無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計

目錄TOC\o"1-3"\h\u160111課題的來源與背景 1145692無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 3293523無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu) 4176813.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 482793.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計 5252713.2.1處理器模塊 6317273.2.2通信模塊 6144463.2.3能量供應(yīng)模塊 8120144實驗程序流程圖 9148884結(jié)束語 1213372參考文獻: 141課題的來源與背景微電子技術(shù)、計算技術(shù)和無線通信技術(shù)的進步，推動了低功耗多功能傳感器的快速發(fā)展，使其在微小體積內(nèi)能夠集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等多種功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)?WirelessSensorNetwork，WSN)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(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，并發(fā)送給觀察者。其典型工作方式如下：將大量傳感器節(jié)點拋撤到感興趣區(qū)域，節(jié)點通過自組織快速形成一個無線網(wǎng)絡(luò)。隨機分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元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)境中的熱、紅外、聲納、雷達和地震波信號，從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等眾多部署者感興趣的物質(zhì)現(xiàn)象。在網(wǎng)絡(luò)中．節(jié)點既是信息的采集和發(fā)出者，也充當信息的路由者，采集的數(shù)據(jù)通過多跳路由到達網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)(一些文獻也稱為Sinknode)是一個特殊的節(jié)點，可通過Intemet、移動通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星等與監(jiān)控中心通信，也可利用無人機飛越網(wǎng)絡(luò)上空，通過網(wǎng)關(guān)采集數(shù)據(jù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境、健康、家庭和其他商業(yè)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，在軍事、空間探索和災(zāi)難拯救等特殊領(lǐng)域有其得天獨厚的技術(shù)優(yōu)勢?。以軍事應(yīng)用為例，傳感器網(wǎng)絡(luò)將會成為C41SRT(command，control，communication，computing，intelligence，surveillance，reconnaissanceandtargeting)系統(tǒng)不可或缺的一部分。C41SRT系統(tǒng)的目標是利用先進的高科技技術(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)．受到了軍事發(fā)達國家的普遍重視。因為傳感器網(wǎng)絡(luò)是由密集型、低成本、隨機分布的節(jié)點組成的，自組織性和容錯能力使其不會因為某些節(jié)點在惡意攻擊中的損壞而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰，這一點是傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)所無法比擬的，也正是這一點，使傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括監(jiān)控我軍兵力、裝備和物資，監(jiān)視沖突區(qū)，偵察敵方地形和布防，定位攻擊目標，評估損失，偵察和探測核、生物和化學攻擊。在戰(zhàn)場，指揮員往往需要及時準確地了解部隊、武器裝備和軍用物資供給的情況，鋪設(shè)的傳感器將采集相應(yīng)的信息，并通過網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)送至指揮所，再轉(zhuǎn)發(fā)到指揮部，最后融合來自各戰(zhàn)場的數(shù)據(jù)形成我軍完備的戰(zhàn)區(qū)態(tài)勢圖。在戰(zhàn)爭中，對沖突區(qū)和軍事要地的監(jiān)視也是至關(guān)重要的，通過鋪設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，以更隱蔽的方式近距離地觀察敵方的布防；當然，也可以直接將傳感器節(jié)點撤向敵方陣地，在敵方還未來得及反應(yīng)時迅速收集利于作戰(zhàn)的信息，傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以為火控和制導(dǎo)系統(tǒng)提供準確的目標定位信息。在生物和化學戰(zhàn)中，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)及時、準確地探側(cè)爆炸中心將會為我軍提供寶貴的反應(yīng)時間，從而最大可能地減小傷亡。傳感器網(wǎng)絡(luò)也可避免核反應(yīng)部隊直接暴露在核輻射的環(huán)境中。在軍事應(yīng)用中，與獨立的衛(wèi)星和地面雷達系統(tǒng)相比，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)星和雷達這類獨立系統(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。（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)拓撲結(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。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)巨大的科學意義和應(yīng)用價值，已經(jīng)引起了世界發(fā)達國家學術(shù)界、軍事部門和工業(yè)界的極大關(guān)注。從2001年開始，DARPA(美國國防部高級研究計劃署)已把智能傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一項優(yōu)先發(fā)展的研究計劃，出資近7億美元，在眾多大學和研究機構(gòu)展開傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)研究，以求獲得五角大樓想要的所謂戰(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，聯(lián)合周邊大學(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)對我們生活的物理世界實現(xiàn)全方位的測試與控制，這也是美國國情咨文中有關(guān)NGI最主要的遠景規(guī)劃之一。美國英特爾公司、微軟公司等信息工業(yè)界巨頭也開始了傳感器網(wǎng)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))有藿不同的設(shè)計目標，后者在高度移動的環(huán)境中通過優(yōu)化路由和資源管理策略最大化帶寬的利用率，同時為用戶提供一定的服務(wù)質(zhì)量保證。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中除少數(shù)節(jié)點需要移動外，大部分節(jié)點都是靜止的。