電子與信息工程畢業(yè)論文arm系統(tǒng)下wsn節(jié)點的通信設計

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設 計</p><p>　　ARM系統(tǒng)下WSN節(jié)點的通信設計</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電子與信息工程 </p><p>　　學生姓名 學號

2、</p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　無線傳感器網絡(WSN，Wireless Sensor Networks)已經成為了當前

3、國內外的重要研究領域之一，研究表明了無線傳感器網絡具有廣泛應用背景，特別是在特殊的應用場景(軍事、人員無法到達的地方)中，由于目標區(qū)域特殊的限制，使得無線傳感器網絡的優(yōu)越性得到了很好的體現(xiàn)。盡管如此，這種網絡還存在諸多的問題，到目前為止，這項技術還處于研究探索的階段，因而無線傳感器網絡的研究是非常有價值的。</p><p>　　本文通過對現(xiàn)有無線傳感器網絡的分析與研究，設計了面向應用的“基于ARM無線傳感器網絡”

4、的體系結構，詳細地描述了這一傳感器網絡節(jié)點的實現(xiàn)方案，并在現(xiàn)有通信協(xié)議的基礎上，對傳感節(jié)點的通信協(xié)議進行了綜合改進與設計，最后結合無線傳感器網絡在環(huán)境監(jiān)測和遠程無線抄表中的應用進行仿真實現(xiàn)與相關分析。通過對無線傳感器節(jié)點的研制、測試和組網，為今后進一步研究和實際應用打下良好的基礎。</p><p>　　本文主要研究內容包括:</p><p>　　1、根據無線傳感器網絡技術的現(xiàn)狀和其面向應用

5、的特殊性，本文設計了“基于ARM的無線傳感器網絡”的體系結構，提出了根據這一體系結構所組成系統(tǒng)的具體操作流程，分析了它的主要特點，并給出了相關設計目標。</p><p>　　2、在分析現(xiàn)有硬件平臺缺點的基礎上，設計本文的無線傳感器網絡節(jié)點硬件結構，進行硬件選型并分析各個模塊的結構和硬件原理，搭建好硬件平臺。</p><p>　　3、根據本文無線傳感器網絡的體系結構和軟硬件的設計與實現(xiàn)進行組

6、網。對本文“基于ARM的無線傳感器網絡”在環(huán)境監(jiān)測中的應用進行了仿真實現(xiàn)，為今后進一步研究和實際應用打下良好的基礎。</p><p>　　關鍵詞：無線傳感網絡；節(jié)點；WSN；ARM</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Wireless sensor networks (WSNs) have become o

7、ne of the important research filed in the world. Research shows that it has a wide一 range application back ground，especially in the specific application scenes (such as military applications， environment monitoring，etc.)

8、， since the special limitation of target environmental area.. All of these make the advantages of wireless sensor networks，which are very well reflected. Nevertheless，the network is also plagued with problems， so far，the

9、 technology is </p><p>　　Through analytical study on the existing wireless sensor networks，this paper designs the architecture of wireless sensor networks which is application一oriented and based on ARM and M

10、CU. And detailedly describes how to realize the scheme about the nodes in wireless sensor networks. Besides，with the study of existing communication protocols，the communication protocol of sensor nodes is integrated impr

11、ovement and design. Finally combining with the application of wireless sensor networks in environm</p><p>　　In this paper，the main researches and results are listed as follows:</p><p>　　Firstly，

12、according to the status quo of wireless sensor networks technology and the special nature of its application一oriented，this paper designs the architecture of wireless sensor networks which based on ARM and MCU. It also pu

13、ts forward the operating processes of composed system，analysises its main characteristics，and gives out relevant design goals by the architecture.</p><p>　　Secondly，after the analysis of the shortcoming of t

14、he existing hardware platform，hardware architecture of Wireless Sensor Networks node of this thesis is designed. Then the thesis describes hardware se lection and analysis of the structure of each module and hardware pri

15、nciple.</p><p>　　Thirdly，according to the architecture of wireless sensor networks and the implementation of software and haredware，by networking and doing simulation experiment for the application of wirele

16、ss sensor networks which based on ARM and MCU in environmental monitoring，this paper lays a good foundation for further research and practical application.</p><p>　　Keywords: Wireless sensor network；Node；MSN

17、；Advanced RISC Machines</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 ARM簡介1</p><p>　　1.2 WSN簡介2</p><p>　　1.3 課題研究背景及國

18、內外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.4 課題研究的意義3</p><p>　　第2章 WSN的結構及原理4</p><p>　　2.1傳感器網絡結構4</p><p>　　2.2 傳感器節(jié)點結構4</p><p>　　2.3 傳感器網絡協(xié)議棧5</p><p>　　2.4 無線傳

19、感器網絡工作原理6</p><p>　　第3章 WSN節(jié)點通信設計硬件部分7</p><p>　　3.1 傳感器節(jié)點的電路結構7</p><p>　　3.1.1 無線傳感器節(jié)點的特點7</p><p>　　3.1.2節(jié)點的電路設計7</p><p>　　3.2 核心處理模塊的硬件結構8</p>

20、<p>　　3.2.1 S3C2410處理器8</p><p>　　3.2.2 核心模塊資源的具體介紹9</p><p>　　第4章 WSN節(jié)點通信設計軟件部分14</p><p>　　4.1 核心處理模塊的軟件系統(tǒng)層次結構14</p><p>　　4.2 串口通信協(xié)議14</p><p>　　4

21、.3 WSN專用軟件開發(fā)平臺15</p><p>　　4.3.1區(qū)域內節(jié)點通信部分程序15</p><p>　　4.3.2進行程序的在線仿真、調試22</p><p>　　4.3.3 無線傳感器網絡仿真結果23</p><p><b>　　小結24</b></p><p>　　致謝錯誤

