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

1、第48卷第5期2008年9月大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)JournalofDalianUniversityofTechnologyVol.48,No.5Sept.2008文章編號(hào):100028608(2008)0520749205嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與通信研究高英明1,金仁成1,王立鼎31,2,王宏斌2,劉瑞瑞2(1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧大連116024;2.大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116024)摘要:針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),采用32位ARM核微控制器LPC2138設(shè)計(jì)并制作了一款無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)的通信單元采用了射頻芯片IA4420.在解決了

2、SPI接口時(shí)序判別和連接方式等問題后,給出了IA4420的一種基于外部中斷的數(shù)據(jù)收/發(fā)方法現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間的通信功能.比較了IA4420與符合15.4,IA4420易于設(shè)計(jì)并且不受現(xiàn)有通信標(biāo)準(zhǔn)的制約,通信協(xié)議的優(yōu)劣.進(jìn)行了基于射頻芯片IA4420的RSSI,.;LPC2138;IA4420:文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A0引言近年來,受到普遍關(guān)注的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為人們展示了一種全新的信息獲取前景,它的實(shí)現(xiàn)使信息的獲取更加方便、快捷和廉價(jià).傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能單元,具有微小、廉價(jià)、電池供電、無線通信和自組織等特性,這使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相比有著本質(zhì)的不同,它是無線通信技術(shù)的又一次

3、革命.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)布置方便,可以通過飛機(jī)或火箭撒播的方式進(jìn)行大面積反復(fù)布置,這也使得它具有極強(qiáng)的生存能力.用于戰(zhàn)場(chǎng)可對(duì)敵方進(jìn)行監(jiān)控或?yàn)榧悍教峁╊A(yù)警和導(dǎo)航信息,因此它的概念一經(jīng)提出,就受到了軍方的高度重視.除此之外,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在生產(chǎn)和生活領(lǐng)域也有十分廣闊2的應(yīng)用空間1、.微控制器和TR1000射頻芯片開發(fā)了MicaMote3節(jié)點(diǎn),之后采用魯棒性更好的CC1000射頻芯片開發(fā)了Mica2Mote節(jié)點(diǎn).歐洲的EYES項(xiàng)目采用16位微控制器MSP2430F149和射頻芯片TR1000開發(fā)了一種節(jié)點(diǎn).麻省理工大學(xué)的AMPS項(xiàng)目4開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用了32位StrongARM微控制器SA21

4、100和藍(lán)牙射頻芯片LMX3162.伯克利承擔(dān)的SmartDust5項(xiàng)目進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)微型化與單片化研究,其成果“Spec”節(jié)點(diǎn)大小如一片阿斯匹林,集成了傳感器與發(fā)射器,代表了未來的方向.PicRadio項(xiàng)目則專注于解決對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低成本和低功耗要求,為未來大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用掃清障礙.目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域大都采用8位或16位微控制器構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),這類節(jié)點(diǎn)主由于技術(shù)原因,采用通用器件構(gòu)建板級(jí)小型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)仍然是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域采用的主要形式.伯克利大學(xué)采用8位AVR要應(yīng)用在小規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò).隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大(網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成千上萬),8位或16位微控制器同時(shí)對(duì)信息路

5、由、目標(biāo)定位、能量管理、時(shí)鐘同步等收稿日期:2006212210;修回日期:2008208201.基金項(xiàng)目:國家“九七三”計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006CB300407).作者簡(jiǎn)介:高英明(19762),男,博士生;王立鼎3(19342),男,教授,博士生導(dǎo)師,中國科學(xué)院院士.750大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)1.2IA4420與CC2420的比較第48卷功能進(jìn)行處理會(huì)很吃力,因此節(jié)點(diǎn)需要處理能力更強(qiáng)的微控制器作為處理單元.隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步,32位微控制器的成本、功耗不斷下降,使其在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模應(yīng)用成為可能.本文采用32位微控制器LPC2138和射頻芯片IA4420開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn).目前,無線

6、傳感器網(wǎng)絡(luò)并無標(biāo)準(zhǔn)制定,但面向無線域網(wǎng)的IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)接近無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求,并有可能成為未來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn).由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景廣闊,潛在的市場(chǎng)巨大,采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee聯(lián)盟應(yīng)運(yùn)而生,并迅速發(fā)展壯大,其成員幾乎包括了世界所有主要的芯片制造廠商.ZigBee聯(lián)盟的一些廠商已經(jīng)相繼推出了符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片,并初步為用戶提供網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng).范,1IA4420功能1.1IA4420簡(jiǎn)介無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常由4個(gè)基本功能單元組成,分別是供電單元、處理單元、數(shù)據(jù)采集單元和無線通信單元.目前作為一種向未來單片化傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的過渡

