毕业设计（论文）无线传感器网络节点的系统研究

本科生毕业论文设计无线传感器网络节点的系统研究院系电气信息工程学院专业电气工程及其自动化班级学号学生姓名联系方式指导教师职称年月独创性声明本人郑重声明所呈交的毕业论文（设计）是本人在指导老师指导下取得的研究成果。除了文中特别加以注释和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果。与本研究成果相关的所有人所做出的任何贡献均已在论文（设计）中作了明确的说明并表示了谢意。签名年月日授权声明本人完全了解许昌学院有关保留、使用本科生毕业论文（设计）的规定，即有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业论文（设计）的复印件和磁盘，允许毕业论文（设计）被查阅和借阅。本人授权许昌学院可以将毕业论文（设计）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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编论文（设计）。本人论文（设计）中有原创性数据需要保密的部分为（如没有，请填写“无”）签名年月日指导教师签名年月日摘要随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。本文就是面向具体的应用，以实现无线传感器网络无所不能的感知能力为目标，研究无线传感器节点的系统结构、组成和实现技术。通过总结无线传感器网络硬件节点的设计原则，提出了一种无线传感器网络通用节点设备的基本构架，设计实现了基于超低功耗处理器ATMEGA128L和射频芯片CC2420的无线传感器网络节点设备。该设备具有能量自检测功能，并可以改变通用硬件接口上的数据采集部分实现多种不同类型的应用。采用模块化软件设计，引入有限状态机进行系统模式调度，设计实现了既能独立运行又支持嵌入式操作系统的节点适应层软件。通过引入多个节点的温度采集、反馈控制实验和节点生命周期静态测试实验，验证了本设计的可行性和实用性。关键词通信网络技术；无线传感器网络；节点设计ABSTRACTWITHTHERAPIDPROGRESSOFCOMMUNICATIONS,EMBEDDEDCOMPUTERS,ANDSENSORS,SMARTSENSORSAREBECOMINGMOREANDMOREPOPULARINTHEWORLD,WHICHARECAPABLEOFSENSING,COMPUTING,ANDCOMMUNICATIONTHISTHESISRESEARCHESONTHEARCHITECTURE,COMPOSITION,ANDIMPLEMENTATIONOFWIRELESSSENSORNODES,WITHTHEMILITARYAPPLICATIONANDTHEGOALOFSENSINGANYTHINGAFUNDMENTALSTRUCTUREOFTHEUNIVERSALWIRELESSSENSORNETWORKNODEDEVICEWASPROPOSEDINTHISPAPERBYSUMMARIZINGTHEPRINCIPLEOFTHEWIRELESSSENSORNETWORKNODEANDAWIRELESSSENSORNETWORKNODEDEVICEWASIMPLEMENTEDBASEDONTHEULTRALOWPOWERCOMSUMPTIONPROCESSORATMEGA128LANDTHERADIOFREQUENCYCHIPCC2420THISNODEDEVICECOULDDOPOWERMONIORINGITSELFITALSOCOULDBEUSEDINMANYCONDITIONBYEXCHANGETHEDATACOLLECTIONCIRCUITWHICHWASCONNECTEDTOTHEUNIVERSALHARDWAREINTERFACESOFTWAREMODULARIZATIONDESIGNWASUSEDINTHISPAPERANDFINITSTATEMACHINEWASUSEDTOFINISHTHESYSTEMMODESCHEDULINGANADAPTLAYERSOFTWAREWAFTDESIGNEDANDIMPLEMENTED，WHICHCOULDBOTHRUNBYITSELFANDBYTHEEMBEDEDOPERATINGSYSTEMTHETECHNICALFEASIBILITYOFTHISDESIGNANDTHEAVAILABILITYOFTHEDEVICEWEREALSOVERIFIEDINTHISPAPERBYTHEMULTINODETEMPERATURECOLLECTANDFEEDBACKCONTROLTESTSANDTHESTATICLIFECYCLETESTOFTHISDEVICEKEYWORDSCOMMUNICATIONNETWORKTECHNOLOGY；WIRELESSSENSORNETWORK；NODEDESIGN目录1绪论111课题背景112无线传感器网络的特点113无线传感器网络的应用214论文构成及研究内容42无线传感器网络平台521传感器网络平台5211传感器节点的设计要求5212无线传感器网络体系结构6213无线传感器网络应用系统结构7214数据采集8215传感数据到INTERNET8216用户与传感数据交互922无线传感器网络的关键性问题923本章小结113系统的设计与实现1231系统设计与实现12311微处理器电路12312数据存储电路13313无线通信模块16314电源管理模块18315充电及状态显示模块19316传感器模块20317外部接口2232节点设计的要点2333本章小结244总结与展望2641总结2642未来的研究方向27参考文献28致谢29无线传感器网络节点的系统研究1绪论11课题背景21世纪是人类社会全面进入信息电子化的时代，信息电子化离不开信息技术的支持。