22、!未定義書簽。</p><p><b>　　參考文獻25</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 ARM簡介</b></p><p>　　當前，嵌入式技術的應用越來越廣泛，從航天科技到民用產品，嵌入式產品的身影無處不在，從

23、這些嵌入式產品的核心——處理器決定了產品的市場和性能。在32位嵌入式處理器市場中，ARM處理器占有很大的份額。ARM不僅是一個公司、一種技術，也是一種經營理念，即由ARM公司提供核心技術，只出售芯片中的IP授權，采取了別具一格的“Chipless模式”（無芯片的芯片企業(yè)），不參與生產，而是與合作廠商去生產具體的芯片和產品。</p><p>　　ARM（Advanced RISC Machines）處理器是Acor

24、n計算機有限公司面向低預算市場設計的第一款RISC微處理器。更早稱作（Acorn RISC Machine）。作為32位嵌入式RISC微處理器領域的領先供應商，ARM公司商業(yè)模式的強大之處在于它在世界范圍內有超過100個合作伙伴（包括半導體工業(yè)的著名公司），從而擁有了大量的開發(fā)工具和豐富的第三方資源，共同保證了基于ARM處理器核的設計可以很快投入市場。</p><p>　　ARM處理器的三大特點是：耗電少功能強、

25、16位/32位雙指令集和合作伙伴眾多。 </p><p>　　1、體積小、低功耗、低成本、高性能； </p><p>　　2、支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件； </p><p>　　3、大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快； </p><p>　　4、大多數數據操作都在寄存器中完成； </p

26、><p>　　5、尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高； </p><p><b>　　6、指令長度固定。</b></p><p>　　ARM體系結構基于精簡指令集計算機（RISC）原理。RISC指令集合相關的譯碼機制比復雜指令計算機(CISC)的設計更簡單。這種簡單性得到了高的指令吞吐率，出色的實時中斷響應，體積小、性價比高的處理宏單元。ARM32位體系

27、結構目前被公認為是業(yè)界領先的32位嵌入式RSIC微處理器核。所有ARM處理器共享這一體系結構。這可確保當開發(fā)者轉向更高性能的處理器時，在軟件開發(fā)上可獲得最大的回報。</p><p>　　ARM處理器是32位設計，而且還與16位Thumb指令集，配備，讓軟件在較短的16位指令編碼。比較相當的32位代碼，16位代碼節(jié)省存儲空間高達35％，但保留了32位系統(tǒng)的所有優(yōu)點（例如，獲得了完整的32位地址空間）。 ARM的Th

28、umb狀態(tài)和正常狀態(tài)之間切換的零開銷。如果需要，使用開關程序一個接一個。這允許在其軟件優(yōu)化設計的完全控制。 ARM還提供了兩個最先進的功能 - 嵌入式ICE - RT邏輯和嵌入式跟蹤宏核系列，以協(xié)助一深嵌入處理器核心，高度集成的Soc設備調試。多年來，在嵌入式ICE - RT的研究具有極大的處理器RAM集成調試到幾乎所有的ARM內核，內置讓任何部分代碼的功能 - 甚至在ROM中設置一個斷點。斷點，為了調試，前臺任務暫停，但不能在同一時間

29、暫停處理器的活動，并允許中斷的處理器繼續(xù)運行。 ARM公司的業(yè)界領先的跟蹤解決方案 - 嵌入式跟蹤宏單元，設計為居住在ARM處理器，監(jiān)測內部總線，并不能防止核徑跡加速指令和數據的訪問。該軟件可配置過濾器和一個強大的觸發(fā)邏輯，允許開發(fā)者選擇正是以技術手冊的指令和數據采集，信息然后由追蹤裝置分布壓縮的可配置核FIFO緩沖區(qū)從芯片輸出</p><p>　　ARM處理器作為嵌入式系統(tǒng)，低電壓，低功耗和低集成等;及具有開放

30、和??可擴展性。事實上，它已成為嵌入式系統(tǒng)的首選架構處理器。</p><p><b>　　1.2 WSN簡介</b></p><p>　　WSN是Wireless Sensor Network的簡稱，即無線傳感器網絡。傳感器網絡（Sensor Network）最初起源于美國先進的國防研究項目局（DARPA Defense Advanced Research Proje

31、ct Agency）的一個研究項目。無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network， WSN）就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。</p><p>　　隨著微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanism System， MEMS)、片上系統(tǒng)（S

32、OC， System on Chip）、無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發(fā)展，孕育出無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks， WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革。無線傳感器網絡就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡。人們可以通過傳感器網絡直接感知自然界，從而極大的擴展現(xiàn)有網絡的功能和人類認識客觀世界的能力。傳感器、感

33、知對象和觀察者構成了無線傳感器網絡的三個要素。無線傳感器網絡把客觀上的物理世界與邏輯上的信息世界融合在一起，從而改變人類與客觀世界的交互方式。</p><p>　　1.3 課題研究背景及國內外研究現(xiàn)狀</p><p>　　隨著半導體技術、微系統(tǒng)技術、計算機技術、通信技術等的飛速發(fā)展，20世紀90年代末在美國發(fā)展了現(xiàn)代意義的無線傳感網絡（Wireless Sensor Network，WSN

34、）技術。后來，美國商業(yè)周刊和MIT技術評論在預測未來技術發(fā)展的報告中，分別將無線傳感器網絡列為21世紀最有影響的21項技術和改變世界的10大技術之一。無線傳感器網絡所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象?；贛EMS的微傳感技術和無線聯(lián)網技術為無線傳感器網絡賦予了廣闊的應用前景。能夠廣泛用于軍事、環(huán)境監(jiān)測和預報、健康護理、智能家居、建

