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1、无线传感器在网络中的应用设计论文1引言无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，简称 WSNs)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信形成一个多跳自组织网络系统，能够实时监测、感知和采集网络分布区域内监视对象的各种信息，并加以处理，完成数据采集和监测任务。WSNs 综合了传感器、嵌入式计算、无线通讯、分布式信息处理等技术，具有快速构建、自配置、自调整拓扑、多跳路由、高密度、节点数可变、无统一地址、无线通信等特点，特别适用于大范围、偏远距离、危险环境等条件下的实时信息监测，可以广泛应用于军事、交通、环境监测和预报、卫生保健、空间探索等各个领域。2
2、节点的总体设计和器件选型2.1 节点的总体设计WSNs 微型节点应用数量比较大，更换和维护比较困难，要求其节点成本低廉和工作时间尽可能长;功能上要求 WSNs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。基于这些基本思想，设计了以高档 8位AVR单片机 ATmega128L为核心，结合外围传感器和 2.4 GHz无线收发模块 CC2420的 WSNs微型节点。这两款器件的体积非常小，加上外围电路，其整体体积也很小，
3、非常适合用作 WSNs节点的元件。图 1给出 WSNs微型节点结构。它由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元 4部分组成。数据采集单元负责监测区域内信息的采集和数据转换，设计中包括了可燃性气体传感器和湿度传感器;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，节点电源由几节 AA电池组成，实际工业应用中采用微型纽扣电池，以进一步减小体积。为了调试方便及可扩展性，可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。2.2 处理器选型处理器的
4、选型要求和指标是功耗低，保证长时间不更换电源也能顺利工作，供给电压小于 5 V，有较快的处理速度和能力，由于节点是需要大量安置的，所以价格也要相对便宜。选用 AVR单片机，考虑到电路中 I/O的个数不多，功耗低、成本低、适合与无线器件接口配合等多方面因素，综合对比后，选用Atmel公司的 ATmega128L。该微型控制器拥有丰富的片上资源，包括 4个定时器、4 KB SRAM、128KB Flash和 4 KBEEPROM;拥有 UART、SPI、I2C、JTAG 接口，方便无线器件和传感器的接入;有 6种电源节能模式，方便低功耗设计。2.3 无线通信器件选型 CC2420 是一款符合 Zi
5、gBee技术的高集成度工业用射频收发器，其 MAC层和PHY层协议符合 802.15.4规范，工作于 2.4 GHz频段。该器件只需极少外部元件，即可确保短距离通信的有效性和可靠性。数据传输单元模块支持数据传输率高达 250 Kb/s，即可实现多点对多点的快速组网，系统体积小、成本低、功耗小，适于电池长期供电，具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点。2.4 传感器选型由于 WSNs是用于矿下安全监测，常要检测矿下可燃气体的浓度(预防瓦斯气体浓度过高)和空气湿度，所以要选择测量气体浓度和湿度的传感器。2.4.1 HIH-4000 系列测湿传感器HIH-4000 系列测湿传感器作为一个低
6、成本、可软焊的单个直插式组件(SIP)能提供仪表测量质量的相对湿度(RH)传感性能。RH 传感器可用在二引线间有间距的配量中，它是一个热固塑料型电容传感元件，其内部具有信号处理功能。传感器的多层结构对应用环境的不利因素，诸如潮湿、灰尘、污垢、油类和环境中常见的化学品具有最佳的抗力，因此可认定它能适用矿下环境。2.4.2 MR511 热线型半导体气敏元件MR511 型气敏元件利用气体吸附在金属氧化物半导体表面而产生热传导变化及电传导变化的原理，由白金线圈电阻值变化测定气体浓度。MR511 由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时，检测元件的电阻减小，桥路输出电压变化，该电压变化随
7、气体浓度的增大而成比例增大，补偿元件具有温度补偿作用。MR511 除具有灵敏度高、响应恢复时间短、稳定性好特点外，还具有功耗小，抗环境温湿度干扰能力强的优点。WSNs 的节能和井下恶劣温湿环境要求 MR5111可以满足。3 WSNs 节点设计3.1 数据采集单元考虑到无线传感器网络节点的节能和井下恶劣的温湿环境，为了便于数据采集，系统设计采用 HIH-4000-01型测湿度传感器和 MR511热线型半导体气体传感器。图 2、图 3分别给出其电路设计图。3.2 数据处理单元ATmega128L 的外围电路设计简单，设计时注意在数字电路的电源并人多只电容滤波。ATmega128L 的工作时钟源可以
8、选取外部晶振、外部 RC振荡器、内部 RC振荡器、外部时钟源等方式。工作时钟源的选择通过 ATmega128L的内部熔丝位来设计。熔丝位可以通过 JTAG编程、ISP 编程等方式设置。ATmega128L 采用 7.3728 MHz和 32.768 kHz两个外部晶振。前者用作工作时钟，后者用作实时时钟源。3.3 数据传输单元3.3.1 CC2420 外围电路设计图 4给出数据传输单元的外围电路。CC2420 只需要极少的外围元器件。其外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路 3部分。射频输入/输出匹配电路主要用来匹配器件的输入输出阻抗，使其输入输出阻抗为 50 ，同