信息技术是指有关数据信息的收集、识别、提取、变换、存储、传递、处理、检索、检测、分析和利用等的技术，是一门综合性很强的技术。它可归纳为信息采集、信息处理、信息传输三大领域，这三大领域的发展互相渗透，互相促进，二者缺一不可，才使得信息技术高效快速地向前发展。1信息采集技术的关键是传感技术。传感技术的性能在很大程度上决定着整个信息技术的性能，因此传感技术是现代信息技术的重要支柱之一，在当代科学技术中占有十分重要的地位。传感技术，将是二十一世纪世界各国在高新技术发展方面争夺的一个重要领域。2信息处理技术以计算机技术为核心。计算机从其诞生起就不停地为人们处理着大量的信息，而且随着计算机技术的不断发展，它处理信息的能力不断地加强。现代信息技术一刻也离不开计算机技术。3信息传输技术以通信技术、网络技术为代表。卫星通信、移动通信等无线通信技术的发展，拓展了通信技术的应用领域。现代通信技术正朝着数字化、宽带化、高速化和智能化方向发展。12无线传感器网络的特点无线传感器网络与传统网络相比较起来有一些独有的特点，正是由于这些特点使得无线传感器网络存在很多新的问题，提出了很多新的挑战。无线传感器网络的主要特点有11无线传感器网络的节点数量大、密度高。由于无线传感器网络节点的微型化，每个节点的通信和传感半径很有限，一般为十几米范围之内，而且为了节能，传感器节点大部分时间处于睡眠状态，所以往往通过铺设大量的传感器节点来保证网络的质量。无线传感器网络的节点数量和密度都要比ADHOC网络高几个数量级，可能达到每平方米上百个节点的密度，甚至多到无法为单个节点分配统一的物理地址。这会带来一系列问题，如信号冲突、信息的有效传送路径的选择、大量节点之间如何协同工作等。2无线传感器网络的节点有一定的故障率。由于无线传感器网络可能工作在恶劣的外界环境之中，网络中的节点可能会由于各种不可预料的原因而失效，为了保证网络的正常工作，要求无线传感器网络必须设计成具有一定的容错能力，允许传感器节点具有一定的故障率。3无线传感器网络节点在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制。由于传感器节点微型化，节点的电池能量有限，而且由于物理限制难以给节点更换电池，所以传感器节点的电池能量限制是整个无线传感器网络设计最关键的约束之一，它直接决定了网络的工作寿命。另一方面，传感器节点的计算和存储能力有限，使得其不能进行复杂的计算，传统INTERNET网络上成熟的协议和算法对无线传感器网络而言开销太大，难以使用，必须重新设计简单有效的协议及算法。4无线传感器网络的拓扑结构变化非常快。由于无线传感器网络自身的特点，传感器节点在工作和睡眠状态之间切换，以及传感器节点随时可能由于各种原因发生故障而失效，或者有新的传感器节点补充进来以提高网络的质量，这些特点都使得无线传感器网络的拓扑结构变化非常快，这对网络的各种算法（如路由算法和链路质量控制协议等）的有效性提出了挑战。此外，如果节点具备移动能力，也有可能带来网络的拓扑变化。5以数据为中心DATACENTRIC。在无线传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据，比如说人们可能希望知道“检测区域的东北角上的温度是多少”，而不会关心“节点8所探测到的温度值是多少”。这就是无线传感器网络以数据为中心的特点。而传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来的，以数据为中心的特点要求无线传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效的组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户2。13无线传感器网络的应用传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、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检测等领域。随着传感器网络的深入研究和广泛应用，传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。1军事应用传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合在军事上应用。利用传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控、战场评估、核攻击和生物化学供给的监控和搜索等功能。2环境监测和预报系统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。传感器网络在环境研究方面可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜和家禽的环境状况和大面积的地表监测等，可用于行星探测、气象和地理研究、洪水监测等，还可以通过跟踪鸟类、小型动物和昆虫进行种群复杂度的研究等。