無線溫濕度傳感器網絡節(jié)點和網關設計研究

1、無線溫濕度傳感器網絡節(jié)點和網關研究與硬件設計課程設計實驗報告 2011年6月26號無線溫濕度傳感器網絡節(jié)點和網關研究與硬件設計引言隨著傳感器技術、嵌入式技術以及通信和半導體技術的飛速發(fā)展，傳感器信息獲取技術從單一化到集成化、微型化，進而智能化、網絡化，形成智能傳感器網絡。并且隨著無線網絡的發(fā)展，融合了傳感器技術、信息處理技術和網絡通信技術的無線傳感器網絡技術也應運而生。目前新興的現場參數無線檢測裝置大都是基于該技術設計的。無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)是由一組微型傳感器節(jié)點以自組織方式構成的無線網絡，其目的是協作地感知、采集和處理網路覆蓋地理區(qū)域中感

2、知對象的信息，并發(fā)布給觀察者. 無線傳感器網絡廣泛應用于軍事、環(huán)境、樓宇控制、保健、交通等領域。隨著無線傳感器網絡技術在各領域越來越廣泛的應用，在盡量節(jié)省系統能量消耗、盡量節(jié)省信息處理及簡易信號收發(fā)等方面，對無線通信技術也提出了更高、更新的要求。ZigBee(紫蜂)技術就是在這種背景下產生的。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、高可靠性、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制和遠程監(jiān)控等領域，可以嵌入到各種設備中。自從2004年12月，ZigBee規(guī)范正式公布之后，短短幾年時間，ZigBee技術就以其低成本、低功耗、網絡容量大、傳輸時延短和可靠性高等特點，在工業(yè)檢測、智能家居

3、、樓字自動化、環(huán)境監(jiān)測等領域得到廣泛應用。由傳感器和ZigBee裝置構成的ZigBee無線傳感器監(jiān)控網絡，可自動采集、分析和處理各個節(jié)點的數據，同時，ZigBee技術的網絡擴展能力很強，理論上，一個ZigBee網絡可容納65536個節(jié)點，適合于各種需要數據自動采集并要求網絡傳輸的領域，具有極其廣闊的應用領域和很高的研究價值?？紤]到ZigBee技術的這些特點，本文在構建無線溫濕度傳感器網絡時，采用ZigBee作為組建網絡的無線通信協議。到目前為止無線傳感器網絡的發(fā)展己經經歷了三個階段：(1) 點對點。只是簡單取代了有線網絡，各個設備之間只是直接聯系，只有有限通信能力。(2) 點對多點。傳感器網絡

4、中有一個路由和控制的中央節(jié)點，所有數據流動必須通過基站。(3) 多跳網狀結構。完全的RF冗余，具有多數據通道，自我建構，自我調整，智能分布式。本文以無線溫濕度傳感器網絡結點和網關結點的研究與設計為主線,從而介紹無線傳感器網絡、ZigBee無線通信技術的基本概念。由于時間有限，重點以無線溫濕度傳感器網絡的兩個結點的硬件原理設計為主，進而對無線傳感器網絡的建立與保持、設備入網流程、ZigBee組網技術做一些理論上的介紹。無線傳感器網張的結構與特點，硬件選擇與設計，組網協議與GPRS通信介紹是本文的一個總體框架。關鍵字：無線傳感器網絡 、傳感器結點、網關結點、sht11溫濕度傳感器、CC2430無線

5、射頻單片機 、ARM嵌入式技術、GPRS無線模塊。第一章 無線傳感器網絡11 無線傳感器網絡結構無線傳感器網絡系統通常包括傳感器節(jié)點(sensor node)、網關節(jié)點(sink node)和任務管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點通過飛行器撒播、人工埋置或火箭彈射等方式隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內部或附近，通過自組織方式構成網絡。無線傳感器網絡結構如下圖11所示。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數據沿著其他傳感器節(jié)點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數據可能被多個節(jié)點處理，經過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過Intemet、衛(wèi)星或GSM等通信方式到達任務管理節(jié)點。用戶通過任務管理節(jié)點對傳感器網絡進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務以及收集

6、監(jiān)測數據。傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過攜帶能量有限的電池供電。從網絡功能上看，每個傳感器節(jié)點兼顧傳統網絡節(jié)點的終端和路由器雙重功能，除了進行本地信息收集和數據處理外，還要對其它節(jié)點轉發(fā)來的數據進行存儲、管理和融合等處理，同時與其它節(jié)點協作完成一些特定任務。目前傳感器節(jié)點的軟硬件技術是傳感器網絡研究的重點。無線傳感器網絡中的傳感器節(jié)點主要由傳感器模塊、處理器模塊、無線收發(fā)模塊和能量供應模塊組成（如圖12）。數據采集單元負責信息的采集和數據轉換；數據處理單元控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數據以及其他節(jié)點發(fā)來的數據；無線傳輸單元

