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1、1 1 绪论绪论1.11.1 研究背景研究背景传感器网络是基于无线局域网，由“侦测”功能发展起来的网络架构模式，与传统的网络技术之间存在较大的区别。无线传感器网络的概念是基于一个简单的等式：传感技术加上中央处理器，再联合无线通信技术就形成了数以千计的潜在应用可能12。无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一类全新的信息获取和处理技术，由大量具备传感、数据收集、处理和无线通信能力而体积小、成本低的传感器节点(SensorSensor NodeNode)构成。在无线传感器网络中，每个节点的功能都是相同的，大量传感器节点被布置在整个被观测区域中，各个传感器节点将自
2、己所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合后传送给用户，数据传送的过程是通过相邻节点的接力传送的方式传送回基站，然后通过基站以卫星信道或者有线网络连接的方式传送给最终用户。因此，节点在网络中可以充当数据采集者、数据中转站或类头节点的角色。作为数据采集者，数据采集模块收集周围环境的数据(如温度、湿度等)，通过通信路由协议直接或间接将数据传输给远方基站或汇节点；作为数据中转站，节点除了完成采集任务外，还要接收邻居节点的数据，将其转发给距离基站更近的邻居节点或者直接转发到基站或汇节点；作为类头节点，节点负责收集该类内所有节点采集的数据,经数据融合后，发送到基站或汇节点19。1.21.2 国内外
3、研究现状及应用国内外研究现状及应用无线传感器网络的最初研究来源于美国军方，美国国防先进研究计划局（DARPA）于 2001 年资助加州伯克力大学开发无线传感器系统。美国自然科学基金委员会 2003 年制定了传感器网络研究计划，投资 3400 万美元用于支持该方面的基础研究。英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作。研究取得了一些初步的研究成果。目前国内无线传感器网络尚处于研究阶段，清华大学、中科院沈阳自动化研究所、中科院合肥智能所等单位已开始进行这方面的研究。无线传感器网络应用领域非常广泛。比如当需要对诸如温度、光通量、位移以及噪声等环境参数进行不间断地传感、测
4、试和无线信号传输时，可以考虑在相关领域中配置智能化的无线传感器网络，通过对环境待测参数的传感数据分析来达到检测目的，这一技术已经应用到国防军事、动物的习性观测、材料结构健康监测、交通管理、医疗卫生、灾害监测等领域中12。1.31.3 课题研究目的和任务课题研究目的和任务传感器网络的应用中，低功耗节点的设计具有举足轻重的作用，这是传感器网络得以实现的硬件基础。传感器节点分为静态节点和移动节点，目前研究的主要是基于静态传感器节点构建的传感器网络。无线传感器网络的一般设计方案是在一个较大的区域内，布置一定数量的传感器节点，区域内用一个基站（B-Station，即 PC 机）管理各个节点，各传感节点经
5、过一定路由后将数据传输到基站。由静态传感节点（S-Node）组建的无线传感网络，其节点可按照自组织方式组建网络，按照设定的路由协议选择其中一个或几个作为汇聚节点（sink） ，经过汇聚节点将数据传输到基站。由静态传感器节点和移动传感器节点（M-Node）动态构建的无线传感器网络，可设计网络拓扑结构为星型，网络内所有静态节点以移动节点为汇聚节点，将数据传输给移动节点，移动节点处理后传输给基站。数据传输是由移动节点控制的，移动节点进入传感器节点区域后，发送射频信号，激活各静态节点后建立链接，各节点以自己的节点 ID 号依次将数据传输给移动传感器节点，最终传输到基站。静态传感器节点在配置后，自身不能
6、改变所处位置，感知范围有限；而且由于能耗原因容易使节点脱离网络，改变原有的网络拓扑结构，以致造成信息不能按原有路径传输。移动传感器节点可以依据需要自主移动，动态构建网络以提升网络性能。因而移动传感器节点可以与静态传感器节点一起被配置在特定的场合，以完成许多复杂的任务，如移动目标跟踪、动态信息采集、灾情预警、搜救、军事领域的情报探测等20。课题侧重移动传感器网络节点驱动程序设计，同时完成相应的通信试验。通过对本课题的研究，较好地掌握移动传感器节点的设计，熟悉基于单片机的驱动程序的设计，掌握单片机应用软件的编制与调试，掌握通信驱动程序设计，完成软硬件的联调。这样可以为以后的进一步的更实用性的研究打
7、下基础。在理解传感器网络技术的基础上，参考有关文献，了解通信电路设计的一般方法，在此基础上，完成基于 ATMega128 及 CC1000、CC2420 射频芯片的通信节点设计（完成驱动程序设计） ，设计具有移动功能的传感器节点，驱动电机能够进行按指令的运动，熟悉使用 C 语言，进行驱动程序设计、调试。本文首先介绍软件设计的一般方法，通过比较得出合适的设计方法。简单介绍有关硬件电路设计后结合对小车驱动板电路进行相关分析，结合ATMega128 单片机 C 语言编程的特点和要求，着重给出了小车运动方向控制、运动速度控制、运动距离控制的程序设计方法，并给出了驱动程序和主函数的衔接和调用关系，从而完
8、成软件设计。2 2 硬件电路设计硬件电路设计2.12.1 主要元件介绍主要元件介绍2.1.1 ATMega128 单片机ATMega128 为基于 AVR RISC 结构的 8 位低功耗 CMOS 微处理器。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，ATMega128 的数据吞吐率高达1MIPS/MHZ，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AVR 内核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的复杂指令集微处理器高 10 倍的数据吞吐率。A
