无线传感器网络节点设计与实现

中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书无线传感器网络节点设计与实现摘要：本文以设计无线传感器网络节点为目的，针对节点体积小、低功耗、低成本的特点，高度集成化和资源利用最大化，用较少的芯片设计出了功能完善的节点电路板，满足实际应用的需求。文中对本次设计节点的硬件设计理念作了一个简要的介绍，其中最突出特点是采用了功能模块分离的设计思想，将节点系统分为电源模块、数据采集模块、数据处理模块和无线收发模块，这种设计方式增强了节点的可扩展性和独立性。本文由九章组成，内容主要包括对本次设计节点的介绍、节点设计软件的介绍、节点设计理念、使用芯片简介以及部分芯片的初始化等。详细的组织和结构为：第 1 章简要介绍了声音传感器节点知识以及国内外的典型节点。第 2 章介绍了本次设计中节点原理图与 PCB 设计使用到的软件 Cadence。第 3 章阐述了本次的设计理念与节能方式。第 4 章与第 5 章是本论文的重点，第 4 章重点阐述了各功能模块的作用，以及模块间和模块内部数据交换与处理方式。详细介绍了节点内重要芯片的功能及使用方法，文中还对部分芯片的工作原理作了简要的说明。此外，本次设计中采用了电源通断芯片，通过软件控制，实现对部分芯片的供电通断，使一些暂无数据处理的芯片进入休眠状态，从而达到节点的低功耗要求。第 5 章是本次设计的软件实现介绍，主要是对 DSP 与 FPGA 进行初始化编程。第 6章中，简要介绍了 PCB 板的设计规则和本次设计中采用的设计结构。第 7 章对本次设计的节点实际仿真的结果作了一个统计与分析。第 8 章是本次毕业设计的难点和创新亮点。最后在第 9 章，对本次设计作了简要的总结与展望。关键字：无线传感器网络，节点硬件设计，模块化设计理念，低功耗，DSP,FPGA中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书Design and implementation of wireless sensor network nodeAbstract：Based on characteristics of being small volume, low power consumption, low cost，a wireless sensor network node is designed highly integrated and maximizing resource utilization, which circuit board is perfectly functioning，only used a few chips to meet the needs of practical application. A brief introduction on the design philosophy of node hardware for this design is given in this article. The most prominent feature is using the design of function-modules separated mode. The node system is divided into four parts: power module, data acquisition module, data processing module and the wireless transceiver module. In this way, the scalability and independence of the node can be strengthened.This article consists of nine chapters, mainly contained the introduction of the node in this design and the node design software, design concept of the node, the chips we used and the initialization of some chips. Specific content are as followed: In chapter 1, we gave a brief introduction on the knowledge of sound sensor nodes and some typical nodes abroad. Chapter 2 will be shown us the schematic of node and Cadence the software used in the design of PCB. And we elaborated the design concepts and energy conservation mode. Chapter 4 and 5 are the most important part in the essay. In chapter 4, we focused on the role of every functional module, and the data exchange and processing methods between and inside the modules. Presented the function and using of important chips in detail, and we give a brief account of other chips works .Besides, power switch chip is used in this design. We control the power of chips by using software, shut down the power of the data processing free chips temporarily in order to meet the requirement of low power consumption of the node. Chapter 5 contains the software implementation for this design, and the initialization programming of DSP and FPGA. In chapter 6, we briefly introduced the rules of PCB board design and the design structure in this design. A statistics and analysis for real simulation results of the node is given. Chapter 8 is the highlights and the difficulties of the design. Finally in chapter 9, 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书we drew a conclusion and gave an outlook of the design.Key words: wireless sensor network, the node hardware design, modular design concept, low power consumption, DSP and FPGA中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书目 录 1 绪论 .11.1 研究背景及选题意义 .11.2 国内外研究现状 .21.3 无线传感器网络简介 .41.3.1 无线传感器网络的基本概念 .41.3.2 声音节点的无线传感器网络基本特点 .51.4 节点设计的功能实现及意义 .52 Cadence 软件介绍 .72.1 基本介绍 .72.2 功能模块 .72.3 设计流程 .82.4 多层 PCB 设计的注意事项 .92.5 小结 .103 传感器节点总体方案设计 .113.1 节点设计原则 .113.2 节点模块化设计理念 .113.3 节点低功耗实现方式 .123.4 总体方案设计图 .133.5 小结 .134 硬件原理及电路设计 .144.1 电源模块 .144.1.1 电压转换电路 .144.1.2 恒流源电路实现 .184.2 数据采集模块 .194.2.1 传声器的选择与简介 .194.2.2 调理电路实现 .204.2.3 A/D 转换芯片简介 .22中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书4.3 数据处理模块 .224.3.1 数据处理模块结构设计 .234.3.2 FPGA 的选型 .234.3.3 DSP 的选型 .254.3.4 数据处理模块外围电路设计 .274.4 无线收发模块 .294.5