低功耗无线环境监测器设计与实现开题报告PPT课件

1 低功耗无线环境监测器设计与实现 制作人童年指导吕伟锋 2 一低功耗无线环境监测器设计与实现的发展状况和趋势 说明选题的依据和意义 1 低功耗无线环境监测器设计与实现的研究动态 当前国内外出现了多种无线传感器网络节点的硬件平台 典型的节点包括Mica系列 Telos IRIS和Imote2等 各平台的主要区别是采用了不同的处理器和无线通信模块 有些节点具有高性能但功耗较大 如Imote2节点 不适用于能量受限的应用环境 其他一些节点 如Telos Mica等 由于设计时间较早 其性能已经落后于当今的集成电路工业设计水平 4 因为无线传感器网络节点一般采用电池供电 工作环境通常比较恶劣 而且数量大 更换非常困难 所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一 3 2 低功耗无线环境监测器设计与实现的发展趋势 由于无线传感器网络节点的稳定运行是整个网络可靠性的重要保障 在不同的应用中 传感器网络节点的组成不尽相同 已有的节点 有的只考虑低功耗而性能不高 有的性能高但是功耗太大 因此 无线传感模块的发展必然是趋向与低功耗的 即在保证所需要实现功能的基础上 尽量的实现整个模块的低功耗 甚至在不影响整体性能的情况下适当减少部分功能来实现降低功耗的目的 最后 基于能力存储技术的发展 电池的容量越来越大 再加上低功耗的实现 无线传感模块的适用寿命不断增加将会成为一个绝对趋势 未来的无线传感模块必将是集稳定性与安全性 扩展性与灵活性 微型化与低成本等特点为一体的 4 3 选题的依据 随着无线技术的快速发展和日趋成熟 无线通信也发展到一定的阶段 其发展的技术越来越成熟 方向也越来越多 越来越重要 大量的应用方案开始采用无线技术进行数据采集和通信 微机电系统和低功耗高集成数字设备的发展 使得低成本 低功耗 小体积的传感器节点得以实现 这样的节点配合各类型的传感器 可组成无线传感器网络 WSN 此方面的研究由来已久 是计算机应用的扩展 采用了大规模集成电路和嵌入式技术 使用智能微处理器对采集到的信息进行处理和加工 现已广泛应用于社会建设的各个层面和人们的日常生活当中 但过去的研究有的只考虑低功耗而性能不高 有的性能高但是功耗太大 5 4 研究的目标 当前对于无线传感技术的研究仍然处在一个高速发展的阶段 低功耗就是其发展方向之一 而低功耗与高性能的结合实现还不完全 因此 为了更好的实现无线环境监测模块的功能 增加模块的可靠性和使用寿命 通过对无线传感节点的硬件功耗的分析 确定无线传感模块各单元的基本功率消耗 并进行相应比较 确定需重点降耗的单元 在此基础上结合当前对低功耗无线传感环境模块的研究 通过对比分析选择合适的芯片完成对低功耗无线传输模块的自主设计和制作 并辅助软件开发人员完成各子模块的驱动编写 实现低功耗无线传感环境监测模块的整体通信功能 6 5 选题的意义 低功耗无线传感模块研究具有极其重要的学习和研究价值 其功能的实现具有极其重要的理论和现实意义 近年来 随着无线传感器网络技术的迅猛发展 以及人们对于环境保护和环境监督提出的更高要求 越来越多的企业和机构都致力于在环境监测系统中应用无线传感网络技术的研究 在工农业生产中 对环境的温度和光照等参数常常会提出一些特殊的要求 甚至要求实现对温度和光照的实时监视和控制 该无线环境监测系统智能化程度高 可实现对周边环境温度和光照信息的探测 并实时显示数据 将采集到的数据进行保存和分析处理 每个探测节点可与监测终端进行无线传输 7 二研究的基本内容 1 1系统硬件设计 整个传感器系统包括微处理器模块 16位单片MSP430F149 日历时钟芯片 复位电路及外围电路 传感器测量模块 温湿度传感器 光照强度传感器 半导体型可燃气体敏感元件MQ306A 存储器模块 Flash存储SST25VF020 数据通信模块 串口通信 无线通信 电源模块 LT1962EMS8 3 3 LT1761ES5 5 LTC3459ES6 8 1 2系统软件设计 测控程序利用MSP430系列单片机配套的开发环境IAREmbeddedWorkbench开发 它同时支持汇编语言和C语言编写 本系统采用C语言来开发测控程序 利用MSP430系列单片机的JTAG接口 通过TI公司所带的仿真器FET可以方便的进行程序调试和代码下载 所有程序采用模块化设计 9 2拟解决的主要问题 2 1传感器节点设计 节点分为传感单元 主控单元 通信单元和供电单元4部分 传感单元负责采集数据 主控单元负责接收传感单元传输的信号并对其进行适当处理 然后存储在主控单元的储存器中或将处理好的信息传输给通信单元 并控制通信单元在适当的时候发送数据 通信单元负责发送数据 不同等级的节点通信单元也有所不同 供电单元为其他单元提供能源 