电子信息工程毕业设计无线传感网络节点设计

1、毕毕 业业 设设 计计 题目：无线传感网络节点设计题目：无线传感网络节点设计 姓 名： 学 号： 学 院： 专 业： 指 导 教 师： 联 系 老 师： 年 月 日 xxxx 大学毕业设计任务书 题目： 无线传感网络节点设计 专业： 指导教师： 学院： 学 号： 班级： 姓 名： 一、主要内容和基本要求一、主要内容和基本要求 内容：内容： 课题的研究无线传感网络节点设计。 基本要求：基本要求： 1、 完成无线传感网络节点设计。 2、 由单片机系统构成传感网络节点。 3、 完成由无线传输方式实现通信功能。 4、 电池供电。 重点研究的问题：重点研究的问题：无线传感网络节点通信协议。 二、主要参考

2、资料二、主要参考资料 1 李朝青.无线发送/接受 ic 芯片及其数据通信技术选编（2）m.北京:航 空航天大学出版社，2004 年 1 月第一版. 2 王为青，程国钢，单片机 keil cx51 应用开发技术m.北京:人民邮电出版 社，2007 年 2 月第一版. 3 沈红卫.基于单片机的智能系统设计与实现m.北京:电子工业出版社， 2005 年 1 月 4 http:/ltechfield/systech/gprs-system/g03-o1.htm. 5jeong- hyunpark.wirelessinternetaccessformobilesubscribersbasedontheg

3、prs/umtsnet workj.communicationsmagazine,2002,40:38-49. 6 陈智育.嵌入式系统中的 flash 文件系统j.北京:单片机与嵌入式系统应 用，2002(1):19-22. 7 温泉,李炳煜,焦毅.基于 gprs 的无线数据传输系统解决方案j.北京:现代 电子技术，2006,29(23):15-17,20. 8 凌洁, 基于 gprs 网络的电力流动收费系统解决方案j.安徽:安徽电气工 程职业技术学院学报, 2009 年 1 月. 9 于洋，基于无线射频通信及 gprs 技术的热网监控系j.北京：仪表技术与 传感器，2009 年 03 月.

4、10 盖成志，基于 gprs 的远程水文监测j.西安:中国西部科技，2009/09. 三、进度要求三、进度要求 第一周：搜集资料，规划方案，准备开题答辩 第二周：电路设计方案的确定，采购元器件 第三周：熟悉单片机的集成开发环境 第四周：单片机外围电路设计 第五周：数据采集电路设计 第六周：熟悉通信网络协议 第七周：完成编写单片机串口与通信模块程序的源代码和调试 第八周：完成串口的调试，总结查看前一段的毕设工作，准备期中检查 第九周：节点系统程序设计 第十周：完成对软件部分的调试 第十一周：基本实现节点的功能 第十二周：完成总体调试并实现各种功能 第十三周：完成论文初稿 第十四周：修改论文查找错

5、误 第十五周：修改论文准备答辩 第十六周：毕业设计答辩 摘摘 要要 无线传感网络是一种以通信为中心无线网络。通过使用无线传感网络人们可以 实现信息的快速、大范围、自动化的采集和传输。它可以广泛的应用于国防军事、 环境监测、物流领域、高效农业、智能交通、医疗保健、制造业等领域。 本设计是基于 at89c51 单片机无线传感网络节点的设计，通过 ds18b20 的温度 传感器采集温度并经过 at89c51 单片机的处理传送出去。整个设计采用了仿真电路 和程序编写。 第一部分是无线传感网络的发展概况和未来，第二部分是无线传感网络节点的 硬件设计，第三部分是无线传感网络节点的软件设计。 关键词：关键词

6、： ds18b20ds18b20，at89c51at89c51，射频，低功耗，射频，低功耗 abstractabstract wireless sensor network is a communications-centric, non-wireless network infrastructure. wireless sensor networks by using the information that people can achieve rapid, large-scale, automated collection and transmission. it can be wide

7、ly used in national defense, environmental monitoring, logistics, high efficiency agriculture, transportation, health care, manufacturing and other fields. in this paper, based on at89c51 microcontroller design of wireless sensor network node. ds18b20 collected by the temperature sensor temperature

8、and after processing send out at89c51 microcontroller. the design uses only the simulation circuit and programming. this article first describes the development of wireless sensor networks and the future. the second section describes the wireless sensor network node hardware design. the third sectio

