1、黑龍江大學碩士學位論文無線傳感器網絡MAC層協議的研究與實現姓名:暢恒宇申請學位級別:碩士專業:計算機應用技術·無線傳感器網絡指導教師:李金寶20070530 黑龍江大學碩士學位論文第2章H.MAC協議棧的開發環境2.1Hawk節點簡介由黑龍江大學信息技術研究所開發的Hawk傳感器節點是一種通用的、低成本、超低功耗智能傳感器節點,為無線傳感器網絡通信協議和應用的研究提供了靈活的硬件環境,其實物如圖2.1所示。 圈2-1Hawk節點實物圖Fig.21Hawk nodeHawk節點具有感知、無線通信、存儲和處理等功能,能夠感知溫度、濕度,聲音、光、振動和磁力等七種物理屬性,并產生相應的感

2、知數據。Hawk節點以無線通信方式收發來自傳感器網絡中其它節點數據,并可以通過多功能接口板與前端的PC機進行通信,使得用戶可以實時獲得傳感器網絡中的感知數據。它配有一個Flash存儲器,可以存儲一定數量的感知數據,同時還具有處理感知數據,過濾冗余數據和協調節點的各組成部件等功能,可以在不同環境下長期、穩定、可靠地工作。獨特的超低功耗設計,能夠支持節點的長期工作。使用2節AA電池供電,最長可工作2年以上。為了實現節點的低功耗,不但所有器件均采用低功耗器件,而且主控模塊、無線傳輸模塊、傳感器模塊均可通過編程單獨控制它們的工作狀態。節點上的多個傳感器模塊都可以工作于活動和斷電二個狀態,并可通過編程第

3、2章Hawk通信協議棧的開發環境獨立控制其狀態和采樣頻率,從而降低傳感器模塊的能量消耗。通過編程控制傳感器的各個單元的工作狀態,可以使其盡可能工作在最低功耗狀態,從而實現整個系統的低功耗。節點最低工作電壓為O.87V,在待機狀態下,工作電流小于8IIA,在低功耗工作狀態下,工作電流小于500肛A。微處理器和無線傳輸模塊都采用極少的外圍原件設計,傳感器模塊采用物理上獨立、分離、多層結構設計,從而使傳感器模塊具有良好的可擴展性。無線傳輸模塊采用PCB天線設計,增強了系統通信的穩定性、可靠性和對外界噪聲的抗干擾能力。所有器件均采用工業級芯片,整體提高了系統的抗干擾性、可靠性和溫度適應范圍,使其能夠適

4、應各種復雜的工作環境。Hawk節點的結構如圖2-2所示。它主要由數據處理子系統、數據采集子系統、無線通信子系統和電源子系統構成。 圖2-2Hawk節點的系統結構Fig.2-2Architecture ofHawk node黑龍江大學碩士學位論文1.數據處理子系統數據處理子系統由美國德州儀器(T1公司生產的16位MSP430F1611微控制器、AT45DB041存儲器、嵌入式操作系統TinyOS及JTAG&UART接口構成。MSP430系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器,能夠在低電壓下以超低功耗狀態工作;其控制器具有強大的處理能力和豐富的片內外設;帶FLASH存儲器的單片機還可以方

5、便高效地進行在線仿真和編程。MSP430系列單片機最顯著的特點就是它的超低功耗,在1.8v3.6V電壓、1MHz的時鐘條件下運行,耗電電流在O.1400“A之間,RAM在節電模式耗電為O.1lA,等待模式下僅為O.7肛A。能耗是無線傳感器網絡的瓶頸,所以微控制器采用MSP430F1611是整個系統達到最低的功耗并發揮最優的性能保證。AT45DB041為4M串行FLASH,用于存儲數據、測量值及其他用戶定義的信息。TinyOS為加州大學Berkeley分校開發的嵌入式實施操作系統,用于提供實時的調度管理。JTAG&UART接口為調試和下載程序提供標接口。2.數據采集子系統數據采集子系統由

6、加速度傳感器(ADXL202JE、磁力傳感器:(HMCl002、溫濕度傳感器r(SHTI1、光敏電阻、蜂鳴器、麥克風等模塊組成。 圖2-3Hawk節點傳感器板Fig.23Sensor board ofHawk node-20一第2章Hawk通信協議棧的開發環境傳感器板(圖23通過31Pins外擴連接器插在數據處理的處理器板(圖241-,一起構成了Hawk無線傳感器的節點硬件系統。 圖2-4Hawk節點處理器板Fig.2-4Processor board ofHawk node3.電源子系統Hawk節點采用兩節AA堿性電池供電,工作電壓為1.O3.6V。Hawk節點處于不同的工作狀態時,消耗的電流不同。當節點處于休眠狀態時,典型電流值為4.2nA;當節點處于工作狀態時(無線模塊也處于工作狀態,則電流值為2(hnA,如果無線模塊處于休眠狀態則電流值僅為420釁。4.無線通信子系統無線通信子系統由PCB天線和無線射頻電路組成。