課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告無線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)研究與硬件設(shè)計(jì)

1、無線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)研究與硬件設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 2011年6月26號無線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)研究與硬件設(shè)計(jì)引言隨著傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及通信和半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，傳感器信息獲取技術(shù)從單一化到集成化、微型化，進(jìn)而智能化、網(wǎng)絡(luò)化，形成智能傳感器網(wǎng)絡(luò)。并且隨著無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，融合了傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。目前新興的現(xiàn)場參數(shù)無線檢測裝置大都是基于該技術(shù)設(shè)計(jì)的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，wsn)是由一組微型傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境、樓宇控制、保健、交通等領(lǐng)域。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在各領(lǐng)域越來越廣泛的應(yīng)用，在盡量節(jié)省系統(tǒng)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(shù)也提出了更高、更新的要求。zigbee(紫蜂)技術(shù)就是在這種背景下產(chǎn)生的。zigbee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、高可靠性、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控等領(lǐng)域，可以嵌入到各種設(shè)備中。自從2004年12月，zigbee規(guī)范正式公布之后，短短幾年時(shí)間，zigbee技術(shù)就以其低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)容量大、傳輸時(shí)延短和可靠性高等特點(diǎn)，在工業(yè)檢測、智能家居

3、、樓字自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由傳感器和zigbee裝置構(gòu)成的zigbee無線傳感器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，可自動(dòng)采集、分析和處理各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，同時(shí)，zigbee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展能力很強(qiáng)，理論上，一個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)可容納65536個(gè)節(jié)點(diǎn)，適合于各種需要數(shù)據(jù)自動(dòng)采集并要求網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)念I(lǐng)域，具有極其廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和很高的研究價(jià)值?？紤]到zigbee技術(shù)的這些特點(diǎn)，本文在構(gòu)建無線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，采用zigbee作為組建網(wǎng)絡(luò)的無線通信協(xié)議。到目前為止無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展己經(jīng)經(jīng)歷了三個(gè)階段：(1) 點(diǎn)對點(diǎn)。只是簡單取代了有線網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)設(shè)備之間只是直接聯(lián)系，只有有限通信能力。(2) 點(diǎn)對多點(diǎn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)

4、中有一個(gè)路由和控制的中央節(jié)點(diǎn)，所有數(shù)據(jù)流動(dòng)必須通過基站。(3) 多跳網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。完全的rf冗余，具有多數(shù)據(jù)通道，自我建構(gòu)，自我調(diào)整，智能分布式。本文以無線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)結(jié)點(diǎn)的研究與設(shè)計(jì)為主線,從而介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、zigbee無線通信技術(shù)的基本概念。由于時(shí)間有限，重點(diǎn)以無線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的硬件原理設(shè)計(jì)為主，進(jìn)而對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立與保持、設(shè)備入網(wǎng)流程、zigbee組網(wǎng)技術(shù)做一些理論上的介紹。無線傳感器網(wǎng)張的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，硬件選擇與設(shè)計(jì)，組網(wǎng)協(xié)議與gprs通信介紹是本文的一個(gè)總體框架。關(guān)鍵字：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 、傳感器結(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)結(jié)點(diǎn)、sht11溫濕度傳感器、cc2430無線

5、射頻單片機(jī) 、arm嵌入式技術(shù)、gprs無線模塊。第一章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)11 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)(sensor node)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(sink node)和任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)。大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過飛行器撒播、人工埋置或火箭彈射等方式隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖11所示。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過intemet、衛(wèi)星或gsm等通信方式到達(dá)任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集

6、監(jiān)測數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，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(wǎng)絡(luò)功能上看，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的終端和路由器雙重功能，除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其它節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、管理和融合等處理，同時(shí)與其它節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)。目前傳感器節(jié)點(diǎn)的軟硬件技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)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(yīng)模塊組成（如圖12）。數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)處理單元控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線傳輸單元

