（通信与信息系统专业论文）基于arm与linux的无线传感器网络节点设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 无线传感器网络是一项融合计算机技术、半导体技术、通信技术、传感 器技术等的新兴技术，它在军事、工业、农业、建筑、医疗、交通等各个领 域均有广阔的应用前景。无线传感器网络中包含众多关键技术，因此需要一 种功能强大的节点支持网络的正常运行，为用户提供多功能的服务。 目前无线传感器网络节点的硬件平台绝大部分是基于单片机实现的，它 们具有有限的存储和处理能力，只能完成简单的传感器数据采集、处理和转 发功能。有少部分硬件平台采用3 2 位的处理器，但是这些平台的价格昂贵或 者灵活性较差，不利于无线传感器网络的实验研究及应用的拓展。 基于上述研究现状，本文设计并实现一个基于3 2 位a r m 处理器和l i n u x 操作系统的无线传感器网络节点。该节点具有强大的存储、处理能力，而且 成本和功耗较低，能够配合不同类型的传感器节点使用，便于二次开发，对 于无线传感器网络各种理论和算法的验证及实现各种应用有重大意义。论文 主要分为三部分： 1 、无线传感器网络节点硬件设计：在分析现有硬件平台缺点的基础上， 设计本文的无线传感器网络节点硬件结构，进行硬件选型并分析各个模块的 结构和硬件原理，搭建好硬件平台。 2 、无线传感器网络节点软件实现：根据设计的无线传感器网络节点硬件 结构分析软件应包含的内容及层次结构。由于l i n u x 支持多种体系结构、开 源等优点，因此本文选择其作为无线传感器网络节点的操作系统，并分层次 地实现基于l i n u x 的整个软件系统，包括引导程序、内核、根文件系统、驱 动程序。 3 、无线传感器网络节点的应用：在1 、2 部分完成的基本功能上需要扩 充具体的应用程序才能将该节点应用到实际环境中。这部分首先分析本文所 实现的节点的几种典型应用场景，然后在该节点上实现几种常用的服务程序， 最后设计并实现质心定位应用案例，展示了在此节点上可方便地实现功能扩 充和特定应用开发，同时也说明了该节点强大的功能。 关键词无线传感器网络；节点；a r m ；l i n u x ；质心定位 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) i san e wd e v e l o p i n gt e c h n o l o g yw h i c hi s a l l i n t e g r a t i o n o f c o m p u t e rt e c h n o l o g y , s e m i c o n d u c t o r t e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , s e n s o rt e c h n o l o g ya n ds o0 1 1 i th a sw i d ea p p l i c a t i o n p r o s p e c ti nt h em i l i t a r y , i n d u s t r y , a g r i c u l t u r e ，c o n s t r u c t i o n ，m e d i c a l ，t r a n s p o r t a t i o n a n do t h e rf i e l d s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si n c l u d e sm a n yk e yt e c h n o l o g i e s ，s oa p o w e r f u ln e t w o r kn o d ei sn e e d e dt os u p p o r tt h en o r m a lo p e r a t i o na n dp r o v i d e u s e r sw i t hm u l t i f u n c t i o n a ls e r v i c e s a tp r e s e n t ，m o s th a r d w a r ep l a t f o r m so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sn o d ea r e b a s e do nm i c r o c o n t r o l l e r sw h i c hh a v el i m i t e ds t o r a g ea n dp r o c e s s i n gc a p a c i t y t h e s e n o d e sc a no n l yc o m p l e t es i m p l ed a t aa c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n ga n df o r w a r d i n g t h e r ea r es t i l las m a l ln u m b e ro fh a r d w a r ep l a t f o r m su s i n g3 2 - b i tp r o c e s s