無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)

1、目錄 1課題的來源與背景 2 2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 4 3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu) 5 3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 5 3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 6 32 1 處理器模塊 7 3.2. 2通信模塊 7 3.2. 3 能量供應(yīng)模塊 9 4實(shí)驗(yàn)程序流程圖 10 4結(jié)束語 13 參考文獻(xiàn)： 15 1課題的來源與背景 微電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和無線通信技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了低功耗多功能傳感器 的快速發(fā)展，使其在微小體積內(nèi)能夠集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等多種 功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)？ Wireless Sensor Network, WSN）就是由部署在監(jiān)測區(qū)域 內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線

2、通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織 的網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并 發(fā)送給觀察者。其典型工作方式如下：將大量傳感器節(jié)點(diǎn)拋撤到感興趣區(qū)域，節(jié) 點(diǎn)通過自組織快速形成一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)。隨機(jī)分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元 和通信模塊的微小節(jié)點(diǎn)借助于內(nèi)置的形式多樣的傳感器測量所在周邊環(huán)境中的 熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號，從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、 壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等眾多部署者感興趣的物質(zhì)現(xiàn)象。 在網(wǎng)絡(luò)中.節(jié)點(diǎn)既是信息的采集和發(fā)出者，也充當(dāng)信息的路由者，采集的數(shù)據(jù)通 過多跳路由到達(dá)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)（一些文獻(xiàn)也稱為Sinknode）是一

3、個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)，可通 過Intemet、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星等與監(jiān)控中心通信，也可利用無人機(jī)飛越網(wǎng)絡(luò)上 空，通過網(wǎng)關(guān)采集數(shù)據(jù)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境、健康、家庭和其他商業(yè)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，在 軍事、空間探索和災(zāi)難拯救等特殊領(lǐng)域有其得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢？。以軍事應(yīng)用 為例，傳感器網(wǎng)絡(luò)將會(huì)成為 C41SRT（command,control,communication,computing， intelligenee，surveillanee，reconnaissanee and targeting系統(tǒng)不可或缺的一部分。 C41SRT系統(tǒng)的目標(biāo)是利用先進(jìn)的高科技技術(shù)，為未來的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭設(shè)計(jì)一個(gè)集 命令、

4、控制、通信、計(jì)算、智能、監(jiān)視、偵察和定位于一體的戰(zhàn)場指揮系統(tǒng)受 到了軍事發(fā)達(dá)國家的普遍重視。因?yàn)閭鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)是由密集型、低成本、隨機(jī)分布 的節(jié)點(diǎn)組成的，自組織性和容錯(cuò)能力使其不會(huì)因?yàn)槟承┕?jié)點(diǎn)在惡意攻擊中的損壞 而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰，這一點(diǎn)是傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)所無法比擬的，也正是這一 點(diǎn)，使傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括監(jiān)控我軍兵力、裝備 和物資，監(jiān)視沖突區(qū)，偵察敵方地形和布防，定位攻擊目標(biāo)，評估損失，偵察和 探測核、生物和化學(xué)攻擊。在戰(zhàn)場，指揮員往往需要及時(shí)準(zhǔn)確地了解部隊(duì)、武器 裝備和軍用物資供給的情況，鋪設(shè)的傳感器將采集相應(yīng)的信息，并通過網(wǎng)關(guān)將數(shù) 據(jù)送至指揮所，再轉(zhuǎn)發(fā)到指揮部，最

5、后融合來自各戰(zhàn)場的數(shù)據(jù)形成我軍完備的戰(zhàn) 區(qū)態(tài)勢圖。在戰(zhàn)爭中，對沖突區(qū)和軍事要地的監(jiān)視也是至關(guān)重要的，通過鋪設(shè)傳 感器網(wǎng)絡(luò)，以更隱蔽的方式近距離地觀察敵方的布防； 當(dāng)然，也可以直接將傳感 器節(jié)點(diǎn)撤向敵方陣地，在敵方還未來得及反應(yīng)時(shí)迅速收集利于作戰(zhàn)的信息，傳感 器網(wǎng)絡(luò)也可以為火控和制導(dǎo)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的目標(biāo)定位信息。 在生物和化學(xué)戰(zhàn)中，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)及時(shí)、準(zhǔn)確地探側(cè)爆炸中心將會(huì)為我軍 提供寶貴的反應(yīng)時(shí)間，從而最大可能地減小傷亡。傳感器網(wǎng)絡(luò)也可避免核反應(yīng)部 隊(duì)直接暴露在核輻射的環(huán)境中。在軍事應(yīng)用中，與獨(dú)立的衛(wèi)星和地面雷達(dá)系統(tǒng)相 比，傳感器網(wǎng)絡(luò)的潛在優(yōu)勢表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （1）分布節(jié)點(diǎn)中多角度和多方位