7、負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信；電源供給單元為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需要的能量，通常采用小型便攜式電池供電。依據(jù)應(yīng)用需求，它可能還有定位模塊，能源補(bǔ)給模塊或者移動(dòng)模塊。相應(yīng)的軟件則為節(jié)點(diǎn)提供必要的應(yīng)用支持，如嵌入式操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等。傳感器模塊處理器模塊無線收發(fā)模塊能量供應(yīng)模塊圖 12 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲能力和通信能力相對比較強(qiáng)，它連接傳感器網(wǎng)張與intemet等外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時(shí)發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)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。路由節(jié)點(diǎn)既可以是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，有足夠的能量供給和更多的內(nèi)存與計(jì)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(wǎng)關(guān)設(shè)備。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(gè)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(jié)點(diǎn)上傳上的采集數(shù)據(jù)傳送給中央處理器，中央處理器將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲處理后傳送給gprs通信模塊，gprs通信模塊把數(shù)據(jù)通過gsm與internet網(wǎng)傳送給遠(yuǎn)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(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、

9、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，與intemet協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應(yīng)。另外，協(xié)議棧還包括能量管理平臺、移動(dòng)管理平臺和任務(wù)管理平臺。這些管理平臺使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務(wù)和資源共享。傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧如圖12所示。圖14 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧各層協(xié)議和平臺的功能如下：物理層：提供簡單而健壯的信號調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)。數(shù)據(jù)鏈路層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀監(jiān)測、媒體訪問和差錯(cuò)控制。網(wǎng)絡(luò)層：主要負(fù)責(zé)路由生成與路由選擇。傳輸層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分。應(yīng)用層：包括一系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用層軟件。能量管理平臺：管理傳感器節(jié)點(diǎn)如何使

10、用能源，在各個(gè)協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量。移動(dòng)管理平臺：監(jiān)測并注冊傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由。任務(wù)管理平臺：在一個(gè)給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務(wù)。1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，涉及許多方面技術(shù)，主要有以下方面：(1)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茖τ跓o線自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂凭哂刑貏e重要的意義。通過拓?fù)淇刂谱詣?dòng)生成良好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠提高路由協(xié)議和mac協(xié)議的效率，可為數(shù)據(jù)融合、時(shí)間同步等多方面奠定基礎(chǔ)，有利于節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量來延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。拓?fù)淇刂瓶梢苑譃楣?jié)點(diǎn)功率控制和層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成兩個(gè)方面。功率控制機(jī)制調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率

11、，在滿足網(wǎng)絡(luò)連通度的前提下，減少節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，均衡節(jié)點(diǎn)單跳可達(dá)的鄰居數(shù)目。功率控制方面目前已經(jīng)提出了compow，lintlilt，cbtc，lmst，rng，drng和dlss等算法。層次型的拓?fù)淇刂评梅执貦C(jī)制，讓一些節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)，由簇頭節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)處理并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的骨干網(wǎng)，其他非骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以暫時(shí)關(guān)閉通信模塊，進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。層次型拓?fù)淇刂颇壳疤岢隽藅opdisc，gaf，leach和heed等算法。除了傳統(tǒng)的功率控制和層次型拓?fù)淇刂?，研究人員還提出了啟發(fā)式的節(jié)點(diǎn)喚醒和休眠機(jī)制。該機(jī)制能夠使節(jié)點(diǎn)在沒有事件發(fā)生時(shí)設(shè)置通信模塊為睡眠狀態(tài)，而在有事件發(fā)生時(shí)及時(shí)自動(dòng)醒來并喚醒鄰居節(jié)點(diǎn)

12、，形成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種機(jī)制重點(diǎn)在于解決節(jié)點(diǎn)在睡眠狀態(tài)和活動(dòng)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換問題，不能獨(dú)立作為一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制機(jī)制，因此需要與其他拓?fù)淇刂扑惴ńY(jié)合使用。(2)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳統(tǒng)因特網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)是通過ip協(xié)議，也包括移動(dòng)ip。但是在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，不需要使用此種協(xié)議。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，常常要用到成千上萬個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，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(jù)某項(xiàng)數(shù)據(jù)或者某項(xiàng)任務(wù)來進(jìn)行的。所以需要根據(jù)拓?fù)渚S持路由表的ip對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說是不可行的。同時(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件資源有限且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化，要維持路由表需要耗費(fèi)大量的時(shí)間、金錢和能源，所以無線傳感