35、筑物狀態(tài)監(jiān)控、復雜機械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理，以及機場、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等領域。隨著傳感器網絡的深入研究和廣泛應用，傳感器網絡逐漸深入到人類生活的各個領域。</p><p>　　21 世紀開始，工業(yè)界、軍界和學術界給與了無線傳感器網絡極大關注，許多關于傳感器網絡的研究項目在歐洲和美國相繼啟動。 美國所有著名院校幾乎所有研究小組都在從事無線傳感器網絡相關技術的研究，芬蘭、意大利、日本、巴

36、西、德國和加拿大等國家的研究機構也加入了相關的研究。特別是美國的無線傳感器網落技術的研究得到了國防部和國家自然基金委等多種渠道的巨資支持。歐洲也在2004 年初于德國柏林舉行了第一屆“無線傳感器網絡論壇”。</p><p>　　我國也非常重視無線傳感器網絡的發(fā)展，國家自然科學基金委員會已經審批了無線傳感器網絡的相關重點課題，在國家發(fā)展改革委員會的下一代互聯(lián)網示范工程中，也部署了無線傳感器網絡相關的課題。04年起有

37、更多的院校和科研機構加入到該領域的相關研究工作中來。如今，國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃綱要又要明確指出，要把無線傳感器網絡及智能信息處理作為發(fā)展的一個優(yōu)先主題。隨著無線傳感器網絡應用的日益發(fā)展和不斷深入，支持無線傳感器網絡的超微型操作系統(tǒng)的研究以及無線傳感器通信技術的研究，將成為未來無線傳感器網絡應用的發(fā)展趨勢和熱點。相信在未來的幾年里，我國的無線傳感器網絡發(fā)展必將走向世界前列。</p><p>　　1.4 課題

38、研究的意義</p><p>　　無線傳感器網絡傳感檢測，無線通訊和計算機科學的應用程序監(jiān)控系統(tǒng)的建設目標為基礎。多功能，小型化，智能化，網絡化，無線傳感器網絡的發(fā)展方向。與低功率無線電通信技術，嵌入式計算，微傳感器制造技術和集成電路技術的迅速發(fā)展和日益成熟，集成技術和無線傳感器網絡的形成一批將是發(fā)展的必然趨勢傳感器技術。</p><p>　　傳感器網絡集成傳感器技術，嵌入式通過集成實時微型

39、傳感器協(xié)作，感知和各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，信息采集監(jiān)測各種計算技術，現(xiàn)代網絡及無線通信技術，分布式信息處理技術，通過嵌入式處理和無線通訊系統(tǒng)，通過隨機自組織多跳中繼網絡逼近感知信息到用戶終端。因此，真正的“無處不在的計算”的概念。在傳感器網絡中，在各種不同的方式內或附近部署大量節(jié)點的對象被感知。這些節(jié)點形成的自組織無線網絡，以協(xié)作的方式感知，采集和處理網絡覆蓋區(qū)域的具體信息，可以在任何時間，任何地點的信息收集，處理和分析成果。一個典型

40、的結構包括分布式傳感器網絡，傳感器節(jié)點（組），sink節(jié)點，互聯(lián)網和用戶界面。傳感器節(jié)點可以互相溝通，組織起來，多跳網絡，通過自己和連接到接收器（基節(jié)點），Sink節(jié)點接收到通過網關（網關）來完成與公網的網絡數據。通過任務管理整個系統(tǒng)來管理和控制系統(tǒng)。傳感器網絡的特點使得它的應用非常廣泛，在不久的將來，它無處不在的特性，成為人們生活中不可或缺的一部分。</p><p>　　傳感器網絡是當前國際社會關注，新興的多學

41、科研究的重點交叉前沿領域的高度是信息收集和看法在21世紀的革命被認為是最重要的技術之一，將深刻影響人類一影響到未來的生活方式。 2003年2月，美國“技術評論”雜志評出了可能對人類未來生活有十大方面重大影響的新興技術，傳感器網絡被列為首位。近幾年，在美國國防部，國家自然科學基金會和其他軍事部門根據美國科學家的高級規(guī)劃參與的每一個無線傳感器網絡方面做了深入的研究。</p><p>　　WSN的想法一樣普及衍生產品可

42、廣泛應用于國防，環(huán)境監(jiān)測，交通管理，衛(wèi)生保健，制造，災難救援及其他相關領域使用，具有很大的應用價值。從國外的研究進展目前的研究，雖然無線傳感器網絡的應用前景是非常好的，但仍然要面臨很多技術問題，所以它不能被廣泛使用。美國開始在這一領域的早期研究，但直到最近幾年，在這方面只有在大學和研究機構的研究，進行嚴厲了。根據美國政府大力支持在這一領域的研究工作。 2003年，國家自然科學基金的話題，有一個傳感器和傳感器系統(tǒng)和網絡，籌資金額高達三千四

43、百點零零萬美元。美國國防部已經投入這么大了。在其他國家，如歐洲，日本，澳洲地區(qū)也開展了有關傳感器和傳感器網絡的研究很多。</p><p>　　目前國內的無線傳感器網絡的研究剛剛起步，還處于概念，理論和技術跟蹤研究的初期階段，主要是在大學內的研究機構和研究范圍。然而，由于傳感器網絡是一個國內與國際水平的新興技術的差距不是很大，及時開展了人類生活的研究，具有深遠該國的社會和經濟的未來意義將有重大戰(zhàn)略意義。</p

44、><p>　　第2章 WSN的結構及原理</p><p>　　2.1傳感器網絡結構</p><p>　　傳感器網絡結構如圖2.1所示，傳感器網絡系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(sensor node)，匯聚節(jié)點(sink node)和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域(sensor field)內部或附近，能夠通過自組織方式構成網絡。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數據沿著其他傳感器節(jié)