9、n describes the wireless sensor network node software design. key words: ds18b20, at89c51, rf, low power consumption 目录目录 摘 要-i abstract-ii 引言-1 1 绪论-2 1.1 无线传感器网络的研究背景 -2 1.2 无线传感器网络的特点 -2 1.3 无线传感器网络的发展历程 -3 1.4 无线传感器技术的应用与研究 -4 1.5 论文研究的内容 -5 2 无线传感器网络节点的硬件设计-5 2.1 无线传感器网络结构 -5 2.2 无线传感器节点结构 -6 2

10、.3 无线传感网络节点设计方案论证 -7 2.3.1 方案展示 -7 2.3.2 最终确定的方案 -10 2.3.3 无线传感网络节点工作原理 -10 2.4 无线传感网络节点硬件设计 -10 2.4.1 传感器单元 -10 ds18b20 -10 ds18b20 的使用方法-12 ds18b20 内部结构框图-12 ds18b20 的通信协议-14 ds18b20 控制方法-16 ds18b20 具体电路-17 2.4.2 处理器模块 -17 主控制器 at89c51 的基本结构

11、-18 at89c51 引脚及其功能 -18 2.4.3 电源模块 -19 2.4.4 射频模块 -20 无线射频芯片 cc2500-20 射频单元与单片机的连接 -21 2.4.5 串口设计 -21 串口的任务 -21 串口的波特率 -22 串口有关的寄存器 -22 串口的电路设计 -23 3 无线传感网络节点的软件设计-23 3.1 开发环境 -23 3.2 节点软件设计 -24 3.2.1 设计功能 -24 3.2.2 数据采集部分的主程序设计 -25 3.2.3 读出温度子程

12、序 -26 3.2.4 显示温度子程序 -27 4 无线传感网络节点的通信设计-29 4.1 射频通信设计 -29 4.2 网络节点与其他节点之间的通讯设计 -29 4.3 数据通信包设计 -32 5 仿真结果与分析-33 5.1 proteus-33 5.2 仿真输出 -34 5.2.1 软件程序仿真结果 -34 5.2.2 电路仿真结果 -34 5.3 仿真结果分析 -36 结论-37 致谢-38 参考资料-39 引言引言 无线传感器网络(wireless sensor network，wsn)是近年来得到迅速发展和普 遍重视的新型网络技术，它的出现和发展对现代科学技术产生了极其深刻的影响

13、。 与传统的网络技术不同，无线传感器网络技术将现代无线通信技术、微型传感器技 术和网络技术有机地融为一体，已经是近几年来国内外研究的热点，引起了世界上 许多国家军界、学术界和工业界的高度重视，其应用前景十分广阔。 1 1 绪论绪论 1.11.1无线传感器网络的研究背景无线传感器网络的研究背景 传感器的定义根据国家标准gb7665-87是：“能感受规定的被测量并按照一定的 规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是 一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变 换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、 和

14、控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 而近年来对传感器的需求越来越复杂，单个传感器已经基本不能满足同益增长 的复杂要求。所以将多种传感器构建成网络已经成为研究的热点。传感器网络通常 是由许多空间分布的装置组成的一种计算机网络，这些装置使用传感器监控不同位 置的条件(比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物)。通常这些装置很小很便 宜，以便可以大量制造和部署，因此它们的资源(能源、存储、计算速度和带宽)严 重受限。每个装置都具备一个无线电收发器、一个很小的微控制器和一个能源(通常 为电池)。这些装置互相帮助，将数据传输到一台监控计算机。 传感器网络是由一组传感器以ad hoe方式构

15、成的有线或无线网络，其目的是协 作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。 对于传统网络，大部分是以有线方式构建，这是因为有线方式的传输带宽，传输速 度快，误码率低，构建简单等优点。但是这些优点对于传感器来说并不重要，这是 因为 传感器的数据传输率低，要求带宽窄，而误码率问题可以通过纠错与编码方式 降低。所以，在传感器网络方面采用有线传输模式并不是最好的选择。我们注意到 传感器是为了监控不同位置的条件，比如温度、声音、振动，压力、运动的信息， 所以其安装位置一般来说都是具有典型代表性的。特别对于一些特定环境中，例如 古建筑、恶劣的污染坏境，布线困难或者无法布线的情

16、况，采用无线方式传感器网 络是较为合适的。 山于传感器种类繁多，其数据特性也各不相同。所以构造一个万能的传感器网 络技术上非常复杂，代价也很高。因此构造一些较小的，灵活的子网络，再由这些 子网络构造一个大的网络成为较为通用的做法。当前无线传输设备小型化，低功耗 化，使得无线传感器网络的构建成为可能。 1.21.2 无线传感器网络的特点无线传感器网络的特点 无线传感器网络是一种独立出现的计算机网络，它的基本组成单位是节点，这 些节点集成了传感器、微处理器、无线接口和电源四个模块。传统计算机网络技术 中业已成熟的解决方案可以借鉴到无线传感器网络中来。但是基于光线传感器网络 自身的用途和优点，开发专

