基于ARM的无线传感器网络节点设计的开发与实现

我们的爱情，我们的理想，我们的未来，我们的成长，我们的幸福我们的爱情，我们的理想，我们的未来，我们的成长，我们的幸福江西理工大学本科毕业设计（论文）任务书机电工程学院测控技术及仪器专业07级（11届）1班学号16学生陈顺题目：基于ARM的无线传感器网络节点设计原始依据：随着通讯与网络技术的发展，无线传感网络技术被广泛应用于各种领域，如科学勘查、情报收集、安全监控等。不管是工业控制、农业生产还是网络通信，无线传感器网络都越来越被重视，同时，随着嵌入式系统技术的发展，尤其是ARM系统的快速发展，高档微处理器被逐渐应用于各种通讯和网络设备，尤其是实时性要求高的通讯领域。ARM微处理器应用于传感器节点中，可以简化硬件设计，提高无线传感器网络通讯能力和数据存储能力。为了实现商业价值、提高农业产效率、深化无线传感器网络技术，我们提出了这个课题：基于ARM的无线传感器网络节点设计。主要内容和要求：（包括设计（研究）内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求）：功能要求(1)系统以ARM7系统LPC2214作为硬件开发平台(2)系统可采用模块化的设计原理。(3)系统测量精度高、响应速度快、稳定性好、可靠性高、坚固耐用、精巧大方。(4)系统通用性强。(5)系统扩展性强，要求设计容量足够大，满足今后的扩充需要。(6)系统操作方便，性能价格比高。(7)抗干扰能力强，能在现场环境下可靠运行。设计要求根据功能要求进行技术方案设计。进行硬件系统选型和设计（包括LPC2214、SP708S等）。掌握ARM7系统LPC2214的设置与应用。抗干扰能力强，能在现场环境下可靠运行。撰写毕业设计说明书，列出系统的详细设备清单。日程安排：1、（3周）毕业实习。要求：上网、找书、看杂志，收集课题的有关资料。2、（4-5周）方案设计，确定总体方案，写开题报告，开题。3、（6-8周）选择硬件，完成原理图设计及软件流程图设计。4、（9周，10周）软硬件调试。5、（12周）完成论文初稿。6、（13-14周）撰写论文。7、（15-16周）答辩准备及毕业答辩。（答辩时间最后以学院通知为准）。四、主要参考文献和书目[1]周立功.ARM与嵌入式系统基础教程.北京：北京航空航天大学出版社.2004.[2]文汉云.吴修德。基于无线通讯技术的传感器系统在设施农业中的应用.北京：自动化与仪器仪表.2005，（1）[3]哈尔滨高讯通科技有限公司.nRF905技术手册.Singlechip433/868/915MHZTransceiver[Z].2000[4]鲍华。吴促城，申飞.无线传感器网络移动节点设计.合肥，中国科学技术大学。230026[5]陈雄，杜以书，唐国新，无线传感网络的研究现状及发展趋势.上海：旦大学电子工程系智能控制研究室。2004332007.[6]孙雨耕，张静，孙永进，房朝晖.无线自组传感器网络[J].传感技术学报，2004.[7]李建中，李金宝，石胜飞.传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展[J].2003版社，2000.[8]肖健，吕爱琴，陈吉忠等无线传感器网络技术中的关键性问题｛J｝.自传感器世界.2004,10（7）：45～47.指导教师（签字）：2011年注：本表可自主延伸，各专业根据需要调整。摘要介绍基于ARM微控制器的传感器网络节点设计方案。给出了以ARM7系列LPC2214芯片为核心的硬件设计的原理框图，详细阐述了红外传感电路、射频通讯电路、外围接口电路的设计和数据传输流程。该传感器节点具有配置简单、扩展方便、可靠性高的特点。传感器网络可实现数据的采集量化、处理融合和传输应用，它是目前信息领域的一个热点，学术界和产业界对它的学术价值和应用前景非常看好。自动配置的无线传感器网络可以在大范围内用于收集、处理和发布复杂的环境数据。无线传感器网络的基本组成单元是节点，节点是一个微型的嵌入式系统，它通过携带能量有限的电池或者利用自然条件等供电方式，实现对所采集或接收的数据进行处理、存储或发送。每个传感器节点具有传统网络节点的终端和路由的双重功能，除了进行本地信息搜集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。