基于A(yíng)Tmega128L與CC2420的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的研究與實(shí)現

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是新興的研究領(lǐng)域，在軍事、環(huán)境、健康、家庭、商業(yè)領(lǐng)域等許多方面有著(zhù)巨大的潛在應用前景。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)是組成網(wǎng)絡(luò )的基本單元，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的迅速發(fā)展，給無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計和管理提出了許多挑戰。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是集數據采集、處理及通信功能于一體的分布式自組織網(wǎng)絡(luò )。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )由在一定區域范圍內的多個(gè)具有無(wú)線(xiàn)通信、傳感、數據處理功能的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)組成。傳感器節點(diǎn)負責采集、處理、壓縮數據、中轉其他節點(diǎn)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(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)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(wú)線(xiàn)通信單元(無(wú)線(xiàn)收發(fā)器)和供電單元(電池)等組成。

　　相對于傳統無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)具有明顯的技術(shù)特點(diǎn)：(1)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)密度高，數量大；(2)節點(diǎn)的計算和存儲能力有限；(3)節點(diǎn)體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池，節點(diǎn)能量有限；(4)通信能力有限，傳感器網(wǎng)絡(luò )的通信帶寬較窄，節點(diǎn)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(wǎng)絡(luò )通信機制以滿(mǎn)足傳感器網(wǎng)絡(luò )的通信是必須考慮的問(wèn)題；(5)各傳感器節點(diǎn)位置隨機分布，具有自組織特性。

　　由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)具有以上特點(diǎn)，在節點(diǎn)的設計上，要求節點(diǎn)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用的需求，具有設備省電、通信可靠、網(wǎng)絡(luò )自組織、自愈能力強、成本低廉、網(wǎng)絡(luò )容量大、網(wǎng)絡(luò )安全等特點(diǎn)。由這些基本要求，進(jìn)行了支持802.15.4/ZigBee協(xié)議的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的硬件設計。

　　網(wǎng)絡(luò )結構

　　節點(diǎn)可以組成三種拓樸結構：星型結構、網(wǎng)狀結構(Mesh)和簇狀結構(Cluster tree)。節點(diǎn)以自組織形式構成網(wǎng)絡(luò )、每個(gè)節點(diǎn)都可以自主采集數據，數據通過(guò)單跳方式或多跳中繼方式送到匯聚節點(diǎn)(Sink節點(diǎn))。匯聚節點(diǎn)將收集的數據發(fā)送到遠程的控制中心，或通過(guò)RS232接口把數據發(fā)送給PC 機進(jìn)行數據處理和存儲。

　　節點(diǎn)設計

　　節點(diǎn)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(wú)線(xiàn)通信模塊、電源管理模塊等組成，主要作用是儲存、處理數據，完成節點(diǎn)間的無(wú)線(xiàn)通信并為系統提供能量。傳感器子板由若干傳感器組成，負責監測區域內信息的采集。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(lái)顯示節點(diǎn)電池充電情況節點(diǎn)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(chǎn)，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(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、8個(gè)PWM通道，具有可編程看門(mén)狗定時(shí)器和片上振蕩器、片上模擬比較器、JTAG、UART、SPI、I2C總線(xiàn)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(chǎng)合。其接口示意圖如圖2所示。

　　ATmega128L 的工作時(shí)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(shí)鐘源等方式。工作時(shí)鐘源的選擇通過(guò)ATmega128L的內部熔絲位來(lái)設計，熔絲位可以通過(guò)JTAG編程、ISP編程等方式設置。本設計中ATmega128L采用兩個(gè)外部晶振：7.3728MHz晶振作為ATmega128L的工作時(shí)鐘；32.768kHz晶振作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘源。

　　數據存儲電路

　　由于無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的通信模塊傳輸能力有限，加上節點(diǎn)工作的占空比非常小，很多數據不能實(shí)時(shí)轉發(fā)出去，所以需要有一個(gè)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)的其他節點(diǎn)采集來(lái)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(jiǎn)單等特點(diǎn)，適合傳感器節點(diǎn)使用。數據存儲電路示意圖如圖3所示。