（通信与信息系统专业论文）基于无线传感器网络的温度采集系统的研制.pdf

中文摘要 摘要 因特网改变了人与人的交互方式，传感器网络将改变未来人与自然的交互方 式。无线传感器网络是当今国内外备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研 究领域，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分 布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作，实时监测、感知 和采集各种环境或监测对象的信息。无线传感器网络与传统有线方式比较具有可 靠性高、安装容易、重复使用性和系统维护性好等优点。本论文针对工业现场设 计的一种温度传感器节点并组成了无线网络，可以对工业现场的温度进行监控， 防止重大事故的发生，具有重要的应用价值。 本文主要是研究工业现场温度采集系统中无线传感器节点的设计以及无线 通信协议的实现。无线传感器网络中的节点一般都采用电池供电，可以使用的能 量非常有限。因此，节能是整个无线传感器网络软硬件设计的核心问题。本课题 研究从硬件电路设计到软件协议实现都是把节能这个观点放在首位。首先，从芯 片的选择上，都是采用低功耗芯片，节点的微处理器是采用t i 公司生产的 m s p 4 3 0 f 1 4 7 超低功耗单片机；无线收发模块n r f 9 0 5 是用来实现节点间的无线短 距离通信；温度信号处理芯片采用美信公司生产的m a x 6 6 7 5 ，它集成了模数转化 的功能；还设计一些可控电子开关来进一步延续节能的思想。其次，在软件协议 的实现上，本课题是采用基于t d m a 方式的媒体接入控制协议，在非工作时间内 节点均处于低功耗模式，无线收发天线是关闭的，做到最大可能的节能。最后， 本文给出了实验结果，证明了设计的无线传感器节点以及通信协议设计的正确性， 分析了本课题设计的可拓展性。 关键词：无线传感器网络；温度；节能；t d m a 英文摘要 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f at e m p e r a t u r ec o l l e c t i o ns y s t e m b a s e do nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k a b s t a c t t h ei n t e r a c t i o nm o d ea m o n gp e o p l eh a sb e e ng r e a t l yc h a n g e db yt h ei n t e m e t , w h e r e a s ，t h ei n t e r a c t i o nm o d eb e t w e e np e o p l ea n dt h en a t u r ew i l lb eg r e a t l yi n f l u e n c e d b yt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kh a sa t t r a c t e dg r e a t a t t e n t i o no ft h ew o r l d , a n di sa ne m e r g i n gr e s e a r c h i n ga r e aw i mm u l t i - d i s c i p l i n e i n t e r l e a v i n g i ti n t e r g r a t e s s b 豇l s o rt e c h n o l o g y , e m b e d d e dc o m p u t a t i o nt e c h n o l o g y , n e t w o r ka n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , d i s t r i b u t e di n f o r m a t i o np r o c e s s i n gi n r e a lt i m e ，i td e t e c t s ，a p p e r c d v e sa n dc o l l e c t st h ei n f o r m a t i o no fv a r i o u se n v i r o m e n t so r o b j e c t sw i t ht h ec o l l a b o r a t i o no fk i n d so f l cs e n s o r s t h ew i d e s ss e i l ：s o rn e t w o r ki se a s y t od e p l o ya n dm a i n t a i nw i t hh i g l ar e l i a b i l i t y , r e u s e a b l e , e t c i nt h i sp a p e r , w ed e s i g n e da t e m p e r a t u r es