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1、基于嵌入式的传感器网络设计摘要 传感器网络是当前的一个研究热点。它是由许多在空间上分布的自动装置组成的一种网络，这些装置使用传感器协作地监控不同位置的环境状况。本课题所设计的基于嵌入式的传感器网络系统，主要是应用于机器人的传感器信息的采集和处理。该系统采用了USB总线对大量传感器进行信息采集，交由嵌入式ARM9进行处理，最终将结果统一上传工控机，实现整个传感器网络的统一规划和信息融合。本网络系统由于引入了USB接口，较以前的传统接口提高了数据传输的速率，且支持热插拔，使用更方便。本论文侧重于系统的终端设备部分的研究，阐述了由Philips公司的PDIUSBD12与ATMEL的STC89C52等
2、组成的传感器网络终端的设计方案、开发方法和开发过程，并给出了具体实现方案。该终端的设计包括硬件设计，固件程序开发，驱动程序设计和主机应用软件设计，其中的固件程序开发是设计中的重点。本论文实现了传感器信息的采集和存储，并能响应主机的各种请求和通过USB接口采用批量传输方式上传送采集到的数据给主机。关键词 传感器；USB设备；USB接口；传感器网络；单片机 目录1. 前 言41.1 课题的提出及意义41.2 国内外研究现状42 系统整体方案设计72.1 方案选择72.2 系统方案概述92.2.1 系统硬件方案102.2.2 系统软件方案113.系统硬件设计133.1 芯片的选择133.2 终端电路
3、设计与分析143.2.1 PDIUSBD12芯片简介143.2.2 硬件设计与分析154.系统软件设计214.1 固件程序设计214.1.1 传感器数据采集部分214.1.2主循环程序214.1.3 中断服务子程224.2 驱动程序设计274.2.1 驱动程序INF文件简介274.2.2 INF文件处理过程284.2.3 INF文件的结构284.2.4 INF文件的修改294.3 上位机应用软件294.3.1 上位机测试软件294.3.2 命令格式305.系统测试与结论315.1 系统测试315.2 测试结论356.结论366.1 总结366.2 展望36致谢37参考文献381. 前 言1.1
4、课题的提出及意义本课题来源于广州大学实验中心的机器人项目。机器人身上有大量的传感器，必须对其进行信息采集和处理。传统的信息采集方式都是孤立的，基本都是使用串口或I2C总线等低速率总线进行采集，这些接口或者规范不一，或者可扩展性差，或者稳定性差，或者功耗大等，无法实现大规模传感器阵列的采集，且不具备即插即用功能，使用非常不方便。本系统是设计一套基于嵌入式的传感器网络系统，通过采用USB总线对传感器信息进行传送，交由嵌入式处理器ARM9进行综合处理，最终将结果上传至工控机，实现整个传感器网络的统一规划和信息融合。由于引入了USB这种新型的通信接口，使得整个系统不再那么庞大，且连接方便，支持即插即用
5、，其数据传输速度远远高于普通的串口和并口。本设计侧重于实现硬件系统的设计和实现。1.2国内外研究现状传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期。从21世纪开始，传感器网络引起了学术界、军事界和工业界的极大关注，美国和欧洲相继启动了许多关于传感器网络的研究计划。特别是美国通过国家自然基金委、国防部等多种渠道投入巨资支持传感器网络技术的研究。1 军事领域美国国防部和各军事部门较早开始启动传感器网络的研究，在C4ISR的基础上提出了C4KISR计划，强调战场情报的获取能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列军事传感器网络研究项目。1美国陆军2001年就提出
6、了“灵巧传感器网络通信”计划，在2001-2005财政年度期间实施。美国陆军近期又确立了“无人值守地面传感器群”项目，其主要目标是使基层部队指挥员根据需要能够将传感器灵活部署到任何区域。美国陆军还确立了“战场环境侦察与监视系统”项目。该系统是一个智能化传感器网络，可以更为详尽、准确地探测到精确信息。2002年5月，美国Snadia国家实验室与美国能源部合作，共同研究能够尽早发现以地铁、车站等场所为目标的生化武器袭击，并及时采取防范对策的系统。它属于美国能源部恐怖对策项目的重要一环。该系统集检测有毒气体的化学传感器和网络技术于一体。安装在车站的传感器一旦检测到某种有害物质，就会自动向管理中心、通
7、报，自动进行引导旅客避难的广播，并封锁有关入口等。该系统除了能够在专用管理中心进行监视之外，还可以通过Internet进行远程监视1。2民用领域美国交通部1995年提出了“国家智能交通系统项目规划”，预计到2025年全面投入使用。该计划试图有效集成先进的信息技术、数据通信技术、传感器技术、控制技术及计算机处理技术并运用于整个地面交通管理，建立一个大范围全方位的实时高效的综合交通运输管理系统。这种新型系统将有效地使用传感器网络进行交通管理，不仅可以使汽车按照一定的速度行驶，前后车辆自动保持一定的距离，而且还可以提供有关道路堵塞的最新消息，推荐最佳行车路线以及提醒驾驶员避免交通事故等 1。英特尔公
8、司在2002年10月发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”,计划宣称，英特尔将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火乃至海底板块调查、行星探查等领域的应用。实现该计划需要三个阶段，包括物理阶段、实现阶段和应用阶段。物理阶段主要开发集成感知、计算和通信功能的超微型传感器。实现阶段将在实际商务中使用来自传感器网络的感知数据。应用阶段将传感器网络应用于预防医学、环境监测及灾害对策等领域1。3学术界美国自然科学基金委员会2003年制定了无线传感器网络研究计划，在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心，联合周边的加州大学伯克力分校、南加州大学等，展开“嵌入式智能传感器”的研究项目