o r s ，b u t t h e ya r ee x p e n s i v eo rh a v eb a df l e x i b i l i t y , s ot h e ya r en o tc o n d u c i v et ot h es t u d y a n de x p a n s i o no fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h ，t h et h e s i sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e da3 2 - b i t a r mp r o c e s s o ra n dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mb a s e dw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s n o d e t h en o d eh a sag r e a ts t o r a g e ，p r o c e s s i n gp o w e r , a n dr e l a t i v e l yl o w e rc o s t a n dp o w e rc o n s u m p t i o n ，t om e e tt h en e e d so fd i f f e r e n tt y p e so fs e n s o rn o d e su s e d f o rt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tf o rav a r i e t yo ft h e o r i e sa n da l g o r i t h m sv a l i d a t i o n a n di m p l e m e n t a t i o no faw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s t h et h e s i si sm a i n l yd i v i d e d i n t ot h r e ep a r t s ： 、 1 w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sn o d eh a r d w a r ed e s i g n ：a f t e rt h ea n a l y s i so ft h e s h o r t c o m i n g so ft h ee x i s t i n gh a r d w a r ep l a t f o r m , h a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo fw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k sn o d eo ft h i st h e s i si sd e s i g n e d t h e nt h et h e s i sd e s c r i b e s h a r d w a r es e l e c t i o na n da n a l y s i so ft h es t r u c t u r eo fe a c hm o d u l ea n dh a r d w a r e p r i n c i p l e 2 w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sn o d es o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o n ：i na c c o r d a n c e w i t ht h ed e s i g no fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sn o d eh a r d w a r es t r u c t u r e ，t h ec o n t e n t a n dh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r ea n a l y s i so f s o f t w a r ei sd e s c r i b e d b e c a u s el i n u x 西南交通大学硕士研究生学位论文 第i 页 s u p p o r t saw i d er a n g eo fa r c h i t e c t u r ea n di ti s0 p e l ls o u r c e ，s oi ti sc h o s e na st h e o p e r a t i n gs y s t e m u s e di nt h i st h e s i s t h e nd i f f e r e n t l e v e l so ft h ee n t i r e l i n u x - b a s e ds o f t w a r es y s t