（控制理论与控制工程专业论文）无线传感器网络平台开发与组网实现.pdf

摘要硕士论文 ab s t r a c t with t h e m a g i c d e v e l o p m e n t o f in fo r m a t io n te c h n o lo g y , t ra d iti o n a l s e n s o r te c h n iq u e s a r e u n a b le t o m e e t p e p o l e s d e m a n d o f in f o rm a tio n . s e n so r t e c h n iq u e s s h o u ld b e c o m e n e t w o rk e d a n d in te lli g e n t . t h e n , th e s e lf- o rg a n iz e d w ir e l e s s s e n s o r n e tw o r k e m e r g e s . w ir e le s s s e n s o r n e tw o rk s (ws n ) a r e in te g r a tio n o f s e n s o r t e c h n iq u e s , n e s t e d c o m p u t a tio n t e c h n iq u e s , n e tw o rk t e c h n iq u e s , w i re le s s c o m m u n ic a tio n t e c h n i q u e s a n d d is tr ib u te d c o m p u t a t io n t e c h n iq u e s . w s n c a n b e u s d in m a n y a p p lic a tio n s , s u c h a s n a tio n a l s e c u r ity ; e n v i r o n me n t , t r a f fi c , t r a n s p o r ta t i o n , s t o r a g e , m e d i c a l t r e a t m e n t , i n t e l l i g e n t h o u s e a n d s o o n . ws n b e c o m e s a n e w r e s e a r c h a r e a o f in f o rm a ti o n t e c h n o lo g y . a ws n p l a t f o r m i s d e s i g n e d i n t h i s p a p e r , w i t h t h e m a i n a s p e c t s o f s e n s o r n o d e d e s i g n a n d n e t w o r k p r o t o c o l d e s i g n . t h e n , m e s h n e t w o r k i s a c h i e v e d o n t h i s p l a t f o r m. f i r s t l y , w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k i s i n t r o d u c e d i n d e t a i l . t h e n , s c h e me s a r e p r o p o s e d b a s e d o n t h e a n a l y s i s o f s e n s o r n o d e s a n d n e t w o r k p r o t o c o l s . t h e k e y t e c h n i q u e s s u c h a s me d i u m a c c e s s c o n t r o l a n d r o u t i n g p r o t o c o l s o f ws n a r e a n a l y s e d , a n d s u i t a b l e s c h e me s a r e c h o s e . a c c o rd in g t o t h e s c h e m e o f s e n s o r n o d e , th e d e ta ils o f t h e n o d e d e s i g n a r e in t ro d u c e d . t h e n , o n t h e h a r d w a r e p l a t f o r m o f n o d e , a n e t w o r k p r o t o c o l s t a c k i s d e s i g n e d w i t h a b a s e o f i e e e 8 0 2 . 1 5 . 