【正文】 一、主要內(nèi)容和基本要求內(nèi)容：課題的研究無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)?；疽螅?完成無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。 完成由無線傳輸方式實(shí)現(xiàn)通信功能。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。通過使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)人們可以實(shí)現(xiàn)信息的快速、大范圍、自動(dòng)化的采集和傳輸。本設(shè)計(jì)是基于 AT89C51 單片機(jī)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，通過 DS18B20 的溫度傳感器采集溫度并經(jīng)過 AT89C51 單片機(jī)的處理傳送出去。第一部分是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展概況和未來，第二部分是無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，第三部分是無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)。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。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、和控制等要求。而近年來對傳感器的需求越來越復(fù)雜，單個(gè)傳感器已經(jīng)基本不能滿足同益增長的復(fù)雜要求。傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是由許多空間分布的裝置組成的一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，這些裝置使用傳感器監(jiān)控不同位置的條件(比如溫度、聲音、振動(dòng)、壓力、運(yùn)動(dòng)或污染物)。每個(gè)裝置都具備一個(gè)無線電收發(fā)器、一個(gè)很小的微控制器和一個(gè)能源(通常為電池)。傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組傳感器以Ad Hoe方式構(gòu)成的有線或無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。但是這些優(yōu)點(diǎn)對于傳感器來說并不重要，這是因?yàn)閭鞲衅鞯臄?shù)據(jù)傳輸率低，要求帶寬窄，而誤碼率問題可以通過糾錯(cuò)與編碼方式降低。我們注意到傳感器是為了監(jiān)控不同位置的條件，比如溫度、聲音、振動(dòng)，壓力、運(yùn)動(dòng)的信息，所以其安裝位置一般來說都是具有典型代表性的。山于傳感器種類繁多，其數(shù)據(jù)特性也各不相同。因此構(gòu)造一些較小的，靈活的子網(wǎng)絡(luò)，再由這些子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò)成為較為通用的做法。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種獨(dú)立出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，它的基本組成單位是節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)集成了傳感器、微處理器、無線接口和電源四個(gè)模塊。但是基于光線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的用途和優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)專用的通信隊(duì)議和路由算法已經(jīng)成為了當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域內(nèi)急待研究的課題。（2）源受限制：網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)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。以數(shù)據(jù)為中心的特性是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的又一個(gè)特點(diǎn)，由于節(jié)點(diǎn)不是預(yù)先計(jì)劃的，而且節(jié)點(diǎn)位置也不是預(yù)先確定的，這樣就有一些節(jié)點(diǎn)由于發(fā)生較多錯(cuò)誤或者不能執(zhí)行指定任務(wù)而被中止運(yùn)行。（4）以數(shù)據(jù)為中心：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，人們只關(guān)心某個(gè)區(qū)域的某個(gè)觀測指標(biāo)的值，而不會(huì)去關(guān)心具體某個(gè)節(jié)點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)。（5）網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)拓?fù)洹⒍嗵酚桑簾o線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)。這些都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣M織功能。無線技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的直接推動(dòng)力。早在上世紀(jì)70年代，就出現(xiàn)了將傳感器采用點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式，這樣所連接的傳感器便構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)的雛形，我們可以把它歸之為第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。從上世紀(jì)末開始，現(xiàn)場總線技術(shù)開始應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量多功能傳感器被運(yùn)用，第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成。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。隨后在美國的移動(dòng)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)國際會(huì)議上，提出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是下世紀(jì)面臨的一個(gè)發(fā)展機(jī)遇。在美國自然科學(xué)基金委員會(huì)(Natural Science Foundation，NSF)的推動(dòng)下，加州大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院、康奈爾大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校等大學(xué)研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)。同年，美國《商業(yè)周刊》未來技術(shù)專版，在論述四大新技術(shù)時(shí)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也被列入其中。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。隨著知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)工作的深入，2022年中國科學(xué)院依托上海微系統(tǒng)所成立了微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，中心在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方向陸續(xù)部署了若干重大研究項(xiàng)目和方向性項(xiàng)目?！秶抑虚L期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2022．2020)》在支持的重點(diǎn)領(lǐng)域及其優(yōu)先主題信息產(chǎn)業(yè)及現(xiàn)代服務(wù)業(yè)中列入了“傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理”，并在自訂沿技術(shù)中重點(diǎn)支持“自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要集中在以下領(lǐng)域：環(huán)境的監(jiān)測和保護(hù)，隨著人們對于環(huán)境問題的關(guān)注程度越來越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來越多，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利，并且還可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞。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。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在檢測人體生理數(shù)據(jù)、老年人健康狀況、醫(yī)院藥品管理以及遠(yuǎn)程醫(yī)療等方面同樣發(fā)揮出色的作用。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以長時(shí)間地收集人的生理數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在研制新藥品的過程中將非常有用。該系統(tǒng)在鞋、家具、以及家用電器等嵌入傳感器，幫助老年人、患者及殘障人士獨(dú)立地進(jìn)行家庭生活，必要時(shí)通過WSN向醫(yī)務(wù)人員、社會(huì)工作者請求幫助。該系統(tǒng)使用多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，安裝在人體幾個(gè)特征部位。這個(gè)系統(tǒng)稍加產(chǎn)品化，便可成為一些老人及行動(dòng)不便的病人的安全助手。