无线传感器网络技术及其应用 战略性新兴产业系列丛书——物联网 教学课件 作者 王汝传 孙力娟 第十章 无线传感网络硬件设计.ppt

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1、无线传感器网络技术及其应用第十章目录无线传感网络硬件设计无线传感器网络应简洁点设计10.110.1.1无线传感器网络节点设计技术概述10.1.2中央处理模块10.1.3高频无线通信模块10.1.4传感模块10.1.5能量供应模块10.1.6节点外围功能模块10.1.7典型的无线传感器网络10.1.8无线传感器网络节点开发10.2面向应用的多媒体传感器网络无线传感器网络低功耗硬件设计10.310.2.1无线多媒体传感器网络节点总体构架10.2.2无线音频传感器节点设计与实现10.2.3无线图像传感器节点设计与实现10.2.4无线视频传感器节点设计与实现10.3.1无线传

2、感器网络能耗问题10.3.2MEMS技术基本原理10.3.3MEMS通信设计原理10.3.4无线传感器网络硬件供能模块设计10.1.1无线传感器网络硬件节点设计技术概述一、硬件设计特点与要求（1）轻量化（2）扩展性和灵活性（3）稳定性和安全性（4）低成本二、无线传感器网络硬件系统的主要组成（1）普通传感器节点（2）汇聚节点（3）网关节点三、节点基本构架应用系统层嵌入式系统内核层设备驱动层功能部件层为终端用户提供了面向应用的系统控制方式与工作方法。在设备与应用之间建立连接，提供软硬件系统调用的方式，同时为上层应用提供功能服务。为底层物理部件提供设备驱动功能与策略。整个节

3、点的硬件基础。包括所有硬件模块组成与系统底层调用的集合。四、节点各模块及调用关系用户界面接口中央主控处理模块信息传感模块能量供应模块基站控制模块高频无线通信模块各模块功能说明：（1）中央主控处理模块中央主控处理模块是整个节点的核心模块，进行系统全局调度以及与用户交互。（2）用户界面接口用户界面接口为用户提供了选择、控制、传感信息采集，以及信号传输方式的选取等诸多服务。（3）高频无线通信模块高频无线通信模块包括了低噪声放大、混频、滤波、调制解调等多个操作步骤，将传感信息以无线频谱的方式，在相应的频段上进行传输，同时，接收来自自组网络内其它节点的传感信息传递，并实时与基站

4、节点沟通。（4）信息传感模块信息传感模块采用了可插拔的部件设计技术，将各种不同的传感应用设计为可灵活组合的传感模块。（5）能量供应模块能量供应模块为上述所有模块提供能源供给，针对系统的4种工作方式，提供相对应的能源供给方式。10.1.2中央处理模块一、功能概述（1）接收来自各类型传感器的测量数据，完成数据处理，交由无线通信模块发送。（2）读取无线通信模块接收到的数据和控制信息，进行数据处理并实现对其它模块的控制。（3）实现无线传感器网络中的各种算法和协议，如MAC协议、路由协议、定位算法等。二、设计需求（1）体积尽量小（2）集成度尽量高（3）要有足够的外部通用I/O端

5、口和通信接口（4）成本尽量低（5)低功耗且支持睡眠模式（6）运行速度要尽量快三、模块的内核中央处理AVR内核地址传送单元地址匹配单元RAM模块SPI编程单元定时器模块RF串行接口UARTRF定时部件数字I/ORF时钟部件ADC控制器通道监听部分数据总线四、时钟系统1、时钟系统概述时钟系统是无线传感器网络节点中的重要组成部分，同节点的工作频率直接相关，并贯穿于传感数据转换、信息交互及程序烧写等多个过程。2、典型无线传感器网络节点时钟系统组成部分CPU核心时钟。CPU核心时钟与操作微处理器内核的子系统（如通用工作寄存器文件、状态寄存器及保存堆栈指针的数据存储器）相连。I/

6、O时钟。I/O时钟用于主要的I/O模块（如定时器/计数器、SPI和USART）。Flash时钟。Flash时钟控制Flash接口操作。这个时钟通常与CPU核心时钟同步。异步定时器时钟。异步定时器时钟允许异步定时器/计数器直接由外部32kHz时钟晶体驱动，使得此定时器/计数器即使在睡眠模式下仍然可以为系统提供一个实时时钟。ADC时钟。ADC具有专门的时钟，这样可以在ADC工作时停止CPU和I/O时钟以降低数字电路产生的噪声，从而提高ADC转换精度五、模数转换模块节点内部一般都集成了模数转换部件。以Mica2节点为例，其内部集成了一个10位的逐次逼近型的ADC。ADC与一

7、个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口的8路单端输入电压进行采样。六、典型的中央处理模块当前的无线传感器网络节点中使用较多的处理器有ATMEL公司的AVR系列单片机，而TI公司的MSP430超低功耗系列处理器，不仅功能完整、集成度高，而且能够根据存储容量的多少提供多种引脚兼容，使开发者很容易根据应用对象平滑升级系统。在新一代无线传感器节点Telos中使用的就是这种处理器。作为2000年以来32位嵌入式处理器市场中红极一时的嵌入式ARM处理器，极有可能成为下一代无线传感器网络节点设计的考虑对象。10.1.3高频无线通信模块一、工作状态无线传感器网络