4 s t d . t h i s p r o t o c o l s t a c k ma i n l y c o n t a i n s t h e h a r d w a r e d r i v e r s i n t h e p h y s ic a l la y e r , a c s m a / c a a l g o rit h m w ith a c k a n d r e try m e c h a n is m , a r o u t in g a l g o r ith m w h i c h i s s i mi l a r t o t h e d i r e c t e d d i f f u s i o n p r o t o c o l , t h e d e f i n i ti o n a n d p r o c e s s i n g o f t h e fr a m e f o r m a t , a n d t h e s e r v i c e f u n c ti o n s i n e a c h s u b l a y e r . f i n a l l y , s i m p l e t e s t s o n t h e s e n s o r n o d e s a n d t h e n e t w o r k p r o t o c o l s t a c k a r e c a r r i e d o u t . t h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e s e n s o r n o d e s a n d p r o t o c o l s t a c k c a n w o r k s t e a d i l y a n d e s t a b li s h a m e s h n e tw o r k in th e e x p e r im e n ta l e n v ir o n m e n t o f th i s p a p e r. k e y w o r d s : wir e le s s s e n s o r n e t w o r k s , s e n s o r n o d e s , n e t w o r k p r o to c o l s t a c k , i e e e 8 0 2 . 1 5 .4 , ma c p r o t o c o l , r o u t in g a l g o r it h m 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的 研究成果， 尽我所知，在 本学 位论文中 ，除了 加以标注和致谢的部分 外， 不包含其他人已 经发 表或公 布过的 研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的 学位或学 历而使用过的 材料。 与我一同工作的同 事对本学位论文做出 的责献均 已 在论文中作了明 确的 说明。 研究生签名: 年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以 借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内 容，可以向 有关部门或机构送 交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内 容。 对 于保密论文，按保密的 有关规定和程序处理。 研究生签名: 年月日 南京理工大学硕士论文无线传感器网络平台开发与组网实现 1 绪论 1 . 1引言 无 线 传感 器 网 络 (w ire le s s s e n s o r n e tw o r k w s n ) 1,2 ,4 81 是 一 种 无 线自 组 织网 络， 由 大量集成了 传感、 处理和无线 通信能力的小体积、 低成本的传感 器节点构成， 其目 的是 协作 地感知、 采集和处理覆盖区域的 对象信息， 并以 多跳的 方式通 过无线信道传 送给需要这些信息的用户。 无线传 感器网 络能够克服单一传感器在用户信息要求方面 的不足， 能够智能地获取用户所需信息， 并且可以部署和工作于人员难以到达的区域， 是一种网络化、 智能化的全新的信息获取和处理技术， 是信息科学领域的一个重要发 展方向。 无线传感器网 络技术兴起于上世纪9 0 年代， 它综合了 传感器、 嵌入 式计算、 网络、 无 线通信及分布式信息 处理等 技术， 可以 应用于国 家安全、 环境监测、 交通管理、 现 代 物流、 仓储管 理、医 疗监护、智能 家居等非常广泛的领域，具 有巨 大的 应用前景。 无线传感 器网络 技术迅速得到了学术 界和工业界以 及各国 政府的重视， 成为 信息技术 的 一个新的 研究热点。 随着越来越广泛的深入 研究和应用， 无线传感器网 络将深远地 影响我们的生活。 1 . 2无线传感器网 络体系结 构 无线传感器网 络系统的 一个典型结构1,29 ,3 2 是: 大量节点 部署在某一监测范围内， 自 动组建网络并协调工作， 在整个区 域获取信息， 人员并 不干涉网 络中的 节点。 