6、信息的綜合有效地提高了信噪比，這一直 是衛(wèi)星和雷達(dá)這類獨(dú)立系統(tǒng)難以克服的技術(shù)問題之一。 （2）傳感器網(wǎng)絡(luò)低成本、高冗余的設(shè)計(jì)原則為整個(gè)系統(tǒng)提供了較強(qiáng)的容錯(cuò) 能力。 （3）傳感器節(jié)點(diǎn)與探側(cè)目標(biāo)的近距離接觸大大消除了環(huán)境噪聲對系統(tǒng)性能 的影響。 （4）節(jié)點(diǎn)中多種傳感器的混合應(yīng)用有利于提高探測的性能指標(biāo)。 （5）多節(jié)點(diǎn)聯(lián)合，形成覆蓋面積較大的實(shí)時(shí)探測區(qū)域。 （6）借助于個(gè)別具有移動(dòng)能力的節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)整能力，可以有 效地消除探測區(qū)域內(nèi)的陰影和盲點(diǎn)。 由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)巨大的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值，已經(jīng)引起了世界發(fā)達(dá)國家 學(xué)術(shù)界、軍事部門和工業(yè)界的極大關(guān)注。從 2001年開始，DARPA （美國國

7、防部高 級研究計(jì)劃署）已把智能傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一項(xiàng)優(yōu)先發(fā)展的研究計(jì)劃，出資近7億美 元，在眾多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)展開傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)研究，以求獲得五角大樓想要 的所謂戰(zhàn)區(qū) 超視覺”數(shù)據(jù)。2002年8月, NSF（美國國家科學(xué)基金會(huì)）一期資助4000 萬美元在UCLA成立了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中心，聯(lián)合周邊大學(xué)（包括UCB、USC和 USR等）展開嵌入式智能傳感器”的研究項(xiàng)目，以求利用傳感器網(wǎng)絡(luò)對我們生活 的物理世界實(shí)現(xiàn)全方位的測試與控制，這也是美國國情咨文中有關(guān)NGI最主要的 遠(yuǎn)景規(guī)劃之一。美國英特爾公司、微軟公司等信息工業(yè)界巨頭也開始了傳感器網(wǎng) 絡(luò)方面的工作，紛紛設(shè)立或啟動(dòng)相應(yīng)的行動(dòng)計(jì)劃。日本、英國、意

8、大利、巴西等 國家也對傳感器網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出了極大的興趣，紛紛展開了該領(lǐng)域的研究工作。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò) (如WLAN和蜂窩移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò))有藿不 同的設(shè)計(jì)目標(biāo)，后者在高度移動(dòng)的環(huán)境中通過優(yōu)化路由和資源管理策略最大化帶 寬的利用率，同時(shí)為用戶提供一定的服務(wù)質(zhì)量保證。 而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中除少數(shù) 節(jié)點(diǎn)需要移動(dòng)外，大部分節(jié)點(diǎn)都是靜止的。因?yàn)樗鼈兺ǔ＿\(yùn)行在人無法接近的惡 劣，甚至危險(xiǎn)的遠(yuǎn)程環(huán)境中，能源無法替代，設(shè)計(jì)有效的策略延長網(wǎng)絡(luò)的生命周 期成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問題。在研究初期，人們曾經(jīng)一度認(rèn)為成熟的 Inteme技術(shù)加上Ad hoe路由機(jī)制對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是足夠充分的，但深入 的研

