【正文】 樹形結(jié)構(gòu)中，每一層次都設(shè)計(jì)成獨(dú)立的模塊，每個(gè)模塊又都可以調(diào)用它的下屬模塊，因此，這是一種逐層分解的方式，也稱為層次結(jié)構(gòu)。 （ 7）成本和部署容易度 成本和部署是最終影響傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)重要因素，只有節(jié)點(diǎn)成本降低到一定程度，才有可能實(shí)現(xiàn)其大規(guī)模的應(yīng)用。 （ 5）容錯(cuò)性 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)經(jīng)常會(huì)由于周圍環(huán)境或電源耗盡等原因而失效 。 （ 3）感知精度 傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知精度是指觀察者接收到的感知信息的精度。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件性能 需考慮的 因素 （ 1）能源有效性 /生命周期 傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期是指從網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)開(kāi)始提供服務(wù)到不能完成最低功能要求為止所持續(xù)的時(shí)間。 （ 4）以數(shù)據(jù)為中心 傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用目的決定了傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)，其軟件應(yīng)該具有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)處理和查詢的機(jī)制，以最有效的方式獲得并利用數(shù)據(jù)，滿足不同應(yīng)用的需求。 （ 2）模塊化 模塊化的軟件設(shè)計(jì)有利于軟件的更新和維護(hù)，個(gè)別模塊或組件的更新相對(duì)于整個(gè)更新開(kāi)銷要小得多。 這些特點(diǎn)決定了傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的特殊要求，因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，除了必要的在硬件設(shè)計(jì)上優(yōu)化外，還要在不影響整體性能的基礎(chǔ)上，對(duì)軟件進(jìn)行優(yōu)化，盡量讓網(wǎng)絡(luò)高效的運(yùn)行。 節(jié)點(diǎn)小車控制板就可以分為以上 7 個(gè)模塊，各模塊之間相互作用，協(xié)同工作，就基本能滿足對(duì)于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)小車的設(shè)計(jì)要求了。 (6) 預(yù)留 I/O 口是為傳感器所預(yù)留的接口，同時(shí)也能夠適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)不同 I/O設(shè)備的支持需求。 (4) 無(wú)線串行通信模塊則由兩組串行通信線組成， 能夠滿足有線，無(wú)線兩種 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 8 頁(yè) 共 75 頁(yè) 模式的通信和調(diào)試要求。 (2) 通過(guò) JTAG 接口和 AVR Studio 編程環(huán)境可以進(jìn)行片上調(diào)試和 ISP 下載。 根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)小車的 工作要求， 硬件電路 設(shè)計(jì)成以下幾個(gè)模塊，各模塊之間的聯(lián)系如下圖 所示： A T m e g a 1 2 8 單 片 機(jī)J T A G無(wú) 線 串 行 通 信L E D 指 示 按 鍵 開(kāi) 關(guān)電 源 模 塊電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 信 號(hào)預(yù) 留 I / O 口主 機(jī)M小 車 電 機(jī) 圖 硬件模塊連接示意圖 在圖 中： (1) 電源模塊要為單片機(jī)提供 。 節(jié)點(diǎn)（小車）驅(qū)動(dòng)電路 圖 為小車的電機(jī) 驅(qū)動(dòng) 原理圖： 圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 7 頁(yè) 共 75 頁(yè) 在圖 中， MOT1 和 MOT2 輸入高低電平即可在 J1 處得到正反向電壓，后面的電路是由兩個(gè) CMOS 管和兩個(gè)二極管構(gòu)成的通斷電路， MOTSP 輸入 PWM 就可在 J2 處接上電機(jī)，用于速度的控制。這些工作都需要上層協(xié)議來(lái)完成，并可保證在任何一個(gè)瞬間，通信網(wǎng)中只有一個(gè)電臺(tái)處于發(fā)送狀態(tài)，以免相互干擾。 、重量輕 TDX1000 的通信信道是半雙工的，最適合點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方 式，這種方式首先需要設(shè) 1 個(gè)主站，其余為從站，所有站都編一個(gè)唯一的地址。 。 :從 1200bps— 9600bps（定貨時(shí)需確定） 、。在視距情況下，可靠傳輸距離不低于 100m?；?FSK 的調(diào)制方式，并采用了前向糾錯(cuò)信道編碼技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨 機(jī)干擾的能力，在信道誤碼率為 102時(shí)，可得到實(shí)際誤碼率 105~106。無(wú)須向無(wú)線電管理委員會(huì)申請(qǐng)頻點(diǎn)，使用安裝方便 ,載頻頻率 315MHz,433MHz。 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊 CC1000、 CC2420射頻芯片 是無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸中的無(wú)線波的輸出部分。此時(shí)擴(kuò)展 I/O空間將無(wú)法使用，而內(nèi)部 RAM 正好與 ATMega103 的一致。為了解決這些問(wèn)題， ATMega128 設(shè)置了一個(gè)熔絲位 M103C。對(duì)于 ATMega103 用戶而言，內(nèi)部RAM 可能還是個(gè)問(wèn)題。