17、用的通信队议和路由算法已经成为了当前无线传感器网 络领域内急待研究的课题。 无线传感器网络具有以下特点： （1）无线传感器网络包括了大面积的空间分布：比如在军事应用方面，可以将 无线传感器网络部署在战场上跟踪敌人的军事行动，智能化的终端可以被大量地装 在宣传品、子弹或炮弹壳中，在目标地点撒落下去，形成大面积的监视网络。 （2）源受限制：网络中每个节点的电源是有限的，网络大多工作在无人区或者 对人体有伤害的恶劣环境中，更换电源几乎是不可能的事，这势必要求网络功耗要 小以延长网络的寿命，而且要尽最大可能的节省电源消耗。 （3）网络的自动管理和高度协作性：在无线传感器网络中，数据处理由节点自 身完成

18、，这样做的目的是减少无线链路中传送的数据量，只有与其他节点相关 的信息才在链路中传送。以数据为中心的特性是无线传感器网络的又一个特点，由 于节点不是预先计划的，而且节点位置也不是预先确定的，这样就有一些节点由于 发生较多错误或者不能执行指定任务而被中止运行。为了在网络中监视目标对象， 配置冗余节点是必要的，节点之间可以通信和协作，共享数据，这样可以保证获得 被监视对象比较全面的数据。 （4）以数据为中心：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。以数据为中心的特点要求传感器 网络的设计必须以感知数据管理和处理为中心。 （5）网络的动态拓扑、

19、多跳路由：无线传感器网络是一个动态的网络。一个节 点可能会因为电池能量耗尽或其他故障从运行网络中退出；也可能由于工作的需要 而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有 动态拓扑组织功能。由于网络中节点通信距离有限，如果希望与其射频覆盖范围之 外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路。 1.31.3无线传感器网络的发展历程无线传感器网络的发展历程 无线技术和传感器技术的不断进步是无线传感器网络发展的直接推动力。无线 传感器网络的发展是由传感器网络开始的，从年代上，传感器网络大致可以分为四 代。 早在上世纪70年代，就出现了将传感器采用点对点的通信方式，这样所连接的

20、 传感器便构成传感器网络的雏形，我们可以把它归之为第一代传感器网络。 20世纪80年代，随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时具有了获取 多种信息的综合处理能力，并可通过串行或并行等接口与控制器相关联，组成了有 信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。 从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化 传感器网络，大量多功能传感器被运用，第三代传感器网络逐渐形成。 第四代传感器网络采用大量的具有多功能多信息获取能力的传感器，在通信方 式上采用自组织无线接入，从而构成了现代意义的无线传感器网络。无线传感器网 络起始于20世纪90年代术期，最早用于军事上战场

21、信息的收集。最早的代表性论述 出现在1999年，题为“传感器走向无线时代”。随后在美国的移动计算和网络国际 会议上，提出无线传感器网络是下世纪面临的一个发展机遇。2002年10月24日，美 国英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。在美国自然科 学基金委员会(natural science foundation，nsf)的推动下，加州大学伯克利分校、 麻省理工学院、康奈尔大学、加州大学洛杉矶分校等大学研究了无线传感器网络的 基础理论和关键技术。2003年，美国技术评论杂志在论述未来新兴十大技术时， 无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。同年，美国商业周刊未来技术专 版，在论

22、述四大新技术时，无线传感器网络也被列入其中。美国今同防务杂志 更认为无线传感器网络的应用和发展，将引起一场划时代的军事技术革命和未来战 争的变革。2004年ieee spectrum杂志发表一期专集：传感器的国度，论述了无线传 感器网络的发展和可能的广泛应用。 在国内，现代意义的无线传感器网络及其应用研究首次正式出现在1999年中国 科学院知识创新工程试点领域方向研究的“信息与自动化领域研究报告”中， 并作为该领域提出的5个重大项目之一。随着知识创新工程试点工作的深入，2001年 中国科学院依托上海微系统所成立了微系统研究与发展中心，中心在无线传感器网 络方向陆续部署了若干重大研究项目和方向性

23、项目。2005年初，中国科学院召开了 关于无线传感器网络技术的研讨会，共商无线传感器网络下一步的工作。国家中 长期科学和技术发展规划纲要(20062020)在支持的重点领域及其优先主题信息 产业及现代服务业中列入了“传感器网络及智能信息处理”，并在自订沿技术中重 点支持“自组织传感器网络技术”。我国国家自然科学基金2005年将网络传感器中 的基础理论和关键技术列入计划，2006年国家自然科学基会将水下移动传感器网络 的关键技术列为研究重点。 1.41.4无线传感器技术的应用与研究无线传感器技术的应用与研究 目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域： 环境的监测和保护，随着人们对于环境问题的关

