无线传感器网络节点的设计
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论文题目：无线传感器网络节点的设计
摘 要：无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）是一种由大量分布的无线传感器网络节点构成的复杂网络，这些节点常常工作在人迹罕至的地方。节点能够实现对传感器数据的采集和处理，通过无线传感器网络以无线路由多跳的方式最终发送给监控中心。无线传感器网络常常被用于对环境温度、湿度、光强、气体浓度的监测。
关键词：无线传感器网络；传感器节点；泛洪协议的多跳路由算法
一、研究的内容
无线传感器网络通常包括传感器节点、汇聚节点、管理节点。无线传感器网络中都分布着许多传感器节点，节点以自组织的形式构成网络，这些节点采集传感器数据，经过数据打包处理，以路由多跳的无线方式将数据发送到汇聚节点，同时转发其他节点发送来的数据；汇聚节点通常与计算机的RS232相连接，汇聚节点只接收传感器节点发送的数据，将数据包送到计算机，通过Internet网络送到监控中心。
无线传感器网络是由多个节点组成的网络，节点通常使用电池供电，每个节点都有软硬件组成，可以完成传感器数据的采集、处理、存储、无线通信、路由等功能。节点是无线传感器网络的核心，因此设计功能强大、可靠性高、功耗低、成本低的节点是无线传感器网络的设计者所追求的目标。本文介绍了一种无线传感器网络的硬件电路设计
二、传感器网络节点的硬件组成
传感器节点通常是一个独立的软硬件系统，一方面它具有数据采集、处理，存储功能；另一方面具有数据转发路由功能。传感器节点通常使用电池供电，因此处理和存储能力较弱。因此节省能量是节点设计的重点，设计性能优良、功耗低、可靠性高的节点是研究无线传感器网络的核心。
本论文的任务是设计并制作无线传感器硬件节点。一个传感器硬件节点主要由九部分组成:数据采集单元(传感器和模数转换器)、编程接口电路、数据处理单元(微处理器、存储单元)、无线通信电路、串口通讯电路、flash存储电路、ID电路、供电单元、电源监测电路。数据采集单元负责监测区域内信息的采集和数据转换，节点提供了可扩展不同传感器的接口，包括多种传感器器件，本设计中数据采集单元包括了温度、光强度传感器；数据处理单元负责控制整个节点的传感器数据采集、数据处理、路由协议、能量管理、任务调度等，数据处理单元由ATmega128L组成；数据传输单元负责与其他节点进行无线通信，对节点自身采集的传感器数据进行发送，同时接收到其他节点的发送的数据包并进行转发，数据传输单元主要由相应的通信协议(主要是MAC协议)及低功耗、短距离的无线通信模NRF905组成，工作频段433M；节点电源由两节1.5V南孚干电池组成，电压3V；电源监测单元用于监测电池的电压变化；ID电路负责产生节点的地址,每个节点的地址是不同的；串口通讯电路用于节点与计算机之间的通讯；flash存储单元负责存储传感器的采集的数据和其他节点发送的收据；编程接口是JTAG接口，用于ATMEGA128L下载程序。为了调试方便及可扩展性，将传感器板和节点板做成两个独立的电路板。
1、 数据处理单元设计
数据处理单元是无线传感器网络节点的计算核心，采集传感器信号，需要采样率很高、数据量大，因此处理器的选择在节点设计中至关重要。微处理器选用的是ATmega128L，是一款高性能、低功耗的8位单片机。
ATmega128L【17】【18】具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。它采用先进的RSIC结构,所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，单片机的处理速度大大加快,并且具有比普通的复杂指令集微处理器高10倍的数据吞吐率。
2、数据无线传输单元
无线传输单元电路选用NRF905，它是单片无线收发器，是挪威Nordic公司推出的单片射频发射器芯片，工作电压为1.9-3.6V，32个引脚，QFN封装（5mm×5mm），工作频率为433/868/915MHz3个ISM频道（可以免费使用）。NRF905可以自动完成处理字头和CRC（循环冗余码校验）校验的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码的工作，使用SPI接口与微控制器进行通信，配置十分方便，它的功耗也非常低，以-10dBm的功率发射时电流只有11mA，在接收模式时电流仅12.5mA。NRF905单片无线收发器工作是由一个集成的频率调制器，一个带有解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节无线通信电路 编程接口 36针连接电源系统
串口通讯电路
微处理器
电源监测电路 ID电路
FLASH电路 传感器板