多數(shù)添加的 I/O 位于擴(kuò)展的 I/O 空間 $60 到 $FF（即位于 ATMega103 的內(nèi)部 RAM 空間）。 ATMega128 是一 個(gè)很復(fù)雜的微處理器，其 I/O 數(shù)目為 AVR 指令集所保留的64 個(gè) I/O 的超集。在更新應(yīng)用 Flash 存儲(chǔ)器時(shí)引導(dǎo) Flash 區(qū)的程序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn) RWW 操作。片內(nèi) ISP Flash 可以通過(guò) SPI 接口、通用編程器，或引導(dǎo)程序多次編程?？臻e模式時(shí) CPU停止工作，而 SRAM、 T/C、 SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作，寄存器的內(nèi)容則一直保持；省電模式時(shí)異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，以允許用戶維持時(shí)間基準(zhǔn)，器件的其他部分則處于睡眠狀態(tài)； ADC 噪音抑制模式時(shí) CPU和所有的 I/O模塊停止運(yùn)行，而異步定時(shí)器和 ADC 繼續(xù)工作，以減少 ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)的開(kāi)關(guān)噪聲； Standby 模式時(shí)振蕩器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗 極少的電流，同時(shí)具有快速啟動(dòng)能力；擴(kuò)展 Standby模式則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并 且具有比普通的復(fù)雜指令集微處理器高 10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個(gè)通用工作寄存器。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 4 頁(yè) 共 75 頁(yè) 2 硬件電路設(shè)計(jì) 主要 元件介紹 ATMega128 單片機(jī) ATMega128 為基于 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的 8 位低功耗 CMOS 微處理器。 本文首先介紹軟件設(shè)計(jì)的一般方法，通過(guò)比較得出合適的設(shè)計(jì)方法。這樣可以為以后的進(jìn)一步的更實(shí)用性的研究打下基礎(chǔ)。 課題側(cè)重 移動(dòng) 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，同時(shí)完成相應(yīng)的通信試驗(yàn)。移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)可以依據(jù)需要自 主移動(dòng)，動(dòng)態(tài)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)以提升網(wǎng)絡(luò)性能。數(shù)據(jù)傳輸是由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)控制的，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入傳感器節(jié)點(diǎn)區(qū)域后，發(fā)送射頻信號(hào)，激活各靜態(tài)節(jié)點(diǎn)后建立鏈接，各節(jié)點(diǎn)以自己的節(jié)點(diǎn) ID 號(hào)依次將數(shù)據(jù)傳輸給移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)，最終傳輸?shù)交尽? 由靜態(tài)傳感節(jié)點(diǎn)（ SNode）組建的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點(diǎn) 可 按照自組織方式組建網(wǎng)絡(luò)，按照設(shè)定的路由協(xié)議選擇其中一個(gè)或幾個(gè)作為匯聚節(jié)點(diǎn)（ sink），經(jīng)過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交尽?傳感器節(jié)點(diǎn)分為靜態(tài)節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)， 目前研究的主要是基于靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的傳感器網(wǎng)絡(luò)。 比如 當(dāng)需要對(duì)諸如溫度、光通量、位移 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 2 頁(yè) 共 75 頁(yè) 以及噪聲等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行不間斷地傳感、測(cè)試和無(wú)線信號(hào)傳輸時(shí)，可以考慮 在相關(guān)領(lǐng)域中配置智能化的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)對(duì)環(huán)境待測(cè)參數(shù)的傳感數(shù)據(jù)分析來(lái)達(dá)到檢測(cè)目的，這一技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到國(guó)防軍事、動(dòng)物的習(xí)性觀測(cè)、材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中 [12]。目前國(guó)內(nèi)無(wú)線傳 感器網(wǎng)絡(luò)尚處于研究階段，清華大學(xué)、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、中科院合肥智能所等單位已開(kāi)始進(jìn)行這方面的研究。英國(guó)、日本、意大利等國(guó)家的一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)也紛紛開(kāi)展了該領(lǐng)域的研究工作。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及應(yīng)用 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最初研究來(lái)源于美國(guó)軍方，美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究計(jì)劃局（ DARPA）于 2021 年資助加州伯克力大學(xué)開(kāi)發(fā)無(wú)線傳感器系統(tǒng)。