传感器网络终 端。该可以搭载温度、亮度、红外线、加速度等各种传感器，应用于大楼 与家庭的无线传感器以及安全管理方面【i4 1 。三菱电机开发成功了一种用于 传感器网络的小型低耗电无线模块，能够使用特定小功率无线构筑a dh o e 网络，目标是取代目前利用专线构筑的家用安全网络【”】。在旧金山，2 0 0 个联网微尘已被部署在金门大桥。这些微尘用于确定大桥从一边到另一边 的摆动距离一可以精确到在强风中为几英尺。当微尘检测出移动距离时， 它将把该信息通过微型计算机网络传递出去。信息最后到达一台更强大的 计算机进行数据分析。任何与当前天气情况不吻合的异常读数都可能预示 着大桥存在隐患【1 6 】。 国内无线传感网络技术的研发与应用几乎与发达国家同步启动。1 9 9 9 年首次正式出现于中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的信息 与自动化领域研究报告中，作为该领域提出的五个重大项目之一。2 0 0 1 年 中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，引领院内的相关工 作，并通过该中心在无线传感网的方向上陆续部署了若干重大研究项目和 方向性项目，初步建立传感网络系统研究平台，在无线智能传感网络通信 技术、微型传感器、传感器节点、簇点和应用系统等方面取得很大的进展， 2 0 0 4 年9 月相关成果在北京进行了大规模外场演示，部分成果已在实际工 程系统中使用【1 7 】。2 0 0 6 年公布的国家中长期科学技术发展规划纲要中， 已经将“传感器网络及智能信息处理 列入信息产业及现代服务业领域的 优先发展主题。国家“八六三计划也将无线传感网络列入重要发展内容。 2 0 0 9 年，国务院总理温家宝在中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心考 察时，强调至少三件事情可以尽快去做：其中之一就是在国家重大科技专项中， 加快推进无线传感网络的发剧1 8 】。 国内的许多高校也掀起了无线传感器网络的研究热潮。清华大学、中 国科技大学、浙江大学、华中科技大学、天津大学、南开大学、北京邮电 大学、东北大学、西北工业大学、西南交通大学、沈阳理工大学和上海交 5 引言 通大学等单位纷纷开展了有关无线传感器网络方面的基础研究工作l l 6 1 。一 些企业如中兴通讯公司等单位也加入无线传感器网络研究的行列。传感网 在民用方面，涉及城市公共安全、公共卫生、安全生产、智能交通、智能 家居、环境监控等领域。国内从事传感网应用的大企业目前为数不多，小 企业呈现蓬勃发展的势头。北京鼎天软件有限公司，主要从事城市公共安 全应急指挥系统建设，已经承担扬州电子政务和扬州应急指挥系统。上海 电器科学研究院主要从事智能交通方面的工程，已经承担上海市内、外环 智能交通工程。嘉兴中科无线传感网科技有限公司在数字航道、城市应急 系统、机场监控等方面有较好的技术背景，相关项目工程正在进行中。沈 阳东软、北大青鸟、亿阳信通等企业也在传感器网络应用方面有所涉足， 目前主要在电子政务方面，正在向公共安全应急指挥系统进发。 1 4 本课题主要研究工作及论文结构 设计一个完整的无线智能监控系统是一项复杂的系统设计过程，主要可以分 为终端节点设计、路由节点设计、主控节点设计以及网络管理软件设计几个部分， 且需涉及到通信技术、网络技术、电子电路设计、数据库、软件工程等领域相关 知识。本文阐述了此系统中终端节点的设计方法，硬件核心采用f p g a 器件并且 以q u a r t u s 为集成设计环境进行开发，以提供低功耗、高稳定性的“单片”解决方 案；无线网络部分则由c c 2 4 2 0 芯片配合f p g a 构成r f 通信接口。 终端节点中f p g a 的设计为本文的研究重点。在f p g a 内部设计了1 2 c 总 线接口、c c 2 4 2 0 接口、滤波器、存储器、主控单元等功能模块，以完成终端节 点的数据采集、处理及传输功能。本设计中使用带有1 2 c 接口的数字传感器， f p g a 通过1 2 c 接口与传感器通信以接收传感数据。滤波器按一定滤波算法将原 始传感数据进行滤波处理。经滤波后的传感数据则通过c c 2 4 2 0 接口发送至无线 射频收发器c c 2 4 2 0 以供天线发送。存储器用于存储f p g a 内部传输的所有数据。 主控单元负责整个终端节点的功能控制。论文不仅详细介绍了以上各模块的设计 方法，还给出了必要的仿真分析。 论文结构以及各章节主要内容如下： 第一章引言，介绍了无线传感器网络监控系统的系统总体结构，对无线传感 6 硕十学位论文 器网络技术运用现状及发展前景也做了简要介绍。 第二章详细介绍了无线传感器网络的网络架构以及通信协议，并对i e e e 8 0 2 1 5 4 规范以及z i g b e e 协议做了详细说明。 第三章为终端节点的无线通信接口设计过程。本章中，首先介绍了c c 2 4 2 0 无线射频收发芯片，包括其结构、功能以及典型应用电路。然后详细阐述了一种 使用f p g a 器件实现c c 2 4 2 0 接口的方法，并给出仿真分析结果。 第四章为终端节点的1 2 c 通信接口设计过程。本章中，首先对1 2 c 总线进行 介绍，包括总线工作模式及传输时序。然后详细阐述了一种使用f p g a 器件实现 1 2 c 接口的方法，并给出仿真分析结果。 第五章为终端节点的总体设计过程。本章中，首先给出了终端节点的整体硬 件结构。