7、,幾塊小尺寸PCB上.單元.統(tǒng)的設(shè)計(jì),減小了系統(tǒng)的物理尺寸,降低了系統(tǒng)功耗.其中INTEGRATION公司工作于ISM頻段的射頻收發(fā)芯片IA4420的性能比較突出.IA4420可稱得上最容易設(shè)計(jì)的射頻芯片,它幾乎15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片.用戶的軟件開發(fā)工作可建立在由Microchip提供的開發(fā)環(huán)境和協(xié)議之上,這使得采用CC2420可以相對(duì)快速地實(shí)現(xiàn)具有一定網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).然而ZigBee的系統(tǒng)集成特性需要將應(yīng)用軟件的開發(fā)和網(wǎng)絡(luò)傳輸、射頻技術(shù)和底層軟硬件控制技術(shù)結(jié)合在一起,使得應(yīng)用ZigBee技術(shù)真正解決幾個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際問題不是一件容易的事情.ZigBee也不是適用于所有情況的

8、萬能良藥.IA4420沒有專用的協(xié)議封裝機(jī)制,除了進(jìn)行集成了所有的射頻收發(fā)電路和數(shù)字調(diào)理電路,外圍器件極少,只需要一個(gè)10MHz的晶體并且對(duì)其精度要求不高.采用FSK調(diào)制方式,抗干擾能力強(qiáng),接收信號(hào)強(qiáng)度指示和定時(shí)喚醒功能一定程度上滿足了無線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)節(jié)點(diǎn)定位6和能量管理的要求.本文采用32位ARM7TDMI2S核的微控制器LPC21387和射頻芯片IA4420制作的節(jié)點(diǎn),如圖1所示.同步收發(fā)時(shí)發(fā)送方必須先發(fā)送23個(gè)0xAA作為前導(dǎo),發(fā)送0x2D、0xD4用于同步模式確認(rèn)外,其收發(fā)數(shù)據(jù)的內(nèi)容和格式完全由用戶自己定義(如圖2).這使得IA4420能夠用于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究,實(shí)際檢驗(yàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信

9、協(xié)議性能的優(yōu)劣,正是出于這種考慮,本文選擇了IA4420.但I(xiàn)A4420也有缺陷,如沒有單獨(dú)的校驗(yàn)機(jī)制和偵聽功能,只有通過額外的編程工作彌補(bǔ).圖2IA4420通信幀的一般格式Fig.2GeneralframestructureofIA4420圖1使用IA4420的傳感器節(jié)點(diǎn)Fig.1SensornodeofWSNusingIA44202IA4420應(yīng)用掌握類似于IA4420這種可編程射頻芯片要第5期高英明等: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751注意以下幾個(gè)問題:要了解一些射頻電路的基本構(gòu)成及工作原理,以便為讀懂?dāng)?shù)據(jù)手冊(cè)做準(zhǔn)備.掌握SPI接口的使用,主要是時(shí)鐘相位與時(shí)鐘極性的判別,以便正

10、確設(shè)置主機(jī)的SPI控制寄存器.了解控制指令的使用,設(shè)置芯片使其進(jìn)入期望的工作狀態(tài).理解IA4420數(shù)據(jù)收發(fā)的過程,由此進(jìn)行編程工作.2.1IA4420的SPI接口入內(nèi)容為8201h的“能量管理指令”,它的作用是關(guān)閉IA4420的時(shí)鐘輸出.如果主機(jī)的SPI時(shí)鐘設(shè)置正確,指令執(zhí)行后IA4420的CLK引腳輸出電壓會(huì)由上電時(shí)的0.6V變?yōu)?V,若不為0V再從余下的3種時(shí)鐘任選一種進(jìn)行試驗(yàn),直到滿足結(jié)果為止.這樣做也可檢驗(yàn)IA4420是否損壞.2.2引腳連接引腳連接對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示.除LPC2138和IA4420各自的3個(gè)SPI引腳相互對(duì)應(yīng)外,其他引腳則要根據(jù)是否方便PCB.本L的發(fā)出31、P0.3

11、0,分別用于片選、選擇IA4420的RXFIFO和復(fù)位IA4420.若要主設(shè)備(LPC2138)與從設(shè)備(IA4420)通過SPI接口通信,首先要設(shè)置主設(shè)備的SPI接口控制寄存器使主/從設(shè)備的時(shí)鐘極性、數(shù)據(jù)位傳送順序一致.IA4420的SPI接口時(shí)鐘與LPC2138的第一種SPI接口時(shí)鐘相符.時(shí),3)IA4420共有150外其他指令的最高位皆為1,并且除最高位外讀狀態(tài)指令的其他位的內(nèi)容可任意指定.其余14條控制指令的高8位為指令標(biāo)識(shí)符,低8位為指令的具體內(nèi)容,用于配置IA4420或向其TXFIFO寫入發(fā)射內(nèi)容.LPC2138的SPI接口為8位,為了向IA4420寫入16位控制指令可在其片選信號(hào)

12、保持為低電平的同時(shí)先寫入指令的高8位,再寫入指令的低8位.圖4LPC2138與IA4420的引腳連接Fig.4PinconnectionbetweenLPC2138andIA44202.3數(shù)據(jù)的收/發(fā)本文利用IA4420的第5引腳(nIRQ)向微控制器產(chǎn)生的中斷請(qǐng)求,結(jié)合“讀狀態(tài)指令”實(shí)現(xiàn)了射頻芯片IA4420的無線通信功能.通過“設(shè)置指令”使能接收緩沖寄存器(RXFIFO)或發(fā)射數(shù)據(jù)寄存器(TXDATA)后使用“能量管理指令”打開接收器或發(fā)射器,當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)入RXFIFO圖3LPC2138向IA4420寫指令的SPI接口時(shí)序Fig.3TimingofLPC2138writingcomma