9、究表明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)有著明顯不同的技術(shù)要求，前者以數(shù) 據(jù)為中心，后者以傳輸數(shù)據(jù)為目的。一些為自組織的 Adhoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的協(xié)議和算 法并不適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和應(yīng)用的要求。節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(如地址等)的作用在傳感 器網(wǎng)絡(luò)中就顯得不是十分重要，因?yàn)閼?yīng)用程序不怎么關(guān)心單節(jié)點(diǎn)上的信息；中間 節(jié)點(diǎn)上與具體應(yīng)用相關(guān)的數(shù)據(jù)處理、 融合和緩存倒顯得非常必要。在密集性的無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離非常短，低功耗的多跳通信模式節(jié)省功耗， 同時(shí)增加了通信的隱蔽性，也避免了長距離的無線通信易受外界噪聲干擾的影 響。這些獨(dú)特的要求和制約因素為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究提出了新的技術(shù)問題。 2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系

10、結(jié)構(gòu) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2. 1所示，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié) 點(diǎn)(Sensor node)、Sink網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(Sink node)和管理節(jié)點(diǎn)。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī) 部署在監(jiān)測區(qū)域(Sensor field)內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳 感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù) 可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳路由到Sink網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到 達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過管理節(jié)點(diǎn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任 務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng).它的處理能力、 存儲(chǔ)能力和通信能力相對較弱，通過攜帶能量有

11、限的電池供電。從網(wǎng)絡(luò)功能上看， 每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的終端和路由器雙重功能，除了進(jìn)行本地信息 收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、 管理和融合等處理， 同時(shí)與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)。目前傳感器節(jié)點(diǎn)的軟硬件技術(shù)是無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn) Sink網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對比較強(qiáng)，它連接無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)與Inteme等外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時(shí)發(fā)布 管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。Sink網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)既可以 是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，有足夠的能量供給和更多的內(nèi)存與計(jì)算資 源，也可以是沒有監(jiān)測功能僅帶有無

12、線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。 3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(W ireless Sensor Network,WSN)是由部署在地理區(qū)域內(nèi)大量 的廉價(jià)微型傳感器組成，用來協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象 的信息，并以無線通信方式把數(shù)據(jù)發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有三個(gè)基本 要素:傳感器、觀察者和感知對象。其中傳感器由感知部件、存儲(chǔ)器、嵌入式處 理器、通信部件、電源和軟件這幾部分構(gòu)成。觀察者是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中感知信 息的接受和應(yīng)用者。感知對象是借助于節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置的傳感器探測到濕度、溫度、 光、壓力等大量觀察者感興趣的物質(zhì)現(xiàn)象。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將邏輯上的信息世界 與客觀上的物理

13、世界融合在一起，改變?nèi)祟惻c自然界的交互方式。無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)的基本單位是節(jié)點(diǎn)，它們的性能是整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)可靠性的基本保證。根據(jù)實(shí)際 應(yīng)用和推廣的需要，節(jié)點(diǎn)的體積和質(zhì)量都應(yīng)該比較小。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用 ARM處理器，簡化了節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，提高了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信能力、數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 能力和可靠性。本文設(shè)計(jì)了一種基于 Philips公司的32位微控制器LPC2138和 在2.4GHz頻帶上工作的無線收發(fā)模塊CC2420結(jié)合外圍傳感器,具有電量檢測功 能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并可以運(yùn)用在實(shí)際中。 3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成及工作流程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)微型的嵌 入式系統(tǒng)，一般由

14、傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊組成 , 如圖1所示。圖中的箭頭代表數(shù)據(jù)的流向。傳感器模塊由傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器 組成，負(fù)責(zé)對感知對象信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊由微處理器、存儲(chǔ)器和 應(yīng)用模塊組成，負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)，通信協(xié)議管理 等;無線通信模塊由網(wǎng)絡(luò)模塊、MAC模塊和通信射頻模塊組成，通過內(nèi)部各個(gè)模塊 的協(xié)調(diào)作用與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制信息和收發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；能量供應(yīng)模 塊一般采用微型電池，負(fù)責(zé)為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量。 圖1無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作流程： (1) 傳感器采集到的信息一般是模擬數(shù)據(jù)，通過A/D模

15、塊把模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù) 字信號，并將數(shù)字信號輸入到CPU中作進(jìn)一步的處理。 (2) 在處理器模塊中對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的處理，如在簇頭的節(jié)點(diǎn)，收集該簇內(nèi)所 有節(jié)點(diǎn)所采集到的信息；在匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的部分融合、轉(zhuǎn)發(fā)等。 (3) 發(fā)送數(shù)據(jù)前，無線通信模塊通過 MAC協(xié)議形成一個(gè)自組織網(wǎng)；并根據(jù)路由 算法,建立和維護(hù)路由表。經(jīng)處理器模塊處理后，將數(shù)據(jù)送入無線通信模塊；并根據(jù) 預(yù)先建立的路由表，將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)。 綜上所述，本設(shè)計(jì)依據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)功耗低、成本低、體積小等硬件限制條件， 采用基于射頻芯片CC2420和微處理器ARM7為核心的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件 節(jié)點(diǎn)。 3.2無

