通信學論文-一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計.doc

通信學論文-一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計摘要：動態(tài)數(shù)據(jù)采集有著采集范圍大、采集點眾多、數(shù)據(jù)通信困難、布線空間有限、自動作業(yè)等特點，傳統(tǒng)的以總線方式組成網(wǎng)絡的采集系統(tǒng)很難滿足這種應用要求。提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計方案，具有低功耗、靈活性強、可擴展好、體積小、成本低等特點，解決了傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；動態(tài)數(shù)據(jù)采集；ZigBee；TinyOS1無線傳感器網(wǎng)絡是是一門新興的信息技術，由一組按需隨機分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元、無線通信模塊和能量供應模塊的微型傳感器節(jié)點以自組織方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡,融合了信息處理技術、微電子技術、計算機技術和無線網(wǎng)對于動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的采集節(jié)點來說，其硬件設計主要有三點要求。第一，動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集對象往往是目標的溫度、濕度、速度等參數(shù)，整個系統(tǒng)需要在無人環(huán)境下長期正常工作，因此低功耗設計是動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的首要要素；第二，動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理數(shù)率較低、數(shù)據(jù)傳輸量少、主要采用無線傳輸?shù)男问?，因此選擇無須許可的、合適、低價的通信方式是保證動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正常工作的關鍵。第三，系統(tǒng)采集的對象主要是人體、動物、車輛等等動態(tài)2一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計包括了傳感器單元、數(shù)據(jù)處理單元、無線通信單元和電源管理單元，以及用戶接口等一些擴展設計單元，如圖13目前，兩種典型的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點研究平臺是mica系列和telos系列節(jié)點，它們采用目前應用最廣泛的TinyOS3.1micamica系列節(jié)點包括Wec、Renee、mica2、mica2dot、Spec、micaz等，其中一些已經(jīng)被Crossbow公司產(chǎn)品化。mica系列節(jié)點在硬件上由兩個部分組成，一個模塊是運算和通信平臺，另一個模塊是傳感器平臺。兩者之間通過51針的自定義接口連接。這種統(tǒng)一的接口使得不同的通信平臺和不同的傳感器平臺之間可以自由的組合。mica系列節(jié)點目前很大程度上都是作為研究使用的。為了能夠方便地對節(jié)點進行程序功能更新，Crossbow公司開發(fā)了一系列的開發(fā)工具，例如:MIB500、MIB510、MIB6003.2telostelos節(jié)點是美國國防部DARPA支持NEST項目的一個部分，與mica系列比(1)在通信模塊選擇上，采用TI公司的支持IEEE802.15.4協(xié)議的CC2420芯片，這與micaz節(jié)點是一致的；250kbps的數(shù)據(jù)收發(fā)速率可以使節(jié)點更快的完成事件的處理，快速休眠，節(jié)省系統(tǒng)能量。而且CC2420支持ZigBee協(xié)議，標準(2)采用TI公司的超低功耗微處理器芯片MSP430(3)telos本身就有SHT11溫濕度一體化器件，能夠作為獨立的傳感器節(jié)點(4)telos沒有mica2那樣豐富的外部引腳，只有一個10腳的接口，一方面可以連接簡單的傳感器板，另一方面可以通過一塊適配板與mica2系列部件互聯(lián)。通過適配板，telos和mica2通過UART可以實現(xiàn)一個2.4GHz的IEEE802.15.4到CC1000的915MHz-ISM頻段之間的網(wǎng)關，通過適配板，telos還可以直接控制與mica2(5)使用USB-COM的橋連接，可以直接通過USB接口供電、編程和控制，進一步3.3本系統(tǒng)的硬件設計參考telos平臺，是telos平臺一次再設計過程。系統(tǒng)設計弱化傳感器部分的設計，對無線通信模塊選用射頻模塊電路，設計重點在微處理器模塊地電路實現(xiàn)上。同時，為了增加動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應用性，添加了PC動態(tài)數(shù)據(jù)采集硬件平臺上選用MSP430F149微處理器芯片和FLASH芯片AT45DB041B分別作為處理器單元和存儲單元；選用FT232BM芯片完成MSP430的BSL編程電路和MSP430與PC的串行通信接口；選用CC2420射頻模塊完成無線數(shù)據(jù)收發(fā)；在電源管理上，當設計作為網(wǎng)關時選擇USB供電，當作為終端可用干電池供電。硬件原理框圖如圖2所示,與無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計相比，結(jié)構(gòu)上具有一致性，同樣具有采集單元、處理和控制單元、無線通信單元和電源管理單3.4TinyOSTinyOS是加州大學伯克利分校開發(fā)的一種開源的嵌入式網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，基TinyOS的程序采用模塊化設計，程序核心都很小，一般來說核心代碼和數(shù)據(jù)大概在400Bytes左右，突破了傳感器節(jié)點存儲資源少的限制，這使得TinyOSTinyOS的組件有四個相互關聯(lián)的部分：一組命令處理程序句柄、一組事件處理程序句柄、一個經(jīng)過封裝的私有數(shù)據(jù)幀和一組簡單任務；任務、命令和事件處理程序在幀的上下文中執(zhí)行并切換幀的狀態(tài)。為了易于實現(xiàn)模塊化，每個組件還聲明了自己使用的接口及其要用信號通知的事件，這些聲明將用于組件的相互連接。如圖3所示為一個支持多跳無線通信的組件集合與這些組件之間的關系，上層組件對下層組件發(fā)命令，下層組件對上層組件發(fā)信號通知事件的發(fā)生，最低TinyOS的組件通?？梢苑譃橐韵氯悾河布橄蠼M件、合成組件、高層次的軟件組件；硬件抽象組件將物理硬件映射到TinyOS組件模型中，合成硬件組TinyOS使用基于事件的執(zhí)行方式以滿足無線傳感器網(wǎng)絡需要的高水平運行效率。事件模塊在一個較小的空間內(nèi)允許高效并發(fā)處理運行。當事件被觸發(fā)后，CPU會迅速處理所有與發(fā)出信號事件關聯(lián)的任務；當該事件以及所有關聯(lián)任務被處理完畢后，將未被使用的CPU循環(huán)置于睡眠狀態(tài)而不是積極尋找下一個活躍的事件。TinyOS這種事件驅(qū)動方式使得系統(tǒng)高效地使用CPU資源，保證了能量的4無線傳感器網(wǎng)絡是一門新興的信息技術，本文著眼無線傳感器節(jié)點硬件平臺的設計，完成了硬件模塊的劃分、芯片的選型、軟件系統(tǒng)以及通信方式的選擇，設計出了針對動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡，具有低功耗、擴展性好、靈活性強、成本低等傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)難以達到的特性。1.無線傳感器網(wǎng)絡J軟件學報，2003，14(7)：45-482DavidGay，PhilLevis，RobVonBehren，etalThenesCLanguage：AHolisticApproachtoNetworkedEmbeddedSystemsProceedingsofProgrammingLanguageDesignandImplementation(PLDI)，19963LevisP，MaddenS，GayD，etalTheemergenceofnetworkingabstractionsandtechniquesintinyOSProceedingsoftheFirstUSENIX/ACMSymposiumonNetworkedSystemsDesignandImplementation2004，(11)：203-2304SeungminPark，JinWonKim，Kee-YoungShin，etalANanoOperatingSystemforWirelessSensorNetworks8thInternationalConferenceAdvancedCommunicationTechnology，ICACT2006-Proceedings，2006：345-3485M北京：清華大學出版社，2005：1-266JosephPolastre,RobertSzewc