3医疗护理传感器网络在医疗系统和健康护理方面的应用包括监测人体的各种生理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等等。如果在住院病人身上安装特殊的传感器节点，例如心率和血压检测设备，医生利用传感器网络就可以随时了解到被监护病人的病情，发现异常能够迅速抢救。将传感器节点按药品种类分别放置，计算机系统即可帮助辨认所开的药品，从而减少病人用错药的可能性。还可以利用传感器网络长时间地收集人体的生理数据，这些数据对了解人体活动机理和研制新药品都是非常有用的。4智能家居传感器网络能够应用在家居中。在家电和家居中嵌入传感器节点，通过无线网络与INTERNET连接在一起，将会为人们提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。利用远程监控系统，可完成对家电的远程遥控，例如可以在回家之前半小时打开空调，这样回家的时候就可以直接享用适合的室温，也可以遥控电饭煲、微波炉、电冰箱、电话机、电视机、电脑等家电，按照自己的意愿完成相应的煮饭、烧菜、查收电话留言、选择录制电视和电台节目以及下载网上资料到电脑中等工作，以可以通过图像传感设备随时监控家庭安全情况。5建筑物状态监控建筑物状态监控STRUCTUREHEALTHMONITORING，SHM是利用传感器网络来监控建筑物的安全状态。由于建筑物不断修补，可能会存在一些安全隐患。虽然地壳偶尔的小震动可能不会带来看得见的损坏，但是也许会在支柱上产生潜在的裂缝，这个裂缝可能在下一次地震中导致建筑物倒塌。作为CITRESCENTEROFINFORMATIONTECHNOLOGYRESEARCHINTHEINTERESTOFSOCIETY计划的一部分，美国加州大学伯克利分校的环境工程和计算机科学家们采用传感器网络，让大楼、桥梁和其他建筑物能够自身感觉并意识到它们本身的状况，使得安装了传感器网络的智能建筑自动告诉管理部门它们的状态信息，并且能够自动按照优先级进行一系列自我修复工作。未来的各种摩天大楼可能就会装备这种似红绿灯的装置，从而建筑物可自动告诉人们当前是否安全、稳固程度如何等信息。（6）其他方面的应用复杂机械的维护经历了“无维护”、“定时维护”、以及“基于情况的维护”三个阶段。采用“基于情况的维护”方式能够优化机械的使用，保持过程更加有效，并且保证制造成本仍然低廉。其维护开销可以分为几部分设备开销、安装开销和人工收集分析机械状态数据的开销。采用无线传感器网络能够降低这些开销，特别是能够去掉人工开销。尤其是目前数据处理硬件技术的飞速发展和无线收发硬件的发展，新的技术已经成熟，可以使用无线技术避免了昂贵的线缆连接，采用专家系统自动实现数据的采集和分析3。14论文构成及研究内容本文以当前的无线传感器网络研究为背景，提出了一种易布置的无线传感器网络的网络系统结构的设计，以及简单的传感器节点的设计，针对传感器节点的特殊性，提出了基于组件模型的网络通信系统的设计，其中包括了网络协议栈组建层的设计。最后，提出了确保无线传感器网络安全应用的机制。本文的组织结构大致如下1、绪论,主要介绍了无线传感器网络的课题背景，特点和应用领域。2、无线传感器网络平台，本章从上述两个方面探讨了硬件平台设计以及无线通信计算。首先分析了传感器节点硬件的特点，以及参考了MICA的传感器节点硬件结构。然后，根据无线传感器网络特定的应用与传统网络之间的差异性，我们给出了利用传感器节点采集数据，并最终传输到用户终端的无线传感器网络的应用系统结构。其次，我们还讨论了无线传感器网络的关键性问题，并对其进行分析。3、系统的设计与实现，本章主要介绍了一种基于ATMEGA128L和CC2420在24GHZ频带下工作的无线传感器网络节点的设计和实现，详细讨论了各部分的硬件组成。实验表明，节点可以灵活构成无线传感器网络，节点组成的网络系统性能稳定、通信效率高、功耗低，可广泛应用于控制、信号采集与传输等领域。最后我们提出了节点设计的要点及应注意的事项。4、总结与展望，对全文进行了总给，并指出了以后的研究方向。2无线传感器网络平台在无线传感器网络中，随机分布的集成由传感器、数据处理单元和通信模块的微小传感器节点通过自组织的方式构成网络，借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的各种信号，从而探测众多我们感兴趣的物理现象。在通信方式上，一般采用短距离的无线低功率通信技术。从中我们可以看到无线传感器网络应用的关键技术包括网络硬件平台和网络通信系统两部分。支持无线传感器网络的硬件平台，包括传感器节点硬件的设计以及应用系统的部署方案。而网络通信系统的设计，主要包括传感器节点以无线方式自组织成网络，完成数据采集和传输的无线通信系统。21传感器网络平台211传感器节点的设计要求为了满足环境感知与特定应用的需求，传感器节点的硬件以及相应的操作系统软件的设计需要满足下列要求（1）小尺寸和低功耗SMALLPHYSICALSIZEANDLOWPOWERCONSUMPTION传感器节点的小尺寸和有限电源限制了其处理、存储和互联能力硬件设训的一个驱动因素就是减少和降低实现某个功能所要求的尺寸和电源。（2）并发密集型操作CONCURRENCYINTENSIVEOPERATION传感器节点最主要的操作模式就是快速地传递消息，在消息传递途中只带少量的操作，而不是传统的接收命令等待思考再响应这样的操作模式。传感器设备即时地捕获信息，处理，再传送到网络中。