无线传感器网络课程设计
目录
1 课题的来源与背景 (2)
2 无线传感器网络体系结构 (4)
3 无线传感器网络节点结构 (5)
3.1 无线传感器网络节点 (5)
3.2 无线传感器网络节点设计 (6)
3.2. 1处理器模块 (7)
3.2. 2通信模块 (7)
3.2. 3能量供应模块 (9)
4 实验程序流程图 (10)
4 结束语 (13)
参考文献: (15)
1 课题的来源与背景
微电子技术、计算技术和无线通信技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。无线传感器网络?Wireless Sensor Network，WSN)就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。其典型工作方式如下：将大量传感器节点抛撤到感兴趣区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点借助于内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多部署者感兴趣的物质现象。在网络中．节点既是信息的采集和发出者，也充当信息的路由者，采集的数据通过多跳路由到达网关。网关(一些文献也称为Sinknode)是一个特殊的节点，可通过Intemet、移动通信网络、卫星等与监控中心通信，也可利用无人机飞越网络上空，通过网关采集数据。
无线传感器网络在环境、健康、家庭和其他商业领域有广阔的应用前景，在军事、空间探索和灾难拯救等特殊领域有其得天独厚的技术优势?。以军事应用为例，传感器网络将会成为C41SRT(command，control，communication，computing，intelligence，surveillance，reconnaissance and targeting)系统不可或缺的一部分。C41SRT系统的目标是利用先进的高科技技术，为未来的现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统．受到了军事发达国家的普遍重视。因为传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃，这一点是传统的传感器技术所无法比拟的，也正是这一点，使传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括监控我军兵力、装备和物资，监视冲突区，侦察敌方地形和布防，定位攻击目标，评估损失，侦察和探测核、生物和化学攻击。在战场，指挥员往往需要及时准确地了解部队、武器装备和军用物资供给的情况，铺设的传感器将采集相应的信息，并通过网关将数
据送至指挥所，再转发到指挥部，最后融合来自各战场的数据形成我军完备的战区态势图。在战争中，对冲突区和军事要地的监视也是至关重要的，通过铺设传感器网络，以更隐蔽的方式近距离地观察敌方的布防；当然，也可以直接将传感器节点撤向敌方阵地，在敌方还未来得及反应时迅速收集利于作战的信息，传感器网络也可以为火控和制导系统提供准确的目标定位信息。
在生物和化学战中，利用传感器网络及时、准确地探侧爆炸中心将会为我军提供宝贵的反应时间，从而最大可能地减小伤亡。传感器网络也可避免核反应部队直接暴露在核辐射的环境中。在军事应用中，与独立的卫星和地面雷达系统相比，传感器网络的潜在优势表现在以下几个方面：
（1）分布节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比，这一直是卫星和雷达这类独立系统难以克服的技术问题之一。
（2）传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能力。
（3）传感器节点与探侧目标的近距离接触大大消除了环境噪声对系统性能的影响。
（4）节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标。
（5）多节点联合，形成覆盖面积较大的实时探测区域。
（6）借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力，可以有效地消除探测区域内的阴影和盲点。
由于无线传感器网络巨大的科学意义和应用价值，已经引起了世界发达国家学术界、军事部门和工业界的极大关注。从2001年开始，DARPA(美国国防部高级研究计划署)已把智能传感器网络作为一项优先发展的研究计划，出资近7亿美元，在众多大学和研究机构展开传感器网络的基础研究，以求获得五角大楼想要的所谓战区“超视觉”数据。2002年8月，NSF(美国国家科学基金会)一期资助4000万美元在UCLA成立了传感器网络研究中心，联合周边大学(包括UCB、USC和USR等)展开“嵌入式智能传感器”的研究项目，以求利用传感器网络对我们生活的物理世界实现全方位的测试与控制，这也是美国国情咨文中有关NGI最主要的远景规划之一。美国英特尔公司、微软公司等信息工业界巨头也开始了传感器网络方面的工作，纷纷设立或启动相应的行动计划。日本、英国、意大利、巴西等