7、負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信；電源供給單元為傳感器節(jié)點提供運行所需要的能量，通常采用小型便攜式電池供電。依據應用需求，它可能還有定位模塊，能源補給模塊或者移動模塊。相應的軟件則為節(jié)點提供必要的應用支持，如嵌入式操作系統、網絡協議棧等。傳感器模塊處理器模塊無線收發(fā)模塊能量供應模塊圖 12 傳感器節(jié)點結構框圖網關節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對比較強，它連接傳感器網張與Intemet等外部網絡，實現兩種協議棧之間的通信協議轉換，同時發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務，并把收集的數據轉發(fā)到外部網絡上。路由節(jié)點既可以是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點，有足夠的能量供給和更多的內存與計算資源，也可以是沒有監(jiān)測

8、功能僅帶有無線通信接口的特殊網關設備。無線傳感器網絡中的網關節(jié)點主要由中央處理模塊，存儲器模塊，射頻收發(fā)模塊，GPRS無線通信模塊，電源模塊五個部分組成。典型組成圖如圖13所示。射頻收發(fā)模塊將傳感器結點上傳上的采集數據傳送給中央處理器，中央處理器將數據進行存儲處理后傳送給GPRS通信模塊，GPRS通信模塊把數據通過GSM與Internet網傳送給遠端接收用戶，電源模塊為GPRS無線模塊，中央處理器，射頻模塊，存儲器供電，讓它們正常工作。中 央 處 理 器存儲器模塊電源模塊GPRS無線通信模塊射頻收發(fā)模塊圖13 網關節(jié)點結構框圖1.2 無線傳感器網絡協議棧傳感器網絡協議棧包括物理層、數據鏈路層、

9、網絡層、傳輸層和應用層，與Intemet協議棧的五層協議相對應。另外，協議棧還包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務管理平臺。這些管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的方式協同工作，在節(jié)點移動的傳感器網絡中轉發(fā)數據，并支持多任務和資源共享。傳感器網絡協議棧如圖12所示。圖14 無線傳感器網絡協議棧各層協議和平臺的功能如下：物理層：提供簡單而健壯的信號調制和無線收發(fā)技術。數據鏈路層：負責數據成幀、幀監(jiān)測、媒體訪問和差錯控制。網絡層：主要負責路由生成與路由選擇。傳輸層：負責數據流的傳輸控制，是保證通信服務質量的重要部分。應用層：包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件。能量管理平臺：管理傳感器節(jié)點如何使

10、用能源，在各個協議層都需要考慮節(jié)省能量。移動管理平臺：監(jiān)測并注冊傳感器節(jié)點的移動，維護到匯聚節(jié)點的路由。任務管理平臺：在一個給定的區(qū)域內平衡和調度監(jiān)測任務。1.3 無線傳感器網絡的關鍵技術無線傳感器網絡作為當今信息領域新的研究熱點，涉及許多方面技術，主要有以下方面：(1)網絡拓撲控制對于無線自組織傳感器網絡而言，網絡拓撲控制具有特別重要的意義。通過拓撲控制自動生成良好的網絡拓撲結構，能夠提高路由協議和MAC協議的效率，可為數據融合、時間同步等多方面奠定基礎，有利于節(jié)省節(jié)點的能量來延長網絡的生存期。拓撲控制可以分為節(jié)點功率控制和層次型拓撲結構形成兩個方面。功率控制機制調節(jié)網絡中每個節(jié)點的發(fā)射功率

11、，在滿足網絡連通度的前提下，減少節(jié)點的發(fā)送功率，均衡節(jié)點單跳可達的鄰居數目。功率控制方面目前已經提出了COMPOW，LINTLILT，CBTC，LMST，RNG，DRNG和DLSS等算法。層次型的拓撲控制利用分簇機制，讓一些節(jié)點作為簇頭節(jié)點，由簇頭節(jié)點形成一個處理并轉發(fā)數據的骨干網，其他非骨干網節(jié)點可以暫時關閉通信模塊，進入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。層次型拓撲控制目前提出了TopDisc，GAF，LEACH和HEED等算法。除了傳統的功率控制和層次型拓撲控制，研究人員還提出了啟發(fā)式的節(jié)點喚醒和休眠機制。該機制能夠使節(jié)點在沒有事件發(fā)生時設置通信模塊為睡眠狀態(tài)，而在有事件發(fā)生時及時自動醒來并喚醒鄰居節(jié)點

12、，形成數據轉發(fā)的拓撲結構。這種機制重點在于解決節(jié)點在睡眠狀態(tài)和活動狀態(tài)之間的轉換問題，不能獨立作為一種拓撲結構控制機制，因此需要與其他拓撲控制算法結合使用。(2)網絡協議傳統因特網的實現是通過IP協議，也包括移動IP。但是在無線傳感器網絡中，不需要使用此種協議。在無線傳感器網絡中，常常要用到成千上萬個傳感器節(jié)點，其路由一般是基于固定的地理位置信息，而它的路徑建立方式則是基于需求的，即根據某項數據或者某項任務來進行的。所以需要根據拓撲維持路由表的IP對于無線傳感器網絡來說是不可行的。同時，傳感器網絡節(jié)點的硬件資源有限且拓撲結構實時動態(tài)變化，要維持路由表需要耗費大量的時間、金錢和能源，所以無線傳感

