基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现

1、南京航空航天大学硕士学位论文基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现姓名:耿长剑申请学位级别:硕士专业:电路与系统指导教师:王成华20090101南京航空航天大学硕士学位论文摘要无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN是一种集成了计算机技术、通信技术、传感器技术的新型智能监控网络,已成为当前无线通信领域研究的热点。随着生活水平的提高,环境问题开始得到人们的重视。传统的环境监测系统由于传感器成本高,部署比较困难,并且维护成本高,因此很难应用。本文以环境温度和湿度监控为应用背景,实现了一种基于无线传感器网络的监测系统。本系统将传感器节点部署在监测区域内,通过自组网的

2、方式构成传感器网络,每个节点采集的数据经过多跳的方式路由到汇聚节点,汇聚节点将数据经过初步处理后存储到数据中心,远程用户可以通过网络访问采集的数据。基于CC2430无线单片机设计了无线传感器网络传感器节点,主要完成了温湿度传感器SHT10的软硬件设计和部分无线通讯程序的设计。以PXA270为处理器的汇聚节点,完成了嵌入式Linux系统的构建,将Linux2.6内核剪裁移植到平台上,并且实现了JFFS2根文件系统。为了方便调试和数据的传输,还开发了网络设备驱动程序。测试表明,各个节点能够正确的采集温度和湿度信息,并且通信良好,信号稳定。本系统易于部署,降低了开发和维护成本,并且可以通过无线通信方

3、式获取数据或进行远程控制,使用和维护方便。关键词:无线传感器网络,环境监测,温湿度传感器,嵌入式Linux,设备驱动AbstractWireless Sensor Network, a new intelligent control and monitoring network combining sensor technology with computer and communication technology, has become a hot spot in the field of wireless communication.With the improvement of liv

4、ing standards, people pay more attention to environmental issues. Because of the high maintenance cost and complexity of dispose, traditional environmental monitoring system is restricted in several applications. In order to surveil the temperature and humidity of the environment, a new surveillance

5、 system based on WSN is implemented in this thesis.Sensor nodes are placed in the surveillance area casually and they construct ad hoc network automatieally. Sensor nodes send the collection data to the sink node via multi-hop routing, which is determined by a specific routing protocol. Then sink no

6、de reveives data and sends it to the remoted database server, remote users can access data through Internet. The wireless sensor network node is designed based on a wireless mcu CC2430, in which we mainly design the temperature and humidity sensors hardware and software as well as part of the wirele

7、ss communications program. Sink node's processors is PXA270, in which we construct the sink node embedded Linux System. Port the Linux2.6 core to the platform, then implement the JFFS2 root file system. In order to facilitate debugging and data transmission, the thesis also develops the network

8、device driver.Testing showed that each node can collect the right temperature and humidity information, and the communication is stable and good. The system is easy to deploy so the development and maintenance costs is reduced, it can be obtained data through wireless communication. It's easy to

9、 use and maintain.Key Words: Wireless Sensor Network, Environment Monitoring, Temperature and Humidity Sensor, Embedded Linux, Device Drivers图、表清单图1.1 无线传感器网络结构图 (2图2.1 系统体系结构 (6图2.2 传感器节点体系结构 (8图2.3 汇聚节点设计框图 (8图3.1 CC2430核心板电路图 (13图3.2 SHT10硬件原理图 (14图3.3 能量供应模块原理图 (14图3.4 SHT10启动传输时序 (15图3.5 SHT10湿

10、度测量时序图 (16图3.6 SHT10通讯复位时序图 (16图3.7 SHT10温湿度采集流程图 (18图3.8 TinyOS体系结构 (21图3.9 TinyOS组件图 (21图3.10 传感器节点工作流程图 (23图3.11 节点数据发送流程图 (24图3.12 节点数据接收中断服务程序流程图 (25图4.1 交叉编译调试示意图 (26图4.2 U-Boot启动代码流程图 (27图5.1 内核启动流程图 (36图5.2 head.S执行流程图 (37图5.3 Linux内核配置示意图 (42图5.4 内核配置原理 (42图6.1 Linux网络驱动程序的层次 (48图6.2 将模块连接到

11、Linux内核示意图 (49图6.3 LAN91C111内部结构 (49图6.4 LAN91C111接口电路原理框图 (52图6.5 以太网发送数据包流程图 (57图6.6 以太网接收数据包流程图 (59图7.1 节点实物图 (61南京航空航天大学硕士学位论文图7.2 传感器节点测试连接图 (62图7.3 通过串口输出的节点B接收到的数据 (62图7.4 温湿度表HC520测得的数据 (63图7.5 汇聚节点电路板实物图 (63图7.6 超级终端新建串口连接 (64图7.7 超级终端选择端口 (64图7.8 超级终端设置通信端口属性 (64图7.9 通过超级终端输出的系统启动画面 (65图7.