之后对终端节点f p g a 设计进行说明，其中包括滤波器、存储器以及主 控模块的设计，并给出相应的仿真结果。最后对终端节点的外围电路设计做简要 介绍。 第六章结束语，对论文内容进行总结，并对本设计可以改进及扩展之处做必 要展望。 7 无线传感器网络 第二章无线传感器网络 传感器网络是由许多在空间上分布的自动装置组成的种计算机网络， 这些装置使用传感器协作地监控不同位置的物理或环境状况( 比如温度、 声音、振动、压力等) 1 9 】。该项技术主要融合了电子、通信以及计算机等学 科的相关领域，主要包括感应、通信以及计算( 硬件、软件、算法) ，其关键技 术为数据的查询及传输【2 0 1 。在计算机科学领域，传感器网络是一个研究热点， 每年都会召开很多的研讨会和国际会议。 无线传感器网络的构想最初是由美国军方提出的，美国国防部高级研究所计 划署( d 觥) 于1 9 7 8 年开始资助卡耐基梅龙大学进行分布式传感器网络的 研究，主要用于战场监测等军事应用，这被看作是无线传感网络的雏形【2 0 1 。随 着技术的发展，现今无线传感器网络被应用于很多民用领域，如环境与生态监测、 健康监护、家庭自动化、以及交通控制等。 2 1 无线传感器网络体系结构 ) 1 f ，j 诱哆 八杪。 例2 1 一种典型尢线传感叫络拓扑结构 f i g u e2 0 lat y p i c a lw i r e l e s s , 5 鲤1 8 0 1 n e t w o r kt o p o l o g ym o d e l 无线传感器网络是一种由大量传感器组成的应用于现场监控目的的无线网 络。这种网络并没有一定的网络结构，一般也无需交换机或基站作为中转，也可 称其为a dh o c 网络，即特殊的多跳移动无线网络【2 1 1 。一个典型的无线传感网络 8 硕+ 学位论文 结构如图2 1 所示，一般由众多终端节点、若干路由节点以及一个主控节点组成。 每个无线传感网络必须有一个主控节点，而路由节点和终端节点的数量则根据监 控区域大小、监控环境、监控要求等视情况而定。 终端节点是无线传感网络中数量最多的节点。终端节点主要由数据采集模块 ( 传感器、a d 转换器) 、数据处理和控制模块( 微处理器、存储器) 、通信模块 ( 无线数据收发器) 以及电源模块( 电池、d c k a c 转化器) 组成，分布于需要 监控的现场，对现场信息进行采集、处理后传输至路由节点：同时接收路由节点 发来的管理控制命令对相关设备进行控制【z 2 1 。 图2 - 2 终端节点硬件框图 f i g u e2 - 2t e r m i n a ln o d e sh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e 图2 2 所示为终端节点主要硬件结构框图。传感器作为终端节点的信息采集 装置，用于感知外界各种物理信息，并将各种信息转化为模拟电信号。模数转化 器将传感器输出的模拟信号转换为可供微处理器模块处理和存储的数字信号。微 处理器模块是整个终端节点的核心，负责整个节点的设备管理、任务分配、数据 处理、通信传输控制等多项关键功能；微处理器必须具备高集成度、低功耗、运 行速度快、稳定性强、成本低等特点，可选用合适的单片机、a r m 处理器或f p g a 器件。通信接口模块使用工作在2 4 g h z 的i e e e8 0 2 1 5 4 无线通信协议，在微处 理器的控制下完成数据传输。 路由节点是无线传感网络中数据接收和转发中继，用于网络环境检测以及联 系终端节点、路由节点和主控节点间的数据传输，可以扩展和延伸无线传感网络 容量【2 l 】。 终端节点与路由节点之间呈星形拓扑( s t a r t o p o l o g y ) 结构。在这种结构中， 所有的网络设备，包括完整功能设备( f u l lf u n c t i o n a ld e v i c e ，f f d ) 和部分功 能设备( r e d u c e df u n c t i o n a ld e v i c e ，r f d ) 都与一个被称为协调器( c o o r d i n a t o r ) g 无线传感器网络 的中央控制设备进行通信，如图2 - 3 所示。网络设备若与其它节点进行通信，必 须通过协调器进行转发。在无线传感网络中，路由节点即协调器，终端节点相互 之间不产生直接通信，数据传输必须在终端节点与其相对应的路由节点之间进行 2 3 】 o 9 ，( t 二i i j2 3 星形拓扑结构 g u e2 - 3s t a rt o p o l 0 9 3 磊 飞，一：昕 骰i y 5 ，p 梅 呷 t - - 、 气， 0 j - 协调器 完整功能设备 m a x _ b i t = 6 4 ；r e g ( 1 2 7d o w n t o1 2 0 ) - 0 1 0 0 0 0 0 0 ； w h e n 0 0 1 ”= m a x _ b i t = 7 2 ；r e g ( 1 2 7d o w n t o1 2 0 ) m a x _ b i t = 8 0 ；r e g ( 1 2 7d o w n t o1 2 0 ) m a x _ b i t = 8 8 ；r e g ( 1 2 7d o w n t o1 2 0 ) ”0 1 0 11 0 0 0 ； w h e n ”1 0 0 ”= m a x _ b i t = 9 6 ；r e g ( 1 2 7d o w n t o1 2 0 ) m a x _ b i t = 1 0 4 ；r e g ( 1 2 7d o w n t o1 2 0 ) m a x _ b i t = 1 1 2 ；r e g ( 1 2 7d o w n t o1 2 0 ) m a x b i t = 1 2 0 ；r e g ( 1 2 7d o w n t o1 2 0 ) n u l l ； e n d c a s e ； e n di f ； 进程p a c k 则负责生成p s d u 帧。