课程设计（论文）无线传感器网络

1、吉林工程技术师范学院论文目录第一章 绪论2第二章 无线传感器网络节点的设计42.1节点的组成42.2芯片选择及设计4第三章 基于无线传感器网络的温湿度采集系统83.1组建网络83.2数据管理83.3节点信息93.4数据变化波形103.5数据列表113.6报警信息11第四章 总结13参考文献14第一章 绪论无线传感器网络（， ）作为计算、通信和传感器三项技术相结合的产物，是一种全新的信息获取和处理技术，被认为是世纪最重要的技术之一。无线传感器网络是由大量的集成了传感、数据收集、处理和无线通信能力的小体积、低成本的传感器节点构成的无线自组织网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域内感

2、知对象的信息，并传送给需要这些信息的用户。由于无线传感器网络具有低成本、自组织、体积小和布撒灵活等特性，因此在军事侦察、环境信息检测、空间探索、农业生产、医疗健康监护、建筑与家居、工业生产控制、交通控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。 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，节点具有传感、信号处理和无线通信功能，它们既是信息包的发起者，也是信息包的转发者。通过网络自组织和多跳路由，将数据向网关发送。网关可以使用多种方式与外部网络通信，如、卫星或移动通信网络等等，大规模的应用可能使用多个网关。无线传感器网络节点一般由个部分组成：传感器模块、处理模块、无线收发模块和能量供应模块。其中

3、，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。 无线传感器网络特点目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、网络等，与这些网络相比，无线传感器网络具有以下鲜明的特点：（）硬件资源有限。传感器节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。这一点决定了在节点操作系统设计中，协议层次不能太复杂。（）电源容量有限。传感器节点由电池供电，电池的容量一般不是很大，

4、其特殊的应用领域决定了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用（死亡）。因此在传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。（）自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。（）多跳路由。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由。无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息的发起者，也是信息的转发者。（）动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的

5、网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障退出网络运行；一个节点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。（）节点数量大，密度高。为了对一个区域执行监测任务，往往有成千上万个传感器节点空投到该区域，数量很大。而且，传感器节点分布非常密集，利用节点之间高度连接性来保证系统的容错性和抗毁性。（）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。第二章 无线传感器网络节点的设计2.1节

6、点的组成 无线传感器网络节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块、能量供应模块四部分组成。无线通讯模块使用于传感器网络的数据通讯协议包括物理层、链路层、网络层和使用层。鉴于传感器网络节点的资源和运算才干，普通不定义传输层。2.2芯片选择及设计传感器节点是组成无线传感器网络的基本单位，是构成无线传感器网络的基础。本文依据传感器节点功耗低、成本低、体积小等硬件限制条件，设计了一种基于射频芯片cc2420和单片机msp430的无线传感器网络的硬件节点。硬件节点设计在进行无线传感节点设计时,应考虑其具有的如下特点:微型化, 应用中的传感器节点要高度集成，保证不会对目标系统的特性造成影响，受外形尺寸限

7、制，模块必须能够集成更多部件；低功耗,网络往往部署在无人值守的地方，节点使用电池供电，不能频繁更换电池，因此，如何节省电能是应用的首要问题；运行速度，网络对节点的实时性要求很高，要求处理器的实时处理能力要强；扩展接口,多功能的传感器产品是发展的趋势，而在前期设计中，不可能把所有的功能包括进来，这就要求系统有很强的可扩展性；可靠性, 传感器网络可以分布在很广的地域,因此，维护十分困难，传感器网络的软、硬件必须具有高鲁棒性和容错性；尽可能低的成本。综合以上考虑,本文设计的传感器节点框图如图1.2.1所示。图1.2.1 系统硬件结构框图传感器节点由数据采集、数据处理、数据传输和电源等模块组成，本方案