45、點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數據可能被多個節(jié)點處理，經過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網絡進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測數據。</p><p>　　圖2.1 傳感器網絡體系結構</p><p>　　傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力，存儲能力和通信能力相對較 弱，通過攜帶能量有限的電池供電。從網絡功能上看，每

46、個傳感器節(jié)點兼顧傳統(tǒng)網絡節(jié)點的終端和路由器雙重功能，除了進行本地信息收集和數據處理外，還要對其他節(jié)點轉發(fā)來的數據進行存儲，管理和融合等處理，同時與其他節(jié)點協(xié)作完成一些特定任務。目前傳感器節(jié)點的軟硬件技術是傳感器網絡研究的重點。</p><p>　　匯聚節(jié)點的處理能力，存儲能力和通信能力相對比較強，它連接傳感器網絡Internet等外部網絡，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉換，同時發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務，并把收 集的

47、數據轉發(fā)到外部網絡上。匯聚節(jié)點既可以是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點，有足夠的能量供給和更多的內存與計算資源，也可以是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特殊網關設備。</p><p>　　2.2 傳感器節(jié)點結構</p><p>　　傳感器節(jié)點由傳感器模塊，處理器模塊，無線通信模塊和能量供應模塊四部分組成，如圖 2.2所示。傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內信息的采集和數據轉換；處理器模塊負責控制整個 傳

48、感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數據以及其他節(jié)點發(fā)來的數據；無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數據；能量供應模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，通常采用微型電池。</p><p>　　圖2.2 傳感器節(jié)點體系結構</p><p>　　2.3 傳感器網絡協(xié)議棧</p><p>　　隨著傳感器網絡的深入研究，研究人員提出了多個傳感器

49、節(jié)點上的協(xié)議棧。圖 2.3(a)所示是早期提出的一個協(xié)議棧，這個協(xié)議棧包括物理層，數據鏈路層，網絡層，傳輸層和應用層，與互聯(lián)網協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應。另外，協(xié)議棧還包括能量管理平臺，移動管理平臺和任務管理平臺。這些管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點移動的傳感器網絡中轉發(fā)數據，并支持多任務和資源共享。各層協(xié)議和平臺的功能如下：物理層提供簡單但健壯的信號調制和無線收發(fā)技術；數據鏈路層負責數據成幀，幀檢測，媒體訪問和

50、差錯控制；網絡層主要負責路由生成與路由選擇；傳輸層負責數據流的傳輸控制，是保證通信服務質量的重要部分；應用層包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件；能量管理平臺管理傳感器節(jié)點如何使用能源，在各個協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量；移動管理平臺檢測并注冊傳感器節(jié)點的移動，維護到匯聚節(jié)點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置；任務管理平臺在一個給定的區(qū)域內平衡和調度監(jiān)測任務。</p><p>　　圖2.3 傳感器網絡協(xié)議棧

51、</p><p>　　圖2.3 (b)所示的協(xié)議棧細化并改進了原始模型。定位和時間同步子層在協(xié)議棧中的位置比較特殊。它們既要依賴于數據傳輸通道進行協(xié)作定位和時間同步協(xié)商, 同時又要為網絡協(xié)議各層提供信息支持, 如基于時分復用的 MAC 協(xié)議, 基于地理位置的路由協(xié)議等很多傳感器網絡協(xié)議都需要定位和同步信息。所以在圖2.3 中用倒 L 型描述這兩個功能子層。圖2.3 (b) 右邊的諸多機制一部分融入到圖 2.3 (

52、a)所示的各層協(xié)議中,用以優(yōu)化和管理協(xié)議流程；另 一部分獨立在協(xié)議外層, 通過各種收集和配置接口對相應機制進行配置和監(jiān)控。如能量管理, 在圖 2.3 (a)中的每個協(xié)議層次中都要增加能量控制代碼,并提供給操作系統(tǒng)進行能量分配決策；Qos 管理在各協(xié)議層設計隊列管理,優(yōu)先級機制或者帶寬預留等機制,并對特定應用的數據給予特別處理；拓撲控制利用物理層,鏈路層或路由層完成拓撲生成,反過來又為它們提供基礎信息支持,優(yōu)化MAC協(xié)議和路由協(xié)議的協(xié)議過

53、程,提高協(xié)議效率,減少網絡能量消耗；網絡管理則要求協(xié)議各層嵌入各種信息接口,并定時收集協(xié)議運行狀態(tài)和流量信息, 協(xié)調控制網絡中各個協(xié)議組件的運行。</p><p>　　2.4 無線傳感器網絡工作原理</p><p>　　現(xiàn)代意義的無線傳感器網絡是一種新型的分布式測控系統(tǒng)，由分布在監(jiān)測區(qū)域內的大量傳感器節(jié)點組成。得益于無線通信技術和微電子技術的飛速發(fā)展，開發(fā)低成本、低能耗、多功能的微型無線傳

54、感器節(jié)點已成現(xiàn)實。</p><p>　　圖2.1是一個典型的無線傳感器網絡應用系統(tǒng)的示意圖， 它描述了無線傳感器網絡系統(tǒng)所包含的三種類型的節(jié)點，即傳感器節(jié)點（Sensor node）、匯聚節(jié)點（Sink）和任務管理節(jié)點（Task manager node）。圖中白色的監(jiān)測區(qū)域中已經部署了大量的無線傳感器節(jié)點，每個節(jié)點都可以采集其覆蓋區(qū)域的現(xiàn)場數據并且路由到sink節(jié)點并通過一種多跳的方式來路由數據，節(jié)點A就是經過