13、器網絡需要有一套不能太復雜但又高效，并適合自己的控制和路由協議。通過安置大量的傳感器節(jié)點，提供足夠多的路徑算法總能找到合適路徑，來滿足網絡的生存和對環(huán)境的適應。系統還要考慮的一個很重要的問題就是一些重要的網絡參數如何設定的問題，如網絡大小，節(jié)點密度，以及能耗、可靠性和反應時間的折中問題。 (3) 時間同步時間同步是需要協同工作的傳感器網絡系統的一個關鍵機制。Jeremy Elson和KayRomer在2002年8月的HotNetsI國際會議上首次提出并闡述了無線傳感器網絡中的時間同步機制的研究課題，在傳感器網絡研究領域引起了關注。目前已提出了多個時間同步機制，其中RBS、TINYMINISYN

14、C和TPSN被認為是三個基本的同步機制。(4)定位技術位置信息是傳感器節(jié)點采集數據中不可缺少的部分，沒有位置信息的檢測消息通常毫無意義。確定事件發(fā)生的位置或采集數據的節(jié)點位置是傳感器網絡最基本的功能之一。目前的定位技術有基于距離的定位，如基于TOA的定位、基于AOA的定位、基于RSSI的定位等；和與距離無關的定位算法，如質心算法、DVHop算法、APIT算法等(5)數據融合傳感器網絡存在能量約束。減少傳輸的數據量能夠有效地節(jié)省能量，因此在從各個傳感器節(jié)點收集數據的過程中，可利用節(jié)點的本地計算和存儲能力處理數據的融合，去除冗余信息，從而達到節(jié)省能量的目的。由于傳感器節(jié)點的易失效性，傳感器網絡也需

15、要數據融合技術對多份數據進行綜合，提高信息的準確度。但融合技術會犧牲其他方面的性能，如延遲和魯棒性的代價。數據融合技術可以與傳感器網絡的多個協議層次進行結合。在應用層設計中，可以利用分布式數據庫技術，對采集到的數據進行逐步篩選，達到融合的效果；在網絡層中，很多路由協議均結合了數據融合機制，以期減少數據傳輸量；此外，還有研究者提出了獨立于其他協議層的數據融合協議層，通過減少MAC層的發(fā)送沖突和頭部開銷達到節(jié)省能量的目的，同時又不損失時間性能和信息的完整性。數據融合技術己經在目標跟蹤、目標自動識別等領域得到了廣泛的應用。在傳感器網絡的設計中，只有面向應用需求，設計針對性強的數據融合方法，才能最大限

16、度的獲益。(6)嵌入式操作系統傳感器節(jié)點是一個微型的嵌入式系統，攜帶非常有限的硬件資源，需要操作系統能夠節(jié)能高效地使用其有限的內存、處理器和通信模塊，且能夠對各種特定應用提供最大的支持。在面向無線傳感器網絡的操作系統的支持下，多個應用可以并發(fā)地使用系統的。有限資源。美國加州大學伯克利分校研發(fā)了TinyOS操作系統，在科研機構的研究中得到了比較廣泛的使用，但目前仍然存在不足之處。(7)節(jié)能設計在多數情況下，傳感器網絡中的節(jié)點都是由電池供電，電池容量畢竟有限，并且對于有成千上萬節(jié)點的無線傳感器網路來說，更換電池是非常困難的，甚至是不可能的，但是卻要求無線傳感器網絡生存時間長達一年甚至數年。如果網絡

17、中的節(jié)點因為能量耗盡而不能工作，會帶來網絡拓撲結構的改變以及路由的重新建立等問題，甚至可能使網絡出現不連通的部分，造成通信中斷。因此，如何在不影響功能的前提下，盡可能地節(jié)約無線傳感器網絡的電池能量成為無線傳感器網絡軟硬件設計的核心問題。首先在功能上，由于無線傳感器網絡大都是為某一專用目的而設計的，去掉不必要的功能，可以節(jié)省能量，延長節(jié)點生存時間。因此，無線傳感器網絡設計應考慮兩點原N-延長網絡工作時間、減少不必要的功能，突出專用性。其次，可以設計專門提高傳感器網絡能量效率的協議以及采用專門的技術，這些協議和技術涉及到網絡的各個層次，如物理層可以采用超寬帶無線通信技術，MAC層可以采用適合節(jié)點在

18、休眠和工作狀態(tài)間切換的接入協議，網絡層可以以能量作為路由度量等。此外，還可以采用跨層設計的方式，提高網絡的能量效率。1.4 無線傳感器網絡特點與應用（1）高度自適應的自治能力。無線網絡中的節(jié)點都兼?zhèn)鋽祿杉蜔o線路由功能，不存在一個網絡中心控制點，用戶節(jié)點之間的地位是平等的。出于應用環(huán)境等的限制，無線傳感器網絡必須是自我配置的，網絡路由協議必須能感應各種原因而導致無線傳感器網絡本身的拓撲結構所發(fā)生的變化，具有很強的自適應性和健壯性。（2）多跳路由。由于射頻器件的信號傳播范圍有限，一般在幾百米范圍內，節(jié)點只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圈之外的節(jié)點進行通信，則網絡中每個節(jié)點都需具備

