传感器硬件节点的设计

各位老师，下午好！我叫：张鹏，是07届电信二班的学生，我的论文题目是传感器硬件节点的设计。论文是在导师的悉心指导下完成的，在这里我向我的导师表示深深的谢意，同时向各位老师参加我的论文答辩表示衷心的感谢。下面我将本论文设计的目的和主要内容向各位老师作一汇报，恳请各位老师批评指导。首先我想谈谈这篇论文的结构和主要内容。本论文的主要内容是传感器硬件节点的设计，并实现节点间的通信。本文中选择的射频芯片CC2420，是挪威Chipcon公司推出的一款符合IEEE802.15.4标准的收发芯片，只需很少的外围元件就可以与单片机构成一个无线通信系统；微处理器是ATMEL公司生产的RISC结构的8位单片机ATmega128。根据无线传感器网络的特点提出了节点系统设计的重要指标，并根据这些指标进行系统结构设计和硬件选型；分别阐述了网络节点的各模块的硬件设计，并详细讨论了基于ATmega128和CC2420的通信电路设计和以TinyOS嵌入式操作系统为平台的软件体系设计路由协议是无线传感器网络中最重要的组成部分，路由协议必须实时监控网络拓扑结构的变化，从而调整路由信息，确定目的节点，改变路由表并通过路由表发送信息。在本文中，分析研究了无线传感器网络路由协议并设计了一种新的基于煤矿数据获取的路由协议。无线传感器网络（WirelessSensorNetwork）是由大规模部署的成百上千的节点构成。这些微传感器节点具有感知能力、无线通信能力以及计算能力。无线传感器网络的发展得益于微机电系统以及处理器、存储技术的发展，这些发展使得制造低功率、微体积、低成本的微传感器节点逐步成为现实。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，各个节点能够协同地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并将处理后的信息传送到需要这些信息的用户（观察者）。例如，煤矿中的风速，不同气体的浓度，以及地下温度等等。目前，煤矿井下工人获取信息的最多方式是通过有线通信网络，这种方式会带来许多问题。由于煤矿井下环境狭窄，通信线路的维护变得越来越困难。如果通信线路出现故障，那么整个监测系统也可能会崩溃。总之，许多在地上广泛使用的网络技术在煤矿井下不能使用，但是无线传感器网络的发明提出了一种新的方法来处理这些问题。基于上述内容的研究与实现，本文研究的基于ATmega128和CC2420的网络节点的硬件系统能够满足现代分布式监测系统的需要，从而对今后同类系统的设计、开发和实现有一定的指导意义和参考价值。其次，我想谈谈这个毕业论文设计的目的背景。我国煤矿安全技术与装备水平低，事故隐患多、矿井防灾和抗灾能力差，作为煤矿安全生产最重要保障之一的煤矿监控系统，在向构造统一、优化、共享、基于光纤传输的煤矿综合调度信息系统方向的努力已取得了明显的成效，其中所涉及的理论问题与关键技术已基本得到解决。煤矿安全生产的另一重要保障就是全矿井无线信息系统，由于煤炭开采主要以井下为主，巷道可长达数十千米，矿井生产工序多，作业地点分散，人员流动性大且工作环境恶劣，事故隐患极大，矿井生产的这种特点对建立一个功能较为完善的集调度移动通信、机车的无线定位和导航、人员定位与追踪、无线可视多媒体监视、移动计算、矿井环境无线安全监测的全矿井无线信息系统有着迫切的要求，与有线矿井监测，监控系统不同。电磁波在矿井巷道中传播衰耗严重，无线通信距离短，成为制约有效实现矿井巷道中无线通信的瓶颈，因此如何从根本上解决这一问题是有效建立全矿井无线信息系统的关键。单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。从我们对无线传感器网络节点的实际研制过程可以看到：无线传感网想的性能指标，首先必须依赖SOC技术和MEMS(微电机系统)技术，尽控制器、微控制器以及一些外围电路(包括传感器)集成在一块芯片上，大减小节点的体积，扩大应用领域和应用范围。无线传感器网络(WirelessSensorNetworks，简称WSNs)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信形成一个多跳自组织网络系统，能够实时监测、感知和采集网络分布区域内监视对象的各种信息，并加以处理，完成数据采集和监测任务。WSNs综合了传感器、嵌入式计算、无线通讯、分布式信息处理等技术，具有快速构建、自配置、自调整拓扑、多跳路由、高密度、节点数可变、无统一地址、无线通信等特点，特别适用于大范围、偏远距离、危险环境等条件下的实时信息监测，可以广泛应用于军事、交通、环境监测和预报、卫生保健、空间探索等各个领域它由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元4部分组成。数据采集单元负责监测区域内信息的采集和数据转换，设计中包括了可燃性气体传感器和湿度传感器；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传感器，节点电源由几节AA电池组成，实际工业应用中采用微型纽扣电池，以进一步减小体积。为了调试方便及可扩展性，可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。为保证数据可靠的传输，任何时刻单总线上只能有一个数据，每次数据和命令传输通常从复位命令开始，随后是ROM命令和RAM命令，最后进行数据交换，必须严格遵守这个命令序列，才能保证数据的正确传输。结论从我们对无线传感器网络节点的实际研制过程可以看到：无线传感网想的性能指标，首先必须依赖SOC技术和MEMS(微电机系统)技术，尽控制器、微控制器以及一些外围电路（包括传感器）集成在一块芯片上，大减小节点的体积，扩大应用领域和应用范围。论文完成的主要工作如下：1.论文综述了无线传感器网络在国内外的研究现状，分析了无线传征、体系结构以及无线传感器网络的设计包含节点设计和通信网络协议分。2.无线传感器网络节点是一个微型化的嵌入式系统，在分析嵌入式系的基础上，给出了无线传感器网络节点的设计要点和一个参考设计，包括设计和通信模块的设计等，重点介绍了射频芯片的选择、射频电路的设路以及外围电路的设计等。3.详细阐述了无线传感器网络的架构;对几种常见的短距离无线通信技术进行选用ZigBee来构建WSN的通信网络，分析设计了协议栈，并对组网中所涉及的设备网络拓扑等问题进行详细阐述。哈尔滨理工大学远东学院学士学位论文-1-