基于无线组网技术的前端节点设计学士学位论文(编辑修改稿)

基于无线组网技术的前端节点设计学士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

往 需要很大 [17]。 节点的能源和处理资源有限。 节点通常具有体积小成本低的特点 ， 因此节点内的资源就非常有限， 目前节点的能量来源 主要由电池或者太阳能等 方式获取，由于电池供电的节点寿命 有限， 由 太阳能供电等其他方式 供电 的节点 则会受到 外部条件影响 ，能量容易间断 ， 不够稳定 ； 无线传感器网络节点通常由于成本和体积的限制 ， 导致节点上 不能集成过多的 存储资源 和数据处理资源， 节点要充分利用资源， 在用尽量少的资源和能源 完成 节点功能 [18]。 电子科技大学学士学位论文 6 节点自组织构成网络。 无线传感器网络一般是 通过 随机分布到 检测区域的 节点自组织构成网络， 检测区域环境较为恶劣， 节点网络开始工作后 ， 很难进行人工干预 ， 因此需要其 具有自组织 构成网络 的能力。 节点地位不固定。 检测区域内 各个节点的地位是平等的， 可以是 处理数据收发 ， 完成数据 转发 节点功能， 也可以是信息收集 终端节点 ， 随着网络动态变换角色， 由于外界因素的干扰会导致某些节点可能 工作异常 而 退出网络， 可见 无线传感器网络 是拓扑动态 变化的网络。 无线传感器网络 节点 的 硬件 结构 无线传感器网络节点 是典型的嵌入式系统， 遵循通用嵌入式系统设计原则 ，以应用为核心 ， 软硬件可裁剪 ， 满足功能 、可靠性、 成本 、功耗 等 设计要求。 其中 低功耗是其核心 [19]。 按节点 在 无线传感器网络 中 所处的具体位置 不同， 电路组成结构 不完全相同 [20]~[22]， 无线传感器网络节点 一般可以按照功能上划分为 四个部分 ， 分别是电源模块 、 传感器模块、 处理器模块和 无线通信模块。 传感器 节点 的硬件组成 如下图所示： 图 21 无线传感器网络节点 结构示意图 （ 1）电源模块为其他模块 提供工作能源， 在 整个无线传感器网络节点 的 设计中 具有极其重要 的意义。 在不同的应用环境 和 应用目的下， 可以采取 不同的组态以满足工作需要。 本次电源设计 采用 USB 供电。 （ 2）传感器模块 用于获取 被检测对象的信息 以及相关物理量。 由于工作目的和工作环境 的不同， 所关心 的物理量不同， 选取 的传感器类型也各不相同。 很多传感器采集的数据 为 模拟量， 需将其转换为数字量方便处理 ， 所以 节点应在硬件设计上 具有 AD 采样 的功能。 第二章 无线传感器网络节点的基本理论 7 （ 3）处理器模块 是采集节点 的 核心部分， 由 嵌入式系统构成。 处理器模块 负责处理 存储传感器采集的数据并 协调 传感器 节点各模块 部分 的 工作 ， 同时 处理器模块 需要负责 处理其他节点发来的数据信息。 对于有节能要求的应用系统 ，处理器模块还需要具有控制 电源工作模式 的 功能以实现节能。 （ 4）无线通信模块实现了 节点间的通信， 完成 数据 收发及 命令发送 功能。 具有 低功耗、 短距离通信的特点。 本次 设计根据 工业 应用需求， 将 节点通信距离 要求 为 200 米。 通过上面 对节点硬件结构 的 介绍， 结合 图 21 可以看到 节点的核心模块 为 嵌入式系统， 整个节点 可以视为一个 具有 特殊应用功能的嵌入式系统。 采集模块 、无线通信模块、 电源模块可视作处理器的外围电路。 了解嵌入式系统及其相关设计不仅能够加深对于处理模块的认识， 还可以帮助我们成功设计出 性能优异的 无线传感器网络节点。 本章小结 本章 对无线传感器 网络节点 功能 及结构进行阐述分析 ， 针对 节点的嵌入式 系统结构对 嵌入式系统 的 设计进行了介绍。 电子科技大学学士学位论文 8 第三章 前端节点的硬件设计 构建一个合理的无线传感器网络节点 的 硬件平台 是 无线传感器网络体系建立的基础。 硬件平台 的构建 直接 决定了节点的功耗、体积 、 安全性能等 等。 这些都是 整个无线传感器网络体系 中 的重点。 本章 主要从 前端节点 的 各个功能模块 的 角度， 对节点的 硬件构架 进行研究 和设计。 