为了 有效 获取信息， 传感器网 络一 般具 有较大规模， 节点 数量 可能达到成千上万。 传 感器 网络可以通过飞机播撒等多种方式部署。 对于随机部署的网络， 不能预先知道节点的 具体位置 和邻居关系， 所以 要求传感器节点 间具有很强的自 组织能力。 节点自 组 织成 无线网络后，协作地感知、 采集和处理网络覆盖区域中特定的信息， 实现对覆盖区域 内随时随地的信息采集和处理。 无线传感器网 络应用系统通常 包含传感器节点、 汇聚节点( s i n k ) 、 客户端和 用户。 其网 络体系结构如图1 - l 0 在监测区 域， 大量节点通过自 组织方式构成传感器网 络， 各节点 协作的 采集数据， 并进 行简单的 数据处理和数据融合后， 通过多跳路由的 方式传至s i n k 节点。 s i n k 节点 具有较强的处理、 通信能力， 其收 到采集区域的 信息后， 通过工 n t e r n e t 、 卫星或通讯 网 络将数据传送给客户端。最后用户在客户端上通过数据库等应用软 件进行数据查 询、 处理等应用。 用户发出的 命令、 任务等信息则通过反向的 过程传至网络。 绪 论 硕士论文 露 汇聚节点 传感器节点 监 测 尹 / 户 区域 图 1 - 1传感 器网 络的 体系结构 布局在监测区域的传感器网络由节点自组织构成， 节点的硬件技术和组网软件是 整个系统的应用关键，也是无线传感器网络的研究重点。 1 . 3无线传感器网 络的特点和设计要求 无线传 感器网 络受应用环境和节点本身资源限制， 存在很多 约束， 与 传统无线网 络相比具有以下特征。 ( 1 )网 络自 组 织和动态变化 传感器网络覆盖规模大，并且为了提高监测精度和容错性而具有较大节点密度。 大量节点部署后必须自动构建网络。 在网络布局初始化阶段， 要求每个节点能够自动 发现邻居节点，并且加入网络，同时能够发现到达其他节点的路由信息。 在网络稳定 后， 节点之间应该能够可靠地进行数据转发。 在网络使用过程中， 部分节点由于能量 耗尽或障碍物等环境因素而失效; 或者为了弥补节点失效、 增加监控精度而补充节点 到网络中。 网络应该能够发现这些拓扑结构的变化， 重新组网。 在某些特殊的应用中， 为保证网络健壮性，甚至要求拓扑发生变化后节点进行有向的移动，重新组网。 ( 2 )节点硬件资源有限 节点的硬件资源有限性主要体现在三个方面，即电源能力有限、 计算和存储能力 有限、通信能力有限。 传感器节点体积微小， 一般来说它是依靠能量有限的电池供电。 传感器节点数量 众多、 成本低廉、 分布区域广， 且通常应用 在环境 较为复 杂、 恶劣的 环境， 所以 为大 量的 传感器节点更换电 池是不现实的。 因 此， 如何高效使用能量， 延长节点的寿 命从 而增加网 络的 生命周期， 是传感器网 络面临的首要问题. 传感器的节能设计贯穿 于网 络设计的 各个环节， 从硬件设计到休眠一 激活的链路访问 控制， 以 及网络公平 性路由， 都以节能作为一个重要的指标。 节点上处理器和传感器等模块的功耗一般可以设计得非常小， 主要的能量消耗集 南京理工大学硕士论文 无线传感器网络平台开发与组网实现 中在 无线通 信模块上。 而无线通信的能量与 通信距离的关系为 e = k d 0 ， 一 般参 数n 满 足关系2 n t c +t fr a m e 如果网 络传 输有 r t s - c t s 机制， 则 几。为 请求节点开始发送r t s 到确认 节点 开始发 送 c t s 所需的时间。 如果没有r t s -c t s 机 制， 则t fram e 就是发送一帧数 据所 需要的时间。 t c 是节点 竞争信道需 要的 时间。 因为 信道采用随 机竞争的方式，每次竞争成 功 所需的时间t c 值并不确定，所以t a 的取 值应该根 据t c 的 统计平均值进行设定。 t a 的 取值对于 这种基于t -ma c思 想的 协议性能 至关重要。 由于节点 处于活动时间的占 空比 大， 其 他节点在当 前节点 休眠期间 发出 通信请 求 时无法获知， 则其他 节点以时间 周期 t f 反复 发出 通信 请求， 或者直接反复发送数 据 帧，直到当 前节点唤 醒并 捕捉到 该请求或该数 据帧。 t f 满足关系: t f t a - t c。 2 . 7路由协议设计 2 . 7 . 1路由算法的设计要求与方案选择 路由 协议是 无线 传感 器网络组网的 关键，是 协议栈的 核心技术之一，也是ws n 的 研究热点。 在2 .2 中己 经分析了网 络结构和 组网 方案。 从基本结构上看， 无线传感 器网络的拓扑在传统网络中均有实现，如星型结构与以太网/ 无线局域网类似，而 m e s h 网 络与m a n e t相 似。不 过，结 合无线 传感器网 络的 特点分析，这些路由 协议 都不能完全适应其应用。传统的路由协议以正确性、 健状性、稳定性、收敛速度等为 主要目 标。 无线传感器网 络的路由 协议3 8 ,39 ,4 0也需要实现这些目 标， 但是还有其自 身 的特点。 设计传感器网络路由协议时，除了要保证协议的正确、可靠、稳定外， 还要 注意能量高效 性、 简单性、快 速收 敛性等目 标。 目 前己 经 提出了 多种无线传感 器网 络的 路由 协 议。 