因為它們通常運行在人無法接近的惡劣，甚至危險的遠程環(huán)境中，能源無法替代，設(shè)計有效的策略延長網(wǎng)絡(luò)的生命周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)一度認為成熟的Intemet技術(shù)加上Adhoe路由機制對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計是足夠充分的，但深入的研究表明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)有著明顯不同的技術(shù)要求，前者以數(shù)據(jù)為中心，后者以傳輸數(shù)據(jù)為目的。一些為自組織的Adhoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的協(xié)議和算法并不適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點和應(yīng)用的要求。節(jié)點標識(如地址等)的作用在傳感器網(wǎng)絡(luò)中就顯得不是十分重要，因為應(yīng)用程序不怎么關(guān)心單節(jié)點上的信息；中間節(jié)點上與具體應(yīng)用相關(guān)的數(shù)據(jù)處理、融合和緩存倒顯得非常必要。在密集性的無線傳感器網(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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2．1所示，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(Sensornode)、Sink網(wǎng)關(guān)節(jié)點(Sinknode)和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域(Sensorfield)內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳路由到Sink網(wǎng)關(guān)節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(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，每個傳感器節(jié)點兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的終端和路由器雙重功能，除了進行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合等處理，同時與其他節(jié)點協(xié)作完成一些特定任務(wù)。目前傳感器節(jié)點的軟硬件技術(shù)是無線傳感器網(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Intemet等外部網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時發(fā)布管理節(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)節(jié)點結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork,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、嵌入式處理器、通信部件、電源和軟件這幾部分構(gòu)成。觀察者是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中感知信息的接受和應(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、光、壓力等大量觀察者感興趣的物質(zhì)現(xiàn)象。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將邏輯上的信息世界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,提高了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信能力、數(shù)據(jù)存儲能力和可靠性。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,負責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,負責控制整個傳感器節(jié)點的操作,存儲和處理數(shù)據(jù),通信協(xié)議管理等;無線通信模塊由網(wǎng)絡(luò)模塊、MAC模塊和通信射頻模塊組成,通過內(nèi)部各個模塊的協(xié)調(diào)作用與其他節(jié)點進行無線通信,交換控制信息和收發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù);能量供應(yīng)模塊一般采用微型電池,負責為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量。圖1無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)圖無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作流程:(1)傳感器采集到的信息一般是模擬數(shù)據(jù),通過A/D模塊把模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,并將數(shù)字信號輸入到CPU中作進一步的處理。(2)在處理器模塊中對數(shù)據(jù)進行初步的處理,如在簇頭的節(jié)點,收集該簇內(nèi)所有節(jié)點所采集到的信息;在匯聚節(jié)點進行數(shù)據(jù)的部分融合、轉(zhuǎn)發(fā)等。(3)發(fā)送數(shù)據(jù)前,無線通信模塊通過MAC協(xié)議形成一個自組織網(wǎng);并根據(jù)路由算法,建立和維護路由表。經(jīng)處理器模塊處理后,將數(shù)據(jù)送入無線通信模塊;并根據(jù)預(yù)先建立的路由表,將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點,由網(wǎng)關(guān)節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送給目的節(jié)點。綜上所述,本設(shè)計依據(jù)傳感器節(jié)點功耗低、成本低、體積小等硬件限制條件,采用基于射頻芯片CC2420和微處理器ARM7為核心的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件節(jié)點。3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計在設(shè)計中用到的傳感器主要是溫度傳感器和壓力傳感器,為提高節(jié)點的集成度,將傳感器模塊集成到處理器模塊中。因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將分為處理器模塊、通信模塊和供電模塊3個部分。其中處理器模塊選用ARM7作為處理器芯片,通信模塊選用CC2420作為通信芯片,在電源方面,采用1節(jié)電池提供5V供電。3.2.1處理器模塊處理器模塊是無線傳感器節(jié)點的核心,負責整個節(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LPC2138[11],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(RISC,ReducedInstructionSetComputer)原理而設(shè)計的,指令集和相關(guān)的譯碼機制比復(fù)雜指令集計算機要簡單得多,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。(3)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)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。