19、路由器的功能，這樣每個節(jié)點既可以是信息的發(fā)起者，也是信息的轉發(fā)者。（3）能量受限的節(jié)點。移動節(jié)點依靠電池提供工作所需的能量，盡可能的降低系統功耗將是影響網絡協議棧設計的一個關鍵因素。（4）自組織。傳感器網絡的布設和展丌無需依賴于任何預設的網絡設備，節(jié)點通過分層協議和分稚式算法協調各自的行為，節(jié)點丌機后就可以快速、自動的形成獨立的網絡。（5）節(jié)點能量眾多，分布密集。為了對一個區(qū)域執(zhí)行監(jiān)測任務，往往有成千上萬的傳感器投到該區(qū)域，傳感器節(jié)點分布非常密集，節(jié)點之間需高度連接來保證系統的容錯性和抗毀性。隨著傳感器技術的深入研究和不斷發(fā)展，傳感器節(jié)點的成本越來越低，功能越來越強大，使其在軍事應用、環(huán)境監(jiān)測

20、、醫(yī)療護理、智能家居、交通控制等多個領域都就廣泛的應用。第二章 傳感器結點與網關結點硬件設計一， 無線傳感器結點硬件設計1，方案選擇由于本課題所設計的檢測網絡是基于ZigBee技術的，因此選擇合適的ZigBee硬件解決方案對ZigBee組網是至關重要的。在過去幾年中，世界各大無線通信芯片制造商和設備供應商陸續(xù)推出一些ZigBee解決方案。在眾多的解決方案中，被業(yè)界公認比較成熟的方案有兩種：一種是單片機加上ZigBee射頻芯片的組合解決方案，另一種就是SOC(System On Chip，片上系統)單芯片解決方案。(1)單片機+ZigBee射頻芯片14IJ解決方案：這種方案是ZigBee推出初期

21、，各大公司提供的解決方案。以8位單片機為主，搭配IEEE802154ZigBee射頻芯片，組成集傳輸、通信、感測多功能于一體的嵌入式通信網絡模塊，我們可以稱之為ZigBee模塊。這種芯片組的搭配，能夠靈活地滿足各種客戶需求的架構。在這種組合方案中，單片機的作用是掌控協議棧、實施基本控制和監(jiān)測、并作為整個模塊電源和應用控制中樞，而射頻芯片則主要提供符合IEEE802154標準的無線通信接入。一般地，單片機和射頻芯片通過SPI接口進行通信。如圖2.1所示：圖 2.1 (2)SOC單芯片方案：眾所周知，采用SOC(System On Chip，片上系統)可以節(jié)省整個系統的成本，提高系統的性能。Zig

22、Bee SOC解決方案就是將RF射頻收發(fā)器與MCU集成在一塊芯片上，這使其開發(fā)難度遠遠小于使用兩顆獨立芯片的解決方案。目前ZigBee SOC解決方案有：TI(Chipcon)的CC2430。CC2430是業(yè)界首款真正高效的SOC CMOS解決方案，也是世界上第一個真正意義上的SOC ZigBee一站式產品。它結合了業(yè)界領先的包括射頻24GHz收發(fā)器和符合IEEE8021 54協議的CC2420射頻芯片以及一顆工業(yè)級加強版的8051微處理器。TI(Chipcon)為其提供了完整的開發(fā)和調試環(huán)境，方便用戶研發(fā)符合自己需要的ZigBee無線產品。Ember的SOC解決方案EM250。EM250集成

23、了可編程的微處理器、RF射頻收發(fā)器、網絡協議堆棧以及存儲器，利用它建造具有ZigBee功能的產品，可以極大的降低組件尺寸、成本和功耗。Ember公司提供的Insight EM250開發(fā)套件，包括硬件、網絡開發(fā)、調試軟件以及用于嵌入式系統應用的編譯器和一個現場可升級的ZigBee協議棧Ember ZNet 21，上述所有的工具都是為單一集成開發(fā)環(huán)境模式提供的。現場參數無線檢測網絡對硬件平臺的要求十分苛刻。其所有節(jié)點都會同時運行多個任務。要求MCU處理速度足夠快，才能能及時地響應各個任務，避免造成網絡阻塞。同時無線檢測網絡協議棧和應用程序都要存儲在程序存儲器中，所以節(jié)點的MCU程序存儲器要求有較大

24、存儲空間。另外，協調節(jié)點還應具備較大空間的數據存儲器，以保存網絡的各種信息。本裝置采用電池供電方式，決定了MCU的工作電壓必須較低，而且正常工作時應滿足低功耗的要求。節(jié)點的MCU最好還具備AD轉換能力，以減少外圍器件的使用，從而有利于減小節(jié)點體積，降低節(jié)點功耗。通過對以上不同公司的多種方案進行比較，結合現場參數無線檢測裝置對硬件平臺的要求，本著減少硬件設計復雜度以及提高射頻通信系統穩(wěn)定性的原則，本課題選用TI(Chipcon)公司的CC2430 SOC芯片作為ZigBee無線檢測裝置的硬件解決方案。2，CC2430介紹CC2430芯片是Chipcon公司生產的符合ZigBee技術的2.4GHz