12、10 地理信息系统 (65图7.11 节点数据显示 (66图7.12 节点数据曲线图 (66图7.13 节点数据图表 (66表2.1 典型无线传感器网络节点配置 (7表3.1 SHT10引脚说明 (13表3.2 SHT10命令编码表 (15表3.3 温度转换系数d1取值列表 (17表3.4 温度转换系数d2取值列表 (17表3.5 湿度转换系数t1取值列表 (17表3.6 湿度转换系数t2取值列表 (17表4.1 汇聚节点板级寄存器 (29表4.2 汇聚节点地址空间分配 (29表4.3 U-Boot头文件主要配置参数 (31表4.4 GPIO配置相关寄存器 (32表4.5 nCS0配置清单 (

13、33表4.6 MDCNFG配置选项 (33表6.1 LAN91C111 MAC寄存器I/O空间映射表 (50表6.2 LAN91C111 PHY MII寄存器列表 (51基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现viii 注释表WSN 无线传感器网络d1,d2温度转换系数SO T实际测得的温度数据C1,C2,C3湿度转换线性补偿系数SO RH相对湿度测量值RH linear线性补偿后的湿度值RH true线性、温度补偿后的湿度值t1,t2温度补偿系数承诺书本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果

14、不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书作者签名:日期:南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论20世纪90年代以来,随着无线通信技术、嵌入式计算技术、现代网络、MEMS微电子机械系统和传感器技术的飞速发展,具有感知、计算和无线网络通信能力的传感器及由其构成的无线传感器网络(Wireless Sensor Network,W

15、SN已经引起了人们的极大关注1。无线传感器网络能够克服单一传感器在用户信息需求方面的不足,能够智能地获取用户所需信息,并且可以部署和工作在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。美国商业周刊认为WSN是全球未来四大高技术产业之一,是21世纪世界最具有影响力的21项技术之一2。1.1研究背景和意义无线传感器网络是由随机分布的集成有微型电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件(包括嵌入式操作系统、嵌入式数据库系统等的一簇同类或异类的传感器节点与网关节点构成的网络3。无线传感器网络能够协作实时监测、感知、采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些信

16、息进行处理,传送到需要这些信息的用户4。如果说Internet构成了逻辑上的信息世界,改变了人与人之间的沟通方式,那么无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起,改变人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界,极大的扩展了现有网络的功能和人类认识世界的能力。传感器网络将逐渐引领人类步入“网络即传感器”的传感时代5。微型传感器技术和节点间的无线通信能力为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景6。无线传感器网络的应用领域包括:军事侦查、环境监测、医疗和建筑监测等。随着传感器技术、无线通信技术和计算机技术的不断发展和完善,各种传感器网络将遍布生活的各个层面,特别

17、是在环境监测等领域。当前的环境监测系统多采用有线监测方式。这类系统存在两方面缺陷:一方面有线监测系统对于线路的依赖性较强,系统布置会受到布线的影响。另一方面有线方式结点分布固定,分布密度不高,当某些结点发生故障时,会使局部区域失去监测功能。本文采用无线传感器网络来采集环境的温度和湿度信息,并把这些信息及时传递到监控中心。与传统的监控手段相比,使用无线传感器网络进行监控有三个显著的优势7 8:(1传感器网络节点数量大,分布密度高,每个节点可以监测到局部环境的详细信息并汇总到数据中心,因此传感器网络具有数据采集量大,精度高的特点。(2传感器节点的体积很小且整个网络只需要部署一次,因此部署传感器网络

18、对所监控的1基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现2环境的人为影响很小。(3无线传感器节点本身具有一定的计算能力和存储能力,可以根据物理环境的变化进行较为复杂的监控,传感器节点还具有无线通信能力,可以在节点间进行协同监控。本课题以辅助森林中的火灾监控为目标,突破传统的环境监测方法和思路,利用无线传感器网络在环境监测中的优势,为环境监测提供可靠的监测数据。本文设计的环境监测系统具有成本低、易扩展和可靠性高等特点,不但可以应用于户外环境等需要大范围监控的领域,也可应用于个人家居等其他小型监控领域,具有广泛的应用前景。1.2无线传感器网络概述无线传感器网络的系统结构如图1.18所示,一般包括传感

