无线传感器网络课程设计

1、1 课题的来源与背景.22 无线传感器网络体系结构.43 无线传感器网络节点结构.53.1 无线传感器网络节点.53.2 无线传感器网络节点设计.63.2. 1处理器模块.73.2. 2通信模块.73.2. 3能量供应模块.94 实验程序流程图.104 结束语.13参考文献:.1511 功能。无线传感器网络Wireless Sensor Network，WSN)就是由部署在监测区域和通信模块的微小节点借助于内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的过多跳路由到达网关。网关一些文献也称为Sinknode)是一个特殊的节点，可通过空，通过网关采集数据。以军事应用controlcommunicati

2、oncomputing，intelligence，surveillance，reconnaissance and targeting)系统不可或缺的一部分。系统的目标是利用先进的高科技技术，为未来的现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统受和物资，监视冲突区，侦察敌方地形和布防，定位攻击目标，评估损失，侦察和探测核、生物和化学攻击。在战场，指挥员往往需要及时准确地了解部队、武器2器网络也可以为火控和制导系统提供准确的目标定位信息。比，传感器网络的潜在优势表现在以下几个方面：（1）分布节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比，这一直是卫星和雷

3、达这类独立系统难以克服的技术问题之一。（2）传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能力。（3）传感器节点与探侧目标的近距离接触大大消除了环境噪声对系统性能的影响。（4）节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标。（5）多节点联合，形成覆盖面积较大的实时探测区域。（6）借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力，可以有效地消除探测区域内的阴影和盲点。学术界、军事部门和工业界的极大关注。从2001DARPA(美国国防部高级研究计划署7亿美的所谓战区超视觉数据。2002年8月，NSF(美国国家科学基金会一期资助4000万美元在UCLA成立了传感器网络研究中心，

4、联合周边大学 (包括UCB、USC和USR等)展开“嵌入式智能传感器”的研究项目，以求利用传感器网络对我们生活最主要的络方面的工作，纷纷设立或启动相应的行动计划。日本、英国、意大利、巴西等3国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。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 )有藿不期成了无线传感器网络的核心问题。在研究初期，人们曾经一度认为成熟的Intemet技术加上Ad hoeAdhoc网络设计的协议和算如地址等的作用在传感线传感器网络中，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

5、界噪声干扰的影响。这些独特的要求和制约因素为无线传感器网络的研究提出了新的技术问题。2 点(Sensor node)、Sink网关节点(Sink node)和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域(Sensor field)内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传4感器网络研究的重点。Sink网关节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接无线传感器网络与管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。Sink网关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。3 无线传感器网络(W ir

6、eless Sensor Network,WSN)是由部署在地理区域内大量的廉价微型传感器组成,用来协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并以无线通信方式把数据发送给观察者。无线传感器网络具有三个基本要素:传感器、观察者和感知对象。其中传感器由感知部件、存储器、嵌入式处息的接受和应用者。感知对象是借助于节点中内置的传感器探测到湿度、温度、与客观上的物理世界融合在一起,改变人类与自然界的交互方式。无线传感器网络的基本单位是节点,它们的性能是整个无线网络可靠性的基本保证。根据实际应用和推广的需要,节点的体积和质量都应该比较小。无线传感网络的节点应用ARM 处理器,简化了节点的硬件设计

7、,能力和可靠性。本文设计了一种基于 Philips 公司的 32 位微控制器 LPC2138 和在2.4GHz频带上工作的无线收发模块CC2420,结合外围传感器,具有电量检测功能的无线传感器网络节点,并可以运用在实际中。3.1 无线传感器网络节点无线传感器网络节点组成及工作流程无线传感器网络节点是一个微型的嵌入式系统,一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成,如图 1 所示。图中的箭头代表数据的流向。传感器模块由传感器和 A/D 转换器组成,负责对感知对象信息的采集和数据转换;处理器模块由微处理器、存储器和应用模块组成,负责控制整个传感器节点的操作 ,存储和处理数据,通信

