拉压力传感器网络微型节点的实现

拉压力传感器网络微型节点的实现

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拉压力传感器网络(WSN)由随机分布的集成有拉压力传感器、数据处理单元和通信模块的微型节点，通过自组织的方式构成网络，拉压力传感器网络具有分布式处理带来的监测高精度、高容错性、大覆盖区域、可远程监控等众多优点，成为近期国际上网络研究的重要热点之一。

无线拉压力传感器网络微型节点是一次性的，要求节点成本低廉和工作时间尽可能长。无线传感网络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。IEEE802.15.4/ZigBee协议充分考虑了无线拉压力传感器网络应用的需求，是目前被业界普遍看好的一种。

无线通信协议。基于这些基本的思想，本文设计了以高档8位AVR单片机ATmega128L为核心，结合外围拉压力传感器和2.4GHz无线收发模块CC2420的无线拉压力传感器网络微型节点，并在实际中得到了应用。

无线拉压力传感器网络微型节点由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元4部分组成，如图1所示。数据采集单元负责监测区域内信息的 采集和数据转换，本设计中数据采集单元包括了温度、湿度、光强度、加速度和大气压力拉压力传感器;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拉压力传感器，节点电源由两节 1.5V碱性电池组成，今后将采用微型纽扣电池，以进一步减小体积。为了调试方便及可扩展性，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。

本设计中数据处理单元选用Atmel公司的ATmega128L微控制器，它是采用低功耗COMS工艺生产的基于RISC结构的8位微控制器， 是目前AVR系列中功能最强大的单片机。AVR核将32个工作寄存器和丰富的指令集联结在一起，所有的工作寄存器都与ALU直接相连，实现了在一个时钟周 期内执行单条指令的同时访问两个独立寄存器的操作，具有良好的性价比。这种结构提高了代码效率，在性能上比普通CISC单片机提高约10倍。

ATmega128L具有丰富的资源和极低的功耗。它具有片内128KB的程序Flash，4KB的数据SRAM，可外扩到64KB的 E2PROM。此外，它还有8个10位ADC通道，2个8位和2个16位硬件定时/计数器，并可在多种不同的模式下工作;8个PWM通道、可编程看门狗定 时器和片上振荡器、片上模拟比较器;UART、SPI、I2C总线接口;JTAG接口。除了正常操作模式外，还具有六种不同等级的低功耗操作模式，每种模 式具有不同的功耗。

采集环境参数信号，需要采样率很高、数据量大的CPU。如果采用传统51系列作为CPU，那么外围A/D器件速度和CPU速度就有一个相互限制 的瓶颈;如果加上比较复杂的数据处理和存储，需要扩展外部ROM和RAM;这样多的外围器件限制了系统的稳定性和速度的提高，同时也大大增加了系统的功 耗。综合对比之后，数据处理单元选用ATmega128L进行开发。

数据传输单元模块电路由Chipcon公司生产的低功耗、短距离的无线通信模块CC2420组成。CC2420是一款符合ZigBee技术的高 集成度工业用射频收发器件，其MAC层和PHY层协议符合802.15.4规范，工作于2.4GHz频段。该芯片只需极少外部元器件，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250kbps，可以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。数据传输单元接口电路如图3所示。CC2420与处理器的连接非常简便，使用SFD、FIFO、 FIFOP和CCA四个引脚表示收发数据状态;处理器通过SPI接口(MISO、MOSI、SCK)与CC2420交换数据，发送命令。

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