无线传感网络节点设计(编辑修改稿)

无线传感网络节点设计(编辑修改稿)内容摘要：

8， 每个 HCS08 系列的 MCU 都是由 HCS08 核加上几个存储器以及外设模块组成。 HCS08 核的组成部分都有 HCS08 CPU， 背景调试控制器 (BDC)，支持多达 32 个中断 /复位源，芯片级地址译码， 无线收发单元。 毕业 论文 8 方案三： AT89C51是一种带 4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8位微处理器，俗称单片机。 AT89C2051是一种带 2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100次。 该器件采用 ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS51指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能 8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL的 AT89C51是一种高效微控制器。 最终确定选择方案三的 AT89C51，因为 51单片机具有好的适用性和强大的功能。 能满足本设计的需要。 ②无线收发单元 方案一： 采用 TI公司的 CC2500。 CC2500是一种低成本真正单片的 ，为低功耗无线应用而设计。 电路设定为 ISM（工业，科学和医学）和 SRD（短距离设备）频率波段。 RF收发器集成了一个数据传输率可达 500kbps的高度可配置的调制解调器。 通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。 方案二： 采用 nRF2401， nRF2401是单片射频收发芯片，工作于 ～ ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。 芯片能耗非常低，以 5dBm的 功率发射时，工作电流只有 ，接收时工作电流只有 18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。 其 DuoCeiverTM技术使 nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。 nRF2401适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。 方案三： 采用 TI公司的 CC1100。 CC1100是一种低成本真正单片的 UHF收发器，为低功耗无线应用而设计。 电路主要设定为在 31 43 868和 915MHz的 ISM（工业，科学和医学）和 SRD（短距离设备）频率波段，也可 以容易地设置为 300348 MHz、 400464 MHz和800928 MHz的其他频率。 无线射频芯片的种类和数量繁多，无线收发芯片的选择在设计中至关重要，正确的选择可以减小开发难度，缩短开发周期，降低成本。 无线射频收发芯片的工作频段有 433MHz， 968MHz，以及 ZigBee使用的 2． 4GHz等等。 在选择无线收发芯片时应考虑需要以下几点因素：功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的外围元件数量、芯片成本、数据传输是否需要进行曼彻斯特编码等。 （ 1）发射功率。 在同等条件下，为了保证有效和可靠通信 ，应选用发射功率较高的产品。 毕业 论文 9 （ 2）功耗。 大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的，因此功耗也非常重要，应该根据需要选择综合功耗较小的产品。 （ 3）收发芯片所需的外围元件数量。 芯片外围元件的数量直接决定产品的成本，因此应该选择外围元件少的收发芯片。 有些芯片似乎比较便宜，可是外围元件使用很多昂贵的元件，如变容管、声表滤波器等；还有些芯片收发分别需要两根天线，会增加成本。 （ 4）收发芯片的数据传输是否需要进行曼彻斯特编码。 采用曼彻斯特编码的芯片，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的内存和程序容量，并且曼彻 斯特编码大大降低数据传输的效率，一般仅能达到标称速率的 1／ 3。 而采用串口传输的芯片，应用及编程非常简单，传送的效率很高，标称速率就是实际速率。 （ 5）收发芯片的封装和管脚数。 较少的管脚以及较小的封装，有利于减少 PCB面积降低成本，适合便携式产品的设计，也有利于开发和生产。 综合以上 5点要素，在设计时选择 Chipcon公司的 CC2500无线射频芯片。 ③供电单元 由于节点的电源由两节 5号电池供电，节点芯片工作在 3． 3 v的电压下，所以采Linear公司的 LTC3400开关型升压芯片。 它的开关频率为 1． 2 MHz，效率最高可达 92％。 它的外围电路简单，使整个电源在 PCB上的面积大大降低。 因此选择了 LTC3400LTC3400还可在轻负载情况下自动转为突发模式，以节省电能。 ④传感器单元 传感器种类很多，可以检测温湿度、光照、噪声、振动、磁场、加速度等物理量，将这些环境变量转变为可供测量的信号。 相对于常规的传感器，课题的设计中更多的会涉及到的是现成的集成设计的微型传感器，至于传感器的具体工作原理，我们并不关心，我们只要知道用就可以了。 考虑到整个节点由电池供电，必须选择体积小、低功耗、外围电路简单的传感器。 如果是实 际应用，完全可以直接采用不需要信号调理电路的数字式传感器，而在我们的课题设计中，则应当尽量不要使用数字式传感器。 传感器电源的供电电路设计对传感器模块的能量消耗来说非常重要。 对于小电流工作的传感器，可由处理器 I/O 口直接驱动，可以减少能量消耗。 对于大电流工作的传感器， I/O 口不能直接驱动传感器，通常使用场效应管来控制后级电路能量输入。 当有多个大电流传感器接入时，通常使用集成的模拟开关芯片来实现电源控制。 本设计内选用温度传感器 DS18B20。 毕业 论文 10 AT89C51 CC2500 LTC3400 +5V +~ DS18B20 + 最终确定的方案 由 AT89C51 构 成的无线传感网络节点由五部分组成： DS18B20 温度传感器、AT89C5 LTC3400 电源、 CC2500 射频单元。 DS18B20 温度传感器完成数据的采集和转换然后传送给 AT89C51， AT89C51 将数据处理转送给 CC2500 无线模块，通过无线模块发送出去， LTC3400 的电源部分为整个系统提供电力供应。 总体设计如图 23所示： 图 23 无线传感网络节点总体设计 无线传感网络节点 工作原理 利用 AT89C51 组成的无线传感网络节点的工作原理：温度传感器 DS18B20 将被测环境温度转化成带符号 的数字信号（以十六位补码形式，占两个字节）传送给 51单片机，然后单片机经过处理经由 CC2500 的无线发射模块发送给上位机。 无线传感网络节点硬件设计 传感器单元 DS18B20 传感器模块，又称为数据采集模块，它主要目的是将传感器所采集到得模拟信号转换成单片机可以处理的数字信号，然后将数据处理等待发送，它为系统提供了进行处理和决策所必需的原始信息。 