【正文】 判斷生物化學(xué)攻擊等多方面用途。因此，電源供電和功耗問題是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計的核心問題。圖21 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)。此外，可以選擇的其它功能單元還有定位系統(tǒng)、移動系統(tǒng)、電源自供電系統(tǒng)等。MSP430F449必需的外圍電路包括復(fù)位電路、JTAG仿真口、電源濾波電路以及無源晶振，其中復(fù)位電路直接與電源連接，會有幾微瓦的功耗。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項(xiàng)，能使性能得到提升。無線射頻芯片的種類和數(shù)量繁多，無線收發(fā)芯片的選擇在設(shè)計中至關(guān)重要，正確的選擇可以減小開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，降低成本。芯片外圍元件的數(shù)量直接決定產(chǎn)品的成本，因此應(yīng)該選擇外圍元件少的收發(fā)芯片。③供電單元由于節(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。傳感器電源的供電電路設(shè)計對傳感器模塊的能量消耗來說非常重要。 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計 傳感器單元 DS18B20傳感器模塊，又稱為數(shù)據(jù)采集模塊，它主要目的是將傳感器所采集到得模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以處理的數(shù)字信號，然后將數(shù)據(jù)處理等待發(fā)送，它為系統(tǒng)提供了進(jìn)行處理和決策所必需的原始信息。它采用單根信號線完成數(shù)據(jù)的雙向傳輸，并且可以通過該信號線為單總線器件提供電源，節(jié)省I／O口資源，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉、便于擴(kuò)展?？s小了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)工作于寄生電源時，此引腳必須接地。 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖DS18B20 采用３腳 TO92 封裝或８腳 SOIC 封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如 26 所示。該字節(jié)各位的定義如圖 27 所示。單片機(jī)可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以℃／LSB 形式表示。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。寫 0 和寫 1 時隙如圖所示。DS18B20 發(fā)出的數(shù)據(jù)，在起始時隙之后保持有效時間為 15us。具體電路圖如圖211所示：圖211 DS18B20電路圖 處理器模塊處理器是一個控制系統(tǒng)的核心器件。LTC3400 還可在輕負(fù)載情況下自動轉(zhuǎn)為突發(fā)模式，以節(jié)省電能。CC2500的選擇性和敏感性質(zhì)數(shù)超過了IEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性，且其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)500kpbs，因此可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。CC2500發(fā)送數(shù)據(jù)時，使用直接正交上變頻。這個參考時鐘可以來自外部時鐘源，也可以使用內(nèi)部晶振體振蕩器產(chǎn)生。（2）進(jìn)行串行數(shù)據(jù)與并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換在發(fā)送端，接口將CPU送來的并行信號轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送；而在接收端，接口要將接受到的串行數(shù)據(jù)變成并行數(shù)據(jù)送往CPU，由CPU進(jìn)行處理。REN：串行接受允許位。串行通信中只使用了其中的最高位SMOD波特率加倍位。IDL=1，激活待機(jī)方式。 另 外 重 要 的 一 點(diǎn) ， 只 要 看 一 下 編 譯 后 生 成 的 匯 編 代 碼 ， 就 能 體 會到 Keil C51生 成 的 目 標(biāo) 代 碼 效 率 非 常 之 高 ， 多 數(shù) 語 句 生 成 的 匯 編 代 碼 很 緊 湊 ， 容易 理 解 。當(dāng)它脫離網(wǎng)絡(luò)時可以記錄傳感器采集的模擬量信號，并等待上傳到用戶PC中去。主程序流程圖如圖 32 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 顯示溫度延遲是圖32 主程序流程圖主程序主要實(shí)現(xiàn)溫度的讀取，并通過傳感器傳送給 LCD 顯示器，表示收集數(shù)據(jù)成功。除非芯片處在 SLEEP狀態(tài)，SO 引腳在 CSn 變低電平后也立即變低。整個過程如圖41所示傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器下位機(jī)下位機(jī)下位機(jī)下位機(jī)下位機(jī)上位機(jī)PC圖41 節(jié)點(diǎn)之間通信總體結(jié)構(gòu)軟件流程圖如圖 42 所示。 Proteus 主 要 由 ISIS 和ARES 兩 部 分 組 成 ， ISIS 的 主 要 功 能 是 原 理 圖 設(shè) 計 及 與 電 路 原 理 圖 的 交 互 仿 真 ，ARES 主 要 用 于 印 制 電 路 板 的 設(shè) 計 。