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一种无线传感器网络节点的设计

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一种无线传感器网络节点的设计 (毕业设计59页、24356字)
摘要:无线传感器网络能够实时采集和处理各种被监测对象的信息,具有十分广阔的应用前景。本文详细地阐述了一种无线传感器网络节点的设计。首先介绍了无线传感器网络的特点,然后给出了无线传感器网络节点的硬件系统设计方案,硬件系统主要由处理器模块、传感器模块、蓝牙通信模块和电源模块构成,系统使用ARM7处理器LPC2114,结合温湿度传感器SHT10和蓝牙芯片BlueCore02完成信息的采集和无线传输。本文还设计实现了温湿度信息的采集程序。最后对无线传感器网络节点各功能模块进行了测试,验证了节点的性能。本文给出的嵌入式无线传感器网络节点具有稳定性高、低功耗、可升级性等特点,可为无线传感器网络相关技术的深入研究提供平台,为多个领域的应用开发提供参考。
关键字:无线传感器网络;节点;ARM

 

Design of Wireless Sensor Networks Node
Abstract: Wireless sensor network (WSN) is a novel technology about acquiring and processing information of various objects which were monitored, so the application prospects are very broad. This paper elaborated the design of the WSN node. Firstly, it introduced the feature of WSN node, then, listed the hardware design of it. The hardware system is mainly made of processor module, sensors module, Bluetooth communication module and power supply module. The design selects ARM7 processor chip LPC2114, temperature and humidity sensor SHT10 and Bluetooth chip BlueCore02 to realize the functions that collect information and transmit it by wireless technology, furthermore, the program of temperature and humidity information is realized in this thesis. Finally, the performance of embedded WSN is verified through the testing of the factional modules. The embedded WSN, this paper presents, have the many virtues such as high performance, low power, good portability and updatable. It not only can be used as a platform for deeply study of WSN, but also provides a reference for the application development in many fields.
Key words: WSN, Node, ARM

 


目    录
第1章  绪  论 1
1.1  课题背景、目的与意义 1
1.1.1  课题的背景 1
1.1.2  课题的目的及意义 2
1.2  论文的主要内容 3
第2章 总体方案设计 4
2.1  系统需要实现的功能 4
2.2  方案的论证与比较 5
2.2.1  控制芯片的选择 5
2.2.2  无线传输方式的选择 6
第3章 系统硬件设计 9
3.1  电路设计环境介绍 9
3.2  电路板的设计步骤 9
3.2.1  电路原理图的设计 9
3.2.2  产生网络表 9
3.2.3  印制电路板的设计 9
3.2.4  绘制简单电路图 10
3.3  电路设计详图 11
3.3.1  电源模块 11
3.3.2  电源检测模块 13
3.3.3  蓝牙模块 14
3.3.4  传感器模块 15
3.3.5  存储器模块 17
3.3.6  复位模块 18
3.3.7  系统时钟模块 19
3.3.8  JTAG接口模块 19
3.3.9  指示部分与扩展部分 20
3.3.10 预留扩展模块 22
3.3.11 跳线与接线模块 23
3.4  原理图与PCB的设计 24
3.4.1  PCB封装问题 25
3.4.2  PCB板设计 25
3.4.3  PCB布局 25
3.4.4  PCB布线 26
3.4.5  DRC检查 26
3.4.6  敷铜 26
3.4.7  元件的焊接 27
第4章 系统部分软件设计 28
4.1  温湿度采集程序总体设计 28
4.2  初始化和测量准备 28
4.3  测量时序举例 31
4.3.1  写读温度值 32
4.3.2  写读湿度 33
4.4  输出转换为物理量 34
4.4.1  温度 34
4.4.2  相对湿度 34
第5章 系统的调试与测试 36
5.1  硬件电路调试 36
5.2  程序调试 37
结  论 39
致  谢 40
参考文献 41
附录1  蓝牙模块引脚功能图 43
附录2  统原理图 44
附录3  系统PCB图 45
附录4  实物图 47
附录5  温湿度传感器程序 48
 