e ma l ei m p l e m e n t e d ，i n c l u d i n gb o o t l o a d e r , k e m e l ，r o o t f i l es y s t e m , d r i v e r s 3 w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sn o d ea p p l i c a t i o n ：t h eb a s i cf u n c t i o no ft h e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sn o d ei sa c c o m p l i s h e di np a r t1a n dp a r t2 b u ts o m e s p e c i f i ca p p l i c a t i o n ss h o u l db ea d d e dt os a t i s f yt h ea c t u a le n v i r o n m e n t a tf i r s t s e v e r a lt y p i c a l a p p l i c a t i o ns c e n a r i oo ft h en o d ea r ea n a l y s e d t h e ns e v e r a l c o m m o n l yu s e da p p l i c a t i o n sa r ei n t r o d u c e d a tl a s ta c e n t r o i dl o c a t i o na p p l i c a t i o n i sd e s i g n e dt od e m o n s t r a t et h ef u n c t i o n a l i t yo ft h en o d ei m p l e m e n t e di nt h i st h e s i s k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ；n o d e ：a r m ；l i n u x ；c e n t r o i dl o c a t i o n 西南交通大学曲南爻通大莩 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：夕虱弘虽 日期：妒7 岁7 多 j 指导老师签名：叩屯名k 日期： 如口罗f ，f 岁 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行的研究 工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本文在研究无线传感器网络对节点的要求，以及现有无线传感器网络节 点软硬件平台优缺点的基础上，设计了一个通用的无线传感器网络节点。 1 文中设计的节点将无线通信部分与数据处理部分分开。无线通信部 分可采用现有传感器节点，兼容性强，通用性高。数据处理部分采 用功能强大但价格相对较低的3 2 位a r m 处理器，可靠性高，接口 丰富，将节点的处理和存储能力提高到一个新的等级。文中还设计 了一种串口通信协议，用于无线通信部分与数据处理部分之间的通 - 儒o 2 为了屏蔽对硬件结构的依赖，选择了可支持多种硬件体系结构的 l i n u x 操作系统。为了实现完整、通用稳定的软件平台，文中完成以 下工作：实现了b o o t l o a d e r 与l i n u x 内核移植、根文件系统的建立以 及设备驱动程序的开发。为节点搭建了通用、强大、可移植性强、 便于二次开发的软件平台。 3 文中实现的节点功能强大，可以作为无线传感器网络中功能强大的 关键节点，如分簇无线传感器网络的簇头节点、网关节点和服务器 节点。为了便于二次开发，文中实现了l i n u x 操作系统上的常用用户 程序：数据库，w e b 服务器，f t p 服务器和s s h 工具包。为节点上 功能强大的应用程序的实现奠定了基础。 4 此外，文中在节点上实现了传感器网络最基本的应用案例：节点定 位。实验结果表明，节点正常运行，功能强大且可靠性高，达到了 预期目标。 闫趣矸川了 西南交通大学硕士研究生学位论文第i 页 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着半导体技术、微系统技术、计算机技术、通信技术等的飞速发展， 2 0 世纪9 0 年代末在美国发展了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 ) 技术。后来，美国商业周刊和m i t 技术评论在预测未来技 术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为2 1 世纪最有影响的2 1 项技术 和改变世界的1 0 大技术之一。无线传感器网络的应用前景非常广阔，能够广 泛用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复 杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理，以及机场、大型 工业园区的安全监测等领域。