無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wsd）是一個(gè)非常整合的信息交換和處理網(wǎng)絡(luò)。微電腦系統(tǒng)（ss）、切片系統(tǒng)（soc，系統(tǒng)）和無線通信技術(shù)是高度整合的。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大量具有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元及通信模塊的微小智能節(jié)點(diǎn)密集地散布在監(jiān)測(cè)區(qū)域，節(jié)點(diǎn)以自組織方式進(jìn)行工作，協(xié)調(diào)完成網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)的特定任務(wù)。這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)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(shì)，成為近期國際上網(wǎng)絡(luò)研究的重要熱點(diǎn)之一。近年來MEMS和低功耗高集成數(shù)字設(shè)備的發(fā)展，導(dǎo)致了低成本、低功耗、微體積的傳感器節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是一次性的，要求節(jié)點(diǎn)成本低廉和工作時(shí)間盡可能長(zhǎng)。在單個(gè)節(jié)點(diǎn)上，一方面硬件必須低能耗，采用無線傳輸方式；另一方面軟件必須支持多跳的路由協(xié)議。IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議充分考慮了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求，是目前被業(yè)界普遍看好的一種無線通信協(xié)議。基于這些基本的思想，本文設(shè)計(jì)了以高檔8位AVR單片機(jī)ATmega128L為核心，結(jié)合外圍傳感器和2.4GHz無線收發(fā)模塊CC2420的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。ATmega128L控制傳感器采集環(huán)境參數(shù)，由無線收發(fā)模塊CC2420將數(shù)據(jù)發(fā)送給相鄰節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)經(jīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的多級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)最終送回主機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)。2數(shù)據(jù)采集單元無線傳感器網(wǎng)絡(luò)微型節(jié)點(diǎn)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，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，節(jié)點(diǎn)提供了可擴(kuò)展不同傳感器的接口，包括多種傳感器器件，本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)采集單元包括了溫度、濕度、光強(qiáng)度、加速度和大氣壓力傳感器；數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)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)處理單元由AT-mega128L組成；數(shù)據(jù)傳輸單元負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸單元主要由相應(yīng)的通信協(xié)議（主要是MAC協(xié)議）及低功耗、短距離的無線通信模塊CC2420組成；電源管理單元采用多路器芯片ADG715BRU在I2C總線的控制下選通所用到的傳感器，節(jié)點(diǎn)電源由兩節(jié)1.5V堿性電池組成，未來將采用微型紐扣電池，以進(jìn)一步減小體積。為了調(diào)試方便及可擴(kuò)展性，將數(shù)據(jù)采集單元獨(dú)立出來，做成兩塊能相互套接的可擴(kuò)展主板。3節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)3.1性能好的低能耗技術(shù)數(shù)據(jù)處理單元是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算核心，采集環(huán)境參數(shù)信號(hào)，需要采樣率很高、數(shù)據(jù)量大，處理器的選擇在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理單元使用的處理器應(yīng)滿足如下要求：(1）外形盡量小，處理器的尺寸基本決定了整個(gè)節(jié)點(diǎn)的尺寸。(2）集成度盡可能高，要有足夠的外部通用I/O和通信接口，使整個(gè)系統(tǒng)的處理器外圍電路簡(jiǎn)單整潔，基本不需要擴(kuò)展任何額外的器件，減小整個(gè)節(jié)點(diǎn)的尺寸。(3）功耗低而且支持睡眠模式，睡眠模式直接關(guān)系到節(jié)點(diǎn)的生命周期的長(zhǎng)短。目前使用兩節(jié)5號(hào)電池供給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，滿負(fù)荷工作只能延續(xù)幾十個(gè)小時(shí)。為了讓系統(tǒng)工作1年的時(shí)間，系統(tǒng)在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)應(yīng)處于待機(jī)或睡眠狀態(tài)。(4）運(yùn)行速度要盡量快，這樣系統(tǒng)能夠在最短的時(shí)間內(nèi)完成必須完成的工作，從而快速進(jìn)入睡眠狀態(tài)，節(jié)省系統(tǒng)能量。ATmega128L是ATMEL公司于2001年推出的采用低功耗COMS工藝生產(chǎn)的基于AVRRISC結(jié)構(gòu)的8位微控制器，是目前AVR系列中功能最強(qiáng)大的單片機(jī)。ATmega128L內(nèi)部采用Harvard結(jié)構(gòu)，在使用16M時(shí)鐘時(shí)，速度可達(dá)16MIPS。ATmega128L具有更加豐富的資源和極低的能耗。