第1章  绪  论
1.1  课题背景、目的与意义
1.1.1  课题的背景
无线传感器网络目前具有非常广泛的应用前景,其发展和应用,会给人类生活和生产的各个领域带来深远影响。就如《商业周刊》预测的未来四大新技术中,无线传感器网络也列入其中。可以预计,无线传感器网络的广泛应用是一种必然趋势,它将会给人类社会带来极大的变革。
(1) 无线传输技术背景
常用的无线通信技术有: 802.11b、802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA等;而可以利用的传输媒体有空气、红外、激光、超声波等,但是从使用方面来说,蓝牙凭借着它的远距和高速数据传输,以及较好的信息保密性和抗干扰能力,相对低廉的价格得到了广泛的应用[1]。
蓝牙技术背景:
1998年由爱立信,诺基亚,Intel,东芝和IBM组成蓝牙特别兴趣小组(Bluetooth SIG)成立,它建立了公开的、全球统一的蓝牙技术标准—蓝牙规范,由于他们来自不同的商业领域,使得蓝牙迅速的进入工业和民用,并为人们的生活方式带来了一场革命。蓝牙工作在2.4GHz的ISM频段,全球大多数国家ISM频段的范围是2.4000-2.4835GHz,使用该频段无须向各国的无线电资源管理部门申请许可证。蓝牙工作在ISM频段的无线电设备有很多种,为了很好的抵抗来自这些设备的干扰,蓝牙采取了跳频方式来扩展频谱,将频段分成79个频点,带宽为1MHz,频率为1600跳/秒。蓝牙模块体积很小,可以方便的集成到各种设备中。蓝牙设备在通信连接(Connection)状态下,有四种工作模式—激活(Active)模式、呼吸(Sniff)模式、保持(Hold)模式和休眠(Park)模式。
① Active模式是正常的工作状态,另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式;
② Sniff模式下的从设周期性地被激活;
③ Hold模式下的从设备停止监听来自主设备的数据分组,但保持其激活成员地址;
④ Park模式下的主从设备间仍保持同步,但从设备不需要保留其激活成员地
址。
这四种模式中,Sniff模式的功耗最高,对于主设备的响应最快,Park模式的功耗最低,对于主设备的响应最慢[2]。
(2) 无线传感器网络背景:
无线传感器网络(Wireless Sensor Network)综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术,能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息,并对其进行处理,处理后的信息通过无线方式发送,并以自组多跳的网络方式传送给观察者。传感器网络在军事侦察、环境信息检测、农业生产、医疗健康监护、建筑与家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。
(3) 国内外传感器网络研究现状
① 国外传感器网络研究现状:
从2000年起,国际上开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道。目前为止,已开发的无线传感器网络节点有:Berkeley Motes、Berkeley Piconodes、Sensoria WINS、MIT uAMPs、Smart Mesh Dust Mote、Intel iMote以及Intel Xscale Nodes等。不同的节点设计针对不同的应用场合,硬件大小、功耗、设计代价也不尽相同,但大部分的节点都支持TinyOS操作系统。而英国、日本、意大利等科技发达国家也对无线传感器网络表现出了极大的兴趣,已经开展了该领域的研究工作。
② 国内传感器网络研究现状:
我国在传感器网络方面的研究工作无线传感器网络是新近兴起的研究领域。鉴于智能无线传感网络的重大使用和研究价值,近年来,中国的一些研究机构也开始开展无线传感器网络领域的研究,包括中国科学技术大学、清华大学、中科院计算所等研究单位。具体内容包括无线传感器结点的硬件设计、操作系统、网络路由技术、节能技术、覆盖控制技术以及对传感器网络低功耗、低成本、无线传输和分布式处理等特性的研究,目前正处于研究和开发阶段,这是一个很有意义的课题,是从理论到实践都需要大量研究的课题。
1.1.2  课题的目的及意义
无线传感器网络由部署在检测区域内大量的廉价微型节能传感器节点组成,通过无线通信方式自我形成网络系统,其目的是协同地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,接收命令并与控制中心交换有关现实世界的信息[3]。如果说互联网构成了逻辑上的信息世界,改变了人与人之间的沟通方式,那么,无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起,改变人类与自然界的交互方式[4]。无线传感器网络被美国商业周刊列为21世纪最有影响的改变世界的十大技术之一,还被麻省理工学院(MIT)技术评论列为全球未来的三大高科技产业[5]。无线传感器网络可以被广泛应用在军事和民用领域, 特别适用于那些设备成本较低, 传输数据量较少, 使用电池供电并且要求工作时间较长的应用场合。如在工业控制中, 许多大型设备需要对关键部件的技术参数进行监控, 以掌握设备的运行情况; 在环境监测中, 可以监测大气成分的变化, 从而对城市空气污染进行监控; 在医疗方面, 可以在病人身上安置传感器, 让医生可随时远程了解病情。此外, 无线传感器网络在智能家居、智能办公环境等方面也可一展身手[6]。
1.2  论文的主要内容
在设计该无线传感器网络节点设计中,我主要做了节点的硬件设计,和一部分软件的编写,论文首先总体设计构想出发,设计相应的原理框图模块,同时分析系统功能需求,从而选择出能实现这些功能相应的元器件组合,从这些备选元器件中选择出功能和价格都满意的元器件。再根据这些的物理和电气特性设计电路,采用Protel DXP作图,完成PCB制作,再对硬件调试中出现的一些问题进行分析,对设计过程中出的问题做出相应的解决,在软件部分,涉及到的是关于温湿度传感器SHT10的编写与调试,最后是对这次毕业设计的一些总结。

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