19、器节点(sensor node、汇聚节点(sink node和管理节点(management node。大量传感器节点随机部署在被监测区域内或非常靠近被监测区域的地方,通过自组织方式构成网络,传感器节点将监测的数据经过多跳后路由传输到汇聚节点,汇聚节点通过公共通信网络(如互联网、卫星等将数据发送到管理节点。监测者通过管理节点对传感器网络进行管理和配置、发布检测任务、收集监测数据。 图1.1 无线传感器网络结构图传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统9,由于受到体积、价格和电源供给等因素的限制,它的处理能力、存储能力和通信能力较弱,通常只与自身通信范围内的邻居节点交换数据,通过携带能量有限的电池供

20、电。要访问通信范围以外的节点,必须使用多跳路由。为了保证采集到的数据信息能够通过多跳送到汇聚节点,节点的分布要相当密集。从网络功能上看,每个传感器节点都具有信息采集和路由的双重功能,除了进行本地信息收集和数据处理外,还要存储、管理和融合其他节点转发过来的数据,同时与其他节点协作完成一些特定任务。汇聚节点通常具有较强的处理能力、存储能力和通信能力,它既可以是一个具有增强功能的传感器节点,有足够的能量供给和内存与计算资源,也可以是没有监测功能仅带有无线通信南京航空航天大学硕士学位论文接口的特殊网关设备10。汇聚节点连接传感器网络与Internet等外部网络,实现两种网络之间的通信协议转换,同时发送

21、管理节点的检测任务,并把收集的数据转发到外部网络上。无线传感器网络是一种“智能”网络,与目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络等有相似之处,但同时也存在很大的差别1112。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效的带宽利用,其次才考虑节约能源,而无线传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用。无线传感器网络具有以下主要特点813:(1传感器节点数目大,密度高为了获取精确信息,在监测区域通常部署大量传感器节点,传感器节点数量可能达到成千上万,甚至更多。大量节点能够增大覆盖的监测区域,减少盲区。(2传感器节点的能量、计算能力和存储容量有限随着传感器的微型化,在设计中大部分节点

22、的能量靠电池供电,其能量有限,而由于条件限制,难以在使用中给节点更换电池,所以传感器节点的能量限制是整个无线传感器网络设计的瓶颈,它直接决定了网络的工作寿命;另一方面,传感器节点的计算能力和存储能力都较低,使得其不能进行复杂的计算和数据存储。(3无线传感器网络具有自组织能力在传感器网络应用中,通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定,节点之间的相互邻居关系预先也不知道,这样就要求传感器节点具有自组织的能力,能够自动进行配置和管理。(4传感器节点具有数据融合能力在无线传感器网络中,由于传感器节点的数目大,很多节点会采集到具有相同类型的数据,因而通常要求其中

23、的一些节点具有数据融合能力,能对来自多个传感器节点采集的数据进行融合,再送给信息处理中心。数据融合可以减少冗余数据,从而可以减少在传送数据过程中的能量消耗,延长网络的寿命。(5动态的的网络传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变:环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效;环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化,甚至时断时通;传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性;新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化,具有动态的系统可重构性。1.3国内外研究现状传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期14,从21世纪开始,传感器网络引起了学3术界、军事界和工

24、业界的极大关注,美国和欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络的研究计划。特别是美国通过国家自然基金、国防部等多种渠道投入巨资支持传感器网络技术的研究,从而使无线传感器网络研究发展取得了很大的进步。无线传感器网络方面的研究大致可划分为两个阶段15:第一个阶段主要偏重于利用MEMS技术设计小型化的节点设备,代表性的研究项目是智能微尘(Smart Dust;第二个阶段主要是对网络技术和通信协议的关注和研究以及相应仿真平台和实现平台的研究。从国外的研究状况看,美国在无线传感器方面进行了较深入的研究13。早在上世纪90年代,美国就着手对具有现代意义的无线传感器网络展开研究,美国军方的远景研究计划局陆续支持

25、了WINS、µAMPS、Smart Dust、WEBS、SCADDS等一系列重要的无线传感器网络项目,随着无线传感器网络研究的不断进展,一些大公司(如Rockwell、Intel、HP、TI等也开始通过与高校合作的方式逐渐介入该领域的研究开发工作。在美国自然科学基金委员会(Natural Science Foundation, NSF的推动下,加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、麻省理工学院、康奈尔大学等大学研究了无线传感器网络的基础理论和关键技术16。加州大学伯克利分校提出了基于相关性的数据编码模式、确定无线传感器网络中节点位置的分布式算法及重构传感器节点位置的方法等,并研制了