13、器網(wǎng)絡(luò)需要有一套不能太復(fù)雜但又高效，并適合自己的控制和路由協(xié)議。通過安置大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，提供足夠多的路徑算法總能找到合適路徑，來滿足網(wǎng)絡(luò)的生存和對環(huán)境的適應(yīng)。系統(tǒng)還要考慮的一個(gè)很重要的問題就是一些重要的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如何設(shè)定的問題，如網(wǎng)絡(luò)大小，節(jié)點(diǎn)密度，以及能耗、可靠性和反應(yīng)時(shí)間的折中問題。 (3) 時(shí)間同步時(shí)間同步是需要協(xié)同工作的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制。jeremy elson和kayromer在2002年8月的hotnetsi國際會(huì)議上首次提出并闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間同步機(jī)制的研究課題，在傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域引起了關(guān)注。目前已提出了多個(gè)時(shí)間同步機(jī)制，其中rbs、tinyminisyn

14、c和tpsn被認(rèn)為是三個(gè)基本的同步機(jī)制。(4)定位技術(shù)位置信息是傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一。目前的定位技術(shù)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(guān)的定位算法，如質(zhì)心算法、dvhop算法、apit算法等(5)數(shù)據(jù)融合傳感器網(wǎng)絡(luò)存在能量約束。減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量能夠有效地節(jié)省能量，因此在從各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)的過程中，可利用節(jié)點(diǎn)的本地計(jì)算和存儲能力處理數(shù)據(jù)的融合，去除冗余信息，從而達(dá)到節(jié)省能量的目的。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的易失效性，傳感器網(wǎng)絡(luò)也需

15、要數(shù)據(jù)融合技術(shù)對多份數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，提高信息的準(zhǔn)確度。但融合技術(shù)會(huì)犧牲其他方面的性能，如延遲和魯棒性的代價(jià)。數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以與傳感器網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)協(xié)議層次進(jìn)行結(jié)合。在應(yīng)用層設(shè)計(jì)中，可以利用分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步篩選，達(dá)到融合的效果；在網(wǎng)絡(luò)層中，很多路由協(xié)議均結(jié)合了數(shù)據(jù)融合機(jī)制，以期減少數(shù)據(jù)傳輸量；此外，還有研究者提出了獨(dú)立于其他協(xié)議層的數(shù)據(jù)融合協(xié)議層，通過減少mac層的發(fā)送沖突和頭部開銷達(dá)到節(jié)省能量的目的，同時(shí)又不損失時(shí)間性能和信息的完整性。數(shù)據(jù)融合技術(shù)己經(jīng)在目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)自動(dòng)識別等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，只有面向應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)針對性強(qiáng)的數(shù)據(jù)融合方法，才能最大限

16、度的獲益。(6)嵌入式操作系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，攜帶非常有限的硬件資源，需要操作系統(tǒng)能夠節(jié)能高效地使用其有限的內(nèi)存、處理器和通信模塊，且能夠?qū)Ω鞣N特定應(yīng)用提供最大的支持。在面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)的支持下，多個(gè)應(yīng)用可以并發(fā)地使用系統(tǒng)的。有限資源。美國加州大學(xué)伯克利分校研發(fā)了tinyos操作系統(tǒng)，在科研機(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)在多數(shù)情況下，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間長達(dá)一年甚至數(shù)年。如果網(wǎng)絡(luò)

17、中的節(jié)點(diǎn)因?yàn)槟芰亢谋M而不能工作，會(huì)帶來網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變以及路由的重新建立等問題，甚至可能使網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)的電池能量成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)計(jì)的核心問題。首先在功能上，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大都是為某一專用目的而設(shè)計(jì)的，去掉不必要的功能，可以節(jié)省能量，延長節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮兩點(diǎn)原n-延長網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)間、減少不必要的功能，突出專用性。其次，可以設(shè)計(jì)專門提高傳感器網(wǎng)絡(luò)能量效率的協(xié)議以及采用專門的技術(shù)，這些協(xié)議和技術(shù)涉及到網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層次，如物理層可以采用超寬帶無線通信技術(shù)，mac層可以采用適合節(jié)點(diǎn)在

18、休眠和工作狀態(tài)間切換的接入?yún)f(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層可以以能量作為路由度量等。此外，還可以采用跨層設(shè)計(jì)的方式，提高網(wǎng)絡(luò)的能量效率。1.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)與應(yīng)用（1）高度自適應(yīng)的自治能力。無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都兼?zhèn)鋽?shù)據(jù)采集和無線路由功能，不存在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中心控制點(diǎn)，用戶節(jié)點(diǎn)之間的地位是平等的。出于應(yīng)用環(huán)境等的限制，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須是自我配置的，網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議必須能感應(yīng)各種原因而導(dǎo)致無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所發(fā)生的變化，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)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(nèi)，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)進(jìn)行通信，則網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需具備