改變溫度之后的輸出結(jié)果圖如圖 55 所示：圖55 溫度變化之后的仿真輸出 仿真結(jié)果分析通過 LCD 屏仿真結(jié)果的顯示，可以看出數(shù)據(jù)采集部分達(dá)到了預(yù)想的結(jié)果，完成了數(shù)據(jù)的采集，并傳送給單片機(jī)。因此在整個設(shè)計過程中大部分時間是用在程序上面的。在讓我體會到了設(shè)計電路的艱辛的同時，更讓我體會到成功的喜悅和快樂。在整個電路的設(shè)計過程中，花費(fèi)時間最多的是各個單元電路的連接及電路的細(xì)節(jié)設(shè)計上，如在多種方案的選擇中，我們仔細(xì)比較分析其原理以及可行的原因。我想這對于自己以后的學(xué)習(xí)和工作都會有很大的幫助的。④ 支 持 大 量 的 存 儲 器 和 外 圍 芯 片 。地址域用于 CC2500 多設(shè)備識別。而且，中心節(jié)點(diǎn)與外圍節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸是通過無線傳輸模塊來實(shí)現(xiàn)，這部分的協(xié)議可以稱之為無線傳輸協(xié)議。在地址和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換期間，CSn 腳必須保持為低電平。主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時顯示、讀出并處理 DS18B20 的測量的當(dāng)前溫度值。通過C可實(shí)現(xiàn)模塊化編程技術(shù)，從而可將已編制好的程序加入到新程序中；C語言可移植性好且非常普及，C編譯器幾乎適用于所有的目標(biāo)系統(tǒng)；已完成的軟件項(xiàng)目可以容易地轉(zhuǎn)換到其它的處理器或環(huán)境中。圖217 串口設(shè)計的具體電路3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計 開發(fā)環(huán)境51 單片機(jī)開發(fā)軟件較多，但其中最好的一款莫過于公認(rèn)的 keil，這里采用keil 用 C 語言編寫程序。GF1,GF0：通用標(biāo)志位，用戶可作為軟件使用標(biāo)志。TI：發(fā)送中斷標(biāo)志位。在計算機(jī)通信中，其意義是每秒鐘傳送多少位二進(jìn)制數(shù)。AT89C51串口CC250023圖216 射頻單元結(jié)構(gòu)圖 串口設(shè)計 串口的任務(wù)CPU只能處理并行數(shù)據(jù)，要進(jìn)行串行通信，必須接串行接口，并遵從串行通信協(xié)議。這樣對于只有3．3V電源的設(shè)備，不需要額外的電壓轉(zhuǎn)換電路就能正常工作。當(dāng)CC2500的SFD引腳為低電平時，表示接收到了物理幀的SFD字節(jié)。CC2500具有片上載波感應(yīng)指示燈和數(shù)字RSSI輸出，有助于提高無線鏈路的質(zhì)量。圖212 AT89C51基本結(jié)構(gòu)圖 AT89C51引腳及其功能（1）工作電源與地Vcc（40）：電源 +5V?Gnd（20）：接地（2）時鐘XTAL1（19）：內(nèi)部振蕩器輸入端XTAL2（18）：內(nèi)部振蕩器輸出端（3）并行 I/O 口① — (3932) 通用 I/O 口 P0 / A0A7 / D0D7。對于 DS18B20 的讀時隙是從主機(jī)把單總線拉低之后，在 15 秒之內(nèi)就得釋放單總線，以讓 DS18B20 把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。所有的讀時隙至少需要 60us，且在兩次獨(dú)立的讀時隙之間，至少需要 1us 的恢復(fù)時間。發(fā)送所有的命令和數(shù)據(jù)時，都是字節(jié)的低位在前，高位在后。由于 DS18B20 是在一根 I/O 線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時序要求。高速暫存ＲＡＭ的第６、７、８字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯１。高速暫存 RAM 的結(jié)構(gòu)為８字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。圖 25表 21　DS18B20 詳細(xì)引腳功能描述序號 名稱 引腳功能描述1 GND 地信號2 I/O 數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。DSl8820全部傳感元件和轉(zhuǎn)換電路都集成在一個形如三極管的集成電路內(nèi)。所謂內(nèi)部就是在節(jié)點(diǎn)上設(shè)計一個數(shù)字式測溫芯片——DSl8B20；所謂外部就是系統(tǒng)對外提供兩路接口給外接傳感器。 本設(shè)計內(nèi)選用溫度傳感器DS18B20。④傳感器單元傳感器種類很多，可以檢測溫濕度、光照、噪聲、振動、磁場、加速度等物理量，將這些環(huán)境變量轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒y量的信號。而采用串口傳輸?shù)男酒?，?yīng)用及編程非常簡單，傳送的效率很高，標(biāo)稱速率就是實(shí)際速率。在同等條件下，為了保證有效和可靠通信，應(yīng)選用發(fā)射功率較高的產(chǎn)品。 nRF2401適 用 于 多 種 無 線 通 信 的 場 合 ， 如 無 線 數(shù) 據(jù) 傳 輸 系 統(tǒng) 、 無線 鼠 標(biāo) 、 遙 控 開 鎖 、 遙 控 玩 具 等 。 ②無線收發(fā)單元方案一：采用TI公司的CC2500。HCS08 核的組成部分都有HCS08 CPU，背景調(diào)試控制器(BDC)，支持多達(dá)32 個中斷/復(fù)位源，芯片級地址譯碼，無線收發(fā)單元。另一類是以采用單片機(jī)為代表的節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲能力和通信能力相對比較強(qiáng)，它連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Inte等外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)(SensorNode)，匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink Node)和管理節(jié)點(diǎn)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如21所示。