前端节点 设计要求 无线传感器网络 的 应用范围 和工作方式 决定 了 无线传感器网络节点 的 硬件设计 与普通 无线网络设计 有着 显著的区别， 尤其是对于能量效率的 要求， 而且无线传感器网络的 硬件设计 在 不同应用场合 侧重 也 不同。 无线传感器网络应用范围 非常广泛， 结合实际应用 ， 本小节 将对应用于 数据采集 的 节点 设计要求 进行简要分析。 单一的无线传感器网络节点是 无线传感器网络 现实应用的底层核心， 为通信协议、 应用处理 等 提供硬件支持， 实现任务管理、功耗管理等功能 ， 因此无线传感器网络的硬件 平台设计就是 实现 满足 应用要求的无线传感器节点。 数据采集应用 的主要功能 是在一定的时间跨度内 ， 传感器节点可以采集所需数据并将其通过无线网络 传递到用户 手中。 在 本文中 这种应用 针对 工业环境中的 各种复杂因素 ，应 具有以下特点 ：工作寿命长、 时间同步精确、 传输延时不敏感、 采样数据率低 、网络拓扑稳定， 所以在设计时需充分考虑到 上述要求， 尤其是对工作寿命的要求 ，其传感器节点 的硬件设计 应该 仔细考虑以下几个方面： （ 1）尽可能 降低功耗。 多数传感器采用电池供电方式 ， 而且工作环境差异较大 ， 节点数目较多 ， 一般较难完成额外能量补充 ， 因此 节能是硬件设计非常关键的 考虑因素 ， 通过 节能以延长传感器网络的使用寿命。 （ 2）低成本。 实际应用 中 ， 传感器节点数目多， 节点的成本 也成为硬件设计中 的 重要因素。 从无线传感器网络的 应用推广角度看， 单个节点 的造价一定要低廉， 所以节点设计 要综合考虑 成本 和性能之间的平衡。 传感器网络 的硬件开发和维护 会耗费较大的成本。 第三章 前端节点的硬件设计 9 （ 3）稳定性和安全性。 传感器的稳定性和安全性 是 网络稳定和安全的基础。 软硬件设计中都要考虑节点的稳定性和安全性， 确保在恶劣 的 工作条件下 能够保证 代码安全 和 通信安全。 （ 4）灵活性。 无线传感器网络 的应用范围很广泛， 不同的应用场合 要求会有所不同， 比如采样速率 和 处理能力 等。 所以在硬件体系上 要求足够灵活 ， 可以适应多种应用需求 ，因此节点要具有不同的传感器接口 ， 能够与不同的传感器结合。 另外 ， 选择合适的软硬件组合会使 无线传感器 网络 的组建 更为简易方便，节点的设计还应该采用特殊的软硬件模块 以方便组合。 总体结构设计 本课题 的无线传感器网络节点 的 基本组成 包括如下 四个基本模块： 采集模块 、处理器模块、 通信模块 以及电源模块。 结构 如图 31 所示。 图 31 节点总体结构设计图 处理器模块 主要 进行节点数据的处理 ， 按照既定协议进行装载 ， 并协调整个节点系统 各部分的工作 ， 它是节点的核心控制部分 ，对于无线传感器网络节点，处理器模块通常由 低功耗控制器及其外围设备构成 ，本课题使用 TI的 MSP430F149作为 主芯片。 通信模块 是多个 节点 构成网络的 必需组件 ， 它为网络传输提供物理支撑 ， 通信模块 由无线收发芯片 、 外围电路及天线构成，基于本课题要求，前端节点同样支持 RS485 总线。 电子科技大学学士学位论文 10 采集模块负责将 环境信息 转化为系统可处理 的数据信息， 它是节点数据的原始来源 ， 该部分通常 包含一个或多个 各种类型 的传感器， 传感器 的数量 和 类型选择 由具体的应用 而决定。 本课题 使用单一传感器， DS18B20 来 采集温度信息。 电源模块 是节点能量来源。 本课题 的前端节点采用 USB 供电 ，由电压转换电路转换成 作为 节点系统的电源电压。 MSP430 微处理器模块 的 设计与实现 传感器 节点的 功耗 、体积 要求 决定了 其器件的选择除 要求功能上的完备 还必须综合考虑功耗 、 设计复杂程度 、 对应用环境 的适应能力 等 因素。 核心芯片 MSP430F149 MSP430F149 的 外观如图 32 所示。 图 32 MSP430F149 外观 示意图 第三章 前端节点的硬件设计 11 作为 前端节点的核心部件， MSP430F149 微控制器是 MSP430 家族的一款FLASH 型 单片机 ， 其结构与功能如图 33 所示。 现 将 结合 MSP430F149 在 系统 中的应用 简单 介绍一下该单片机的 一些 特点。 