基于ARM的无线传感器网络设计毕业设计说明书.doc

中北大学2013届毕业设计说明书

毕业设计说明书

基于ARM的无线传感器网络设计

学生姓名： 学号：
电子科学与技术
学 院：

专 业：
指导教师：

2013年 6 月
基于ARM的无线传感器网络设计
摘 要
Zigbee属于无线通讯范畴，是一种新颖的无线通讯技术。在工业控制、环境监测、商业监控、汽车电子、家庭数字控制网络等应用中。zigbee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。
本次毕业设计的主要任务是设计出一个基于ARM的无线传感器网络系统，可以采集测量不同地点的温度并显示。本论文主要内容如下：
1. 分析了国内外无线传感器网络的研究现状及其发展趋势。
2. 介绍了基于ARM-cortexM0核心的处理器和增强型8051核心射频SOC单 片机的外围电路设计方式。
3. 对设计的硬件电路进行了详细的介绍，主要分为温度测量、有线通信、无 线通信几个部分。
4. 简要介绍了软件系统的主要功能和总体设计思路。
5. 对电路调试过程中发现的问题进行了具体的分析，为设计的稳定提供基础。
6. 介绍了硬件电路的调试方法和综合调试结果。

关键词: Zigbee，传感器网络，温度测量，CC2530，LPC1114，射频
A design of ARM based wireless sensor network
Abstract
Zigbee is a new wireless communication technology widely applied in industry controlling, environment detecting, commercial monitoring, motive electronics and home digital network controlling. Zigbee is a bidirectional communicating technology with the features of short distance, simple, low consumption, low data rate, cost efficiency. It is a good solution that can be embedded in series of devices for auto and remote controlling with positioning function.
The major task of this is to design a system of arm based wireless sensor network that can collect temperature in different places. This thesis is mainly about:
1. Analyzing the current researching state and developing direction of wireless sensor network internationally.
2. Introduced the method of designing peripheral circuits of ARM cortex-M0 and enhanced 8051 MCUs.
3. A detailed introduction of hardware circuit, mainly about temperature measuring , cable communication and wireless communication.
4. Brief introduction of main function and designing method of software.
5. Specific analysis of the problems discovered in debugging process which will make the designing more stable.
6. The method of hardware debugging and debug results.

Key words: Zigbee, WSN, temperature measurement, LPC1114, CC2530, RF

目 录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 无线传感器网络的国内外发展现状 1
1.3 无线传感器发展趋势 2
1.4 传感器的定义和作用 3
1.5 本文研究主要内容 3
1.6 本章小节 4
2 系统总体方案设计 5
2.1 方案框架 5
2.1.1 总体硬件方案框架 5
2.1.2 协调器硬件框架 5
2.1.3 节点硬件框架 6
2.2 系统硬件器件 6
2.2.1 LPC1114 6
2.2.2 CC2530F256 7
2.2.3 LCD1602A 8
2.2.4 AMS1117-3.3 9
2.2.5 AO3400 10
2.3 本章小结 11
3 系统硬件设计 12
3.1 电源供给电路 12
3.2 LCD1602A接口电路 13
3.3 时钟电路 14
3.4 报警电路 14
3.5 射频天线电路 15
3.6 复位电路 16
3.7 印制电路板设计 17
3.7.1布局 17
3.7.2 布线 17
3.7.3 添加过孔 18
3.7.4 添加泪滴 18
3.7.5 覆铜 19
3.7.6 查看3D模型图 19
3.8 本章小结 19
4 系统软件设计 20
4.1 节点地址编码和数据通讯帧格式 20
4.2 射频包传送流程 20
4.3 射频包接收流程 21
4.4 协调器软件设计 22
4.5 节点软件设计 23
5 实物综合调试及结果 24
5.1 调试中遇到的问题与解决方法 24
5.2 实物调试结果 25
6 总结 27
附录A PCB图 28
附录B 协调器电路原理图 29
附录C 节点电路原理图 31
附录D LPC1114主程序 32
附录E CC2530主程序 35
参 考 文 献 41
致 谢 42