从网络拓扑结构的角 度， 可 分 为平面路由和分层结构路由; 从应用的角度， 可分为能量感知路由、 基于查询的路由、 地理位置路由等; 从路由发现策略的角度， 还可分为主动路由和被动路由。比较常见 的重要 路由 协议中， 洪泛法是一种最 简单的 平面路由。 定向 扩散、 谣传法5 5是典型的 基于 查 询的 平 面 路由 。 e a r , g b r i是 典 型 的 能 量 感 知 路由 。 s p in )是 一 种 基 于 协商机 制的以 数据为中 心的 平面路由 算法。 层次路由协议 有 l e a c h 59 , t e e n s o p e g a s i s i和g b e a r 6 2 等 。 本文构建的是单一网络， 暂时没有达到大规模组网的条件， 应该选择一种平面路 由协议方案。 而项目作为传感器网络的基础实验研究， 暂时也不侧重于地理位置路由 等应用相关设 计。 通过对比 分析， 洪泛法 和定向 扩散路由比较符 合本文的设计。 南京理工大学硕士论文无线传感器网络平台开发与组网实现 洪 泛法 l 6 是平 面路由中 最简单的算 法，属 于反 应式路由 。 其工 作思路 非常 简单， 如图2 - 1 2 ( a ) 所 示。 收 到 数 据 的 节 点 只 需 判 断 该 数 据 包 是 否为 第 一次 收 到， 如 果 是 第 一 次收到并且没有达到 最大跳数(h o p ) ， 则将该数据包的 编号存储在自 己的 缓存中。 如 果目 的地址是本节点， 则 存储该 数据包; 如果目 的地址不是自己 ， 就 转发给除 发送 节点外所有与自己相邻的节点;否则就丢弃该数据包。 选择 个节点 ( a ) 洪泛法( b ) 改进的洪泛法 ( 闲 聊法) 图2 - 1 2 洪泛法和闲 聊法的 工作机制 洪泛法实现非常简单， 不需要为 保持网 络拓扑信息 和实 现复杂的路由 发 现算法而 消 耗计算资源， 可以 保证非常高的网 络健壮性。 但是这种机 制对数 据的 转发太过盲目 ， 容 易产生分组数据的 重叠， 并由 此产生内爆(im p lo s i o n ) 现象， 造成大量的能 量浪费或 网 络拥塞， 且这种 现象随 着网络规模的扩大而 越加明 显。 因 此洪泛法可以 用于网络规 模小，信息量少，对数据传输的可靠性要求非常高的场合。 在洪泛法的 基础上， 研究人员又提出了一种简单的改进方法， 可以 形象地叫 做闲 聊 法 1叹 g o s s ip in g ) 。 其 基 本 工 作 过 程 如 图2 - 1 2 ( b ) 所 示 ， 当 节点 收 到 数 据包 时 ， 只 将 数 据包随机转发给与其相邻的不同于发送节点的某一个节点， 而不是所有节点。 这样就 降 低了数据转发重叠的可能性， 避免了 信息内 爆现象的 产生。 但随机转发某一个节 点 的 方向 并不一定在距离目 的节点更近的方向 上， 容易 造成数 据包传输的“ 绕远” 现象， 甚至导致跳数达上限 而丢包。 这种方法虽然减少了 浪费， 避免了 拥塞， 但同时 也增 加 了传输时延，降低了路由的可靠性。 定 向 扩 散 ( d i re c t e d d iff u s i o n , d d ) 路由 17 ,18,1 91是 一 种以 数 据 为中 心 的 路 由 协 议 ， 也 是无线传感器网 络的一种典型路由 方案， 尤其在m e s h 结构中。 其突出特点是引 入 了梯度来描述网络中路径的优先关系。 最后得到加强的路径具有最大的梯度， 表示向 该方向 继续搜索获得匹配数据的可能性最大。 d d算法实现主要由 兴趣扩散、 梯度建 立和数据传输三部分组成。 s i n k 节点向 所有传感器节点 广播其兴趣消息， 每个传 感器 节点收到兴趣消息后将其保存在各自 的 兴趣列表中。 每个兴 趣项( in te r e s t e n tr y ) 包 含一 个时间 标签域(t im e s ta m p fi e ld ) 和若干 个梯度 域( g r a d ie n t fi e ld ) ， 按成本最小 化和能 量自 无线传感器网络平台的系统设计硕士论文 适 应原则引导 数据扩散的 方向。 当一 个兴趣消息 传遍整个网 络后， 从源节点 ( 即兴趣 所 在区域的 传感器节点) 到 汇聚节点 之间的 梯度就建立起来了。 一旦 源节点采集到兴 趣所需的 数 据， 就沿着该兴趣消息的 梯度路径传 输到汇聚节点。 d d路由的 缺点是实 时响应能 力不 好， 因为路由 算法只 有在汇聚节点 查询时才响应， 不能很好的 应对突发 性事件。 并且路由 算法没 有形 成到s in k 节点的多 条路由， 路由 健壮 性不够好。 2 . 7 . 2基于定向 扩散的 改进路由 算 法设计 在2 .7 .1 中 分析了 各种 路由 算法， 选用定向 扩散的 基本思路作为路由 解决方 案。 但是， d d路由是 基于汇聚节点 查询的被动 路由， 只有汇 聚节点 需要数据时才进 行查 询， 而普通节点没有 这个查询权利， 这导 致了算 法无法满足m e s h 网 络中任意两个普 通节点之间 维护路由 的要 求。 同时， 定向 扩散路由的实时 性差; 没有备 份路由， 健壮 性差。这两个缺点也需要改进。 