無線傳感器網絡微型節點的實現

引言  
  
    無線傳感器網絡（WSN）由隨機分布的集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的微型節點，通過自組織的方式構成網絡，傳感器網絡具有分布式處理帶來的監測高精度、高容錯性、大覆蓋區域、可遠程監控等眾多優點，成為近期國際上網絡研究的重要熱點之一。  
  
    無線傳感器網絡微型節點是一次性的，要求節點成本低廉和工作時間盡可能長。無線傳感網絡中不應該存在專門的路由器節點，每個節點既是終端節點，又是路由器節點。節點間采用移動自組織網絡聯系起來，并采用多跳的路由機制進行通信。因此，在單個節點上，一方面硬件必須低能耗，采用無線傳輸方式；另一方面軟件必須支持多跳的路由協議。IEEE 802.15.4/ZigBee協議充分考慮了無線傳感器網絡應用的需求，是目前被業界普遍看好的一種  
無線通信協議。基于這些基本的思想，本文設計了以高檔8位AVR單片機ATmega128L為核心，結合外圍傳感器和2.4GHz無線收發模塊CC2420的無線傳感器網絡微型節點，并在實際中得到了應用。  
 
微型節點的結構  
  
    無線傳感器網絡微型節點由數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元和電源管理單元4部分組成，如圖1所示。數據采集單元負責監測區域內信息的采集和數據轉換，本設計中數據采集單元包括了溫度、濕度、光強度、加速度和大氣壓力傳感器；數據處理單元負責控制整個節點的處理操作、路由協議、同步定位、功耗管理、任務管理等；數據傳輸單元負責與其他節點進行無線通信，交換控制消息和收發采集數據；電源管理單元選通所用到的傳感器，節點電源由兩節1.5V堿性電池組成，今后將采用微型紐扣電池，以進一步減小體積。為了調試方便及可擴展性，將數據采集單元獨立出來，做成兩塊能相互套接的可擴展主板。

                           

  
  圖1 無線傳感器網絡微型節點結構圖  
  
微型節點模塊設計  
  
數據處理單元  
  
    本設計中數據處理單元選用Atmel公司的ATmega128L微控制器，它是采用低功耗COMS工藝生產的基于RISC結構的8位微控制器，是目前AVR系列中功能最強大的單片機。AVR核將32個工作寄存器和豐富的指令集聯結在一起，所有的工作寄存器都與ALU直接相連，實現了在一個時鐘周期內執行單條指令的同時訪問兩個獨立寄存器的操作，具有良好的性價比。這種結構提高了代碼效率，在性能上比普通CISC單片機提高約10倍。  
  
    ATmega128L具有豐富的資源和極低的功耗。它具有片內128KB的程序Flash，4KB的數據SRAM，可外擴到64KB的E2PROM。此外，它還有8個10位ADC通道，2個8位和2個16位硬件定時/計數器，并可在多種不同的模式下工作；8個PWM通道、可編程看門狗定時器和片上振蕩器、片上模擬比較器；UART、SPI、I2C總線接口；JTAG接口。除了正常操作模式外，還具有六種不同等級的低功耗操作模式，每種模式具有不同的功耗。   

    采集環境參數信號，需要采樣率很高、數據量大的CPU。如果采用傳統51系列作為CPU，那么外圍A/D器件速度和CPU速度就有一個相互限制的瓶頸；如果加上比較復雜的數據處理和存儲，需要擴展外部ROM和RAM；這樣多的外圍器件限制了系統的穩定性和速度的提高，同時也大大增加了系統的功耗。綜合對比之后，數據處理單元選用ATmega128L進行開發。數據處理單元接口電路如圖2所示。 

圖2  數據處理單元接口電路

數據傳輸單元設計  

   數據傳輸單元模塊電路由Chipcon公司生產的低功耗、短距離的無線通信模塊CC2420組成。CC2420是一款符合ZigBee技術的高集成度工業用射頻收發器件，其MAC層和PHY層協議符合802.15.4規范，工作于2.4GHz頻段。該芯片只需極少外部元器件，可確保短距離通信的有效性和可靠性。數據傳輸單元模塊支持數據傳輸率高達250kbps，可以實現多點對多點的快速組網，系統體積小、成本低、功耗小，適于電池長期供電。具有硬件加密、安全可靠、組網靈活、抗毀性強等特點。數據傳輸單元接口電路如圖3所示。CC2420與處理器的連接非常簡便，使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四個引腳表示收發數據狀態；處理器通過SPI接口（MISO、MOSI、SCK）與CC2420交換數據，發送命令。 


圖3  數據傳輸單元接口電路

數據采集單元  
  
    整個節點由電池供電，要求數據采集單元中的傳感器體積小、低功耗、外圍電路簡單，最好采用不需要信號調理電路的數字式傳感器。本設計中選用的傳感器都為數字式傳感器：  
  
   （1）溫度傳感器MLX90601：模擬線性輸出，PWM輸出，SPI可編程接口；精度