e n s o rn o d e st od e t e c tt h et e m p e r a t u r ei nt h ei n d u s t r i a ls c e n e ，w h i c hi su s e d t oa v o i dt h ea c c i d e n ti nt h eb u s i n e s sp r a c t i c e s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g n a t i o no ft h ew i r e l e s ss e n s o rn o d e sa n dt h e i m p l e m e n to fw i r e l e s s s e n s o rp r o t o c o li nt h ei n d u s t r i a ls e t t l et e m p r a t u r ec o l l e c t i o n s y s t e m c o m m o n l yi nt h ew i r e l e s sn e t w o r k , n o d e sa r es u p p o r t e db yb a t t e r i e s s o ，h o w t os a v et h el i m i t e dp o w e ri st h ec o r ei m p o r t a n tp o i n ti nt h ed e s i g n a t i o no ft h ee n t i r e w i r e l e s ss e i 】l s o rn e t w o r ks o f l w a r e & h a r d w a r es y s t e m w ep l a c e dt h i sk e yp o i n to nt h e t o po ft h et o p i ca l lt h o u g ht h es y s t e m f i r s to fa l l ，i na d d i t i o nt os o m ek i n d so f c o n t r o l l a b l ee l e c t r o n i cs w i t c h ，w ec h o o s et h el o w e r - p o w e rc h i p s e tw i t hm s p 4 3 0 f 1 4 7 m c ub yt e x a si n s t r u m e n tc o m p a n y , n r f 9 0 5w i r e l e s st r a n s c e i v e ra n dm a x 6 6 7 5 s e n s o ru n i tb ym a x i mc o m p a n y s e c o n d a r y , w ea d o p t e dt h em e d i u ma c c e s sc o n t r o l p r o t o c o lb a s e do nt d m a i nt h ei d l et i m e ，n o d e sa r ei nt h el o w e r - p o w e rs t a t u sw h i c h w i r e l e s st r a n s c e i v e rw a sc l o s e d f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h es e n s o rn e t w o r k a r ep r e s e n t e dw h i c hp r o v e dt h ec o r r e c t n e s sa n de x p a n s i b i l i t yo ft h ed e s i g n a t i o no f w i r e l e s ss e n s o rn o d ea n dt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 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 ；t e m p e r a t u r e ；l o wp o w e r ；t d m a 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博士 硕士学位论文 ：基王玉线佳蹙墨圈终的温廑墨篡丕统的婴剑：。除论文中已经注明引用的 内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中 不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：名謦 刎年弓月，多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管 理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密函( 请在以上方框内打“4 一) 论文作者签名：易冬 日期： 导师签名：醵 砌j 年；月，弓日 基于无线传感器网络的温度采集系统的研制 第1 章绪论 1 1 课题的背景 人类进入2 l 世纪以来，微电子机械系统( m i c r o e l e c t r o - m e c h a n i s ms y s t e m ， m e m s ) 、计算机、通信、自动控制和人工智能等学科的飞速发展孕育了一种新型 的测控网络无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 。 