16、線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)中用到的傳感器主要是溫度傳感器和壓力傳感器，為提高節(jié)點(diǎn)的集成 度,將傳感器模塊集成到處理器模塊中。因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將分為處理器 模塊、通信模塊和供電模塊 3個(gè)部分。其中處理器模塊選用 ARM7作為處理器 芯片,通信模塊選用CC2420作為通信芯片，在電源方面，采用1節(jié)電池提供5V供 電。 321處理器模塊 處理器模塊是無線傳感器節(jié)點(diǎn)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備控制、任務(wù)分配 與調(diào)度、數(shù)據(jù)整合與傳輸?shù)汝P(guān)鍵任務(wù)，因此處理器性能的好壞決定了整個(gè)節(jié)點(diǎn)的 性能10。本設(shè)計(jì)使用的微控制器是廣州周立功公司開發(fā)的ARM7芯片。ARM 芯片是基于 ARM7TDMI-S 核、單電源

17、供電、LQFP64封裝的LPC213811,具有 JTAG仿真調(diào)試、ISP編程等功能。ARM7TDMI-S核是通用的32位微處理器內(nèi) 核，采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)，它具有高性能和低功耗的特性。ARM結(jié)構(gòu)是基于精簡指令 集計(jì)算機(jī)(RISC, Reduced Instruction SetComputer)原理而設(shè)計(jì)的，指令集和相關(guān)的 譯碼機(jī)制比復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)要簡單得多，由此可見使用一個(gè)小的、廉價(jià)的處理 器核就能非常容易實(shí)現(xiàn)很高的指令吞吐量和實(shí)時(shí)的中斷響應(yīng)。 LPC2138的主要特性： (1) 16/32位 ARM7TDMI-S 核,超小 LQFP64 封裝。 (2) 8/16/32kB 的片內(nèi)靜態(tài) R

18、AM 和 32/64/128/256/512kB 的片內(nèi) Flash 程序存 儲(chǔ)器。 (3) 通過片內(nèi)boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程和應(yīng)用編程(ISP/IAP)。 (4) 2個(gè)8路10位的A/D轉(zhuǎn)換器提供16路模擬輸入,且每個(gè)通道具有低至2. 44us的轉(zhuǎn)換時(shí)間。 (5) 1個(gè)10位的D/A轉(zhuǎn)換器,可產(chǎn)生不同的模擬輸出。 (6) PWM單元(6路輸出)、2個(gè)32位定時(shí)器/外部事件計(jì)數(shù)器(4路比較通道和 帶4路捕獲)和看門狗。 多個(gè)串行接口，包括2個(gè)高速I2C總線(400kbps)、2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) UART、SPI和具有數(shù)據(jù)長度可變功能和緩沖作用的 SSP。 (8)低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘具有獨(dú)

19、立的電源和特定的32kHz時(shí)鐘輸入。通過外部中 斷或BOD將處理器從掉電模式中喚醒。 3.2. 2通信模塊 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)之間通過無線通信來完成數(shù)據(jù)的交互，數(shù)據(jù)的接收 和發(fā)送消耗了節(jié)點(diǎn)的能量。為節(jié)省能量，延長節(jié)點(diǎn)壽命，需選擇一塊低能耗的通信 芯片。本設(shè)計(jì)采用Chipcon/TI公司開發(fā)的一款低功耗通信芯片 CC242012-13作 為射頻收發(fā)器，CC2420喚醒時(shí)延短的特點(diǎn)使它能有更多的時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，從 而大大降低了節(jié)點(diǎn)的能耗。CC2420是IEEE 802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的低成本、低功耗單 片高集成度的解決方案。它的工作頻率為2. 4GHz。 CC2420符合歐洲 ETSIE