图 33 MSP430F149 结构与功能 框图 低电压和超低功耗 工作电压 在 ~ 之间 ， 在 供电电压、 1MHz主频时钟频率下 ， 活动模式 的工作电流为 280μ A， 关闭模式时的电流 为 A；具有 16 个 中断源， 并且可以任意嵌套 ， 使用 灵活方便 ； 从备用状态唤醒只需要 6μ s， 可编制出实时性较高的源代码。 强大的处理能力 MSP430F149 单片机运行 16 位 RISC 指令集 ， 具有丰富的寻址方式 （ 7 种 源操作数寻址， 4 种 目的操作数寻址） 、 简洁的 27 条 内核指令 以及大量的模拟指令； 大量的寄存器以及 片内数据存储器 都可以 参加各种运算； 还有高效的查表处理方法 ；有高效的处理速度 ， 在 6M 晶体 振动下， 指令周期 为 167ns，满足了 前端节点的 处理速度的要求。 系统工作稳定 上电复位时 ， 先由 DCO 振荡器 启动 CPU，保证程序从正确的位置 开始运 行，使晶体振荡器有足够的时间起振和稳定。 然后可通过 软件 来 设置系统的时钟频率。 如果晶体振荡器 在用作 CPU 时钟 时发生故障， DCO 会 自动启动， 保证系统正常运行； 如果程序跑飞，可用 看 门狗将其复位。 电子科技大学学士学位论文 12 丰富的片上外围模块 它们是以下外围模块的不同组合： 基础时钟模块、 FLASH 存储器 、 48 个 I/O端口（其中 12 个 I/O 端口 具有中断功能 ）、 硬件乘法器、 通用的 串行同步 /异步通信模块 USART、 看门狗 定时器 WDT、 16 位 TIMER_A 定时器、 16 位 TIMER_B定时器 、 通用模拟比较器和 12 位 A/D 转换器 AD12。 丰富的资源 满足了前端节点的外围 接口电路 的要求。 多种时钟模块 MSP430F149 具有三种时钟源可以选择提供给 MCLK、 SMCLK 和 ACLK。 其中 LFXT1 提供给 外围设备 32768Hz 的 时钟， LFXT2 可以 提供高达 8MHz 的时钟供单片机运行使用 ， DCO 为单片机内部提供 ， 并具有锁相环 ， 为系统提供一个内部时钟源， 当 XTALT2 没有提供时 ， 系统依靠 DCO 运行， 整个时钟配置可以通过DCOCTL、 BCSCTL BCSCTL2 和 SR等 控制寄存器中 的 相应的位来选择和 控制，非常灵活 ， 方便了系统的开发应用。 存储空间结构 MSP430F149 的 存储空间 采用 “冯 ——诺依曼 ”结构 ， ROM、 RAM、 外围模块和 SFR 由同一组地址及数据总线连在同一个地址空间中 ， 寻址能力为 64KB。 它具有 60KB 的 程序 ROM、 256 字节 的 信息 ROM 和 2KB 的 RAM， 能够完全满足系统程序 驻留 和用户程序 存储 的要求。 方便高效的开发方式 MSP430F149 单片机 可以由 IAR for MSP430 仿真工具（ FET） 提供支持。 该FET 是 一种完整的集成开发环境， 包括 源代码级调试器 、 仿真器 、 C 编译器 等。 通过 器件 片内的 JTAG 接口， 可以电擦写 FLASH；也可以 先下载程序到 FLASH存储器 内， 再进行程序调试。 适应 工业级的运行环境 MSP430F149 单片机 的 运行环境 温度为 40℃ ~+85℃ ， 因此适合于工业运行环境下 的 前端节点系统使用。 晶振电路 对于一个 高可靠性的 系统设计 ， 晶振的选择非常重要 ， 尤其是设计 带有睡眠唤醒 （往往采用低电压以求低功耗）的 系统。 这是因为 低供电电压 提供给 晶体的激励功率减小， 造成晶体起振很慢 或者 根本不起振。 这一 现象 在上电复位时 并不第三章 前端节点的硬件设计 13 特别明显 ， 因为上电时电路有足够的扰动 ， 很容易建立振荡。 在睡眠唤醒时 ， 点路上的扰动要比系统上电时小得多 ， 起振就很不容易。 在振荡回路中 ，晶体既不能过激励（容易振荡到高次谐波上）， 也不能欠激励（ 不容易起振 ）。 系统电路 选用 32768Hz 和 8M 两个 外部晶振。 每一种晶振 都有各自的特性， 需要按照制造厂商提供的数值选择 外部元器件。 根据推荐值 ， 32768Hz的 晶振选用 15pF 的 陶瓷电容 ， 8M的 晶振选用 30pF 的晶振。 电源电路 前端节点系统中 MSP430F149 微控制器需要 的 电压， 它是 通过 AMS1117电压转换电路来 实现的， 如图 34 所示。 图 34 系统电源 AMS1117 应用电路 AM。