1、湖南文理學院課程設計報告課程名稱：嵌入式系統課程設計專業班級：自動化2班學生姓名：指導教師：完成時間：報告成績：基于嵌入式系統的無線傳感器網絡的應用研究基于嵌入式系統的無線傳感器網絡的應用研究隨著半導體技術、傳感器技術、嵌入式技術以及通信技術的飛速發展，具有感知、計算、存儲和通信能力的無線傳感器網絡的應用越來越廣泛。無線傳感器網絡作為一種嵌入式設備能夠實時監測、感知和采集網絡分布區域內監視對象的各種信息，并加以處理。本文提供了一種基于CC2420的無線傳感器網絡的硬件節點設計方案，通過選擇芯片，設計硬件接口，構建了一個完整的無線傳感器網絡節點。經仿真調試，該節點在試驗中應用良好，電路板可以實現

2、兩個節點間的通信,能由LED指示發送、接收或應答信息，基本達到了設計要求,在煤礦監控系統的實驗中應用良好，能采集精度較高的溫度、壓力等數據信息，并實現準確的數據交互,實現了傳感器網絡所需的外形小、集成度高、低功耗，為將來實際應用研究提供了一個實驗平臺，具有一定的應用價值。基于嵌入式系統的無線傳感器網絡的應用研究 目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 設計要求2 HYPERLINK l bookmark8 設計的作用與目的2 HYPERLINK l bookmark10 無線傳感器網絡應用研究的設計方案4體系結構4節點結構5 HYPERLINK l book

3、mark12 系統硬件設計5無線傳感器網絡節點組成及工作流程5無線傳感器網絡節點設計6處理器模塊7通信模塊8能量供應模塊11 HYPERLINK l bookmark24 設計流程11 HYPERLINK l bookmark28 6心得體會及建議15心得體會15建議15 HYPERLINK l bookmark30 7參考文獻16設計要求無線傳感器網絡是集成了傳感器、嵌入式系統、網絡和無線通信四大技術而形成的一種全新的信息獲取和處理技術它是一種新型的無基礎設施的無線網絡能夠實時監測、感知和采集各種環境或監測對象的信息并對其進行處理、傳送到需要這些信息的用戶。設計的作用與目的無線傳感器網絡在環

4、境、健康、家庭和其他商業領域有廣闊的應用前景，在軍事、空間探索和災難拯救等特殊領域有其得天獨厚的技術優勢。以軍事應用為例，傳感器網絡將會成為C41SRT系統不可或缺的一部分。C41SRT系統的目標是利用先進的高科技技術，為未來的現代化戰爭設計一個集命令、控制、通信、計算、智能、監視、偵察和定位于一體的戰場指揮系統受到了軍事發達國家的普遍重視。因為傳感器網絡是由密集型、低成本、隨機分布的節點組成的，自組織性和容錯能力使其不會因為某些節點在惡意攻擊中的損壞而導致整個系統的崩潰，這一點是傳統的傳感器技術所無法比擬的，也正是這一點，使傳感器網絡非常適合應用于惡劣的戰場環境中，包括監控我軍兵力、裝備和物

5、資，監視沖突區，偵察敵方地形和布防，定位攻擊目標，評估損失，偵察和探測核、生物和化學攻擊。在戰場，指揮員往往需要及時準確地了解部隊、武器裝備和軍用物資供給的情況，鋪設的傳感器將采集相應的信息，并通過網關將數據送至指揮所，再轉發到指揮部，最后融合來自各戰場的數據形成我軍完備的戰區態勢圖。在戰爭中，對沖突區和軍事要地的監視也是至關重要的，通過鋪設傳感器網絡，以更隱蔽的方式近距離地觀察敵方的布防；當然，也可以直接將傳感器節點撤向敵方陣地，在敵方還未來得及反應時迅速收集利于作戰的信息，傳感器網絡也可以為火控和制導系統提供準確的目標定位信息。在生物和化學戰中，利用傳感器網絡及時、準確地探側爆炸中心將會為

6、我軍提供寶貴的反應時間，從而最大可能地減小傷亡。傳感器網絡也可避免核反應部隊直接暴露在核輻射的環境中。在軍事應用中，與獨立的衛星和地面雷達系統相比，傳感器網絡的潛在優勢表現在以下幾個方面：（1）分布節點中多角度和多方位信息的綜合有效地提高了信噪比，這一直是衛星和雷達這類獨立系統難以克服的技術問題之一。（2）傳感器網絡低成本、高冗余的設計原則為整個系統提供了較強的容錯能力。（3）傳感器節點與探側目標的近距離接觸大大消除了環境噪聲對系統性能的影響。（4）節點中多種傳感器的混合應用有利于提高探測的性能指標。（5）多節點聯合，形成覆蓋面積較大的實時探測區域。（6）借助于個別具有移動能力的節點對網絡拓撲

