论文研究-基于WSN的压力监测系统设计 .pdf-资料库

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于 WSN 的压力监测系统设计李晓，孟祥，黄河中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 (221008) E-mail：cumtlixiao@126.com 摘要：无线传感器网络是一项新兴的技术，具有广泛的应用领域。无线传感器网络是由大量传感器网络节点通过无线通信的方式构成的自组织网络，可实现数据的采集量化、处理融合和传输应用。本文针对移动压力监测系统中有线数据传输的弊端，提出了基于无线传感器网络的压力监测系统，以 ZigBee 模块 CC2430 为核心，从系统结构、硬件设计、软件设计等方面进行全面设计，实现了基于无线传感器网络的压力监测系统。关键词：无线传感器网络；压力监测；ZigBee； CC2430 中图分类号：TP212.9 1. 引言无线传感器网络[2](Wireless Sensor Network，WSN)就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作和感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。目前基于有线传输的压力监测系统比较常见，考虑到有线装置的可移动性较差，本文提出了基于无线传感器网络的压力监测系统，利用无线组网方式实现监测数据的传输。本系统得益于集高效 8051 内核和高性能射频收发器核心于一体的 CC2430 芯片，使所设计的无线传感器节点具有良好通信性能。 2. 基于 ZigBee 技术的射频芯片 CC2430 的介绍 ZigBee[4]是 IEEE 802.15.4 协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee 就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee 采用的是自组织网通信方式，当节点位置移动时，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新，这样的特点使 ZigBee 技术的应用更加广泛。 2.1 CC2430 简介 CC2430[1]是一颗真正的系统芯片(SOC)CMOS 解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以 ZigBee 为基础的 2.4GHz ISM 波段应用于低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能 2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的 8051 控制器。 CC2430 的设计结合了 8Kbyte 的 RAM 及强大的外围模块，并且有 3 种不同的版本，他们是根据不同的闪存空间 32，64 和 128kByte 来优化复杂度与成本的组合，本节点用的是 CC2430-F128。CC2430 芯片的主要特点如下：高性能和低功耗的 8051 微控制器核；集成符合 IEEE802.15.4 标准的 2.4GHz 的 RF 无线电收发机；优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性；在休眠模式时仅 0.9µA 的流耗，外部的中断或 RTC 能唤醒系统，在待机模式时少于 0.6µA 的流耗，外部的中断能唤醒系统； -1-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 硬件支持 CSMA/CA 功能；较宽的电压范围(2.0～3.6V)；数字化的 RSSI/LQI 支持和强大的 DMA 功能；具有电池监测和温度感测功能；集成了 14 位模数转换的 ADC；集成 AES 安全协处理器；带有 2 个强大的支持几组协议的 USART，以及 1 个符合 IEEE 802.15.4 规范的 MAC 计时器，1 个常规的 16 位计时器和 2 个 8 位计时器；强大和灵活的开发工具。 2.2 CC2430 的最小系统 CC2430 也只需要极少的外部电路[1]就能实现通信功能，主要电路有电源电路、复位电路、时钟电路和天线。 1、时钟电路设计：芯片工作电压是 2.1V～3.6V，典型取值是 3.3V。片内 CPU 和各种转换电路工作电压 1.8V，外部数字引脚工作电压 3.3V，外部只需提供 3.3V 的工作电压即可，因为芯片本身集成了 1.8V 稳压器。 2、复位电路设计：低电平复位，即外接带下拉电阻的输入端。 3、电源电路设计：CC2430 外接两种晶振电路，一种振荡电路产生 32768Hz 振荡频率，是利用管脚 P2.3/XOSC_Q1 和 P2.4/XOSC_Q2 外接产生的；另一种为 32MHz 振荡频率的振荡电路，则是由管脚 XOSC_Q1 和 XOSC_Q2 外接产生。