8、采用了以msp430为核心的控制模块。msp430在低功耗方面表现出色，并且在恶劣条件下工作性能稳定。以cc2420为无线收发模块，msp430与cc2420通过spi方式通信，msp430采用主模式，cc2420采用从模式。节点的传感器模块与主板分离，模块化的设计提高了节点在不同应用中的灵活性。由于本节点为电池供电，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。主要芯片介绍1.cc2420cc2420是一款兼容2.4ghz ieee 802.15.4的无线收发芯片。该芯片体积小、功耗低，非常适合于家庭及楼宇自动化、工业监控等应用系统。cc2420具有完全

9、集成的压控振荡器，只需要天线、16mhz晶振等非常少的外围电路就能在2.4ghz频段工作。cc2420只提供一个spi接口与微处理器连接，通过这个接口完成设置和收发数据工作。许多单片机都集成了spi控制器，例如msp430，可以非常方便地与cc2420配合使用。简单的外围电路和处理器接口，使得cc2420可以应用在非常廉价的设备上。2.msp430msp430是具有超低功耗特点的16位单片机，本方案选用msp430f149，其功耗电流已经达到了ma级。它是功能强大的cpu内核:16位cpu和高效的risc指令系统，无外扩的数据地址总线，在8mhz时可达到125ns的指令周期，具有16个快速响应

10、中断，能及时处理各种紧急事件。丰富的片内外围功能模块：12位的a/d转换器adc12内包括采样/保持功能的adc内核、转换存储逻辑、内部参考电平发生器、多种时钟源、采样及转换时序电路。有8个外通道,4个内通道，高达200kbps的采样速率，多种采样方式。两路usart通信串口，可用于uart和spi模式;片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器，6个并行口plp6, 48条i/o口线，其具有64k的闪存,用于存储采集数据。3.cc2420与msp430的(1)硬件接口电路cc2420与处理器的连接非常方便。它使用sfd、 fifo、 fifop、和cca 4个引脚表示收发数据的状态;而处理器通过

11、spi接口与cc2420交换数据、发送命令等。cc2420收到物理帧的sfd字段后，会在sfd引脚输出高电平，直到接收完该帧。如果启动了地址辨识，在地址辩识失败后，sfd引脚立即转为输出低电平。fifo和fifop引脚表示接收fifo的缓存区状态。如果接收fifo缓存区有数据，fifo引脚输出高电平;如果接收fifo缓存区为空，fifo引脚输出低电平。当fifop引脚在接收fifo缓存区的数据超过某个临界值时，或者在cc2420接收到一个完整的帧以后输出高电平。临界值可以通过cc2420的寄存器设置。cca引脚在信道有信号时输出高电平，它只在接收状态下有效。在cc2420进入接收状态至少8个符

12、号(symbol)周期后，才会在cca引脚上输出有效的信道状态信息。spi接口由csn、si、so和sclk引脚组成。处理器通过spi接口访问cc2420内部寄存器和存储器。在访问过程中，cc2420是spi接口的从设备，接收来自处理器的时钟信号和片选信号，并在处理器的控制下执行输入输出操作。spi接口接收或者发送数据时，都与时钟下降沿对齐。cc2420与msp430是通过spi连接的，其中，msp430处于主模式，cc2420处于从模式。msp430还有4个i/o与cc2420相连，主要起查询cc2420状态的作用。cc2420与msp430的接口电路如图1.2.2所示。图2.2.2 视频采

13、集系统硬件结构框图 (2)节点设计的要点及注意事项在设计节点时,重点是射频部分, cc2420要求时钟源的精度在40ppm以内。本文采用高精度、性能稳定的四脚贴片晶振，来避免晶振的漂移。进行电路板设计时,要采取抗干扰措施：射频电路没有用做布线的面积均需用铜填充并连接到地，以提供rf屏蔽，达到有效抗干扰的目的；cc2420芯片底部应接地；为了降低延迟、减少串扰，确保高频信号的传输，要使用多个接地过孔将cc 2420芯片底部和地层相连； 器件要紧密地分布在cc2420的四周，并使用较小的封装。另一个要考虑的是天线。天线在无线通信中起着举足轻重的作用，天线的选择和设置会直接影响整个无线通信网络的运行