无线传感器网络是继因特网之后，将对2 1 世纪人类生活方式产生重大影响的 n 热点技术。它将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起，改变人与自然 交互的方式。为此，1 9 9 9 年，美国商业周刊将无线传感器网络列为2 1 世纪最具 有影响的2 l 项技术之一；2 0 0 3 年，m r r 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，将其列为改变世界的1 0 大新技术之一；2 0 0 3 年，美国 商业周刊又在其“未来技术专版”中发表文章指出，传感器网络是全球未来的四 大高技术产业之一，将掀起产业浪潮【l 】。 1 1 1 无线传感器网络的概念和特点 无线传感器网络是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感器节 点密集布设在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完成制定任务的 “智能 自治测控网络系统。无线传感器网络是一种超大规模、无人值守、资源 严格受限制的全分布系统，采用多跳对等通信方式，其网络拓扑动态变化，具有 自组织、自适应等智能属性。这种无线传感器网络是由一组按需随机分布的集成 有传感器，数据处理单元和通信模块的微型传感器以自组织方式构成的无线网络， 其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息，并传送给信 息获取者。它是没有任何中心控制的自组织网络，依靠节点间的相互协作( 在事 先设计好的各种协议的支持下) 在移动复杂多变的无线环境中自行成网，借助于 多跳转发技术来弥补无线设备的有限网络是一种不需要依赖现有固定通信网络基 础设施的、能够迅速展开使用的网络体系，网络节点能够动态地、随意地、频繁 地进入和离开网络。所以它组网灵活性强、支持移动性、易于迅速展开、系统整 体能力强( 采用分布式网络结构，一个节点或者少数节点的被毁坏不会导致整个 系统的瘫痪) 、系统成本低陋3 l 。 第1 章绪论 无线传感器网络具有以下特点： ( 1 ) 传感器节点的通信能力有限。 传感器网的传感器传输速率低，通信距离近一般只有几十到几百米。由于传 感器往往工作在环境恶劣地区，更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以 及风雨雷电、潮湿、水浸等自然环境的影响，一方面造成传感器间的通信不可靠， 另一方面可能是传感器出现故障、甚至损坏【4 】。 ( 2 ) 传感器节点的能量、计算能力和存储容量有限。 随着传感器节点的微型化，在设计中大部分节点的能量靠电池提供，其能量 有限，而且由于条件限制，难以在使用过程中给节点更换电池，所以传感器节点 的能量限制是整个无线传感器网络设计的瓶颈，它直接决定了网络的工作寿命 s l ； 另一方面，传感器节点的计算能力和存储能力都较低，使得其不能进行复杂的计 算和数据存储。因而对于无线传感器网络的研究者们提出了挑战，它们必须设计 简单有效的路由协议等，来适用于无线传感器网络。 ( 3 ) 无线传感器网络的拓扑结构易变化，具有自组织能力。 由于无线传感器网络中节点节能的需要，传感器节点可以在工作和睡眠状态 之间切换，传感器节点随时可能由于各种原因发生故障而失效，或者添加新的传 感器节点到网络中，这些情况的发生都使得无线传感器网络的拓扑结构在使用中 很容易发生变化。此外，如果节点具备移动能力，也必定会带来网络的拓扑变化。 基于网络的拓扑结构易变化，无线传感器网络具有自组织、自配置的能力【6 】。 ( 4 ) 数据传输方向性强。在传感器网中，数据传输具有很强的方向性。 通常，查询信息是通过广播或多播的方式从观察者向网络内传感器传输，而 探测结果信息则是由分布在各处的传感器节点向查询节点汇聚。 1 1 2 无线传感器网络面临的挑战 无线传感器网络不同于传统数据网络的特点，给无线传感器网络的设计与实 现提出了新的挑战，主要有【7 - 9 1 ： ( 1 ) 低能耗 无线传感器网络长期在无人值守的状态下工作，要求网络中节点的平均能耗 比现有无线网络( 如b l u e t o o t h ) 中节点的能耗更低。因为一般的传感器节点都是 基于无线传感器网络的温度采集系统的研制 工作在非常恶劣的环境下，所以为大量的传感器节点频繁地更换电池是不现实的。 这就要求在无线传感器网络运行的过程中，每个节点都要最小化自身的能量消耗， 获得最长的工作时间。 ( 2 ) 低成本 无线传感器网络由成千上万的节点构成，单个节点的价格将极大地影响系统 的成本【l o l 。