傳感器硬件節(jié)點的設(shè)計.doc

各位老師，下午好！我叫： 張鵬 ，是07屆電信二班的學(xué)生，我的論文題目是傳感器硬件節(jié)點的設(shè)計。論文是在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的，在這里我向我的導(dǎo)師表示深深的謝意，同時向各位老師參加我的論文答辯表示衷心的感謝。下面我將本論文設(shè)計的目的和主要內(nèi)容向各位老師作一匯報，懇請各位老師批評指導(dǎo)。首先 我想談?wù)勥@篇論文的結(jié)構(gòu)和主要內(nèi)容。本論文的主要內(nèi)容是傳感器硬件節(jié)點的設(shè)計，并實現(xiàn)節(jié)點間的通信。本文中選擇的射頻芯片CC2420，是挪威Chipcon公司推出的一款符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)芯片，只需很少的外圍元件就可以與單片機(jī)構(gòu)成一個無線通信系統(tǒng)；微處理器是ATMEL公司生產(chǎn)的RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)ATmega128。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點提出了節(jié)點系統(tǒng)設(shè)計的重要指標(biāo)，并根據(jù)這些指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和硬件選型；分別闡述了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的各模塊的硬件設(shè)計，并詳細(xì)討論了基于ATmega128和CC2420的通信電路設(shè)計和以TinyOS嵌入式操作系統(tǒng)為平臺的軟件體系設(shè)計路由協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最重要的組成部分，路由協(xié)議必須實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，從而調(diào)整路由信息，確定目的節(jié)點，改變路由表并通過路由表發(fā)送信息。在本文中，分析研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議并設(shè)計了一種新的基于煤礦數(shù)據(jù)獲取的路由協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network）是由大規(guī)模部署的成百上千的節(jié)點構(gòu)成。這些微傳感器節(jié)點具有感知能力、無線通信能力以及計算能力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展得益于微機(jī)電系統(tǒng)以及處理器、存儲技術(shù)的發(fā)展，這些發(fā)展使得制造低功率、微體積、低成本的微傳感器節(jié)點逐步成為現(xiàn)實。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，各個節(jié)點能夠協(xié)同地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并將處理后的信息傳送到需要這些信息的用戶（觀察者）。例如，煤礦中的風(fēng)速，不同氣體的濃度，以及地下溫度等等。目前，煤礦井下工人獲取信息的最多方式是通過有線通信網(wǎng)絡(luò)，這種方式會帶來許多問題。由于煤礦井下環(huán)境狹窄，通信線路的維護(hù)變得越來越困難。如果通信線路出現(xiàn)故障，那么整個監(jiān)測系統(tǒng)也可能會崩潰?？傊?，許多在地上廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在煤礦井下不能使用，但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)明提出了一種新的方法來處理這些問題?；谏鲜鰞?nèi)容的研究與實現(xiàn)，本文研究的基于ATmega128和CC2420的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)代分布式監(jiān)測系統(tǒng)的需要，從而對今后同類系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)和實現(xiàn)有一定的指導(dǎo)意義和參考價值。其次， 我想談?wù)勥@個畢業(yè)論文設(shè)計的目的背景。我國煤礦安全技術(shù)與裝備水平低，事故隱患多、礦井防災(zāi)和抗災(zāi)能力差，作為煤礦安全生產(chǎn)最重要保障之一的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，在向構(gòu)造統(tǒng)一、優(yōu)化、共享、基于光纖傳輸?shù)拿旱V綜合調(diào)度信息系統(tǒng)方向的努力已取得了明顯的成效，其中所涉及的理論問題與關(guān)鍵技術(shù)已基本得到解決。煤礦安全生產(chǎn)的另一重要保障就是全礦井無線信息系統(tǒng)，由于煤炭開采主要以井下為主，巷道可長達(dá)數(shù)十千米，礦井生產(chǎn)工序多，作業(yè)地點分散，人員流動性大且工作環(huán)境惡劣，事故隱患極大，礦井生產(chǎn)的這種特點對建立一個功能較為完善的集調(diào)度移動通信、機(jī)車的無線定位和導(dǎo)航、人員定位與追蹤、無線可視多媒體監(jiān)視、移動計算、礦井環(huán)境無線安全監(jiān)測的全礦井無線信息系統(tǒng)有著迫切的要求，與有線礦井監(jiān)測，監(jiān)控系統(tǒng)不同。電磁波在礦井巷道中傳播衰耗嚴(yán)重，無線通信距離短，成為制約有效實現(xiàn)礦井巷道中無線通信的瓶頸，因此如何從根本上解決這一問題是有效建立全礦井無線信息系統(tǒng)的關(guān)鍵。單片機(jī)是靠程序運行的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能，這是別的器件需要費很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。