数据也可以从其它节点接收到，然后在多跳的路由或网桥站点间转发。有很多事件都有实时性的要求。系统必须可以并发地处理多条数据流。（3）有限的物理并行性和控制层次LIMITEDPHYSICALPARALLELISMANDCONTROLLERHIERARCHY在传感器节点中，控制器数目、控制器性能、网络互联的能力，都比传统的系统要低。在传感器网络中，传感器件或执行元器件通常直接向中央处理器提供个最基本的接口，由MCU直接控制。而传统的系统则将与一组设备相关联的并发处理，分发到多个层次的控制器中，这些控制器通过一个精确的总线结构互联。（4）设计和使用的多样性DIVERSITYINDESIGNANDUSAGE此类传感器设备倾向于针对具体的应用，而不是通用的，它们通常只集成应用所必须要求的硬件对于任何一个具体设备，需要一些软件组件将硬件组件合成为某些特定的应用。而如何简单地将这些软件组件聚集在一起就变得很重要，为此要求高度的软件模块化。为此需要一个通用的开发环境，允许特定应用可以从一系列设备中构建起来，而不会有烦琐的接口。（5）健壮的操作ROBUSTOPERATION通常在环境中布置的传感器节点数目比较多，而又会比较隐蔽，并且在大部分时间里传感器节点处于活动状态。传统的冗余技术由于空间和电源的限制而受限制。虽然跨越设备的冗余会比在设备内的冗余更好，但交叉设备之间的冗余通信代价使它的使用受到限制了。因此，需要增强单个传感器设备的可靠性。这进一步提出了高效模块化的要求组件应该尽可能的独立，通过严格的接口来连接。212无线传感器网络体系结构无线传感器网络典型的体系结构如图21所示。传感器节点分布于网络的各个部分，用于收集数据，并且将数据路由至信息收集节点（SINK）。信息收集节点与信息处理节点通过广域网络（如INTERNET网络或卫星网络）进行通信，从而对收集到的数据进行处理。网关传感器节点控制区域互联网、E星或移动通信网络监控中心图21无线传感器网络通信体系结构图与其它网络一样，传感器网络的协议栈包括应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。在应用层采用不同的软件，就可以实现传感器网络不同的目的；传输层提供差错控制和流量控制等功能；网络层主要负责将传输层所提供的数据路由至信息收集节点；数据链路层主要负责节点接入，降低节点间的传输冲突；物理层进行比特流的传输。但与蜂窝网、无线局域网等其它无线通信网络相比，无线传感器网络有其自身的显著特点，主要包括节点（传感器）的低功率、低功耗和有限处理能力，网络的自组织性和容错性，网络的可扩展性要求，网络对能量的敏感性，以及以数据为中心的传输等等。针对这些特性，需要采用适于传感器网络的解决方案。比如，在物理层，可以采用低阶调制技术、超宽带（ULTRAWIDEBAND,UWB）无线通信技术4、射频标签（RADIOFREQUENCYIDENTIFICATION，RFID）技术等5；在媒体借入控制MEDIAACCESSCONTROL，MAC层可以采用分布式介入控制算法、公平的资源分配算法等；在网络层，针对不同的准则，可采用各种节省能量的分布式路由算法和协议，以及数据融合的算法。无线传感器网络节点一般由4个部分组成传感器模块、处理模块、无线收发模块和能量供应模块，如图22所示。其中，传感器模块负责信息采集和数据转换；处理模块控制整个传感器节点的操作，处理本身采集的数据和其他节点发来的数据，运行高层网络协议；无线收发模块负责与其他传感器节点进行通信；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常是微型蓄电池。图22传感器节点的体系结构传感器AC/DC处理器存储器网络MAC收发器传感器模块处理模块无线通信模块能量供应模块213无线传感器网络应用系统结构无线传感器网络与传统的无线网络如WLAN和蜂窝移动电话网络有着不同的设计目标。传统无线网络的设计目标是在高度移动的环境中，通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证。在无线传感器网络中，除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止的。因为它们通常运行在人无法接近的恶劣环境中，能源无法替代，设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题，这其实是一个节能设计的问题。无线传感器网络也有着与传统网络明显不同的技术要求，传感器网络以数据为中心，而传统网络以传输数据为目的。为了适应广泛的应用程序，传统网络的设计强调将一切与功能相关的处理都放在网络的终端系统上，中间节点仅仅负责数据分组的转发，对于传感器网络，这未必是一种合理的选择。因为布置在环境中的所有传感器节点的地位是公平的，都需要采集数据、发送数据或替其它节点转发数据。传感器节点标识（如地址等）的作用在传感器网络中显得不是十分重要，因为应用程序不怎么关心单节节点上的信息；中间节点上与具体应用相关的数据处理、融合和缓存也显得很有必要。在密集型的传感器网络中，相邻节点间的距离非常短，低功耗的多跳通信模式节省功耗，同时增加了通信的隐蔽性，也避免了长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响。这些独特的要求和制约因素为传感器网络体系结构的设计提出了新的要求。214数据采集最底层的传感数据采集应用由自主的传感器节点提供的。每个传感器节点收集关于它周围环境的即时数据。