【正文】 絡(luò)被列為第一項(xiàng)未來新興技術(shù)。 在國內(nèi)，現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究首次正式出現(xiàn)在 1999年中國科學(xué)院《知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究》的“信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告”中，并作為該領(lǐng)域提出的 5個(gè)重大項(xiàng)目之一。我國國家自然科學(xué)基金 2020年將網(wǎng)絡(luò)傳感器中的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)列入計(jì)劃， 2020年國家自然科學(xué)基會(huì)將水下移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)列為研究重點(diǎn)。 醫(yī)療護(hù)理，羅徹斯特大學(xué)的科學(xué)家使用無線傳感器創(chuàng)建了一個(gè)智能醫(yī)療房間，使用微塵來測量居住者的重要征兆 (血壓、脈搏和呼吸 )、睡覺姿勢以及每天 24小時(shí)的活動(dòng)狀況。美國英特爾公司目前正在研制家庭護(hù)理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)時(shí)地把人體因行動(dòng)而產(chǎn)生的三維加速畢業(yè) 論文 5 度信息進(jìn)行提取、融合、分類，并在監(jiān)控界面顯示受測人的行為模式。另外軍事應(yīng) 用方面與災(zāi)難預(yù)警的應(yīng)用有相似之處，只是傳感器的監(jiān)測對象是敵軍情況而非意外災(zāi)難。本課題在對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行科學(xué)分類的基礎(chǔ)上展開針對性研究，進(jìn)而根據(jù)各種應(yīng)用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出 高效率的系統(tǒng)，充分發(fā)揮傳感器網(wǎng)絡(luò)的潛能?？蓴U(kuò)展性也是傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中必須考慮的問題，傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在具備通用處理器和通信模塊的基礎(chǔ)上擁有完整、規(guī)范的外部接口，以適應(yīng)不同的組件。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū) (SensorField)內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對較弱，通過攜帶能量有限的電池供電。匯聚節(jié)點(diǎn)既可以是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，有足夠的能量供給和更多的內(nèi)存與計(jì)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(wǎng)關(guān)設(shè)備。 圖 22 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本組成 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案論證 方案展示 ①單片機(jī)電路單元 處理器單元是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心， 和其他單元一起完成數(shù)據(jù)的采集、處理和收發(fā)。該類節(jié)點(diǎn)的處理能力較弱，但是能量消耗功率也很小。 MSP430系列單片機(jī)采用了 RISC接口，具有豐富的尋址的方式，大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算，還有高效的查表處理指令，有較高的處理速度，在 8MHZ晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為 125ns。 畢業(yè) 論文 8 方案三： AT89C51是一種帶 4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī) 。由于將多功能 8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL的 AT89C51是一種高效微控制器 。 CC2500是一種低成本真正單片的 ，為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計(jì)。 方案二： 采用 nRF2401， nRF2401是單片射頻收發(fā)芯片，工作于 ～ ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。 方案三： 采用 TI公司的 CC1100。無線射頻收發(fā)芯片的工作頻段有 433MHz， 968MHz，以及 ZigBee使用的 2． 4GHz等等。 畢業(yè) 論文 9 （ 2）功耗。有些芯片似乎比較便宜，可是外圍元件使用很多昂貴的元件，如變?nèi)莨堋⒙暠頌V波器等；還有些芯片收發(fā)分別需要兩根天線，會(huì)增加成本。 （ 5）收發(fā)芯片的封裝和管腳數(shù)。它的開關(guān)頻率為 1． 2 MHz，效率最高可達(dá) 92％。相對于常規(guī)的傳感器，課題的設(shè)計(jì)中更多的會(huì)涉及到的是現(xiàn)成的集成設(shè)計(jì)的微型傳感器，至于傳感器的具體工作原理，我們并不關(guān)心，我們只要知道用就可以了。對于小電流工作的傳感器，可由處理器 I/O 口直接驅(qū)動(dòng)，可以減少能量消耗。 