19、路由器的功能，這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)既可以是信息的發(fā)起者，也是信息的轉(zhuǎn)發(fā)者。（3）能量受限的節(jié)點(diǎn)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)依靠電池提供工作所需的能量，盡可能的降低系統(tǒng)功耗將是影響網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素。（4）自組織。傳感器網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展丌無需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，節(jié)點(diǎn)通過分層協(xié)議和分稚式算法協(xié)調(diào)各自的行為，節(jié)點(diǎn)丌機(jī)后就可以快速、自動(dòng)的形成獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。（5）節(jié)點(diǎn)能量眾多，分布密集。為了對一個(gè)區(qū)域執(zhí)行監(jiān)測任務(wù)，往往有成千上萬的傳感器投到該區(qū)域，傳感器節(jié)點(diǎn)分布非常密集，節(jié)點(diǎn)之間需高度連接來保證系統(tǒng)的容錯(cuò)性和抗毀性。隨著傳感器技術(shù)的深入研究和不斷發(fā)展，傳感器節(jié)點(diǎn)的成本越來越低，功能越來越強(qiáng)大，使其在軍事應(yīng)用、環(huán)境監(jiān)測

20、、醫(yī)療護(hù)理、智能家居、交通控制等多個(gè)領(lǐng)域都就廣泛的應(yīng)用。第二章 傳感器結(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)結(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)一， 無線傳感器結(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)1，方案選擇由于本課題所設(shè)計(jì)的檢測網(wǎng)絡(luò)是基于zigbee技術(shù)的，因此選擇合適的zigbee硬件解決方案對zigbee組網(wǎng)是至關(guān)重要的。在過去幾年中，世界各大無線通信芯片制造商和設(shè)備供應(yīng)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(rèn)比較成熟的方案有兩種：一種是單片機(jī)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(tǒng))單芯片解決方案。(1)單片機(jī)+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(jī)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(wǎng)絡(luò)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(gòu)。在這種組合方案中，單片機(jī)的作用是掌控協(xié)議棧、實(shí)施基本控制和監(jiān)測、并作為整個(gè)模塊電源和應(yīng)用控制中樞，而射頻芯片則主要提供符合ieee802154標(biāo)準(zhǔn)的無線通信接入。一般地，單片機(jī)和射頻芯片通過spi接口進(jìn)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(tǒng))可以節(jié)省整個(gè)系統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于使用兩顆獨(dú)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(gè)真正意義上的soc zigbee一站式產(chǎn)品。它結(jié)合了業(yè)界領(lǐng)先的包括射頻24ghz收發(fā)器和符合ieee8021 54協(xié)議的cc2420射頻芯片以及一顆工業(yè)級加強(qiáng)版的8051微處理器。ti(chipcon)為其提供了完整的開發(fā)和調(diào)試環(huán)境，方便用戶研發(fā)符合自己需要的zigbee無線產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)協(xié)議堆棧以及存儲器，利用它建造具有zigbee功能的產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)開發(fā)、調(diào)試軟件以及用于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的編譯器和一個(gè)現(xiàn)場可升級的zigbee協(xié)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?，F(xiàn)場參數(shù)無線檢測網(wǎng)絡(luò)對硬件平臺的要求十分苛刻。其所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)。要求mcu處理速度足夠快，才能能及時(shí)地響應(yīng)各個(gè)任務(wù)，避免造成網(wǎng)絡(luò)阻塞。同時(shí)無線檢測網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和應(yīng)用程序都要存儲在程序存儲器中，所以節(jié)點(diǎn)的mcu程序存儲器要求有較大

24、存儲空間。另外，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)還應(yīng)具備較大空間的數(shù)據(jù)存儲器，以保存網(wǎng)絡(luò)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(shí)應(yīng)滿足低功耗的要求。節(jié)點(diǎn)的mcu最好還具備ad轉(zhuǎn)換能力，以減少外圍器件的使用，從而有利于減小節(jié)點(diǎn)體積，降低節(jié)點(diǎn)功耗。通過對以上不同公司的多種方案進(jìn)行比較，結(jié)合現(xiàn)場參數(shù)無線檢測裝置對硬件平臺的要求，本著減少硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜度以及提高射頻通信系統(tǒng)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(chǎn)的符合zigbee技術(shù)的2.4ghz

