无线传感器网络微型节点的实现

电子工程师 2018-02-14 1569

通用测试仪器

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描述

无线传感器网络(WSN)由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微型节点，通过自组织的方式构成网络，传感器网络具有分布式处理带来的监测高精度、高容错性、大覆盖区域、可远程监控等众多优点，成为近期国际上网络研究的重要热点之一。

无线传感器网络微型节点是一次性的，要求节点成本低廉和工作时间尽可能长。无线传感网络中不应该存在专门的路由器节点，每个节点既是终端节点，又是路由器节点。节点间采用移动自组织网络联系起来，并采用多跳的路由机制进行通信。因此，在单个节点上，一方面硬件必须低能耗，采用无线传输方式;另一方面软件必须支持多跳的路由协议。IEEE802.15.4/ZigBee协议充分考虑了无线传感器网络应用的需求，是目前被业界普遍看好的一种无线通信协议。基于这些基本的思想，本文设计了以高档8位AVR单片机ATmega128L为核心，结合外围传感器和2.4GHz无线收发模块CC2420的无线传感器网络微型节点，并在实际中得到了应用。

微型节点的结构

无线传感器网络微型节点由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元4部分组成，如图1所示。数据采集单元负责监测区域内信息的采集和数据转换，本设计中数据采集单元包括了温度、湿度、光强度、加速度和大气压力传感器;数据处理单元负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等;数据传输单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据;电源管理单元选通所用到的传感器，节点电源由两节 1.5V碱性电池组成，今后将采用微型纽扣电池，以进一步减小体积。为了调试方便及可扩展性，将数据采集单元独立出来，做成两块能相互套接的可扩展主板。

无线传感器网络

微型节点模块设计

数据处理单元

本设计中数据处理单元选用Atmel公司的ATmega128L微控制器，它是采用低功耗COMS工艺生产的基于RISC结构的8位微控制器，是目前AVR系列中功能最强大的单片机。AVR核将32个工作寄存器和丰富的指令集联结在一起，所有的工作寄存器都与ALU直接相连，实现了在一个时钟周期内执行单条指令的同时访问两个独立寄存器的操作，具有良好的性价比。这种结构提高了代码效率，在性能上比普通CISC单片机提高约10倍。

ATmega128L具有丰富的资源和极低的功耗。它具有片内128KB的程序Flash，4KB的数据SRAM，可外扩到64KB的 E2PROM。此外，它还有8个10位ADC通道，2个8位和2个16位硬件定时/计数器，并可在多种不同的模式下工作;8个PWM通道、可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器;UART、SPI、I2C总线接口;JTAG接口。除了正常操作模式外，还具有六种不同等级的低功耗操作模式，每种模式具有不同的功耗。

采集环境参数信号，需要采样率很高、数据量大的CPU。如果采用传统51系列作为CPU，那么外围A/D器件速度和CPU速度就有一个相互限制的瓶颈;如果加上比较复杂的数据处理和存储，需要扩展外部ROM和RAM;这样多的外围器件限制了系统的稳定性和速度的提高，同时也大大增加了系统的功耗。综合对比之后，数据处理单元选用ATmega128L进行开发。

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