7、結構的調整能力，可以有效地消除探測區域內的陰影和盲點。由于無線傳感器網絡巨大的科學意義和應用價值，已經引起了世界發達國家學術界、軍事部門和工業界的極大關注。從2001年開始，DARPA（美國國防部高級研究計劃署）已把智能傳感器網絡作為一項優先發展的研究計劃，出資近7億美元，在眾多大學和研究機構展開傳感器網絡的基礎研究，以求獲得五角大樓想要的所謂戰區“超視覺”數據。2002年8月，NSF（美國國家科學基金會）一期資助4000萬美元在UCLA成立了傳感器網絡研究中心，聯合周邊大學（包括UCB、USC和USR等）展開“嵌入式智能傳感器”的研究項目，以求利用傳感器網絡對我們生活的物理世界實現全方位的測

8、試與控制，這也是美國國情咨文中有關NGI最主要的遠景規劃之一。美國英特爾公司、微軟公司等信息工業界巨頭也開始了傳感器網絡方面的工作，紛紛設立或啟動相應的行動計劃。日本、英國、意大利、巴西等國家也對傳感器網絡表現出了極大的興趣，紛紛展開了該領域的研究工作。無線傳感器網絡與傳統的無線網絡（如WLAN和蜂窩移動電話網絡）有藿不同的設計目標，后者在高度移動的環境中通過優化路由和資源管理策略最大化帶寬的利用率，同時為用戶提供一定的服務質量保證。而無線傳感器網絡中除少數節點需要移動外，大部分節點都是靜止的。因為它們通常運行在人無法接近的惡劣，甚至危險的遠程環境中，能源無法替代，設計有效的策略延長網絡的生命

9、周期成了無線傳感器網絡的核心問題。在研究初期，人們曾經一度認為成熟的Intemet技術加上Adhoe路由機制對無線傳感器網絡的設計是足夠充分的，但深入的研究表明無線傳感器網絡與傳統無線網絡有著明顯不同的技術要求，前者以數據為中心，后者以傳輸數據為目的。一些為自組織的Adhoc網絡設計的協議和算法并不適合傳感器網絡的特點和應用的要求。節點標識(如地址等)的作用在傳感器網絡中就顯得不是十分重要，因為應用程序不怎么關心單節點上的信息；中間節點上與具體應用相關的數據處理、融合和緩存倒顯得非常必要。在密集性的無線傳感器網絡中，相鄰節點間的距離非常短，低功耗的多跳通信模式節省功耗，同時增加了通信的隱蔽性，

10、也避免了長距離的無線通信易受外界噪聲干擾的影響。這些獨特的要求和制約因素為無線傳感器網絡的研究提出了新的技術問題。無線傳感器網絡應用研究的設計方案體系結構無線傳感器網絡結構如圖2所示，無線傳感器網絡系統通常包括傳感器節點(Sensornode)、Sink網關節點(Sinknode)和管理節點。大量傳感器節點隨機部署在監測區域(Sensorfield)內部或附近，能夠通過自組織方式構成網絡。傳感器節點監測的數據沿著其他傳感器節點逐跳進行傳輸，在傳輸過程中監測數據可能被多個節點處理，經過多跳路由到Sink網關節點，最后通過互聯網或衛星到達管理節點。用戶通過管理節點對無線傳感器網絡進行配置和管理，發

11、布監測任務以及收集監測數據。傳感器節點通常是一個微型的嵌入式系統它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過攜帶能量有限的電池供電。從網絡功能上看，每個傳感器節點兼顧傳統網絡節點的終端和路由器雙重功能，除了進行本地信息收集和數據處理外，還要對其他節點轉發來的數據進行存儲、管理和融合等處理，同時與其他節點協作完成一些特定任務。目前傳感器節點的軟硬件技術是無線傳感器網絡研究的重點。Sink網關節點的處理能力、存儲能力和通信能力相對比較強，它連接無線傳感器網絡與Intemet等外部網絡，實現兩種協議棧之間的通信協議轉換，同時發布管理節點的監測任務，并把收集的數據轉發到外部網絡上。Sink網關節點既