畢業(yè) 論文 10 AT89C51 CC2500 LTC3400 +5V +~ DS18B20 + 最終確定的方案 由 AT89C51 構(gòu) 成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由五部分組成： DS18B20 溫度傳感器、AT89C5 LTC3400 電源、 CC2500 射頻單元。因此，它是現(xiàn)代監(jiān)測系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 DSl8820是是美國 DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器。單總線系統(tǒng)是由掛在一對雙絞線 (一根信號線，一根地線 )上的單總線器件芯片，專門的通信協(xié)議組成，該系統(tǒng)中只有一個(gè)總線命令者，從者可以有多個(gè)。與其它傳感器相比， DSl8820具有以下技術(shù)特性： （ 1）具有獨(dú)特的單總線接口方 式， DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需一條 I/O口線就可實(shí)現(xiàn)微處理器與它的雙向通信； （ 2）支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，一條總線上可以同時(shí)掛接多個(gè) DSl8B20，很方便地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度的檢測； （ 3）數(shù)字信號輸出，不需要信號放大和 A/D轉(zhuǎn)換等外圍電路； （ 4）測溫范圍 55~+125℃，在 1~+85℃時(shí)測溫準(zhǔn)確度為177。 DSl8820只有三根外部引腳，其中 VDD和 GND為電源引腳，另一根 DQ則作為 I/O總線，因此稱為一線式數(shù)據(jù)總線。開漏單總線接口引腳。 DS18B20的使用方法 由于 DS18B20 采用的是 1－ Wire 總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對 AT89C51 單片機(jī) 來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時(shí)序來完成對 DS18B20 芯片的訪問。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。 圖 26 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 64 位 ROM的結(jié)構(gòu)開始８位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個(gè)器件的惟一的序號，共有 48 位，最后８位是前面 56 位的 CRC 檢驗(yàn)碼，這也是多個(gè) DS18B20 可以采用一線進(jìn)行通信的原因。C 64 位 ROM 和 單 線 接 口 高速緩存 存儲(chǔ)器與控制邏輯 溫度傳感器 高溫觸發(fā)器 TH 低溫觸發(fā)器 TL 配置寄存器 8 位 CRC 發(fā)生器 VDD I/O 畢業(yè) 論文 13 頭２個(gè)字節(jié)包含測得的溫度信息，第３和第４字節(jié)ＴＨ和ＴＬ的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時(shí)被刷新。低５位一直為１，ＴＭ是工作模式位，用于設(shè)置DS18B20 在工作模式還是在測試模式， DS18B20 出廠時(shí)該位被設(shè)置為０，用戶要去改動(dòng)， R1 和Ｒ 0 決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率。第９字節(jié)讀出前面所有８字節(jié)的 CRC 碼，可用來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。 當(dāng)符號位 S=0 時(shí)，表示測得的溫度值為正值，可以 直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)符號位 S=1 時(shí)，表示測得的溫度值為負(fù)值，要先將補(bǔ)碼變成原碼，再計(jì)算十進(jìn)制數(shù)值。 DS18B20 有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。 DS18B20 器件要求采用嚴(yán)格的通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。 ①復(fù)位和應(yīng)答脈沖時(shí)隙 每個(gè)通信周期起始于微控制器發(fā)出的復(fù)位脈沖，其后緊跟 DS18B20 發(fā)出的應(yīng)答脈沖，在寫時(shí)隙期間，主機(jī)向 DS18B20 器件寫入數(shù)據(jù)，而在讀時(shí)隙期間，主機(jī)讀入來自 DS18B20 的數(shù)據(jù)。在寫 0時(shí)隙期間，微控制器在整個(gè)時(shí)隙中將總線 拉低；而寫 1 時(shí)隙期間，微控制器將總線拉低，然后在時(shí)隙起始后 15us 釋放總線。每個(gè)讀時(shí)隙都由主機(jī)發(fā)起，至少拉低總線 1us。因而主機(jī)在讀時(shí)隙期間，必須釋放總線。 DS18B20 在完成一個(gè)讀時(shí)序過程，至少需要 60us 才能完成。 AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含 4K bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（ PEROM）和 128bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)通用 8位中央處理器（ CPU）和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大 AT89C51 單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 ② — ( 18 ) 通用 I/O 口 P1 ③ — (2128) 通用 I/O口 P2 / A8A15 ④ — (1017) 通用 I/O口 P3 / 第二功能 （ 10）： RXD 串行 口數(shù)據(jù)接收 （ 11）： TXD 串行口數(shù)據(jù)發(fā)送 （ 12）： INT0 外中斷 0 （ 13）： INT1 外中斷 1 （ 14）： T0 計(jì)數(shù) /定時(shí)器 0的外部計(jì)數(shù)脈沖輸入 （ 15）： T1 計(jì)數(shù) /定時(shí)器 1的外部計(jì)數(shù)脈沖輸入 （ 16）： WR 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫控制信號 （ 17）： RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀控制信號 具體的電路設(shè)計(jì)如 圖 213： 畢業(yè) 論文 19 圖 213 AT89C51具體電路設(shè)計(jì) 電源模塊 由于節(jié)點(diǎn)的電源由兩節(jié) 5 號電池供電，節(jié)點(diǎn)芯 片工作在 3． 3 v 的電壓下，所以采 Linear 公司的 LTC3400 開關(guān)型升壓芯片。 LTC3400 輸出 外圍電路如圖 214： 圖 214 輸出 畢業(yè) 論文 20 射頻模塊 無線射頻芯片 CC2500 CC2500芯片是 Chipcon公司的第四代產(chǎn)品，工作頻率為 2． 4GHz，符合 IEEE802． 1 5． 4規(guī)范。自動(dòng)消除通道評價(jià)功能 (CCA)使其更適用于載波偵聽（ ListenBeforeTalk， LBT）系統(tǒng)。 CC2500從天線接收到射頻信號時(shí)，首先經(jīng)過低噪聲放大器 (Low Noise Amplifier，LNA)，然后在正交下變頻到 2MHz的中頻上，形成中頻信號的同向分量和正交分量。接收到的數(shù)據(jù)存放在 128字節(jié)的接收 FIFO緩存區(qū)中，幀的 CRC校驗(yàn)由硬件完成?；鶐盘柕耐喾至亢驼环至恐苯颖粩?shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號，通過低通濾波器后，直接變頻到設(shè)定的信道上。 CC2500射頻信號的收發(fā)采用差分方式傳送，其最佳差分負(fù)載是 115+jl80歐姆，阻抗匹配電路應(yīng)該根據(jù)這 個(gè)數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。設(shè)計(jì)中使用內(nèi)部晶體振蕩器，晶體接在 XOSCl6_Q1和 XOSCl6_Q2引腳之間，但是需要如果使用外部時(shí)鐘，直接從 XOSCl6_Ql引腳引入， XOSCl6_Q2引腳保持懸空。所謂通信協(xié)議，就是通信雙方必須共同遵守的一種約定，約定包括數(shù)據(jù)的格式、同步的方式、傳送的步驟等。 （ 3）控制數(shù)據(jù)的傳輸速率 接口應(yīng)具備對數(shù)據(jù)傳輸速率（波特率）的控制選擇能力，即應(yīng)具有波特率發(fā)生器。假如異步傳送數(shù)據(jù)的速率每秒為 120個(gè)字符，每個(gè)字符由 1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位和 1個(gè)停止位組成，則其傳送波特率為： 波特1 2 0 01 2 0 01 2 010 ??? bps （式 21） 則傳送一位所需的時(shí)間為波特率的倒數(shù)，即： msT d ?? （式 22） 串口有關(guān)的寄存器 串行口的控制寄存器 SCON 8XX51串行通信的方式選擇、接受和發(fā)送控制及串行口的標(biāo)志均由專用寄存器SCON控制和指示，其格式如表 25所示。 0為禁止接受； 1為允許接 受。 RI：接受中斷標(biāo)志位。 畢業(yè) 論文 23 表 26 PCON寄存器 SMOD X X X GF1 GF0 PD IDL SMOD：波特率加倍位。 PD：掉電方式位。 串口的電路設(shè)計(jì) 單片機(jī) AT89C51的 ， MX232R1out和 T1in相連， MX232的 T1out， R1in與串口的 2和 3腳連接。 Keil C51 是美國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機(jī) C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。 如圖 31所示為 keil軟件的編程環(huán)境，版本為 uVision3 圖 31 Keil開發(fā)環(huán)境界面 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)功能 本系統(tǒng)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中的終端，節(jié)點(diǎn)在硬件上采取相同的設(shè)計(jì)，但在軟件編程上有所區(qū)別。這樣的節(jié)點(diǎn)由低功耗的微處理器和外圍器件共同組成，具有網(wǎng)絡(luò)和通信能力，可以響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)請求。 DSl8B20 工 作在單總線協(xié)議下，控制器首先發(fā)送初始化脈沖，使信號線上的 DSl8B20 被復(fù)位，接著發(fā)送 ROM 操作命令，使 DSl8820 被激活進(jìn)入接收內(nèi)存訪問命令 狀態(tài)。 具體的程序如圖 33 所示： 開始 LCD 顯示屏初始化 初次讀取溫度 延遲 延遲 DS18B20準(zhǔn)備 顯示溫度 延遲 是 否 否畢業(yè) 論文 26 圖 33 主程序 讀出溫度 子程序 流程圖如圖 34 所示： 圖 34 讀出溫度子程序流程圖