随着传感器网络的深入研究和广泛应用，传感 器网络逐渐深入到人类生活的各个领域1 1 】。因此国内外各大公司和科研机构 都纷纷参与到无线传感器网络的研究当中，并且出现了许多相关的软硬件产 品和实际应用案例。 典型的无线传感器网络体系结构如图1 1 所示。网络中的节点统称为无 线传感器网络节点，按照功能划分为三类：传感器节点( s e n s o r n o d e ) 、网关 节点( g a t e w a yn o d e ，又称基站、汇聚节点、s i n k 节点) 和管理节点( m a n a g e m e n t n o d e ) 1 1 。 图1 1 无线传感器网络体系结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 传感器节点部署于监测区域中，负责监测区域内的信息采集，节点之间 通过某种组网方式构成网络，将采集到的数据以多跳的方式发送到网关节点。 部分传感器节点具有路由功能，能够转发其他传感器节点的数据，在图1 1 中将这些节点称为路由传感器节点，其他传感器节点称为普通传感器节点。 普通传感器节点功能简单，通常是一个微型的嵌入式系统，其处理能力、存 储能力、通信能力较弱，一般采用电池供电。而路由传感器节点需要具有路 由计算和数据转发功能，因此需要较强的处理、存储和通信能力。 网关节点是无线传感器网络中的关键节点，功能强大，需要接收、处理 大量采集到的数据，并将数据通过其他网络( 如i n t e m e t 、g p r s 、w l a n ) 发送到管理节点。 管理节点负责数据的分析和显示，用户可以利用这些数据了解监测区域 的情况，或者控制监测区域中的节点。管理节点一般是通用p c 机或者其他手 持终端，如p d a 。 无线传感器网络是一项复杂的网络技术，涉及到许多关键技术，主要分 为通信协议、管理、应用支撑技术三个方面【2 】【3 】。通信协议主要有物理层、数 据链路层、网络层等；管理主要包括能源管理、拓扑管理、网络管理、q o s 支持与安全等；应用支撑技术则包括时间同步、定位技术、数据融合、应用 服务接口等。因此，在无线传感器网络广阔的应用前景下，除了无线传感器 网络节点的硬件之外，节点中需要实现的软件也非常复杂。 1 2 国内外研究现状 无线传感器网络中涉及到众多的软硬件技术，在学术领域和应用领域都 开展了大量的讨论、研究和设计工作，其中涌现出许多优秀的研究成果，主 要涉及硬件平台、操作系统、协议栈等几方面。 1 2 1 硬件平台 在无线传感器网络中主要涉及两类硬件平台：传感器节点、网关节点。 传感器节点主要分为四个部分：处理器模块，通信模块( 主要是射频芯片) 、 传感器模块和电源模块。网关节点主要包括处理器模块、网内通信模块( 与 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 传感器节点通信) 和网外通信内模块( 与其他网络通信) 。目前，传感器节 点的处理器主要采用a t m e la v r 系列和t im s p 4 3 0 系列单片机，部分节点 使用a r m 处理器( 如i m o t e 2 采用i n t e lx s c a l ep x a 2 7 1 ) ；射频芯片主要采 用t ic c 2 4 2 0z i g b e e 芯片，也有使用c c l 0 0 0 、n r f 9 0 5 等其他射频芯片的； 传感器模块根据具体应用的不同，差异很大。网关节点则主要是有不同类型 的网内通信模块和网外通信模块以支持不同类型的传感器节点和其他网络。 c r o s s b o w 致力于无线传感器网络节点软硬件平台的设计和开发，是业内 影响力较大的公司之一。该公司的硬件产品主要包括i m o t e 平台( 包括 i m o t e 2 i p r 2 4 0 0 ，i t s 4 0 0 ，i i b 2 4 0 0 ) ，处理器射频模块( 包括i r i s 、i r i so e m 、 m i c a z 、m i c a zo e m 、t e l o s b 节点处理器的存储、处理和通信能力强，可满足当前以及日后应用的 发展需求； 在处理器的选择上需要考虑价格因素，提高系统性价比； 硬件平台能接入多种传感器节点，实现平台的通用性。 核心传感器节点( c s n ) 传感器节点模块( s n m )传感器节点( s n ) 传感器模块 传感器通信模块 召一一 传感器通信模块传感器模块 s ms n c ms n c ms m 核心处理模块 c p m ；f 传感器s n 处p m 理模块 传感器处理模块 塔 s n p m 图2 1 传感器节点结构 图2 1 中的s n 表示传感器节点( s e n s o r n o d e ) ，可以是任意类型或者自 行设计的节点，如c r o s s b o w 公司的m i c a 系列、中科院的g a i n z 节点。 s n p m 表示传感器节点处理模块( s e n s o r n o d ep r o c e s s i n gm o d u l e ) ， 负责传感器节点的控制； s n c m 表示传感器节点通信模块( s e n s o rn o d ec o m m u n i c a t i o n m o d u l e ) ，负责传感器节点之间的相互通信； s m 表示传感器模块( s e n s o rm o d u l e ) ，负责环境数据的采集。 