26、一个基于无线传感器网络的操作系统TinyOS810。加州大学洛杉矶分校开发了一个无线传感器网络模拟系统用于研究无线传感器网络中出现的问题。麻省理工学院已经开始研究用于超低功耗无线传感器网络的方法和技术。针对无线传感器网络通信协议的特殊性,康奈尔大学等高校展开了相关研究,先后提出了基于谈判类协议、定向发布类协议、能量敏感类协议、多路径协议、传播路由协议等新的路由协议。在其它国家和地区,如欧洲、日本、澳大利亚也开展了不少这方面的研究工作17。国内方面,关于无线传感器网络的研究才刚刚开始,主要是由一些高等院校和研究机构牵头,目前浙江大学成立了一个无线传感器网络试验小组专门从事无线传感器网络硬件实现方

27、面的研究;电子科技大学、东南大学、西北工业大学最近也在从事无线传感器网络路由协议等方面的研究;另外还有一些研究所诸如中科院计算机所、中科院自动化研究所等也开始从事无线传感器网络技术的研究,北京邮电大学也参与了无线传感器网络的研究。从国内公开发表的学术文章看,主要是从事一些计算机网络及传感器技术研究,从无线传感器网络体系结构等知识点角度对无线传感器网络技术进行分析和综述。尽管国内已经开始这方面的研究,但目前基本上还处于起步阶段18。环境监测是无线传感器网络的一个重要应用领域,国内外的研究者对此展开了大量研究与实践。2002年Intel实验室和大西洋学院联合进行的大鸭岛环境监测项目是无线传感器网络

28、应用的一个著名实例。大鸭岛是一个对外来监测设备非常敏感的生态环境,该实验在大鸭岛上部署了传感器网络,并进行了9个月左右的监控,得到了大量第一手资料。实验表明传感器网络在这样的生态环境中有非常明显的优势,传感器网络为实现更加准确、数据量更大、对环境影响更小的生态监测提供了一个全新的手段。2007年11月,在中国第24次南极科学考察活动中,由中国科学院主办的名为“基于无线传感器网络技术的冰雪环境连续测量系统”的科学研究计划正在实施,目的是布设一个能在北京遥控监测冰雪变化的无线传感器网络,将南极冰雪表面数据与天空中的遥感卫星监测数据相结合,对南极冰穹A地区开展“天地一体”的监测研究。1.4本文的内容

29、安排本文共分为七章,章节安排如下:第一章绪论,介绍了课题的研究背景、意义和相关技术的研究现状,从无线传感器网络的结构、特点两个方面介绍了无线传感器网络的概况,说明了课题的研究内容和具体安排。第二章系统总体方案设计,首先阐述了该系统的设计目标,然后给出了系统的结构体系,确定了传感器节点和汇聚节点模块的设计方案,最后对操作系统从成本、可移植性等几个方面进行了选择。第三章传感器节点设计,首先论述了节点的设计原则,然后给出了节点的三个模块:CC2430模块、传感器模块和能量供应模块的硬件设计,最后分析了节点软件的实现。第四章汇聚节点引导加载程序的构建,从U-Boot的启动分析,目标支持文件的建立到相关

30、代码的修改,将U-Boot移植到了目标板上,并分析了使用U-Boot引导内核的方法。第五章汇聚节点嵌入式Linux的移植,首先将内核裁减、移植到了目标板上,然后实现了JFFS2格式的根文件系统,搭建起了汇聚节点系统软件平台。第六章网络设备驱动程序的实现,分析了网络驱动程序的实现过程。第七章系统测试,分别对传感器节点、汇聚节点和整个系统进行了测试。第二章 系统总体方案设计本系统的目标是设计一个基于无线传感器网络的环境监测系统,用于森林火灾的辅助监控。传感器节点部署在检测区域内,能正确的采集监测范围内的温度和湿度信息。要求测温范围-40+100,分辨率为0.1,精度0.5;测湿范围0100%RH

31、,分辩率1%RH ,精度5%RH 。并且各个节点能在检测区域内以自主网的方式构成网络,将采集到的数据信息经过简单的处理,以多跳的方式传输到数据中心,用户能够通过Internet 查询需要的数据,并可以给传感器网络发送命令,重新部署传感器网络参数。2.1系统结构体系系统的总体设计框图如图2.1所示。监测系统由传感器节点、汇聚节点、数据服务中心和用户四部分组成。传感器节点部署在监测区域内,以自组织的方式构成网络。节点监测数据沿着传感器节点逐跳的进行传输,经多跳后路由到汇聚节点,汇聚节点负责处理所有节点的信息,并能通过网络将数据传送到服务器进行集中处理。传感器节点1 汇聚节点数据库服务器Intern

