分布式自组织网络无线传感器

    相对于传统无线网络节点，无线传感器网络节点具有明显的技术特点：(1)网络节点密度高，数量大;(2)节点的计算和存储能力有限;(3)节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池，节点能量有限;(4)通信能力有限，传感器网络的通信带宽较窄，节点间的通信单跳距离通常只有几十到几百米，因此在有限的通信能力下如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信是必须考虑的问题;(5)各传感器节点位置随机分布，具有自组织特性。

    由于无线传感器网络节点具有以上特点，在节点的设计上，要求节点硬件成本较低、必须低能耗、必须支持多跳的路由协议。IEEE802.15.4/ZigBee协议充分考虑了无线传感器网络应用的需求，具有设备省电、通信可靠、网络自组织、自愈能力强、成本低廉、网络容量大、网络安全等特点。由这些基本要求，进行了支持802.15.4/ZigBee协议的无线传感器网络节点的硬件设计。

    网络结构

    节点可以组成三种拓朴结构：星型结构、网状结构(Mesh)和簇状结构(Cluster tree)。节点以自组织形式构成网络、每个节点都可以自主采集数据，数据通过单跳方式或多跳中继方式送到汇聚节点(Sink节点)。汇聚节点将收集的数据发送到远程的控制中心，或通过RS232接口把数据发送给PC机进行数据处理和存储。

    节点设计

    节点硬件采取模块化结构设计如图1所示，由运算及通信子板、传感器子板、充电及状态显示子板构成。运算及通信子板由微处理器、数据存储电路、无线通信模块、电源管理模块等组成，主要作用是储存、处理数据，完成节点间的无线通信并为系统提供能量。传感器子板由若干传感器组成，负责监测区域内信息的采集。充电及状态显示子板由充电模块和LCD液晶显示模块组成，用来显示节点电池充电情况节点的工作状态以及电池的电量。

    微处理器电路

    微处理器电路采用Atmel公司的ATmega128L微控制器，它采用低功耗CMOS工艺生产，基于RISC结构，具有片内128KB的程序存储器(Flash)、4KB的数据存储器(SRAM)和4KB的EEPROM，有8个10位ADC通道、2个8位和2个16位硬件定时/计数器、8个PWM通道，具有可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器、JTAG、UART、SPI、I2C总线等接口。ATmega128L可在多种不同模式下工作，除了正常操作模式外，还具有六种不同等级的低能耗操作模式，因此该微控制器适合于低能耗的应用场合。

    ATmega128L的工作时钟源可以选取外部晶振、外部RC振荡器、内部RC振荡器、外部时钟源等方式。工作时钟源的选择通过ATmega128L的内部熔丝位来设计，熔丝位可以通过JTAG编程、ISP编程等方式设置。本设计中ATmega128L采用两个外部晶振：7.3728MHz晶振作为ATmega128L的工作时钟;32.768kHz晶振作为实时时钟源。

    数据存储电路

    由于无线传感器节点的通信模块传输能力有限，加上节点工作的占空比非常小，很多数据不能实时转发出去，所以需要有一个可管理的存储器存储这些数据，暂存自己采集的或需要转发的其他节点采集来的数据。本设计选用512KB串行FLASHAT45DB041存储数据。与普通的数据存储器相比，该芯片具有功耗低、体积小、串行接口、外部电路简单等特点，适合传感器节点使用。

    无线通信模块

    无线通信模块采用无线射频CC2420模块。它是Chipcon公司在2003年底推出的一款兼容2.4GHz IEEE802.15.4标准的无线收发模块，基于Chipcon公司的SmartRF03技术，使用CMOS工艺生产，工作电压低、能耗低、体积小，具有输出强度和收发频率可编程等特点。该芯片只需晶体振荡器及负载电容、输入/输出匹配元件和电源去耦电容等很少的外部元件即可正常工作，可确保短距离通信的有效性和可靠性，其 大收发速率为250kbps。

    CC2420有33个16位配置寄存器、15个命令选通寄存器、1个128字节的发送FIFO缓存区、1个128字节的接收FIFO缓存区、1个112字节的安全信息存储器。CC2420与处理器的连接比较简便，它使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四个引脚表示收发数据的状态;处理器通过SPI接口(CSn、SO、SI、SCLK)与CC2420交换数据、发送命令，使用RESETn引脚复位芯片，使用VREG_EN引脚使能CC2420的电压调整器，使其产生CC2420所需要1.8V电压，从而使CC2420进入正常工作的状态;CC2420通过单极天线或PCB天线进行通信。

    CC2420需要16MHz的参考时钟用于数据的收发。参考时钟可以来自外部时钟源，也可以由内部晶体振荡器产生。如果使用外部时钟，直接从XOSC16_Q1引脚输入，XOSC16_Q2脚悬空;如果使用内部晶体振荡器，晶振接在XOSC16_Q1、XOSC16_Q2引脚之间。晶振起振需对CC2420选通命令寄存器SXOSCON使能。

    电源管理模块

    电能是传感器网络非常宝贵的资源，为了保证硬件电路的低功耗设计，节点芯片的选择均使用低功耗、低电压工作的芯片。系统采用普通电池或可充电锂离子电池工作，电源管理芯片采用AD公司的ADP3338-3.3，SOT-223封装。

    充电及状态显示模块

    在有条件对节点进行充电时，节点使用锂离子电池工作，可利用充电模块为节点进行电能补充，从而确保节点工作的连续性，避免了节点因更换电池造成的工作中断。充电模块使用达拉斯公司的DS2770和电池保护芯片DS2720设计，具有充电控制、电源控制、电量计数、电池保护等功能。处理器与DS2770用一线接口来传递信息，并需外接一个约4.7k!的上拉电阻。充电模块示意图如图5。LCD显示模块采用LCM6432ZK液晶显示器，通过串行接口和主MCU连接，用于系统工作状态信息、充电进程、电池电量等状态的显示。节点硬件留有LCD接口，在需要显示时可方便接插LCD显示模块。

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