9、TMega128 具有如下特点：128K 字节的系统内可编程 Flash（具有在写的过程中还可以读的能力，即 RWW） 、4K 字节的 EEPROM、4K 字节的SRAM、53 个通用 I/O 口线、32 个通用工作寄存器、实时时钟 RTC、4 个灵活的具有比较模式和 PWM 功能的定时器/计数器（T/C） 、两个 USART、面向字节的两线接口 TWI、8 通道 10 位 ADC（具有可选的可编程增益） 、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI 串行端口、与 IEEE1149.1 规范兼容的 JTAG测试接口（此接口同时还可以用于片上调试） ，以及六种可以通过软件选择的省电模式。空闲模式
10、时 CPU 停止工作，而 SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作，寄存器的内容则一直保持；省电模式时异步定时器继续运行，以允许用户维持时间基准，器件的其他部分则处于睡眠状态；ADC 噪音抑制模式时 CPU 和所有的 I/O 模块停止运行，而异步定时器和 ADC 继续工作，以减少 ADC 转换时的开关噪声；Standby 模式时振荡器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展 Standby 模式则允许振荡器和异步定时器继续工作。器件是以 Atmel 的高密度非易失性内存技术生产的。
11、片内 ISP Flash 可以通过 SPI 接口、通用编程器，或引导程序多次编程。引导程序可以使用任何接口来下载应用程序到应用 Flash 存储器。在更新应用 Flash 存储器时引导 Flash 区的程序继续运行，实现 RWW 操作。通过将 8 位 RISC CPU 与系统内可编程的Flash 集成在一个芯片内，ATMega128 为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案。ATMega128 是一个很复杂的微处理器，其 I/O 数目为 AVR 指令集所保留的 64 个 I/O 的超集。为了保持对 ATMega103 的兼容性，ATMega103 的 I/O 位置在 ATMega128 得
12、到了保留。多数添加的 I/O 位于扩展的 I/O 空间$60 到$FF（即位于 ATMega103 的内部 RAM 空间） 。这些地址可以通过指令LD/LDS/LDD 和 ST/STS/STD 来访问，而不是 IN/OUT 指令。对于 ATMega103用户而言，内部 RAM 可能还是个问题。此外，由于中断向量的增加，若程序使用了绝对地址可能也是个问题。为了解决这些问题，ATMega128 设置了一个熔丝位 M103C。此熔丝位编程后就可以使 ATMega128 工作于 ATMega103 兼容模式。此时扩展 I/O 空间将无法使用，而内部 RAM 正好与 ATMega103 的一致。同时扩展
13、的中断向量也被取消了。2.1.2 无线数据传输模块CC1000、CC2420射频芯片是无线数据传输中的无线波的输出部分。在此项目中，无线传输使用的硬件为CC1000，但是CC1000是一个简单的串行的数据输入输出的无线频射芯片，无法实现完整的数据的传输和控制，需要外围的芯片加以控制，实现数据的正常发送和接收，所以在本项目中使用的用CC1000的集成的Txd-1000微功率无线数据传输模块，其结构示意图如图2.1所示：图 2.1 Txd-1000 外部结构示意图TDX-1000 微功率无线数据传输模块有以下的特点：1.微功率发射，功率 10mW。无须向无线电管理委员会申请频点，使用安装方便,载频
14、频率 315MHz,433MHz。2.高抗干扰能力和低误码率。基于 FSK 的调制方式，并采用了前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力，在信道误码率为 10-2时，可得到实际误码率 10-510-6。3.传输距离远。在视距情况下，可靠传输距离不低于 100m。4.数据传输格式:8N1,一个起始位,8 个数据位,一个停止位。5.数据传输速率:从 1200bps9600bps（定货时需确定）6.功耗低、 。接收情况下，耗电量#include#includevoid delay_1ms(void) unsigned int i;for(i=0;i150;i+) /*delay_1
15、ms()为 1ms 延时函数*/void delay_nms(unsigned int n) unsigned int j;for(j=0;jn;j+)delay_1ms(); /*delay_nms 为 nms 延时函数*/void step0(unsigned char speedx,unsigned char distencex) unsigned int t1;DDRB|=0XFC; /*B 口的 6,5,3,2 位设置为输出，用于控制电机转向；4 位和 7 位设置为输出，用于产生 PWM 波形*/PORTB|=0X48,PORTB /*使得 PB6、PB3 置位，PB5、PB2复位*
16、/TCNT0=0x00; /*设置计数初始值*/OCR0=(unsigned char)speedx*255/5; /*根据速度设置占空比，设小车最大速度为 5m/s*/TCCR0=0b01100010; /*启动计数器，设置为 8 分频*/t1=(unsigned int)1000*distencex/speedx;delay_nms(t1); /*延时，让小车运动指定的距离*/PORTB /*关闭电机驱动电平*/TCCR0=0b01100000; /*关闭计数器，PWM 波形停止产生*/ /*step0 为小车的前进函数*/（2）左（右）转 45 度、90 度左转基本设计思想是：当接受到命令时，PB2、PB3 设置为 0 和 0（左轮不运动） ；PB5、PB6 设置为 0 和 1（右轮向前运动） ，根据有关命令参数开启T/C0 产生 PWM 波，从 PB4 口输出；然后运行延时程序，利用运行延时程序的长短来实现进行的是 45 度转向还是 90