器组成。ShockBurst工作模式的特点是自动生成前导码和CRC校验，可以很容易通过SPI接口对NRF905进行编程配置。
数据无线传输单元电路图NRF905可以使用不同类型的天线。近距离通信中最常使用的天线是单极天线、螺旋天线和环形天线。单极天线是长度对应电磁波长1/4的谐振天线。单极天线的设计简单，可采用一根线简单地实现，单极天线和环形天线可以集成到印制电路板中，但效果差，通信距离近，因此我们选用外置433MHZ螺旋天线。
3、串口通讯232电路
计算机的串口是RS232电平，单片机是TTL电平，计算机和单片机串口通讯必须进行电平转换，MAX323芯片就是实现RS232和TTL电平转换的专用芯片。每个节点都带有RS232串口，一方面每个节点在电路调试时比较方便，另一方面，每一个节点都可以做为SINK节点，用于接收通过传感器网络发送的其他节点采集的传感器的数据，通过232串口送给计算机，计算机对传感器节点采集的数据进行处理。通用串行接口的应用包括RS-232标准结合实现短距离的低速率通信。到现在为止，串口通信还是个人计算机的常用设备最简单、最常用的通信方式。
4、 数据存储电路
由于传感器网络的数据存储空间【22】，ATMEGA128L的RAM只有4K字节的存储空间，128K的flash；通信传输能力有限，很多数据不能实时转发出去。因此必须扩展存储器空间来暂存这些自身采集来传感器的数据或接收来自其它节点需要转发的数据包。我选用AT45DB041，是4M的SPI接口的flash，工作电压3.3V，外围电路简单，功耗低，成本低，适合无线传感器网络节点使用。
5、硬件节点物理索引（ID）电路
每个传感器节点都有唯一的地址【23】，节点地址选用DS2401产生地址码。DS2401增强型硅序列号是一款低成本的电子注册码，以最少的电接口，只需一根线（通常只需一个微处理器端口），就能提供绝对、唯一的识别功能。该芯片内集成有一个工厂刻入的64位ROM，其中包括：48位唯一序列码、8位CRC校验码和8位家族码 (01h)。数据采用1-Wire协议，仅通过一个信号引线和一个地回路就能够实现数据的串行传输。用于读取和写入器件的电源可以通过数据线本身产生，无需外部电源供电。DS2401是DS2400的升级版本。DS2401兼容DS2400，但具有附加的多点通信能力，允许多个器件同时挂接在同一条数据总线上。 6、数据采集单元设计
整个节点由电池供电，要求数据采集单元中的传感器体积小，低功耗，外围电路简单，最好不需要信号调理电路，我们根据热敏电阻、光敏电阻分别在温度和在光线强度的变化情况下，它们电阻值会发生变化的原理。在加电的情况下，我们只要测量出热敏电阻光敏电阻的电压值，就可以计算出它们的电阻值，然后通过热敏电阻光敏电阻的计算公式，我们就可以得到温度和光强。
7、 JTAG接口电路
JTAG接口（(Joint Test Action Group)联合测试行动小组）是一种符合IEEE 1149.1标准的4根线的测试存取端口控制器。IEEE标准制定了一套严格标准的方法，采用了一种边界扫描技术，目的在于有效的对芯片进行测试。AtmeLavr芯片扩展了这项功能,使其能够完全支持程序下载和片上调试功能。JTAGICE使用标准的JTAG接口，使用户能够对目标系统上运行的单片机进行实时的仿真跟踪。（AVR on-chip Debug
(avrOCD)）协议可以让用户对AVR单片机内部的有效资源进行完全的控制。
8、 电源管理模块
供电方式有两种，一种是用外部5V供电，再通过AS1117转成3.3V，给节点供电，主要目的是为了在实验室开发调试方便；另外一种是通过两节1.5V的干电池串联3.3V供电节点有电池和两种供电方式。独立工作时使用电池，在实验室内调试和测试通过编程调试板供电工作。两种供电方式的转化R14和R15。可以根据实际需要决定是否焊接R14或R15
三、展望
基于以上研究成果，可以继续研究和开发的工作方向如下：
首先，因为无线传感器网络节点能量受限的特点，如何进一步降低节点的功耗是一个值得考虑的方向，在硬件设计中为微处理器以外各模块增加电源控制电路或选用更低功耗的芯片等，在软件方面如何调度各模块工作和睡眠状态等方面可以进一步开展理论研究和实验测量。
其次，在此硬件平台和外设驱动程序的基础上进一步开发无线传感器网络的高层协议，使得由该无线传感器网络节点可以无冲突的共享无线信道，支持多级网络通信，满足各种各样的无线传感器网络特定的应用环境需求。
再次，限于微处理器的处理速度，如果无线传感器网络应用对无线传输速率有更高的要求，改用处理能力更强的微处理器；如果还不能满足传感器网络对传输速率的要求，可以考虑其他无线传输技术或支持更高传输速率的芯片。
最后，无线传感器网络节点随着集成电路技术、计算机技术和通信技术的进一步发展，必将向着更加微型化、超低功耗、更高速率的方向发展。 附录1
参考文献：
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