12、可以是一個具有增強功能的傳感器節點，有足夠的能量供給和更多的內存與計算資源，也可以是沒有監測功能僅帶有無線通信接口的特殊網關設備。節點結構無線傳感器網絡(WirelessSensorNetwork,WSN)是由部署在地理區域內大量的廉價微型傳感器組成,用來協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息,并以無線通信方式把數據發送給觀察者。無線傳感器網絡具有三個基本要素:傳感器、觀察者和感知對象。其中傳感器由感知部件、存儲器、嵌入式處理器、通信部件、電源和軟件這幾部分構成。觀察者是無線傳感器網絡中感知信息的接受和應用者。感知對象是借助于節點中內置的傳感器探測到濕度、溫度、光、壓力等大量觀察者

13、感興趣的物質現象。無線傳感器網絡將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起,改變人類與自然界的交互方式。無線傳感器網絡的基本單位是節點,它們的性能是整個無線網絡可靠性的基本保證。根據實際應用和推廣的需要,節點的體積和質量都應該比較小。無線傳感網絡的節點應用ARM處理器,簡化了節點的硬件設計,提高了無線傳感網絡的通信能力、數據存儲能力和可靠性。本文設計了一種基于Philips公司的32位微控制器LPC2138和在2.4GHz頻帶上工作的無線收發模塊CC2420，結合外圍傳感器，具有電量檢測功能的無線傳感器網絡節點,并可以運用在實際中。系統硬件設計無線傳感器網絡節點組成及工作流程無線傳感器網絡

14、節點是一個微型的嵌入式系統,一般由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊組成,如圖1所示。圖中的箭頭代表數據的流向。傳感器模塊由傳感器和A/D轉換器組成,負責對感知對象信息的采集和數據轉換;處理器模塊由微處理器、存儲器和應用模塊組成,負責控制整個傳感器節點的操作，存儲和處理數據，通信協議管理等;無線通信模塊由網絡模塊、MAC模塊和通信射頻模塊組成,通過內部各個模塊的協調作用與其他節點進行無線通信,交換控制信息和收發數據業務;能量供應模塊一般采用微型電池，負責為傳感器節點提供運行所需的能量。圖1無線傳感器節點結構圖無線傳感器網絡節點的工作流程：傳感器采集到的信息一般是模擬數據，通過A

15、/D模塊把模擬數據轉換為數字信號，并將數字信號輸入到CPU中作進一步的處理。在處理器模塊中對數據進行初步的處理，如在簇頭的節點,收集該簇內所有節點所采集到的信息;在匯聚節點進行數據的部分融合、轉發等。發送數據前，無線通信模塊通過MAC協議形成一個自組織網;并根據路由算法,建立和維護路由表。經處理器模塊處理后，將數據送入無線通信模塊;并根據預先建立的路由表，將數據發送給網關節點，由網關節點將數據發送給目的節點。綜上所述，本設計依據傳感器節點功耗低、成本低、體積小等硬件限制條件，采用基于射頻芯片CC2420和微處理器ARM7為核心的無線傳感器網絡的硬件節點。4.2無線傳感器網絡節點設計設計中用到的

16、傳感器主要是溫度傳感器和壓力傳感器，為提高節點的集成度，將傳感器模塊集成到處理器模塊中。因此無線傳感器網絡節點將分為處理器模塊、通信模塊和供電模塊3個部分。其中處理器模塊選用ARM7作為處理器芯片,通信模塊選用CC2420作為通信芯片，在電源方面，采用1節電池提供5V供電。天魏(5QQ)V-HH5.6pFVCC”3.吐VCC-】+SY-iirG.fpf7.5nH久6nH久6(JFmm.vco.audmD-VCDAVDD-PREAVBD_RFIGKItMLPTXRX_S*TCHRF.NunAW、昵訓恥SIlLKIsnlFOIOPIRccF)-sFHtasGJrg*S4匚老一fOPGS冥盂詁42a

17、,MIAt代口.yi5FDVDDL8VDOJ.3CCAtuutxr尋50salMlmsa啟忍一恰s3烏90呈圖2CC242O的典型應用電路4.2.1處理器模塊處理器模塊是無線傳感器節點的核心，負責整個節點的設備控制、任務分配與調度、數據整合與傳輸等關鍵任務,因此處理器性能的好壞決定了整個節點的性能10。本設計使用的微控制器是廣州周立功公司開發的ARM7芯片。ARM芯片是基于ARM7TDMI-S核、單電源供電、LQFP64封裝的LPC213811,具有JTAG仿真調試、ISP編程等功能。ARM7TDMI-S核是通用的32位微處理器內核，采用馮諾依曼結構，它具有高性能和低功耗的特性。ARM結構是基

