【正文】 最小1KHz。本章詳細敘述了無線傳感器節(jié)點的傳感器前端、處理器核心、無線通信等主要模塊的設(shè)計過程。但是該系統(tǒng)是在犧牲了保密特性的基礎(chǔ)上大大增加了系統(tǒng)的靈活性。當該硬件加速器進行核心加密數(shù)據(jù)操作時，加密的數(shù)據(jù)將暴露給CPU或者其他的外圍設(shè)備。雖然硬件加速器是針對底層操作而設(shè)計的，并用于支持多種通信協(xié)議，但是這些操作并不是很簡單的。硬件加速器也支持那些用于盡可能優(yōu)化無線收發(fā)器功耗的操作，比如起始符號位的檢測和底層數(shù)據(jù)位調(diào)制。通過提高這些操作的效率，系統(tǒng)整體的功耗會大大降低。相對于一般數(shù)據(jù)通路的低效率操作，這些硬件加速器可以高效地執(zhí)行底層操作。其各個不同操作專用的共享地址空間可以動態(tài)地滿足多種應(yīng)用的需求。在共享圖2 通用無線節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖的內(nèi)部總線上的所有設(shè)備都是通過一個共享的存儲器接口進行操作的。這樣的系統(tǒng)具有很高的靈活性，其中的數(shù)據(jù)編碼外圍設(shè)備能夠直接從存儲器取出數(shù)據(jù)，然后將取得的數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)傳送加速器，如射頻信道的調(diào)制器。除了允許CPU和其他外圍設(shè)備相連之外，這些內(nèi)部總線還可以使得外圍設(shè)備之間能相互連接。存儲器、I/O口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、系統(tǒng)時鐘和硬件加速器都是通過這樣的內(nèi)部總線相連的。CPU集成多個寄存器組，無需每次操作轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)都要寫進存儲器，只需要簡單地保存在空的寄存器組中。因為該處理器用于分配系統(tǒng)中多個并行操作，所以這樣的設(shè)計可以盡可能地提高并行操作的轉(zhuǎn)換效率。這樣的結(jié)構(gòu)完全出于提高處理能力和處理效率的考慮。該結(jié)構(gòu)的核心是一個中央處理器，用于分時處理操作請求和通信協(xié)議。為了處理無線收發(fā)器實時、高速的通信需求，需要采用專用的硬件加速器以滿足系統(tǒng)高性能、高效率的要求。最后無線收發(fā)器會將數(shù)據(jù)解碼得到原始數(shù)據(jù)包。對于無線接收器而言，接收數(shù)據(jù)的第一部分用于檢測已經(jīng)開始傳送的任務(wù)一旦檢測到有傳送任務(wù)開始，接收器必須和相應(yīng)傳送任務(wù)的時序嚴格同步。媒體訪問控制協(xié)議（MAC）允許多個無線傳送設(shè)備共享一個無線信道。編碼方式包括簡單的直流配平方式（DC－balancing），如4b－6b或者曼徹斯特編碼（Manchester encoding），和復(fù)雜的CDMA方式。一旦第一個字節(jié)數(shù)據(jù)被編碼以后，傳送過程就開始了。編碼方式的設(shè)計目的在于通過防止和更正信號的錯誤以提高傳送信號的成功概率。這個過程中的很多操作都是彼此并行的，這可以從圖1中各操作過程的時間重疊上清楚地看出。信號接收器需要完成信號的解調(diào)和分析，同時發(fā)射器需要調(diào)制射頻載波信號。同時還需要了解無線通信的一些基本操作，這些基本操作可以揭示設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所需解決的核心問題。采用展布頻譜技術(shù)的無線收發(fā)器可以使系統(tǒng)工作在多個頻率段，以避免多種無線系統(tǒng)共用某一頻率段而相互干擾的情況發(fā)生。因為這樣的網(wǎng)絡(luò)通常是和其他無線系統(tǒng)共存的，它們必須能適應(yīng)這樣的環(huán)境。但是這樣的系統(tǒng)組件或者子模塊必須盡可能地獨立，而且對外的接口要小，以避免組件間的相互干擾。在一個典型的應(yīng)用中，上百個節(jié)點組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)可能需要協(xié)調(diào)工作長達數(shù)年，所以系統(tǒng)必須能適應(yīng)和處理單個節(jié)點失效的情況。因此節(jié)點的設(shè)計在考慮效率的同時還必須采用特殊的軟硬件模塊。而且對于一個具體的應(yīng)用，其硬件和軟件的成本是由用戶要求的。每個應(yīng)用場合的要求都會有所不同，比如工作壽命、采樣頻率、響應(yīng)時間和處理能力。根據(jù)現(xiàn)有的電池供電能力（1700mAh）通過計算可以知道，要使得傳感節(jié)點能持續(xù)工作一年以上，它的平均工作電流必須小于200uA，而一個普通蜂窩電話的平均工作電流多于4000uA，是前者的20倍。所以必須盡可能采用先進的算法和協(xié)議縮短無線收發(fā)器活動狀態(tài)的持續(xù)時間，還有就是利用節(jié)點端局部處理的方式減少需要無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。這種超低功耗的操作技術(shù)必須依賴于低功耗硬件技術(shù)和低工作循環(huán)操作技術(shù)。、功耗為了滿足某些應(yīng)用系統(tǒng)長達數(shù)年的工作壽命要求，單個的無線傳感節(jié)點必須是低功耗的。本文提出了一種構(gòu)建智能無線傳感網(wǎng)絡(luò)通用節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)，并運用該體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想完成了無線傳感節(jié)點的研制。目前國內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)尚處于研究階段，清華大學、中科院沈陽自動化研究所、中科院合肥智能所等單位已開始進行這方面的研究[3] [4]。英國、日本、意大利等國家的一些大學和研究機構(gòu)也紛紛開展了該領(lǐng)域的研究工作。美國自然科學基金委員會2003年制定了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計劃，投資3400萬美元用于支持該方面的基礎(chǔ)研究。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不需要固定網(wǎng)絡(luò)支持，具有快速展開，抗毀性強等獨特優(yōu)點；而且利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成的分布式監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)可以大大減少器件引線數(shù)量，使得無線傳感器可方便的安裝于監(jiān)測環(huán)境比較復(fù)雜，不便于引線的部位；由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有局域信號處理功能，很多信號信息處理工作可在傳感節(jié)點附近局部完成，將大大減少所需傳輸?shù)男畔⒘?