55、了A-B-C-D-E-sink的多跳路由來實現(xiàn)數據轉發(fā)，其它傳感器節(jié)點的情況依此類推。Sink節(jié)點是一個類似于網關的特殊節(jié)點，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，能夠把無線傳感器網絡橋接到其他的通信網絡，比如Internet，從而使終端用戶能夠方便實時地通過任務管理節(jié)點來進行各種操作。Sink節(jié)點既可以是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點，也可以是僅帶有無線通信接口的網關設備。任務管理節(jié)點可以是各種智能終端，PC、PDA甚至是智能手機。

56、</p><p>　　如圖2.2所示，每個微型節(jié)點都集成了傳感、數據處理、通信和電源模塊，可以對原始數據按要求進行一些簡單的計算處理后再發(fā)送出去。大量的智能節(jié)點通過先進的網狀聯(lián)網（Mesh Networking）方式，可以靈活緊密地部署在被測對象的內部或周圍，把人類感知的觸角延伸到物理世界的每個角落。盡管單個節(jié)點的能力是微不足道的，但是成百上千節(jié)點組成的網絡系統(tǒng)能帶來強大的規(guī)模效應。一個典型的無線傳感器節(jié)點由四個

57、基本模塊組成：傳感模塊、計算模塊、無線通信模塊和電源模塊，如圖2.2所示。根據不同的應用場合，有的無線傳感器節(jié)點可能還會有一些附加模塊，比如定位系統(tǒng)，連續(xù)供電系統(tǒng)以及移動基座等。傳感模塊包含傳感器和ADC，計算模塊包含MCU和存儲器。由于有的MCU內部集成了ADC，所以ADC在這種情況下也可以劃入到計算模塊?，F(xiàn)場采集到的原始傳感信息經過A/D轉換后被發(fā)送到計算模塊進行處理，再通過無線通信模塊發(fā)送到指定地點。電源模塊一般采用電池，可以是堿

58、性電池、鋰電池或鎳氫電池。為了在執(zhí)行比較耗能的任務時能夠保證持續(xù)的電力供應，也可以采用太陽能電池。</p><p>　　第3章 WSN節(jié)點通信設計硬件部分</p><p>　　3.1 傳感器節(jié)點的電路結構</p><p>　　3.1.1 無線傳感器節(jié)點的特點 </p><p>　　無線傳感器節(jié)點作為無線傳感器網絡的重要組成部分，具有以下特點：

59、</p><p>　　1、微型化。應用中的傳感器節(jié)點要高度集成化，保證對目標系統(tǒng)的特性不會造成影響。 </p><p>　　2、低功耗。無線傳感器網絡中的節(jié)點有嚴格的電源要求，因為網絡往往部署在無人值守的地方，節(jié)點使用電池供電，不能頻繁更換電池，因此，如何節(jié)省電能是應用的首要問題。 </p><p>　　3、計算能力和存儲容量有限。傳感器節(jié)點都有嵌入式微處理器和存儲

60、器，嵌入式微處理器的處理和存儲器的存儲容量有限，因此傳感器的計算能力十分有限。 </p><p>　　4、通信能力有限。傳感器網絡的通信帶寬窄，覆蓋范圍小，還經常受到自然環(huán)境的影響，導致傳感器節(jié)點通信失敗。因此，網絡的自恢復性、抗毀性也是應解決的重點問題。 </p><p>　　5、傳感器數量多，分布范圍廣。網絡中節(jié)點密集，數量巨大，此外，傳感器網絡可以分布在很廣的地域。因此，維護十分困難

61、，傳感器網絡的軟、硬件必須具有高強壯性和容錯性。</p><p>　　3.1.2節(jié)點的電路設計</p><p>　　對應與上述的模塊劃分，傳感器節(jié)點電路由傳感電路、通用控制電路、無線射頻塊和電源4部分組成，如圖3.1所示，對于不同的傳感器節(jié)點，傳感器電路可能不同，而其他部分基本一致。</p><p>　　圖3.1 傳感器節(jié)點組成框圖</p><p

62、>　　傳感電路由傳感器、放大器及調制電路組成，完成被測非電流向電量的轉換，并進行初步處理，例如信號的整形、放大等，然后送到通用電路，完成模擬量向數據量的轉換并進行適當的處理后送往無線收發(fā)模塊，無線收發(fā)模塊將其無線發(fā)送出去。通用電路也處理無線收發(fā)模塊接收來的信號，電源部分給整個傳感器節(jié)點提供所需要的能量。</p><p>　　3.2 核心處理模塊的硬件結構</p><p>　　3.2.

63、1 S3C2410處理器</p><p>　　三星公司推出的16/32位RISC處理器S3C2410A，為手持設備和一般類型應用提供了低價格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。為了降低整個系統(tǒng)的成本，S3C2410A提供了以下豐富的內部設備：分開的16KB的指令Cache和16KB數據Cache，MMU虛擬存儲器管理，LCD控制器（支持STN，TFT），支持NAND Flash系統(tǒng)引導，系統(tǒng)管理器（片選邏輯和

64、SDRAM控制器），3通道UART，4通道DMA，4通道PWM定時器，I/O端口，RTC，8通道10位ADC和觸摸屏接口，ICC-BUS接口，ICC-BUS接口，USB主機，USB設備，SD卡主&MMC卡接口，2通道的SPI以及內部PLL時鐘倍頻器。</p><p>　　S3C2410采用了ARM920T內核，0.18um工藝的CMOS標準宏單元和存儲器單元。它的低功耗、精簡的出色的全靜態(tài)設計特別適用于對

65、成本和功耗敏感的應用。同樣它還采用了一種叫做Adwanced Microcontroller Bus Architecture(AMBA)新型總線結構。</p><p>　　S3C2410A的顯著性是它的CPU核心，是一個有Advanced RISC Machines（ARM）有限公司設計的16/32位ARM920T RISC處理器。ARM920T實現(xiàn)了MMU，AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結構。這