8、协议管理5图1 3.2 6 1 处理器模块是无线传感器节点的核心,负责整个节点的设备控制、任务分配与调度、数据整合与传输等关键任务,因此处理器性能的好坏决定了整个节点的性能10。本设计使用的微控制器是广州周立功公司开发的 ARM7 芯片。ARM芯片是基于 ARM7TDMI-S 核、单电源供电、LQFP64 封装的 具有JTAG仿真调试、ISP 编程等功能。ARM7TDMI-S 核是通用的 32 位微处理器内核,采用冯诺依曼结构,它具有高性能和低功耗的特性。ARM 结构是基于精简指令集计算机(RISC, Reduced Instruction SetComputer)原理而设计的,指令集和相关的

9、译码机制比复杂指令集计算机要简单得多,由此可见使用一个小的、廉价的处理器核就能非常容易实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。LPC2138的主要特性:(1) 16/32位 ARM7TDMI-S 核,超小 LQFP64封装。(2)8/16/32kB 的片内静态 RAM 和 32/64/128/256/512kB 的片内 Flash 程序存储器。通过片内 boot 装载程序实现在系统编程和应用编程(ISP/IAP)。(4)2 个 8 路 10 位的 A/D 转换器提供 16 路模拟输入,且每个通道具有低至 2.44us 的转换时间。(5)1个 10 位的 D/A转换器,可产生不同的模拟输出。(6)

10、PWM 单元(6 路输出2 个 32 位定时器/外部事件计数器(4路比较通道和带 4 路捕获和看门狗。多个串行接口,包括 2 个高速 I2C 总线(400kbps)、2 个 16C550 工业标准、SPI和具有数据长度可变功能和缓冲作用的 SSP。低功耗实时时钟具有独立的电源和特定的 32kHz 时钟输入。通过外部中断或 BOD将处理器从掉电模式中唤醒。3.2. 2通信模块在无线传感器网络中,节点之间通过无线通信来完成数据的交互,数据的接收和发送消耗了节点的能量。为节省能量,延长节点寿命,需选择一块低能耗的通信芯片。本设计采用Chipcon/TI 公司开发的一款低功耗通信芯片 CC242012

11、-13作7为射频收发器,CC2420 唤醒时延短的特点使它能有更多的时间处于睡眠状态,从而大大降低了节点的能耗。CC2420 是 IEEE 802. 15. 4 标准的低成本、低功耗单片高集成度的解决方案。它的工作频率为 2. 4GHz。CC2420 符合欧洲ETSIEN300328、EN 300 440 class 2 和日本 ARIB STD-T66标准。CC2420 的主要特点:具有 250bkps 的有效数据传输速率和 2Mchip/s 直接扩频序列基带调制解调。具有独立的 128 字节发射、接收数据缓冲器。适合简化功能装置和全功能装置操作;低电流消耗;接收 19. 7mA,发射 17

12、. 4mA;低电源电压要求;使用内部电压调节器时 2. 1-3. 使用外部电压调节器时 1. 6-2. 0V;可编程输出功率。可监控电池电量,QLP-48 封装,外形尺寸只有 7* 7mm,适用于各种恶劣的环境。从上述分析可知,该芯片具有良好的性能,尤其是它极低的电流消耗和封装尺寸,可以满足无线传感网络中节点体积小、质量轻、功耗小、成本低等特点。经测试发现该芯片在本系统中工作良好,功能比较完善。CC2420 能够非常方便地与ARM7 处理器连接。CC2420使用SFD, FIFO, FIFOP和CCA四个引脚表示收发数据的状态;而处理器通过 SPI 接口与 CC2420 收发数据,写入或读取配

13、置信息等。ARM7 的 4 个SPI 通信接口: SSEL,MOSI,MISO 和 SCLK 分别对应于 CC2420 的 4 个 SPI 通信接口: CSN, S1, SO 和。由于 CC2420 只有从机模式,因此 ARM7 处理器只能采用主机模式。ARM7 和 CC2420 引脚连接如图2 据时,处理器的 SCLK引脚提供时钟频率; SSEL引脚控制数据收发的同步性,CSN引脚置为低电平。MOSI与 MISO ,当节点接收到帧开始分隔符后,将 SFD,如果地址错误,则 SFD 引脚被置为低电平,如果地址识别功能禁止或地址接收正确,则 SFD CC2420 的 RXFIFO(接收数据存储区