13、ndtoIA4420或TXDATA準(zhǔn)備好接收下一字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)IA4420的nIRQ引腳會(huì)向微控制器發(fā)出中斷請(qǐng)求.由于IA4420有多種事件能產(chǎn)生nIRQ外部中斷請(qǐng)求,在進(jìn)行寫TXDATA之前要先對(duì)產(chǎn)生中斷的事件進(jìn)行判斷.如圖5所示,進(jìn)入中斷程序后,首先讀取IA4420的狀態(tài)寄存器確定產(chǎn)生中斷的事件,如果是TXDATA準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù),根據(jù)IA4420的特點(diǎn),本文給出快速判別是否已經(jīng)正確設(shè)置主機(jī)SPI時(shí)序的方法.若對(duì)于識(shí)別IA4420的SPI時(shí)序沒有把握,則可從LPC2138的SPI時(shí)序中任選一種,向IA4420寫752大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)第48卷則通過“寫發(fā)射寄存器指令”將待發(fā)數(shù)據(jù)寫入TXDATA.數(shù)

14、據(jù)接收流程與發(fā)射流程相似.如果使用內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了RSSI的輸出電壓隨通信距離變化的實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行了4次,通信距離分別為240、480、600和720cm.結(jié)果如圖6所示,曲線B、C、D和E代表了這4次實(shí)驗(yàn).從中可以看出:“讀FIFO指令”接收數(shù)據(jù),無論IA4420作為發(fā)射器還是接收器,nFFS引腳應(yīng)始終保持高電平,作為接收器若不使用“讀FIFO指令”取數(shù)據(jù)則只需在取數(shù)據(jù)時(shí)置低,取完數(shù)據(jù)后還應(yīng)該置高.通信距離為240cm時(shí)結(jié)果比較穩(wěn)定.除曲線C外RSSI確有隨通信距離的增加而衰減的趨勢(shì),并且曲線D與理想環(huán)境下相似,因此IA4420的RSSI能較可靠地評(píng)估連接質(zhì)量.RSSI值(電壓)與距離的關(guān)系

15、不易通過簡(jiǎn)單的曲線擬合得到數(shù)學(xué)表達(dá)形式,RSSI有,.因此RSSI.圖5IA4420數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖Fig.5TransmittingflowchartofIA44203RSSI實(shí)驗(yàn)RSSI(receivedsignalstrengthindicator)指圖6IA4420的RSSI實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6RSSIexperimentresultsofIA4420示收到的射頻信號(hào)強(qiáng)弱,能對(duì)連接質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估,甚至用于對(duì)節(jié)點(diǎn)定位,理想環(huán)境下其值會(huì)隨著通信距離的增加而減小.RSSI定位相對(duì)于其他方法的主要缺點(diǎn)是誤差比較大,這是由于RSSI值對(duì)干擾較為敏感,信道的快速衰落和無線信號(hào)傳輸環(huán)境的迅速變化都會(huì)對(duì)其產(chǎn)

16、生很大影響.另外便宜的射頻芯片通常沒有經(jīng)過校準(zhǔn),在不同的接收端即使相同的信號(hào)強(qiáng)度也可能導(dǎo)致不同的RSSI值.再有就是由于射頻信號(hào)遇到障礙物后引起傳播路徑的改變,導(dǎo)致“多徑衰落”使得估計(jì)距離比實(shí)際要長(zhǎng),這是一個(gè)結(jié)構(gòu)性問題,不可能通過重復(fù)測(cè)量來消除.本文利用IA4420的模擬RSSI輸出和LPC2138的A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了這一功能,在室4結(jié)語無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用形式多樣,不同的應(yīng)用有各自的特點(diǎn),網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)要根據(jù)不同的應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行,這樣才會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的性能達(dá)到最優(yōu).本文為了研究某種面向特殊應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些基本問題,采用ARM微控制器與射頻芯片IA4420制作了一種新型傳感器節(jié)點(diǎn).目前本文已經(jīng)實(shí)現(xiàn)

17、了基于IA4420的通信功能和RSSI功能,即將針對(duì)該網(wǎng)絡(luò)的特征進(jìn)行MAC協(xié)議的研究,該協(xié)議重點(diǎn)考慮節(jié)能問題并爭(zhēng)取在射頻芯片IA4420上將其實(shí)現(xiàn).參考文獻(xiàn):1MAINWARINGA,POLASTREJ,SZWECZYKR,第5期高英明等: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Wirelesssensornetworksforhabitat753etal.4CHANDRAKASANA,MINR,BHARDWAJM,etal.PowerawarewirelessmicrosensorsystemsCmonitoringC/Proceedingsofthe1stACMInternationalWo

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