66、一結構具有獨特的16KB指令Cache和16KB數據Cache，每個都是由8字長的行（line）構成。內部結構如圖3.2所示。</p><p>　　通過提供一系列完整的系統(tǒng)外圍設備，S3C2410大大減少了整個系統(tǒng)的成本，消除了為系統(tǒng)配置額外器件的需求。下面是介紹S3C2410中集成的以下片上功能：</p><p>　　1.8V/2.0V內核供電，3.3V存儲器供電，3.3外部I/O供電；

67、</p><p>　　具備16KB的I-Cache和16KB的D-Cache/MMU；</p><p>　　外部存儲控制器（SDRAM控制和片選邏輯）；</p><p>　　LCD控制器（最大支持4K色STN和256KTFT）提供1通道LCD專用DMA；</p><p>　　4通道DMA并有外部請求引腳；</p><p&g

68、t;　　3通道UART(IrDA1.0，16字節(jié)TxFIFO，和16字節(jié)RxFIFO)/2通道SPI；</p><p>　　1通道多主IIC-BUS/1通道IIS-BUS控制器；</p><p>　　兼容SD主接口協(xié)議1.0版和MMC卡協(xié)議2.11兼容版；</p><p>　　2端口USB主機/1端口USB設備（1.1版）；</p><p>

69、　　4通道PWM定時器和1通道內部定時器；</p><p><b>　　看門狗定時器；</b></p><p>　　117個通用I/O口和24通道外部中斷源；</p><p>　　功耗控制模式：具有普通，慢速，空閑和掉電模式；</p><p>　　8通道10比特ADC和觸摸屏接口；</p><p>

70、;　　具有日歷功能的RTC；</p><p>　　具有PLL片山時鐘發(fā)生器。</p><p>　　圖3.2 S3C2410內部結構圖</p><p>　　3.2.2 核心模塊資源的具體介紹</p><p><b>　　1、電源模塊</b></p><p>　　在S3C2410 CPU 板上由于其內

71、核采用2.0V，I/O 接口采用3.3V 供電，因此需要將通用的5V 轉換成2.0V 和3.3V。本文使用LM1117 電源轉換芯片把5V 轉成3.3V 和2.5V 的轉換電路。如圖3.3所示。</p><p><b>　　圖3.3 電源模塊</b></p><p>　　2、線性flash 存儲器單元</p><p>　　該存儲單元在板卡上標號

72、為U5，選用2MB字節(jié)的SST39VF160，16位數據總線，片選接NGCS0，CPU分配給它的地址空間為0x00000000—0x001fffff,也就是S3C2410的bank0區(qū)。啟動代碼部分則放在從0x00000000 開始的地址空間內。程序代碼可以在里面執(zhí)行。如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4 線性flash存儲器單元</p><p>　　3、NAND_FLASH 海

73、量存儲器單元</p><p>　　該存儲單元在板卡上標號為NAND_FLASH，選用16MB芯片K9F12808。8位數據總線傳輸，GPC9 接其片選信號，CPU分配給它的地址空間0x04000000—0x005fffff,也就是S3C2410 CPU的bank2區(qū)。GPE0接NAND_FLASH 的狀態(tài)監(jiān)測腳，GPC14接ALE地址鎖存使能，GPC15 接CLE命令鎖存使能。NGCS2 也接入該單元。如圖3.5

74、所示。</p><p>　　圖3.5 NAND_FLASH存儲器單元</p><p>　　4、同步動態(tài)存儲器單元</p><p>　　該存儲單元在板卡上標號為U2，U3。選用兩片32MB 字節(jié)的K4S561632C-TC75，16位數據總線。片選NSCS0接U2單元，片選NSCS1接U3單元，CPU 分配給U2單元的地址空間為0x0C000000—0x0C7ffff

75、f,也就是S3C2410CPU的bank6區(qū)。CPU分配給U3單元的地址空間為0x0E000000—0x0E7fffff,也就是S3C2410CPU的bank7區(qū)。如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 同步動態(tài)存儲器單元</p><p><b>　　5、UART單元</b></p><p>　　該存儲單元在板卡上標號為U6，在板卡的背

76、面，選用了MAX3232SOP 電壓轉換芯片，進行PC 機與CPU 板的串口通訊。它采用收、發(fā)、地，三線連接，無握手信號。D1為向外部發(fā)送數據時的顯示燈，D2為接收外部數據時的顯示燈。通過S3C2410 內部的串口控制器進行控制。如圖3.7所示。</p><p>　　圖3.7 RS232串口單元</p><p>　　6、主/從USB 單元</p><p>　　該存儲

77、單元在板卡上標號為U14，選用了SL811H/S 主從芯片，8 位數據總線傳輸，片選NGCS1接主/從USB 單元，CPU 分配給U14 單元的地址空間為0x02000000—0x03ffffff,也就是S3C2410 CPU 的bank1區(qū)。S3C2410 CPU 的外部中斷ExINT0 響應主/從USB中斷。GPB4位控制芯片的主/從模式選擇，它是軟件控制方式。如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.8

78、主/從USB單元</p><p><b>　　7、JTAG 單元</b></p><p>　　JTAG(Joint Test Action Group，聯(lián)合測試行動小組)是一種國際標準測試協(xié)議，主要用于芯片內部測試及對系統(tǒng)進行仿真、調試，JTAG 技術是一種嵌入式調試技術，它在芯片內部封裝了專門的測試電路TAP（Test Access Port，測試訪問口），通過專用