为了达到降低成本的目的，需要设计对计算和存储能力要求较低的简 单的网络系统和通信协议。此外，降低系统成本的另一个重要因素是减少系统管 理与维护的开销。无线传感器网络中的节点规模很大，人工的管理与维护开销很 大，因此需要无线传感器网络系统具有自配置、自修复的能力。自配置是指在没 有人工干预的条件下，网络中的节点能够监测到其他节点的存在并共同组成一个 具有一定功能和结构的网络系统。自修复是指在没有人为干预的条件下，系统能 够检测到网络节点或通信链路的损坏并能够从错误状态中恢复。 ( 3 ) 网络拓扑 传统的星型结构包含一个主节点，一个或多个从节点。在通信时，主节点与 从节点可以直接通信，从节点间的通信需要依靠主节点转发。星型结构适合在一 些小规模网络中使用。在无线传感器网络系统中，节点规模很大，节点间以一种 对等、多跳的方式通信，系统的动态性很强。需要设计一种适合无线传感器网络 通信特点、低开销、便于维护的网路拓扑结构。 ( 4 ) 安全 无线传感器网络系统具有严格的资源限制，需要设计低开销的通信协议，但 同时会带来严重的安全问题。由于低成本的限制，一些无线传感器网络系统只能 采用单频率通信机制。入侵者通过频率扫描的手段可以很容易地捕获无线传感器 网络的工作频率，通过在网络中植入伪装节点，采用各种手段发动攻击。这些手 段包括：以较高的能量广播报文，通知周围节点其通信链路质量良好，使邻近节 点选择伪装节点来转发报文，而伪装节点收到报文后直接丢弃；或伪装节点持续 唤醒周围节点，通过阻止节点休眠来耗尽其能量。总之。保障无线传感器网络的 安全是十分困难的，迫切需要提供符合无线传感器网络特点的简捷有效的安全机 制。 第1 章绪论 ( 5 ) 实时性 无线传感器网络是在真实的物理世界中运行的，因此，时间约束是很重要的。 一些应用具有不明确的实时要求。例如，一个用户进入房间后，系统需要在一个 很短的时间内对这一事件做出反应。反应的时延越短，就认为系统的性能越好。 一些应用具有明确的实时要求，如车载控制系统需要每l o m s 读一次加速度仪的 测量值，否则无法正确估计速度，可能导致交通事故。一些对端到端通信实时性 有明确要求的应用，如工业控制中压力表的测量值需要周期性、按时到达监测站 和执行器等。而无线传感器网络的超大规模、动态变化以及易受干扰等特点给实 时设计提出了很大的挑战。 ( 6 ) 智能性 无线传感器网络系统通过自组织的方式来完成用户指定的任务。系统需要感 知环境变化，通过节点间的协同工作来产生需要的输出。由于在工作的过程中无 需人为干预，因此，网络节点这种根据感知的信息协同工作的方式体现了系统的 智能性。无线传感器网络系统的超大规模、资源严格受限和与物理世界密切相关 等特点使其需要一种新的工作模式。在无线传感器网络系统中，单个节点不是很 重要，整个网络的协作最重要。无线传感器网络系统是以数据为中心的，它与物 理世界密切相关，而且高出错率、易受干扰和不确定的特点使传统的分布式系统 解决方案无法适用，需要设计新的工作模式【。 1 1 3 无线传感器网络的应用 无线传感器网络是一种“无处不在的传感技术，它使用户可以更加深入地 了解和把握周围的世界。无线传感器网络的随机布设、自组织、环境适应等特点 使其在军事、环境、医疗、家庭和其他商业领域有广阔的应用前景和很高的应用 价值【1 1 】。当然在空间探索和灾难拯救等特殊领域，无线传感器网络也有其得天独 厚的技术优势。 ( 1 ) 军事应用 无线传感器网络的军事应用十分广泛，其中包括：对友军距离、装给、弹药 的监控；战场侦查；敌占区监测；目标定位；战斗损失评估；对核、生化攻击的 侦查与探测等方面。 基于无线传感器网络的温度采集系统的研制 ( 2 ) 环境应用【4 1 随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。通过传 统方式采集原始数据是一件困难的工作。无线传感器网为野外随机性的研究数据 获取提供了方便，特别是以下几个方面。 将几百万个传感器散布于森林中，能够为森林火灾地点的判定提供最快的信 息。 传感器网能提供遭受化学污染源，不需要人工冒险进入受污染区。 降雨情况判定，为防洪抗旱提供准确信息。 实时监测空气污染、水污染以及土壤污染。 研究环境变化对农作物的影响。 监测海洋、大气和土壤的成分。 ( 3 ) 医疗应用 传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。无线 传感器网络的医疗应用包括：对人类生理数据的无线监测、在医院中对医护人员 和患者进行追踪和监控、医院的药品管理。 ( 4 ) 空间探索 探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒的传感器网络 节点，可以实现对星球表面长时间的监测。通过这些传感器网发回的信息进行分 析，可以知道这些天体的具体情况，为更好地了解他们，利用他们提供了一个有 效的手段。 ( 5 ) 商务应用 自组织、微型化和对外部世界的感知能力是传感器网络的三大特点。这些特 点决定了传感器网络在商业领域也会有不少的机会。无线传感器网络的一些商务 应用包括：监测物质疲劳程度、构建虚拟键盘、清单管理、产品质量监测、构建 智能办公室、自动化制造环境中的机器人控制与引导、互动玩具、互动博物馆、 工厂的过程控制与自动化、灾区监测、智能楼宇、设备诊断、执行器的本地控制、 车辆防盗系统、车辆的追踪于监控【1 1 。 