结合上面的电路和天线，就可以形成 CC2430 的最小系统，实现无线通信，其最小系统电路如图 1 所示。图 1 CC2430 最小系统 2.3 无线核心部分(CC2430 射频收发器) CC2430 的无线接收器是一个低中频的接收器。低中频(10w-IF)接收是 CC2430 的特性之一，CC2430 收到的 RF 信号被低噪声放大器(LNA)放大，并且将收到的同相信号和正交相位信号(1/Q)降频转换为中频(IF)信号。过滤掉残余在中频(2MHz)信号中的 1/Q 信号后，放大中 -2-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 频信号。然后通过 ADC 数字化、自动增益控制，以及信道的过滤、解扩频、符号相关和字节同步等，所有这些都通过数字逻辑完成的。检测出帧开始定界符，就产生中断。CC2430 将收到的数据缓冲存入 128 字节的先进先出(FIFO)接收(RX)队列。用户可以通过特殊功能寄存器来读这个 RXFIFO 队列。建议采用存储器直接存取(DMA)来传送存储器和 FIFO 之间的数据。CC2430 通过硬件校验 CRC，将接收信号强度指示器(RSSI)的相关数值附加到数据帧之中，在接收模式下，通过中断提供空闲信道评估(CCA)。 CC2430 的发送基于直接升频转换。数据存放在 128 字节的 TXFIFO 之中(与 RXFIFO 彼此分隔)，要发送的帧引导序列和帧开始定界符由硬件产生。每个符号(4 位)使用 IEEE802.15.4 扩展序列扩展为 32 位码片序列，输出到 DAC 之中，经过 DAC 变换的信号，通过模拟低通滤波器送到 90°I/Q 相移升频转换混频器口无线射频(RF)信号通过功率放大器 (PA)馈送到天线。 3. 系统整体设计一个典型的无线传感器网络[2]至少要由无线传感器节点、网络协调器和中央控制点组成。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式形成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到网络协调器，最后到达中央控制点。在这个过程中，传感器节点既充当感知节点，又充当转发数据的路由器，用户通过中央控制点对无线传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。以上是典型的无线传感器网络的结构，而这里我们要设计的无线传感器网络比较简单，主要包括终端节点和网关节点，终端节点即无线传感器网络的压力监测节点，主要用来监测压力，并将监测的数据传给网关节点，网关节点收集各终端节点的数据，上传到上位机进行显示。基本结构图如图 2 所示。图 2 系统整体结构图 4. 无线传感器网络节点设计由上一小节知道，本无线传感器网络的结构[3]比较简单，主要包括网关节点和终端节点，下面就具体介绍两节点的硬件设计和软件设计。 4.1 节点硬件设计终端节点主要包括压力模块、CC2430 模块和电源模块，其组成图如图 3 所示。其中，压力模块包括压力传感器单元和信号放大单元，其中压力传感器模块用于感应外部压力，并将压力转换成差分电压值，信号放大单元主要用于放大输入的电压信号，并由差分信号转换 -3-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 为单路电压信号；CC2430 模块的核心集高效 8051 内核和高性能射频收发器核心于一体的 CC2430 芯片，其中精简 51 内核作为本系统的微处理器，射频收发器即为系统的射频模块；电源模块则直接采用 24V 锂电池供电，根据传感器模块和 CC2430 模块的电压不同需求，经 WRB2405CS_1WDC-DC 模块（+24V 转+5V）和电压转换芯片 ICL7660（+5V 转-5V）、 TPS76033（+5V 转 3.3V）得到。网关节点主要包括 CC2430 模块和电源模块，其组成图如图 4 所示，网关节点通过串口 [5]与上位机通信。网关节点的两个模块的硬件设计基本和终端节点的相应模块相同，只是电源模块只需要提供 3.3V 给 CC2430，即将 24V 经 WRB2405CS_1WDC-DC 模块（+24V 转+5V）和电压转换芯片 TPS76033（+5V 转 3.3V）得到。图 3 终端节点设计图 4 网关节点设计 4.2 节点软件设计节点的软件设计也分为终端节点和网关节点。这点在写程序时注明，如果定义的是网关节点（#ifdef Coordinator），则下面执行的动作将是针对网关节点的；如果定义的是终端节点（#else，应为只有两种情况，所以这里直接用 else），则下面代码将执行的动作是针对终端节点的。虽然 CC2430 有 8 路得 ADC 通道，但只有一个 ADC 转换器。所以要设计多路 AD 转换需要轮流使用这个 ADC 转换器。系统中终端节点的功能是读入压力信号，通过无线方式传给网关节点。编程时首先对 ADC 初始化，包括 ADC 三个控制寄存器 ADCCON1、ADCCON2、 ADCCON3 的设置，用于配置 ADC；ADC 输入配置寄存器 ADCCFG。