无线传感器网络节点硬件平台设计

48 传感器与微系统 ( Transducer and M icrosystem Technologies) 2006年 第 25卷 第 12期
无线传感器网络节点硬件平台设计
金仁成 1 , 王艳辉 2 , 王立鼎 1 , 高英明 1
(1. 大连理工大学 辽宁省微纳米技术及系统工程重点实验室 ,辽宁 大连 116023; 2. 大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室 ,辽宁 大连 116023) )
0 引 言 无线传感器网络 (W SN s)是计算机技术 、传感器技术
和网络通信技术相结合的产物 。它是由大量随机分布的 、 具有实时感知 、无线通信和自组织能力的传感器节点组成 的 。随着微机械电子系统 (M EM S)和传感器技术的发展以 及相关领域研究的深入 ,W SN s也被证实可以在环境监控 、 消费类电子 、军事侦察以及交通管理等很多领域应用 [1, 2 ] , 它是近期国际上研究的热点之一 。
3. 1 基于 SP I总线的 CC2420模块软件设计 SP I总线是一种同步串行外设接口 ,它可以使 CPU 与
外围设备以串行方式进行通信以及交换信息 ,总线由 CS, SCK,M ISI,MOSO 构成 。 SP I总线上的数据传输 ,均由主机 发起和控制 ,主要通过片选信号 CS和时钟 SCK控制 2 个 双向移位寄存器进行数据交换 。AT91SAM7S256 集 成 了 SP I模块 ,外部有 4 个片选引脚 ,最高可接 16 个从设备 。 SP I模块与 PDC (外设 DMA 控制器 )相连 ,数据只需发送给
Hardware implem en ta tion of w ireless sen sor networks node
J IN Ren2cheng1 , WANG Yan2hui2 , WANG L i2ding1 , GAO Ying2m ing1
( 1. Key Labora tory of M icro / Nano Technology and System of L iaon ing Prov ince, Da lian Un iversity
收稿日期 : 2006 - 11 - 06
32位高性能 ARM 微处理器设计节点具有现实意义的 。 1 系统组成和原理
如图 1为 W SN s的典型结构图 。其中 ,各传感器子节 点具备传感器信息采集 、射频通信以及由软件实现的路由 和数据处理等功能 ,簇头汇聚节点为簇 (一定监测区域 )内 信息的汇聚中心 ,它通过 GPRS模块将簇内信息传输到管 理中心计算机 。节点的位置是随机分布的 ,通过自组织方 式形成的网络 。首先 ,簇内各节点分别与邻近节点通过射 频建立通信关系 ,然后 ,由簇头分配 ID 给不同的节点用于 标示其相对位置信息 ,从而管理并实现节点的组网功能 。 W SN s通过获得各个节点的传感器信息并进行信息融合后 得到整个覆盖区域的状态信息 [2 ] 。由于监测区域采用多 点测量的方式 ,所以 ,某个传感器节点的损坏不会影响传感 器网络的性能 。它具有分布式处理带来的监测精度高 、容 错性好 、覆盖区域广等优点 。
of Technology, Da lian 116023, Ch ina; 2. Key Labora tory of Prec ision & Non2trad itiona l M ach in ing, M in istry of Educa tion, Da lian Un iversity
2. 1 节点各主要芯片接口设计 本文给出的 W SN s节点硬件框图如图 2 所示 。ARM
处理器 AT91SAM7S256 为节点主控 CPU ,它内部集成了 8 路 10位 AD、高速 SP I, USB , PWM 3个带捕获功能的定时计 数器 ( TC)等功能模块 ,非常适合组成传感器节点 。射频芯 片 CC2420通过 SP I总线和一些控制引脚与 CPU 连接 。温 度传感器 MAX6666以及加速度传感器 ADXL202分别用于 节点温度 、振动的检测 ,它们分别与 CPU TC模块相连接 。 电源模块的设计应当在保证系统性能的前提下 ,尽量降低 功耗 ,本文预留了电源接口 ,实验中 ,采用 9 V 电池经两次 降压后进行供电 。
号的频率为 35 H z左右 。其输出信号波形如图 3 所示 ,因
而只需将 MAX6666 的输出引脚与处理器定时计数器的
捕获引脚相连 。由 CPU 的捕获 PWM 信号的高低电平时
间 ,根据式 (1)可得出当前的温度值 ,其中 , t为当前温度
值 , TH 表示 PWM 波形的高电平时间 , TL 表示 PWM 波形 的低电平时间 。
of Technology, Da lian 116023, Ch ina )