24、注程度越来越高，需要采集的 环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利， 并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。无线传感器网络被广 泛地应用于生态环境监测、生物种群研究、气象和地理研究、洪水、火灾检测，比 较常见的应用有：可通过跟踪珍稀鸟类、动物和昆虫的栖息、觅食习惯等进行濒临 种群的研究等；可在河流沿线分区域布设传感器节点，随时监测水位及相关水资源 被污染的信息；在山区中泥石流、滑坡等自然灾害容易发生的地方布设节点，可提 前发出预警，以便做好准备，采取相应措施，防止进一步的恶性事故的发生；可在 林区铺设这些传感器节点来监测森林火警，一旦有危险，可

25、立刻发出警报，消防人 员也可以利用个人数字助理(pda)生成监测区域的温度梯度场，以确定高温区域：类 似的应用还包括化工厂的事故监控等。在这类应用中，对传感器的需求量很大，所 以必须降低传感器的制造成本。 医疗护理，罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间， 使用微尘来测量居住者的重要征兆(血压、脉搏和呼吸)、睡觉姿势以及每天24小时 的活动状况。无线传感器网络在检测人体生理数据、老年人健康状况、医院药品管 理以及远程医疗等方面同样发挥出色的作用。在病人身上安置体温采集、呼吸、血 压等测量传感器，医生可以远程监测病人的情况。利用无线传感器网络可以长时间 地收集人的生理数据，这些

26、数据在研制新药品的过程中将非常有用。美国英特尔公 司目前正在研制家庭护理的无线传感器网络系统。该系统在鞋、家具、以及家用电 器等嵌入传感器，帮助老年人、患者及残障人士独立地进行家庭生活，必要时通过 wsn向医务人员、社会工作者请求帮助。研究人员开发了基于多个加速度传感器的无 线传感器网络系统，用来进行人体行为模式监测，如坐、站、躺、行走、跌倒、爬 行等。该系统使用多个传感器节点，安装在人体几个特征部位。系统实时地把人体 因行动而产生的三维加速度信息进行提取、融合、分类，并在监控界面显示受测人 的行为模式。这个系统稍加产品化，便可成为一些老人及行动不便的病人的安全助 手。同时，该系统也可以应用到

27、一些残障人士康复中心，对病人的各类肢体恢复进 展进行精确测量，为设计康复方案带来宝贵的参考依据。 军事领域，由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合 应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学 攻击等多方面用途。另外军事应用方面与灾难预警的应用有相似之处，只是传感器 的监测对象是敌军情况而非意外灾难。比如2005年，美国军方成功测试了由美国 crossbow产品组建的枪声定位系统。这些节点被安置在建筑物周围，能够有效地按 照一定的程序组建成网络进行突发事件(如枪声、爆炸源等)的检测，为救护、反恐 等行动提供了强力手段。 1.51.5论文研究的内容

28、论文研究的内容 由于应用的多样性，传感器网络研究在兼顾通用性的同时，必须进行面向应用 的、具有系统针对性的研究，以提高执行效率。本课题在对传感器网络进行科学分 类的基础上展开针对性研究，进而根据各种应用特点，设计出高效率的系统，充分 发挥传感器网络的潜能。 在传感器网络节点设计中，需要解决无线传感器节点微型化技术，即在有限的 系统资源条件下，微型、廉价、能量有限的多功能传感器设计技术。无线传感器网 络节点在未来将是一次性的，因此节点不仅要成本低廉，而且工作时间要尽可能长。 因此，电源供电和功耗问题是无线传感器网络节点软硬件设计的核心问题。可扩展 性也是传感器节点设计中必须考虑的问题，传感器节点

29、应当在具备通用处理器和通 信模块的基础上拥有完整、规范的外部接口，以适应不同的组件。无线通信协议是 软件中的一个重要问题，它直接关系到节点的各方面性能。 综上，本文研究的重点问题集中在两方面，即：低能耗的无线传感器网络节点 的硬件设计和无线传感器网络路由协议性能的仿真实现及研究。 2 2 无线传感器网络节点的硬件设计无线传感器网络节点的硬件设计 2.12.1无线传感器网络结构无线传感器网络结构 无线传感器网络系统通常包括传感器节点(sensornode)，汇聚节点(sink node) 和管理节点，其网络结构如2-1所示。大量传感器节点随机部署在监测区 (sensorfield)内部或附近，能

