無線傳感器網(wǎng)絡(luò)微型節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)

摘　要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)微型節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)感知和采集處理周邊環(huán)境中的物質(zhì)現(xiàn)象。本文設(shè)計(jì)了以8位AVR單片機(jī)ATmega128L為核心，結(jié)合外圍傳感器和2.4GHz無線收發(fā)模塊CC2420構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)微型節(jié)點(diǎn)。
 
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；微型節(jié)點(diǎn)；單片機(jī)
 
引言
 
　　無線傳感器網(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)，成為近期國際上網(wǎng)絡(luò)研究的重要熱點(diǎn)之一。
 
　　無線傳感器網(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。無線傳感網(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，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(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(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無線收發(fā)模塊CC2420的無線傳感器網(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，做成兩塊能相互套接的可擴(kuò)展主板。
 

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)微型節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖
 

微型節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)
 
數(shù)據(jù)處理單元
 
　　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)處理單元接口電路如圖2所示。 
 

圖2  數(shù)據(jù)處理單元接口電路
 

數(shù)據(jù)傳輸單元設(shè)計(jì)
 
    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SPI接口（MISO、MOSI、SCK）與CC2420交換數(shù)據(jù)，發(fā)送命令。
 

圖3  數(shù)據(jù)傳輸單元接口電路
 

數(shù)據(jù)采集單元
 
　　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。本設(shè)計(jì)中選用的傳感器都為數(shù)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