25、射頻系統(tǒng)單芯片。適用于各種zigbee或類似zigbee的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括調(diào)諧器、路由器和終端設(shè)備。cc2430芯片延用了以住cc2430芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了zigbee射頻（rf）前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個(gè)8位mcu（8051），具有128kb可編程閃存和8kb的ram，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（adc）、幾個(gè)定時(shí)器、aes128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、32khz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路，以及21個(gè)可編程i/o引腳。2.1 主要特點(diǎn)cc2430芯片采用0.18um cmos工藝生產(chǎn)，工作時(shí)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(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那引動(dòng)要求電池壽命非常長的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的2.4ghz的rf無線電收發(fā)機(jī).（3） 優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性。（4） 在休眠模式時(shí)僅0.9ua的流耗，外部的中斷或rtc能喚醒系統(tǒng);在待機(jī)模式時(shí)少于0.6ua的流耗，外瓤子的中斷能喚醒系統(tǒng)。（5） 硬件支持csma/ca功能。（6） 較寬的電壓范圍（2.03.6v）。（7） 數(shù)字化的rssi/lqi支持和強(qiáng)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(shù)

27、轉(zhuǎn)換的adc。（10） 集成aes安全協(xié)處理器。（11） 帶有個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的usart，以及個(gè)符合ieee 802.15.4規(guī)范的mac計(jì)時(shí)器，個(gè)常規(guī)的位計(jì)時(shí)器和個(gè)們計(jì)時(shí)器。（12） 強(qiáng)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(gè)可編程的i/o口引腳，p0、p1口是完全的位口，p2口只有個(gè)可使用的位。通過軟件設(shè)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(jì)時(shí)器或usart部件的外圍設(shè)備i/o口使用?？稍O(shè)置為通常的i/o口，也可設(shè)置

28、為外圍i/o使用，在輸入時(shí)有上拉和下拉能力。都具有響應(yīng)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(gè)低中頻的接收器。接收到的射頻信號經(jīng)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(zhuǎn)換為中頻(if)信號，中頻信號為2mhz。此混合io信號經(jīng)過濾波、放大、ad轉(zhuǎn)換、自動(dòng)增益控制、數(shù)字解調(diào)和解擴(kuò)，最終恢復(fù)出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù)。cc2430的無線發(fā)送器是基于直接上變頻的。要發(fā)送的數(shù)據(jù)先被送入128字節(jié)的發(fā)送緩存器(txfifo)中，幀引導(dǎo)序列

29、和幀開始定界符由硬件自動(dòng)產(chǎn)生。所要發(fā)送數(shù)據(jù)流的每4位使用ieee802154序列擴(kuò)展技術(shù)擴(kuò)展為32碼片的擴(kuò)頻序列，輸出到da變換器。然后，經(jīng)過低通濾波和上變頻的混頻后的射頻信號被調(diào)制到24ghz，經(jīng)功率放大(pa)后送到天線發(fā)射出去。cc2430采用了內(nèi)部發(fā)送接收(訊)開關(guān)電路，天線的接口及匹配比較容易。rf為差動(dòng)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(shí)現(xiàn)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(chǎn)的具有二線串行接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)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(diǎn)等參數(shù)，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、兔外圍電路及全互換的特點(diǎn)。shtl 1采用sensirion公司專利的cmosens過程微加工技術(shù)，確保產(chǎn)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(gè)電容式聚合體測濕元件和一個(gè)能隙式測溫元件，并與一個(gè)14位的ad轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同芯片上實(shí)現(xiàn)無縫連接，體積僅與大火柴頭相近，因此，該傳感器具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、極高的性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。shtl l傳感器默認(rèn)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(gè)傳感器芯片都在極為精確的濕度室中進(jìn)行了標(biāo)定，校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式儲存在otp內(nèi)存中，在測量過程中可對相對濕度自動(dòng)校準(zhǔn)，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(chǎn)生相對濕度、溫度的信號；然后經(jīng)過放大，分別送至ad轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)和糾錯(cuò)；再通過二線串行接口將相對濕度及溫度的數(shù)據(jù)送至微控器；最后利用微控器完成非線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償。shtll與cc2430的接口十分簡單，屬于12c總線接口，只需占用兩個(gè)普通數(shù)字io口。其中，sck為shtl