关键词：ARM：微处理器LPC2214；无线传感器网络；节点设计；ABSTRACTBasedonARMmicrocontrollerintroducedthesensornetworknodedesignscheme.IsgivenbasedonARM7seriesLPC2214chipsforthecoreofhardwaredesign,thispaperexpoundstheprinciplediagraminfraredsensorcircuit,rfcommunicationscircuit,peripheralinterfacecircuitdesignanddatatransmissionprocess.Thesensornodeconfigurationsimple,expandwithconvenient,thereliabilityhighcharacteristic.Sensornetworkcanrealizethedataacquisitionquantization,processingfusionandtransmissionapplications,itiscurrentlyahot,theinformationfieldofitsacademicandindustrialacademicvalueandapplicationforegroundisverypromising.Automaticallyconfiguredwirelesssensornetworkcanbeusedonalargescalecollection,treatmentandreleasecomplexenvironmentaldata.Wirelesssensornetworkisthebasiccomponentunitnodes.Thenodesisaminiatureoftheembeddedsystemanditthroughcarryenergylimitedbatteryoruseofnaturalconditions,andtorealizethepower-supplymodes,collectedorreceivedataprocessing,storageorsend.Eachsensornodewithtraditionalnetworknodeoftheterminalandroutingdoublefunction,inadditiontolocalinformationcollectingandprocessingdatatoothernodes,butalsobytheforwardingtodatastorage,managementandfusionprocessing,withtheothernodestoaccomplishcertaintasks.Keywords:ARM:microprocessorLPC2214;Wirelesssensornetwork;Nodedesign;目录第一章绪论 传感器系统无线通信系统（收发系统）电源模块微处理器（ARM）图1-1总体方案设计图本文设计的无线传感器网络节点设计系统主要包括三部分：第一部分是无线通讯系统，无线通讯电路采用NRF905为收发数据的控制芯片。NRF905单片射频收发器芯片，内置完整的数据协议和CRC树检错，可自动完成字头处理。自动完成曼彻斯特编码/解码。只需通过SPI即可完成所有的无线收发传输；第二部分是处理器系统，处理器选用基于ARM的PLC2214;第三部分是红外近距离传感器系统，传感器系统包括2路传感器及其驱动电路和信号处理电路。电机驱动系统采用L298N驱动移动节点的两路直流电机。L298是SGS公司推出的双H高电压大电流功率集成电路，内部包含4通道逻辑驱动电路，可以同时驱动两路直流电机工作4种模式（前进、后退、停止、转向）。每一路传感器均由红外光管、红外光电信号接收管、发光管信号调制电路、光电管信号放大电路和信号处理电路组成。2.系统硬件组成部分系统硬件各模块总体方案设计如图2-1所示。该系统包括以下几个模块组成：时钟电路模块、复位电路模块、电源电路模块、电机驱动电路模块、无线射频通讯电路模块、显示电路模块、近距离红外传感器电路模块和报警电路模块等组成。A/DCA/DC主控制电路电源传感器无线通讯单元SPII/OUARTJATGARM7TDMI-S处理器片内FLASH片内RAMI/OLPC2214显示器报警器RS232转换电路电机驱动电源电机驱动单元直流电机图2-1硬件结构总设计图2.1近距离红外传感器系统设计图2-2近红外传感器模块传感器电路被中央处理器（LPC2214）输出端口选通后，传感器的红外光管发出红外经过信号调制，发出脉冲红外光，相对应的红外光电管被选通接收红外信号，输出信号经过放大处理后输入到微处理器，放大器采用增益放大器。当节点探测范围内遇到障碍特，反射回的光线被红外光电管接收，输出脉冲信号，信号经放大和处理后输出电压模拟信号，直接输送到中央处理器的A/D转换器转换成数字信号，中央处理器对谨言该数字信号进行得理，计算出前方障碍物的方位与距离。（本文由点梦时刻倾情奉献）图2-2近红外传感器模块2.2电机驱动电路的设计电路设计采用LPC2214直接驱动L298N，原理图如下图所示，IN[1～4]分别接至LPC2214自带的4个PWM管脚，IN[A～B]接至LPC2214通用I/O管脚，用于被选通。LPC2214依据L298N的四种工作模式实现对电机的控制，如当ENA为“1”，IN2为“0”，电机1正转，IN1的PWM输入信号控制电机1的速度，如图2-3所示。