(7)多個串行接口,包括2個高速I2C總線(400kbps)、2個16C550工業(yè)標準UART、SPI和具有數(shù)據(jù)長度可變功能和緩沖作用的SSP。(8)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CC2420[12-13]作為射頻收發(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IEEE802.15.4標準的低成本、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、EN300440class2和日本ARIBSTD-T66標準。CC2420的主要特點:(1)具有250bkps的有效數(shù)據(jù)傳輸速率和2Mchip/s直接擴頻序列基帶調(diào)制解調(diào)。(2)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17.4mA;低電源電壓要求;使用內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器時2.1-3.6V,使用外部電壓調(diào)節(jié)器時1.6-2.0V;可編程輸出功率。(3)可監(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SCLK。由于CC2420只有從機模式,因此ARM7處理器只能采用主機模式。ARM7和CC2420引腳連接如圖2所示。節(jié)點在發(fā)送和接收數(shù)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分別是數(shù)據(jù)輸出和輸入的引腳。在接收模式下,當節(jié)點接收到幀開始分隔符后,將SFD引腳置為高電平。然后接收地址,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引腳直到所有數(shù)據(jù)發(fā)送完成后才降為低電平。與CC2420的RXFIFO(接收數(shù)據(jù)存儲區(qū))相關(guān)的兩個信號是FIFO和FIFOP。當RXFIFO緩沖區(qū)變成空時,FIFO引腳重新被置為低電平。因此當CC2420中是否有接收到的數(shù)據(jù),ARM7處理器通過讀取FIFO引腳的電平來進行判斷。當節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)長度小于門限值時,則在MPDU最后一個數(shù)據(jù)被接收完后,FI-FOP引腳輸出高電平。如果接收的數(shù)據(jù)長度大于門限值,則在接收到的數(shù)據(jù)長度等于門限值時,FIFOP引腳變成高電平。一旦從RXFIFO緩沖區(qū)中讀出數(shù)據(jù)時,FIFOP引腳變成低電平。為了防止ARM7在CC2420的地址識別完成前讀取那些可能無效的數(shù)據(jù),當CC2420的地址識別功能圖2ARM7和CC2420的鏈接圖2ARM7和CC2420的鏈接使能時,FIFOP引腳只有到地址識別成功后才會發(fā)揮作用。在給定的時間內(nèi),RXFIFO最多能保存128個字節(jié)的數(shù)據(jù)。如果RXFIFO緩沖區(qū)溢出,則FIFO引腳變成低電平,同時FIFOP引腳變成高電平。處理器可以通過查詢FIFO引腳和FIFOP引腳的狀態(tài)來判斷CC2420是否處于溢出狀態(tài)。為了盡量避免RXFIFO緩沖區(qū)溢出,可將FIFOP引腳與ARM7處理器的一個外部中斷引腳連接,使ARM7處理器及時讀取CC2420的RXFIFO中的數(shù)據(jù)。3.2.3能量供應(yīng)模塊電能是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中非常寶貴的資源,節(jié)點電能一旦耗盡,即宣布其壽命終止并退出網(wǎng)絡(luò),剩余的節(jié)點需要重新組網(wǎng)。因此,在系統(tǒng)設(shè)計中要充分考慮到功耗的最小化。為節(jié)約能源,延長電池的壽命,節(jié)點上所有工作模塊沒有必要一直保持正常的工作狀態(tài)[14]。當無數(shù)據(jù)發(fā)送、接收及轉(zhuǎn)發(fā)時,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點會調(diào)整為休眠狀態(tài),而處于休眠狀態(tài)時芯片的能耗極低。CC2420芯片采用低電壓供電(2.1V-3.6V)和休眠模式,且從休眠模式被激活的時延短,因此有更多的時間處于休眠狀態(tài)。同時,ARM7也是一款采用低電壓供電的芯片。4實驗程序流程圖本次開發(fā)環(huán)境是ADSL1.2集成開發(fā)環(huán)境。使用LPC2138專門工程模板的ARMExecutableforLPC2138建立工程。圖3所示的是CC2420芯片的初始化圖3圖3CC2430初始化流程圖流程。CC2420內(nèi)部有33個16位配置寄存器,初始化CC2420時需要對這些寄存圖3CC2420初始化流程圖3CC2420初始化流程進行設(shè)置,這些寄存器在芯片復(fù)位時都已設(shè)置了一些初始值,在實際使用時,根據(jù)需要對初始值進行修改。圖4發(fā)送節(jié)點流程圖圖4所示的是節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖。數(shù)據(jù)包類型有信標幀、數(shù)據(jù)幀、ACK幀和MAC命令幀。發(fā)送數(shù)據(jù)時,需要先通過微控制器的SPI接口把需要傳送的數(shù)據(jù)發(fā)送到CC2420的緩沖區(qū)中存儲起來,這里根據(jù)IEEE802.15.4的幀格式來發(fā)送,緩存好數(shù)據(jù)后就可以啟動發(fā)送數(shù)據(jù);同時發(fā)送節(jié)點要表明要不要接收節(jié)點返回ACK信息以便判斷本次傳輸是否成功。圖4發(fā)送節(jié)點流程圖圖4發(fā)送節(jié)點流程圖圖4發(fā)送節(jié)點流程圖圖4發(fā)送節(jié)點流程圖圖4發(fā)送節(jié)點流程圖圖5所示的是節(jié)點接收數(shù)據(jù)的流程圖。接收數(shù)據(jù)時,會把數(shù)據(jù)存入到接收緩存區(qū)RXFIFO中,并改變FIFO和FIFOP引腳的狀態(tài),處理器通過FIFOP的引腳中斷讀RXFIFO寄存器來依次讀取整個數(shù)據(jù)包,同時由于CC2420的RXFIFO緩沖區(qū)只有128字節(jié),為防止接收數(shù)據(jù)長度大于128字節(jié),所以要判斷RXFIFO緩沖區(qū)是否溢出。圖5接收節(jié)點流程圖圖5接收節(jié)點流程圖4結(jié)束語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,能采集精度較高的溫度、壓力等數(shù)據(jù)信息,并實現(xiàn)準確的數(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。雖然近年來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到廣泛深入的研究，但還有許多問題魚待解決。從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的研究方面來看，目前國內(nèi)自行研制的節(jié)點很少有比較成熟的。本文在分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能需求的基礎(chǔ)上，提出并實現(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，并重點開展了節(jié)點的軟硬件方面的研究，本碩士學位論文的主要工作和取得的主要成果以下:1.采用嵌入式ARM處理器，結(jié)合射頻芯片CC2420,GPRS通信模塊MC39i,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)FreeRTOS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)計了無線傳感器節(jié)點各功能模塊驅(qū)動和應(yīng)用程序，實現(xiàn)了節(jié)點間的射頻通信、溫度和振動信號的采集、控制GPRS模塊上網(wǎng)和遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)中心軟件的開發(fā)。