18、于精簡指令集計算機(RISC,ReducedInstructionSetComputer)原理而設計的，指令集和相關的譯碼機制比復雜指令集計算機要簡單得多，由此可見使用一個小的、廉價的處理器核就能非常容易實現很高的指令吞吐量和實時的中斷響應。LPC2138的主要特性：16/32位ARM7TDMI-S核，超小LQFP64封裝。8/16/32kB的片內靜態RAM和32/64/128/256/512kB的片內Flash程序存/士qq儲器。通過片內boot裝載程序實現在系統編程和應用編程(ISP/IAP)。2個8路10位的A/D轉換器提供16路模擬輸入,且每個通道具有低至2.44us的轉換時間。1個1

19、0位的D/A轉換器，可產生不同的模擬輸出。PWM單元(6路輸出)、2個32位定時器/外部事件計數器(4路比較通道和帶4路捕獲)和看門狗。多個串行接口，包括2個高速I2C總線(400kbps)、2個16C550工業標準UART、SPI和具有數據長度可變功能和緩沖作用的SSP。低功耗實時時鐘具有獨立的電源和特定的32kHz時鐘輸入。通過外部中斷或BOD將處理器從掉電模式中喚醒。通信模塊在無線傳感器網絡中，節點之間通過無線通信來完成數據的交互，數據的接收和發送消耗了節點的能量。為節省能量，延長節點壽命，需選擇一塊低能耗的通信芯片。本設計采用Chipcon/TI公司開發的一款低功耗通信芯片CC2420

20、12-13作為射頻收發器,CC2420喚醒時延短的特點使它能有更多的時間處于睡眠狀態，從而大大降低了節點的能耗。CC2420是IEEE802.15.4標準的低成本、低功耗單片高集成度的解決方案。它的工作頻率為2.4GHz。CC2420符合歐洲ETSIEN300328、EN300440class2和日本ARIBSTD-T66標準。CC2420的主要特點:具有250bkps的有效數據傳輸速率和2Mchip/s直接擴頻序列基帶調制解調。具有獨立的128字節發射、接收數據緩沖器。適合簡化功能裝置和全功能裝置操作;低電流消耗;接收19.7mA，發射17.4mA;低電源電壓要求;使用內部電壓調節器時2.1

21、-3.6V,使用外部電壓調節器時1.6-2.0V;可編程輸出功率。可監控電池電量,QLP-48封裝,外形尺寸只有7*7mm，適用于各種惡劣的環境。從上述分析可知,該芯片具有良好的性能,尤其是它極低的電流消耗和封裝尺寸，可以滿足無線傳感網絡中節點體積小、質量輕、功耗小、成本低等特點。經測試發現該芯片在本系統中工作良好，功能比較完善。+丄丄鼻匸!4同席臟界陰廬冃牛臨嚴亦1【唸吹控時r-CC1420氫I7墮h軌7辭囲KihrR.SSi*/.蟲迎-；*；i出F1FH民:.711-:CC2420能夠非常方便地與ARM7處理器連接。4DP圖3CC2420芯片內部結構CC2420使用SFD,FIFO,FIF

22、OP和CCA四個引腳表示收發數據的狀態;而處理器通過SPI接口與CC2420收發數據，寫入或讀取配置信息等。ARM7的4個SPI通信接口：SSEL,MOSI,MISO和SCLK分別對應于CC2420的4個SPI通信接口:CSN,S1,SO和SCLK。由于CC2420只有從機模式，因此ARM7處理器只能采用主機模式。ARM7和CC2420引腳連接如圖2所示。節點在發送和接收數據時,處理器的SCLK引腳提供時鐘頻率;SSEL引腳控制數據收發的同步性,CSN引腳置為低電平。MOSI與MISO分別是數據輸出和輸入的引腳。在接收模式下，當節點接收到幀開始分隔符后，將SFD引腳置為高電平。然后接收地址，如

