無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )微型節點(diǎn)的實(shí)現

摘　要：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )微型節點(diǎn)通過(guò)自組織的方式構成網(wǎng)絡(luò )，可遠程實(shí)時(shí)感知和采集處理周邊環(huán)境中的物質(zhì)現象。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(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊CC2420構建的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )微型節點(diǎn)。
 
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；微型節點(diǎn)；單片機
 
引言
 
　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（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點(diǎn)，通過(guò)自組織的方式構成網(wǎng)絡(luò )，傳感器網(wǎng)絡(luò )具有分布式處理帶來(lái)的監測高精度、高容錯性、大覆蓋區域、可遠程監控等眾多優(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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )微型節點(diǎn)是一次性的，要求節點(diǎn)成本低廉和工作時(shí)間盡可能長(cháng)。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )中不應該存在專(zhuān)門(mén)的路由器節點(diǎn)，每個(gè)節點(diǎn)既是終端節點(diǎn)，又是路由器節點(diǎn)。節點(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制進(jìn)行通信。因此，在單個(gè)節點(diǎn)上，一方面硬件必須低能耗，采用無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用的需求，是目前被業(yè)界普遍看好的一種無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊CC2420的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )微型節點(diǎn)，并在實(shí)際中得到了應用。
 
微型節點(diǎn)的結構
 
　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )微型節點(diǎn)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測區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(gè)節點(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；數據傳輸單元負責與其他節點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)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，節點(diǎn)電源由兩節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。為了調試方便及可擴展性，將數據采集單元獨立出來(lái)，做成兩塊能相互套接的可擴展主板。
 

圖1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )微型節點(diǎn)結構圖
 

微型節點(diǎn)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(chǎn)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(gè)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(shí)現了在一個(gè)時(shí)鐘周期內執行單條指令的同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè)獨立寄存器的操作，具有良好的性?xún)r(jià)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(gè)10位ADC通道，2個(gè)8位和2個(gè)16位硬件定時(shí)/計數器，并可在多種不同的模式下工作；8個(gè)PWM通道、可編程看門(mén)狗定時(shí)器和片上振蕩器、片上模擬比較器；UART、SPI、I2C總線(xiàn)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的穩定性和速度的提高，同時(shí)也大大增加了系統的功耗。綜合對比之后，數據處理單元選用ATmega128L進(jìn)行開(kāi)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(chǎn)的低功耗、短距離的無(wú)線(xiàn)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(shí)現多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)，系統體積小、成本低、功耗小，適于電池長(cháng)期供電。具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強等特點(diǎn)。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(jiǎn)便，使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四個(gè)引腳表示收發(fā)數據狀態(tài)；處理器通過(guò)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(gè)節點(diǎn)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(jiǎn)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(xiàn)性輸出，PWM輸出，SPI可編程接口；精度