25、射頻系統單芯片。適用于各種ZigBee或類似ZigBee的無線網絡節(jié)點，包括調諧器、路由器和終端設備。CC2430芯片延用了以住CC2430芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內存和微控制器。它使用1個8位MCU（8051），具有128KB可編程閃存和8KB的RAM，還包含模擬數字轉換器（ADC）、幾個定時器、AES128協同處理器、看門狗定時器、32KHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路，以及21個可編程I/O引腳。2.1 主要特點CC2430芯片采用0.18uM CMOS工藝生產，工作時的電流損耗為27mA;在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27m

26、A或25mA，CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那引動要求電池壽命非常長的應用。（1） 高性能和低功耗的8051微控制器核。（2） 集成符合IEEE802.15.4標準的2.4GHz的RF無線電收發(fā)機.（3） 優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性。（4） 在休眠模式時僅0.9uA的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統;在待機模式時少于0.6uA的流耗，外瓤子的中斷能喚醒系統。（5） 硬件支持CSMA/CA功能。（6） 較寬的電壓范圍（2.03.6V）。（7） 數字化的RSSI/LQI支持和強大的DMA功能。（8） 具有電池監(jiān)測和溫度感測功能。（9） 集成了14們模數

27、轉換的ADC。（10） 集成AES安全協處理器。（11） 帶有個強大的支持幾組協議的USART，以及個符合IEEE 802.15.4規(guī)范的MAC計時器，個常規(guī)的位計時器和個們計時器。（12） 強大和靈活的開發(fā)工具。2.2 引腳介紹CC2430芯片采用mm*mmQLP封裝，共有48引腳。全部引腳可分為I/ 端口線引腳、電源線引腳和控制引腳三類。I/端口線引腳功能CC2430有個可編程的I/O口引腳，p0、p1口是完全的位口，p2口只有個可使用的位。通過軟件設定一組寄存器的位和字節(jié)，可使這些引腳作為通常的/O口作為連接、計時器或USART部件的外圍設備I/O口使用?？稍O置為通常的I/O口，也可設置

28、為外圍I/O使用，在輸入時有上拉和下拉能力。都具有響應外部的中斷能力 ，同是外部的中斷事件也能被用來喚醒休眠模式。2.3 收發(fā)器性能基于IEEE802154的CC2430無線收發(fā)模塊的核心部分是CC2420射頻收發(fā)器。CC2430的無線接收器是一個低中頻的接收器。接收到的射頻信號經過低噪聲放大器(LNA)和IO(同向信號和正交相位信號)下變頻轉換為中頻(IF)信號，中頻信號為2MHz。此混合IO信號經過濾波、放大、AD轉換、自動增益控制、數字解調和解擴，最終恢復出傳輸的正確數據。CC2430的無線發(fā)送器是基于直接上變頻的。要發(fā)送的數據先被送入128字節(jié)的發(fā)送緩存器(TXFIFO)中，幀引導序列

29、和幀開始定界符由硬件自動產生。所要發(fā)送數據流的每4位使用IEEE802154序列擴展技術擴展為32碼片的擴頻序列，輸出到DA變換器。然后，經過低通濾波和上變頻的混頻后的射頻信號被調制到24GHz，經功率放大(PA)后送到天線發(fā)射出去。CC2430采用了內部發(fā)送接收(訊)開關電路，天線的接口及匹配比較容易。RF為差動連接。單極天線可以使用不平衡變壓器。通過外接直流通路，連接引腳TXRX SWITCH到引腳RF P和引腳RF N，實現功率放大器和低噪聲放大器的偏置。3，SHT11介紹SHTll單芯片傳感器是瑞士Sensirion公司生產的具有二線串行接口的單片全校準數字式新型相對濕度和溫度傳感器，

30、可用來測量相對濕度、溫度和露點等參數，具有數字式輸出、免調試、免標定、兔外圍電路及全互換的特點。SHTl 1采用Sensirion公司專利的CMOSens過程微加工技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14位的AD轉換器以及串行接口電路在同芯片上實現無縫連接，體積僅與大火柴頭相近，因此，該傳感器具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、極高的性價比等優(yōu)點。SHTl l傳感器默認的測量溫度和相對濕度的分辨率分別為14位、12位，通過狀態(tài)寄存器可降至12位、8位。濕度測量范圍是O100RH，對于12位的分辨率為003RH，精度

31、為±45RI-I。測溫范圍為-40"-一+1238。C對于14位的分辨率為00l。精度為±05。每個傳感器芯片都在極為精確的濕度室中進行了標定，校準系數以程序形式儲存在OTP內存中，在測量過程中可對相對濕度自動校準，這使SHTll具有100的互換性。其測量原理：首先利用2只傳感器分別產生相對濕度、溫度的信號；然后經過放大，分別送至AD轉換器進行模數轉換、校準和糾錯；再通過二線串行接口將相對濕度及溫度的數據送至微控器；最后利用微控器完成非線性補償和溫度補償。SHTll與CC2430的接口十分簡單，屬于12C總線接口，只需占用兩個普通數字IO口。其中，SCK為SHTl