32、et 用户1网络用户2传感器节点2传感器节点n图2.1 系统体系结构传感器节点部署在监测区域内,搜集周围环境的温度和湿度信息。由于节点就处于监测环境中,大量部署功能稍弱但非常廉价的节点,即使每个节点传感器的功能稍弱,得到的监测数据也能够满足一定的精度要求,这使得系统的成本十分低。另一方面,即使有几个节点损坏,系统能够通过改变拓扑,重新组网,大大提高了系统的鲁棒性。传感器节点还具有一定的数据处理能力和通信能力,因此可以在传感器网络中对采集的数据进行初步的数据融合处理,从而减少通信量,节省能耗。与传统的单一传感器设备相比,传感器网络可以根据研究人员的兴趣变换监测目标和监测内容。用户可以通过Inte

33、rnet向汇聚节点发送命令,汇聚节点可以将这些命令发布到传感器网络中,改变网络中节点的行为,因此具有很大的灵活性。传感器网络通过汇聚节点与Internet相连。汇聚节点负责搜集所有的采集数据,发送到Internet,并将传感器采集数据保存到数据库中。数据库提供远程数据服务,用户可以接入Internet 查看数据信息。2.2技术方案的确定根据应用背景的不同,目前国内外出现了多种无线传感器网络节点的硬件平台,一些典型无线传感器网络节点的配置如表2.119所示。表2.1 典型无线传感器网络节点配置节点名称处理器无线芯片电池类型WeC AT90S8535(Atmel TR1000(RF 锂电池AA电池

34、Renee Atmega163(Atmel TR1000(RFAA电池Mica Atmega128L(Atmel TR1000(RFMica2 Atmega128L(Atmel CC1000(RF AA电池Micaz Atmega128L(Atmel CC2420(ZigBeeAA电池CC2420(ZigBeeAA电池Toles MSP430F194(TIPlantform1 PLC16LF877(MicrochipBluetooth&RF AA电池Plantform2 TMS320C55xx(TI UWB 锂电池Tmote Sky MSP4301611(TI CC2420(ZigBe

35、eAA电池在本文中,我们的传感器节点采用了CC2430为硬件的核心。传感器节点由传感器模块、CC2430模块和能量供应模块三部分组成,CC2430模块内部集成了处理器模块和无线通信模块,节点体系结构框图如图2.2所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换;处理器模块负责控制整个传感器节点的操作,存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信,交换控制信息和收发采集数据;能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量,采用电池供电。 图2.2 传感器节点体系结构汇聚节点的功能就是负责对节点采集的数据进行分析、汇总和预处理,因此汇聚节点应该是一个功

36、能强大的嵌入式系统,有足够的能量供给、大容量的内存和较强的计算能力。汇聚节点主要由处理器、存储器模块、通信模块和电源模块组成。根据汇聚节点的需求分析可以得出汇聚节点的具体设计方案,如图2.3所示。 PXA270FLASH SDRAM电源模块串口网络LAN91C111JTAG 调试接口射频收发模块(由接口扩展图2.3 汇聚节点设计框图处理器是系统的核心,主要用来处理从传感器采集到的数据以及完成一些控制功能,在无线传感器网络中,数据收发要比数据处理消耗大得多的能量,一般先将数据进行处理,然后再传送,因此对处理器计算能力的要求很高。从汇聚节点功能分析结果考虑,处理器应该具有较高的工作频率;大量的I/

37、O 接口满足扩充性要求;片内集成众多外设控制器,实现外设连接而不增加其他外部控制器;要具有很好的电源管理功能,达到最小的功耗控制。综合上述几点,我们选择了Intel公司的PXA27021作为中央处理器。汇聚节点还要配备大容量的FLASH存储器来安装应用程序和保存数据,以及SDRAM存储器来运行程序。汇聚节点同时叠加与传感器节点相同的射频收发模块,用于接收传感器节点发送的数据。为了方便调试和与外界通信,汇聚节点还配置了通信模块。为了降低开发难度,同时提高软件的可重用性,需要在硬件平台上引入操作系统。由于传感器网络的特殊性,使得传感器网络对操作系统的需求相对于传统操作系统有较大的差异。操作系统的选