因此 ， 節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中可以充當(dāng)數(shù)據(jù)采集者 、 數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站或類頭節(jié)點(diǎn)的角色。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ Wireless Sensor Network， WSN）是一類全新的信息 獲取和處理技術(shù)，由大量具備傳感、數(shù)據(jù)收集、處理和無(wú)線通信能力而體積小、成本低的傳感器節(jié)點(diǎn) (Sensor Node)構(gòu)成。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 1 頁(yè) 共 75 頁(yè) 1 緒論 研究背景 傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于無(wú)線局域網(wǎng)，由“偵測(cè)”功能發(fā)展起來(lái)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式，與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間存在較大的區(qū)別。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念是基于一個(gè)簡(jiǎn)單的等式：傳感技術(shù) 加上 中央處理器 ，再聯(lián)合 無(wú)線通信 技術(shù)就 形 成了 數(shù)以千計(jì)的潛在應(yīng)用可能 [12]。 在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中 ， 每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能都是相 同的 ， 大量傳感器節(jié)點(diǎn)被布置在整個(gè)被觀測(cè)區(qū)域中 ， 各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)將自己所探測(cè)到的有用信息通過(guò)初步的數(shù)據(jù)處理和信息融合后傳送給用戶 ， 數(shù)據(jù)傳送的過(guò)程是通過(guò)相鄰節(jié)點(diǎn)的接力傳送的方式傳送回基站 ， 然后通過(guò)基站以衛(wèi)星信道或者有線網(wǎng)絡(luò)連接的方式傳送給最終用戶。作為數(shù)據(jù)采集者 ， 數(shù)據(jù)采集模塊收集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù) (如溫度、濕度等 )， 通過(guò)通信路由協(xié)議直接或間接將數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)方基站或匯節(jié)點(diǎn) ； 作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站 ， 節(jié)點(diǎn)除了完成采集任務(wù)外 ， 還要接收鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù) ， 將其轉(zhuǎn)發(fā)給距離基站 更近的鄰居節(jié)點(diǎn)或者直接轉(zhuǎn)發(fā)到基站或匯節(jié)點(diǎn) ； 作為類頭節(jié)點(diǎn) ， 節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集該類內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù) ,經(jīng)數(shù)據(jù)融合后 ， 發(fā)送到基站或匯節(jié)點(diǎn) [19]。美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì) 2021 年制定了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計(jì)劃，投資 3400 萬(wàn)美元用于支持該方面的基礎(chǔ)研究。研究取得了一些初步的研究成果。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。 課題研究目的和 任務(wù) 傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，低功耗節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)具有舉足輕重的 作用，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)得以實(shí)現(xiàn)的硬件基礎(chǔ)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一般設(shè)計(jì)方案是在一個(gè)較大的區(qū)域內(nèi)，布置一定數(shù)量的傳感器節(jié)點(diǎn)，區(qū)域內(nèi)用一個(gè)基站（ BStation，即 PC 機(jī)）管理各個(gè)節(jié)點(diǎn)， 各傳感節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)一定路由后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交尽? 由靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)傳感器 節(jié)點(diǎn)（ MNode）動(dòng)態(tài)構(gòu)建的 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)， 可設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有靜態(tài)節(jié)點(diǎn)以移動(dòng)節(jié)點(diǎn)為匯聚節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)傳輸給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處理后傳輸給基站。 靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)在配置后，自身不能改變所處位置，感知范圍有限；而且由于能耗原因容易使 節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)，改變?cè)械木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以致造成信息不能按原有路徑傳輸。