c s n 表示核心传感器节点( c o r es e n s o rn o d e ) ，是本文所要设计的无线 传感器网络节点。 c p m 表示核心处理模块( c o r e p r o c e s s i n gm o d u l e ) ，是核心传感器节 点的重要部分，也是本文的主要工作。它负责传感器节点数据的处理、 存储。通过c p m 提供的接口，c s n 可以与其他不同网络内的平台通 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 信，为其提供强大的通信能力。该模块应选用处理能力较强的处理器。 s n m 表示传感器节点模块( s e n s o rn o d em o d u l e ) ，可以是任意类型 或者自行设计的传感器节点，如g a i n z 、m i c a z 、t e l e s b 等。选择 的节点要能够提供u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u s r e c e i v e r t r a n s m i t t e r ，通用异步收发传输器) 接口与c p m 通信，且 能与传感器节点s n 通信。 通过u a r t ，c p m 可以对s n m 进行配置，并与s n m 收发数据。 2 2 硬件选型 2 2 1 传感器节点模块 核心传感器节点的传感器节点模块通过u a r t 与核心处理模块通信，同 时还需要与其它传感器节点通信。因此要求传感器节点和传感器节点模块应 该是同类型、能相互通信的节点，并且自带u a r t 。目前实验室购买了中科 院的g a i n z 和c r o s s b o w 的m i c a z 节点，由于g a i n z 节点本身自带u a r t 电平转换芯片，提供d b 9 接口，可以直接连接p c 机串口，方便开发调试【2 9 1 ， 故本文实现时选用g a i n z 节点作为传感器节点模块。 2 2 2 核心处理模块 核心处理模块是主要的数据处理、存储、通信部件，需要提供强大的处 理能力、存储能力和通信能力。在3 2 位嵌入式处理器中，常用的类型有a r m 、 m i p s 、p o w e r p c 等，其中a r m 处理器占了绝大部分市场份额，而且部分a r m 处理器的价格与单片机相差不大，因此选用a r m 处理器设计无线传感器网 络节点是非常实际的。 在选择a r m 处理器时需要考虑如下问题p o j ： 、 a r m 微处理器内核：如果需要使用w i n d o w s c e 或l i n u x 操作系统， 则需要选择带m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ，内存管理单元) 的 a r m 内核，如a i 洲9 2 0 t ； 系统的工作频率：它决定了a r m 处理器的处理能力； 芯片内存储器的容量：部分a r m 芯片内部自带了部分存储器； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 片内外围电路、片外设备：利用芯片提供的片内外围电路可以简化系 统设计，如果使用片外设备则需要设计较多的片外外围电路： 价格、功耗等其他因素。 综合考虑以上因素，最后选用三星公司的a r m 9 2 0 t 内核芯片$ 3 c 2 4 1 0 ， 它拥有足够的片内外围电路，可以简化核心处理模块的设计。 2 3 传感器节点模块的硬件结构 传感器节点模块应能与传感器节点和核心处理模块通信，本文选用中科 院的g a i n z 节点。该节点的实物图如图2 - 2 所示，硬件结构如图2 - 3 所示”。 传感器节点模块的处理嚣是a t m e g a l 2 8 l ，它是a t m e l 公司的a v r 系列单 片机，内部自带1 2 8 k bf l a s h 、4 k bs r a m 、4 k b e e p r o m 、s p i 接口、两个 可编程串行u s a r t m n i v e r s a ls y n c h r o n o u s a s y n c h r o n o u s r e c e i v e r , f f r a n s m i t t e r ， 通用同异步收发传输器) 、5 3 个可g p i o 口”。与传感器节点的通信通过c c 2 4 2 0 完成，它是一款符合1 e e e 8 0 21 5 4 标准的射频收发芯片，采用直接序列扩频， 传输速率可达2 5 0 k b p s 3 “。通过三个不同颜色的l e d 可以指示传感器节点模 块运行的状态。使用c o n n e c t o r 接口可以外接传感器模块、电源模块等，以实 现完整的传感器节点功能。通过a t m e g a l 2 8 l 的u a r t i 与核心处理模块相连 实现两部分的数据交互。 