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- 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)微型節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)
- 來(lái)源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2016/9/30
無(wú)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(guò)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(lái)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。
引言
無(wú)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(guò)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(lái)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(wú)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(wú)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(lái),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(wú)線傳輸方式;另一方面軟件必須支持多跳的路由協(xié)議。IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議充分考慮了無(wú)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(wú)線通信協(xié)議。基于這些基本的思想,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(wú)線收發(fā)模塊CC2420的無(wú)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(wú)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(wú)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(lái),做成兩塊能相互套接的可擴(kuò)展主板。
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(wèn)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)傳輸單元模塊電路由Chipcon公司生產(chǎn)的低功耗、短距離的無(wú)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(guò)SPI接口(MISO、MOSI、SCK)與CC2420交換數(shù)據(jù),發(fā)送命令。
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。
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(méi)有用到的傳感器不帶電,以達(dá)到在無(wú)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。
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