38、择是一个很重要的决定,因为这会影响到工程后期的发布以及软件的维护,在选择过程中主要考虑以下几个因素:可移植性、系统定制能力、成本和可利用资源。(1传感器节点操作系统选择传感器节点有两个突出的特点22:一是并发性强,可能存在多个需要同时执行的逻辑控制;二是节点模块化程度高,要求操作系统能够让应用程序方便地对硬件进行控制,而且保证在不影响整体开销的情况下,应用程序中的各个部分能够比较方便的进行重新组合。针对这些特点,加州大学伯克利分校开发了适于无线传感器网络的微型操作系统TinyOS,能基本上满足上述要求,实现了数据采集、节点间通信、路由的建立与维护三部分功能。(2汇聚节点操作系统选择由于汇聚节点

39、任务较多,必须选择一种能出色的完成多任务调度的操作系统。目前市场上比较有代表性的嵌入式操作系统有:VxWorks、Windows CE、uC/OS-II和嵌入式Linux。VxWorks具有可裁剪微内核结构;高效的任务管理;灵活的任务间通讯;微秒级的中断处理;支持POSIX 1003.1b实时扩展标准;支持多种物理介质及标准的、完整的TCP/IP网络协议等。然而由于操作系统本身以及开发环境都是专有的,价格一般都比较高,而且支持的硬件数量有限。Windows CE与Windows系列有较好的兼容性,无疑是Windows CE推广的一大优势。它能在多种处理器体系结构上运行,它是从整体上为有限资源的

40、平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。从技术角度上讲,Windows CE作为嵌入式操作系统有很多的缺陷:没有开放源代码,使应用开发人员很难实现产品的定制;在效率、功耗方面的表现并不出色,而且和Windows一样占用过多的系统内存;版权许可费也是不得不考虑的因素。uC/OS-II是一个典型的实时操作系统。它的特点可以概括为以下几个方面:公开源代码,代码结构清晰明了;注释详细;组织有条理;可移植性好;可裁剪;可固化;内核属于抢占式,最多可以管理60个任务。尽管uC/OS-II是一种很优秀的嵌入式教学操作系统,但它的一些局限性让它在具体工程应用中能胜任的角色不多。首先,是它的文件系统。相

41、对uC/OS-II出色的任务调度功能来说,它的文件管理能力显得太差,它能支持的文件名不超过12个字符(这12个还包括扩展名。其次,它定义的一些API或数据结构和标准C库里的有冲突,以至于许多标准C函数无法应用。嵌入式Linux由于其源代码公开,人们可以任意修改,以满足自己的应用,遵从GPL,无须为每例应用交纳许可证费23。有大量的应用软件可用,有大量免费的优秀开发工具,且都遵从GPL,是开放源代码的。优秀的网络功能,这在Internet时代尤其重要。稳定,这是Linux 本身具备的一个很大优点。内核精悍,运行所需资源少,支持的硬件数量庞大,十分适合嵌入式应用。综上所述,我们选择嵌入式Linux

42、作为汇聚节点的操作系统。第三章传感器节点设计传感器节点是一个微型的嵌入式系统,是构成无线传感器网络的基础支持平台24。大量的传感器节点被随机部署在感知区域内部或者附近,通过自组织方式构成网络。每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能,除了进行本地信息收集和数据处理外,还要对其他节点转发的数据进行存储、管理和融合等处理,并转发路由到汇聚节点。传感器节点在整个网络体系中处于重要地位。3.1传感器节点的设计原则为使得设计的无线传感器节点能够组成工作寿命长、稳定可靠、性能优越的无线传感器网络,节点设计必须考虑以下几个方面1925:(1 微型化。微型化是传感器网络追求的终极目标。只有节点本身

43、体积足够小,才能保证不影响目标系统环境或者造成的影响可以忽略不计,另外在某些特殊的场合甚至要求目标系统能够小到不容易被人察觉的程度。(2 低功耗。由于无线传感器网络应用环境的特殊性,电源更换困难,对节点功耗要求非常严格。正常工作时,无线收发器的功耗是节点功耗的主要部分,所以必须尽可能采用先进的算法和协议缩短无线收发器工作状态的持续时间。(3 高稳定性。为了满足应用中工作寿命的要求,每个节点都必须具有较高的稳定性。模块化系统设计的方法可以减少电路互相干扰,提高节点的稳定性。因为要与其他无线系统共存,无线传感器网络节点还必须能适应来自外部的干扰。提高节点抗干扰性能的方法就是采用多通道的无线收发器。