32、l的串行時鐘輸入線，CC2430通過SCK向SHTl l提供時鐘脈沖，用于兩者之間的通信同步。4，無線傳感器結點硬件總體方案設計根據無線檢測網絡的功能，將便件設計分為兩大部分：CC2430基本工作電路與天線電路和節(jié)點外圍電路。CC2430基本工作電路與天線電路是實現單片機和天線正常工任的保證，包括CC2430的時鐘電路，去耦電路、偏置電阻電路和天線電路。面節(jié)點外圍電路用于實現網絡的功能，下載程序，數據采集電路，按鍵電路和電源電路等組成。節(jié)點硬件整體設計圖如圖2.2所示。RESET電路調試/下載電路兩節(jié)電池供電或USB口供電數據采集電路SHT11網絡狀態(tài)指示電路圖2.2 無線傳感器結點硬件總體方

33、案設計4.1 CC2430基本工作電路與天線電路實現基于IEEE802154的CC2430無線芯片是集運算控制單元和射頻單元于一身的SOC無線解決方案。射頻單元的核心部分是CC2420射頻收發(fā)器。正是由于CC2430的高度集成性，所以只需要很少的外圍器件就能搭建好一個應用系統。CC2430的供電電壓范圍很寬，從2O到36V均可以使用。它內部使用18V的工作電壓，外部數字IO口使用的是33V電壓。其片內還集成了一個自流穩(wěn)壓器，能夠把33V的電壓轉換為18V的電壓。這樣外圍電路就不用再專門設計一個電壓轉換電路。下圖是參照TI公司提供的參考電路設計的原理圖。（1） 時鐘設計 CC2430工作需要兩個

34、時CC2430工作需要兩個時鐘晶振，第一個為32MHz，為無線收發(fā)提供時鐘；第二個為32768KHz，為睡眠模式提供時鐘。C19和C20為32MHz晶振的負載電容，電容值取決于負載電容的大小，CL=I(1C19+1C20)+Cf，其中CL典型值為16pF，Cf為25pF，為保證晶體振蕩器產生的頻率準確而穩(wěn)定。所以C19和C20的典型值為33pF。(2) 偏置電阻配置R4為電流基準發(fā)生器的精密電阻。其值為43K歐姆（3）電壓協調器片上電壓協調器為片上提供1.8V電壓，R選擇22O歐姆使其更穩(wěn)定。（4）電源的去藕和濾波為得到更好的電源性能，選擇了合適的去藕電容0.1uF.（5） 天線設計CC243

35、0可以使用不同類型的天線，近程通信中最常使用的天線是單極天線、螺旋天線和環(huán)形天線。單極非平衡天線是長度對應電磁波長14的諧振天線。這種天線的設計簡單，功耗低，是一種使用范圍最佳的14波長單極非平衡天線。本設計參考是TI公司公布的24GHz彎曲型單極非平衡天線的樣板設計。天線諧振率為245GHz，天線面積為152mm×57mm，工作帶寬為100MHz，在該工作頻段內其駐波比小于2或者說饋電點反射損耗小于10dB，天線的輻射效率超過90。本論文中PCB微帶天線實測中心頻率為2447GHz，實際帶寬約為96MHz，該PCB天線完全能夠滿足CC2430工作頻段的要求(CC2430工作頻帶為2

36、400GHz'-'2480GHz)。CC2430的射頻信號采用差分方式，最佳差分負載阻抗是115+j180f2。巴倫電路需要根據這一數值調整。巴倫電路即天線阻抗匹配電路，其原理圖如圖34所示。采用非平衡天線，如果加上一個非平衡變壓器可使天線的性能更好，電路中的非平衡變壓器是采用非平衡天線,如果加上一個非平衡變壓器可使天線的性能更好,電路中的非平衡變壓器是由L4、L5、L6、C17及雙1/2傳輸線組成，其中，L5和L6匹配RF輸入、輸出阻抗匹配（50）.L4和L5同時提供功率放大器和低噪聲放大器的直流偏置.C17為5.6pF。L5為2.2nH,L4為5.6nH,L6為1.8nH.

37、 。以上器件的選擇都是嚴格參照CC2430datasheet中的器件參數進行設置的。為了達到最佳的射頻收發(fā)性能，傳輸線的接入點、長度及寬度也需嚴格遵照TI提供的這一資料中的參數。圖2.4 傳感器節(jié)點電路原理圖4.2 CC2430節(jié)點外圍電路設計與實現（1）電源供電電路如圖2.4中的power部分，本系統采用兩種供電模式，電池供電和USB口供電。并由LED顯示供電狀態(tài)。（2）數據采集電路如圖2.4中，SHT11的DATA是串行數據線，接到P1.0的引腳。SCK為SHT11的串行時鐘輸入線，接到P1.1引腳。（3）節(jié)點程序下載調試電路建立CC2430無線單片機程序存儲器采用先進的內置閃存技術。在對

38、單片機下載程序時，這項技術使用戶不再需要使用燒寫器就可以把程序下載到單片機內，因為它支持程序在線下載和在線調試。這種方式極大的降低了程序工程師的工作難度，使調試程序變的更加方便快捷。圖2.4中右上角為CC2430程序在線調試下載電路圖，只要按圖上的標號將9條線接到CC2430相應的口線上就可以了。此下載調試模塊和上一節(jié)提到的USB通信模塊配合使用就可以實現CC2430程序在線調試和在線下載。（4）復位電路和網絡術指示燈在圖2.4 中都可以找到。到此以CC2430為核心，SHT11為溫度檢測的無線傳感器結點電路原理圖已經介紹完畢。二，無線傳感器網絡網關設計作為感知區(qū)域內傳感器節(jié)點與外部網絡或終端