图2 - 2g a i n z 节点实物图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 图2 3g a i n z 节点硬件结构 2 4 核心处理模块的硬件结构 2 4 1 $ 3 c 2 4 1 0 处理器 三星公司推出的$ 3 c 2 4 1 0 是一款低成本、低功耗、高性能的3 2 位精简指 令集微处理器产品，主要为手持设备和_ 般类型的应用提供解决方案。 $ 3 c 2 4 1 0 使用a r m 9 2 0 t 内核，内部带有m m u 功能，采用0 1 8 u r n 工艺，工 作主频可达2 0 3 m h z 3 3 1 。其结构框图如图2 _ 4 所示。 其片上主要功能包括： 采用1 8 v 和3 3 v 双电压供电，内核工作电压1 8 v ，存储器及外部 i o 工作电压3 3 v ； 带1 6 k b 指令c a c h e ，1 6 k b 数据c a c h e 和m m u ； 带内存控制器，可提供s d r a m 控制及片选逻辑； 带n a n df l a s hb o o tl o a d e r ，支持从n a n df l a s h 启动； 带d m a 功能的l c d 控制器，最大支持4 k 色s t n 和2 5 6 色t f t ； 带外部请求引脚的4 通道d m a ； 3 通道u a r t 及2 通道s p i ： l 路i i c 总线，1 路i i s 总线； s d 主机接口1 0 版本，兼容m m c 协议2 1 1 版 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 通道u s b ( h o s t d e v i c e ) ： 4 路p w m 定时器和1 路内部定时器； 看门狗定时器； 1 1 7 个通用i o ，2 4 路外部中断； 功率控制：包含正常、慢速、空闲及掉电四种工作模式； 8 路1 0 位a d c 和触摸屏接口； 带日历功能的实时时钟； 带p l l 的片上时钟发生器。 仁参厂可 筒 i 牟令l 蜊o f 令i r t c 至 霍豳、曩鼍置喇 图2 - 4s 3 c 2 4 1 0 结构框图【3 3 】 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 2 4 2 核心处理模块的总体结构 核心处理模块的处理器$ 3 c 2 4 1 0 能为系统提供强大的处理能力、存储能 力和丰富的网络功能，它的硬件结构如图2 - 5 所示。 图2 - 5 核心处理模块硬件结构 s 3 c 2 4 1 0 工作频率可达2 0 3 m h z ，具有强大的处理能力；外扩的6 4 m b s d r a m 、6 4 m bn a n df l a s h 能提供强大的存储能力；利用c s 8 9 0 0 a 可以提供 以太网连接从而接入i n t e m e t ；通过u s bh o s t 接口可以连接u s b 接口类型的 g p r s 卡或w l a n 卡从而与这些类型网络通信，还可以接u 盘以扩展核心处 理模块的存储能力或者提供数据备份能力。另外还提供几个l e d 及按键，可 以实现简单的用户交互功能。 由于本文的侧重点不在于硬件开发，也为了节省成本( 自己制作p c b 板 的成本比直接买开发板高得多) ，本文选用广州友善之臂的开发板s b c 2 4 1 0 。 它提供了图2 5 中所有的硬件模块，能够满足要求，价格也较低，其实物图 如图2 6 所示【3 4 。 亘塑茎望查兰里圭竺窒兰兰堡笙茎至! ：墨 图2 - 6s b c 2 4 1 0 实物图 24 3 核心处理模块的硬件原理 在使用开发板s b c 2 4 1 0 之前，首先需要对将用到的设各硬件原理进行分 析，在此分别介绍各部分硬件。 1 、s d r a m s d r a m 在系统中主要用作程序的运行空间、数据及堆栈区。由于其存 取速度远高于f l a s h ，系统上电后先从f l a s h 中运行启动代码，在完成初始化 后会将代码调入s d r a m 运行。s d r a m 采用电容作为存储单元，在运行过 程中需要定时刷新以免数据丢失。$ 3 c 2 4 1 0 提供了s d r a m 刷新控制逻辑， 可以方便地与s d r a m 接口。核心处理模块使用两片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 c t ”“， 提供6 4 m b 的存储空间，它们与$ 3 c 2 4 | 0 的连线图如图2 7 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 a d d r 2 加d r l4 d a t a m 巾i a t a15 d a t a l 6 、d a t a 3 l a d d r 2 4 a d d r 2 5 1 1 g c s 6 其他信号 a 0 叫1 2 d q 0 d q l 5 b a o b a l n s c sn w p 其他信号 h y 5 7 v 5 616 2 0 c t a 0 j a l 2 d q 0 - d q l 5 b a o b a l n s c s 其他信号 h y 5 7 v 5 616 2 0 c t 图2 7 两片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 c t 与$ 3 c 2 4 1 0 连线图 2 、n a n df l a s h 目前常用的f l a s h 有n o rf l a s h 和n a n df l a s h 两类，n o rf l a s h 具有芯片内 执行的特点，其连接方式类似于s d r a m ，但是n o rf l a s h 的存储密度、写入 和擦除速度、生命周期都不如n a n df l a s h ，然而n a n df l a s h 的使用需要特殊 的系统接口。