軍事領(lǐng)域，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有密集型、隨機(jī)分布的特點(diǎn)，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判斷生物化學(xué)攻擊等多方面用途。比如2022年，美國軍方成功測試了由美國Crossbow產(chǎn)品組建的槍聲定位系統(tǒng)。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(shí)，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。在傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，需要解決無線傳感器節(jié)點(diǎn)微型化技術(shù)，即在有限的系統(tǒng)資源條件下，微型、廉價(jià)、能量有限的多功能傳感器設(shè)計(jì)技術(shù)。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(jì)的核心問題。無線通信協(xié)議是軟件中的一個(gè)重要問題，它直接關(guān)系到節(jié)點(diǎn)的各方面性能。2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)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。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其它傳感器節(jié)點(diǎn)逐漸地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。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(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的終端和路由器雙重功能，除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其它節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合等處理，同時(shí)與其它節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)。匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)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(shí)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。無線傳感器節(jié)點(diǎn)的基本組成包括處理器單元、無線傳輸單元、傳感器單元和電源模塊單元四個(gè)基本單元，如圖22。此外，可以選擇的其它功能單元還有定位系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)、電源自供電系統(tǒng)等。從處理器的角度看，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基本可以分為兩類：一類采用以ARM 處理器為代表的高端處理器。另一類是以采用單片機(jī)為代表的節(jié)點(diǎn)。本課題的設(shè)計(jì)要求比較低，采用能耗較小的單片機(jī)是合適的。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(huì)有幾微瓦的功耗。這些特點(diǎn)都保證了可編制出高效率的源程序。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(gè)中斷/復(fù)位源，芯片級(jí)地址譯碼，無線收發(fā)單元。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)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。最終確定選擇方案三的AT89C51，因?yàn)?1單片機(jī)具有好的適用性和強(qiáng)大的功能。 ②無線收發(fā)單元方案一：采用TI公司的CC2500。（工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)學(xué)）和SRD（短距離設(shè)備）頻率波段。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。 芯 片 能 耗 非 常 低 ， 以 5dBm的 功 率 發(fā) 射 時(shí) ， 工作 電 流 只 有 ， 接 收 時(shí) 工 作 電 流 只 有 18mA， 多 種 低 功 率 工 作 模 式 ， 節(jié) 能 設(shè)計(jì) 更 方 便 。 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 。CC1100是一種低成本真正單片的UHF收發(fā)器，為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計(jì)。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(jì)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。在選擇無線收發(fā)芯片時(shí)應(yīng)考慮需要以下幾點(diǎn)因素：功耗、發(fā)射功率、接收靈敏度、收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量、芯片成本、數(shù)據(jù)傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼等。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。大多數(shù)無線收發(fā)芯片是應(yīng)用在便攜式產(chǎn)品上的，因此功耗也非常重要，應(yīng)該根據(jù)需要選擇綜合功耗較小的產(chǎn)品。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。（4）收發(fā)芯片的數(shù)據(jù)傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼。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。較少的管腳以及較小的封裝，有利于減少PCB面積降低成本，適合便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，也有利于開發(fā)和生產(chǎn)。③供電單元由于節(jié)點(diǎn)的電源由兩節(jié)5號(hào)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。它的外圍電路簡單，使整個(gè)電源在PCB上的面積大大降低。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(dòng)、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(hào)?？紤]到整個(gè)節(jié)點(diǎn)由電池供電，必須選擇體積小、低功耗、外圍電路簡單的傳感器。傳感器電源的供電電路設(shè)計(jì)對傳感器模塊的能量消耗來說非常重要。對于大電流工作的傳感器，I/O 口不能直接驅(qū)動(dòng)傳感器，通常使用場效應(yīng)管來控制后級(jí)電路能量輸入。 本設(shè)計(jì)內(nèi)選用溫度傳感器DS18B20。DS18B20 溫度傳感器完成數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換然后傳送給 AT89C51，AT89C51 將數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)送給 CC2500 無線模塊，通過無線模塊發(fā)送出去，LTC3400 的電源部分為整個(gè)系統(tǒng)提供電力供應(yīng)。 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì) 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(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)，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。傳感器獲得信息正確與否，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的精度，如果傳感器的誤差較大則隨后的測量電路、放大電路以及微處理器的精確度再高也是徒勞的，因此正確選用傳感器尤為重要。所謂內(nèi)部就是在節(jié)點(diǎn)上設(shè)計(jì)一個(gè)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。目前常用的微機(jī)與外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇锌偩€(如SPI總線、I2C總線或SCI總線等)，至少需要兩條或兩條以上的信號(hào)線。它采用單根信號(hào)線完成數(shù)據(jù)的雙向傳輸，并且可以通過該信號(hào)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。總線命令者可以是PC機(jī)或者普通的單片機(jī)，從者是DALLAS公司提供的單總線器件芯片。DSl8820全部傳感元件和轉(zhuǎn)換電路都集成在一個(gè)形如三極管的集成電路內(nèi)?！?；（5）能提供9～12位二進(jìn)制溫度值輸出，可通過編程決定輸出位數(shù)；（6）其工作電源既可采用寄生電源方式產(chǎn)生，也可在遠(yuǎn)端引入，電源電壓范圍為+~?？s小了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的可靠性。如圖24：24 DS18B20連接設(shè)計(jì)圖DS18B20 采用３腳 PR－35 封裝或８腳 SOIC 封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 所示。圖 25表 21　DS18B20 詳細(xì)引腳功能描述序號(hào) 名稱 引腳功能描述1 GND 地信號(hào)2 I/O 數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。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(shí)序要求。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序。而每一次命令和數(shù)據(jù)的