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无线传感器网络节点的设计探讨范文

时间:2022-08-16 08:23:26

无线传感器网络节点的设计探讨

《电子器件杂志》2014年第三期

1节点硬件设计

1.1节点总体结构文章使用Atmega128处理器实现节点设备设计,使用CC2420实现网关节点的设计。系统硬件由射频通信、通用接口、微处理器、能量监测和数据采集模块构成。节点的硬件结构图如图2所示。微处理器模块使用ATMEAG128L-64I型芯片实现,此芯片的功耗很低。通过CC2420和单极天线实现。数据采集模块通过通用接口和MCU相连,这样就可以实现各类型的模拟传感部件。各个电路的时钟周期都是各自的特点进行设置,这样便于随时和MCU通信,同时还能很好的节约能量[4]。

1.2射频通信模块使用芯片CC2420实现射频通信模块的基本能。此芯片的抗邻频道干扰能力很强,其工作频带范围是2.4000GHz~2.4835GHz,传输速率为250kbit/s,码片速率能够达到2MChip/s;电流消耗极低,接收灵敏度为-94dBm。和MCU的通信通过并行总线制通信方式实现[5]。读写缓存数据可以使用4线SPI总线控制芯片模式进行。CSn是片选信号。CCA和SFD分别能进行通道清除和定时信息。CC2420内部有状态可设的33个16bit寄存器。SI总线有24bit数据,这些数据的分配是这样的:存储选择1bit、读写控制1bit、地址选择6bit和数据。数据的传输通过MSB优先方式实现。表1是MCU和CC2420具体的通信接口。

1.3能量监测模块如果使用电池对传感器节点供电,必须认知自身能量存储与消耗情况。此外还要能进行自身的调整。传统的Mica2电源电压监测法虽然简单,但是受稳压电路的参数的限制,灵活性不够[6]。文章中采用的方法充分利用Mica2电源电压监测法的优点,同时还能克服其缺点。文章中的能量监测模块是通过AT-MEGA128的ADC(Analog-to-DigitalConverter)差分通道实现的。其核心思想是根据传感器工作的电压档位不同,能量供应的策略也不同。

1.4数据采集模块数据采集模块的传感器可以实际应用的情况进行选择。文章中选用的是LM60型温度传感器,在进行传输数据时只需要一根I/O数据线即可。测量范围可以达到-25℃~100℃,如果温度在在-10℃~85℃范围内,精度可以达到±0.6℃~0.8℃。其电压输出随温度变化而变化,可以表示为:数据采集通过ADC差分输入和单端输入两种模式实现,根据不同的精度,选用不同的模式,如果要求精度较高时,使用差分模式,反之则采用单端输入模式。采集的信号输入到MCU之后,使用逐次比较方法可以把模拟量转化为10bit数字量,测量值可以通过把此数字量和基准电压比较运算得到。

2节点软件设计

传感器网络能否正常工作关键的就是传感器节点的软件。系统的软件设计在适应层通过汇编语言实现,这样方便对MCU的寄存器进行操作。在硬件抽象层通过C语言实现主程序和调用功能子程序。其主要具有主调度函数、初始化、系统状态管理的功能。系统的转台管理主要有闲置、工作、唤醒、省电和空闲等模式。其调度管理通过有限状态机(FSM)实现。具体的调度如图3所示。系统软件的工作流程比较相似,通过主调度函数流程对系统软件工作流程进行说明,上电后,首先复位主调函数的所有组,同时对MCU和设备进行初始化。初始化完成之后,调入上层接口状态函数,此函数的有两种状态,一种状态是把调度权限给上层,另外一种是不交,如果是第1种状态,需要开启系统中断,之后就是调用声明函数,同时等待中断的到来。第2种状态则要进行中断向量的设置,之后就是调用状态管理函数函数,最后还要待中断的到来。所以这样就能通过状态机完成系统的调度和中断管理。流程如图4所示。

3测试结果

为了验证文章观点的可行性,文章通过构建了拓扑结构如图5所示10个节点的小型网络。MAC层协议采用IEEE802.15.4,节点采用IPv6嵌入式协议栈。网络层支持IPv6,拓扑结构使用星型、树型混合结构。节点的分配是:网关节点为一块,加载控制模块并且和空调温控电路相接的节点为一块,剩下的分成4组,它们的标识为0x1817~0x181A,只要任务是监测周围温度变化。节点通信范围是20m,电池能量为2J。测试过程中的数据传输速率的范围为128bit/s~1024bit/s。传感器节点的数据包接收率测试结果如图6所示,传感器节点的平均延迟时间测试结果如图7所示,传感器节点的平均消耗能量测试结果如图8所示。由以上的测试结果可以看出,此设计的传感器节点能够很好的实现点对点通信,由图6可以看出数据包接收率很高,由图7可以看出数据平均延迟时间较短,这是因为节点之间通信时不需要协议转换和协议承载。由图8可以看出节点之间通信时功耗比较低,这是因为采用8bit微处理器实现精简IPv6协议。

4结论

文章提出了IPv6无线传感器网络节点设计方法。文章不但构架的具有功耗低、成本低、微型化、可扩展性强等优点的硬件系统,还对软件系统进行了设计。硬件系统充分利用了芯片Atmega128、CC2420和LM60的功能,软件设计引入状态机进行系统模式调度,从而可以完成系统的独立运行。测试结果表明,此系统安全可行,具有很强的科研价值和实用价值。

作者:宋严单位:长春师范大学网络中心

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