借用 d d路由的 查询思想， 设计了 一种改进的路由 算法， 在目 前规 模下满足了 m e s h 网络中 任意两节点间的 路由 维护，并 且解决了 实时 性和健壮 性不足的问 题。 该 路由 算法的查询思 想与d d路由 相 似， 但是并非只 有汇 聚节点 才发起查 询， 而是每个 普通节点都要发起到达网络中其他节点的路由查询。并且，查询的兴趣不再是数据， 而是路由信息。 在网络稳定后到其他节 括第一选择和备份路由。第 卓 的 畴 急 弓趁 些 些垫奥 h r *m，比 如最少跳数/最快 川颐 彝 笠 三 万 鲤 醚 巫 至 鱼 面 鼠 题 数 据 仍 可 以 ， 输 y - - -1 711 h m t - 无线传感器网络以 数 据为中 心， 单 个节点的网 络唯一性并不重要， 因此不 使用独 立于m a c 层地址的网 络地址格式。节点 只有一个地址信息， 即m a c 地址与网 络地 址 完全相同 ( 本文全部使 用这 种地址模式) ，不过该地址处于m a c层和处于网 络层 时所实现的功能不同。这种设计节省了地址解析的大量开销。 每个节点维 护一张路由 表和 一张邻居表。 路由 表记录了到 达网 络内 其他节点的路 径中的下一跳地址，以及备份选择; 邻居表记录了节点的所有邻居节点地址。路由表 和 邻居表 通过路由发 现算法来维护。 在以 下四 种情况下， 节点 运行路由 发现算法， 查 找路由: ( 1 ) 网 络组建之初， 每个节点 都 运行一次算法; ( 2 ) 节点 路由 表中 某一目 的 节点的路由 全部失效; (3 ) 节点自 身发现脱离原网 络并加入 新的 结构: (4 ) 路由的 定时 维护时 间到。 路由 发 现算法的 工作原理如图2 - 1 3 . 假设现在有图中的网 络结构， 并 且各节点通 信范围只能覆盖其邻节点。以节点 1 为例，发起路由查询。 南京理工大学硕士论文无线传感器网络平台开发与组网实现 ( a ) 查询消息 扩散( b ) 路由 的反向 确认 图2 - 1 3节点1 运行路由查询算法过 程 首先，节点1 广播路由 查询的命令帧r o a d s ， 并且要求转发。 该命 令帧在网络中 开 始全方向 扩散。 对于其他节点，只 对最先收 到的r o a d , 进行响应。以 节点7 为 例， 如果最先收到的是节点 4 的转发， 则查询自己的路由表， 如果路由表中没有通往节点 1 的 路由， 则添加路由 信息(表2 - 1 ) : 表2 - 1节点 7 到节点 1 的路由信息 目的地址下一跳地址 节点 7 的路由表项 1 i 4 i 如果路由 表中也没 有通往节点4 的 路由 信息， 则添加路由 信息(表2 - 2 ) : 表2 - 2 节点7 到节点4 的路由信息 目的地址下一跳地址 节点7的路由表项 同时，在邻居表中添加信息: 节点 4 是邻居。 此后如果 节点7 再次收到其他节点转发的r o a d , ， 不再进行转发， 而查 询路由 表 中 是否存在到达 该转发者的 路由。 如果没有则添加该记录 ( 直接到 达) 和 邻居表， 并 添加该节点为到 达节点1 的 备份路由。 为了节省路由算法的开 销， 可对备份路由 的 条 数 进行限 制，比 如限制为2 条。 该过程如图2 - 1 3 ( a ) 所示。 反向确认工作过程如图2 - 1 3 伪 ) 所示。 第n 个节点的反向 确认帧a ff ir m的发 送 任 务在收到r o a d , 后即 建立， 在任务缓冲队 列中 跟在r o a d , 的转发任务之 后。 由 于反向 路由已 经建立， a ff irm 。 的传输比 较简单， 直接查找 路由 表即可。 最 后， a ffi rm至 达节 点1 后， 节点1 查询路由 表， 如果表中 没有节点n 的 路由 信息， 则添加 对应路由。 同 样以 节点7 为 例， 7 发起反向 确认帧a ff irm s ， 首先发 送给节点4 , 4 转发给 1 , 1 收到 a ff ir m s 后 添加 路由 信 息 (表2 - 3 ) : 表2 - 3 节点1 到节点7 的 路由 信息 目的地址i下一跳地址 节点 1 的路由表项 无线传感器网络平台的系统设计 硕士论文 当所有有效的 节点 均发回a ff u m 。 后， 节点 1 发起的路由查 询结 束。 其中 节点 1 到达每个节点的 第 一路径选 择都是经过 加强的路径，同 样在该路径上反方向 也 成立。 图2 - 1 4 为节点1 的路由 算法结果， 其中列出了 节点 1 到 达网 络中各节点的优先路由 ( 实线) ，以 及部分 备份路由 ( 虚线) 的信息。 图2 - 1 4节点 1 的路由算法结果 节点1 的路由算法 过程完成了以 下路由 信息的 确认: 节点 1 到所有其他能到达节点的路由 ( 下一跳地址) ; 网络中 其他节点到 达节点1 的 路由 ( 下一跳地址) ; 网络中每个节点的部分邻居表。 该算法主要任务是完成了节点1 的路由表维护，其结果如表 2 - 4 所示。 表2 - 4节点 1 的路由表理想维护结果 节 点 1 的 路 由 表 目的地址下一跳地址 备份下 一跳( 1 )备份下一跳( 2 ) 22 48 3 349 442 3 5 243 6342 7423 8 821 0 9931 0 1 01 089 节点1 的路由 发现算 法结 束后，下一 个节点开 始发起r o a d ;，开始第i 个节点的 路由发现算法，直到所有节点全部成功运行算法。