国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。
无线传感器网络与传统的无线网络(如WLAN和蜂窝移动电话网络)有藿不同的设计目标，后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证。而无线传感器网络中除少数节点需要移动外，大部分节点都是静止的。因为它们通常运行在人无法接近的恶劣，甚至危险的远程环境中，能源无法替代，设计有效的策略延长网络的生命周期成了无线传感器网络的核心问题。在研究初期，人们曾经一度认为成熟的Intemet技术加上Ad hoe路由机制对无线传感器网络的设计是足够充分的，但深入的研究表明无线传感器网络与传统无线网络有着明显不同的技术要求，前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。一些为自组织的Adhoc网络设计的协议和算法并不适合传感器网络的特点和应用的要求。节点标识(如地址等)的作用在传感器网络中就显得不是十分重要，因为应用程序不怎么关心单节点上的信息；中间节点上与具体应用相关的数据处理、融合和缓存倒显得非常必要。在密集性的无线传感器网络中，相邻节点间的距离非常短，低功耗的多跳通信模式节省功耗，同时增加了通信的隐蔽性，也避免了长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响。这些独特的要求和制约因素为无线传感器网络的研究提出了新的技术问题。
2 无线传感器网络体系结构
无线传感器网络结构如图2．1所示，无线传感器网络系统通常包括传感器节点(Sensor node)、Sink网关节点(Sink node)和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域(Sensor field)内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳路由到Sink网关节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对无线传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统．它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。目前传感器节点的软硬件技术是无线传
感器网络研究的重点。
Sink网关节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接无线传感器网络与Intemet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。Sink网关节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。
3 无线传感器网络节点结构
无线传感器网络(W ireless Sensor Network,WSN)是由部署在地理区域内大量的廉价微型传感器组成,用来协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并以无线通信方式把数据发送给观察者。无线传感器网络具有三个基本要素:传感器、观察者和感知对象。其中传感器由感知部件、存储器、嵌入式处理器、通信部件、电源和软件这几部分构成。观察者是无线传感器网络中感知信息的接受和应用者。感知对象是借助于节点中内置的传感器探测到湿度、温度、光、压力等大量观察者感兴趣的物质现象。无线传感器网络将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起,改变人类与自然界的交互方式。无线传感器网络的基本单位是节点,它们的性能是整个无线网络可靠性的基本保证。根据实际应用和推广的需要,节点的体积和质量都应该比较小。无线传感网络的节点应用ARM处理器,简化了节点的硬件设计,提高了无线传感网络的通信能力、数据存储能力和可靠性。本文设计了一种基于Philips公司的32位微控制器LPC2138和在2.4GHz频带上工作的无线收发模块CC2420,结合外围传感器,具有电量检测功能的无线传感器网络节点,并可以运用在实际中。
3.1 无线传感器网络节点