9、，以求利用传感器网络对我们生活的物理世界实现全方位的测试与控制，支持相关基础理论的研究，这也是美国国情咨文中有关Internet2最主要的远景规划之一。传感器网络涉及传感器技术、网络通信技术、无线传输技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术、软件编程技术等多学科交叉的研究领域，具有鲜明的跨学科研究特点。美国所有著名院校几乎都有研究小组在从事传感器网络相关技术的研究，加拿大、英国、德国、芬兰、日本和意大利等国家的研究机构也加入了传感器网络的研究。我国在传感器网络方面的研究起步较晚，一些大学最先注意到这个方向的研究前景并开始了研究工作。我国的中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所、软件研究所、计算所
10、、电子所、自动化所和合肥智能技术研究所等科研机构，哈尔滨工业大学、清华大学、北京邮电大学、西北工业大学、天津大学和国防科技大学等院校在国内较早开展了传感器网络的研究，2004年起有更多的院校和科研机构加入到该领域的研究工作中来。1.3 主要研究内容由于时间和知识水平等方面的限制，本论文在对整个网络系统提出了整体的设计方案的基础上，只侧重于系统的终端设备的开发，在本课题研究结果的基础上，可以形成任何形式的USB网络终端，为以后该终端应用于嵌入式网络系统，提高数据传输速率，降低开发成本，节省电源等方面打开了新的局面。主要研究内容如下:（l）熟悉相关的机器人传感器的原理和应用。（2）掌握USB总线的
11、协议及USB总线系统的组成结构。（3）研究网络终端硬件实现的方法、需要的芯片及硬件电路，设计符合要求的终端电路。（4）研究网络终端的软件开发，掌握和编写适合本系统的USB固件程序和传感器采集程序，使之能完成USB的枚举、配置和通讯功能。（5）掌握计算机USB设备驱动程序开发工具及编程方法，通过计算机能识别出终端设备。（6）上位机软件能读写终端设备，以验证该终端可用。2 系统整体方案设计2.1 方案选择嵌入式网络系统中常用的网络接口有I2C、RS232，RS485，SPI等，但这些传统接口传输速度低，且存在很多的缺陷，或者规范不一，或者体积庞大，或者扩展性差，且不支持热插拔，使用不便。随着信息技
12、术的迅猛发展，这些传统的接口己经不能满足需要。现在市场上己有很多新的接口总线标准，发展迅速而且在业界比较流行的有:蓝牙、IEEE 1394和USB。IEEE 1394通常被称为Fire Wire（火线），是由苹果公司于80年代中期开始开发的一种允许连接多种高性能设备的高速串行总线。它的主要特点包括：使用方便；支持高速应用;可升级的性能；支持异步和等时传输等。它的最高数据传输速率达到3.2Gb/S，比UBS2.0的速度快了6倍，但受其规范复杂性的影响，采用芯片组架构的硬件方案使其价格偏高，不适合实现低性能、低成本的外设。蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接
13、为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。蓝牙的数据传输速率为1Mbit/s。蓝牙技术也有它的局限性，如，技术太过复杂，设备价格过高。USB(Universal Serial Bus)通用串行总线是一种快速的、双向的、同步传输的、廉价的并支持热拔插的串行接口。USB总线自诞生之初就以方便易用、稳定可靠、廉价高速为目标，制定了相对复杂而全面的通信协议，以适应种类不断增多、功能不断加强的外设的发展。同以上两种接口总线相比，USB具有不可比拟的优点:1.速度快：USB1.1的传输速率低速（1.5Mbps）和全速（12Mbps）两种，USB2.0更发展到了480Mbps，而更新的USB3.0的
14、速度据说可达5GB/S左右,适用于不同的设备类型。2.良好的扩展性：可以连接多达127个外围设备。3 即插即用：USB实现了真正的即插即用和热插拔，设备连接上后由软件自动配置，完成后立刻就能使用，不需用户干预。4 可选的供电模式：USB设备可以从主机接口或集线器上获得电源（能够满足多数设备的需求），也可以选择自供电。5 错误检测和恢复：USB事务处理包括错误检测机制，它们用以确保数据无错误发送。在发生错误时，事务可以重新启动。6 支持4种类型的传输方式：USB定义了4种不同的传输类型来满足不同设备的需求。它们分别是同步传输、批量传输、中断传输和控制传输。7 价格低廉。与其他接口相比，USB接口
15、在线缆和机械方面简单易行，因而有较大的价格优势。基于如上的优势，USB接口得到了广泛的应用。同时，USB总线在嵌入式系统中的应用也已成为当前USB技术应用领域的热点。在嵌入式系统中加入USB接口可以方便地与主机进行通信和大量数据交互，并可通过PC进行USB接口设备间的数据交换，这非常适合于本设计的要求，通过USB总线能将大量的传感器信息快速地上传到上位机。现将各种接口通过列表进行比较如下:表2-1 常用外部总线比较接口数据格式传输速率架构延伸距离是否支持热插拔USB异步串行1.5Mbit/s 12Mbit/s480Mbit/s主/从 星形127个设备5m,通过5个集线器达30m是RS232异步串行20Kb/s(有达115KB/s)1030m否RS485异步串行10Mb/s1200mI2C同步串行1000kb/s标准400kb/s快速3.4Mb/s高速主/从多个主机5m左右否SPI串行1Mb/s主/从5m否IEEE 1394串