39、用戶的橋梁，網關節(jié)點要處理大量的數據，必須具備高速度、大存儲量和較遠的傳輸距離，即低成本、高效能。同時因部署在環(huán)境惡劣地域，頻繁更換能源很不現實，充足的能量供應必須優(yōu)先考慮，低功耗設計也成為整個設計的關鍵環(huán)節(jié)之一。網關節(jié)點在完成不同網絡間協議轉換的同時，還要對傳感器網絡進行管理和設置，需具備以下功能：掃描并選定物理信道，要配無線傳感器網絡內部網絡地址，初始化網絡設置：記錄WSN網張所采用的MAC算法和路由協議，協助節(jié)點完成與鄰居節(jié)點連接的建立和路由的形成;發(fā)送監(jiān)控中心控制指令，為用戶實現特定的操作功能;接收采集節(jié)點的請求和數據，具有數據融合，仲裁請求和路由選擇功能。1，網關結點的總體設計。依照

40、設計原則，在很好地實現上述網關節(jié)點功能的同時，為克服因傳統網關采用有線方式。（如串口電纜RS232）與終端用戶相連面導致的移動范圍受限、遠程監(jiān)控困難、不能準確提供基準定位信息等一系列缺點，參考當今前沿的短距離無線通信技術、嵌入式技術，給出集中央處理單元、存儲單元、射頻收發(fā)模塊、GPRS無線通信模塊、電源模塊五位于一休的硬件設計方案。其總體結構框圖及相互接口如圖2.5所示。ARM7微處理器LPC2294/LPC2292射頻收發(fā)模塊CC2430GPRS無線通信模塊SIM300C5V直流插座供電或USB口供電512K的16位的Flash存儲器AM29LV040B512K的16位的RAM存儲器HY62

41、V8400ALLT2ARM7微處理器LPC2294/LPC2292射頻收發(fā)模塊CC2430GPRS無線通信模塊SIM300C5V直流插座供電或USB口供電512K的16位的Flash存儲器AM29LV040B512K的16位的RAM存儲器HY62V8400ALLT2圖2.5 網關結點總體結構框圖2，中央處理單元LPC2294網關的中內處理單元主要用來收集和處理從采集傳感器點送來的數據，合理分配不同節(jié)點的數據存儲，并且完成終端用戶對傳感器網絡節(jié)點的控制命令（包括休眠時間、采集間隔、傳感器開關）;同時支持休眠、任務喚醒模式，滿足整個系統低功耗要求。為了實現上述功能，采用Philips公司的LPC2

42、200系列32位ARM處理器LPC2294.LPC220系列為16/32們的LQFP144腳，基于ARM7TDMIS內核的徽控制器，16K字節(jié)靜態(tài)RAM，256K字節(jié)片內Flash 程序存儲器（在工作溫度范圍內，到少可擦除和寫10000次），128們寬度接口及加速器可以實現高達60MHz的操作頻率。可配置的外部存儲器接口，最多支持4個Bank，每個Bank最大可支持到16Mb，可支持8/16/32位字寬。片內Boot裝載程序實現ISP和IAP。Flash編程時間：1ns可編程512字節(jié)，扇區(qū)擦除或整片擦除只需400ms.EmbeddedICE-RT 接口使能斷點和觀察點。當前臺任務使用片內Re

43、alMonito軟件調試時，中斷服務程序可繼續(xù)執(zhí)行。兩個32位定時器（帶4路捕獲和4路比較通道）、PWM單元、實時時鐘看門狗。多個串行接口，包括兩個16C550工業(yè)標準UART、高速IIC接口（400KHz） 和2個SPI接口。LPC2294有兩個低功耗模式：空閑和掉電，另外可通過個別使能/禁止外部功能來優(yōu)化功耗。CPU操作電壓范圍：1.651.95V,I/O操作電壓范圍： 3.03.6V。LPC通信接口非常豐富足夠滿足與GPRS之間的RS232通信，與CC2430之間的SPI通信。由于具有大規(guī)模的緩沖區(qū)和強大的處理器能力，非常適合于通信網關和協議轉換器、聲音識別以及低端的圖像處理。LPC22

44、94電路圖如圖2.6：圖2.6 LPC2294由于LPC2294引腳眾多，工作的是時候需要很大的電流，所以在LPC周圍加了很多的104小電容，這些電容有兩個作用：1是去耦作用，濾除從電源引腳進入的LPC2294的高頻部分噪聲。2是儲能的作用，因為LPC2294工作地的時候，電源供能可能一時供不上，這時這些小電容就充當小電池作用，讓LPC2294工作的時候有充足的能量。在一些大型芯片布板的時候都會需要在這些芯片周圍加一些小電容，使之能正常工作。在圖2.6中還有一些磁珠元件，也是濾波的作用。 3，GPRS無線通信模塊WSN是一種以數據為中心的網絡，網關節(jié)點的上行數據量大而下行數據量小，因面在考慮網