79、的JTAG 測試工具對內部節(jié)點進行測試。目前大多數比較復雜的器件都支持JTAG 協(xié)議，如ARM、DSP、FPGA器件等。標準的JTAG 接口是4 線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為測試模式選擇、測試時鐘、測試數據輸入和測試數據輸出。</p><p>　　通過JTAG 接口，可對芯片內部的所有部件進行訪問，因而是開發(fā)調試嵌入式系統(tǒng)的一種簡潔高效的手段。目前JTAG 接口的連接有兩種標準，即14 針接口和20

80、 針接口，EL-ARM-830核心上使用的是20 針接口。如圖3.9所示。</p><p>　　如圖3.9 JTAG單元</p><p><b>　　8、ADC單元</b></p><p>　　S3C2410具有8通道模擬輸入的10位CMOS模數轉換器（ADC）。它將輸入的模擬信號轉換為10位的二進制數字代碼。在2.5MHz的A/D轉換器時鐘下

81、，最大轉化速率可達到500KSPS。A/D轉換器支持片上采樣和保持功能，并支持掉電模式。</p><p>　　S3C2410的AIN(7)和AIN(5)用于連接觸摸屏的模擬信號輸入。觸摸屏接口電路一般由觸摸屏，4個外部晶體管和一個外部電壓源組成。電路如圖3.10所示。</p><p>　　圖3.10 ADC單元</p><p><b>　　9、LED單元&

82、lt;/b></p><p>　　S3C2410提供117個GPIO(General Purpose I/O Ports，通用輸入/輸出端口)，通過GPIO能夠設置或者讀入引腳的電平狀態(tài)，因此能方便地控制LED的狀態(tài)。核心處理模塊提供了四個LED，分別接到四個GPIO上，其原理圖如圖3.11所示。</p><p>　　圖3.11 LED單元電路圖</p><p&g

83、t;<b>　　10、按鍵單元</b></p><p>　　核心處理模塊提供四個按鍵，分別接到具有中斷能力的GPIO上。通過一個上拉電阻將處理器的GPIO引腳拉高，電阻的另一端連接按鈕并接地。當按鍵按下時GPIO引腳電平為低，松開按鍵后GPIO引腳電平為高。如圖3.12所示。</p><p>　　圖3.12 按鍵單元電路圖</p><p>　　

84、第4章 WSN節(jié)點通信設計軟件部分</p><p>　　4.1 核心處理模塊的軟件系統(tǒng)層次結構</p><p>　　基于嵌入式Linux系統(tǒng)的軟件通?？梢苑譃樗膫€層次： </p><p>　　1、引導程序：包括固化啟動代碼（可選）和Bootloader的兩部分。引導代碼由上電時自動執(zhí)行的處理器，用戶不需要此操作。例如53C2410從快閃記憶體啟動時，它會自動快閃記憶

85、體的4KB的SRAM的代碼被復制到其運行的最低地址集。引導程序要求對硬件配置的嵌入式板組合移植或寫你自己的。有目前使用的引導程序的U - Boot，一滴，維維，PPCBoot等。 U - Boot的是一個開源的支持多種架構和操作系統(tǒng)BooUoader，所以使用U - boot和移植到該硬件平臺。 </p><p>　　2、Linux內核：定制的嵌入式板特定的內核和內核啟動參數。這需要根據董事會和實際切割和內核配置

86、，或核心的變化和相關的外圍設備驅動程序開發(fā)中的應用。 </p><p>　　3、文件系統(tǒng)：包括根文件系統(tǒng)和閃存設備的文件系統(tǒng)之上。在文件系統(tǒng)的類型和硬件配置的配置選擇需要的一系列閃存設備和應用組合決策，常見的文件系統(tǒng)類型的cramfs，Romfs，JffsZ，Yaffs等。 </p><p>　　4、用戶應用程序：一個用戶的具體應用，靈活性是它的最大部分。有時用戶應用程序和內核層可能還包括

87、一個嵌入式圖形用戶界面，完成了基于GUI的應用程序。應用程序通常在根文件系統(tǒng)放置，根文件系統(tǒng)包含必要的系統(tǒng)支持項目。在隨后的開發(fā)應用過程中逐漸增加。 使用核心處理模塊開發(fā)板SBC2410提供了豐富的軟件資源，但三星使用的Bootloader是專用的vivi，Llnux核心是Linux2.4.18舊版本，相應的驅動程序，LIB庫，相對于應用程序的版本低，本文沒有使用開發(fā)板提供的軟件，選擇遷移和更新，更靈活的版本的發(fā)展，唯一的好處是，它提

88、供的編程工具快閃記憶體Jflash - S3C24l0。</p><p>　　4.2 串口通信協(xié)議</p><p>　　匯聚節(jié)點與數據中轉器之間的通信是通過串口進行的。串口通信協(xié)議保證數據的安全收發(fā)，便于匯聚節(jié)點和數據中轉器對數據進行解析和存儲管理。數據中轉器和匯聚節(jié)點之間的串口通信數據幀格式如下所示：</p><p>　　圖4.1 串口通信數據幀格式</p&

89、gt;<p>　　其中，SOP為起始標志符，用1字節(jié)來表示數據包的起始，將這個字節(jié)定義為0x02；CMD表示命令ID，用1字節(jié)的數據來標識命令消息。 LEN表示DATA的長度，用1字節(jié)來指示DATA位的數據的長度。DATA為具體要發(fā)送的數據。FCS是校驗位，這里使用XOR(異或校驗)，校驗 CMD、LEN、DATA中的所有數據。</p><p>　　當匯聚節(jié)點和數據中轉器通過串口接收到數據后，都是通

90、過判別CMD對數據進行解析的。串口數據的CMD有如下幾種：</p><p>　　1、0x03，數據中轉器發(fā)送上傳路由表命令。作為響應，匯聚節(jié)點通過串口上傳路由表數據的CMD標識為0x83。 </p><p>　　2、0x04，數據中轉器發(fā)送上傳鄰居表命令。作為響應，匯聚節(jié)點通過串口上傳鄰居表數據的CMD標識為0x84。</p><p>　　3、0x05，數據中轉器發(fā)