4.對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的性能進行了測試。通過RSSI測距試驗，驗證了采用RSSI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)改進帶握手重傳機制的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量測試和分析，并對其誤差進行補償，使得整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫度的測試精度達0.2*C。對節(jié)點上振動傳感器進行了定性測試，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)要求的基本功能它可以為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)的深入研究提供了平臺，為無線傳感器網(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，系統(tǒng)集成化、小型化.2.基于ZigBee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。參考文獻:[1]任豐原,黃海寧,林闖.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].軟件學報,2003,14(7):1282-1291.[2]AkyildizIANF,MelodiaTommaso,ChowdhuryKaushikR.Asurveyonwirelessmultimediasensornetworks[J].Com-puterNetworks,2007,51(4):921-960.[3]王姝,閻毓杰,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)及其進展[J].軟件學報,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,陳渝,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學出版社,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].大連理工大學學報,2008,48(5):749-753.[10]黃鋒,劉士興,顧勤東.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點概述[J].合肥工業(yè)大學學報:自然科學版,2008,31(8):1208-1212.[11]周立功,張華.深入淺出ARM7LPC213X/214X[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.[12]董挺挺,沙超,王汝傳.基于CC2420的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計[J].電子工程師,2007,33(4):67-70.[13]霍宏偉,張宏科,郜帥,等.一種IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用,2006,26(2):303-306.[14]孫延明,劉志遠,蔡春麗,等.低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計[J].微計算機應(yīng)用,2009,30(2):21-26.基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現(xiàn)一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設(shè)計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機的機電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內(nèi)核設(shè)計及其應(yīng)用研究基于單片機的遠程抄表系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設(shè)計和應(yīng)用基于單片機的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統(tǒng)的研制基于單片機的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計Pico專用單片機核的可測性設(shè)計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構(gòu)建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現(xiàn)基于單片機的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機的時控和計數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學生單片機應(yīng)用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設(shè)計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術(shù)研究基于單片機的膛壁溫度報警系統(tǒng)設(shè)計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設(shè)計基于單片機船舶電力推進電機監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機網(wǎng)絡(luò)的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機的大容量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機的疊圖機研究與教學方法實踐基于單片機嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實現(xiàn)基于AT89S52單片機的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機的多道脈沖幅度分析儀研究機器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機控制系統(tǒng)基于單片機的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學實驗中的應(yīng)用研究基于單片機系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用基于PIC16F877單片機的莫爾斯碼自動譯碼系統(tǒng)設(shè)計與研究基于單片機的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應(yīng)用研究基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)基于Cygnal單片機的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機與Internet互聯(lián)的研究與實現(xiàn)變頻調(diào)速液壓電梯單片機控制器的研究基于單片機γ-免疫計數(shù)器自動換樣功能的研究與實現(xiàn)基于單片機的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)單片機嵌入式以太網(wǎng)防盜報警系統(tǒng)基于51單片機的嵌入式Internet系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)單片機監(jiān)測系統(tǒng)在擠壓機上的應(yīng)用MSP430單片機在智能水表系統(tǒng)上的研究與應(yīng)用\t"_b