摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)微型節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)感知和采集處理周邊環(huán)境中的物質(zhì)現(xiàn)象。本文設(shè)計(jì)了以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構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)微型節(jié)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；微型節(jié)點(diǎn)；單片機(jī)
引言
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）由隨機(jī)分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微型節(jié)點(diǎn)，通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，傳感器網(wǎng)絡(luò)具有分布式處理帶來的監(jiān)測(cè)高精度、高容錯(cuò)性、大覆蓋區(qū)域、可遠(yuǎn)程監(jiān)控等眾多優(yōu)點(diǎn)，成為近期國(guó)際上網(wǎng)絡(luò)研究的重要熱點(diǎn)之一。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)微型節(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)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)中不應(yīng)該存在專門的路由器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是終端節(jié)點(diǎn)，又是路由器節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)間采用移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，并采用多跳的路由機(jī)制進(jìn)行通信。因此，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。IEEE 802.15.4/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?；谶@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)微型節(jié)點(diǎn)，并在實(shí)際中得到了應(yīng)用。
微型節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)
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，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)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)；電源管理單元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，今后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。
圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)微型節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖
微型節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)處理單元
本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)處理單元選用Atmel公司的ATmega128L微控制器，它是采用低功耗COMS工藝生產(chǎn)的基于RISC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)。AVR核將32個(gè)工作寄存器和豐富的指令集聯(lián)結(jié)在一起，所有的工作寄存器都與ALU直接相連，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行單條指令的同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立寄存器的操作，具有良好的性價(jià)比。這種結(jié)構(gòu)提高了代碼效率，在性能上比普通CISC單片機(jī)提高約10倍。
ATmega128L具有豐富的資源和極低的功耗。它具有片內(nèi)128KB的程序Flash，4KB的數(shù)據(jù)SRAM，可外擴(kuò)到64KB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接口。除了正常操作模式外，還具有六種不同等級(jí)的低功耗操作模式，每種模式具有不同的功耗。
采集環(huán)境參數(shù)信號(hào)，需要采樣率很高、數(shù)據(jù)量大的CPU。如果采用傳統(tǒng)51系列作為CPU，那么外圍A/D器件速度和CPU速度就有一個(gè)相互限制的瓶頸；如果加上比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)，需要擴(kuò)展外部ROM和RAM；這樣多的外圍器件限制了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和速度的提高，同時(shí)也大大增加了系統(tǒng)的功耗。綜合對(duì)比之后，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。
圖2 數(shù)據(jù)處理單元接口電路
數(shù)據(jù)傳輸單元設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)傳輸單元模塊電路由Chipcon公司生產(chǎn)的低功耗、短距離的無線通信模塊CC2420組成。CC2420是一款符合ZigBee技術(shù)的高集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器件，其MAC層和PHY層協(xié)議符合802.15.4規(guī)范，工作于2.4GHz頻段。該芯片只需極少外部元器件，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。
圖3 數(shù)據(jù)傳輸單元接口電路
數(shù)據(jù)采集單元
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：模擬線性輸出，PWM輸出，SPI可編程接口；精度±0.2℃。（2）壓力傳感器MS5534AP：集成了壓阻式壓力傳感器和ADC接口IC ，傳感器提供了16位的壓力參數(shù)輸出，壓力范圍300-1100mbar；另外模塊也包含了6個(gè)可讀的參數(shù)，方便實(shí)現(xiàn)軟件校正及高的精度，可自動(dòng)斷開電源，3線接口則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)，不僅將溫濕度傳感器結(jié)合在一起,而且還將信號(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一個(gè)芯片內(nèi)；全量程標(biāo)定，兩線數(shù)字輸出；濕度測(cè)量范圍為-40_+123.8℃；溫度測(cè)量精度為±0.4℃。（4）光強(qiáng)度傳感器TSL2550D：內(nèi)含兩枚光電探測(cè)器，一枚感應(yīng)可見光和紅外光，另一枚只感應(yīng)紅外光。兩枚光電探測(cè)器產(chǎn)生兩路信號(hào)，傳感器模擬人眼的原理，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。這種器件的壓縮擴(kuò)展型A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率為12位，由于采用了積分轉(zhuǎn)換技術(shù)，在測(cè)量交流電燈的光線時(shí)不會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，提高了測(cè)量穩(wěn)定性。（5）兩維數(shù)字加速度計(jì)ADXL202 AE：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。測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)采集單元接口電路如圖4所示。
圖4 測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)采集單元接口電路
電源管理單元設(shè)計(jì)
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)閉電源而節(jié)省電能的目的。
結(jié)語(yǔ)
作者在總結(jié)歸納已有研究成果的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了基于ATmega128L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)微型節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)在試驗(yàn)中應(yīng)用良好，能夠采集精度較高的溫度、濕度、光線、加速度和大氣壓力數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)暢通地傳回給主機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡(luò)必須的低功耗。為將來通信結(jié)構(gòu)和具體協(xié)議的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。
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