，并將原來由中央處理器實現(xiàn)的串行處理、集中決策的系統(tǒng)，變?yōu)橐环N并行的分布式信息處理系統(tǒng)，將大大提高監(jiān)測系統(tǒng)的運行速度及決策的可靠性和靈活性；另外無線傳感網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計時所著重考慮的低功耗特點也可減少能源供給裝置的重量并可實現(xiàn)對監(jiān)測對象的長期在線監(jiān)測。當需要對諸如溫度、光通量、位移以及噪聲等環(huán)境參數(shù)進行不間斷地傳感、測試和無線信號傳輸時，可以考慮在相關(guān)領(lǐng)域中配置智能化的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，通過對環(huán)境待測參數(shù)的傳感數(shù)據(jù)分析來實現(xiàn)檢測目的。結(jié)果表明設(shè)計的節(jié)點基本達到了設(shè)計要求，該設(shè)計思想可以提高無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的研制效率，有一定的應(yīng)用價值。智能無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書目 錄1 引言…………………………………………………………………………2 通用無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)…………………………………………、無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計要求…………………………………………、無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通用體系結(jié)構(gòu)………………………………………3 通用無線傳感節(jié)點的設(shè)計和實現(xiàn)…………………………………………4硬件設(shè)計……………………………………………………………………………………………………………………………… 處理核心設(shè)計…………………………………………………………… 存儲器…………………………………………………………………………………………………………………………………………… AVR 處理器指令集……………………………………………………… 電源管理及睡眠模式……………………………………………………………………………………………………… 電路板設(shè)計及抗干擾措施………………………………………………、節(jié)點的測試試驗………………………………………………………5無線傳感網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺及嵌入式軟件設(shè)計……………………………… 嵌入式軟件開發(fā)流程…………………………………………………… WSN 專用的軟件開發(fā)平臺“TinyOS” ………………………………… 內(nèi)核…………………………………………………………… TinyOS 內(nèi)存管理……………………………………………………… 通訊……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 無線通信模塊……………………………………………………………6應(yīng)用…………………………………………………………………………結(jié)論……………………………………………………………………………參考文獻………………………………………………………………………致謝……………………………………………………………………………摘 要：無線傳感網(wǎng)絡(luò)是當前國內(nèi)外傳感器技術(shù)領(lǐng)域的熱點研究課題，本文提出了一種構(gòu)建智能無線傳感網(wǎng)絡(luò)通用節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)，并運用該體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想初步完成了無線傳感節(jié)點的研制。該智能無線傳感節(jié)點所采用的軟件開發(fā)系統(tǒng)是專用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的開放源代碼的操作系統(tǒng)TinyOS，運用該平臺可以完成節(jié)點的性能測試和試驗。關(guān)鍵詞： 無線傳感網(wǎng)絡(luò)，通用體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計思想Abstract: The wireless sensor networks are the hotspot research of current sensor technology. In this paper, a novel design method is presented for building a general architecture for the wireless sensor network node. Based on this design idea, the development of a wireless sensor node has been pleted. The software platform of the designed node is based on the TinyOS platform, which is an operating system designed explicitly for the wireless sensor networks. Based on this platform, performance tests are conducted for the designed wireless sensor node. The test results are satisfied, demonstrating that the presented design method can raise the efficiency for wireless sensor network node design and implementation.Key words：Wireless sensor networks，General architecture ，Design method1 引言無線傳感網(wǎng)絡(luò)的概念是基于一個簡單的等式：傳感技術(shù)＋中央處理器＋無線通信＝數(shù)以千計的潛在應(yīng)用可能。