因此，它是现代监测系统中的关键环节。 传感器获得信息正确与否，直接影响整个系统的精度，如果传感器的误差较大则随后的测量电路、放大 电路以及微处理器的精确度再高也是徒劳的，因此正确选用传感器尤为重要。 在本系统中，考虑到现实应用的多样性，设计采用内部和外部传感器的方式进行数据采集。 所谓内部就是在节点上设计一个数字式测温芯片 —— DSl8B20；所谓外部就是系统对外提供两路接口给外接传感器。 DSl8820是是美国 DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器。 目前常用的微机与外设之间进行数据传输的串行总线 (如 SPI总线、 I2C总线或 SCI总线等 )，至少需要两条或两条以上的信号线。 美国 DALLAS半导体公司开发了一种新技术 —— 单总线技术。 它采 用单根信号线完成数据的双向传输，并且可以通过该信号线为单总线器件提供电毕业 论文 11 源，节省 I／ O口资源，结构简单，成本低廉、便于扩展。 单总线系统是由挂在一对双绞线 (一根信号线，一根地线 )上的单总线器件芯片，专门的通信协议组成，该系统中只有一个总线命令者，从者可以有多个。 总线命令者可以是 PC机或者普通的单片机，从者是 DALLAS公司提供的单总线器件芯片。 作为单总线器件。 DSl8820全部传感元件和转换电路都集成在一个形如三极管的集成电路内。 与其它传感器相比， DSl8820具有以下技术特性： （ 1）具有独特的单总线接口方 式， DS18B20在与微处理器连接时仅需一条 I/O口线就可实现微处理器与它的双向通信； （ 2）支持多点组网功能，一条总线上可以同时挂接多个 DSl8B20，很方便地实现多点温度的检测； （ 3）数字信号输出，不需要信号放大和 A/D转换等外围电路； （ 4）测温范围 55~+125℃，在 1~+85℃时测温准确度为177。 ℃； （ 5）能提供 9～ 12位二进制温度值输出，可通过编程决定输出位数； （ 6）其工作电源既可采用寄生电源方式产生，也可在远端引入，电源电压范围为 +~。 因为它是数字输出，而且只占用 一个 I/O端口，所以它特别适合于微处理器控制的各种温度测控系统，避免了模拟温度传感器与微处理器接口时需要的 A/D转换和较复杂的外围电路。 缩小了系统的体积，提高了系统的可靠性。 DSl8820只有三根外部引脚，其中 VDD和 GND为电源引脚，另一根 DQ则作为 I/O总线，因此称为一线式数据总线。 如图 24： 24 DS18B20连接设计图 DS18B20 采用３脚 PR－ 35 封装或８脚 SOIC 封装，其内部结构框图如图 2所示。 DS18B20 引脚介绍： TO－ 92 封装的 DS18B20 的引脚排列见图 25，其引脚功能描 述见表 21。 图 25 毕业 论文 12 表 21 DS18B20 详细引脚功能描述 序号 名称 引脚功能描述 1 GND 地信号 2 I/O 数据输入 /输出引脚。 开漏单总线接口引脚。 当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。 3 VDD 可选择的 VDD 引脚。 当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。 DS18B20的使用方法 由于 DS18B20 采用的是 1－ Wire 总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对 AT89C51 单片机 来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对 DS18B20 芯片的访问。 由于 DS18B20 是在一根 I/O 线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。 DS18B20 有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确 性和完整性。 该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。 所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。 而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。 数据和命令的传输都是低位在先。 DS18B20内部结构框图 DS18B20 采用３脚 TO92封装或８脚 SOIC 封装，其内部结构框图如 26所示。 图 26 DS18B20 内部结构 64 位 ROM的结构开始８位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有 48 位，最后８位是前面 56 位的 CRC 检验码，这也是多个 DS18B20 可以采用一线进行通信的原因。 温度报警触发器ＴＨ和ＴＬ，可通过软件写入户报警上下限。 DS18B20 温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存ＲＡＭ和一个非易失性的可电擦除的 EERAM。 高速暂存 RAM 的结构为８字节的存储器，结构如图 3 所示。 C 64 位 ROM 和 单 线 接 口 高速缓存 存储器与控制逻辑 温度传感器 高温触发器 TH 低温触发器 TL 配置寄存器 8 位 CRC 发生器 VDD I/O 毕业 论文 13 头２个字节包含测得的温度信息，第３和第４字节ＴＨ和ＴＬ的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。 第５个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度 值的数字转换分辨率。 DS18B20 工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。 该字节各位的定义如图 27所示。 低５位一直为１，ＴＭ是工作模式位，用于设置DS18B20 在工作模式还是在测试模式， DS18B20 出厂时该位被设置为０，用户要去改动， R1 和Ｒ 0 决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。 由表 22 可见， DS18B20 温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。 因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。 高速暂存ＲＡＭ的第６、７、８字节保留未用，表现为全逻辑１。 第９字节读出前面所有８字节的 CRC 码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。 图 27 DS18B20 字节定义 表 22 DS18B20 温度转换时间表 R0R1000101119101112分辨率/ 位 温度最大转向时间/ m s9 3 . 7 51 8 7 . 53 7 57 5 0.... 当 DS18B2。