14、质量。本节点射频芯片cc2420可以使用金属倒f型pcb引线天线和单极天线两种设计方案。pcb引线天线是印制在电路板上的导线，通过它来感应空中电波、接收信息。pcb天线的形状、尺寸应严格按照数据手册设计。图2.2.3 电视跟踪系统流程图(3)软件设计软件开发以iar workbench v2.10为平台，采用c语言编写，软件编程的基本思路是：先对spi、cc2420控制端口初始化；使能spi、uart端口，使能adc，对cc2420芯片初始化;开启接收机后，就可以运行任务程序了，以实现接收或发送数据。第三章 基于无线传感器网络的温湿度采集系统本文设计了一种基于msp430单片机，以温湿度传感器

15、数据采集为例的无线传感器网络数据采集系统。介绍了无线传感器硬件结构及选配过程，并对数据采集系统进行了设计，开发了相应的程序，最后进行了实验验证。通过实验证明了实验室搭建无线传感器网络平台成功，设计的节点能够实现实时参数监测。数据传输可靠，数据采集精度高，实现了本论文预期达到的效果，数据采集精度能够满足实验要求。 3.1组建网络在采集管理界面中将传感器节点逐渐加入到汇聚节点建立的网络中，并在信息显示窗口中显示建网完成后，采集网络建立完成，各采集器数据信息最终传输到汇聚节点。如图 3.1.1所示。当节点列表中的节点加载到拓扑图区域后，可根据各节点的实际安装位置将节点移动到拓扑图的相应坐标，若某节点

16、附近出现异常可根据拓扑图尽快找到节点所处位置。图3.1.1 网络拓扑图3.2数据管理组网完成后，可进入采集管理界面，在树形列表中实时显示当前采集网络的收集器与采集器节点的树形关系，此列表可查看采集网络所有节点的父子关系。如图3.2.1所示。图3.2.1 树形结构图3.3节点信息在树形列表中单击选中某采集器节点可在节点信息中显示该采集器节点的网络参数、传感器数据等信息。单击树形列表中的某个采集器，在节点信息部分显示所单击采集器的相关信息。如图3.3.1所示。图3.3.1 节点信息3.4数据变化波形在全部节点地址列表中选择想要查看的采集器，点击 按钮加载到添加节点地址列表中，点击 按钮。在趋势图界

17、面中可查看所选采集器的传感器数据、传感器模拟量变化波形。如图 3.4.1所示。图3.4.1趋势图3.5数据列表在采集器列表中加载想要查看的采集器，在界面左下角可设置数据显示的开始与结束时间，在界面左侧选择采集器加载，则可在界面右侧区域内显示所加载的采集器的传感器数据、数据采集时间等信息。如图 3.5.1所示。图3.5.1数据列表3.6报警信息在采集器列表中加载想要设置报警的采集器，在界面右侧的区域所加载的采集器。双击采集器进入报警属性配置窗口，在报警属性类型中选择报警参数，选中启动报警方案，在参数下限、参数上限中设置参数的下限值和上限值，完成报警属性配置。如图9所示。图3.6.1 报警管理第四

18、章 总结本次课程设计是利用无线传感器网络设计温湿度采集系统，通过这次课程设计，使我了解了温度传感器的工作原理，怎样用单片机编程来实现，不但复习了单片机的编程方法也对无线传感网络有了认识，知道了它的网络结构以及基本协议。接近一学期的课程设计即将结束了，在这段时间当中使我学会了很多，学会了怎样理论联系实际，扎实了专业知识，在老师的细心指导下，使课设在开题，研究，电路调试方面都顺利地完成了，此次课设的完成，凝聚了老师辛勤的汗水和自己不懈的努力才得以圆满的结束。这次的内容和经验为以后的毕业设计奠定了基础，不会在像以前那样不知从哪入手，手忙脚乱了，为次对老师表示深深的谢意和崇高的敬意，他认真负责的态度使我终身受益，他精湛的专业技能让我们佩服，使我深刻明白了做老师的职责所在，以后从事教师行业要以他为榜样。参考文献1 主编 张毅刚 单片机原理及应用 高等教育出版社2 主