這一技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到國防軍事[1]、動物的習性觀測、材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域中。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最初研究來源于美國軍方，美國國防先進研究計劃局（DARPA）于2001年資助加州伯克力大學開發(fā)了名為“Smart Dust”（智能灰塵）或“Mote”的無線傳感器開發(fā)系統(tǒng)。在美國自然科學基金委員會的推動下，美國的加州大學伯克力分校、麻省理工學院、康奈爾大學、加州大學洛衫磯分校等學校開始了傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究。研究取得了一些初步的研究成果。其中針對面向結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究，哈爾濱工業(yè)大學，南京航空航天大學都開展了一些初步的探索[5] [6]，但是因為目前國內(nèi)幾乎沒有自行研制的無線智能傳感節(jié)點，都是購買Mote產(chǎn)品進行前期探索，這方面同國外的差距較大。2 通用無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計要求為了使得設(shè)計的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠組成適用范圍廣泛、系統(tǒng)壽命長、性能優(yōu)越的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點必須滿足以下幾個基本的設(shè)計要求，包括功耗、靈活性、魯棒性、無線通信的要求等。普通蜂窩電話的工作電流一般為幾百毫安，工作壽命只有幾天，但是無線傳感節(jié)點的工作電流最多不能超過幾個毫安。在活動工作狀態(tài)期間，無線通信的功耗是節(jié)點功耗的主要部分。例如多個傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)可以通過一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點處理組合成一個單一的結(jié)論數(shù)據(jù)再通過傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸，這樣就減少了無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。、靈活性無線傳感網(wǎng)絡(luò)的適用范圍廣泛，這就意味著其節(jié)點必須結(jié)構(gòu)靈活，能適應(yīng)多種應(yīng)用場合。所以無線傳感網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)必須足夠靈活以適應(yīng)多種應(yīng)用需求。另外選擇合適的軟硬件組合可以使得無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組建簡易而方便。、魯棒性為了滿足應(yīng)用中工作壽命的要求，每個節(jié)點都必須具備魯棒性。模塊化系統(tǒng)設(shè)計的方法可以提高系統(tǒng)的魯棒性，將系統(tǒng)按功能劃分成多個獨立的子模塊，每個功能子?？炜梢元毩⒌販y試，然后將它們組合成一個完整的應(yīng)用系統(tǒng)。為了提高系統(tǒng)對于單個節(jié)點失效的魯棒性，無線傳感網(wǎng)絡(luò)必須能適應(yīng)來自外部的干擾。提高系統(tǒng)抗干擾性能的方法就是采用多通道、展布頻譜（Spread Spectrum technique）的無線收發(fā)器。、無線通信的要求在設(shè)計一個低功耗無線通信平臺之前，需要了解無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信機制和要求，以給出靈活的通信模塊供設(shè)計參考，并且能夠優(yōu)化所用的無線通信協(xié)議使得網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)同時獲得高帶寬和高性能。為了以無線的方式通信，必須解決如何發(fā)送和接受初始射頻信號的問題。圖1說明了完成一次數(shù)據(jù)包無線通信的主要過程。通信過程的第一步是將發(fā)送數(shù)據(jù)進行編碼。由于系統(tǒng)效率的原因，編碼過程和實際的信號傳送過程是同時進行的。當前面數(shù)據(jù)傳送的時候剩余數(shù)據(jù)能同時被編碼。實際的無線傳送過程是從媒體訪問控制協(xié)議（MAC）的執(zhí)行開始的。通過無線鏈路傳送數(shù)據(jù)的前一部分是同步符號位或者起始符號位。同步以后接收器才可以對每個輸入信號進行采樣。、無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通用體系結(jié)構(gòu)無線傳感器節(jié)點的通用結(jié)構(gòu)必須以共享硬件資源為前提，能夠分離一般數(shù)據(jù)通路和無線數(shù)據(jù)通路，并且能兼容多種通信協(xié)議。圖2描述了本文設(shè)計所用的通用節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)。僅僅采用單一的處理器結(jié)構(gòu)是因為在某些需要的場合可以將所有的處理器資源用于單一任務(wù)的運行。該系統(tǒng)中唯一的核圖1 完成一次數(shù)據(jù)包無線通信的主要過程心處理器需要具有額外的硬件電路以支持精細地并行處理操作。降低并行操作轉(zhuǎn)換時間的一般方法是添加寄存器窗口。 和典型的微控制器設(shè)計一樣，數(shù)據(jù)通路是通過共享的內(nèi)部總線和系統(tǒng)中其他的組件相連接。通過利用高速、低等待時間的內(nèi)部總線，數(shù)據(jù)能方便地在處理器、存儲器和外圍設(shè)備之間傳送。連接在內(nèi)部總線上的外圍設(shè)備能夠直接從存儲器子系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)，也可以將數(shù)據(jù)送到UART外圍設(shè)備。該結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中的CPU只是簡單地規(guī)劃數(shù)據(jù)傳送任務(wù)，并不直接處理數(shù)據(jù)。每個設(shè)備都能夠控制映射在共享地址空間的結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)真正的優(yōu)勢在于專用硬件加速器的