30、够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据 沿着其它传感器节点逐渐地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理， 经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理 节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。 图图2-12-1 无线传感器网络结构无线传感器网络结构 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统。传感器节点通常是一个微型的嵌入 式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池 供电。从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功 能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其它节点转发来的数据

31、进行存储、 管理和融合等处理，同时与其它节点协作完成一些特定任务。目前传感器节点的软 硬件技术是传感器网络研究的重点。 汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与 intenet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监 测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能 的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功 能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。 2.22.2无线传感器节点结构无线传感器节点结构 无线传感器节点的基本组成包括处理器单元、无线传输单元、传感器单元和电 源模块单元四个基本单元

32、，如图2-2。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据 转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本地采集的数据以 及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换 控制消息和收发采集数据；能量控制模块为传感器节点提供运行所需要的能量，通 常采用微型电池。此外，可以选择的其它功能单元还有定位系统、移动系统、电源 自供电系统等。 图图2-22-2 无线传感网络节点的基本组成无线传感网络节点的基本组成 2.32.3 无线传感网络节点设计方案论证无线传感网络节点设计方案论证 .1 方案展示方案展示 单片机电路单元 处理器单元是传感器网络节点的核心

33、，和其他单元一起完成数据的采集、处理 和收发。从处理器的角度看，无线传感器网络节点基本可以分为两类：一类采用以 arm 处理器为代表的高端处理器。该类节点的能量消耗比采用微控制器大很多，但 是其处理能力也强很多，适合图像等高数据量业务的应用，也适合作为网关节点。 另一类是以采用单片机为代表的节点。该类节点的处理能力较弱，但是能量消耗功 率也很小。本课题的设计要求比较低，采用能耗较小的单片机是合适的。 方案一： 采用ti公司推出的一款16位超低功耗单片机msp430f449，其工作电压范围为 1.8v-36v，并且采用三套独立的时钟源，包括高速的主时钟、低频时钟(如 32768khz)以及dco

34、片内时钟，可在满足功能需要的情况下按一定比例降低mcu主时 钟频率，以降低功耗。msp430f449必需的外围电路包括复位电路、jtag仿真口、电 源滤波电路以及无源晶振，其中复位电路直接与电源连接，会有几微瓦的功耗。 msp430系列单片机采用了risc接口，具有丰富的寻址的方式，大量的寄存器以 及片内数据存储器都可参加多种运算，还有高效的查表处理指令，有较高的处理速 度，在8mhz晶体驱动下指令周期为125ns。这些特点都保证了可编制出高效率的源程 序。 方案二： 采用freescale公司的hcs08，每个hcs08 系列的mcu 都是由hcs08 核加上几个 存储器以及外设模块组成。h

35、cs08 核的组成部分都有hcs08 cpu，背景调试控制器 (bdc)，支持多达32 个中断/复位源，芯片级地址译码，无线收发单元。 方案三： at89c51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低电压，高性能cmos8位微处理 器，俗称单片机。at89c2051是一种带2k字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用atmel高密度非易失存 储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8

36、 位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器。 最终确定选择方案三的at89c51，因为51单片机具有好的适用性和强大的功能。 能满足本设计的需要。 无线收发单元 方案一： 采用ti公司的cc2500。cc2500是一种低成本真正单片的2.4ghz收发器，为低功 耗无线应用而设计。电路设定为2400-2483.5mhz的ism（工业，科学和医学）和 srd（短距离设备）频率波段。rf收发器集成了一个数据传输率可达500kbps的高度 可配置的调制解调器。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性 能得到提升。 方案二： 采用nrf2401，nr

37、f2401是单片射频收发芯片，工作于 2.42.5ghz ism频段， 芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率 和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dbm的功率发射时，工 作电流只有10.5ma，接收时工作电流只有 18ma，多种低功率工作模式，节能设 计更方便。其 duoceivertm技术使nrf2401可以使用同一天线，同时接收两个不 同频道的数据。 nrf2401适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无 线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。 方案三： 采用ti公司的cc1100。cc1100是一种低成本真正单片的uhf收发器，为低功耗无

38、 线应用而设计。电路主要设定为在315、433、868和915mhz的ism（工业，科学和医 学）和srd（短距离设备）频率波段，也可以容易地设置为300-348 mhz、400-464 mhz和800-928 mhz的其他频率。 无线射频芯片的种类和数量繁多，无线收发芯片的选择在设计中至关重要，正 确的选择可以减小开发难度，缩短开发周期，降低成本。无线射频收发芯片的工作 频段有433mhz，968mhz，以及zigbee使用的24ghz等等。在选择无线收发芯片时应 考虑需要以下几点因素：功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的外围元件 数量、芯片成本、数据传输是否需要进行曼彻斯特编码等。