14、相关的两个信号是 FIFO和 FIFOP RXFIFO缓冲区变成空时, FIFO引脚重新被置为低电平。因此当 CC2420 中是否有接收到的数据,ARM7 处理器通过读取 FIFO,则在8CC2420的地址识别完成前读取那些可能无效的数据,当CC2420的地址识别功能94 图4图5 4 本文提供了一种基于 CC2420 的无线传感器网络的硬件节点设计方案,通过选择芯片,设计硬件接口,构建了一个完整的无线传感器网络节点。经仿真调试 ,该节点在试验中应用良好,电路板可以实现两个节点间的通信,能由 LED 指示发送、接收或应答信息,基本达到了设计要求,在煤矿监控系统的实验中应用良好 ,能采集精度较高

15、的温度、压力等数据信息,并实现准确的数据交互,实现了传感器网络所需的外形小、集成度高、低功耗,为将来实际应用研究提供了一个实验平台,具有一定的应用价值。无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理方式，具有广泛的应用前景。现了利用ARM处理器采用嵌入式技术设计无线传感器网络节点的总体方案，并成果以下:1. 采用 嵌 入式ARMCC2420,G PRSMC39i,温度和振动传感器实现了一种高性能无线传感器网络节点的硬件设计。2. 在嵌 入 式实时操作系统的基础上实现TCP/IP协议栈和ZigBee节点组网协议栈的移植，为GPRS数据传输和节点组网等软件的开发提供了平台。3 设 计 信、温度和振动信号

16、的采集、控制GPRS模块上网和远程数据传输等功能。实现了无线传感器网络远程监控数据中心软件的开发。4. 对 无 RSSI用技术实现节点定位的可行性;通过测试和分析GPRS拨号上网的协商信息，验证了GPRS上网功能的可靠性;通过UDP和TCP传输测试试验，验证了采用经改进带握手重传机制的UDP数据传输方式的优越性.通过对节点上温度传感器的定达0.2* C。对节点上振动传感器进行了定性测试，验证了其用于节点防盗的可能性。经测 试 ， 本文设计的嵌入式无线传感器网络节点具备无线传感器网络要传感器网络的应用开发提供了参考。未来的研究工作，可以从以下几个方面入手:1.无线传感器网络节点硬件设计的测试，系

17、统集成化、小型化.2.基于的节点组网，路由等上层软件的研究与开发。3.节点的能量管理和整个无线传感器网络的能量管理。4.节点的 RSSI定位试验，数据的分析和节点定位算法的研究和实现。5.网络的可靠性和安全性等。1 任丰原,黄海宁,林闯.无线传感器网络J.软件学报,2003, 14(7):1282-1291.2 Akyildiz IAN F,Melodia Tommaso,ChowdhuryKaushik R.A survey onwirelessmultimedia sensornetworksJ.Com-puterNetworks, 2007, 51(4): 921-960.3 王姝,阎毓

18、杰,胡富平.无线传感器网络的理论及应用M.北京:北京航空航天大学出版社, 2007.4 高超,张頔,罗嵘.一种用于无线传感器网络的模块化设计方法 J.电子技术应用, 2009, 35(5): 39-42, 46.5 马华东,陶丹.多媒体传感器网络及其进展 J.软件学报 , 2006, 17(9):2013-2028.6 吴猛,程良伦.一种无线传感器网络节点及其实现方法J.仪表技术与传感器, 2008(12): 14-16.7 孙利民,李建中,等.无线传感器网络M.北京:清华大学出版社, 2005.8 任枫轩,李伟.嵌入式无线网络节点的设计 J.国外电子测量技术 , 2008,27(6): 50-53.9 高英明,金仁成,王立鼎,等.嵌入式无线传感器网络节点设计与通信研究 J.大连理工大学学报, 2008, 48(5): 749-753.10黄锋,刘士兴,顾勤东.无线传