s 3 c 2 4 1 0 专门提供了n a n df l a s h 接口，可以方便地使用n a n d f l a s h 及运行存储在n a n df l a s h 当中的程序。因此本文选用n a i a df l a s h 做为固 态存储器，以存储程序和数据，所用的芯片型号为k 9 f 1 2 0 8 u o m 3 6 】，它是三 星公司生产的容量为6 4 m b 的n a n df l a s h ，常用于手持设备等消费类电子产 品。k 9 f 1 2 0 8 u o m 与$ 3 c 2 4 1 0 的连接示意图如图2 8 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 d 峨憾 d 讯 1卜、 1 0 0 1 0 7 ， r n b r n b a l e g p a l8 a l e c l e g p a l7rc l e ， n f c e g p a 2 2n c e n 、肿 n f r e g p a 2 0 n r e n f w e g p a l 9 n w e 3 、以太网 s 3 c 2 4l0k 9 f 1 2 0 8 u o m 图2 8k g f l 2 0 8 u o m 与$ 3 c 2 4 1 0 连线图 v 核心处理模块内置1 0 m 1 0 0 m 以太网接口，可以为系统提供丰富的网络 功能和软件升级及远程管理功能。在此选用c s 8 9 0 0 a 低成本局域以太网控制 器。它包括片上r a m 、1 0 b a s e t 发送和接收滤波器，以及一个有2 4 m a 驱动 器的直接i s a b u s 接口【3 7 1 。c s 8 9 0 0 a 与s 3 c 2 4 1 0 的连线图如图2 - 9 所示。 a d d r 0 叫d r l9s a 0 s a l 9 d a t a 0 d a t a l 5- s d 0 s d l 5 n o en l o r a d d r 2 4 n 、肫 l l i o w n g c s 3a e n n b e l ：n w b e l ：d q m l n s b h e n w a i t l o c h r d y e n q t 9 g p gl r n t r q 0 4 、u s bh o a t 图2 9c s 8 9 0 0 a 与s 3 c 2 4 1 0 连线图 c $ 8 9 0 0 a $ 3 c 2 4 1 0 内部集成了u s bh o s t 控制器，完全兼容o h c i1 0 、u s b l 1 标 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 准，支持低速和全速u s b 设备。因此能够很方便地实现u s bh o s t 接口，其 电路图如图2 1 0 所示。 。 。 ：，1 二。：j ， ：+ ；：；：j ：v 阴并酝； 。：一：； 蠢；：- ：o ：i0 ：。： ：。：，：5 ；：；：_ j r ，；：? ，一+ 。： 图2 1 0u s bh o s t 原理图 5 、u a r t 作为传感器节点模块的g a i n z 节点与核心处理模块的$ 3 c 2 4 1 0 之间通 过u a r t 接口连接，只需使用简单的数据发送引脚t x d 和数据接收引脚r x d 即可，原理图如图2 1 1 所示。 6 、l e d ： 2 。v d d 3 3 v _ _ 9 i v c c 3 vv c c w 1 ：【d l ，g p h 4r x d 0 ： r x d l ，g p h 5t ) e 1 0 g n dg n d 上 j $ 3 c 2 4 1 0 i 丐j 。g a i n z 一一， 图2 1 1u a r t 连接原理图 $ 3 c 2 4 1 0 提供1 1 7 个g p i o ( g e n e r a lp u r p o s ei 0p o r t s ，通用输入输出端 口) ，通过g p i o 能够设置或者读入引脚的电平状态，因此能方便地控制l e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 的状态。核心处理模块提供了四个l e d ，分别接到四个g p i o 上，其原理图 如图2 1 2 所示。 7 、按键 = ：参：。；：茹：；j 二= 善= ：= = 五= 茹= o ，j 3 c 2 4 垮 图2 1 2l e d 原理图 核心处理模块提供四个按键，分别接到具有中断能力的g p i o 上，其原 理图如图2 1 3 所示。通过一个上拉电阻将处理器的g p i o 引脚拉高，电阻的 另一端连接按钮并接地。