它具有片內(nèi)128KB的程序存儲(chǔ)器（Flash）,4KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（SRAM），可外擴(kuò)到64KB和4KB的E2PROM。此外，它還有8個(gè)10位ADC通道，2個(gè)8位和2個(gè)16位硬件定時(shí)/計(jì)數(shù)器，并可在多種不同的模式下工作；8個(gè)PWM通道、可編程看門狗定時(shí)器和片上振蕩器、片上模擬比較器；UART、SPI、I2C總線接口；JTAG口為開發(fā)和調(diào)試提供了方便的接口。除了正常操作模式外，ATmega128L還具有6種不同等級(jí)的低能耗操作模式，每種模式具有不同的能耗。因此ATmega128L非常適合于低能耗的應(yīng)用場(chǎng)合。另外ATmega128L外形很小，可以減小節(jié)點(diǎn)的尺寸。綜合比較之后，數(shù)據(jù)處理單元選用ATmega128L進(jìn)行開發(fā)。數(shù)據(jù)處理單元接口電路如圖2所示。3.2rtrf33技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸單元模塊電路由Chipcon公司在2003年底推出的一款兼容2.4GHzIEEE802.15.4的無線通信模塊CC2420組成。CC2420基于Chipcon公司的SmartRF03技術(shù)，使用0.18μmCOMS工藝生產(chǎn)，具有完全集成的壓控振蕩器，只需要天線等極少外部元器件，便可確保短距離通信的有效性和可靠性。數(shù)據(jù)傳輸單元模塊支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250Kbps，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)，系統(tǒng)體積小、成本低、功耗小，適于電池長(zhǎng)期供電。具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)。數(shù)據(jù)傳輸單元接口電路如圖3所示。CC2420與處理器的連接非常簡(jiǎn)便，使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四個(gè)引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)；處理器通過SPI接口（MISO、MOSI、SCK）與CC2420交換數(shù)據(jù)，發(fā)送命令。3.3溫度調(diào)節(jié)模塊整個(gè)節(jié)點(diǎn)由電池供電，要求數(shù)據(jù)采集單元中的傳感器體積小、低功耗、外圍電路簡(jiǎn)單，最好采用不需要信號(hào)調(diào)理電路的數(shù)字式傳感器。本設(shè)計(jì)中選用的傳感器都為數(shù)字式傳感器：(1）溫度傳感器MLX90601：紅外測(cè)溫度的模組；可以模擬線性輸出，可以PWM輸出；SPI可編程接口；可以精確到±0.2℃。(2）壓力傳感器MS5534AP：集成了壓阻式壓力傳感器和ADC接口，傳感器提供了16位的壓力參數(shù)輸出，壓力范圍300mbar～1100mbar；模塊包含6個(gè)可讀的參數(shù)，方便用軟件矯正實(shí)現(xiàn)及高的精度，可自動(dòng)斷開電源，3線接口可滿足與微處理器的各種通信。(3）濕度傳感器SHT11：采用CMOSens技術(shù)，將信號(hào)放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、標(biāo)準(zhǔn)I2C總線等電路全部集成在芯片內(nèi)；SHT11全量程標(biāo)定，兩線數(shù)字輸出；濕度測(cè)量范圍為-40℃～+123.8℃。(4）光強(qiáng)度傳感器TSL2550D：內(nèi)含兩枚光電探測(cè)器可以產(chǎn)生兩路信號(hào)，根據(jù)兩路信號(hào)的強(qiáng)弱判斷周圍光線的強(qiáng)度，可以直接將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；分辨率為12位。(5）兩維數(shù)字加速度計(jì)ADXL202AE：采用先進(jìn)的MEMS技術(shù)，在同一硅片中刻蝕了一個(gè)多晶硅編碼微機(jī)械傳感器，并集成了一套精密的信號(hào)處理電路。信號(hào)處理電路把表面微機(jī)械傳感器產(chǎn)生的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為占空比調(diào)制（DCM）數(shù)字信號(hào)后輸出。這種占空比調(diào)制信號(hào)可以直接送往單片機(jī)，使用非常方便。數(shù)據(jù)采集單元接口電路如圖4所示。3.4節(jié)點(diǎn)電源管理電能是傳感器網(wǎng)絡(luò)最珍貴的資源，它決定著傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。節(jié)點(diǎn)的電能一旦耗盡，即宣布其壽命到期并退出網(wǎng)絡(luò)，由剩下的節(jié)點(diǎn)再重新組網(wǎng)。因此節(jié)點(diǎn)的電源管理非常重要。在本設(shè)計(jì)中采用多路器芯片ADG715BRU在I2C總線的控制下選通所用到的傳感器，沒有用到的傳感器不帶電，以達(dá)到在無數(shù)據(jù)采集任務(wù)時(shí)及時(shí)關(guān)閉電源、節(jié)省電能的目的。電源管理單元電路如圖5所示。4無線模塊系統(tǒng)故障模型微型節(jié)點(diǎn)上的軟件負(fù)責(zé)完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集以及通過無線通信模塊將采集數(shù)據(jù)包無線傳送。微型節(jié)點(diǎn)遵循睡眠-被喚醒-正常工作的工作模式。在睡眠狀態(tài)下，處理器停止工作，而SRAM、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作，無線模塊處于低電流的接收狀態(tài)。在無線模塊接收到SINK節(jié)點(diǎn)或是臨近節(jié)點(diǎn)發(fā)出的命令后，微型節(jié)點(diǎn)被喚醒，處理器對(duì)命令進(jìn)行節(jié)點(diǎn)號(hào)判斷，如果命令的對(duì)象是當(dāng)前微型節(jié)點(diǎn)，則微型節(jié)點(diǎn)進(jìn)入工作狀態(tài)，否則微型節(jié)點(diǎn)對(duì)命令進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)后再次進(jìn)入睡眠狀態(tài)。具體節(jié)點(diǎn)的操作流程如圖6所示。5微控制器和網(wǎng)絡(luò)