简介:关于传感器节点方面的论文题目、论文提纲、传感器节点论文开题报告、文献综述、参考文献的相关大学硕士和本科毕业论文。
国大伟
（北京邮电大学通信工程学院北京100876）
摘 要：介绍了基于Zigbee的无线传感器网络,采用Atmega128L和CC2420芯片设计实现了一个基于Zigbee的无线传感器网络平台,详细阐述了系统架构设计,微控制器模块和射频模块硬件设计以及基于TinvOS的软件设计.实验测试该平台工作稳定可靠.
关键词：无线传感器网络Zigbee Atmega128L CC2420
1.Zigbee无线传感器网络
随着传感器技术、嵌入式技术以及通信和半导体技术的飞速发展,无线传感器网络已成为计算机科学领域一个活跃的研究分支.无线传感器网络( WSN)是由一组高密度,空间上相互离散的传感器以自组织方式构成的无线网络系统.无线传感器网络分布在整个网络区域的大量网络节点互相协作地自组织组网,完成实时监测、感知和采集等各项功能.每个传感器节点都可以通过其无线通信单元进行“多跳”路由,将自身获得的信息发送或者作为数据中继将来自其他节点的信息转发到接收用户,用户也可以采用同样的方式将命令等信息逐跳转发到各节点无线传感器网络具有以下特征：节点部署后网络拓扑基本固定,节点分布稠密且数量众多；节点电量．存储空间和计算能力等有限；网络具有高度自组织能力,需要很强的自适应能力和健壮性；采用无线多跳路由方式.
Zigbee协议是针对无线传感器网络运用而生的一种无线通信协议.ZigBee协议栈是基于标准的OSI七层模型,但只是在相关的范围来定义一些相应层以完成特定的任务.IEEE802. 15.4 - 2003标准定义了下面的两个层：PHY和MAC层.ZigBee联盟在此基础上建立了网络层以及应用层的框架.Zigbee协议栈的分层结构如图1所示.
ZigBee无线传感器网络是基于IEEE 802. 15.4技术标准和ZigBee网络协议而设计的无线数据传输网络.ZigBee无线传感器网络采用2.4GHz无线频段,是为中短距离、低速率的无线传感器网络,节点耗电低适于使用电池长期供电,射频传输成本低,灵活度高,可实现一点对多点、对等通信和双向通信,快速组网自动配置、自动恢复和高级电源管理,任意个传感器之间可相互协调实现数据通信.由于ZigBee应用的低带宽要求,ZigBee节点可以在大部分时间内睡眠,以节省电池能量,然后唤醒并迅速发送数据,然后再进入睡眠模式.ZigBee可以在15ms或更短的时间内由睡眠模式进入活动模式,因此即使睡眠的节点也可以取得低唤醒时延,从而达到在低功耗下的高性能.
2. 平台功能与节点硬件设计
无线传感器网络平台应用于嵌入式传感器网络,主要侧重于节点的可扩展性和测试需求.无线网络节点具有路由功能,支持2.4GHz 802. IEEE802.15.4,提供高速无线数据速率,通过扩展10接口连接各种传感器板和编程板,可提供大规模自组织无线传感器网络应用.通过扩展IO接口,连接光、温度、湿度、压力、声场、电磁等传感器,面向多种无线传感器网络应用.
本文设计的无线传感器网络节点硬件框图如图2所示,硬件模块主要包括：微处理器模块、无线射频管理模块、电源模块和外部接口10模块.其中微处理器模块和射频模块是最主要的功能模块.微处理器模块完成zigbee协议栈的实现、应用程序、任务调度、设备控制等,是无线传感器网络节点的核心部分,本文设计采用Atmel公司的Atmega128L作为微处理器模块的主芯片；射频模块完成从基带信号到射频信号的调制,设计采用Chipcon公司推出低功耗CC2420芯片作为无线射频收发芯片.无线传感器节点通过IO接口与传感器板相连,10扩展模块选用集成了数字10接口、模数转换接口和编程接口的51针DF9 -518 -1V板对板连接器,适用于多种传感器应用.
3.微处理器模块设计
微处理器采用Atmega128L芯片,其具有特点[5]：先进的RSIC结构,具有133条指令,大多数可以在一个时钟周期内完成,32 x8通用工作寄存器+外设控制寄存器,执行效率大为提高,从而降低功耗；保密性强,防止代码反编译；具有6种睡眠模式,可软件编程选择时钟频率,软件结构具有内外多种中断模式,针对低功耗而设计；内部资源丰富,具有128K字节的系统内可编程Flash,4K字节的EEPROM和4K字节SRAM,可以实现协议栈和大部分无线传感器网络的应用；通过JTAG接口便于实现程序的在线调试和仿真.
微控制器模块接口图如图3所示.微控制器通过SPI接口(CS、SCK、MOSI、MISO)、中断以及一些通用IO和射频模块相连,完成对射频模块的使能、复位、数据交换和命令控制等.3个LED指示灯用于方便调试而设置.微处理器上的JTAG接口、程序下载接口,传感器模块接口都要连接到接插件上,方便调试和扩展传感器的功能.振荡频率为7.3728MHz的晶振作为微处理器的工作时钟,频率为32. 768KHz的晶振作为实时时钟.