32、l的串行時(shí)鐘輸入線，cc2430通過sck向shtl l提供時(shí)鐘脈沖，用于兩者之間的通信同步。4，無線傳感器結(jié)點(diǎn)硬件總體方案設(shè)計(jì)根據(jù)無線檢測網(wǎng)絡(luò)的功能，將便件設(shè)計(jì)分為兩大部分：cc2430基本工作電路與天線電路和節(jié)點(diǎn)外圍電路。cc2430基本工作電路與天線電路是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和天線正常工任的保證，包括cc2430的時(shí)鐘電路，去耦電路、偏置電阻電路和天線電路。面節(jié)點(diǎn)外圍電路用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的功能，下載程序，數(shù)據(jù)采集電路，按鍵電路和電源電路等組成。節(jié)點(diǎn)硬件整體設(shè)計(jì)圖如圖2.2所示。reset電路調(diào)試/下載電路兩節(jié)電池供電或usb口供電數(shù)據(jù)采集電路sht11網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示電路圖2.2 無線傳感器結(jié)點(diǎn)硬件總體方

33、案設(shè)計(jì)4.1 cc2430基本工作電路與天線電路實(shí)現(xiàn)基于ieee802154的cc2430無線芯片是集運(yùn)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(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。cc2430的供電電壓范圍很寬，從2o到36v均可以使用。它內(nèi)部使用18v的工作電壓，外部數(shù)字io口使用的是33v電壓。其片內(nèi)還集成了一個(gè)自流穩(wěn)壓器，能夠把33v的電壓轉(zhuǎn)換為18v的電壓。這樣外圍電路就不用再專門設(shè)計(jì)一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換電路。下圖是參照ti公司提供的參考電路設(shè)計(jì)的原理圖。（1） 時(shí)鐘設(shè)計(jì) cc2430工作需要兩個(gè)

34、時(shí)cc2430工作需要兩個(gè)時(shí)鐘晶振，第一個(gè)為32mhz，為無線收發(fā)提供時(shí)鐘；第二個(gè)為32768khz，為睡眠模式提供時(shí)鐘。c19和c20為32mhz晶振的負(fù)載電容，電容值取決于負(fù)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(chǎn)生的頻率準(zhǔn)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(zhǔn)發(fā)生器的精密電阻。其值為43k歐姆（3）電壓協(xié)調(diào)器片上電壓協(xié)調(diào)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(shè)計(jì)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(yīng)電磁波長14的諧振天線。這種天線的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)參考是ti公司公布的24ghz彎曲型單極非平衡天線的樣板設(shè)計(jì)。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(nèi)其駐波比小于2或者說饋電點(diǎn)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(shí)測中心頻率為2447ghz，實(shí)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(fù)載阻抗是115+j180f2。巴倫電路需要根據(jù)這一數(shù)值調(diào)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(gè)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(gè)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(shí)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(yán)格參照cc2430datasheet中的器件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置的。為了達(dá)到最佳的射頻收發(fā)性能，傳輸線的接入點(diǎn)、長度及寬度也需嚴(yán)格遵照ti提供的這一資料中的參數(shù)。圖2.4 傳感器節(jié)點(diǎn)電路原理圖4.2 cc2430節(jié)點(diǎn)外圍電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（1）電源供電電路如圖2.4中的power部分，本系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集電路如圖2.4中，sht11的data是串行數(shù)據(jù)線，接到p1.0的引腳。sck為sht11的串行時(shí)鐘輸入線，接到p1.1引腳。（3）節(jié)點(diǎn)程序下載調(diào)試電路建立cc2430無線單片機(jī)程序存儲器采用先進(jìn)的內(nèi)置閃存技術(shù)。在對

38、單片機(jī)下載程序時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)使用戶不再需要使用燒寫器就可以把程序下載到單片機(jī)內(nèi)，因?yàn)樗С殖绦蛟诰€下載和在線調(diào)試。這種方式極大的降低了程序工程師的工作難度，使調(diào)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(diào)試下載電路圖，只要按圖上的標(biāo)號將9條線接到cc2430相應(yīng)的口線上就可以了。此下載調(diào)試模塊和上一節(jié)提到的usb通信模塊配合使用就可以實(shí)現(xiàn)cc2430程序在線調(diào)試和在線下載。（4）復(fù)位電路和網(wǎng)絡(luò)術(shù)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(jié)點(diǎn)電路原理圖已經(jīng)介紹完畢。二，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)作為感知區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)與外部網(wǎng)絡(luò)或終端