因而移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)可以與靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)一起被配置在特定的場(chǎng)合，以完成許多復(fù)雜的任務(wù)，如移動(dòng)目標(biāo)跟蹤、動(dòng)態(tài)信息采集、災(zāi)情預(yù)警、搜救、軍事領(lǐng)域的情報(bào)探測(cè)等 [20]。 通過(guò)對(duì)本課題的研究，較好地掌握 移動(dòng) 傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，熟悉基于單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)，掌握單片機(jī)應(yīng)用軟件的編制與調(diào)試，掌握通信驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，完成 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 3 頁(yè) 共 75 頁(yè) 軟硬件的聯(lián)調(diào)。 在理解傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上， 參考有關(guān)文獻(xiàn)， 了解通信電路設(shè)計(jì)的一般方法，在此基礎(chǔ)上，完成基于 ATMega128 及 CC1000、 CC2420 射頻芯片的通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)（完成驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)），設(shè)計(jì)具有移動(dòng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠進(jìn)行按指令的運(yùn)動(dòng)，熟悉使用 C 語(yǔ)言，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、調(diào)試。 簡(jiǎn)單介紹有關(guān)硬件電路設(shè)計(jì)后結(jié)合對(duì)小車驅(qū)動(dòng)板電路進(jìn)行相關(guān) 分析，結(jié)合 ATMega128單片機(jī) C 語(yǔ)言編程的特點(diǎn)和要求， 著重 給出了小車運(yùn)動(dòng)方向控制、運(yùn)動(dòng)速度控制、運(yùn)動(dòng)距離控制的程序設(shè)計(jì)方法，并給出了驅(qū)動(dòng)程序和主函數(shù)的銜接 和調(diào)用關(guān)系，從而完成軟件設(shè)計(jì)。由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時(shí)間， ATMega128 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHZ，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。所有的寄存器都直接與算邏單元（ ALU）相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。 ATMega128 具有如下特點(diǎn)： 128K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash（具有在寫的過(guò)程中還可以讀的能力，即 RWW）、 4K 字節(jié)的 EEPROM、 4K 字節(jié)的 SRAM、53 個(gè)通用 I/O 口線、 32 個(gè)通用工作寄存器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘 RTC、 4 個(gè)靈活的具有比較模式和 PWM 功能的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器（ T/C）、兩個(gè) USART、面向字節(jié)的兩線接口 TWI、 8 通道 10 位 ADC（具有可選的可編程增益）、具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器、 SPI 串行端口、與 規(guī)范兼容的 JTAG 測(cè)試接口（此接口同時(shí)還可以用于片上調(diào)試），以及六種可以通過(guò)軟件選擇的省電模式。 器件是以 Atmel 的高密度非易失性內(nèi)存技術(shù)生產(chǎn)的。引導(dǎo)程序可以使用任何接口來(lái)下載應(yīng)用程序到應(yīng)用 Flash 存儲(chǔ)器。通過(guò)將 8 位 RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的 Flash 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 5 頁(yè) 共 75 頁(yè) 集成在一個(gè)芯片內(nèi)， ATMega128 為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的方案。為了保持對(duì) ATMega103 的兼容性， ATMega103 的 I/O 位置在ATMega128 得到了保留。這些地址可以通過(guò)指令 LD/LDS/LDD 和ST/STS/STD 來(lái)訪問(wèn)，而不是 IN/OUT 指令。此外，由于中斷向量的增加，若程序使用了絕對(duì)地址可能也是個(gè)問(wèn)題。此熔絲位編程后就可以使 ATMega128 工作于 ATMega103 兼容模式。同時(shí)擴(kuò)展的中斷向量也被取消了。 在 此項(xiàng)目中 ，無(wú)線傳輸使用的硬件為 CC1000，但是 CC1000是一個(gè)簡(jiǎn)單的串行的數(shù)據(jù)輸入輸出的無(wú)線頻射芯片，無(wú)法實(shí)現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)的傳輸和控制，需要外圍的芯片加以控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正常發(fā)送和 接收 ，所以在本 項(xiàng)目中使用的用 CC1000的集成的Txd1000微功率無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊 ， 其 結(jié)構(gòu)示意圖如圖 ： 圖