39、（1）发射功率。在同等条件下，为了保证有效和可靠通信，应选用发射功率较 高的产品。 （2）功耗。大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的，因此功耗也非常重 要，应该根据需要选择综合功耗较小的产品。 （3）收发芯片所需的外围元件数量。芯片外围元件的数量直接决定产品的成本， 因此应该选择外围元件少的收发芯片。有些芯片似乎比较便宜，可是外围元件使用 很多昂贵的元件，如变容管、声表滤波器等；还有些芯片收发分别需要两根天线， 会增加成本。 （4）收发芯片的数据传输是否需要进行曼彻斯特编码。采用曼彻斯特编码的芯 片，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的内存和程序容量，并且曼彻斯 特编码大大降低数据传

40、输的效率，一般仅能达到标称速率的13。而采用串口传输 的芯片，应用及编程非常简单，传送的效率很高，标称速率就是实际速率。 （5）收发芯片的封装和管脚数。较少的管脚以及较小的封装，有利于减少pcb 面积降低成本，适合便携式产品的设计，也有利于开发和生产。 综合以上5点要素，在设计时选择chipcon公司的cc2500无线射频芯片。 供电单元 由于节点的电源由两节5号电池供电，节点芯片工作在33 v的电压下，所以采 linear公司的ltc3400开关型升压芯片。它的开关频率为12 mhz，效率最高可达 92。它的外围电路简单，使整个电源在pcb上的面积大大降低。 因此选择了ltc3400ltc3

41、400还可在轻负载情况下自动转为突发模式，以节省电 能。 传感器单元 传感器种类很多，可以检测温湿度、光照、噪声、振动、磁场、加速度等物理 量，将这些环境变量转变为可供测量的信号。相对于常规的传感器，课题的设计中 更多的会涉及到的是现成的集成设计的微型传感器，至于传感器的具体工作原理， 我们并不关心，我们只要知道用就可以了。考虑到整个节点由电池供电，必须选择 体积小、低功耗、外围电路简单的传感器。如果是实际应用，完全可以直接采用不 需要信号调理电路的数字式传感器，而在我们的课题设计中，则应当尽量不要使用 数字式传感器。 传感器电源的供电电路设计对传感器模块的能量消耗来说非常重要。对于小电 流工

42、作的传感器，可由处理器 i/o 口直接驱动，可以减少能量消耗。对于大电流工 作的传感器，i/o 口不能直接驱动传感器，通常使用场效应管来控制后级电路能量 输入。当有多个大电流传感器接入时，通常使用集成的模拟开关芯片来实现电源控 制。 本设计内选用温度传感器ds18b20。 at89c51cc2500 ltc3400 +5v+1.83.6v ds18b20 +3.3v .2 最终确定的方案最终确定的方案 由 at89c51 构成的无线传感网络节点由五部分组成：ds18b20 温度传感器、 at89c51、ltc3400 电源、cc2500 射频单元。ds18b20 温度传感器完成

43、数据的采集和 转换然后传送给 at89c51，at89c51 将数据处理转送给 cc2500 无线模块，通过无线 模块发送出去，ltc3400 的电源部分为整个系统提供电力供应。总体设计如图 2-3 所示： 图图2-32-3 无线传感网络节点总体设计无线传感网络节点总体设计 .3 无线传感网络节点工作原理无线传感网络节点工作原理 利用 at89c51 组成的无线传感网络节点的工作原理：温度传感器 ds18b20 将被 测环境温度转化成带符号的数字信号（以十六位补码形式，占两个字节）传送给 51 单片机，然后单片机经过处理经由 cc2500 的无线发射模块发送给上位机。 2.42

44、.4 无线传感网络节点硬件设计无线传感网络节点硬件设计 .1 传感器传感器单元单元 ds18b20ds18b20 传感器模块，又称为数据采集模块，它主要目的是将传感器所采集到得模拟信 号转换成单片机可以处理的数字信号，然后将数据处理等待发送，它为系统提供了 进行处理和决策所必需的原始信息。因此，它是现代监测系统中的关键环节。传感 器获得信息正确与否，直接影响整个系统的精度，如果传感器的误差较大则随后的 测量电路、放大电路以及微处理器的精确度再高也是徒劳的，因此正确选用传感器 尤为重要。 在本系统中，考虑到现实应用的多样性，设计采用内部和外部传感器的