10 2 2路由协议的分析 由于无线传感器网络能量有限 必须节能从而延长网络生命期 本文采用一种基于集中式与分布式相结合的分簇算法 数据传输阶段划分成帧 簇内每个普通节点在簇头节点分配的时间槽里一次传送一帧 在每个时槽中 数据恒速传送 在簇形成时 每个簇的节点数并不相等 故每个簇内时槽的大小也不相等 时槽的大小根据簇内每个普通节点的多少决定 为了减少能源浪费 簇内每个普通节点都使用能源控制 只有在自己的时槽中 才打开发送装置 进行数据传输 11 2 3系统超低功耗技术 传感器网络节点分布在区域的各个角落 必须采用微电池供电 要保证系统一定寿命必须实现超低功耗 可从两个方面解决 a 选用超低功耗器件 b 实现多种工作状态 如发射 接收 采集数据 睡眠等状态 环境中的监测事件具有很大的偶发性 节点上所有工作单元没有必要时刻保持在正常工作状态 节点的主要功耗器件 如处理器 传感器 无线收发器 大部分时间可工作在休眠状态 必要时才唤醒 实现最大限度的节能 12 三研究步骤 方法及措施 3 1系统方案设计 考虑到低损耗 短距离要求 本系统中没有采用无线收发芯片模块 主要由检测终端 探测节点和天线线圈等组成 利用单片机PCA可编程逻辑器件产生3MHz 内部时钟分频 方波信号作为载波 再用串口发送调制信号信息 通过编程产生随调制信号变化的ASK信号 天线用直径不大于1mm的漆包线密绕5圈制成 线圈直径为 3 4 0 3 cm 天线线圈间的介质为空气 系统方案如图1所示 13 14 3 2理论分析与计算 3 2 1发射电路分析发射电路使用单片机PCA寄存器产生3MHz的振荡频率 直接控制LC谐振线圈进行振荡 C8051F330D单片机是超低功耗单片机 其内部的编程计数器阵列 PCA0 提供增强的定时器功能 与标准8051的计数器 定时器相比 它不额外占用CPU资源 使用PCA0产生3MHz的载波频率 直接单片机内部推挽输出 增大后级谐振回路的发射功率 15 3 2 2接收电路分析 由于线圈感应到的信号电压幅值随距离的增加而大幅度衰减 须对接收到的信号进行放大 故使用低噪声性能的精密双运算放大器芯片AD8656进行两级放大 实现当距离加远时接收到的微弱信号能够进行放大 更好地增加无线传输距离 16 3 2 3通信协议分析 本装置中经过放大后的正弦信号由单片机内部的AD转换功能直接对信号进行检测 高速连续检测100次 取得峰值和谷值 然后求差 由于测得噪声电平在0 15V左右 所以当信号峰峰值大于0 3V时 可看做是已接收到信号 把此步骤重复5次 取平均值来判断 以降低误码率 17 通信协议时序图 18 3 3电路与程序设计 3 3 1发射电路设计计算 该发射电路使用单片机内部PCA进行控制 对于C8051F330D单片机而言 采用其内部12MHz晶振 使用频率输出方式可在CEXn引脚产生可编程频率的方波 所产生的方波的频率由下式定义 FCEXn FPCA2 PCA0CPHn为了产生3MHz频率 可以计算得PCA0CPHn 0 x02 对单片机频率进行4分频 故通过单片机软件设置寄存器PCA0的值即可在PCA0输出口产生3MHz载波信号 谐振回路绕制线圈的电感值经测量为L 1 8uH 通过谐振公式f 1 2 姨LC 计算 可得应并联的谐振电容值为C 1543pF 19 3 3 2接收电路设计计算 接收信号放大电路如图2所示 调节电容VC1可以调整接收谐振频率 由于前面设计的发射电路频率谐振在3MHz发送 而绕制的线圈电感值用电感测量专用仪器测量为1 8 H 1 85 H 通过下式计算 f 1 2 姨LC 可以计算得C 1501pF 1543pF 故选用152电容和100pF可调电容并联接入电路 20 图2 21 四 主要参考文献 1任丰原 黄海宁 林闯 无线传感器网络 软件学报 2003 14 7 1282 1291 2于海斌 曾鹏 王忠锋 梁英 尚志军 分布式无线传感器网络通信协议研究 通信学报 2004 25 10 102 110 3AriciT AltunbasakY AdaptiveSensingforEnvironmentMonitoringUsingWirelessSensorNetworks WirelessCommunicationsandNetworkingConference 2004 2347 2352 4孙利民 李建中 陈渝 朱红松 无线传感器网络 北京 清华大学出版社 2005 5郑增威 吴朝辉 若干无线传感器网络路由协议比较研究 计算机工程与设计 2003 24 9 537 544 6周林 夏雪 万蕴杰 等 小波变换在三相不对称系统谐波检测中的应用 J 高电压技术 2007 33 3 109 1137李宏民 何怡刚 胡沁春 等 基于对数域模拟CMOS连续小波变换电路的谐波检测方法 J