当按键按下时g p i o 引脚电平为低，松开按键后g p i o 引脚电平为高。 二o 二，。喜，；：。，：；，。：- 叠二：z ：，亨z ：二 图2 1 3 按键原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 2 4 4 硬件资源占用情况 结合前面对硬件原理的分析和$ 3 c 2 4 1 0 数据手册，总结出在核心处理模 块中各部分硬件的资源占用情况，如表2 1 所示。其中n a n df l a s h 、u s bh o s t 、 u a r t 、l e d 、按键的操作均通过寄存器完成，c s 8 9 0 0 a 、u s bh o s t 、u a r t 、 按键对应$ 3 c 2 4 1 0 的部分中断源。 表2 - 1 硬件资源占用表 硬件片选基地址寄存器地址大小中断 s d r 6 l m n g c s 6 0 x 3 0 0 0 0 0 0 06 4 m b c $ 8 9 0 0 an g c s 30 x l9 0 0 0 3 0 0 e i n t 8 2 3 n a n df l a s h 0 x 4 e 0 0 0 0 0 0 - 4 ) x 4 e 0 0 0 0 1 46 4 m 旧 u s b h o s t0 x 4 9 0 0 0 0 0 0 0 x 4 9 0 0 0 0 5 8 i n t u s b h u 蜮10 ) 6 0 0 0 4 0 0 0 - - 4 ) x 5 0 0 0 4 0 2 8 心n n a r t l l e do x 5 6 0 0 0 010 一d x 5 6 0 0 0 018 按键 o ) 6 6 0 0 0 0 5 0 一加x 5 6 0 0 0 0 5 8e i n t l 也i n t 3 、 e i n t 4 7 备注：表中未填的项表示该项不适用于对应的硬件 2 5 本章小结 本章结合无线传感器网络中现有硬件平台的缺陷和应用需求，将要实现 的无线传感器网络节点分为两个主要部分：传感器节点模块s n m 和核心处理 模块c p m ，并选择了实现这两部分内容的硬件平台。然后详细描述了传感器 节点模块和核心处理模块的硬件结构和原理。传感器模块基于单片机 a t m e g a l 2 8 l 和c c 2 4 2 0 实现，主要负责与传感器节点通信和传感器数据采集。 核心处理模块基于3 2 位a r m 处理器$ 3 c 2 4 1 0 ，扩展了系统必须的s d i 乙w 、 f l a s h 、以太网、u s bh o s t 、u a r t 、l e d 及按键，能提供强大的处理、存储 和通信能力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 第3 章无线传感器网络节点软件实现 3 1 软件涉及内容 本文设计的无线传感器网络节点包括两大部分：传感器节点模块和核心 处理模块。传感器节点模块的处理器为a t m e l 的a v r 系列单片机 a t m e g a l 2 8 l 。核心处理模块的处理器为三星公司的$ 3 c 2 4 1 0a r m 9 处理器， 而且为了提供强大的软件功能，在$ 3 c 2 4 1 0 上需要运行操作系统，因此这两 大部分的软件开发方法大不相同。传感器节点模块上的软件是在单片机上进 行编程，直接操作单片机的寄存器即可，开发工具采用a v r 单片机的集成开 发环境a v rs t u d i o 。基于操作系统的软件实现需要遵循该操作系统的软件层 次、开发流程和方法。 此外，传感器节点模块和核心处理模块之间通过u a r t 进行通信，因此 本文还设计实现了两部分通信的串口通信协议。下面分别介绍各部分软件的 实现内容。 3 1 1 传感器节点模块的程序 传感器节点模块选用中科院的g a i n z 节点，该节点采用一个基于环形队 列的任务调度机制。在系统上电后跳转至主函数入口，并执行一系列的初始 化工作，完成之后进入无限循环，维护任务队列并执行任务调度。当有外部 事件或者内部中断发生时，系统执行中断服务程序并将产生的任务放入任务 队列，之后返回并继续维护任务队列。当队列中有任务时执行该任务，否则 系统处于等待状态。因此在对传感器节点模块进行编程时需要遵循这个任务 调度规则【2 引。 传感器节点模块的功能比较简单，主要涉及到串口和c c 2 4 2 0 的数据收 发问题。结合g a i n z 节点模块的任务调度机制，其程序实现结构如图3 1 所示。底层是各部分硬件的驱动程序，它们分别操作不同的硬件。c c 2 4 2 0 驱 动主要包括c c 2 4 2 0 的初始化、发送数据、通过中断方式接收数据。当产生 数据接收中断时调用任务管理中的提交任务方法将数据读取和解析任务放到 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 1 页 任务队列中。u a r t 驱动主要包括串口初始化、数据的接收和发送，当产生 发送或接收中断时，提交数据处理任务到任务队列中。l e d 驱动主要实现l e d 的点亮和熄灭。在传感器节点模块中实现的应用程序部分只需要完成硬件设 备初始化便可进入任务处理的无限循环当中。当有中断产生时会添加任务到