9、时为器件内部的 PA及 LNA提供直流偏置。射频输入/输出是高阻抗，有差别。射频端最适合的负载是 115+j180 。C61、C62、C71、C81、L61 组成不平衡变压器，L62 和 L81匹配射频输入输出到 50 ;L61 和 L62同时提供功率放大器和低噪声放大器的直流偏置。内部的 T/R开关是为了切换低噪声放大器/功率放大器。R451偏置电阻是电流基准发生器的精密电阻。CC2420 本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供。若由内部电路提供时，需外加晶体振荡器和两只负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。设计采用 16 MHz晶振时，其电容值约为 22 pF。
10、C381 和 C391是外部晶体振荡器的负载电容。片上电压调节器提供所有内部 1.8 V电源的供应。C42 是电压调节器的负载电容，用于稳定调节器。为得到最佳性能必须使用电源去耦。在应用中使用大小合适的去耦电容和功率滤波器是非常重要的。CC2420可以通过 4线 SPI总线(SI、SO、SCLK、CSn)设置器件的工作模式，并实现读，写缓存数据，读/写状态寄存器等。通过控制 FIFO和 FIFOP引脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。3.3.2 配置 IEEE 802.15.4工作模式CC2420 为 IEEE 802.15.4的数据帧格式提供硬件支持。其 MAC层的帧格式为：头帧+数据帧+校
11、验帧;PHY层的帧格式为：同步帧+PHY 头帧+MAC 帧，帧头序列的长度可通过设置寄存器改变，采用 16位 CRC校验来提高数据传输的可靠性。发送或接收的数据帧被送入 RAM中的 128字节缓存区进行相应的帧打包和拆包操作。表 1给出 CC2420的四线串行 SPI接口引脚功能。它是设计单片机电路的依据，充分发挥这些功能是设计无线通信产品的前提。3.3.3 CC2420 与单片机接口电路设计CC2420 与 ATmega128L单片机的接口电路。CC2420 通过简单的四线(SI、SO、SCLK、CSn)与 SPI兼容串行接口配置，这时 CC2420是受控的。ATmega128L 的 SPI
12、接口工作在主机模式，它是 SPI数据传输的控制方;CC2420 设为从机工作方式。当 ATmega128L的 SPI接口设为主机工作方式时，其硬件电路不会自动控制 SS引脚。因此，在 SH通信时，应在 SPI接口初始化，它是由程序控制 SS，将其拉为低电平，此后，当把数据写入主机的 SPI数据寄存器后，主机接口将自动启动时钟发生器，在硬件电路的控制下，移位传送，通过 MOSI将数据移出 ATmega128L，并同时从 CC2420由 MISO移人数据，8 位数据全部移出时，两个寄存器就实现了一次数据交换。4 结语通过对于无线传感器网络节点中传感器元件、数据处理模块、数据传输模块和电源的选择，设
13、计了一种以 CC2420和 ATmega128L为主体的硬件方案。利用该方案设计的 CC2420和 ATmega128L的外围电路以及两者之间的接口电路。此外，还对传感器与单片机的接口电路进行设计。通过实验验证，设计的硬件节点基本上达到了项目要求，经调试能通过传感器正确真实地采集数据，并实现两个无线节点(两个电路板。AA电池供电)在 30 m左右的通信、传输数据、并反映到终端设备。论析无线传感器网络应用【论文摘要】本文从无线传感器网络的定义出发，简单阐述无线传感器网络的组成和介绍无线网络的发展历史，用几个实例展示无线传感器网络的具体应用，最后展望了无线传感器网络的发展前景。【论文关键词】无线传
14、感器;网络应用;未来展望1 无线传感器网络1 .1 定义就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。1.2 发展历史(责任编辑：younian) 早在上世纪 70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用
15、，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。1.3 组成一个无线传感器网络通常包括三要素，即传感器、感知对象和观察者。传感器由电源、感知部件、嵌人式处理器、存储器、通信部件和软件等几个部分组成，这些部分相互协调，共同完成对外界信息的感知功能;感知对象是无线传感器网络的监测目标;观察者是无线传感器网络的用户，是传感信息的接收者和应用者。1.4 特点(1)自组织。传感器网络系统的节点具有自动组网的功能，节点间能够相互通信协调工作。(2)多跳路由。节点受通信距离、功率控制或节能的限制，当节点无法与网关直接通信时，需要由其他节点转发完成数据的传输，因此网络数据传输路由是多跳的。(3)动态网络拓扑。在
16、某些特殊的应用中，无线传感器网络是移动的，传感器节点可能会因能量消耗完或其他故障而终止工作，这些因素都会使网络拓扑发生变化。(4)节点资源有限。节点微型化要求和有限的能量导致了节点硬件资源的有限性。2 无线传感器网络的应用无线传感器网络虽未形成大规模的市场应用，但拥有十分广阔的前景，在军事、国防、环境监测、医疗卫生、建筑物监测等等许多领域都有重要的研究价值和巨大的实用价值，被誉为对十一世纪产生巨大影响力的技术之一。2.1 军事应用同很多高科技技术一样，无线传感器网络的产生也是源于网络在军事应上的需求，无线传感器网络本身的概念更贴近其在军事上的应用。无线传感器网络在战场上的应用主要是信息搜集、跟踪敌人、战场监测、目标分类。无线传感器网络由低成本、低功耗的密集型节点构成，拥有自组织性和相当的容错能力，即使部分节点遭到恶意破坏，也不会导致枯个系统的崩溃，正是这一点保证了无线传感器网络能够在恶劣的战场环境下工作，从而最大程度地减少伤亡，同时提供准确可靠的信息传输。在和平年代，主要用于国士安全保护、边境监视等应用。例如，在保护国土、防止人侵的时候
