無線傳感器網(wǎng)絡微型節(jié)點的實現(xiàn)

引言

無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)由隨機分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微型節(jié)點，通過自組織的方式構成網(wǎng)絡，傳感器網(wǎng)絡具有分布式處理帶來的監(jiān)測高精度、高容錯性、大覆蓋區(qū)域、可遠程監(jiān)控等眾多優(yōu)點，成為近期國際上網(wǎng)絡研究的重要熱點之一。

無線傳感器網(wǎng)絡微型節(jié)點是一次性的，要求節(jié)點成本低廉和工作時間盡可能長。無線傳感網(wǎng)絡中不應該存在專門的路由器節(jié)點，每個節(jié)點既是終端節(jié)點， 又是路由器節(jié)點。節(jié)點間采用移動自組織網(wǎng)絡聯(lián)系起來，并采用多跳的路由機制進行通信。因此，在單個節(jié)點上，一方面硬件必須低能耗，采用無線傳輸方式;另一 方面軟件必須支持多跳的路由協(xié)議。IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議充分考慮了無線傳感器網(wǎng)絡應用的需求，是目前被業(yè)界普遍看好的一種無線通信協(xié)議�；�于這些基本的思想，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無線收發(fā)模塊CC2420的無線傳感器網(wǎng)絡微型節(jié)點，并在實際中得到了應用。

微型節(jié)點的結構

無線傳感器網(wǎng)絡微型節(jié)點由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源管理單元4部分組成，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集單元負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的 采集和數(shù)據(jù)轉換，本設計中數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理單元負責控制整個節(jié)點的處理操作、路由協(xié)議、同步定 位、功耗管理、任務管理等;數(shù)據(jù)傳輸單元負責與其他節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù);電源管理單元選通所用到的傳感器，節(jié)點電源由兩節(jié) 1.5V堿性電池組成，今后將采用微型紐扣電池，以進一步減小體積。為了調試方便及可擴展性，將數(shù)據(jù)采集單元獨立出來，做成兩塊能相互套接的可擴展主板。

圖1無線傳感器網(wǎng)絡微型節(jié)點結構圖

微型節(jié)點模塊設計

數(shù)據(jù)處理單元

本設計中數(shù)據(jù)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，實現(xiàn)了在一個時鐘周 期內(nèi)執(zhí)行單條指令的同時訪問兩個獨立寄存器的操作，具有良好的性價比。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(nèi)128KB的程序Flash，4KB的數(shù)據(jù)SRAM，可外擴到64KB的 E2PROM。此外，它還有8個10位ADC通道，2個8位和2個16位硬件定時/計數(shù)器，并可在多種不同的模式下工作;8個PWM通道、可編程看門狗定 時器和片上振蕩器、片上模擬比較器;UART、SPI、I2C總線接口;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(shù)信號，需要采樣率很高、數(shù)據(jù)量大的CPU。如果采用傳統(tǒng)51系列作為CPU，那么外圍A/D器件速度和CPU速度就有一個相互限制 的瓶頸;如果加上比較復雜的數(shù)據(jù)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(tǒng)的穩(wěn)定性和速度的提高，同時也大大增加了系統(tǒng)的功 耗。綜合對比之后，數(shù)據(jù)處理單元選用ATmega128L進行開發(fā)。數(shù)據(jù)處理單元接口電路如圖2所示。

圖2數(shù)據(jù)處理單元接口電路