39、用戶的橋梁，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)要處理大量的數(shù)據(jù)，必須具備高速度、大存儲量和較遠(yuǎn)的傳輸距離，即低成本、高效能。同時(shí)因部署在環(huán)境惡劣地域，頻繁更換能源很不現(xiàn)實(shí)，充足的能量供應(yīng)必須優(yōu)先考慮，低功耗設(shè)計(jì)也成為整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在完成不同網(wǎng)絡(luò)間協(xié)議轉(zhuǎn)換的同時(shí)，還要對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和設(shè)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(wǎng)絡(luò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)地址，初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)置：記錄wsn網(wǎng)張所采用的mac算法和路由協(xié)議，協(xié)助節(jié)點(diǎn)完成與鄰居節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)特定的操作功能;接收采集節(jié)點(diǎn)的請求和數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)融合，仲裁請求和路由選擇功能。1，網(wǎng)關(guān)結(jié)點(diǎn)的總體設(shè)計(jì)。依照

40、設(shè)計(jì)原則，在很好地實(shí)現(xiàn)上述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)功能的同時(shí)，為克服因傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)采用有線方式。（如串口電纜rs232）與終端用戶相連面導(dǎo)致的移動(dòng)范圍受限、遠(yuǎn)程監(jiān)控困難、不能準(zhǔn)確提供基準(zhǔn)定位信息等一系列缺點(diǎn)，參考當(dāng)今前沿的短距離無線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)，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(shè)計(jì)方案。其總體結(jié)構(gòu)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(wǎng)關(guān)結(jié)點(diǎn)總體結(jié)構(gòu)框圖2，中央處理單元lpc2294網(wǎng)關(guān)的中內(nèi)處理單元主要用來收集和處理從采集傳感器點(diǎn)送來的數(shù)據(jù)，合理分配不同節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲，并且完成終端用戶對傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的控制命令（包括休眠時(shí)間、采集間隔、傳感器開關(guān)）;同時(shí)支持休眠、任務(wù)喚醒模式，滿足整個(gè)系統(tǒng)低功耗要求。為了實(shí)現(xiàn)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(nèi)核的徽控制器，16k字節(jié)靜態(tài)ram，256k字節(jié)片內(nèi)flash 程序存儲器（在工作溫度范圍內(nèi)，到少可擦除和寫10000次），128們寬度接口及加速器可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)60mhz的操作頻率?？膳渲玫耐獠看鎯ζ鹘涌冢疃嘀С?個(gè)bank，每個(gè)bank最大可支持到16mb，可支持8/16/32位字寬。片內(nèi)boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)isp和iap。flash編程時(shí)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(diǎn)和觀察點(diǎn)。當(dāng)前臺任務(wù)使用片內(nèi)re

43、almonito軟件調(diào)試時(shí)，中斷服務(wù)程序可繼續(xù)執(zhí)行。兩個(gè)32位定時(shí)器（帶4路捕獲和4路比較通道）、pwm單元、實(shí)時(shí)時(shí)鐘看門狗。多個(gè)串行接口，包括兩個(gè)16c550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)uart、高速iic接口（400khz） 和2個(gè)spi接口。lpc2294有兩個(gè)低功耗模式：空閑和掉電，另外可通過個(gè)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(qiáng)大的處理器能力，非常適合于通信網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)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(shí)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(gè)作用：1是去耦作用，濾除從電源引腳進(jìn)入的lpc2294的高頻部分噪聲。2是儲能的作用，因?yàn)閘pc2294工作地的時(shí)候，電源供能可能一時(shí)供不上，這時(shí)這些小電容就充當(dāng)小電池作用，讓lpc2294工作的時(shí)候有充足的能量。在一些大型芯片布板的時(shí)候都會(huì)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(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的上行數(shù)據(jù)量大而下行數(shù)據(jù)量小，因面在考慮網(wǎng)

45、關(guān)節(jié)點(diǎn)與外部網(wǎng)絡(luò)的連接方式時(shí)，上行數(shù)據(jù)率是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo);其次，應(yīng)用環(huán)境制約數(shù)據(jù)上行方式;另外，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的成本及集成難度也是一個(gè)關(guān)鍵因素。綜合以胩三點(diǎn)，選用simcom公司生產(chǎn)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(diǎn)：(1) 支持兩種操作模式（一種是電路交換數(shù)據(jù)模式csd，支持語音、數(shù)據(jù)、sms和fax業(yè)務(wù)）;另一種是分組交換模式gprs，采用多時(shí)隙，支持csics4編碼）;(2) 標(biāo)準(zhǔn)的at命令，為gsm語音，短消息以及gprs數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口;(3) 內(nèi)置tcp/ip協(xié)議，用戶不必自己編寫或者利用操作系統(tǒng)加入?yún)f(xié)議，降低了系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開