91、送上傳采集數據命令。作為響應，匯聚節(jié)點通過串口上傳采集數據時的CMD標識為0x85。</p><p>　　4、0x89，匯聚節(jié)點發(fā)送至數據中轉器，表示網絡創(chuàng)建成功，等待命令消息。</p><p>　　5、0xF9，匯聚節(jié)點發(fā)送至數據中轉器，表示數據全部上傳完畢，等待休眠。作為響應，數據中轉器通過串口向匯聚節(jié)點發(fā)送CMD為0x09的休眠設置命令。</p><p>　　

92、LEN表示數據的長度，方便數據中轉器對接收到的數據進行空間分配和存儲。FCS是校驗位，用于表征數據的準確性。</p><p>　　當匯聚節(jié)點接收到串口數據時，匯聚節(jié)點會觸發(fā)自身應用層的串口事件，用于解析發(fā)送過來的命令消息，然后根據該命令來觸發(fā)相應的事件進行處理。</p><p>　　4.3 WSN專用軟件開發(fā)平臺</p><p>　　4.3.1區(qū)域內節(jié)點通信部分程序

93、</p><p>　　以下描述了整個區(qū)域內部通信網建立、節(jié)點加入、節(jié)點退出和數據通信的操作過程。通過以下偽代碼對 Head Node中的協(xié)議進行描述：</p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　for(n_ad==0x00;n_

94、ad(H_address;n_ad++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if((Reg_table[n_ad].reg==True)&&(Reg_table[n_ad].had_eom==False))</p><p><b>　　{</b></p><p&

95、gt;　　//以某種機制與Area內Rat范圍節(jié)點進行通信</p><p>　　sendRTs(H_address，n_ad); //發(fā)送RTS幀:</p><p>　　Wait (Tmaxw);</p><p><b>　　if</b></p><p><b>　　{</b></p>

96、<p><b>　　//連續(xù)Node</b></p><p>　　LN_address=0x00;</p><p>　　HN_address=n_ad+(H_address*Rat);</p><p>　　if(HN_address)H_address)</p><p><b>　　{</b&

97、gt;</p><p>　　LN_address=HN_address mod H_address;</p><p>　　HN_address= H_address;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　//與Rat內回應節(jié)點進行通信</p><p>　　//調試時可打印出

98、Asw_address，作為參考，來更好設置Tminw</p><p>　　if(((Asw_address>=n_ad)&&(Asw_address<HN_address))</p><p>　　‖((Asw_address>=0) && (Asw_address<LN_address)))</p><p>

99、<b>　　{</b></p><p>　　Reg_table[Asw_address].fail_count=0;</p><p>　　Reg_table[Asw_address].had_com=True;</p><p>　　//起先誤判斷Asw_address節(jié)點死亡</p><p>　　if(Reg_table

100、[Asw_address〕.reg==False)</p><p>　　Reg_table[Asw_address〕.reg=True;</p><p>　　SendACK(Asw_ddress);</p><p>　　//if(((Asw_address>n_ad)&&(Asw_address<HN_address))</p>

101、;<p>　　//‖((AstaddreSS>=0)&&(Astaddress<LN_address)))</p><p>　　if(Asw_address!=n_ad)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　Reg_table[n一d].fail_count++;</p&g

102、t;<p>　　Reg_table[n_ad].had_com=False;</p><p>　　if(Reg_table[n_ad〕.fail_count>=Max_fe)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　Reg_table[n_ad〕.reg=False;</p><p&g

103、t;　　Reg_table[n_ad].fail_count=0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　}//Asw--addresS若為其它地址范圍節(jié)點，說明等待時間不夠長，</p><p>　　//前后RTS幀回應串在一起</p><p>　　}//if(有請求回應)</p>&

104、lt;p>　　Else//無請求回應</p><p><b>　　{</b></p><p>　　Reg_table[nd_d〕.fail_count++;</p><p>　　Reg_table[n_ad」.had_eom=False;</p><p><b>　　//認為此節(jié)點死亡</b>

105、</p><p>　　if(Reg_table[n_ad〕.fail_count>=Max_fe)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　Reg_table[n_ad〕.reg=False;</p><p>　　Reg_table[n_ad〕.fail_count=0;</p>

106、<p><b>　　}</b></p><p><b>　　}//無請求回應</b></p><p>　　}//if(已登記且本周期未操作過的節(jié)點)</p><p>　　for(n_ad=0x00;n一d(比address;n_ad++)</p><p><b>　　{</

107、b></p><p>　　//一個周期輪詢完，已通信標志設為Fa1Se</p><p>　　//在此處也可以統(tǒng)計出本周期同多少個節(jié)點進通信</p><p>　　//此處可采用某種方法優(yōu)化，因為有些節(jié)點的.had_c。m原為Fal。e</p><p>　　Reg_table[n_ad].had_eom=False;</p>

108、<p><b>　　}</b></p><p>　　if((Add_addreSS>=H_address)&&(Add_address(Max_addr。55))</p><p><b>　　{</b></p><p>　　Reg_table[Add_address〕.reg=True;&l

109、t;/p><p>　　Reg_table[Add_address].fail_count=0;</p><p>　　Reg_table[Add_address].had_eom=False;</p><p>　　Reg_address=Add_address+1;</p><p>　　Tmaxw= (Haddress*Rat)*Tminw;<

110、;/p><p><b>　　}</b></p><p>　　elseif((Add_address(H_address)&&(Add_address>=0x00))</p><p><b>　　{</b></p><p>　　Reg_table[Add_address〕.reg=T