无线传感器网络节点组成及工作流程无线传感器网络节点是一个微型的嵌入式系统,一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成,如图1所示。图中的箭头代表数据的流向。传感器模块由传感器和A/D转换器组成,负责对感知对象信息的采集和数据转换;处理器模块由微处理器、存储器和应用模块组成,负责控制整个传感器节点的操作,存储和处理数据,通信协议管理
等;无线通信模块由网络模块、MAC模块和通信射频模块组成,通过内部各个模块的协调作用与其他节点进行无线通信,交换控制信息和收发数据业务;能量供应模块一般采用微型电池,负责为传感器节点提供运行所需的能量。
图1 无线传感器节点结构图
无线传感器网络节点的工作流程:
(1)传感器采集到的信息一般是模拟数据,通过A/D模块把模拟数据转换为数字信号,并将数字信号输入到CPU中作进一步的处理。
(2)在处理器模块中对数据进行初步的处理,如在簇头的节点,收集该簇内所有节点所采集到的信息;在汇聚节点进行数据的部分融合、转发等。
(3)发送数据前,无线通信模块通过MAC协议形成一个自组织网;并根据路由算法,建立和维护路由表。经处理器模块处理后,将数据送入无线通信模块;并根据预先建立的路由表,将数据发送给网关节点,由网关节点将数据发送给目的节点。
综上所述,本设计依据传感器节点功耗低、成本低、体积小等硬件限制条件,采用基于射频芯片CC2420和微处理器ARM7为核心的无线传感器网络的硬件节点。
3.2 无线传感器网络节点设计
在设计中用到的传感器主要是温度传感器和压力传感器,为提高节点的集成度,将传感器模块集成到处理器模块中。因此无线传感器网络节点将分为处理器模块、通信模块和供电模块3个部分。其中处理器模块选用ARM7作为处理器芯片,通信模块选用CC2420作为通信芯片,在电源方面,采用1节电池提供5V供电。
3.2. 1处理器模块
处理器模块是无线传感器节点的核心,负责整个节点的设备控制、任务分配与调度、数据整合与传输等关键任务,因此处理器性能的好坏决定了整个节点的性能[10]。本设计使用的微控制器是广州周立功公司开发的ARM7芯片。ARM 芯片是基于ARM7TDMI-S核、单电源供电、LQFP64封装的LPC2138[11],具有JTAG仿真调试、ISP编程等功能。ARM7TDMI-S核是通用的32位微处理器内核,采用冯诺依曼结构,它具有高性能和低功耗的特性。ARM结构是基于精简指令集计算机(RISC, Reduced Instruction SetComputer)原理而设计的,指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多,由此可见使用一个小的、廉价的处理器核就能非常容易实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。
LPC2138的主要特性:
(1) 16/32位ARM7TDMI-S核,超小LQFP64封装。
(2)8/16/32kB的片内静态RAM和32/64/128/256/512kB的片内Flash程序存储器。
(3)通过片内boot装载程序实现在系统编程和应用编程(ISP/IAP)。
(4)2个8路10位的A/D转换器提供16路模拟输入,且每个通道具有低至2. 44us的转换时间。
(5)1个10位的D/A转换器,可产生不同的模拟输出。
(6)PWM单元(6路输出)、2个32位定时器/外部事件计数器(4路比较通道和带4路捕获)和看门狗。
(7)多个串行接口,包括2个高速I2C总线(400kbps)、2个16C550工业标准UART、SPI和具有数据长度可变功能和缓冲作用的SSP。
(8)低功耗实时时钟具有独立的电源和特定的32kHz时钟输入。通过外部中断或BOD将处理器从掉电模式中唤醒。
3.2. 2通信模块
在无线传感器网络中,节点之间通过无线通信来完成数据的交互,数据的接收和发送消耗了节点的能量。为节省能量,延长节点寿命,需选择一块低能耗的通信芯片。本设计采用Chipcon/TI公司开发的一款低功耗通信芯片CC2420[12-13]作
为射频收发器,CC2420唤醒时延短的特点使它能有更多的时间处于睡眠状态,从而大大降低了节点的能耗。CC2420是IEEE 802. 15. 4标准的低成本、低功耗单片高集成度的解决方案。它的工作频率为 2. 4GHz。CC2420符合欧洲ETSIEN300328、EN 300 440 class 2和日本ARIB STD-T66标准。
CC2420的主要特点:
(1)具有250bkps的有效数据传输速率和2Mchip/s直接扩频序列基带调制解调。
(2)具有独立的128字节发射、接收数据缓冲器。适合简化功能装置和全功能装置操作;低电流消耗;接收19. 7mA,发射17. 4mA;低电源电压要求;使用内部电压调节器时2. 1-3. 6V,使用外部电压调节器时1. 6-2. 0V;可编程输出功率。
(3)可监控电池电量,QLP-48封装,外形尺寸只有7* 7mm,适用于各种恶劣的环境。