46、發(fā)周期;(4) 數(shù)據(jù)下行、上行傳輸速率分別高達(dá)85.6kbps和42.8kbps，標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)按照wsn的協(xié)議規(guī)范對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，然后通過無線方式經(jīng)過一跳或多跳將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)結(jié)點(diǎn)。傳感器數(shù)據(jù)在通過無線傳輸進(jìn)入網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)后，微處理器利用率wsn的協(xié)議棧拆包，得到原始數(shù)據(jù)之后，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可就用操作系統(tǒng)上的應(yīng)用軟件根據(jù)具體需求對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（如進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合，去除冗余，減輕網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)對外傳送的負(fù)擔(dān)）。處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)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(jìn)行串口通信。sim300c的sim_vdd 、sim_rst、sim_io、sim_clk、sim_present、與手機(jī)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(guān)機(jī)。電路中還有，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈，模塊工作狀態(tài)燈。能過相應(yīng)的at指令可以很方便的實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和網(wǎng)關(guān)之間的自由通信，按流量計(jì)費(fèi)，降低系統(tǒng)成本。常見的at指令有：（1） 連網(wǎng)指令：at返回狀態(tài)：ok（連網(wǎng)成功）（2） 全

48、功能開啟指令：at+cfun1：（3） 關(guān)閉模塊指令：at+cpowd1;（4） 讀取第n條短信：at+cmgrn;同時(shí)，dtr外接一個(gè)上拉電阻，配合“at+csclk1”指令，可以輕易地實(shí)現(xiàn)sim300c的休眠，通過短信即可喚醒。休眠時(shí)gprs電流消耗僅2.5 ma,滿足整個(gè)系統(tǒng)低功耗要求。4，存儲單元網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)在工作的時(shí)候，lpc2294需要存儲操作系統(tǒng)的移植代碼，通信轉(zhuǎn)換代碼，應(yīng)用程序代碼，以及傳感器節(jié)點(diǎn)第天采集的數(shù)據(jù)量（第一個(gè)節(jié)點(diǎn)大約5k）故必須進(jìn)行存儲器的擴(kuò)展。本系統(tǒng)外擴(kuò)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(tǒng)中通常用于存入程序代碼和一些在系統(tǒng)掉電

49、后需要何在的數(shù)據(jù)。flash存儲器最大優(yōu)點(diǎn)就是可以進(jìn)行在線可編程。目前常用的flash為8們或16們的數(shù)據(jù)寬度，編程電壓為單3.3v。主要的和產(chǎn)廠商為atmel、amd、hyundat等，他們的生產(chǎn)的同型器件一般具有相同的的電器特性，可通用。本系統(tǒng)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(nèi)部命令寄存器定入標(biāo)準(zhǔn)的命令序列，可對flash進(jìn)行編程、整片擦除、按扇區(qū)擦除以及其他操作。本系統(tǒng)提供一個(gè)512k*16們的flash存儲系統(tǒng)，它需要選用兩片am29lv040，并聯(lián)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(shí)地址的最低位始終為零，因此應(yīng)將兩片am29l040的地址線a018并聯(lián)后與lpc220芯片的a1a19依次連接;數(shù)據(jù)線串聯(lián)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(tǒng)中，地址譯碼信號作為片選信號實(shí)現(xiàn)對高端存儲和低端存儲的選擇。sdram存儲器接口，lpc2200擁有一個(gè)獨(dú)特的存儲器加速模塊，flash在程序讀取時(shí)的速度大大提高，工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生cache命中率問題。程序放在flash中直接運(yùn)行，其速度和具有cache的arm處理器運(yùn)行速度相當(dāng);但是寫flash時(shí)仍然有命中率問題。為提高程序運(yùn)行速率，系統(tǒng)中可以擴(kuò)展sdram存儲器。目前常用的sdram為8位/16位/32位數(shù)據(jù)寬度。工作電壓為3.3v。本系統(tǒng)提供了一個(gè)16位的sram存儲器系統(tǒng)，存儲容