第1 章绪论 1 2 主要工作及论文内容 1 2 1 主要工作 目前广泛采用的温度监控系统大多是测温点直接和p c 机有线连接方式【1 2 m 】， 这样的设计不免存在着一些缺点和不足，一是测温范围比较小，二是因为它们之 间的连接是有线连接，布线很不方便，三是测温点很少，成本相对比较高。 针对以上问题，本课题研究实现了一个基于无线传感器网络的工业现场温度 采集系统。这个系统是由无线传感器节点和中心控制节点组成，无线传感器节点 负责采集温度信息，一般情况下一个无线传感器节点就只能连接一个热电偶，但 是本设计从节约资源的角度出发，通过多方面的考虑和计算，目前设计的无线传 感器节点，它最多可以连接8 个热电偶，这样就大大的降低了成本，节约了资源。 中心控制节点主要是负责收集这些无线传感器发来的温度信息并把这些消息传给 p c 机。一个中心控制节点最多可以接收到1 0 个无线传感器发来的温度信息，这 个数字也通过多方考虑和测试得出来的。中心控制节点是通过r s - 4 8 5 方式和p c 机通信的，采用这种方式是因为一个p c 机可以连接一条4 8 5 线，这条4 8 5 线上 可以挂接多个中心控制节点，扩大了监测范围。因为整个网络是采用无线方式， 在临近区域有多个监测单元时，若无线收发模块采用相同发射频率的话，一定会 产生冲突，为了避免产生冲突，本设计考虑了设计了不同发射频率的天线，用在 临近区域防止冲突。 整个监控系统的设计如图1 1 所示。 基于无线传感器网络的温度采集系统的研制 图1 1 温度监控系统 f i g 1 1s y e t e mo f m o n i t o rt e m t m a t u r e 1 2 2 论文的主要内容 本课题是研究应用于温度监控系统中的中心控制节点和无线传感器节点的设 计。针对系统的要求及特点，决定采用基于t d m a 的媒体接入控制协议，使用 n r f 9 0 5 射频收发模块组成无线传感器网络。对整个网络进行了研究和开发，并完 成数据采集、通信测试实验和监控界面的接1 3t 作。 1 2 3 论文的内容安排 论文的内容分为四章： 第一章为绪论，简要介绍了相关课题背景、面临的技术挑战和主要负责的工 作。 第二章对系统节点的硬件设计进行了较为详细的介绍，包括微处理器、无线 收发模块、温度传感器及其信号处理芯片、数据存储的芯片的选择、无线传感器 节点i d 号的分配和节能电路设计等问题。 第三章主要是研究适用本系统网络通信协议。先简要介绍了网络通信协议， 同时完成了网络拓扑结构为单跳星型网络的数据传输程序设计，再考虑了软件方 面的节能问题，最后完成了与上层控制界面接口协议的程序设计。 第四章对设计进行了相关的测试，给出了实验数据和上层控制界面的数据显 第1 章绪论 示，并做了简要分析。 最后总结了本研究课题的主要工作及可以拓展的方面。 基于无线传感器网络的温度采集系统的研制 第2 章硬件设计 2 1 功能要求 整个硬件的设计过程中要考虑数据的采集，数据的传输，通信的质量，节 能，尽量降低成本，便于布点和携带。因为要用到工业现场，所以还要考虑周 围恶劣的环境。本设计主要是从以下几个方面来考虑的： ( 1 ) 稳定的传输和抗干扰性。 被测现场的环境一般都很恶劣，所以本设计的这些模块，如电源，无线收 发模块，处理器，采集模块都必须在被测的现场可以正常的工作。 ( 2 ) 节能。 一般采集节点必须采用电池供电，同时一般传感器网需要长时间工作，而 且不方便经常更换电池。所以在选用芯片时要尽量考虑低能耗的，以达到节能 的目的。 ( 3 ) 便于布点和携带。 因为一般的工业现场都比较复杂，这就需要布点容易，安装简单，易于操 作。 ( 4 ) 低成本。 低成本是这种节点的基本要求。只有低成本。才能大量的布置在目标区域 中，表现出传感器网络的各种优点。这是大规模无线传感器网络广泛进入实际 应用的必要前提。 2 2 总体设计 2 2 1 模块的总体构架 根据上述的讨论研究和功能需求，并根据参考文献0 4 的设计思想，设计 了一种以无线通信方式为依托的传感器网络硬件设计系统方案。某一个无线传 感器节点和中心控制节点的连接方式设计框图，如图2 1 所示。 第2 章硬件设计 中心控制节点 兰 无 勺 线 aa l o o 收 o 乙一 发 单 模 c 模 片块机 块 机 图2 1 无线传感器单元结构示意图 2 2 。2 模块的组成和功能 本设计参考了文献【1 5 】，模块的组成包括以下4 个方面： ( 1 ) m c u 模块：包括m s p 4 3 0 单片机和j t a g 接口。 ( 2 ) 数据采集模块：包括热电偶、m a x 6 6 7 5 温度信号处理芯片和一个 7 4 h c 4 0 5 1 八选一多路开关。 ( 3 ) 无线收发模块：选用n r f 9 0 5 作为天线进行无线收发数据。 ( 4 ) 电源模块：中心控制节点和无线传感器节点的电源模块是不同的。中 心控制节点是采用2 4 v 电压供电，所以需要电压转换分别达到m s p 4 3 0 单片机 的供电电压3 3 v 和m a x 4 8 5 的供电电压5 v 才可以。而无线传感器节点是采用 3 节3 6 v 电池供电，那么只需要把它转化为3 3 v 这一种电压为整个模块供电 即可。 