45、方式进 行数据采集。所谓内部就是在节点上设计一个数字式测温芯片-dsl8b20；所谓 外部就是系统对外提供两路接口给外接传感器。 dsl8820是是美国dallas公司生产的一线式数字温度传感器。目前常用的微机与 外设之间进行数据传输的串行总线(如spi总线、i2c总线或sci总线等)，至少需要两 条或两条以上的信号线。美国dallas半导体公司开发了一种新技术单总线技术。 它采用单根信号线完成数据的双向传输，并且可以通过该信号线为单总线器件提供 电源，节省io口资源，结构简单，成本低廉、便于扩展。单总线系统是由挂在一 对双绞线(一根信号线，一根地线)上的单总线器件芯片，专门的通信协议组成，该

46、 系统中只有一个总线命令者，从者可以有多个。总线命令者可以是pc机或者普通的 单片机，从者是dallas公司提供的单总线器件芯片。 作为单总线器件。dsl8820全部传感元件和转换电路都集成在一个形如三极管的 集成电路内。与其它传感器相比，dsl8820具有以下技术特性： （1）具有独特的单总线接口方式，ds18b20在与微处理器连接时仅需一条i/o口 线就可实现微处理器与它的双向通信； （2）支持多点组网功能，一条总线上可以同时挂接多个dsl8b20，很方便地实 现多点温度的检测； （3）数字信号输出，不需要信号放大和a/d转换等外围电路； （4）测温范围-55+125，在-1+85时测温准

47、确度为0.5； （5）能提供912位二进制温度值输出，可通过编程决定输出位数； （6）其工作电源既可采用寄生电源方式产生，也可在远端引入，电源电压范围 为+3.0v5.5v。 因为它是数字输出，而且只占用一个i/o端口，所以它特别适合于微处理器控制 的各种温度测控系统，避免了模拟温度传感器与微处理器接口时需要的a/d转换和较 复杂的外围电路。缩小了系统的体积，提高了系统的可靠性。dsl8820只有三根外部 引脚，其中vdd和gnd为电源引脚，另一根dq则作为i/o总线，因此称为一线式数据总 线。如图2-4： 2-42-4 ds18b20ds18b20连接设计图连接设计图 ds18b20 采用脚

48、 pr35 封装或脚 soic 封装，其内部结构框图如图 2 所示。 ds18b20 引脚介绍：to92 封装的 ds18b20 的引脚排列见图 2-5，其引脚功能 描述见表 2-1。 图图 2-52-5 表表 2-12-1ds18b20ds18b20 详细引脚功能描述详细引脚功能描述 序号名称引脚功能描述 1gnd 地信号 2i/o 数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下， 也可以向器件提供电源。 3vdd 可选择的 vdd 引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。 ds18b20ds18b20的使用方法的使用方法 由于 ds18b20

49、采用的是 1wire 总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双 向传输，而对 at89c51 单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须 采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对 ds18b20 芯片的访问。 由于 ds18b20 是在一根 i/o 线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的 时序要求。ds18b20 有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该 协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机 作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动 启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，

50、主机需启动读 时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。 ds18b20ds18b20内部结构框图内部结构框图 ds18b20 采用脚 to-92 封装或脚 soic 封装，其内部结构框图如 2-6 所示。 c 64 位 rom 和 单 线 接 口 高 速 缓 存 存储器与控制逻辑 温度传感器 高温触发器 th 低温触发器 tl 配置寄存器 8 位 crc 发生器 vdd 图图 2-62-6 ds18b20ds18b20 内部结构内部结构 i/o 64 位 rom 的结构开始位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号， 共有 48 位，最后位是前面 56

51、 位的 crc 检验码，这也是多个 ds18b20 可以采用一 线进行通信的原因。温度报警触发器和，可通过软件写入户报警上下限。 ds18b20 温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存和一个非易失性 的可电擦除的 eeram。高速暂存 ram 的结构为字节的存储器，结构如图 3 所示。 头个字节包含测得的温度信息，第和第字节和的拷贝，是易失的， 每次上电复位时被刷新。第个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的 数字转换分辨率。ds18b20 工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。 该字节各位的定义如图 2-7 所示。低位一直为，是工作模式位，用于设置 ds18b20 在工作模

52、式还是在测试模式，ds18b20 出厂时该位被设置为，用户要去改 动，r1 和0 决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。 由表 2-2 可见，ds18b20 温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的 温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。 高速暂存的第、字节保留未用，表现为全逻辑。第字节读 出前面所有字节的 crc 码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。 tm r1 1r01111 . . . 温度 lsb 温度 msb th 用户字节一 th 用户字节二 配置寄存器 保留 保留 保留 crc 图图 2-72-7 ds18b20ds18b20 字节