系统用软件的方式控制PWM占空比调节电动机的速度，电机的速度值邮公式（1）计算，设电机的最大转速为Vmax,占空比为D，电机的平均速度为Vd..（本文由点梦时刻倾情奉献）Vd.=Vmax*D式中：Vd为电机的平均速度；Vmax为电机的最大速度；D=t/T为占空比；T为一个定时器计数周期值，由微处理器预先设定，t定时器计数周期内的高电平时间，在控制程序里设定，其中t<T。图图2-3基于L298N的电机驱动电路2.3无线射频通讯电路的设计2.3无线射频通讯电路的设计以nRF905为核心的无线射频通讯电路设计如2-4所示。首先，在650μs以后，nRF905将不断监测空中的信息；当nRF905发现有和接收频率相同的载波时，其载波检测(CD)被置为高电平；此后，当nRF905接收到有效地址时，地址匹配(AM)被置为高电平；在这之后，当nRF905接收到有效的地址包(CRC校验正确)时，nRF905将去掉前导码、地址和CRC位，同时将数据准备就绪位(DR)置为高电平，并用MCU设置TRX-CN为低电平，以进入standby模式，从而使MCU能够以合适的速率通过SPI接口读出有效的数据；当所有的数据读出后，nRF905将AM和DR设置为低电平，以便使nRF905准备进入ShockBurstRX、ShockBurstTX或Powerdown模式。图2-4图2-4无线射频通讯硬件原理图2.4报警电路在嵌入式系统中常用蜂鸣器作为报警电路报警器，蜂鸣器有直流型和交流弄两钏。直滚型蜂鸣器则需提供一定频率的交流信号，才可以使蜂鸣器响。直滚型蜂鸣器的蜂鸣频率是固定不能更改的，而交流型则可以通过更改驱动电流的频率来调整蜂鸣频率。两种类型的蜂鸣器都可以使用相同的控制电路，只是控制方式有所不同。GPIO提供的输出电流不能够直接驱动蜂鸣器，需经过PNP三极管驱动。鸣器俗称喇叭，是广泛应用于各种电子产品的一种元器件，它用于提示、报警、音乐等许多应用场合。图2-5LPC2214GPIO控制蜂鸣器图2-5LPC2214GPIO控制蜂鸣器2.5显示电路本设计以LED灯作为显示器。LED在嵌入式系统常用于作信号灯，指示系统当前的某些状态。LED的控制很简单，只需在阳极与阴极间提供一个1.7V的正向电压，并使流经LED的电流为5～10mA，即可以较理想地点亮LED。如图2-6所示，设置GPIO引脚为输出方式。使GPIO引脚P0.10输出低电平时，VDD3.3与GPIO引脚有3.3V的电压并，这时LED1即被点亮；使GPIO引脚P0.10输出高电平时，，VDD3.3与GPIO引脚电压差为0，这时LED1不能被点亮；电阻R1～R7用于限流。（本文由点梦时刻倾情奉献）图2-6LPC2214GPIO直接驱动LED图2-6LPC2214GPIO直接驱动LED3系统软件设计软件系统由实时操作系统、应用程序和无线通信协议组成。图3-1为软件系统的结构。节点节能除了在设计中采用低功耗硬件之外，如果系统软件针对能耗进行了专门的优化，那么无线传感器网络的生存时间也能得到有效的延长。软软件系统通信协议操作系统应用程序图3-1软件系统结构图3.1节点地址编码与数据通讯格式设计基于移动节点的传感器网络由多个移动节点和静态节点组成，每个节点在网络中必须有唯一的地址编码和特定的数据传输格式。移动节点的地址编码由主机地址编码和NRF905F地址编码两部分组成，主机编码表示特定的节点号，可以假定为0、1、2、3、4等。NRF905地址编码被高为固定值，二者构建了移动节点在网络中的唯一地址标识。数据传输格式如表3-2所示：表表3-1数据传输格式#SurNoDesNoLengthdata1……data2datanCRC#表3-2数据包格式#00H03H03H30H31H32H93H##为数据传输的开始和结束的标志，其中SurNo．为信源地址，DesNo为信宿编号，Length为数据长度(字节数)，Datal～Datan为有效数据，CRC为循环冗余纠错检错校验码(1字节)。例如：某个节点欲发送#10H表3-2数据包格式#00H03H03H30H31H32H93H#3.2节点数据传输流程设计开开始查询各口输入数据红外传感有数据？执行移动/避障程序进入无线收发程序返回NY图3-2节点主程序流程图发送链接请求信号。转到接受模式收到确认后接受数据。接受到正确数据后对数据包和地址码进行解析；接受到错误数据．向信源节点返回一个重发信号。无线收发单元接受的数据存储到缓存中，信宿地址是本机地址时，微处理器执行相应的程序。否则。修改数据包的信源地址为本机地址，继续转发到下一个节点或基站。节点的微处理器以轮询方式处理传感器系统，无线收发单元的数据。微处理LPC2214按照预定的程序避开障碍物和前行，节点的主程序流程和数据传输子程序流程图如图3-2、3-3所示：开始开始发送链接信号收到确认信号？配置NRF905为接受状态接受数据/纠错校验计算接受数据正确？通知发送端重发数据包返回重新配置发送数据包解