2 3 系统各部分硬件组成 对于这个系统，在硬件上有很多要求，尤其是在无线传感器节点方面，首 先考虑是要把能耗降到最低，这就要求所选择的芯片最好是低功耗的，同时还 需要设计一些其他的节能措施；然后这种节点的体积一般都比较小，所以要求 最好都是贴片的元器件。中心控制节点要求接入电压必须是2 4 v ，需要和工业 通用电压一致；中心控制节点和p c 通信需要采用r s - 4 8 5 方式的。同时还要降 低成本，增加实用性。 基于无线传感器网络的温度采集系统的研制 2 3 1 处理器 处理器是整个系统的核心，它会直接影响到整个硬件设计。本设计选用的是 m s p 4 3 0 系列单片机。m s p 4 3 0 系列单片机是美国德州仪器( t i ) 1 9 9 6 年开始 推向市场的一种1 6 位超低功耗的混合信号处理器( m i x e ds i g n a lp r o c e s s o r ) 【1 6 1 。 它是一种超低功耗的混合信号控制器。由于其卓越的性能，在短短的几年内广 泛的应用于无线传感器网络中。 2 3 1 1n s p 4 3 0 系列单片机的特点 m s p 4 3 0 系列单片机具有以下共同特点【1 7 l ： ( 1 ) 低电压、超低功耗 m s p 4 3 0 系列单片机是采用1 耻3 6 v 的低电压，可以用电池工作。有1 种 活动模式( a m ) 和5 种低功耗模式( l p m l p m 4 ) ，以适应不同的需要。c p u 从低功耗模式被唤醒，最多只需要6 u s ，因此，在某些需要迅速作出反应的应 用中，c p u 能够及时退出低功耗模式，进入工作模式。 ( 2 ) 强大的处理能力 m s p 4 3 0 系列单片机，为1 6 位r i s c 结构，具有丰富的寻址方式( 7 种源 操作数寻址、4 种目的操作数寻址) 、简洁的2 7 条内核指令以及大量的模拟指 令；大量的寄存器以及片内数据存储器都参加多种运算；还有高效的查表处理 方法；有较高的处理速度，在8 m h z 晶体驱动下，指令周期为1 2 5 u s 。 ( 3 ) 灵活的时钟使用方式 除了片内集成一个晶体振荡器外，还可外接l 一2 个晶体振荡器。不同的内 部功能模式可根据需要使用不同的晶体振荡器，在不需要时可以通过设置寄存 器将其关闭，以降低功耗。 ( 4 ) 系统工作稳定 上电复位后，首先由d c o c l k 启动c p u ，以保证程序从正确的位置开始 执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存 器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作c p u 时钟 m c l k 时发生故障，d c o 会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞， 可用看门狗将其复位。 ( 5 ) 丰富的功能模块 第2 章硬件设计 m s p 4 3 0 系列单片机集成了大量的功能模块，这些功能模块包括：多通道 1 0 - - 1 4 位a d 转换器，双路1 2 位d a 转换器，比较器，液晶驱动器，串行口 u s a r t ( u 剐刑s p i ) ，硬件乘法器，看门狗定时器和多个1 6 位、8 位定时器( 可 进行捕获、比较、p w m 输出) 。 ( 6 ) 方便高效的开发工具 m s p 4 3 0 的芯片上包括j t a g 接口，因此在仿真调试程序时，通过j t a g 接 口下载程序到f l a s h 内，再由j t a g 接口控制程序运行、读取片内c p u 状态， 以及存储器内容等信息供设计者调试，整个开发( 编译、调试) 都可以在同一 个软件集成环境中进行。 2 3 1 2m s p 4 3 0 f 1 4 7 单片机及其特点 选择m s p 4 3 0 f 1 4 7 主要是从性价比这个角度来考虑的。这款芯片在市面上 十分普遍，很好购买；功能是m s p 4 3 0 系列中比较强大的，符合本设计的需求； 同时价格还不贵。m s p 4 3 0 f 1 4 7 是超低功耗f l a s h 型1 6 位r i s c 指令混合信号 控制器，它具有以下特点： ( 1 ) 超低功耗，3 3 v 电压供电，在i m h z 时钟条件下工作电流仅为4 0 0 p a ，能最 大限度地降低系统功耗； ( 2 ) 处理能力强大，指令简洁，只需2 7 条指令； ( 3 ) 可外接两组晶振，其中l f x t l 振荡器可直接与3 2 7 6 8 h z 的晶体相连，无需 再接其他元件，x t 2 振荡器可接高达8 m h z 的晶体，大多指令都是单周期指令，因 此运算速度亦十分可观，m s p 另外还有一个d c o 时钟源，这是一个可以实现数控 的r c 振荡器，无需外接任何晶体即可工作； ( 4 ) 存储空间有1 6 个1 6 位片内寄存器，多达3 2 k 的f l a s h 程序存储器，1 k 的片 上r a m ： ( 5 ) 内部集成j t a g 模块，调试仿真方便： ( 6 ) 处理能力强大，片上外设丰富，m s p 4 3 0 f 1 4 7 包含的组件如下【1 