傳感器硬件節(jié)點的設計.doc

各位老師，下午好！我叫： 張鵬 ，是07屆電信二班的學生，我的論文題目是傳感器硬件節(jié)點的設計。論文是在導師的悉心指導下完成的，在這里我向我的導師表示深深的謝意，同時向各位老師參加我的論文答辯表示衷心的感謝。下面我將本論文設計的目的和主要內容向各位老師作一匯報，懇請各位老師批評指導。首先 我想談談這篇論文的結構和主要內容。本論文的主要內容是傳感器硬件節(jié)點的設計，并實現節(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標準的收發(fā)芯片，只需很少的外圍元件就可以與單片機構成一個無線通信系統(tǒng)；微處理器是ATMEL公司生產的RISC結構的8位單片機ATmega128。根據無線傳感器網絡的特點提出了節(jié)點系統(tǒng)設計的重要指標，并根據這些指標進行系統(tǒng)結構設計和硬件選型；分別闡述了網絡節(jié)點的各模塊的硬件設計，并詳細討論了基于ATmega128和CC2420的通信電路設計和以TinyOS嵌入式操作系統(tǒng)為平臺的軟件體系設計路由協(xié)議是無線傳感器網絡中最重要的組成部分，路由協(xié)議必須實時監(jiān)控網絡拓撲結構的變化，從而調整路由信息，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絡路由協(xié)議并設計了一種新的基于煤礦數據獲取的路由協(xié)議。無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network）是由大規(guī)模部署的成百上千的節(jié)點構成。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。無線傳感器網絡的發(fā)展得益于微機電系統(tǒng)以及處理器、存儲技術的發(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)點逐步成為現實。無線傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術，各個節(jié)點能夠協(xié)同地實時監(jiān)測、感知和采集網絡分布區(qū)域內的各種環(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絡，這種方式會帶來許多問題。由于煤礦井下環(huán)境狹窄，通信線路的維護變得越來越困難。如果通信線路出現故障，那么整個監(jiān)測系統(tǒng)也可能會崩潰?？傊S多在地上廣泛使用的網絡技術在煤礦井下不能使用，但是無線傳感器網絡的發(fā)明提出了一種新的方法來處理這些問題?；谏鲜鰞热莸难芯颗c實現，本文研究的基于ATmega128和CC2420的網絡節(jié)點的硬件系統(tǒng)能夠滿足現代分布式監(jiān)測系統(tǒng)的需要，從而對今后同類系統(tǒng)的設計、開發(fā)和實現有一定的指導意義和參考價值。其次， 我想談談這個畢業(yè)論文設計的目的背景。我國煤礦安全技術與裝備水平低，事故隱患多、礦井防災和抗災能力差，作為煤礦安全生產最重要保障之一的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，在向構造統(tǒng)一、優(yōu)化、共享、基于光纖傳輸的煤礦綜合調度信息系統(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鍵技術已基本得到解決。煤礦安全生產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，巷道可長達數十千米，礦井生產工序多，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，礦井生產的這種特點對建立一個功能較為完善的集調度移動通信、機車的無線定位和導航、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重，無線通信距離短，成為制約有效實現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)的關鍵。單片機是靠程序運行的，并且可以修改。通過不同的程序實現不同的功能，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，結果就會有天壤之別！只因為單片機的通過你編寫的程序可以實現高智能，高效率，以及高可靠性！ 可以說，二十世紀跨越了三個“電”的時代，即電氣時代、電子時代和現已進入的電腦時代。不過，這種電腦，通常是指個人計算機，簡稱PC機。它由主機、鍵盤、顯示器等組成。還有一類計算機，大多數人卻不怎么熟悉。這種計算機就是把智能賦予各種機械的單片機（亦稱微控制器）。顧名思義，這種計算機的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進行簡單運算和控制。因為它體積小，通常都藏在被控機械的“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?，F在，這種單片機的使用領域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設備、導航系統(tǒng)、家用電器等。各種產品一旦用上了單片機，就能起到使產品升級換代的功效，常在產品名稱前冠以形容詞“智能型”，如智能型洗衣機等?，F在有些工廠的技術人員或其它業(yè)余電子開發(fā)者搞出來的某些產品，不是電路太復雜，就是功能太簡單且極易被仿制。究其原因，可能就卡在產品未使用單片機或其它可編程邏輯器件上。從我們對無線傳感器網絡節(jié)點的實際研制過程可以看到：無線傳感網想的性能指標，首先必須依賴SOC技術和MEMS(微電機系統(tǒng))技術，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，擴大應用領域和應用范圍。無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，簡稱WSNs)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內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絡系統(tǒng)，能夠實時監(jiān)測、感知和采集網絡分布區(qū)域內監(jiān)視對象的各種信息，并加以處理，完成數據采集和監(jiān)測任務。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，具有快速構建、自配置、自調整拓撲、多跳路由、高密度、節(jié)點數可變、無統(tǒng)一地址、無線通信等特點，特別適用于大范圍、偏遠距離、危險環(huán)境等條件下的實時信息監(jiān)測，可以廣泛應用于軍事、交通、環(huán)境監(jiān)測和預報、衛(wèi)生保健、空間探索等各個領域它由數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元和電源管理單元4部分組成。數據采集單元負責監(jiān)測區(qū)域內信息的采集和數據轉換，設計中包括了可燃性氣體傳感器和濕度傳感器；數據處理單元負責控制整個節(jié)點的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理、任務管理等；數據傳輸單元負責與其他節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數據；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)應用中采用微型紐扣電池，以進一步減小體積。為了調試方便及可擴展性，可將數據采集單元獨立出來，做成兩塊能相互套接的可擴展主板。為保證數據可靠的傳輸，任何時刻單總線上只能有一個數據，每次數據和命令傳輸通常從復位命令開始，隨后是ROM命令和RAM命令，最后進行數據交換，必須嚴格遵守這個命令序列，才能保證數據的正確傳輸。結論從我們對無線傳感器網絡節(jié)點的實際研制過程可以看到：無線傳感網想的性能指標，首先必須依賴SOC技術和MEMS(微電機系統(tǒng))技術，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，擴大應用領域和應用范圍。論文完成的主要工作如下：1. 論文綜述了無線傳感器網絡在國內外的研究現狀，分析了無線傳征、體系結構以及無線傳感器網絡的設計包含節(jié)點設計和通信網絡協(xié)議分。2. 無線傳感器網絡節(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上，給出了無線傳感器網絡節(jié)點的設計要點和一