20、N300328、EN 300 440 class 2和日本 ARIB STD-T66 標(biāo)準(zhǔn)。 CC2420的主要特點(diǎn)： 具有250bkps的有效數(shù)據(jù)傳輸速率和2Mchip/s直接擴(kuò)頻序列基帶調(diào)制解 調(diào)。 (2) 具有獨(dú)立的128字節(jié)發(fā)射、接收數(shù)據(jù)緩沖器。適合簡化功能裝置和全功 能裝置操作；低電流消耗；接收19. 7mA,發(fā)射17. 4mA;低電源電壓要求；使用內(nèi)部 電壓調(diào)節(jié)器時(shí)2. 1-3. 6V,使用外部電壓調(diào)節(jié)器時(shí)1.6-2. 0V;可編程輸出功率。 (3) 可監(jiān)控電池電量，QLP-48封裝,外形尺寸只有7* 7mm,適用于各種惡劣的 環(huán)境。 從上述分析可知，該芯片具有良好的性能，尤其是它

21、極低的電流消耗和封裝尺 寸可以滿足無線傳感網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)體積小、質(zhì)量輕、功耗小、成本低等特點(diǎn)。經(jīng) 測試發(fā)現(xiàn)該芯片在本系統(tǒng)中工作良好，功能比較完善。 CC2420能夠非常方便地與ARM7處理器連接。 CC2420使用SFD, FIFO, FIFOP和CCA四個(gè)引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)；而處 理器通過SPI接口與CC2420收發(fā)數(shù)據(jù)，寫入或讀取配置信息等。ARM7的4個(gè) SPI通信接口 ： SSEL,MOSI,MISO和SCLK分別對應(yīng)于 CC2420的4個(gè)SPI通信 接口： CSN, S1, SO和SCLK。由于CC2420只有從機(jī)模式，因此ARM7處理器只 能采用主機(jī)模式。ARM7和CC2420引腳

22、連接如圖2所示。節(jié)點(diǎn)在發(fā)送和接收數(shù) 據(jù)時(shí)，處理器的SCLK引腳提供時(shí)鐘頻率；SSEL引腳控制數(shù)據(jù)收發(fā)的同步性,CSN 引腳置為低電平。MOSI與MISO分別是數(shù)據(jù)輸出和輸入的引腳。在接收模式下， 當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到幀開始分隔符后，將SFD引腳置為高電平。然后接收地址，如果地址 錯(cuò)誤，則SFD引腳被置為低電平，如果地址識別功能禁止或地址接收正確，則SFD 引腳直到所有數(shù)據(jù)發(fā)送完成后才降為低電平。與CC2420的RXFIFO(接收數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)區(qū))相關(guān)的兩個(gè)信號是FIFO和FIFOP。當(dāng)RXFIFO緩沖區(qū)變成空時(shí)，F(xiàn)IFO引腳 重新被置為低電平。因此當(dāng) CC2420中是否有接收到的數(shù)據(jù)，ARM7處理器通過

23、讀取FIFO引腳的電平來進(jìn)行判斷。當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)長度小于門限值時(shí)，則在 MPDU最后一個(gè)數(shù)據(jù)被接收完后，F(xiàn)I-FOP引腳輸出高電平。如果接收的數(shù)據(jù)長度 大于門限值，則在接收到的數(shù)據(jù)長度等于門限值時(shí)，F(xiàn)IFOP引腳變成高電平。一旦 從RXFIFO緩沖區(qū)中讀出數(shù)據(jù)時(shí),FIFOP引腳變成低電平。為了防止 ARM7在 CC2420的地址識別完成前讀取那些可能無效的數(shù)據(jù)，當(dāng)CC2420的地址識別功能 圖2ARM7和CC2420的鏈接 使能時(shí),FIFOP引腳只有到地址識別成功后才會(huì)發(fā)揮作用。在給定的時(shí)間 內(nèi),RXFIFO最多能保存128個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。如果RXFIFO緩沖區(qū)溢出,則FIFO引 腳變成低電

24、平，同時(shí)FIFOP引腳變成高電平。處理器可以通過查詢 FIFO引腳和 CAPO. 1 SF SCK1 scLie- MOSI si P1, 18 FIFO ARM7 P0.21 Reset CC2420 EINT2 FIFOP PL 19 CCA MIS01 SO 一 SSEL1 CSN P6 22 VREG EN FIFOP引腳的狀態(tài)來判斷CC2420是否處于溢出狀態(tài)。為了盡量避免RXFIFO緩 沖區(qū)溢出，可將FIFOP引腳與ARM7處理器的一個(gè)外部中斷引腳連接，使ARM7 處理器及時(shí)讀取CC2420的RXFIFO中的數(shù)據(jù)。 3.2. 3能量供應(yīng)模塊 電能是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中非常寶貴的資源，節(jié)