8 1 ： 基础时钟模块，包括1 个数控振荡器( d c o ) 和2 个晶体振荡器； 看门狗定时器r w a t c h d o g t i m e r ，可用作通用定时器； 带有3 个捕捉比较寄存器的1 6 位定时器t i m e ra ： 带有7 个捕捉比较寄存器的1 6 位定时器t i m e rb ； 基于无线传感器网络的温度采集系统的研制 2 个具有中断功能的8 位并行端口：p l 与p 2 ； 4 个8 位并行端口：p 3 、p 4 、p 5 与p 6 ； 模拟比较器c o m p a r a t o r _ a ； 1 2 位a d 转换器； 2 个通道串行通信接口( 软件选择u a r t s p i 模式) ； 1 个硬件乘法器； o3 2 k b + 2 5 6 字节f l a s h ，i k b 的删。 m s p 4 3 0 f 1 4 7 丰富的片内外设可使整个电路变得异常简化，减少了节点的功 耗和体积。在低功耗应用中设计程序时，最好采用以下方法：c p u 在初始化完成后， 处于低功耗工作模式，在有外部事件发生时唤醒进入中断服务程序，完成后重新 进入低功耗模式，照此循环往复，可以最大限度地降低功耗。 2 3 2 无线收发模块 2 3 2 1 无线收发器n r f 9 0 5 n r f 9 0 5 挪威n o r d i cv l s i 公司推出的单片射频收发器，工作电压为1 9 3 6 v ，3 2 引脚q f n 封装( 5 x 5 m m ) ，工作于4 3 3 8 6 8 9 1 5 m h z 三个i s m ( i 业、科 学和医学) 频道，频道之间的转换时间小于6 5 0 u s 。n r f 9 0 5 由频率合成器、接收 解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器， s h o c k b u r s t t m 工作模式，自动处理字头和c r c ( 循环冗余码校验) ，使用s p i 接 口与微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以1 0 d b m 的输出功 率发射时电流只有1i m a ，工作于接收模式时的电流为1 2 5 m a ，内建空闲模式 与关机模式，易于实现节能。n r f 9 0 5 适用于无线数据通信、无线报警及安全系 统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域【1 9 1 。 ( 1 ) n r f 9 0 5 芯片特点 n r f 9 0 5 片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功 率放大器等模块，曼彻斯特编码解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼 彻斯特编码，因此使用非常方便。 ( 2 ) n r f 9 0 5 的工作模式及设置 n r f 9 0 5 有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是 s h o c k b u r s t t m 接收模式和s h o c k b u r s t t m 发送模式，两种节能模式分别是关机 第2 章硬件设计 模式和空闲模式。n r f 9 0 5 的工作模式由t r x c e 、t x e n 和p w r u p 三个引 脚决定，如表2 1 所示。 表2 1n r f 9 0 5 的工作模式 t a b 2 1o p e r a t i o n a lm o d eo f n r f 9 0 5 p 、m ru pt r xc et xe n 工作模式 o关机模式 l0空闲模式 1l 0射频接收模式 1ll射频发送模式 ( 3 ) n r f 9 0 5 的寄存器 n r f 9 0 5 的内部寄存器是m c u 通过s p i 总线来进行配置的。n r f 9 0 5 是由5 个寄存器组成的。 发送地址寄存器 寄存器包括目标结构的地址，字节长度由配置寄存器设置。 发送数据寄存器 即t x - p a y l o a d ，它最大的数据位为3 2 b y t e ，同时可以根据需要修改数据位。 n r f 9 0 5 一次发送的数据包最大为3 2 b y t e 。用户需要将所需发送的数据写入该寄 存器，等待m c u 的控制命令，再进行发送。 接收数据寄存器 即r x p a y l o a d ，该寄存器的最大数据为也是3 2 b y t e 。只是在接收寄存器收 到有效数据时，d r ( d a t ar e a d y ) 会置高，通知m c u 读取该寄存器中的数据。 状态寄存器 状态寄存器只有一个字节，包括数据就绪( d r ) 和地址匹配( a m ) 的信 息。m c u 想要操作这些寄存器，需要按照n r f 9 0 5 的规定设置，n r f 9 0 5 提供 了特殊的命令字来对其寄存器进行操作。如表2 2 所示。 