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无线传感网络节点设计

2010-12-16 09:47
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  1 引言

  无线传感网络广泛应用于军事侦察、环境监测、目标定位等领域。一般来说,无线传感网络节点的设计要求具有功耗低、成本低、寿命长等特点。本文以ATmega16 AVR单片机为核心元件,以常见的315射频模块作为无线收发模块设计了一种无线传感网络节点。该系统充分利用了ATmega16单片机丰富的片上资源和315模块较好的抗干扰特性,并可在达到设计要求的前提下,有效地降低硬件成本,具有较高的实用价值。

  2 无线传感网络节点系统结构

  无线传感网络节点通常由4个子系统构成,其系统框图如图l所示。

  

  2.1 计算子系统

  计算子系统通常是由一个微处理器和相应的通信协议、数据采集等程序组成。为了降低节点的功耗,要求微处理器以一种突发式的发送方案将采集到的数据发送出去,以便尽快转入低功耗模式,延长能量子系统的工作时问。

  设计选用了Atmel公司推出的ATmega16型单片机。ATmega16是一款基于AVR RISC结构的高级Flash型8位CMOS单片机,其数据吞吐量高达1MI/s/MHz,能有效缓解系统在功耗和处理速度之间的矛盾。同时,ATmega16集成了丰富的片上资源:16 KB的可编程Flash、512字节EEPROM、l KBSRAM,满足了绝大多数应用程序的开发要求,其内部Flash可重复擦写次数在10 000次以上,极大地方便了产品开发和软件修改:8路10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC可以外接多个不同种类的传感器件:支持6种睡眠模式,其中掉电模式和省电模式的耗电仅为lμA~2.5μA,可有效降低节点功耗;3个灵活的定时器/计数器(T/C)除具有常见的定时计数功能外,还具有输入脉冲捕捉、脉冲宽度调制输出功能:高度灵活的可编程串行US-ART可以完成与其他串行设备的通信。

  

  2.2 通信子系统

  通信子系统由一个无线收发器组成,用于节点之间的通信。当无线收发器处于空闲状态时,应将其关闭,以便降低节点功耗。

  设计采用了常见的315无线收发模块作为长距离无线收发器(因收发频率为315 MHz而得名)。315无线发射模块电路原理图如图2所示,它是由声表谐振器(SAW)和高频三极管组成的三点式振荡电路。TXD输入引脚通过三极管Q2控制高频振荡器。当TXD为高电平时,02导通,高频振荡器起振;当TXD为低电平时,Q2截止,高频振荡器停振。将ATmegal6的OC0引脚与TXD连接,即可完成OC0输出数据的OOK调制发射。

  315无线超再生式接收电路由选频电路、高频放大电路、超再生检波电路和低频放大电路组成。它具有电路简单、灵敏度高等优点。发送调制信号经过选频电路选频后,送人超再生检波电路解调.再由低频放大电路放大后由输出引脚输出高电平。若无信号收到,则输出低电平。由超再生检波电路的特性可知,超再生式接收模块在没有收到信号的几毫秒后输出大量白噪声,直到再次接收到信号。

  315无线收发模块的最大传输距离可以达到700 m~800 m。它在星形混合传感网络设计中可作为远距离传输节点,可以直接同汇聚节点通信,避免了短距离无线传感节点同汇聚节点多跳式的通信方式。延长了传感器网络的寿命。同时它还具有成本低廉、接口简单、抗干扰能力强等优点,因而广泛应用在报警器、遥控器、工业数据采集系统中。图3是315无线收发模块与ATmega16的接口示意图。

  

  2.3 能量子系统

  能量子系统通常是由电池组成。它在很大程度上决定了无线传感节点的寿命。降低无线传感节点的功耗是无线传感网络设计成功的一个关键因素。

  3 基带脉冲带编码方案

  315超再生式接收模块在没有收到信号的几毫秒后将产生白噪声,这一特性决定了基带脉冲编码方案不能采用非归零编码,否则在连续发送0的情况下,接收模块将输出白噪声。本文采用了一种类曼彻斯特编码。用占空比为50%的完整方波表示信息符号和特殊控制符号。以不同的方波周期区分信息位中的0和l,以及其他符号位。基带方波如图4所示,各符号的周期如表l所示。

  

  

  当信号到达时,接收数据帧的第一位会受到接收模块产生的白噪声影响,为了消除白噪声,需在数据帧前加入一定数量的前导码。前导码的数量同无线传输环境和315模块元件参数有关。一般来说,十几个前导码就可以达到较好的接收效果。前导码后紧跟的起始位表示接收数据序列的开始。

  以发送十六进制数0xAA(二进制10101010)为例,其数据帧结构如图5所示。

  

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