53、定义字节定义 表 2-2 ds18b20 温度转换时间表 r0r1 0 0 0 1 0 1 1 1 9 10 11 12 分辨率/位 温度最大转向时间/ms 93.75 187.5 375 750 . . . 当 ds18b20 接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以 16 位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第 1、2 字节。单片机 可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以 0.0625lsb 形式表示。 当符号位 s=0 时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进 制；当符号位 s=1 时，表示测得的温度值为负值，要

54、先将补码变成原码，再计算十 进制数值。表 2-3 是一部分温度值对应的二进制温度数据。 表 2-3部分温度对应值表 温度/二进制表示十六进制表示 +1250000 0111 1101 0000 07d0h +850000 0101 0101 0000 0550h +25.06250000 0001 1001 0000 0191h +10.1250000 0000 1010 0001 00a2h +0.50000 0000 0000 0010 0008h 00000 0000 0000 1000 0000h -0.51111 1111 1111 0000 fff8h -10.1251111 11

55、11 0101 1110 ff5eh -25.06251111 1110 0110 1111 fe6fh -551111 1100 1001 0000 fc90h ds18b20ds18b20的通信协议的通信协议 由于 ds18b20 采用的是 1wire 总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双 向传输，而对 at89c51 单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须 采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对 ds18b20 芯片的访问。 由于 ds18b20 是在一根 i/o 线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的 时序要求。ds18b20

56、 有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该 协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机 作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动 启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读 时序完成数据接收。 ds18b20 器件要求采用严格的通信协议，以保证数据的完整性。该协议定义了 几种信号类型：复位脉冲，应答脉冲时隙；写 0，写 1 时隙；读 0，读 1 时隙。与 ds18b20 的通信，是通过操作时隙完成单总线上的数据传输。发送所有的命令和数 据时，都是字节的低位在前，高位在后。 复位和应答脉冲时

57、隙 每个通信周期起始于微控制器发出的复位脉冲，其后紧跟 ds18b20 发出的应答 脉冲，在写时隙期间，主机向 ds18b20 器件写入数据，而在读时隙期间，主机读入 来自 ds18b20 的数据。在每一个时隙，总线只能传输一位数据。如图 2-8 图图2-82-8 写时隙 当主机将单总线 dq 从逻辑高拉为逻辑低时，即启动一个写时隙，所有的写时隙 必须在 60120us 完成，且在每个循环之间至少需要 1us 的恢复时间。写 0 和写 1 时 隙如图所示。在写 0 时隙期间，微控制器在整个时隙中将总线拉低；而写 1 时隙期 间，微控制器将总线拉低，然后在时隙起始后 15us 释放总线。如图 2

58、-9 图图2-92-9 读时隙 ds18b20 器件仅在主机发出读时隙时，才向主机传输数据。所以在主机发出读 数据命令后，必须马上产生读时隙，以便 ds18b20 能够传输数据。所有的读时隙至 少需要 60us，且在两次独立的读时隙之间，至少需要 1us 的恢复时间。每个读时隙 都由主机发起，至少拉低总线 1us。在主机发起读时隙之后，ds18b20 器件才开始在 总线上发送 0 或 1，若 ds18b20 发送 1，则保持总线为高电平。若发送为 0，则拉低 总线当发送 0 时，ds18b20 在该时隙结束后，释放总线，由上拉电阻将总线拉回至 高电平状态。ds18b20 发出的数据，在起始时隙

59、之后保持有效时间为 15us。因而主 机在读时隙期间，必须释放总线。并且在时隙起始后的 15us 之内采样总线的状态。 对于 ds18b20 的读时序分为读 0 时序和读 1 时序两个过程。对于 ds18b20 的读 时隙是从主机把单总线拉低之后，在 15 秒之内就得释放单总线，以让 ds18b20 把数 据传输到单总线上。ds18b20 在完成一个读时序过程，至少需要 60us 才能完成。 ds18b20 的读时序。如图 2-10： 图图2-102-10 ds18b20ds18b20控制方法控制方法 ds18b20 有 10 条控制命令，如表 2-4 所示： 表

60、表 2-42-4 ds18b20ds18b20 控制命令控制命令 romrom 操作命令操作命令 指令说明 读 rom 命令（33h）读 ds18b20 的序行号 搜索 rom 命令（f0h）识别总线上各器件的编码 匹配 rom 命令（cch）用于多个 ds18b20 的定位 跳过 rom 命令（cch）此命令执行后，存储器操作将针对总 线上所有操作 报警搜索 rom 命令（ech）仅温度超限的器件对此命令做出响应 ramram 操作命令操作命令 指令说明 温度转换（44h）启动温度转换 读暂存器（beh）读全部暂存器内容 写暂存器（4eh）写暂存器第 2，3 和 4 个字节的数据 复制暂存器