从上述分析可知,该芯片具有良好的性能,尤其是它极低的电流消耗和封装尺寸,可以满足无线传感网络中节点体积小、质量轻、功耗小、成本低等特点。经测试发现该芯片在本系统中工作良好,功能比较完善。
CC2420能够非常方便地与ARM7处理器连接。
CC2420使用SFD, FIFO, FIFOP和CCA四个引脚表示收发数据的状态;而处理器通过SPI接口与CC2420收发数据,写入或读取配置信息等。ARM7的4个SPI通信接口: SSEL,MOSI,MISO和SCLK分别对应于CC2420的4个SPI通信接口: CSN, S1, SO和SCLK。由于CC2420只有从机模式,因此ARM7处理器只能采用主机模式。ARM7和CC2420引脚连接如图2所示。节点在发送和接收数据时,处理器的SCLK引脚提供时钟频率; SSEL引脚控制数据收发的同步性,CSN 引脚置为低电平。MOSI与MISO分别是数据输出和输入的引脚。在接收模式下,当节点接收到帧开始分隔符后,将SFD引脚置为高电平。然后接收地址,如果地址错误,则SFD引脚被置为低电平,如果地址识别功能禁止或地址接收正确,则SFD 引脚直到所有数据发送完成后才降为低电平。与CC2420的RXFIFO(接收数据存储区)相关的两个信号是FIFO和FIFOP。当RXFIFO缓冲区变成空时, FIFO引脚重新被置为低电平。因此当CC2420中是否有接收到的数据,ARM7处理器通过读取FIFO引脚的电平来进行判断。当节点接收到的数据长度小于门限值时,则在
MPDU 最后一个数据被接收完后, FI-FOP 引脚输出高电平。如果接收的数据长度大于门限值,则在接收到的数据长度等于门限值时, FIFOP 引脚变成高电平。一旦从RXFIFO 缓冲区中读出数据时,FIFOP 引脚变成低电平。为了防止ARM7在CC2420的地址识别完成前读取那些可能无效的数据,当CC2420的地址识别功能
使能时,FIFOP 引脚只有到地址识别成功后才会发挥作用。在给定的时间内,RXFIFO 最多能保存128个字节的数据。如果RXFIFO 缓冲区溢出,则FIFO 引脚变成低电平,同时FIFOP 引脚变成高电平。处理器可以通过查询FIFO 引脚和FIFOP 引脚的状态来判断CC2420是否处于溢出状态。为了尽量避免RXFIFO 缓冲区溢出,可将FIFOP 引脚与ARM7处理器的一个外部中断引脚连接,使ARM7处理器及时读取CC2420的RXFIFO 中的数据。
3.2. 3能量供应模块
电能是无线传感器网络中非常宝贵的资源,节点电能一旦耗尽,即宣布其寿命终止并退出网络,剩余的节点需要重新组网。因此,在系统设计中要充分考虑到功耗的最小化。为节约能源,延长电池的寿命,节点上所有工作模块没有必要一直保持正常的工作状态[14]。当无数据发送、接收及转发时,无线传感器网络节点会调图2ARM7和CC2420的链接
整为休眠状态,而处于休眠状态时芯片的能耗极低。CC2420芯片采用低电压供电(2. 1V-3.6V)和休眠模式,且从休眠模式被激活的时延短,因此有更多的时间处于休眠状态。同时,ARM7也是一款采用低电压供电的芯片。
4 实验程序流程图
本次开发环境是ADSL1. 2集成开发环境。使用LPC2138专门工程模板的ARM Executable forLPC2138建立工程。图3所示的是CC2420芯片的初始化
图3 CC2430初始化流程图
流程。CC2420内部有33个16位配置寄存器,初始化CC2420时需要对这些寄存
进行设置,这些寄存器在芯片复位时都已设置了一些初始值,在实际使用时,根据需要对初始值进行修改。
图4所示的是节点发送数据的流程图。数据包类型有信标帧、数据帧、ACK 帧和MAC命令帧。发送数据时,需要先通过微控制器的SPI接口把需要传送的数据发送到CC2420的缓冲区中存储起来,这里根据IEEE 802.15. 4的帧格式来发送,缓存好数据后就可以启动发送数据;同时发送节点要表明要不要接收节点返回ACK信息以便判断本次传输是否成功。
图4发送节点流程图
图5所示的是节点接收数据的流程图。接收数据时,会把数据存入到接收缓存区RXFIFO中,并改变FIFO和FIFOP引脚的状态,处理器通过FIFOP的引脚中断读RXFIFO寄存器来依次读取整个数据包,同时由于CC2420的RXFIFO缓冲区只有128字节,为防止接收数据长度大于128字节,所以要判断RXFIFO缓冲区是否溢出。
图5 接收节点流程图
4 结束语
本文提供了一种基于CC2420的无线传感器网络的硬件节点设计方案,通过选择芯片,设计硬件接口,构建了一个完整的无线传感器网络节点。经仿真调试,该节点在试验中应用良好,电路板可以实现两个节点间的通信,能由LED指示发送、接收或应答信息,基本达到了设计要求,在煤矿监控系统的实验中应用良好,能采集精度较高的温度、压力等数据信息,并实现准确的数据交互,实现了传感器网络所需的外形小、集成度高、低功耗,为将来实际应用研究提供了一个实验平台,具有一定的应用价值。