由于传感器节点离观察点很近，故对传感器的精度要求并不高，降低了成本。高的空间分辨率可以通过布置密集的传感器节点来达到。而传统的传感应用方法是使用一些有着精密复杂的信号处理能力的高质量传感器。无线传感器网络结构则通过布置密集的传感器节点提供较高的健壮性，单个节点阻塞和组件失效不会造成太大的破坏。215传感数据到INTERNET我们可以将来自传感器节点的数据传输到INTERNET上，这些数据可能是原始的，或者被过滤过，或者被处理过。建立到每个传感器节点的直接的广域网的连接是不可行的，因为设备代价太昂贵，它需要消耗传感器节点大量的能量，设备安装也容易对环境带来一些很大的干扰。因此在我们的传感器网络的系统结构中，到广域网的连接功能由基站完成，我们为基站设备提供足够的能量和存储空间。基站可以使用无线局域网与布置了传感器的小块领域通信（通过SILK节点）。为了向终端用户提供数据，基站提供WAN连接，并且为传感器区域集合提供了永久性数据存储。216用户与传感数据交互用户与传感器网络的数据交互有两种方法1远程用户访问基站数据库副本。这个方法使得很容易集成数据分析和数据挖掘的，同时屏蔽了与基站之间的广域网连接可能断开的情况。对网络的远程控制也是提供数据库接口来提供的。虽然对远程用户来讲，这个控制是足够了，但是定点的用户通常可能要求跟网络更直接的交互。2使用类PDA设备，直接与布置了传感器的小块领域通信，以获取所关心的关于环境的一组最新的读入值，并监控网络。22无线传感器网络的关键性问题无线传感器网络的协议栈一般包括两个平面通信平面和管理平面。通信平面包含应用层、数据链路层、网络层、传输层和物理层。管理平面包括电源管理、移动管理和协同管理。通信平面实现网络节点之间的信息传递。管理平面负责检测和控制节点，使得节点能正确地工作。下面以此为基础，讨论无线传感器网络的一些关键性问题。（1）物理层物理层主要负责感知数据的收集，并对收集的数据进行抽样，信号的调制解调、信号的发送和接收、功率控制等任务。目前电子电路的技术水平在传送和接收相同长度的比特数据时，发射所需的能量、接收所需的能量，还有CPU处理所需的能量。考虑到无线传感器网络节点的能量十分有限，节能对延长网络的生存时间是十分重要的。因此，可以采用高频来发射信号，采用低频来接收信号。如何进行动态功率的管理和控制是无线传感器网络的一个非常重要的课题。（2）数据链路层数据链路层负责媒体接入控制和建立节点之间可靠的通信链路，主要由介质访问控制MAC组成。传统的基于竞争机制的MAC协议很难适应无线传感器网络的需要，因为基于竞争机制的MAC协议需要多次握手，数据发生冲突的几率很大，造成能量的浪费，这在无线传感器网络中是不可取的。因此，无线传感器网络的MAC协议一般采用基于预先规划的机制如TDMA来保护节点的能量。MAC层是无线传感器网络的研究热点之一。（3）路由层网络层的主要任务是发现和维护路由。因为多跳通信比直接通信更加节能，这也正好符合数据融合和协同信号处理的需要，在无线传感器网络中，节点一般都采用多跳路由连接信源和信宿。但是，现存的ADHOC网络多跳路由协议如AODV，RORA和DSR等，一般不适合无线传感器网络的特点。无线传感器网络必须开发属于自己的路由协议。和传统的以地址为中心的路由协议不一样，无线传感器网络的路由协议是以数据为中心的，没有一个全局的标识，一般是基于属性的寻址方式，通常采用按需的被动式路由方式。常见的以数据为中心的路由协议6有SPIN，DIRECTEDDIFFUSION和GHT。另外一类常见的路由协议是基于分簇的层次化路由协议，常见的有LEACH和TEEN。关于路由层的研究是无线传感器网络研究领域的一个十分活跃的分支。（4）协同信号处理协同信号处理指的是多个节点协作性地对多个信源的数据进行处理。在无线传感器网络中，相邻节点的感知数据具有很强的相关性，存在很大的冗余，因此应该利用协同信号处理技术把相邻节点之间的数据进行融合和压缩，再进行数据传送，从而可以降低数据的冗余度，减少网络的总体流量。此外，无线传感器网络中节点的能量十分有限，而节点又必须完成感知数据、信号处理和与相邻节点通信等多重任务，并且要求信号处理必须在一定的时间内完成。因为协同信号处理具有低时延，强鲁棒性和可测量性等优点，因此也很有必要在无线传感器网络节点之间进行协同信号处理。协同信号处理是一种按需的、面向目标的信号处理方式，只有当节点接到具体的查询任务时，才进行与当前查询有关的信号处理任务。协同信号处理又是一种多分辨率信号处理方式，能根据不同的查询任务进行不同的信号处理。协同信号处理性能的提高实际上是以增加相邻节点之间的信息交换为代价的，因此，设计实际算法时常常要考虑算法性能和网络资源之间的一个折中。协同信号处理是一项新兴的技术，还有许多问题值得进一步探讨。（5）跨层设计7当前很多无线传感器网络协议是基于传统的分层结构设计的，但由于无线传感器网络的资源有限，这种分层结构很难适应无线传感器网络的发展需要，而跨层设计则通过层与层之间的信息交换来满足全局性的需要，优化整个网络的性能。无线传感器网络是一种基于应用的网络，有些应用是不需要涉及到所有的网络层的。这样，在设计这种网络体系时，就可以把不相关的层拿掉，仅仅考虑其他层的优化问题。另外，无线传感器网络常常要求网络的生存时间要足够长、网络时延要尽量短，这和无线传感器网络有限的能量供应、有限的节点资源和带宽是一对矛盾，传统的分层结构很难解决这个问题。因此，需要引入跨层设计，跨层地考虑问题。目前无线传感器网络已经有一些关于跨层设计的例子，如能量有效的MAC协议、基于能量的路由协议、对资源警觉的数据压缩等。