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拉壓力傳感器網(wǎng)絡微型節(jié)點的實現(xiàn)

時間:2020-12-14 點擊次數(shù):

拉壓力傳感器網(wǎng)絡微型節(jié)點的實現(xiàn)

  力準同時具備極高的創(chuàng)新能力,能在過程稱重控制及測力領域極力為客戶提供靈活且具有成本效益的解決方案

拉力傳感器

拉壓力傳感器網(wǎng)絡(WSN)由隨機分布的集成有拉壓力傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微型節(jié)點,通過自組織的方式構成網(wǎng)絡,拉壓力傳感器網(wǎng)絡具有分布式處理帶來的監(jiān)測高精度、高容錯性、大覆蓋區(qū)域、可遠程監(jiān)控等眾多優(yōu)點,成為近期國際上網(wǎng)絡研究的重要熱點之一。

無線拉壓力傳感器網(wǎng)絡微型節(jié)點是一次性的,要求節(jié)點成本低廉和工作時間盡可能長。無線傳感網(wǎng)絡中不應該存在專門的路由器節(jié)點,每個節(jié)點既是終端節(jié)點, 又是路由器節(jié)點。節(jié)點間采用移動自組織網(wǎng)絡聯(lián)系起來,并采用多跳的路由機制進行通信。因此,在單個節(jié)點上,一方面硬件必須低能耗,采用無線傳輸方式;另一 方面軟件必須支持多跳的路由協(xié)議。IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議充分考慮了無線拉壓力傳感器網(wǎng)絡應用的需求,是目前被業(yè)界普遍看好的一種。

無線通信協(xié)議。基于這些基本的思想,本文設計了以高檔8位AVR單片機ATmega128L為核心,結合外圍拉壓力傳感器和2.4GHz無線收發(fā)模塊CC2420的無線拉壓力傳感器網(wǎng)絡微型節(jié)點,并在實際中得到了應用。

無線拉壓力傳感器網(wǎng)絡微型節(jié)點由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源管理單元4部分組成,如圖1所示。數(shù)據(jù)采集單元負責監(jiān)測區(qū)域內信息的 采集和數(shù)據(jù)轉換,本設計中數(shù)據(jù)采集單元包括了溫度、濕度、光強度、加速度和大氣壓力拉壓力傳感器;數(shù)據(jù)處理單元負責控制整個節(jié)點的處理操作、路由協(xié)議、同步定 位、功耗管理、任務管理等;數(shù)據(jù)傳輸單元負責與其他節(jié)點進行無線通信,交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù);電源管理單元選通所用到的拉壓力傳感器,節(jié)點電源由兩節(jié) 1.5V堿性電池組成,今后將采用微型紐扣電池,以進一步減小體積。為了調試方便及可擴展性,將數(shù)據(jù)采集單元獨立出來,做成兩塊能相互套接的可擴展主板。

本設計中數(shù)據(jù)處理單元選用Atmel公司的ATmega128L微控制器,它是采用低功耗COMS工藝生產(chǎn)的基于RISC結構的8位微控制器, 是目前AVR系列中功能最強大的單片機。AVR核將32個工作寄存器和豐富的指令集聯(lián)結在一起,所有的工作寄存器都與ALU直接相連,實現(xiàn)了在一個時鐘周 期內執(zhí)行單條指令的同時訪問兩個獨立寄存器的操作,具有良好的性價比。這種結構提高了代碼效率,在性能上比普通CISC單片機提高約10倍。

ATmega128L具有豐富的資源和極低的功耗。它具有片內128KB的程序Flash,4KB的數(shù)據(jù)SRAM,可外擴到64KB的 E2PROM。此外,它還有8個10位ADC通道,2個8位和2個16位硬件定時/計數(shù)器,并可在多種不同的模式下工作;8個PWM通道、可編程看門狗定 時器和片上振蕩器、片上模擬比較器;UART、SPI、I2C總線接口;JTAG接口。除了正常操作模式外,還具有六種不同等級的低功耗操作模式,每種模 式具有不同的功耗。

采集環(huán)境參數(shù)信號,需要采樣率很高、數(shù)據(jù)量大的CPU。如果采用傳統(tǒng)51系列作為CPU,那么外圍A/D器件速度和CPU速度就有一個相互限制 的瓶頸;如果加上比較復雜的數(shù)據(jù)處理和存儲,需要擴展外部ROM和RAM;這樣多的外圍器件限制了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和速度的提高,同時也大大增加了系統(tǒng)的功 耗。綜合對比之后,數(shù)據(jù)處理單元選用ATmega128L進行開發(fā)。

數(shù)據(jù)傳輸單元模塊電路由Chipcon公司生產(chǎn)的低功耗、短距離的無線通信模塊CC2420組成。CC2420是一款符合ZigBee技術的高 集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器件,其MAC層和PHY層協(xié)議符合802.15.4規(guī)范,工作于2.4GHz頻段。該芯片只需極少外部元器件,可確保短距離通信的 有效性和可靠性。數(shù)據(jù)傳輸單元模塊支持數(shù)據(jù)傳輸率高達250kbps,可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng),系統(tǒng)體積小、成本低、功耗小,適于電池長期供電。具 有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強等特點。數(shù)據(jù)傳輸單元接口電路如圖3所示。CC2420與處理器的連接非常簡便,使用SFD、FIFO、 FIFOP和CCA四個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài);處理器通過SPI接口(MISO、MOSI、SCK)與CC2420交換數(shù)據(jù),發(fā)送命令。

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