基于无线传感器网络的温度采集系统的研制 表2 2n r f 9 0 5s p i 串行接口指令设置 m 出2 2i n s t r u c t i o ns e tf o rt h en 】乇f 9 0 5s p ii n t e r f a c e 指令名称指令格式说明 w _ c o n f i g ( w c ) 0 0 0 0 从从 写配置寄存器，从从指出写操作的开始字节， 字节数量取决于从从指出的开始地址 r _ c o n f i g ( r c ) 0 0 0 1 从从读配置寄存器，从从指出读操作的开始字节， 字节数量取决于a a a a a 指出的开始地址 u x p a y l o a d ( 耵p ) 0 0 1 0 0 0 0 0 写发送数据 r t x p a y l o a d ( r t p ) 0 0 1 0 0 0 0 l 读发送数据 w t x a d d r e s s ( w t a ) 0 0 1 0 0 0 l o写发送地址 r _ t x - a d d r e s s ( r t a ) o o l o o o l l 读发送地址 r r x p a y l o a d ( r r p ) 0 0 1 0 0 1 0 0 读接收数据 射频配置寄存器 射频配置寄存器一共有1 0 个字节，包括频道设置、频段设置、输出功率设 置、外部晶体振荡器频率选择、发送和接收数据的有效字节数、接收地址配置 等重要信息。n r f 9 0 5 在发送数据之前，一定要先根据需求，设置好这些参数。 射频部分配置的具体信息，如表2 3 所示。 第2 章硬件设计 表2 3n r f 9 0 5 配置寄存器设置 t a b 2 3c o n f u g u r a t i o n - r e g i s t e rd e s c r i p t i 0 1 1 名称位宽 描述 r xj l 岬3 接收地址带宽( 默认为1 0 0 ) 0 0 1 一l b ) ，t e 接收地址带宽；1 0 0 4 b y t e 接收地址带宽 t xa 冈3同上 r xp w6 接收数据带宽( 默认为1 0 0 0 0 0 ) 0 0 0 0 0 1 一l b y t e 接收数据宽度 0 0 0 0 1 0 _ 2 b ) ，t e 接收数据宽度 10 0 0 ( d - - 3 2 b y t e 接收数据宽度 t xp w6 同上 r x _ a d d r e s s 3 2接收地址标识( 默认为e 7 e 7 e 7 e 7 ) u p l k _ f r e q 2 输出时钟频率( 默认为1 1 ) 0 0 。4 m h z ：0 l - 2 m h z ；1 0 一l m h z ：1 l 一5 0 0 l 【h z u p l k _ e n l 输出时钟使能( 默认为1 ) 一0 一没有有用的外部时钟信号；l 一外部时钟信号使能 x o f3 晶振频率，必须与外部晶振频率相对应( 默认值为1 0 0 ) 0 0 0 4 m h z ；0 0 1 一8 m h z ；0 1 0 一1 2 砌z o l l 一1 6 m h z ：1 0 0 - - 2 0 m h z c r ce nl c r c 校验允许( 默认为1 ) 一0 为不允许；1 为允许 c r cm o d el c r c 模式( 默认为1 ) o 为8 位校验位；l 为1 6 位校验位 ( 4 ) 设置n r f 9 0 5 的频段【2 0 1 n r f 9 0 5 可以支持多个频段，其中选择那个频段是由n r f 9 0 5 的配置寄存 器中的c h n o 和h f r e q _ p l l 来设置。计算公式如下： 厶= ( 4 2 2 4 + ( 凹一n o i o ) ) 木( 1 + h f r e q p l l ) m h z ( 2 1 ) 式中，h f r e q p l l 为l 位寄存器：0 为工作在4 3 3 m h z 频段；1 为工作在 基于无线传感器网络的温度采集系统的研制 8 6 8 9 1 5 m h z 频段。c ho n 是9 位的寄存器，用来选择具体的频道。还有 p ap w r 可以设置发送的功率( 默认值为0 0 ) ：0 0 为1 0 d b m ：0 1 为2 d b m ：1 0 为+ 6 d b m ：l l 为+ 10 d b m 。 ( 5 ) n r f 9 0 5 收发数据【2 0 】 发送数据流程如下： 当m c u 有数据要发送时，通过s p i 接口把接收端的地址和要发送的数 据写给n r f 9 0 5 ，s p i 接口的速率可以在通信协议和n r f 9 0 5 配置时确定。 m c u 需要把t r xc e 和t xe n 置高，来激活n r f 9 0 5 - i - 作在 s h o c k b u r s t t x 发送模式下。 n r f 9 0 5 的s h o c k b u r s t t m 发送模式： 射频寄存器自动打开 数据打包( 加字头和c r c 校验码) 发送数据包( 10 0 k b p s ，g f s k , 曼彻斯特编码) 如果a u t or e t r a n 被设置为高，n r f 9 0 5 将连续地发送数据包，直 到t r xc e 被设置为低。 当t r xc e 被设置为低时，n r f 9 0 5 结束数据传输并进入s t a n d b y 模式。 发送数据的时序图如图2