无线传感器网络节点的设计探讨范文

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《电子器件杂志》2014年第三期

1节点硬件设计

1．1节点总体结构文章使用Atmega128处理器实现节点设备设计，使用CC2420实现网关节点的设计。系统硬件由射频通信、通用接口、微处理器、能量监测和数据采集模块构成。节点的硬件结构图如图2所示。微处理器模块使用ATMEAG128L－64I型芯片实现，此芯片的功耗很低。通过CC2420和单极天线实现。数据采集模块通过通用接口和MCU相连，这样就可以实现各类型的模拟传感部件。各个电路的时钟周期都是各自的特点进行设置，这样便于随时和MCU通信，同时还能很好的节约能量［4］。

1．2射频通信模块使用芯片CC2420实现射频通信模块的基本能。此芯片的抗邻频道干扰能力很强，其工作频带范围是2．4000GHz～2．4835GHz，传输速率为250kbit/s，码片速率能够达到2MChip/s;电流消耗极低，接收灵敏度为－94dBm。和MCU的通信通过并行总线制通信方式实现［5］。读写缓存数据可以使用4线SPI总线控制芯片模式进行。CSn是片选信号。CCA和SFD分别能进行通道清除和定时信息。CC2420内部有状态可设的33个16bit寄存器。SI总线有24bit数据，这些数据的分配是这样的:存储选择1bit、读写控制1bit、地址选择6bit和数据。数据的传输通过MSB优先方式实现。表1是MCU和CC2420具体的通信接口。

1．3能量监测模块如果使用电池对传感器节点供电，必须认知自身能量存储与消耗情况。此外还要能进行自身的调整。传统的Mica2电源电压监测法虽然简单，但是受稳压电路的参数的限制，灵活性不够［6］。文章中采用的方法充分利用Mica2电源电压监测法的优点，同时还能克服其缺点。文章中的能量监测模块是通过AT-MEGA128的ADC(Analog-to-DigitalConverter)差分通道实现的。其核心思想是根据传感器工作的电压档位不同，能量供应的策略也不同。

1．4数据采集模块数据采集模块的传感器可以实际应用的情况进行选择。文章中选用的是LM60型温度传感器，在进行传输数据时只需要一根I/O数据线即可。测量范围可以达到－25℃～100℃，如果温度在在－10℃～85℃范围内，精度可以达到±0．6℃～0．8℃。其电压输出随温度变化而变化，可以表示为:数据采集通过ADC差分输入和单端输入两种模式实现，根据不同的精度，选用不同的模式，如果要求精度较高时，使用差分模式，反之则采用单端输入模式。采集的信号输入到MCU之后，使用逐次比较方法可以把模拟量转化为10bit数字量，测量值可以通过把此数字量和基准电压比较运算得到。

2节点软件设计

传感器网络能否正常工作关键的就是传感器节点的软件。系统的软件设计在适应层通过汇编语言实现，这样方便对MCU的寄存器进行操作。在硬件抽象层通过C语言实现主程序和调用功能子程序。其主要具有主调度函数、初始化、系统状态管理的功能。系统的转台管理主要有闲置、工作、唤醒、省电和空闲等模式。其调度管理通过有限状态机(FSM)实现。具体的调度如图3所示。系统软件的工作流程比较相似，通过主调度函数流程对系统软件工作流程进行说明，上电后，首先复位主调函数的所有组，同时对MCU和外围设备进行初始化。初始化完成之后，调入上层接口状态函数，此函数的有两种状态，一种状态是把调度权限给上层，另外一种是不交，如果是第1种状态，需要开启系统中断，之后就是调用声明函数，同时等待中断的到来。第2种状态则要进行中断向量的设置，之后就是调用状态管理函数函数，最后还要待中断的到来。所以这样就能通过状态机完成系统的调度和中断管理。流程如图4所示。

3测试结果

为了验证文章观点的可行性，文章通过构建了拓扑结构如图5所示10个节点的小型网络。MAC层协议采用IEEE802．15．4，节点采用IPv6嵌入式协议栈。网络层支持IPv6，拓扑结构使用星型、树型混合结构。节点的分配是:网关节点为一块，加载控制模块并且和空调温控电路相接的节点为一块，剩下的分成4组，它们的标识为0x1817～0x181A，只要任务是监测周围温度变化。节点通信范围是20m，电池能量为2J。测试过程中的数据传输速率的范围为128bit/s～1024bit/s。传感器节点的数据包接收率测试结果如图6所示，传感器节点的平均延迟时间测试结果如图7所示，传感器节点的平均消耗能量测试结果如图8所示。由以上的测试结果可以看出，此设计的传感器节点能够很好的实现点对点通信，由图6可以看出数据包接收率很高，由图7可以看出数据平均延迟时间较短，这是因为节点之间通信时不需要协议转换和协议承载。由图8可以看出节点之间通信时功耗比较低，这是因为采用8bit微处理器实现精简IPv6协议。

4结论

文章提出了IPv6无线传感器网络节点设计方法。文章不但构架的具有功耗低、成本低、微型化、可扩展性强等优点的硬件系统，还对软件系统进行了设计。硬件系统充分利用了芯片Atmega128、CC2420和LM60的功能，软件设计引入状态机进行系统模式调度，从而可以完成系统的独立运行。测试结果表明，此系统安全可行，具有很强的科研价值和实用价值。

作者：宋严单位：长春师范大学网络中心