無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計

1、1 課題的來源與背景.22 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu).43 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu).53.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點.53.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計.63.2. 1處理器模塊.73.2. 2通信模塊.73.2. 3能量供應(yīng)模塊.94 實驗程序流程圖.104 結(jié)束語.13參考文獻(xiàn):.1511 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)域和通信模塊的微小節(jié)點借助于內(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)是一個特殊的節(jié)點，可通過空，通過網(wǎng)關(guān)采集數(shù)據(jù)。以軍事應(yīng)用controlcommunicati

2、oncomputing，intelligence，surveillance，reconnaissance and targeting)系統(tǒng)不可或缺的一部分。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)計一個集命令、控制、通信、計算、智能、監(jiān)視、偵察和定位于一體的戰(zhàn)場指揮系統(tǒng)受和物資，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準(zhǔn)確地了解部隊、武器2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。比，傳感器網(wǎng)絡(luò)的潛在優(yōu)勢表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）分布節(jié)點中多角度和多方位信息的綜合有效地提高了信噪比，這一直是衛(wèi)星和雷

3、達(dá)這類獨立系統(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)計原則為整個系統(tǒng)提供了較強的容錯能力。（3）傳感器節(jié)點與探側(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)點聯(lián)合，形成覆蓋面積較大的實時探測區(qū)域。（6）借助于個別具有移動能力的節(jié)點對網(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。學(xué)術(shù)界、軍事部門和工業(yè)界的極大關(guān)注。從2001DARPA(美國國防部高級研究計劃署7億美的所謂戰(zhàn)區(qū)超視覺數(shù)據(jù)。2002年8月，NSF(美國國家科學(xué)基金會一期資助4000萬美元在UCLA成立了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中心，

4、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”的研究項目，以求利用傳感器網(wǎng)絡(luò)對我們生活最主要的絡(luò)方面的工作，紛紛設(shè)立或啟動相應(yīng)的行動計劃。日本、英國、意大利、巴西等3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和蜂窩移動電話網(wǎng)絡(luò) )有藿不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Intemet技術(shù)加上Ad hoeAdhoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的協(xié)議和算如地址等的作用在傳感線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，相鄰節(jié)點間的距離非常短，低功耗的多跳通信模式節(jié)省功耗，同時增加了通信的隱蔽性，也避免了長距離的無線通信易受外

5、界噪聲干擾的影響。這些獨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 點(Sensor node)、Sink網(wǎng)關(guān)節(jié)點(Sink node)和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機(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4感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點。Sink網(wǎng)關(guān)節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對比較強，它連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與管理節(jié)點的監(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(nèi)存與計算資源，也可以是沒有監(jiān)測功能僅帶有無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)(W ir

6、eless Sensor Network,WSN)是由部署在地理區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器組成,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、存儲器、嵌入式處息的接受和應(yīng)用者。感知對象是借助于節(jié)點中內(nèi)置的傳感器探測到濕度、溫度、與客觀上的物理世界融合在一起,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,它們的性能是整個無線網(wǎng)絡(luò)可靠性的基本保證。根據(jù)實際應(yīng)用和推廣的需要,節(jié)點的體積和質(zhì)量都應(yīng)該比較小。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點應(yīng)用ARM 處理器,簡化了節(jié)點的硬件設(shè)計

7、,能力和可靠性。本文設(shè)計了一種基于 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,并可以運用在實際中。3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成及工作流程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是一個微型的嵌入式系統(tǒng),一般由傳感器模塊、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、存儲器和應(yīng)用模塊組成,負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的操作 ,存儲和處理數(shù)據(jù),通信

8、協(xié)議管理5圖1 3.2 6 1 處理器模塊是無線傳感器節(jié)點的核心,負(fù)責(zé)整個節(jié)點的設(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節(jié)點的性能10。本設(shè)計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、單電源供電、LQFP64 封裝的 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算機(jī)(RISC, Reduced Instruction SetComputer)原理而設(shè)計的,指令集和相關(guān)的

9、譯碼機(jī)制比復(fù)雜指令集計算機(jī)要簡單得多,由此可見使用一個小的、廉價的處理器核就能非常容易實現(xiàn)很高的指令吞吐量和實時的中斷響應(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) RAM 和 32/64/128/256/512kB 的片內(nèi) Flash 程序存儲器。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 8 路 10 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器提供 16 路模擬輸入,且每個通道具有低至 2.44us 的轉(zhuǎn)換時間。(5)1個 10 位的 D/A轉(zhuǎn)換器,可產(chǎn)生不同的模擬輸出。(6)

10、PWM 單元(6 路輸出2 個 32 位定時器/外部事件計數(shù)器(4路比較通道和帶 4 路捕獲和看門狗。多個串行接口,包括 2 個高速 I2C 總線(400kbps)、2 個 16C550 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、SPI和具有數(shù)據(jù)長度可變功能和緩沖作用的 SSP。低功耗實時時鐘具有獨立的電源和特定的 32kHz 時鐘輸入。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)點的能量。為節(jié)省能量,延長節(jié)點壽命,需選擇一塊低能耗的通信芯片。本設(shè)計采用Chipcon/TI 公司開發(fā)的一款低功耗通信芯片 CC242012

