無線傳感器網絡微型節(jié)點的實現(xiàn)
摘 要:無線傳感器網絡微型節(jié)點通過自組織的方式構成網絡,可遠程實時感知和采集處理周邊環(huán)境中的物質現(xiàn)象。本文設計了以8位AVR單片機ATmega128L為核心,結合外圍傳感器和2.4GHz無線收發(fā)模塊CC2420構建的無線傳感器網絡微型節(jié)點。
關鍵詞:無線傳感器網絡;微型節(jié)點;單片機
引言
無線傳感器網絡(WSN)由隨機分布的集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的微型節(jié)點,通過自組織的方式構成網絡,傳感器網絡具有分布式處理帶來的監(jiān)測高精度、高容錯性、大覆蓋區(qū)域、可遠程監(jiān)控等眾多優(yōu)點,成為近期國際上網絡研究的重要熱點之一。
無線傳感器網絡微型節(jié)點是一次性的,要求節(jié)點成本低廉和工作時間盡可能長。無線傳感網絡中不應該存在專門的路由器節(jié)點,每個節(jié)點既是終端節(jié)點,又是路由器節(jié)點。節(jié)點間采用移動自組織網絡聯(lián)系起來,并采用多跳的路由機制進行通信。因此,在單個節(jié)點上,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絡應用的需求,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,本文設計了以高檔8位AVR單片機ATmega128L為核心,結合外圍傳感器和2.4GHz無線收發(fā)模塊CC2420的無線傳感器網絡微型節(jié)點,并在實際中得到了應用。
微型節(jié)點的結構
無線傳感器網絡微型節(jié)點由數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元和電源管理單元4部分組成,如圖1所示。數據采集單元負責監(jiān)測區(qū)域內信息的采集和數據轉換,本設計中數據采集單元包括了溫度、濕度、光強度、加速度和大氣壓力傳感器;數據處理單元負責控制整個節(jié)點的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理、任務管理等;數據傳輸單元負責與其他節(jié)點進行無線通信,交換控制消息和收發(fā)采集數據;電源管理單元選通所用到的傳感器,節(jié)點電源由兩節(jié)1.5V堿性電池組成,今后將采用微型紐扣電池,以進一步減小體積。為了調試方便及可擴展性,將數據采集單元獨立出來,做成兩塊能相互套接的可擴展主板。
圖1 無線傳感器網絡微型節(jié)點結構圖
微型節(jié)點模塊設計
數據處理單元
本設計中數據處理單元選用Atmel公司的ATmega128L微控制器,它是采用低功耗COMS工藝生產的基于RISC結構的8位微控制器,是目前AVR系列中功能最強大的單片機。AVR核將32個工作寄存器和豐富的指令集聯(lián)結在一起,所有的工作寄存器都與ALU直接相連,實現(xiàn)了在一個時鐘周期內執(zhí)行單條指令的同時訪問兩個獨立寄存器的操作,具有良好的性價比。這種結構提高了代碼效率,在性能上比普通CISC單片機提高約10倍。
ATmega128L具有豐富的資源和極低的功耗。它具有片內128KB的程序Flash,4KB的數據SRAM,可外擴到64KB的E2PROM。此外,它還有8個10位ADC通道,2個8位和2個16位硬件定時/計數器,并可在多種不同的模式下工作;8個PWM通道、可編程看門狗定時器和片上振蕩器、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)境參數信號,需要采樣率很高、數據量大的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速度就有一個相互限制的瓶頸;如果加上比較復雜的數據處理和存儲,需要擴展外部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,同時也大大增加了系統(tǒng)的功耗。綜合對比之后,數據處理單元選用ATmega128L進行開發(fā)。數據處理單元接口電路如圖2所示。
圖2 數據處理單元接口電路
數據傳輸單元設計
數據傳輸單元模塊電路由Chipcon公司生產的低功耗、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。數據傳輸單元模塊支持數據傳輸率高達250kbps,可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網,系統(tǒng)體積小、成本低、功耗小,適于電池長期供電。具有硬件加密、安全可靠、組網靈活、抗毀性強等特點。數據傳輸單元接口電路如圖3所示。CC2420與處理器的連接非常簡便,使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四個引腳表示收發(fā)數據狀態(tài);處理器通過SPI接口(MISO、MOSI、SCK)與CC2420交換數據,發(fā)送命令。
圖3 數據傳輸單元接口電路
數據采集單元
整個節(jié)點由電池供電,要求數據采集單元中的傳感器體積小、低功耗、外圍電路簡單,最好采用不需要信號調理電路的數字式傳感器。本設計中選用的傳感器都為數字式傳感器:
?。?)溫度傳感器MLX90601:模擬線性輸出,PWM輸出,SPI可編程接口;精度
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