跨层设计是最近很热门的一个研究方向，它基于层与层之间的信息共享，提高各个层的适应性，有望使整个网络性能得到很好的提高。但是，层与层之间的联合优化将会带来高复杂度的算法，这对无线传感器网络节点的运算能力是一个极大的挑战。（6）操作系统8操作系统是支撑无线传感器网络的关键技术之一，传统的操作系统WINDOWS和UNIX显然不能满足无线传感器网络的需要。为此，我们需要开发新的操作系统，它既要能满足无线传感器网络特殊的需要，又要能高效地利用无线传感器网络节点的有限硬件资源来为应用软件提供服务。操作系统如何自动配置、如何自适应地支持无线传感器网络的需要，这是一个有待研究的问题。23本章小结无线传感器网络平台以及无线通信系统是无线传感器网络的两大关键技术。本章从上述两个方面探讨了硬件平台设计以及无线通信计算。首先分析了传感器节点硬件的特点，以及参考了MICA的传感器节点硬件结构。然后，根据无线传感器网络特定的应用与传统网络之间的差异性，我们给出了利用传感器节点采集数据，并最终传输到用户终端的无线传感器网络的应用系统结构。其次，我们还讨论了无线传感器网络的关键性问题，并对其进行分析。3系统的设计与实现节点硬件采取模块化结构设计如图31所示，由运算及通信子板、传感器子板、充电及状态显示子板构成。运算及通信子板由微处理器、数据存储电路、无线通信模块、电源管理模块等组成，主要作用是储存、处理数据，完成节点间的无线通信，并为系统提供能量。传感器子板由若干传感器组成，负责监测区域内信息的采集。充电及状态显示子板由充电模块和LCD液晶显示模块组成，用来显示节点电池充电情况节点的工作状态以及电池的电量。PC机传感器模块MAX3232下载器仿真器传感器接口USART串口ISP接口JTAG接口SPI接口状态控制串行接口IIC接口CC2420无线通信模块数据存储器LCD显示模块充电模块电池及电源管理1线接口ATMEGA128L图31节点系统接口31系统设计与实现311微处理器电路微处理器电路采用ATMEL公司的ATMEGA128L微控制器9，它采用低功耗CMOS工艺生产，基于RISC结构，具有片内128KB的程序存储器FLASH、4KB的数据存储器SRAM和4KB的EEPROM，有8个10位ADC通道、2个8位和2个16位硬件定时/计数器、8个PWM通道，具有可编程定时器和片上振荡器、片上模拟比较器、JTAG、UART、SPI、总线等接口。2ICATMEGA128L10可在多种不同模式下工作，除了正常操作模式外，还具有六种不同等级的低能耗操作模式，因此该微控制器适合于低能耗的应用场合。其接口示意图如图32所示。VC31B252PF0ADC1234/TKPF5MS6CO7AD/IAD0P123456PAD7LEG2REGNVPE0D4/RX12ACK3/INTOB5PE6/7I698TCKMSOIVREF236C5B20C4489SCLK10234156720198NR21KVC3SW610UF253GNDU5983894012256789301224PSDOLE21FLASHO1RT3CSKLDARXTSFCC01PA567PENRSTG4OC1XTAL1738MC6PFISP0BDCOMISKRDPGINT0/SCL1A2XPI3/D4K56PWP1A图32微处理器接口ATMEGA128L的工作时钟源可以选取外部晶振、外部RC振荡器、内部RC振荡器、外部时钟源等方式。工作时钟源的选择通过ATMEGA128L的内部熔丝位来设计，熔丝位可以通过JTAG编程、ISP编程等方式设置。本设计中ATMEGA128L采用两个外部晶振73728MHZ晶振作为ATMEGA128L的工作时钟；32768KHZ晶振作为实时时钟源。312数据存储电路由于无线传感器节点的通信模块传输能力有限，加上节点工作的占空比非常小，很多数据不能实时转发出去，所以需要有一个可管理的存储器存储这些数据，暂存自己采集的或需要转发的其他节点采集来的数据。本设计选用512KB串行FLASHAT45DB041存储数据。与普通的数据存储器相比，该芯片具有功耗低、体积小、串行接口、外部电路简单等特点，适合传感器节点使用。数据存储电路示意图如图33所示。图33数据存储电路AT45DB041中的数据按页存放，主存共2048页，每页264字节，所以总容量为528K字节（约4M比特）。存放在主存中的数据掉电不丢失。除了主存以外，AT45DB041还有两个容量为264字节的数据缓存。缓存可以用作主存与外部进行数据交换时的缓冲区域，也可以暂存一些临时数据。缓存读写方便迅速，但掉电数据会丢失。AT45DB041数据读写采用串行方式，读写速度快，从页到缓存的传输时间为80S左右，并且兼容CMOS和TTL输入和输出。AT45DB041通过片选管脚/CS使能，通过串行输出（SO）和串行输入（SI）进行数据读和写。由串行时钟（SCK）对读写进行控制。设备运行受微处理器的指令控制。一条有效的指令起始于/CS管脚的下降沿，并跟随相应的8位操作码和指定的缓存或主存地址码。当/CS管脚为低时，轮换时钟管脚（SCK）控制操作码和指定的缓存或主存地址码通过SI口的载入。所有的指令、地址和数据都从高字节开始传送。（1）数据读取读缓存通过不同的操作码可选择读取两个缓存中的其中一个（操作码54H用作读缓存1，而操作码56H用作读缓存2）。为了实现读缓存的操作，在8位操作码后必须跟有15位任意码，9位地址码和8位任意码。其中9位地址码（BFA8BFA0）被用作指定要读取的首字节。