基于ATmega128L與CC2420的無線傳感器網絡節(jié)點的研究與實現

　　無線傳感器網絡是新興的研究領域，在軍事、環(huán)境、健康、家庭、商業(yè)領域等許多方面有著巨大的潛在應用前景。無線傳感器網絡節(jié)點是組成網絡的基本單元，無線傳感器網絡的迅速發(fā)展，給無線傳感器網絡節(jié)點的設計和管理提出了許多挑戰(zhàn)。

　　無線傳感器網絡節(jié)點

　　無線傳感器網絡是集數據采集、處理及通信功能于一體的分布式自組織網絡。無線傳感器網絡由在一定區(qū)域范圍內的多個具有無線通信、傳感、數據處理功能的網絡節(jié)點組成。傳感器節(jié)點負責采集、處理、壓縮數據、中轉其他節(jié)點的數據包并將數據包發(fā)送出去。在不同的應用中，傳感器網絡節(jié)點的結構不盡相同，一般由數據采集單元(傳感器、A/D轉換器)、數據處理和控制單元(微處理器、存儲器)、無線通信單元(無線收發(fā)器)和供電單元(電池)等組成。

　　相對于傳統(tǒng)無線網絡節(jié)點，無線傳感器網絡節(jié)點具有明顯的技術特點：(1)網絡節(jié)點密度高，數量大；(2)節(jié)點的計算和存儲能力有限；(3)節(jié)點體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池，節(jié)點能量有限；(4)通信能力有限，傳感器網絡的通信帶寬較窄，節(jié)點間的通信單跳距離通常只有幾十到幾百米，因此在有限的通信能力下如何設計網絡通信機制以滿足傳感器網絡的通信是必須考慮的問題；(5)各傳感器節(jié)點位置隨機分布，具有自組織特性。

　　由于無線傳感器網絡節(jié)點具有以上特點，在節(jié)點的設計上，要求節(jié)點硬件成本較低、必須低能耗、必須支持多跳的路由協(xié)議。 IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議充分考慮了無線傳感器網絡應用的需求，具有設備省電、通信可靠、網絡自組織、自愈能力強、成本低廉、網絡容量大、網絡安全等特點。由這些基本要求，進行了支持802.15.4/ZigBee協(xié)議的無線傳感器網絡節(jié)點的硬件設計。

　　網絡結構

　　節(jié)點可以組成三種拓樸結構：星型結構、網狀結構(Mesh)和簇狀結構(Cluster tree)。節(jié)點以自組織形式構成網絡、每個節(jié)點都可以自主采集數據，數據通過單跳方式或多跳中繼方式送到匯聚節(jié)點(Sink節(jié)點)。匯聚節(jié)點將收集的數據發(fā)送到遠程的控制中心，或通過RS232接口把數據發(fā)送給PC 機進行數據處理和存儲。

　　節(jié)點設計

　　節(jié)點硬件采取模塊化結構設計如圖1所示，由運算及通信子板、傳感器子板、充電及狀態(tài)顯示子板構成。運算及通信子板由微處理器、數據存儲電路、無線通信模塊、電源管理模塊等組成，主要作用是儲存、處理數據，完成節(jié)點間的無線通信并為系統(tǒng)提供能量。傳感器子板由若干傳感器組成，負責監(jiān)測區(qū)域內信息的采集。充電及狀態(tài)顯示子板由充電模塊和LCD液晶顯示模塊組成，用來顯示節(jié)點電池充電情況節(jié)點的工作狀態(tài)以及電池的電量。

　　微處理器電路

　　微處理器電路采用Atmel公司的ATmega128L微控制器，它采用低功耗CMOS工藝生產，基于RISC結構，具有片內128KB的程序存儲器 (Flash)、4KB的數據存儲器(SRAM)和4KB的EEPROM，有8個10位ADC通道、2個8位和2個16位硬件定時/計數器、8個PWM通道，具有可編程看門狗定時器和片上振蕩器、片上模擬比較器、JTAG、UART、SPI、I2C總線等接口。ATmega128L可在多種不同模式下工作，除了正常操作模式外，還具有六種不同等級的低能耗操作模式，因此該微控制器適合于低能耗的應用場合。其接口示意圖如圖2所示。

　　ATmega128L 的工作時鐘源可以選取外部晶振、外部RC振蕩器、內部RC振蕩器、外部時鐘源等方式。工作時鐘源的選擇通過ATmega128L的內部熔絲位來設計，熔絲位可以通過JTAG編程、ISP編程等方式設置。本設計中ATmega128L采用兩個外部晶振：7.3728MHz晶振作為ATmega128L的工作時鐘；32.768kHz晶振作為實時時鐘源。

　　數據存儲電路

　　由于無線傳感器節(jié)點的通信模塊傳輸能力有限，加上節(jié)點工作的占空比非常小，很多數據不能實時轉發(fā)出去，所以需要有一個可管理的存儲器存儲這些數據，暫存自己采集的或需要轉發(fā)的其他節(jié)點采集來的數據。本設計選用512KB串行FLASHAT45DB041存儲數據。與普通的數據存儲器相比，該芯片具有功耗低、體積小、串行接口、外部電路簡單等特點，適合傳感器節(jié)點使用。數據存儲電路示意圖如圖3所示。