当、r 信号有效时，进程依据数据选择端口f c f , d s n 、 a d d r 的状态将数据端口d a t a 的数据送至p s d u 帧所对应的字段当中。依据p s d u 帧格式， 信号r e g 的1 0 9 至1 0 4 位存储帧控制信息( f c f ) ，1 0 3 至9 6 位存储帧序列号( d s n ) ， 9 5 位到6 4 位存储地址信息，剩余的6 3 位则用来存储m a c _ p a y l o a d 端口送来的负载数据。 进程部分代码如下： i f w r = 1 t h e n 硕十学位论文 i f f e f = ”1 0 ”t h e nr e g ( 11 9d o w n t ol1 2 ) = d a t a ； e l s i ff c f l _ ol ”t h e nr e g ( 1lld o w n t o10 4 ) = d a t a ； e l s i fd s n = l t h e nr e g ( 10 3d o w n t o9 6 ) = d a t a ； e l s i fa d d r = 10 0 0 ”t h e nr e g ( 9 5d o w n t o8 8 ) = d a t a ； e l s i fa d d r = 0 10 0 ”t h e nr e g ( 8 7d o w n t o8 0 ) = d a t a ； e l s i fa d d r = ”0 010 ”t h e nr e g ( 7 9d o w n t o7 2 ) = d a t a ； e l s i fa d d r = ”0 0 01 ”t h e nr e g ( 71d o w n t o6 4 ) = d a t a ； e n di f ； r e g ( 6 3d o w n t oo ) - - - - m a c _ p a y l o a d ( 6 3d o w n t oo ) ； e n di f ； 通过这2 个进程已经在信号r e g 中产生了8 位f r a m el e n g t h 字段以及m a x b i t 位 p s d u 帧。在进程外还有如下语句对信号r e g 的1 3 5 位至1 2 8 位赋值： r e g ( 1 3 5d o w n t o1 2 8 ) _ ”0 0 1 1 1l1 0 ”； 可以看出这8 位为对c c 2 4 2 0 的t x f i f o 寄存器进行写入操作的寻址字段，因此信 号r e g 的1 3 5 至1 2 0 - m a x b i t 位构成了符合c 2 4 2 0t x f i f o 访问时序的s i 端口数据。 进程s e n d 在输出允许端口o e 有效的情况下，以c l k 为同步时钟将信号r e g 逐位输出 至p 0 端口。当总共m a x b i t + 1 5 位数据输出完成，端口e m p t y 置高电平，表明一次p s d u 帧发送过程完成。进程部分代码如下： i fr e s e t = l t h e nc ：= o ；e m p t y = t o ； e l s i fc l k e v e n ta n dc l k - 1 a n do 萨l t h e n i f e = m a x b i t + 1 5t h e ne n l p t y = 1 ； e l s ec ：= c + l ； e n di f ； p o p a y l o a d _ b i t = 8 ；b y t e s p a y l o a d _ b i t = 1 6 ；b y t e s p a y l o a d _ b i t = 2 4 ；b y t e s p a y l o a d _ b i t = 3 2 ；b y t e s p a y l o a d _ b i t = 4 0 ；b y t e s p a y l o a d _ b i t = 4 8 ；b y t e s p a y l o a d _ b i t = 5 6 ；b y t e s p a y l o a d _ b i t = 6 4 ；b y t e s n u l l ； e n d c a s e ； 进程g e t _ p a y l o a d 则根据进程g e t _ p a y l o a d b i t 产生的p a y l o a d _ b i t 信号，在p s d u 端口提 供的数据中分离出负载数据位，并依次存储至信号r c g 中，部分代码如下： 3 0 硕士学位论文 i fr e s e t = - l t h e nc ：= o ； e l s i fs t a r t = 1 t h e n l o ：f o rii n0t o6 3 l o o p r e g ( p a y l o a d _ b i t 一1 一c ) d a t a d a t a = r e g ( 15d o w n t o8 ) ； w h e n ”010 ”= d a t a d a t a d a t a - - - r e g (