在轮换时钟SCK的控制下，从SI载入操作码、地址码、任意码。当载入结束后，在SCK轮换时钟的控制下，缓存中的数据就可以从SO读出。当读到缓存的末尾时，设备将继续从缓存的开端重读。在这整个过程中/CS必须保持低电平。读缓存结束后，/CS上一个从低到高的电平跳变将终止读操作。主存页到缓存的传送一页数据可以从主存传至缓存1或2，8位操作码（53H用于缓存1，55H用于缓存2）后跟有4位保留位，11位用于指定目的页的地址位（PA10PA0），和9位任意码，在轮换时钟SCK的控制下从SI载入。在这一过程中/CS管脚必须保持低电位。当载入结束后，在/CS上检测到一个由低到高的电平跳变后，主存页中的数据开始传送至缓存。在数据传送的过程中，状态寄存器将指示状态忙。（2）数据写入写缓存在SCK的控制下，8位的操作码（84H用于缓存1，87H用于缓存2）后面跟着15位任意码和9位地址码（BFA8BFA0）由SI载入，其中9位地址码指定了缓存中被写的首字节，数据紧随着地址码输入。/CS上一个由低到高的跳变，将结束写缓存操作。带有内置擦除的缓存至主存页的传送8位的操作码（83H用于缓存1，86H用于缓存2）后跟有4位保留位，11位指定要写入的主存页的地址码（PA10PA0），和9位任意码，在轮换时钟SCK的控制下从SI载入。当/CS上检测到一个由低到高的跳变时，器件将首先擦除被选中的主存页，然后将储存在缓存中的数据写入该页。擦除和写入的过程都是自动进行的，这一进程不超过20MS。在这个时间里，状态寄存器将指示状态忙。状态寄存器值读取读状态寄存器的值可以用来确定设备的忙闲状态。忙闲状态通过寄存器的第7位指示。如果第7位为1，则设备位于空闲状态并可接收下一条指令。如果为0，则设备忙。在载入8位操作码57H后，从SO上可以读出1字节的状态寄存器的值。写保护/WPB041具有的写保护功能仅对主存的前256页有效。当/WP管脚为低电平时，FLASH禁止对主存的前256页进行写操作（只读），但主存的其它页并不受影响，仍然可以进行读写。AT45DB041的选择性写保护功能为用户的使用提供了很大的便利，用户可以将非常重要的数据，如系统参数、密码和身份信息等存入主存的前256页，并将/WP置低，使这些数据处于写保护状态，以保证这些数据不会被误擦除。而与此同时，用户仍能对其它地址进行读写。如果用户将/WP管脚悬空或接地，FLASH将不具备写保护功能，所有的主存页都可进行读写。复位/RESETB041采用低电平复位，即当/RESET管脚出现低电平（20V后，恢复正常工作。为了避免接通电源时，由于电压不稳可能会对芯片正常工作造成影响，所以在使用时，最好在系统开机后延时10MS，再对FLASH进行操作。313无线通信模块无线通信模块采用无线射频CC24201112模块。它是CHIPCON公司在2003年底推出的一款兼容24GHZIEEE802154标准的无线收发模块，基于CHIPCON公司的SMARTRF03技术，使用CMOS工艺生产，工作电压低、能耗低、体积小，具有输出强度和收发频率可编程等特点。该芯片只需晶体振荡器及负载电容、输入/输出匹配元件和电源去耦电容等很少的外部元件即可正常工作，可确保短距离通信的有效性和可靠性，其最大收发速率为250KBPS。CC2420的主要性能参数如下工作频带范围240024835GHZ；采用IEEE802154规范要求的直接序列扩频方式；数据速率达250KBPS码片速率达2MCHIP/S；采用0QPSK调制方式；超低电流消耗（RX197MA，TX174MA）高接收灵敏度（99DBM）；抗邻频道干扰能力强39DB；内部集成有VCO、LNA、PA以及电源整流器采用低电压供电2136V；输出功率编程可控；IEEE802154MAC层硬件可以支持自动帧格式的生成、同步插入以及检测、16BITCRC校验、电源检测、完全自动MAC层安全保护CTR,CBCMAC,CCM；与控制微处理器的接口配置容易4总线SPI接口；开发工具齐全提供有开发套件和演示套件；采用QLP48封装，外形尺寸只有77MM。CC2420有33个16位配置寄存器、15个命令选通寄存器、1个128字节的发送FIFO缓存区、1个128字节的接收FIFO缓存区、1个112字节的安全信息存储器。CC2420与处理器的连接比较简便，它使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四个引脚表示收发数据的状态；处理器通过SPI接口CSN、SO、SI、SCLK与CC2420交换数据、发送命令，使用RESETN引脚复位芯片，使用VREG_EN引脚使能CC2420的电压调整器，使其产生CC2420所需要18V电压，从而使CC2420进入正常工作的状态；CC2420通过单极天线或PCB天线进行通信。其模块示意图如图34所示。图34无线通信模块CC2420需要16MHZ的参考时钟用于数据的收发。参考时钟可以来自外部时钟源，也可以由内部晶体振荡器产生。如果使用外部时钟，直接从XOSC16_Q1引脚输入，XOSC16_Q2脚悬空；如果使用内部晶体振荡器，晶振接在XOSC16_Q1、XOSC16_Q2引脚之间。晶振起振需对CC2420选通命令寄存器SXOSCON使能。CC2420驱动程序是基于SPI总线设计的。芯片的初始化主要包括控制命令的发送和芯片功能引脚电平的设置。CC2420的数据发送驱动程序主要完成上层数据的封装传输。由于CC2420是符合IEEE802154标准的RF收发芯片，因此，其物理层传输的数据格式必然要符合该标准的要求，如表31所示。