25、點(diǎn)電能一旦耗盡，即宣布其壽命 終止并退出網(wǎng)絡(luò)，剩余的節(jié)點(diǎn)需要重新組網(wǎng)。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要充分考慮到功 耗的最小化。為節(jié)約能源，延長電池的壽命，節(jié)點(diǎn)上所有工作模塊沒有必要一直保 持正常的工作狀態(tài)14。當(dāng)無數(shù)據(jù)發(fā)送、接收及轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)調(diào) 整為休眠狀態(tài)，而處于休眠狀態(tài)時(shí)芯片的能耗極低。CC2420芯片采用低電壓供電 (2. 1V-3.6V)和休眠模式，且從休眠模式被激活的時(shí)延短，因此有更多的時(shí)間處于休 眠狀態(tài)。同時(shí)，ARM7也是一款采用低電壓供電的芯片。 4實(shí)驗(yàn)程序流程圖 本次開發(fā)環(huán)境是ADSL1. 2集成開發(fā)環(huán)境。使用LPC2138專門工程模板的 ARM Executable f

26、orLPC2138建立工程。圖3所示的是CC2420芯片的初始化 圖3 CC2430初始化流程圖 流程。CC2420內(nèi)部有33個(gè)16位配置寄存器，初始化CC2420時(shí)需要對這些寄存 10 進(jìn)行設(shè)置，這些寄存器在芯片復(fù)位時(shí)都已設(shè)置了一些初始值，在實(shí)際使用時(shí)，根據(jù) 需要對初始值進(jìn)行修改。 圖4所示的是節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖。數(shù)據(jù)包類型有信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀、ACK 幀和MAC命令幀。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，需要先通過微控制器的SPI接口把需要傳送的數(shù) 據(jù)發(fā)送到CC2420的緩沖區(qū)中存儲(chǔ)起來，這里根據(jù)IEEE 802.15. 4的幀格式來發(fā)送, 緩存好數(shù)據(jù)后就可以啟動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)；同時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)要表明要不要接收節(jié)點(diǎn)返回 AC

27、K信息以便判斷本次傳輸是否成功。 （開始） J 等待CC2420空閑 關(guān)閉全冏中斷 等待RSSI有效 使能CC2420發(fā)射引導(dǎo)序列 向CC2420寫入包內(nèi)容 等待CC242O發(fā)送完畢 （結(jié)朿） 圖5所示的是節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)的流程圖。接收數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)把數(shù)據(jù)存入到接收緩 存區(qū)RXFIFO中,并改變FIFO和FIFOP引腳的狀態(tài),處理器通過FIFOP的引腳中 斷讀RXFIFO寄存器來依次讀取整個(gè)數(shù)據(jù)包,同時(shí)由于CC2420的RXFIFO緩沖 區(qū)只有128字節(jié)，為防止接收數(shù)據(jù)長度大于128字節(jié)，所以要判斷RXFIFO緩沖區(qū) 是否溢出。 4結(jié)束語 本文提供了一種基于CC2420的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方

28、案，通過 選擇芯片，設(shè)計(jì)硬件接口，構(gòu)建了一個(gè)完整的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。經(jīng)仿真調(diào)試, 該節(jié)點(diǎn)在試驗(yàn)中應(yīng)用良好，電路板可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的通信，能由LED指示發(fā) 送、接收或應(yīng)答信息，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，在煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用良好, 能采集精度較高的溫度、壓力等數(shù)據(jù)信息，并實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)了傳感器 網(wǎng)絡(luò)所需的外形小、集成度高、低功耗，為將來實(shí)際應(yīng)用研究提供了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平 臺(tái)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和處理方式，具有廣泛的應(yīng)用前景。 雖然近年來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到廣泛深入的研究，但還有許多問題魚待解決。從 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的研究方面來看，目前國內(nèi)自行研制的節(jié)點(diǎn)