则整个网络的路由信息全部建立。 很明显，节点发起 路由 查询 算法的 顺序越晚， 其收 敛速度越快。 在本文的实验环境下， 该的路径 南京理工大学硕士论文无线传感器网络平台开发与组网实现 不过节点间消息的 传输都是随机竞争的方式， 因 此第一路径只 是在概率 上最 优的。 纯 粹的 洪泛查 询方式中，网 络通信量是呈指数形式增长的， 而该算法只响 应最快 路 径， 取消了节点的重复转发， 在当前规 模下不 会导致网 络拥塞。 虽然每个节点 都要进 行一 次查询，但只是在网络组建的初期执行， 这个时候网络还未进入正式工作状态， 对时 延并不敏感。 但是，如果网络规模过大，仍然会出现算法收敛速度慢，网络通信量大 等问题。 传感器网络具有动态性， 所以网络层协议还必须能够满足网络拓扑动态变化的需 要。 这种需要可以通过拓扑变化时再次启动节点的路由发现算法来实现。 在网络稳定 运行阶段， 使用按需和定时相结合的方式 运行算法， 保持路由 的更新。 算法更 新的时 间间隔可根据网络的动态性强弱进行相应的增减。 2 . 8本章小结 本章全 面地介 绍了 无线传感器网 络的系统设计方案， 包括节点 和网 络协议 栈的 基 本设 计，以 及组网 方案的 选择。 分析了 协议底层技术 i e e e 8 0 2 .1 5 .4标准， 介绍了 物 理层的无线传输技术。接着详细分析了ma c层和网络层的算法设计要求，并且针对 本课题的需要设计了相应的算法。这也是协议栈设计中的算法基础。 硬件平台设计设计 硕士论文 3硬件平台设计 数据处理部分 用于 节点的处 理器要求集成度高、 体积小、 功耗低， 而对处理能力要求不高。目 前处理器模块中使用较多的有a t me l 公司的a v r系列单片机，如a t 9 0 s 8 5 3 5 , a t m e g a l 2 8 , a t m e g a l 0 3 , a t m e g a l 6 3 等;以及t i 公司的超低功耗处理器m s p 4 3 0 0 a r m 3 2 位处理器也 在无线传感器网 络中 得到了 应用。 针对本文的设计要求， 选用微 控制器 a t m e g a 1 2 8 l o 3 . 1 . 1 a t m e g a 1 2 8 l 低功耗m c u a t m e g a 1 2 8 1,12 03 是 a t me l 公 司 于 2 0 0 1 年 推出 的 基 于 a v r r i s c 结 构 的 8 位 微控 制 器， 采用低功 耗c o m s 工艺生产， 是目 前a v r 系列中 功能 非常强大的单片 机。 该芯片 具有丰富的 片上资 源。内 部集成有1 2 8 k b 的程序存储器(f la s h ) . 4 k b 的数据存储器 (s r a m) 和 4 k b 的 e e p r o m， 可以 满足一般需要， 并且最大可外扩 6 4 k b 的 数据存储器。 片内 具有8 路1 0 位 a d c 通道， 可以 携带多个传感器; 2 个8 位和2 个1 6 位带 有比 较模式的 硬件定时/ 计数器、8 个p wm通道，具有可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模 拟比较器。 具有两个可编程的串行u s a r t 接口，一个可工作于主/ 从机模式的s p i 串行 接口，以 及i2 c 8线、 j t a g 等接口， 可以与 其他芯片方便连接。 a t m e g a l 2 8 l 采 用了 a t me l 的 高密度非易失性内 存技 术，片内 f la sh 可以 通过s p i 接口 + 通用编程器， 或 通 过 j t a g 接口 ，或使 用自 引导程序进行编程和自 编程。程序的下载和仿真非常灵活、 方便。 本文使 用了 j t a g 接口 进行 程序下 载和仿真。 a t m e g a 1 2 8 l 的 运 行 速 度 为 。 - 8 m h z ， 可以 在 接 近 一 个 时 钟 周 期的 时 间 内 执 行 一 条指令， 代码的 执行效率高，速度快。 工作时钟源可以 选取外部晶 振、外部 r c 振荡 器、内 部r c 振荡 器、 外部时 钟源等方式。 工作时钟源的选择通过 a t m e g a 1 2 8 l 的内 部 熔丝 位来设 计， 熔丝位可以 通过j t a g编程、is p编程等方式设置。 a t m e g a 1 2 8 l 工作电 压是 2 .7 - 5 .5 v ， 可以 直接使 用3 v 的 干电 池供电， 使用非常 方 便。 芯片可 在多种不同 模式 下工作。 除了 正常操作模式外， 还具有空闲、 a d c 降噪、 掉电、 省电、 待机、 扩 展待机六种不同 等级的低能耗操作模式。 正常工作模式时电流 消耗约5 m a ，空闲 模式时约2 m a ，在掉电模式时其工作电 流可以 低至2 5 u a ，因 此该 微控制器适 合于低能耗的应用场合。 当其处于不同 休眠模式时， 还支持定时器、 a d c . 