由于應(yīng)用的多樣性，傳感器網(wǎng)絡(luò)研究在兼顧通用性的同時，必須進(jìn)行面向應(yīng)用的、具有系統(tǒng)針對性的研究，以提高執(zhí)行效率。該系統(tǒng)使用多個傳感器節(jié)點(diǎn)，安裝在人體幾個特征部位。在這類應(yīng)用中，對傳感器的需求量很大，所以必須降低傳感器的制造成本。2022年IEEE Spectrum雜志發(fā)表一期專集：傳感器的國度，論述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和可能的廣泛應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)起始于20世紀(jì)90年代術(shù)期，最早用于軍事上戰(zhàn)場信息的收集。這些都會使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有動態(tài)拓?fù)浣M織功能。（2）源受限制：網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)的電源是有限的，網(wǎng)絡(luò)大多工作在無人區(qū)或者對人體有傷害的惡劣環(huán)境中，更換電源幾乎是不可能的事，這勢必要求網(wǎng)絡(luò)功耗要小以延長網(wǎng)絡(luò)的壽命，而且要盡最大可能的節(jié)省電源消耗。山于傳感器種類繁多，其數(shù)據(jù)特性也各不相同。每個裝置都具備一個無線電收發(fā)器、一個很小的微控制器和一個能源(通常為電池)。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將現(xiàn)代無線通信技術(shù)、微型傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)地融為一體，已經(jīng)是近幾年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，引起了世界上許多國家軍界、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，其應(yīng)用前景十分廣闊。重點(diǎn)研究的問題：無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議。 由單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。整個設(shè)計采用了仿真電路和程序編寫。所以將多種傳感器構(gòu)建成網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。所以，在傳感器網(wǎng)絡(luò)方面采用有線傳輸模式并不是最好的選擇。傳統(tǒng)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中業(yè)已成熟的解決方案可以借鑒到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中來。以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)要求傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計必須以感知數(shù)據(jù)管理和處理為中心。20世紀(jì)80年代，隨著相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展和進(jìn)步，傳感器網(wǎng)絡(luò)同時具有了獲取多種信息的綜合處理能力，并可通過串行或并行等接口與控制器相關(guān)聯(lián)，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這是第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)。2022年，美國《技術(shù)評論》雜志在論述未來新興十大技術(shù)時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一項(xiàng)未來新興技術(shù)。我國國家自然科學(xué)基金2022年將網(wǎng)絡(luò)傳感器中的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)列入計劃，2022年國家自然科學(xué)基會將水下移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)列為研究重點(diǎn)。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)。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?？蓴U(kuò)展性也是傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計中必須考慮的問題，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。傳感器節(jié)點(diǎn)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。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)。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)動下指令周期為125ns。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。方案二：采用n RF2401， 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 。無線射頻收