29、很少有比較成熟 的。本文在分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能需求的基礎(chǔ)上，提出并實(shí) 現(xiàn)了利用ARM處理器采用嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的總體方案，并 重點(diǎn)開展了節(jié)點(diǎn)的軟硬件方面的研究，本碩士學(xué)位論文的主要工作和取得的主要 成果以下： 1. 采用嵌 入式ARM處理器，結(jié)合射頻芯片CC2420,G PRS信模塊MC39i,溫度 和振動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)了一種高性能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)。 2. 在嵌 入 式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS勺基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧和ZigBee節(jié)點(diǎn) 組網(wǎng)協(xié)議棧的移植，為GPRS數(shù)據(jù)傳輸和節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)等軟件的開發(fā)提供了平臺(tái)。 3設(shè)計(jì)了無線傳感器節(jié)點(diǎn)各功能模塊驅(qū)動(dòng)

30、和應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間的射頻通 信、溫度和振動(dòng)信號的采集、控制 GPRS模塊上網(wǎng)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。?shí)現(xiàn) 了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心軟件的開發(fā)。 4.對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的性能進(jìn)行了測試。 通過RSSI測距試驗(yàn)，驗(yàn)證了采 用RSS技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)定位的可行性；通過測試和分析GPRS撥號上網(wǎng)的協(xié)商信息， 驗(yàn)證了 GPRS上網(wǎng)功能的可靠性；通過UDP和TCP傳輸測試試驗(yàn)，驗(yàn)證了采用經(jīng)改 進(jìn)帶握手重傳機(jī)制的UDP數(shù)據(jù)傳輸方式的優(yōu)越性.通過對節(jié)點(diǎn)上溫度傳感器的定 量測試和分析，并對其誤差進(jìn)行補(bǔ)償，使得整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫度的測試精度 達(dá)0.2* C。對節(jié)點(diǎn)上振動(dòng)傳感器進(jìn)行了定性測試，驗(yàn)證了其用于

31、節(jié)點(diǎn)防盜的可能 性。經(jīng)測試，本文設(shè)計(jì)的嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具備無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要 求的基本功能它可以為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)的深入研究提供了平臺(tái)，為無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開發(fā)提供了參考。 未來的研究工作，可以從以下幾個(gè)方面入手： 1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)的測試，系統(tǒng)集成化、小型化 2. 基于ZigBee的節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，路由等上層軟件的研究與開發(fā)。 3. 節(jié)點(diǎn)的能量管理和整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量管理。 4. 節(jié)點(diǎn)的RSSI定位試驗(yàn)，數(shù)據(jù)的分析和節(jié)點(diǎn)定位算法的研究和實(shí)現(xiàn) 5. 網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性等。 17 參考文獻(xiàn)： 1 任豐原，黃海寧,林闖.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)J.軟件學(xué)報(bào),2003, 14(7)

32、: 1282-1291. 2 Akyildiz IAN F,Melodia Tommaso,ChowdhuryKaushik R.A survey on wirelessmultimedia sen sornetworksJ.Com-puterNetworks, 2007, 51：921-960. 3 王姝，閻毓杰,胡富平.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論及應(yīng)用M.北京:北京航空航 天大學(xué)出版社，2007. 4 高超，張頔，羅嶸.一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的模塊化設(shè)計(jì)方法J.電子技 術(shù)應(yīng)用，2009, 35(5): 39-42, 46. 5 馬華東，陶丹.多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)及其進(jìn)展J.軟件學(xué)報(bào)，2006, 17

33、(9): 2013-2028. 6 吳猛,程良倫.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及其實(shí)現(xiàn)方法J.儀表技術(shù)與傳感 器，2008(12): 14-16. 7 孫利民，李建中,陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)M.北京:清華大學(xué)出版社，2005. 8 任楓軒，李偉.嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)J.國外電子測量技術(shù)，2008, 27(6): 50-53. 9 高英明,金仁成，王立鼎，等.嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與通信研究 J.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008, 48(5): 749-753. 10 黃鋒，劉士興,顧勤東.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)概述J.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自 然科學(xué)版，2008, 31(8): 1208-1212. 11 周立功，張華.深入淺出ARM7 LPC213X /214XM.北京:北京航空航天大 學(xué)出版社，2005. 12 董挺挺沙超,王汝傳.基于CC2420的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)J.電子 工程師，2007, 33(4): 67-70. 13 霍宏偉，張