基于ARM的無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與FreeRTOS操作系統(tǒng)移植課件

基于ARM的無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與FreeRTOS操作系統(tǒng)移植課題來源云南省教育廳科學(xué)研究基金重大專項(xiàng)（2011ZD09）云南省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（10YN07）選題依據(jù)和背景無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork，WSN）是由大量具有感知和無線傳輸功能的傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)之間相互傳遞信息，協(xié)同地完成特定功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、智能家居等各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。課題研究目的、理論意義課題研究來源于教育廳重大專項(xiàng)和重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金，項(xiàng)目研究需要低功耗，可靠性高和信號處理能力強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)。通過課題的研究，實(shí)現(xiàn)32位ARM芯片與CC2430射頻結(jié)合的高性能節(jié)點(diǎn)，并移植開源的操作系統(tǒng)reeRTOS。節(jié)點(diǎn)可以針對不同的應(yīng)用進(jìn)行配置和修改，支撐重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重大專項(xiàng)。節(jié)點(diǎn)結(jié)合常見的RDA5820芯片，可以對65M-108MHz的FM調(diào)頻波段進(jìn)行場強(qiáng)監(jiān)測，大規(guī)模布置節(jié)點(diǎn)后，可以實(shí)現(xiàn)分布式場強(qiáng)監(jiān)測。解決目前頻譜監(jiān)測主要基于單節(jié)點(diǎn)和有線傳輸方式，監(jiān)測手段單一，無法實(shí)現(xiàn)全時(shí)空、全頻譜監(jiān)測的缺點(diǎn)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值實(shí)現(xiàn)FreeRTOS系統(tǒng)在WSN節(jié)點(diǎn)上的移植，并制作出基于ARM芯片的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品實(shí)物。對系統(tǒng)進(jìn)行連通性驗(yàn)證和可靠性及節(jié)點(diǎn)性能測試后，節(jié)點(diǎn)能夠完成三路模擬量或數(shù)字量的采集、傳輸和多跳路由選擇,對65-108MHz的FM調(diào)頻波段進(jìn)行場強(qiáng)監(jiān)測。以這些節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模組網(wǎng)，支撐重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重大專項(xiàng)的關(guān)鍵問題：如節(jié)點(diǎn)定位、路由選擇、水質(zhì)監(jiān)測、滑坡和泥石流等的災(zāi)害預(yù)防、分布式頻譜檢測等應(yīng)用WSN節(jié)點(diǎn)構(gòu)成節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框圖STM103芯片功能STM32F103為意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)公司產(chǎn)品。32位芯片基于ARMCortex-M3核心，集成64K字節(jié)閃存的微控制器，7個(gè)定時(shí)器，2個(gè)12位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器,包含USB2.0、CAN、I2C、USART、SPI總線在內(nèi)的9個(gè)通信接口，在靈活性和可擴(kuò)展性上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過Atmega128LCC2430射頻芯片的特點(diǎn)和優(yōu)勢CC2430將數(shù)字基帶處理器、RF、模擬電路及系統(tǒng)存儲器整合在同一個(gè)硅晶片上，是一顆真正的(SoC)系統(tǒng)芯片。它能滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHzISM波段應(yīng)用，及對低成本，低功耗的要求內(nèi)部結(jié)合一個(gè)高性能2.4GHzDSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器，減輕MCU的負(fù)擔(dān)具有信號強(qiáng)度檢測/數(shù)字RSSI功能，對內(nèi)核程序修改后可以用于2.4GHz場強(qiáng)監(jiān)測具有電池監(jiān)測和溫度感測功能，可以直接用于溫度檢測學(xué)術(shù)構(gòu)想與思路經(jīng)過閱讀文獻(xiàn)和技術(shù)手冊，選用ARM內(nèi)核的STM32F103為微處理器，射頻模塊選用高集成度的SoC芯片CC2430，電源管理模塊選用TPS65800，傳感器選用常用的主流器件：濕度傳感器SHT11、溫度傳感器DS1B20、光照度傳感器BH1750FVI、FM信號強(qiáng)度監(jiān)測采用RDA5820。RDA5820芯片具有I2C接口和SPI接口，設(shè)置后可直接與MCU通信。節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)移植FreeRTOS。電路圖繪制和仿真使用OrCAD，PCB制版使用PADS主要研究內(nèi)容研究典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)成，32位ARM嵌入式芯片原理及應(yīng)用，CC2430射頻芯片的原理及應(yīng)用，對硬件系統(tǒng)的搭建、仿真與測試。研究幾種典型的嵌入式系統(tǒng)，重點(diǎn)理解FreeRTOS系統(tǒng)的內(nèi)核與原理，研究FreeRTOS系統(tǒng)在ARM芯片上的移植方法。針對高性能節(jié)點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)室重大專項(xiàng)上的應(yīng)用，對節(jié)點(diǎn)功能進(jìn)行修改完善和擴(kuò)展。難點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)難點(diǎn)在于節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、試制和程序調(diào)試，微型操作系統(tǒng)的理解和移植過程。相對于常見的uC/OSII操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS作為開源的嵌入式操作系統(tǒng)，在ARM平臺上移植的現(xiàn)成例子不多。需要深入了解系統(tǒng)的內(nèi)核與原理。同時(shí)現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)大量采用Atmega128和CC2420這樣的組合。CC2430作為第一個(gè)真正的SoC系統(tǒng)，根據(jù)查詢文獻(xiàn)的情況，在無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上應(yīng)用還較少。所以在設(shè)計(jì)過程中，主要參考資料為技術(shù)手冊和TI的官方網(wǎng)站所閱文獻(xiàn)的查閱范圍及手段<1>本專業(yè)的理論類書籍：孫利民老師的《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》、李曉維老師的《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》、劉云浩老師的《物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論》技術(shù)類書籍：周景潤老師的《Cadence高速電路板設(shè)計(jì)與仿真》、JeanJLabrosse的《嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uc/os-II》、任哲老師的《嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)uc/os-II和Linux》、周立功老師的《ARM嵌入式基礎(chǔ)教程》等。<2>CNKI中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫.2007年以來的相關(guān)研究方向的期刊論文、會議論文和博碩士論文。Googlescholar學(xué)術(shù)搜索.2009年以來的關(guān)研究方向的高引用率的論文。<3>技術(shù)手冊CC2430技術(shù)手冊STM32F103技術(shù)手冊TPS65800技術(shù)手冊SHT11技術(shù)手冊DS1B20技術(shù)手冊BH1750FVI技術(shù)手冊<4>所選器件公司網(wǎng)站TI公司網(wǎng)站ST公司網(wǎng)站Sensirion公司網(wǎng)站Maxim公司網(wǎng)站ROHMSemiconductor公司網(wǎng)FreeRTOS網(wǎng)站可行性分析ARM系列芯片技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛。實(shí)驗(yàn)室自主制作出一套基于TPS65800電源管理系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)，資料實(shí)物齊全，可以借鑒參考。實(shí)驗(yàn)室自主制作出一套基于CC1100的無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，資料實(shí)物齊全，可以借鑒參考。實(shí)驗(yàn)室擁有韓國韓伯電子（Hanback）HBE-Zigb