44、这种无线收发器可以使系统工作在多个频段,以避免多种无线系统因共用某一段频率而相互干扰的情况发生。(4 低成本。成本的高低是衡量传感器网络节点好坏的重要指标,只有成本低才能大量的部署在目标区域中,表现出无线传感器网络的各种优点。(5 可扩展性和灵活性。可扩展性也是传感器节点设计中必须考虑的问题,需要定义统一、完整的外部接口,在需要添加新的硬件部件时可以在现有节点上直接添加,而不需要开发新的节点,即传感器节点应当在具备通用处理器和通信模块的基础上拥有完整、规范的外部接口,以适应不同的组件。3.2传感器节点的硬件设计传感器节点由传感器模块、CC2430模块和能量供应模块三部分组成,CC2430模块内

45、部集成了处理器模块和无线通信模块。处理器模块是传感器节点的核心,负责整个节点的设备控制、任务分配与调度、数据整合与传输等多个关键任务。无线收发模块用于传感器节点之间、节点与汇聚节点之间的数据通信,是节点非常重要的组成部分之一,是传感器节点中最主要的耗能模块。传感器模块是节点硬件平台中完成外部信号采集的功能模块,本课题选用瑞士SENSIRION公司SHT系列的温湿度传感器,它支持低功耗模式,采集完数据后自动转入休眠模式。能量供应模块为整个节点提供运行所需要的能量。(1CC2430简介CC2430是一颗真正的系统芯片(SoCCMOS解决方案,这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.

46、4GHz ISM波段应用对低成本、低功耗的要求。它包括一个高性能的2.4GHz DSSS(直接序列扩频射频收发核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。CC2430芯片沿用了以往CC2420芯片的结构,在单个芯片上集成了ZigBee射频前端、内存和微控制器。它使用一个8位的MCU(8051,具有32/64/128KB可编程闪存和8KB的RAM,还包含模数转换器(ADC、几个定时器(Timer、AES-128安全协处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、漏电检测电路以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用7mm×7mmQLP封装,共48个引脚,分为I

47、/O引脚、电源线引脚和控制线引脚。CC2430有21个可编程的I/O端口引脚,P0、P1口是完全的8位端口,P2端口只有5个可使用的位。通过软件设定一组SFR特殊功能寄存器的位和字节,可使这些引脚作为通常的I/O 端口或作为连接ADC、计时器或USART部件的外围设备I/O端口使用。I/O端口有以下关键特性:¾可设置为通常的I/O端口,也可设置为外围I/O端口使用。¾在输入时有上拉和下拉能力。¾全部21个I/O端口引脚都具有响应外部中断的能力。如果需要外部设备,可对I/O引脚产生中断,同时外部的中断事件也能被用来唤醒休眠模式。(2CC2430模块电路设计CC243

48、0芯片只需要外接少量晶振、电容、电阻等无源器件,大大简化了电路的设计。CC2430 模块的电路如图3.1所示,CC2430通过插座连接到能量供应模块,也是通过插座与传感器模块连接。P1_71P1_62P1_53P1_44P1_35P1_26DVDD 7P1_18P1_09RESET_N 10P0_011P0_112P 0_213P 0_314P 0_415P 0_516P 0_617P 0_718X O S C _Q 219A V D D _S O C 20X O S C _Q 121R B I A S 122A V D D _R R E G 23R R E G _O U T24AVDD_IF

49、125RBIAS226AVDD_CHP27VCO_GUARD 28AVDD_VCO 29AVDD_PRE 30AVDD_RF131RF_P 32TXRX_SWITCH33RF_N34AVDD_SW35AVDD_RF236A V D D _I F 237A V D D _A D C 38D V D D _A D C 39A V D D _D G U A R D 40A V D D _D R E G 41D C O U P L 42P 2_4/X O S C _Q 243P 2_3/X O S C _Q 144P 2_245P 2_146D V D D 47P 2_048CC2430CPU CC2

50、430DVDD D V D D D V D D56KR2618.2nHL32122nHL331GND 1.8nHL341 5.6pFC341ANTENNAD V D D D V D D X132M 27pF C19127pFC211GND43kR221GND220nFC241GND32.768KY515pFC44115pF C431220nFC421GNDGND20JP120JP2HEADER 10X2GND P0.5P 0.2P 0.3P 0.4P 0.5P 0.6P 0.7P 2.0P 2.1P 2.2CC2430核心板接入口图3.1 CC2430核心板电路图温湿度检测离不开温湿度传感器,

51、良好的传感器是系统性能保证的基础。SHT 系列单芯片传感器是一款含有已校准数字信号输出的温度和湿度复合传感器,SHT 系列传感器应用了工业CMOS 工艺和微机械加工专利(CMOSens 技术,保证了高可靠性和长时间工作的稳定性。传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件,并与一个14位的A/D 转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。超小的体积、极低的功耗,使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。在实际的应用中,我们选择了SHT 系列的SHT10,其引脚说明如表3.1所示。表3.1 SHT10引脚说明