11、-13作7為射頻收發(fā)器,CC2420 喚醒時延短的特點使它能有更多的時間處于睡眠狀態(tài),從而大大降低了節(jié)點的能耗。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ETSIEN300328、EN 300 440 class 2 和日本 ARIB STD-T66標(biāo)準(zhǔn)。CC2420 的主要特點: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)。具有獨立的 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

12、. 4mA;低電源電壓要求;使用內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器時 2. 1-3. 使用外部電壓調(diào)節(jié)器時 1. 6-2. 0V;可編程輸出功率?？杀O(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)點體積小、質(zhì)量輕、功耗小、成本低等特點。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

13、置信息等。ARM7 的 4 個SPI 通信接口: SSEL,MOSI,MISO 和 SCLK 分別對應(yīng)于 CC2420 的 4 個 SPI 通信接口: CSN, S1, SO 和。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 引腳連接如圖2 據(jù)時,處理器的 SCLK引腳提供時鐘頻率; 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 ,當(dāng)節(jié)點接收到幀開始分隔符后,將 SFD,如果地址錯誤,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 CC2420 的 RXFIFO(接收數(shù)據(jù)存儲區(qū)

14、相關(guān)的兩個信號是 FIFO和 FIFOP RXFIFO緩沖區(qū)變成空時, FIFO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 處理器通過讀取 FIFO,則在8CC2420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94 圖4圖5 4 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)點設(shè)計方案,通過選擇芯片,設(shè)計硬件接口,構(gòu)建了一個完整的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。經(jīng)仿真調(diào)試 ,該節(jié)點在試驗中應(yīng)用良好,電路板可以實現(xiàn)兩個節(jié)點間的通信,能由 LED 指示發(fā)送、接收或應(yīng)答信息,基本達(dá)到了設(shè)計要求,在煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的實驗中應(yīng)用良好 ,能采集精度較高

15、的溫度、壓力等數(shù)據(jù)信息,并實現(xiàn)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)交互,實現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡(luò)所需的外形小、集成度高、低功耗,為將來實際應(yīng)用研究提供了一個實驗平臺,具有一定的應(yīng)用價值。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?，F(xiàn)了利用ARM處理器采用嵌入式技術(shù)設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的總體方案，并成果以下:1. 采用 嵌 入式ARMCC2420,G PRSMC39i,溫度和振動傳感器實現(xiàn)了一種高性能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計。2. 在嵌 入 式實時操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧和ZigBee節(jié)點組網(wǎng)協(xié)議棧的移植，為GPRS數(shù)據(jù)傳輸和節(jié)點組網(wǎng)等軟件的開發(fā)提供了平臺。3 設(shè) 計 信、溫度和振動信號

16、的采集、控制GPRS模塊上網(wǎng)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控數(shù)據(jù)中心軟件的開發(fā)。4. 對 無 RSSI用技術(shù)實現(xiàn)節(jié)點定位的可行性;通過測試和分析GPRS撥號上網(wǎng)的協(xié)商信息，驗證了GPRS上網(wǎng)功能的可靠性;通過UDP和TCP傳輸測試試驗，驗證了采用經(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)點上溫度傳感器的定達(dá)0.2* C。對節(jié)點上振動傳感器進(jìn)行了定性測試，驗證了其用于節(jié)點防盜的可能性。經(jīng)測 試 ， 本文設(shè)計的嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具備無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開發(fā)提供了參考。未來的研究工作，可以從以下幾個方面入手:1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件設(shè)計的測試，系

17、統(tǒng)集成化、小型化.2.基于的節(jié)點組網(wǎng)，路由等上層軟件的研究與開發(fā)。3.節(jié)點的能量管理和整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量管理。4.節(jié)點的 RSSI定位試驗，數(shù)據(jù)的分析和節(jié)點定位算法的研究和實現(xiàn)。5.網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性等。1 任豐原,黃海寧,林闖.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)J.軟件學(xué)報,2003, 14(7):1282-1291.2 Akyildiz IAN F,Melodia Tommaso,ChowdhuryKaushik R.A survey onwirelessmultimedia sensornetworksJ.Com-puterNetworks, 2007, 51(4): 921-960.3 王姝,閻毓

18、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 , 2006, 17(9):2013-2028.6 吳猛,程良倫.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點及其實現(xiàn)方法J.儀表技術(shù)與傳感器, 2008(12): 14-16.7 孫利民,李建中,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)點的設(shè)計 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)點設(shè)計與通信研究 J.大連理工大學(xué)學(xué)報, 2008, 48(5): 749-753.10黃鋒,劉士興,顧勤東.無線傳