外部中断 等多种唤 醒源， 休眠控制非常方便。 该m c u 非常 适合无线传感器网 络的低 能耗控制要求。 a t m e g a 1 2 8 l 较小的外形，也 可以 减小节点的 尺寸。 南京理工大学硕士论文无线传感器网络平台开发与组网实现 3 . 1 . 2数据 处理 单元电路设计 传感 器 节 点 主 要 运 行网 络的 协 议 栈 ， 数 据 存 储量 不 大， a t m e g a l 2 8 l 内 带 的 4 k b r a m 和1 2 8 k b 的 f l a s h 完 全能够 满足要求，因 此不再需要外扩存储芯片。 本文设计的 节点中， 外围的 无线通信模块c c 2 4 2 0 通过s p i 口与 a t m e g a l 2 8 l 连接， 传感器的 连接 也可以 直接使用该 mc u 中的a /d 模块，因 此整个数据处理单元只需一片 a t m e g a l 2 8 l 和其辅助电路即可，电路简单，干扰小。数据处理单元电路如图3 - 1 所示。 3.3 v r 1 du1 a t me ig a1 2 8 氏 c t 09日，. r 2 一一 4 7 0 r 3 1 470 日 日l e d1 c 4 1口口n 谱卿硼vcc蒸 口团-闪二 洲幻一5-于 民仁-c-e p a : p a ( p a ;3 3 v 2765432dln目，llu gccuccccugg ppppppppp自尸p penpeopeipezpe3pe4吸卿pbdpbipbz艘膝pb7lpg:耀撇麒 c1 u 1 0 0 n f c 2 8 ,d d o m h z c 3t i - 暂考pf sf 旦 c ca 若 月 月p di d k -g2i p d 3 i p -4 p d 5 当 之 到 吕 黔 图3 - 1数据处理单元电路原理图 使用 微处理 器的内 部振荡器和外部的8 mh z 无源晶 体来提供工作时钟信号。 p b o - p b 3 作为s p i 端 口的c s n, c l k , s i , s o，分别与c c 2 4 2 0 芯片的对应s p i 端 口相连。s f d , f i f o, f i f o p , c c a 用于连接c c 2 4 2 0 的对应脚，以输入c c 2 4 2 0 的相 应状态信号。 其中 f if o p ( p d o ) 作为外部中断源， 用于接收中断。 p b 5 (v r e g ee e n )输出， 用于 c c 2 4 2 0 芯片内 部整流功能的 选通。 p b 6 (r e s e t n )输出，用来复 位c c 2 4 2 0 芯片。 p f 4 - p f 7 对 应 a t m e g a 1 2 8 l 的 t c k , t m s , .t d o , t d i ， 用于 a v r 仿 真 器 连 接 。 微 处 理 器使用了4 7 k的外部上拉电阻，进行上电复位。 3 . 2射频通信部分 集只31 现在适合传感器网络的无线通信模块越来越多， 它们都具有低功耗、低速率、 成度高等特点， 往往在几毫米尺寸的 芯片内 集成了几乎所有无线射频部分的电 路， 硬件平台设计设计 硕士论文 需非 常少的 外围 匹 配电 路即 可工作。常 用的 有 c h ip c o n公司的 c c i 0 0 0 , c c 2 4 2 0 , c c 2 4 3 0 , r f m公 司的t r 1 0 0 0 , 挪威n o rd ic 公司的n r f 2 4 0 1 , n r f 2 4 l 0 1 , f r e e s c a le 公司的 m c 1 3 1 9 1/ 9 2等等，并不断有新的产品 涌现。 本文了选用兼容 i e e e 8 0 2 .1 5 .4 标准的 无线 通信 模块c c 2 4 2 0 0 3 . 2 . 1 无线收发模块 c c 2 4 2 0 c c 2 4 2 0 12 1是 c h i p c o n 公 司 在 2 0 0 3 年 底 推出 的 一 款 兼容 2 .4 g h z ie e e 8 0 2 .1 5 .4 标 准 的 无 线 射 频 芯 片 。 基 于 c h ip c o n 公 司 的 s m a r tr f 0 3 技 术 ， 使 用 0 .1 8 m c o m s 工 艺 生 产， q l p ( 4 8 ) 封装。 其主要性能参数 和特点 如下: 高集 成度的 单芯片， 完全支持ie e e 8 0 2 . 1 5 .4 标准; 采用 i e e e 8 0 2 .1 5 .4 规范 要求的 。 - q p s k 调制方式和直接 序列扩频技术; 数据 速率达2 5 0 k b p s ， 码片速率达2 m c h ip / s ; 超低电 流消耗(r x : 1 9 .7 m a , t x : 1 7 .4 tn a ) ， 输出 功率可编程控 制; 接收 灵敏度高( -9 4 d b ) ; 抗邻频道千扰能力强(3 9 d b ) ; 采用 低电压 供电 (2 .1 - 3 .6 v ) ，并 且内 部集成了 整流模块，可 提供1 .8 v 电 压; 无需外部的 r f 转换/滤波电 路， 外围 器件非常少; 支持链路质量指示 ( l q i ) 和接受信号强度表示 ( r s s i ) ; 与 控制微处理器的 接口 配置容易 ( 4 总 线s p i 接口 ) ; 支持1 6 b it c r c 自 动校验，以 及m a c 地址自 动识别; 支持 m a c 层硬件加密(a e s - 1 2 8 ) ; 采用q l p - 4 8 封装，外形尺寸只有7 x 7 n u n a c c 2 4 2 0 体 积非常小， 在仅仅7 x 7 m m 的 微小 体积内， 集成了 低噪声放大器(l n a ) , 功 率 放 大 器 ( p a ) 、 模 数 转 换 器 ( a d c ) 、 压 控 振 荡 器 (v c o ) 、 自 动 增 益 控 制 放 大 器 ( a g c ) , 线性中 频器征) 等射频电 路，以 及内 部稳压器( 1 .8 v ) ,寄 存器、电池电 量监测电 路 等 模块。 c 2 4 2 0 从 天线接收到射频信号后， 首先经过l n a ， 然后在正交下变频到 2 m h z 的中 频上， 形成中 频信号的同向 分量和正交 分量。 两路信号经过滤波和放大后， 直接 通过a d c 转换成数字信号。 然后对该数字信号 进行自 动增益控制、 解扩以 及字 节同 步 等处 理。 最后将得到的数 据存 储到 对应r a m区 域， 并改变相应的 状态寄存器。 外围电路只需要晶体、 天线等极少器件， 使用户摆脱了射频电路设计、 抗电磁干 扰设计 等环节， 使用非常方便， 可确保短距离通信的有效性和可靠性， 同时 也降 低了 功耗 ( 电流消耗 c c 2 4 2 0 会自 动定 位到相应的r a m区域 并 递加地 址。 当c c 2 4 2 0 正 在发送t x f if o中的数 据时， s f d会变高， 这时不 允许执 行写 t x f i f o操作。 执行s t x o n命令后， c c 2 4 2 0 会自 动发送 t x f i f o中所有数据。 当 发送完成后，自 动将刚 才发送的 数据包按原来的 顺序重新填入t x f if o 。 所以 ， 如 果下次需要发 送相同 数据， 则不需再次通过s p i 写入数据。 执行s r x o n后， c c 2 4 2 0 进入接收状态， 如果发现 符合设定格式的 数据， 则自 动填充至r x f i f o ， 同时 在芯片 的f i f o , f i f o p , c c a, s f d等引脚上产生相应的状态信息.当f i f o p = 1 , f i f o = 1 时， 表示收到一帧数据， 这个时候主设备应该读取r x f i f o中的数据至微控制器中。 读取时， 先选通r x f i f o寄存器地址， 然后通过写 入空操作(0 x 0 0 ) 来读入数据。 只要 读取过 r x f i f o ，则 f i f o p 立刻被清 0 ，当所有数据都被读出后，f i f o清 o a r x f i f o和t x f i f o作为无线信道与处理器间的缓冲，大小都为 1 2 8 字节，即每 帧数据 长度不超 过 1 2 8 字节。 一 般在c c 2 4 2 0 的状 态寄 存器i o c f g o 中 设置每 个数据 包的 最大长度 ( 小于1 2 8 b y te s ) o 如果 c c 2 4 2 0 处于写入地 址或写t x f i f o阶段， 则在其 s i 上每收到一个字节的 数据， 就在其s o上同步输出 一个字节的状态信息s 7 : s o 。 该字节表示了当 前c c 2 4 2 0 的 状态， 包括c c 2 4 2 0 内 部振荡器是否已 经稳 定， 射频 收发器是否繁忙， 缓 冲是否发 生下溢，r s s i 是否有效等信息。用户可以通过查看该字节来监测 c c 2 4 2 0的状态以 及信道的信息。 ( 3 ) 节点 性能 通过以上的调试过程， 如果节点电路全部正常， 就可以进行最基本数据收发。 但 是， 这里的数 据不具备 任何意义， 而只 是实现了 链路 上的 信号传输功能。 在协议栈中 对数据进行定义，形成数据帧格式以完成组网等功能，将是本文重点设计的内容。 3 8 南京理工大学硕士论文无线传感器网络平台开发与组网实现 经过测试，得到节点基本性能参数如表 3 - 3 . 表3 - 3 节点 性能 参数 外形尺寸全功能 节点6 2 x 3 8 m m ; 普通节点5 2 x 3 8 m m 通信频段 2 . 4 - 2 .4 8 3 5 ghz 最高数据传输带宽2 5 0 kb p s 供电电压5 v直流稳压源 / 3 v电池 电流消耗小于 2 5 . 6 ma 通信距离p c b天线:l o m ; 外置天线:3 0 m 其他特性发射功率和 距离编程可调;支持跳频传输 3 . 4 . 3节点 设计时 遇到的问 题 节点 工作于2 .4 g h z 频段， 较高的 频率给电 路板设计 提出了 较高的 要求。 在设计 中， 严格采 用了一系 列抗干扰方 法， 最后 节点的 设计基本上取 得了成 功。 但是， 一些 限制 和遇到的问 题使得节点的 性能 没有达到最好状态。 主 要体现在传输距离没有达到 c