PDF《关键词 无线传感器网络 传感器节点M》

基于 M 关键词 无线传感器网络 传感器节点MS P

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0 低功耗引言传感测试技术正朝着多功能化、微型化、智能化、网络化、无线化的方向发 展.

自组 织无线传感器网络(SelfOr ― g a n i z i n g W i r e l e s s S e n s o r Ne t wo r k s ) 作为新兴技术,是目前国外 研究的热点,其在军事、环境、健康、家庭、商业、空间探索和灾难拯救等领域 展现 出 广阔 的应用前 景 .早在

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0 3年美国自然 科学基金委员会已经斥巨资来支持这方面的研究,并且出现了一些致力于无线传感器网络的公司,其中 C r o s s b o w公 司已推 出了 Mi c a系列 传感器 网络产 品 .国 内很多大学现已经开展相关领域的研究,但大部分工作仍 处在 自组织无线 网络协议 性能仿 真 和硬件 节点小 规模实验设计阶段 .本文 就 国防科技 大学传 感器 教研 室开展可应用于环境监测方面无线传感器网络 设计与实现进行介绍.1无线传感器网络硬 件 设计 无线传感 器 网络模型 ( 如图1所示 ) 是不 同于 传统无 线 网络 的无基础 设施网,通过在监测 区域 内随 意布撒大量传感 器 节点 ( 简称节点 ) , 由各 节点 自行 协调并迅速组建通信网络 , 在能量 利用率优先考虑原则下进行工作任务划分 图1无线传感器网络模型以获取监视区域 信息.网络的自组 织特性体现在当节点失效或新节点加入时网络 能够 自适 应重 新组建,以调 整全局的探测精度,充分发挥资源优势,即网络中的各节点除具备数据采集功能外兼有数据 转发实现多跳的路由功 能.1.1节点组成典型的无线传感器网络节点由数据采集、处理、传输和电源4个 主要部分组成.传感探测单元由传 感器进行监测区域内待测对象 的信息采集 ;

微控 制单元 实现数 据的分析 、 处理和存储等 功能 ;

无线 传输 单元 负责低 功耗 短距 离节点间通信 ;

供 电单元选取小 型化 、 高容量 的电池 , 以确 保节点的长寿命和微型化.具体节点设计如图2和 图3所示.难ADXI.,202ITempl微控制单元 . 叵M.HX034PIMi c ― A n 单I '

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4 Ol 供 电单元( 电池) 图2无线传感器网络节点结构 (

1 】无线传输单元无线 收发模块选用挪威No r d i c公 司推 出的nRF

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1 芯片.n R F4

0 1是工作在ISM频段433.92MHz /

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4 .

3 3 MHz 的单片无线 收/ 发一 体芯 片,是包括 了 高频 发射/ 接收、 P L L合成 、 F S K 调制/ 解调和双频道 切换等单元 的高 集成度无线 数传产品.其 最高传输速率可达20Kb / s ,接 收灵敏度 为一1

0 5 d B m, 最 大发射 功率 为10dBm, 较 其他 类别 射频 收发 芯片外 围电路 设计简单 . 设计中工作 频率 维普资讯 http://www.cqvip.com 专题论述图3无线 传 感器 网络 节点实物 图片 锁定在434.33MHz , 微控制单元仅须提供四根口线 :收 发状 态切换TXEN、 待机与工作状态切换PWR―UP和数据通 信接口线 DI N/ DoUT.射频信号输出设计采用环形差分 输出天线 . (

2 )微控制单元'

TI 公司MS P

4 3 0系列单片机是一种具有集成度高、功能丰富、功耗极低等技术特点的16位 单片机.超 低功耗的混 合信号控制器 、 丰富 的片 内外 设、节能考 虑 的多种 工作模式和对C语 言程序设计的支 持,使得MS P4

3 0系列单片机非常适合于应用在嵌入式系统中.设 计中选用带有Flash存储器可进行在线编程的MS P

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0 x

1 3 X 、 MS P

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0 x I

4 x系列单片机I夕围模 块有看门狗、定时器A/ B、 同步/异步串行通信接口、

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1 2位A/ D 以及 6个 8位 并行端口等 多种组合形式.其 实现功能如下;

操作无线收发芯片,为nRF

4 0 1提供工作状态控制线和两条单向串行 传输数据线 ;

实现传感器的数据采集――加速度、温度、声音和感光强度探测;

本地数 据处 理――剔 除冗 余数据,以减 少 网络传 输 的负 载 和对 无线传输 数据的封装与验证;

应答远控中心查 询,完成数据的转发与存储;

区域 内节 点 的路 由维 护功能;

节点电源 管理,合理地设置待机状态,以节 省能量消耗,延长节点使用寿命.(3)传 感探测单元根据实际需要选择合适传感器 对监测区域内温 度、湿度、振动、声音和光线等物理信号进行测试.实验设计选用了两 种外围电路 简单的数字式传 感器、光敏器件和驻极体话筒,分别对振动、温度 、 光强和声音进 行探测.AD公司的ADXI

2 0 2是双轴向加 速度传感器.其采用先进的MEMS技术,在同一硅片中刻蚀了一个多晶硅编码微机械传感器,集成精密的信号处理电路,可测静态及动态加速度,输出为周期的占空 比调 制(DCM ) 循环数字 信号.测 试范围为 一2~+2g,测试带宽为0.01Hz ~