52、引脚名称注释 1 GND 地 2 DATA 串行数据,双向 3 SCK 串行时钟,输入 4 VDD供电 2.45.5V58 NC 剩余引脚不用连接SHT10系列为贴片型温湿度传感器芯片,湿度测量范围:0100%RH ;温度测量范围:-40+123.8;湿度测量精度:±4.5%RH ;温度测量精度:±0.5;低功耗(typ.30µW ;可完全浸没。默认的测量分辨率分别为14bit (温度、12bit (湿度,也可分别降至12bit 和8bit 。SHT10可以通过一根数据线直接与微处理器交换数据,硬件设计简单,如图3.2所示。SHT10的供电电压为2.45.5V ,

53、本设计中采用5V 供电。传感器上电后,要等待11ms 以越过休眠状态,在此期间无需发送任何命令。串行时钟输入(SCK 用于控制器与SHT10 之间的通信同步。由于接口包含了全静态逻辑,因而不存在最小的SCK 频率限制。即控制器可以以任意慢的速度与SHT10通信。串行数据(DATA 是内部数据的输出和外部数据的输入引脚。DATA 在SCK 时钟的下降沿之后改变状态,并在SCK 时钟的上升沿有效,即控制器可以在SCK 的高电平段读取有效数据。在控制器向SHT10传输数据的过程中,必须保证数据线在时钟线的高电平段内稳定。GND 1DATA 2SCK 3VDD 4SHT D1SHT10GND20JP1

54、20JP2HEADER 10X2GND P0.5传感器板接入口,与核心板具有相同排布GND DVDD图3.2 SHT10硬件原理图能量供应模块原理图如图3.3所示,板子上有两排插座,分别连接CC2430模块和传感器模块,为这两个模块供电,而且CC2430模块和传感器模块也是通过这两排插座进行连接。P0.7GNDP1.3/LED P1.0/SCL P2.1/DD P2.2/DC P1.4/SS P1.5/SCLK P1.6/MOSI P1.7/MISO20JP1HEADER 10X21234567891011121314151617181920JP2HEADER 10X2DVDDDVDDRESE

55、T_NP1.2/LEDP2.0/LEDGND P0.5CC2430核心板接入口P0.7GNDP1.3/LED P1.0/SCL P2.1/DD P2.2/DC P1.4/SS P1.5/SCLK P1.6/MOSI P1.7/MISO20JP3HEADER 10X21234567891011121314151617181920JP4HEADER 10X2DVDDDVDDRESET_NP1.2/LEDP2.0/LEDGND P0.5传感器板接入口BT1BT 4-9VGNDDVDDMVDD 231S1SW-SPDTD2LED0D3LED01KR1Res11KR3Res1GNDP1.3/LEDP1.

56、2/LEDD1LED01KR2Res1图3.3 能量供应模块原理图能量供应模块作为整个无线传感器节点的基础模块,是节点正常顺利工作的保证,无线传感器网络节点一般采用电池供电。电池种类很多,且无线传感器网络节点的电池一般不易更换,所以选择电池非常重要。原电池(如AA电池以其成本低廉、能量密度高、标准化程度高等优点而备受青睐。虽然使用可充电的蓄电池似乎比原电池更好,但是与原电池相比蓄电池有很多缺点,它的能量密度有限。蓄电池的能量密度远低于原电池,这就意味着要想达到同样的能量要求,蓄电池的尺寸和重量都要大一些,因此选择原电池供电。3.3 传感器节点的软件实现(1发送命令在程序开始,用一组如图3.4所

57、示的启动传输时序来发起一个通信过程。它包括:当SCK 时钟为高电平时DATA翻转为低电平,紧接着SCK变为低电平,随后是在SCK时钟为高电平时DATA翻转为高电平。 图3.4 SHT10启动传输时序在启动时序后,控制器可以向SHT10发送命令,后续命令包含三个地址位(目前只支持 “000”,和五个命令位。SHT10会以下述方式表示已正确地接收到指令:在第8个SCK时钟的下降沿之后,将DATA下拉为低电平(ACK位。在第9个SCK时钟的下降沿之后,释放DATA(恢复高电平。SHT10命令编码如表3.2所示。表3.2 SHT10命令编码表编码命令0000x 预留00011 温度测量00101 湿度测量00111 读状态寄存器00110 写状态寄存器0101x-1110x预留11110 软复位,重启芯片(2测量时序发送一组测量命令(“00