一個不是很復(fù)雜的功能要是用美國50年代開發(fā)的74系列，或者60年代的CD4000系列這些純硬件來搞定的話，電路一定是一塊大PCB板！但是如果要是用美國70年代成功投放市場的系列單片機(jī)，結(jié)果就會有天壤之別！只因為單片機(jī)的通過你編寫的程序可以實現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性！ 可以說，二十世紀(jì)跨越了三個“電”的時代，即電氣時代、電子時代和現(xiàn)已進(jìn)入的電腦時代。不過，這種電腦，通常是指個人計算機(jī)，簡稱PC機(jī)。它由主機(jī)、鍵盤、顯示器等組成。還有一類計算機(jī)，大多數(shù)人卻不怎么熟悉。這種計算機(jī)就是把智能賦予各種機(jī)械的單片機(jī)（亦稱微控制器）。顧名思義，這種計算機(jī)的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進(jìn)行簡單運算和控制。因為它體積小，通常都藏在被控機(jī)械的“肚子”里。它在整個裝置中，起著有如人類頭腦的作用，它出了毛病，整個裝置就癱瘓了。現(xiàn)在，這種單片機(jī)的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機(jī)，就能起到使產(chǎn)品升級換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞“智能型”，如智能型洗衣機(jī)等?，F(xiàn)在有些工廠的技術(shù)人員或其它業(yè)余電子開發(fā)者搞出來的某些產(chǎn)品，不是電路太復(fù)雜，就是功能太簡單且極易被仿制。究其原因，可能就卡在產(chǎn)品未使用單片機(jī)或其它可編程邏輯器件上。從我們對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的實際研制過程可以看到：無線傳感網(wǎng)想的性能指標(biāo)，首先必須依賴SOC技術(shù)和MEMS(微電機(jī)系統(tǒng))技術(shù)，盡控制器、微控制器以及一些外圍電路(包括傳感器)集成在一塊芯片上，大減小節(jié)點的體積，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用范圍。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，簡稱WSNs)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信形成一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)監(jiān)視對象的各種信息，并加以處理，完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測任務(wù)。WSNs綜合了傳感器、嵌入式計算、無線通訊、分布式信息處理等技術(shù)，具有快速構(gòu)建、自配置、自調(diào)整拓?fù)?、多跳路由、高密度、?jié)點數(shù)可變、無統(tǒng)一地址、無線通信等特點，特別適用于大范圍、偏遠(yuǎn)距離、危險環(huán)境等條件下的實時信息監(jiān)測，可以廣泛應(yīng)用于軍事、交通、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報、衛(wèi)生保健、空間探索等各個領(lǐng)域它由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源管理單元4部分組成。數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，設(shè)計中包括了可燃性氣體傳感器和濕度傳感器；數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)控制整個節(jié)點的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理、任務(wù)管理等；數(shù)據(jù)傳輸單元負(fù)責(zé)與其他節(jié)點進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；電源管理單元選通所用到的傳感器，節(jié)點電源由幾節(jié)AA電池組成，實際工業(yè)應(yīng)用中采用微型紐扣電池，以進(jìn)一步減小體積。為了調(diào)試方便及可擴(kuò)展性，可將數(shù)據(jù)采集單元獨立出來，做成兩塊能相互套接的可擴(kuò)展主板。為保證數(shù)據(jù)可靠的傳輸，任何時刻單總線上只能有一個數(shù)據(jù)，每次數(shù)據(jù)和命令傳輸通常從復(fù)位命令開始，隨后是ROM命令和RAM命令，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，必須嚴(yán)格遵守這個命令序列，才能保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。結(jié)論從我們對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的實際研制過程可以看到：無線傳感網(wǎng)想的性能指標(biāo)，首先必須依賴SOC技術(shù)和MEMS(微電機(jī)系統(tǒng))技術(shù)，盡控制器、微控制器以及一些外圍電路（包括傳感器）集成在一塊芯片上，大減小節(jié)點的體積，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用范圍。論文完成的主要工作如下：1. 論文綜述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，分析了無線傳征、體系結(jié)構(gòu)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計包含節(jié)點設(shè)計和通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分。2. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是一個微型化的嵌入式系統(tǒng)，在分析嵌入式系的基礎(chǔ)上，給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計要點和一