接着是 ADC 数据的读入，启动 ADC 转换，等待转换结束后清结束标志位，读出 ADCH 和 ADCL 中数据放入 temp 数组中，根据所选择的分辨率（这里选择 12 位）调整数组中的数据值。然后是 ADC 数据的转换，将 ADC 读出的数据转换成可读的压力值，转换公式是 data=(temp[0]*256+temp[1] ) / 2047 * 参考压力值。终端节点完成对压力值的读取后，将压力值放入发送函数中即可实现数据的无线发送。其工作过程如图 5 所示。 -4-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 5 终端节点软件流程图对于网关节点，其所要完成的工作是接收各终端节点传来的数据。首先要初始化一个新的网络，当建立成功以后，就使节点始终处于接收数据的状态，当检测到终端节点有数据传来时，接收数据并通过串口发送到上位机进行显示。这里我们选择 UART0，对于串口的初始化包括对控制和状态寄存器 U0CSR 、U0UCR，波特率控制器 U0BAUD 等的设置。在数据发送到上位机的函数中，我们可以直接将要发送的数据写入收发数据缓存 U0BUF 中，即能实现串口的数据发送功能。网关节点的工作过程如图 6 所示。图 6 网关节点软件流程图 5. 总结本文系统地介绍了基于无线传感器网络的压力监测系统的实现过程，包括网关节点和终端节点的设计，由终端节点采集压力数据，通过 AD 转换无线发送，在网关节点（即接收节点）通过串口调试助手显示接收的压力数据。最终证明了系统的可行性。 -5-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 参考文献 [1] CC2430 preliminary data sheet (rev.2.0) .TI-Chipcon.2006 [2] 孙利民,李建中,陈渝.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005 [3] 吴光荣,章剑雄.基于 CC2430 的无线传感器网络的实现[J].现代电子技术[J],2008 年第 12 期:121-124 [4] 高守玮,吴灿阳.ZigBee 技术实践教程——基于 CC2430/31 的无线传感器网络解决方案[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009 [5] 刘江沙,雷伟,尹酉.基于 CC2430 的串口无线模块的设计.国外电子元器件[J]，2007 年第 4 期:47-50 Design of the pressure monitoring system based on WSN School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Li Xiao, Meng Xiang, Huang He Xuzhou (221008) Abstract Wireless sensor network is a kind of new technology, can be applied in a lot of fields. It is a kind of self-organization network formed through wireless communication, which is composed with a plenty of small network nodes, and it can implement the data collection, data processing and the application of transmission. Aiming at the disadvantages of wire transmission in mobile pressure monitoring system, this paper proposed a WSN-based pressure monitoring system. It revolves around ZigBee module CC2430, comprehensive designing in system architecture, hardware and software design, so as to achieve WSN- based pressure monitoring system. Keywords：Wireless sensor network; pressure monitoring; ZigBee; CC2430 作者简介：李晓，女，1987 年生，江苏南通人，硕士研究生，研究方向：电路与系统；孟祥，男，1985 年生，山东泰安人，硕士研究生，研究方向：通信与信息工程；黄河，男，1987 年生，湖南湘潭人，硕士研究生，研究方向：嵌入式系统。 -6-

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