一种基于无线传感器网络的动态数据采集系统设计.doc

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1、一种基于无线传感器网络的动态数据采集系统设计　　摘要：动态数据采集有着采集范围大、采集点众多、数据通信困难、布线空间有限、自动作业等特点，传统的以总线方式组成网络的采集系统很难满足这种应用要求。提出一种基于无线传感器网络的动态数据采集系统设计方案，具有低功耗、灵活性强、可扩展好、体积小、成本低等特点，解决了传统的采集系统的设计瓶颈，并具有新的优异特性。　　关键词：无线传感器网络；动态数据采集；ZigBee；TinyOS　　　　1引言　　　　无线传感器网络是是一门新兴的信息技术，由一组按需随机分布的集成有传感器、数据处理单元、

2、无线通信模块和能量供应模块的微型传感器节点以自组织方式构成的无线网络,融合了信息处理技术、微电子技术、计算机技术和无线网络技术，已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。　　对于动态数据采集系统中的采集节点来说，其硬件设计主要有三点要求。第一，动态数据采集系统的采集对象往往是目标的温度、湿度、速度等参数，整个系统需要在无人环境下长期正常工作，因此低功耗设计是动态数据采集系统的首要要素；第二，动态数据采集系统处理数率较低、数据传输量少、主要采用无线传输的形式，因此选择无须许可的、合适、低价的通信方式是保证动态数据

3、采集系统正常工作的关键。第三，系统采集的对象主要是人体、动物、车辆等等动态目标，为了实现监控的方便，采集节点还必须要满足体积小、灵活性等特点。　　　　2无线传感器网络的节点结构　　　　一个典型的无线传感器网络节点设计包括了传感器单元、数据处理单元、无线通信单元和电源管理单元，以及用户接口等一些扩展设计单元，如图1：　　　　3节点硬件分析　　　　目前，两种典型的无线传感器网络节点研究平台是mica系列和telos系列节点，它们采用目前应用最广泛的TinyOS嵌入式网络操作系统。　　3.1mica系列节点　　mica系列节

4、点包括Wec、Renee、mica2、mica2dot、Spec、micaz等，其中一些已经被Crossbow公司产品化。mica系列节点在硬件上由两个部分组成，一个模块是运算和通信平台，另一个模块是传感器平台。两者之间通过51针的自定义接口连接。这种统一的接口使得不同的通信平台和不同的传感器平台之间可以自由的组合。mica系列节点目前很大程度上都是作为研究使用的。为了能够方便地对节点进行程序功能更新，Crossbow公司开发了一系列的开发工具，例如:MIB500、MIB510、MIB600等。　　3.2telos系列节点3　

5、　telos节点是美国国防部DARPA支持NEST项目的一个部分，与mica系列比较，它的设计结构有很大变动。　　(1)在通信模块选择上，采用TI公司的支持IEEE802.15.4协议的CC2420芯片，这与micaz节点是一致的；250kbps的数据收发速率可以使节点更快的完成事件的处理，快速休眠，节省系统能量。而且CC2420支持ZigBee协议，标准化的通信协议有利于实现节点之间的互通。　　(2)采用TI公司的超低功耗微处理器芯片MSP430。　　(3)telos本身就有SHT11温湿度一体化器件，能够作为独立的传感器

6、节点使用。　　(4)telos没有mica2那样丰富的外部引脚，只有一个10脚的接口，一方面可以连接简单的传感器板，另一方面可以通过一块适配板与mica2系列部件互联。通过适配板，telos和mica2通过UART可以实现一个2.4GHz的IEEE802.15.4到CC1000的915MHz-ISM频段之间的网关，通过适配板，telos还可以直接控制与mica2连接的传感器板。　　(5)使用USB-COM的桥连接，可以直接通过USB接口供电、编程和控制，进一步简化外部接口。　　3.3本系统节点硬件平台　　本系统的硬件设计参

7、考telos平台，是telos平台一次再设计过程。系统设计弱化传感器部分的设计，对无线通信模块选用射频模块电路，设计重点在微处理器模块地电路实现上。同时，为了增加动态数据采集系统应用性，添加了PC接口电路，使得本设计可以作为动态终端节点，亦可以作为服务器的网关。　　动态数据采集硬件平台上选用MSP430F149微处理器芯片和FLASH芯片AT45DB041B分别作为处理器单元和存储单元；选用FT232BM芯片完成MSP430的BSL编程电路和MSP430与PC的串行通信接口；选用CC2420射频模块完成无线数据收发；在电源管理上

8、，当设计作为网关时选择USB供电，当作为终端可用干电池供电。硬件原理框图如图2所示,与无线传感器网络节点设计相比，结构上具有一致性，同样具有采集单元、处理和控制单元、无线通信单元和电源管理单元。　　3.4TinyOS嵌入式网络操作系统　　Tin