45、關節(jié)點與外部網絡的連接方式時，上行數據率是一個關鍵指標;其次，應用環(huán)境制約數據上行方式;另外，網關節(jié)點的成本及集成難度也是一個關鍵因素。綜合以胩三點，選用Simcom公司生產的GPRS無線通信模塊SIM300C。SIM300C外形如下圖所示：該模塊具有如下特點：(1) 支持兩種操作模式（一種是電路交換數據模式CSD，支持語音、數據、SMS和FAX業(yè)務）;另一種是分組交換模式GPRS，采用多時隙，支持CSICS4編碼）;(2) 標準的AT命令，為GSM語音，短消息以及GPRS數據業(yè)務提供無線接口;(3) 內置TCP/IP協議，用戶不必自己編寫或者利用操作系統加入協議，降低了系統開發(fā)難度，縮短了開

46、發(fā)周期;(4) 數據下行、上行傳輸速率分別高達85.6kbps和42.8kbps，標準RS232串行口，通過串行口使用AT、命令完成對模塊的操作;(5) 支持最少功能和休眠兩種省電模式。需要將數據傳輸到網關節(jié)點時，節(jié)點按照WSN的協議規(guī)范對數據進行打包，然后通過無線方式經過一跳或多跳將數據傳送到網關結點。傳感器數據在通過無線傳輸進入網關節(jié)點后，微處理器利用率WSN的協議棧拆包，得到原始數據之后，網關節(jié)點可就用操作系統上的應用軟件根據具體需求對原始數據進行處理（如進行數據的融合，去除冗余，減輕網關節(jié)點對外傳送的負擔）。處理后的數據經由TCP/IP模塊打包后通過串口與SIM300C相連，連接圖如下

47、圖2.7所示。圖2.7 SIM300CSIM300C的DCD、DTR、TXD、RXD、CTS、RTS、RI引腳與LPC2294的UART1的引腳相連，進行串口通信。SIM300C的SIM_VDD 、SIM_RST、SIM_IO、SIM_CLK、SIM_PRESENT、與手機SIM卡座相連。VBAT連接電源模塊，且電壓范圍為3.44.5V，GPRS_control控制SIM300C的開關機。電路中還有，網絡狀態(tài)指示燈，模塊工作狀態(tài)燈。能過相應的AT指令可以很方便的實現上位機和網關之間的自由通信，按流量計費，降低系統成本。常見的AT指令有：（1） 連網指令：AT返回狀態(tài)：OK（連網成功）（2） 全

48、功能開啟指令：AT+CFUN1：（3） 關閉模塊指令：AT+CPOWD1;（4） 讀取第N條短信：AT+CMGRn;同時，DTR外接一個上拉電阻，配合“AT+CSCLK1”指令，可以輕易地實現SIM300C的休眠，通過短信即可喚醒。休眠時GPRS電流消耗僅2.5 mA,滿足整個系統低功耗要求。4，存儲單元網關系統在工作的時候，LPC2294需要存儲操作系統的移植代碼，通信轉換代碼，應用程序代碼，以及傳感器節(jié)點第天采集的數據量（第一個節(jié)點大約5K）故必須進行存儲器的擴展。本系統外擴了Flash存儲器和SDRAM存儲器。Flash是一種非易失性的存儲器，在系統中通常用于存入程序代碼和一些在系統掉電

49、后需要何在的數據。Flash存儲器最大優(yōu)點就是可以進行在線可編程。目前常用的Flash為8們或16們的數據寬度，編程電壓為單3.3V。主要的和產廠商為ATMEL、AMD、HYUNDAT等，他們的生產的同型器件一般具有相同的的電器特性，可通用。本系統選用的是512K*8們的Flash存儲器AM29LV040.僅需3V電壓即可完成芯片的編程或擦除操作，通過對其內部命令寄存器定入標準的命令序列，可對Flash進行編程、整片擦除、按扇區(qū)擦除以及其他操作。本系統提供一個512K*16們的Flash存儲系統，它需要選用兩片AM29LV040，并聯成為16們的存儲器，然后作為16位存儲器的低端和高端。16位

50、存儲器的電路連接如圖2.8所示：圖2.8 存儲單元此時地址的最低位始終為零，因此應將兩片AM29L040的地址線A018并聯后與LPC220芯片的A1A19依次連接;數據線串聯依次接在LPC2200芯片的D0D7和D8D15.輸出使能端（R0EN）與LPC2200的輸出使能端相連。低8位和高8位的寫使能端分別接LPC2200的BLS0和BLS1.在本系統中，地址譯碼信號作為片選信號實現對高端存儲和低端存儲的選擇。SDRAM存儲器接口，LPC2200擁有一個獨特的存儲器加速模塊，Flash在程序讀取時的速度大大提高，工作時不會產生Cache命中率問題。程序放在Flash中直接運行，其速度和具有Cache的ARM處理器運行速度相當;但是寫Flash時仍然有命中率問題。為提高程序運行速率，系統中可以擴展SDRAM存儲器。目前常用的SDRAM為8位/16位/32位數據寬度。工作電壓為3.3V。本系統提供了一個16位的SRAM存儲器系統，存儲容