5 k Hz ( 外置单 电容可调) ,

6 0 Hz 带宽下分辨率为

5 mg . 该传感器可广泛应用于惯性导航、地震监测、车辆安全和电池供电设备的运 动状态测 试等领域.Ma x i m 公司的DS

1 8 B

2 0是一线式数字温度传感器.测 量结果可选用9~12位 串行 数据输出,测量范围为一55~125℃ , 在一1

0 ~8 5℃ 测量准确度为士0 . 5℃ . 光敏电阻

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1 6是基于半导体光电效 应工作的光导 管,对光强感应灵敏度相当高.当受到一定波长范围的光 照时,其阻值(亮电阻 ) 急剧减小,电流迅速增 加,通过参考电阻分压后进行A/ D 采样即可获得光敏电阻的阻值,进而换算出光 照强度.驻极体话筒HX

0 3

4 P是电容式微麦克风.输入信号为声音信号,输出信 号经MAX4

4 6 6构成的前置放大电路后进行 电压值 A / D采样 , 处 理器 的A/ D采样 频率可 达200kHz , 可捕获到声音信号.结合使用上述 几种 传感 器和 敏感器 件 的无线 传感 器 网络 节点,能够实现温度、加速度(震动)的准确测量与探测;

光敏 电阻有其 自身的 光谱特性 和温度特 性,因此在 实验中不 作精确标定;

另外对声音信号的捕获和复现需要进行大量的数 据处理,从能量利用和传感器节点功能的精 简角度考虑,实验中对声光强弱的探测通过设定阈值 来给出布尔型(0或

1 ) 输出.(4)供 电单元实现节点 设计的微型化,节点可采用输出电压3.6V可充电锂 离 子纽 扣电池LIR2

0 3 2供电.该类电池自放 电率小于10/月,但额定容量较小,限制了节 点的生存期.若以两 节普通5号 AA 电池 供电,则可维持更长的工 作时间.在 以网络形 式工作状态下,通过合理的设 置节点发射机的接 收、发射以及待机状态,可有效地延长节点的使用寿命 .针对节点供电单元不便于更换的无 线 传感 器网络,新的能源解决方法研究及网络 系统的低功耗设计也是当前值得关注的课题.1.2sink点 ( 数据汇集点)设计传感探测网络 内 的信 息与外部网络或处理中心 的连接需要通过sink点 来实现.s i n k点是无线传感器网络与有线设备连接的 中转站 , 负责发送上层 命令( 如查询 、 分配 I D地址等)、接收下层节点的请求和数据,具有数据融合、请求仲裁和路由选 择等功能,是无线传感器网络中最 重要的一部分.设 计中sink点 由上 位PC机与无线通信适配单元组成,如图4所 示.无线收发模块仍采用nRF4

0 1芯片配以环形差分天线.以

3 V 电压供电,TTL与RS

2 3 2电平转换单元选用MAX3

3 1 6芯片.该 芯片在2.25~3 .

0 V 供电即可实 现两通道双向电 平转换,可直接操作nRF4

0 1芯片串行 数据线6丰.;

.皇矗入禾惋应冈-l__Ⅱ_―一[email protected](广告专用)维普资讯 http://www.cqvip.com 圈4无线传感器网络sink点 模型DIN/ D OUT、 控 制线 T X E N.但实 验结果 表明, 该设 计方 式 中上 位PC机 通过AP I函数调用或串口控件方式来操作口线会产生较高 的误码率 , 须涉及更底层 的寄存器 操作 才能高效地实现数据提取 .这无疑增加 了设计 的复杂性 , 故sink点 在实际制作中选 用具备2路 UA R T 通道的MS P

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0 F

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9 芯 片作为无 线与有 线 串行 传输 的连 接 与处 理单元 , 实现数据初级 的封装 与分解 , 为上 位机 提供便 携 的接 口方 式.2软件 设计流程传感器节点 的处理 器MS P

4 3 0系列单 片机 支持 C语 言程序设计 , 适用 于MS P

4 3 0系列 的 C语 言 与标 准 C语 言兼容程度高 , 大大提 高 了软 件设 计开发 的工 作效 率,增强了程序代码的可靠性 、 可读性 和可移植性 .图 5为传感 器节点的工 作流程图.童}状态寄存暑 设置初始化 置系统时钟为3

2 k H z UA R T中断使 能 温度、声光浏 试UA R T中断停止 置系统 时钟为8 MH z 加速 度测试 测试数据存储、处理 无线接 收中断 由探测 中断 , 据测试 中断 i 更新 路由信 息 测试数据应答上传 退 出中断子程序 下―― 跳数据查询处理(a)节点测试流程 ( b ) 无 线接收 中断 响应程 序 处理 图5无线传 感器网络 节点工作流程圈上位PC机 作为控制中心 必须具备网络 唤醒、数据处理、路由维 护功能,C+ + B u i l d e r 、 De l p h i 和微软的Vi s u a l B a s i c 都是可选的快速开发工具 .上 层软件 功能 由Delphi实现 , 图 6为无 线传感器网络探测系统框 图. 考虑到点对点通信的可靠性 , 数据在底层无线传 输中需要增加必要的协议规范 .设计 中对有效数据进行 打包 , 格式为:前 导码、地址、有效数据载荷、校验码.针对I无线传感器网 络探测系 统 初始 化 适配器设置 路 由探测 节 点数据采 j 上上上上上上上上由适网绘保同给绘口配络制存待出制通器中网路测测浏信状路络由点试试连;

蠡由拓探建数数接自探扑测立据据设检浏圈信连列曲置息接表线图6无线传感器网络探测系统框图nRF40x系列芯片 , 按厂家建议在支持 UA R T方 式下使用

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