Abstract: A novel solution of w ireless sensor networks (W SN s) node is describel based on advanced R ISC machines(ARM ) core p rocessor AT91SAM7S64, RF chip CC2420, temperature sensorMAX6666 and acceleration sensor ADXL202. After the analysis of system operation p rincip le, the hardware design of W SN s node and the driver of on2board peripherals such as CC2420, MAX6666 and ADXL202 are expounded in detail. Finally, the performance of W SN s node especially temperature sensor is assessed by experiment. The w ireless temperature sensor networks’accuracy is up to 0. 25 ℃. Key words: advanced R ISC machines(ARM ) ; SP I bus; w ireless wensor networks(W SN s) ; node
化主要包括控制命令的发送和芯片功能引脚电平的设置 。 CC2420的数据发送驱动程序主要完成上层数据的封装传 输 。由于 CC2420是符合 IEEE802. 15. 4标准的 RF收发芯 片 ,因此 ,其物理层传输的数据格式必然要符合该标准的要 求 ,如表 1所示 。因而 ,上层软件需要实现数据的封装功 能 。其中 ,前导序列 , RSSI以及 CRC均由物理层硬件自动 生成 ,表中第二行为数据帧中该域所占字节数 。发送驱动 程序设计流程图如图 4左图所示 。
MAX6666是由美国 MAX IM 公司采用 M EM S工艺设
计生产的高精度 、低价格 、低功耗一线输出的数字式温度
传感器 [4 ] 。它的测温范围为 - 40 ～125 ℃, 25 ℃时 ,最大
误差为 1 ℃。MAX6666可以将 。信
第 12期 金仁成等 :无线传感器网络节点硬件平台设计 49
图 1 典型无线传感器网络结构框图 F ig 1 Structure d iagram of W SNs 2 传感器节点硬件结构与组成 W SN s的基本组成单元是具备环境信息监测和无线通 信的功能的传感器节点 。网络中的大部分节点是具备相同 的硬件和软件结构的微嵌入式系统 ,因而 , W SN s的设计主 要是具备组网功能节点的设计 。
节点是 W SN s的基本构成单位 ,它的设计直接影响到 整个传感器网络的性能 。目前 ,国际上大多采用高档 8 位 或 16位单片机为节点主控 CPU ,这些节点具备了传感器网 络的组网 、路由等功能 ,但在某些高端的应用 ,如图像信息压 缩后再传输以及对多种传感器信息进行复杂的融合算法处 理后再进行传输等领域 , CPU的处理能力就可能限制了传感 器网络的 性能 。为了满足高性能和低功耗的需求 ,采用
摘 要 : 针对无线传感器网络 (W SN s)的功能需求 ,给出了基于高性能先进精简指令集机器 (ARM )微处 理器 AT91SAM7S64、射频芯片 CC2420、温度传感器 MAX6666 和加速度传感器 ADXL202的 W SN s节点的 设计方案 ;分析了系统组成和原理 ;重点阐述了节点的硬件设计 ,基于 SP I总线的 CC2420驱动程序设计和 温度传感器信号采集驱动程序的设计 ;最后 ,对传感器网络和节点上温度传感器的准确度进行了实验测试 和分析 。实验中 ,无线温度传感器网络的精度最高可达 0. 25 ℃。 关键词 : 先进精简指令集机器官 ; SP I总线 ;无线传感器网络 ;节点 中图分类号 : TP216 文献标识码 : B 文章编号 : 1000 - 9787 (2006) 12 - 0048 - 03
t = 235 - ( 400 ×TH / TL )
(1)
图 3 PWM 信号波形图 F ig 3 The signa l waveform of PWM ADXL202也是由美国 AD 公司采用 M EM S工艺制作 的低功耗 、双 轴 加 速 度 传 感 器 。它 可 以 测 量 0 ～ 5 kHz, ±2gn范围内的动态和静态加速度 。它是采用多晶硅微加 工表面工艺制作的电容式为加速度传感器 ,由硅片表面的 弹性结构支撑起的质量块下面贴附电容的一个极板 ,电容 的另一极板固定 。当加速度引起质量块的位置变化时 ,电 容发生变化 ,芯片内部将此信号经过工作周期调制后得到 一个与当前加速度成正比的 PWM 信号 [5 ] 。 本文采用加速度传感器测量振动信号用于监测较大的 振动或移动 ,达到防盗等作用 。由于振动在微观上是物体 加速度的快速变化 ,因此 ,本文采用此原理进行振动信号的 监测 。将 ADXL202的 X 轴和 Y轴加速度输出引脚与 CPU 的定时计数器相连接 ,利用 TC捕获芯片的 PWM 信号得到 当前的加速度 ,如果连续监测到芯片加速度的急剧变化 ,则 可判定振动的产生 ,加速度的变化程度对应于振动的强弱 。 设置与芯片 T2引脚连接的电阻值为 1. 25MΩ ,使得其输出 信号的周期为 10m s,从而获得较好的分辨力 。 3 系统软件设计 本文主要针对传感器节点硬件给出了各个模块的驱动 和应用程序设计 。驱动程序是应用程序和硬件之间的接口 和纽带 ,在 W SN s节点设计中至关重要 。