4. 射频模块硬件设计
射频模块的无线通信能力对无线传感器网络节点的传输性能至关重要.CC2420是一款符合IEEE802. 15.4规范的2.4GHz射频芯片,具有以下性能特点[6]：工作频带范围2.400 -2.4835Ghz,采用直接序列扩频方式,数据速率达250kbps,码片速率2Mchip/s；超低电流消耗(RX：19. 7mA,rx：17. 4mA),高接收灵敏度（- 94dBm）；内部集成有VCO、LNA、PA以及电源整流器,采用低电压供电(2.1 -3. 6V)；与控制微处理器的接口配置容易（4总线SPI接口）；采用QLP -48封装,外形尺寸只有7x7mm,便于降低整个平台的尺寸.
射频模块接口设计如图4所示,由于大部分功能都集成在芯片内部,论文范文器件很少,主要包括晶振时钟电路、射频输入／输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分.CC2420天线的设计采用外置鞭型天线,使用MMCX内孔连接器单端连接,天线接入点应尽量靠近CC2420的收发端口；为频率合成器提供参考的晶振采用16MH：无源晶振；CC2420通过SPI与微处理器通信,工作于从模式.由于射频工作在2.4G的高频波段,印刷板设计需要尽量减少电磁干扰.一方面,将51针连接器与射频部分尽量远离,减少传感器模拟电路和射频数字电路的干扰；另一方面,采用四层电路,射频模块大面积铺铜,接地良好.
5. 基于TinyOs的软件设计
软件基于TinyOS 2.0嵌入式操作系统内核,采用类C语言的组件式开发语言NesC.TinyOS是美国加州大学伯力克分校专门针对现代无线传感器网络的特点与需求设计的开放源代码的嵌入式操作系统,其具有体积小、结构高度模块化、基于组件的架构方式、低功耗等特点.TinyOS的组件库包括了网络协议,分布式服务,传感器驱动和数据获取工具等,用户可以根据自己特殊需要进行扩展.基于TinyOS的软件体系结构如图5所示,其中：调度器实现整个操作系统的任务的控制流程,维护系统状态；通过应用配置文件将TinyOS的各种应用接口和组件连接起来完成应用功能；应用执行通常以定时器和无线数据接收事件驱动,以命令方式实现主动执行行为.
TinyOS 2.0本身提供了Zigbee协议栈,并支持Atmega128L和CC2420组件,编译链接的程序可以通过Jtag直接下载到At-mega128L中运行.在TinyOS中,数据发送从上至下依次调用GenericComm、AMStandard、CC2420RadioM和HPLCC2420M等组件,最后通过硬件发送出去；数据接收调用组件顺序与之相反.CC2420收发数据报收到数据包后触发中断,通知软件协议栈从CC2420的内存中读取接收到的数据；协议栈发送数据时首先向CC2420内存中写入数据包,然后发送传送命令.本文通过点对点通信无线数据收发验证无线传感器网络平台工作性能,设定A/B节点的32位地址,A节点定时向B节点发送特定消息.软件流程图如图6所示,软件初始化后,发送节点处于空闲状态并开启定时器,定时器到时事件触发应用判断为非忙状态则发送数据包并设定当前为忙状态,如果处于忙状态则继续等待下一次定时到来,消息发送成功时间触发节点返回空闲状态；接收节点始终检测数据包到来,对收到的数据包内容判断正确后闪LED并打印数据.发送节点关键NesC语句如下：
传感器:光伏能量采集为无线传感器节点供电
6.工作总结和意义
本文通过对Zigbee无线传感器网络技术的研究,采用Atmega128L和CC2420设计实现了ZigBee无线传感器网络平台,本文对该ZigBee平台的各个模块的设计和实现给予了详细的介绍,包括系统架构的设计,微控制器模块设计、射频模块设计、基于TinyOS的软件设计等.该平台支持2.4G IEEE802. 15.4,最高支持250kbps无线数据速率,可通过扩展接口连接各种传感器板,可编程配置提供多种无线传感器网络应用.采用2节五号电池供电,实际测量室内传输距离约为20 - 30m,工作稳定可靠.
参考文献
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[5] Atmega 128/128L Datasheet AtemJ Corporation 2007
[6] CC2420 Datasheet TI Corporation 2007
[7]王斌．无线传感器网络操作系统TinVOS的研究[J]．计算机与现代化,2008,(1)：67 -70作者简介
国大伟,男,1978年生,现为北京邮电大学信息与通信工程学院硕士研究生、北京威视数据系统有限公司研发中心硬件部经理.
总结：本论文可用于传感器节点论文范文参考下载，传感器节点相关论文写作参考研究。
传感器引用文献:
[1] 传感器论文选题范文 传感器论文题目怎么定
[2] 容易写的生物传感器论文题目 生物传感器毕业论文题目怎样定
[3] 传感器论文集 传感器专著类参考文献哪里找