23、果地址錯誤,則SFD引腳被置為低電平，如果地址識別功能禁止或地址接收正確，則SFD引腳CAPO.1SFDSCK1scue-*M0SISIPl.18FIFOARM7P0,21ResetCC2420EINT2FIFOPPL19CCA*MISO1soSSEL1CSNP0.22VREGEN直到所有數據發送完成后才降為低電平。與CC2420的RXFIFO（接收數據存儲區）相關的兩個信號是FIFO和FIFOP。當RXFIFO緩沖區變成空時,FIFO引腳重新被置為低電平。因此當CC2420中是否有接收到的數據,ARM7處理器通過讀取FIFO引腳的電平來進行判斷。當節點接收到的數據長度小于門限值時，則在MPD

24、U最后一個數據被接收完后,FI-FOP引腳輸出高電平。如果接收的數據長度大于門限值，則在接收到的數據長度等于門限值時,FIFOP引腳變成高電平。一旦從RXFIFO緩沖區中讀出數據時,FIFOP引腳變成低電平。為了防止ARM7在CC2420的地址識別完成前讀取那些可能無效的數據，當CC2420的地址識別功能時,FIFOP引腳只有到地址識別成功后才會發揮作用。在給定的時間內,RXFIFO最多能保存128個字節的數據。如果RXFIFO緩沖區溢出，則FIFO引腳變成低電平,同時FIFOP引腳變成高電平。處理器可以通過查詢FIFO引腳和FIFOP引腳的狀態來判斷CC2420是否處于溢出狀態。為了盡量避免

25、RXFIFO緩沖區溢出,可將FIFOP引腳與ARM7處理器的一個外部中斷引腳連接，使ARM7處理器及時讀取CC2420的RXFIFO中的數據。能量供應模塊電能是無線傳感器網絡中非常寶貴的資源，節點電能一旦耗盡，即宣布其壽命終止并退出網絡，剩余的節點需要重新組網。因此，在系統設計中要充分考慮到功耗的最小化。為節約能源，延長電池的壽命，節點上所有工作模塊沒有必要一直保持正常的工作狀態14。當無數據發送、接收及轉發時，無線傳感器網絡節點會調整為休眠狀態，而處于休眠狀態時芯片的能耗極低。CC2420芯片采用低電壓供電(2.1V-3.6V)和休眠模式，且從休眠模式被激活的時延短，因此有更多的時間處于休眠

26、狀態。同時,ARM7也是一款采用低電壓供電的芯片。設計流程本次開發環境是ADSL1.2集成開發環境。使用LPC2138專門工程模板的ARMExecutableforLPC2138建立工程。圖4所示的是CC2420芯片的初始化。圖4CC2420初始化流程圖CC2420內部有33個16位配置寄存器,初基于嵌入式系統的無線傳感器網絡的應用研究圖5發送節點流程圖 始化CC2420時需要對這些寄存進行設置,這些寄存器在芯片復位時都已設置了一些初始值，在實際使用時，根據需要對初始值進行修改。圖5所示的是節點發送數據的流程圖。數據包類型有信標幀、數據幀、ACK幀和MAC命令幀。發送數據時，需要先通過微控制器

27、的SPI接口把需要傳送的數據發送到CC2420的緩沖區中存儲起來，這里根據IEEE802.15.4的幀格式來發送,緩存好數據后就可以啟動發送數據；同時發送節點要表明要不要接收節點返回ACK信息以便判斷本次傳輸是否成功等待CC2420空閑關閉全局中斷等待RSSI有效使能CC2420發射弓|導序列向CC2420寫入包內容等待CC2420發送完畢N復是否需耍ACK等待ACK回復基于嵌入式系統的無線傳感器網絡的應用研究 圖6所示的是節點接收數據的流程圖。接收數據時，會把數據存入到接收緩存區RXFIFO中,并改變FIFO和FIFOP引腳的狀態，處理器通過FIFOP的引腳中斷讀RXFIFO寄存器來依次讀取整個數據包，同時由于CC2420的RXFIFO緩沖區只有128字節，為防止接收數據長度大于128字節，判斷RXFIFO緩沖區是否溢出。6心得體會及建議心得體會經過2周的設計，通過不斷地努力與完善，終于完成了基于嵌入式系統的無線傳感器的應用研究。從一開始的確定課題，到后來的資料查找、理論學習，這一切都使我的理論知識和動手能力進一步得到提高。在選擇課題、原理分析、調試過程中不可避免地遇到各種問題，這要求保持沉著冷靜，聯系書本理論知識積極地思考，遇到解決不了的可以請教同學或指導老師，雖然在設計過程中不可避免地遇到很多問題，但是最后還是在老師以及同學的幫助下圓滿