表31CC2420物理层帧格式前导序列帧开始符帧长度帧控制域序列号地址信息数据RSSICRC411216N11因而，上层软件需要实现数据的封装功能。其中，前导序列，RSSI以及CRC均由物理层硬件自动生成，表中第二行为数据帧中该域所占字节数。发送驱动程序设计流程图如图35所示。YY开始开始开始数据格式正确信道空闲清空发送缓冲区将帧头和数据发送到TXFIFO启动射频发送结束NNNNYY开始开始开始接收到完整数据包吗接收数据长度，目标ID帧头信息处理帧头，接收数据结束FIFOP触发IRQ中断是本节点的正确数据图35数据发送流程图图36数据接收流程图CC2420在接收到一个完整的数据包后，FIFOP引脚将会自动置位，在设计中，将其与CPU的IRQ中断引脚相连接，配置该引脚的上升沿触发IRQ中断，在中断发生后立即读取接收到的数据，从而保证接收数据的实时性，中断服务程序中，首先，确定当前不是由于RXFIFO缓冲区溢出产生的中断，然后，根据图36所示流程对接收数据进行处理。314电源管理模块电能是传感器网络非常宝贵的资源，为了保证硬件电路的低功耗设计，节点芯片的选择均使用低功耗、低电压工作的芯片。系统采用普通电池或者可充电的锂离子电池工作。电源管理芯片采用AD公司的ADP333833,SOT一223封装，其工作原理如图37所示图37电源管理模块315充电及状态显示模块在有条件对节点进行充电时，节点使用锂离子电池工作，可利用充电模块为节点进行电能补充，从而确保节点工作的连续性，避免了节点因更换电池造成的工作中断。充电模块使用达拉斯公司的DS2770和电池保护芯片DS2720设计，具有充电控制、电源控制、电量计数、电池保护等功能。处理器与DS2770用一线接口来传递信息，并需外接一个约47的上拉电阻。充电模块示意图如图38。K图38充电模块LCD显示模块采用LCM6432ZK液晶显示器，通过串行接口和主MCU连接，用于系统工作状态信息、充电进程、电池电量等状态的显示。节点硬件留有LCD接口，在需要显示时可方便接插LCD显示模块。316传感器模块节点传感器模块与计算和通信子板分离，模块化的设计提高了节点在不同应用中的灵活性。传感器模块可以根据实际需要确定合适的传感器，例如温度、湿度、振动、光强、气体报警、磁阻、红外等等，以满足不同的需要。由于节点大多数为电池供电，要求传感器体积小、功耗低、外围电路简单，最好采用不需要复杂信号调理电路的数字传感器。本设计选用的部分传感器为1、温度传感器DS18B2013（1）DS18B20简介1）独特的单线接口方式DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。2）在使用中不需要任何外围元件。3）可用数据线供电，电压范围30V55V。4）测温范围55125。固有测温分辨率为05。5）通过编程可实现912位的数字读数方式。6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。（2）DS18B20的内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的外形及管脚排列如图39DS18B20引脚定义1DQ为数字信号输入/输出端；2GND为电源地；3VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。GND内部VDDVD2VD1I/OCVDD电源检测64位ROM和单线接口存储器与控制逻辑高速缓存8位CRC发生器温度传感器高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器图39DS18B20的内部结构2、红外传感器PD632采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，采用双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。PD632简介灵敏元尺寸21MM窗口10MM硅片工作波长7514UM信号大于20V噪声小于100MV平衡小于10工作电压2215V工作电流824UA源极电压0411VRS47K工作温度2060保存温度3080视场角151139测试条件420K调制频率1HZ带宽0330HZ放大器增益725DB，环境温度25C3、加速度传感器ADXL202ADXL20214是一种低成本、低功耗、功能完善的双轴加速度传感器，其测量范围为2G。ADXL202既能测量动态加速度（如振动加速度），又能测量静态加速度（如重力加速度）。ADXL202可输出数字信号，其脉宽占空比与两根传感轴各自所感受到的加速度成正比。这些信号可直接传输给微处理器，而不需A/D转换或附加其它电路。输出信号周期在05MS10MS范围内，可用外接电阻RSET调节。如果需要与加速度成正比的模拟电压输出，则可从XFIL和YFILT管脚输出信号，或者使用对脉宽占空比输出信号滤波后的信号。ADXL202的带宽可以通过电容CX和CY在001HZ5KHZ的范围内设定。其典型噪声值为500/（HZ）1/2,60HZ带宽时的分辨率为5MG。GADXL202采用14引脚表面封装。有两种工作温度范围商业温度范围为070，工业温度范围为4085。ADXL202具有以下特点ADXL202是集双轴加速度传感器于一体的单块集成电路；它既可测量动态加速度，又可测量静态加速度；具有脉宽占空比输出；低功耗（06MA）；比电解质、水银、热能、