无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理方式，具有广泛的应用前景。虽然近年来无线传感器网络得到广泛深入的研究，但还有许多问题鱼待解决。从无线传感器网络节点的研究方面来看，目前国内自行研制的节点很少有比较成熟的。本文在分析国内外研究现状和无线传感器网络功能需求的基础上，提出并实现了利用ARM处理器采用嵌入式技术设计无线传感器网络节点的总体方案，并重点开展了节点的软硬件方面的研究，本硕士学位论文的主要工作和取得的主要成果以下:
1. 采用嵌入式ARM处理器，结合射频芯片CC2420,G PRS通信模块MC39i,温度和振动传感器实现了一种高性能无线传感器网络节点的硬件设计。
2. 在嵌入式实时操作系统FreeRTOS的基础上实现TCP/IP协议栈和ZigBee节点组网协议栈的移植，为GPRS数据传输和节点组网等软件的开发提供了平台。
3 设计了无线传感器节点各功能模块驱动和应用程序，实现了节点间的射频通信、温度和振动信号的采集、控制GPRS模块上网和远程数据传输等功能。实现了无线传感器网络远程监控数据中心软件的开发。
4. 对无线传感器网络节点的性能进行了测试。通过RSSI测距试验，验证了采用RSSI技术实现节点定位的可行性;通过测试和分析GPRS拨号上网的协商信息，验证了GPRS上网功能的可靠性;通过UDP和TCP传输测试试验，验证了采用经改进带握手重传机制的UDP数据传输方式的优越性.通过对节点上温度传感器的定量测试和分析，并对其误差进行补偿，使得整个无线传感器网络温度的测试精度达0.2* C。对节点上振动传感器进行了定性测试，验证了其用于节点防盗的可能性。经测试，本文设计的嵌入式无线传感器网络节点具备无线传感器网络要
求的基本功能它可以为无线传感器网络相关技术的深入研究提供了平台，为无线传感器网络的应用开发提供了参考。
未来的研究工作，可以从以下几个方面入手:
1.无线传感器网络节点硬件设计的测试，系统集成化、小型化.
2.基于ZigBee的节点组网，路由等上层软件的研究与开发。
3.节点的能量管理和整个无线传感器网络的能量管理。
4.节点的RSSI定位试验，数据的分析和节点定位算法的研究和实现。
5.网络的可靠性和安全性等。
参考文献:
[1] 任丰原,黄海宁,林闯.无线传感器网络[J].软件学报,2003, 14(7): 1282-1291.
[2] Akyildiz IAN F,Melodia Tommaso,ChowdhuryKaushik R.A survey on wirelessmultimedia sensornetworks[J].Com-puterNetworks, 2007, 51(4): 921-960.
[3] 王姝,阎毓杰,胡富平.无线传感器网络的理论及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2007.
[4] 高超,张頔,罗嵘.一种用于无线传感器网络的模块化设计方法[J].电子技术应用, 2009, 35(5): 39-42, 46.
[5] 马华东,陶丹.多媒体传感器网络及其进展[J].软件学报, 2006, 17(9): 2013-2028.
[6] 吴猛,程良伦.一种无线传感器网络节点及其实现方法[J].仪表技术与传感器, 2008(12): 14-16.
[7] 孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社, 2005.
[8] 任枫轩,李伟.嵌入式无线网络节点的设计[J].国外电子测量技术, 2008, 27(6): 50-53.
[9] 高英明,金仁成,王立鼎,等.嵌入式无线传感器网络节点设计与通信研究[ J].大连理工大学学报, 2008, 48(5): 749-753.
[10]黄锋,刘士兴,顾勤东.无线传感器网络节点概述[J].合肥工业大学学报:自然科学版, 2008, 31(8): 1208-1212.
[11]周立功,张华.深入浅出ARM7 LPC213X /214X[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2005.
[12]董挺挺,沙超,王汝传.基于CC2420的无线传感器网络节点的设计[J].电子工程师, 2007, 33(4): 67-70.
[13]霍宏伟,张宏科,郜帅,等.一种IPv6无线传感器网络节点的设计与实现[ J].计算机应用, 2006, 26 (2):303-306.
[14]孙延明,刘志远,蔡春丽,等.低功耗无线传感器网络节点的设计[J].微计算机应用, 2009, 30(2): 21-26.