第 II 页 共II 页
1 绪论
1.1 引言
无线传感器网络(Wireless Sensor Network)是一种新兴的科学技术网络，最早的研究来源于美国军方。无线传感器网络是由大量具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通信方式，相互传递信息，协同完成特定功能的智能专用网络。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术、 分布式信息处理技术、微电子制造技术和软件编程技术等，可以实时监测、感知和采集网络所监控区域内的各种环境和监测对象的信息，并对收集到的信息进行处理后传送给终端用户。无线传感器网络在工业、农业、交通、军事、安全、医疗、空间探测，以及家庭和办公环境等众多领域都有着广泛的应用，其研究、开发和应用关系到国家安全、经济发展等许多重要方面。因无线传感器网络广阔的应用前景和巨大的应用价值，近年来在国际上引起了广泛的重视，并投入了大量的资金。国际上各机构组织对无线传感器网络技术及相关研究的高度重视，也大大促进了无线传感器网络的发展，使无线传感器网络在许多应用领域都开始发挥着其独特的作用。
1.2 无线传感器网络的国内外发展现状
随着近年来国际上对无线传感器网络的广泛关注，尤其是无线传感器网络在国防军事、国家安全、环境科学、交通管理、医疗卫生、反恐、灾害监测、空间探索等领域的巨大潜在应用价值，使得很多政府机构和科研单位对于无线传感器网络研究方面的投入也在不断加大，从而使无线传感器网络发展取得了很大的进步。
从国外研究现状来看，美国在无线传感器网络方面进行了较深入的研究。美国的加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、麻省理工学院、康奈尔大学等高校已经进行了无线传感器网络基础理论和关键技术的研究。加州大学伯克利分校提出了基于相关性的数据编码模式、确定无线传感器网络中节点位置的分布式算法及重构传感器节点位置的方法等，并研制了一个基于无线传感器网络的操作系统Tiny OS。加州大学洛杉矶分校开发了一个无线传感器网络环境模拟系统，用于研究无线传感器网络中出现的问题。南加州大学提出了部署移动传感器节点的方法、节省能量的计算聚集的树结构算法等。麻省理工学院已经开始研究用于超低能耗无线传感器网络的方法和技术。正对无线传感器网络通信协议的特殊性，康奈尔大学等高校开展了相关研究，先后提出了基于谈判类协议、定向发布类协议、能量敏感类协议、多路径类协议、传播路由协议、介质存取控制协议、基于集群的协议、以数据为中心的路由算法等新的通信协议。英国、日本、意大利等国家的一些高校和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作，且取得了一些初步的研究成果。
从国内的研究来看，国内有关无线传感器网络的研究才刚刚起步，清华大学、西南交通大学、黑龙江大学、中科院传感器技术国家重点实验室等单位，近几年才开始无线传感器网络的相关研究。从目前国内公开发表的学术文章来看，主要是一些从事计算机网络及传感器技术研究的专业人士，从无线传感器网络体系结构等知识点角度对无线传感器网络技术进行分析和综述。在介绍无线传感器网络相关基础知识和技术的基础上，对其应用价值进行了分析，并阐述了无线传感器网络技术研究的一些热点问题。实际上无线传感器网络是一个多学科交叉的研究领域，其研究需要仪器科学、计算机科学及通信科学等技术的结合。随着国内研究的进一步深入与拓展，相信会促进无线传感器网络的发展。
1.3 无线传感器发展趋势
无线传感器网络已经成为国际上诸多机构研究的热点，随着小规模的广泛投入使用，大规模动态的无线传感器网络将更具重要的科研价值和广泛的应用前景。但是从国内发展现状看，无线传感器网络的大规模应用还不成熟，仍存在着很大的研发空间。相信在不久的将来，随着相应关键技术的进步，无线传感器网络将会渗透到社会的每个角落，得到充分的应用。总的来说，未来传感器网络的研究主要有以下几个方向：
节点微型化：利用现在的微机电、微无线通信技术，设计微体积、长寿命的传感器传节点是一个重要的研究。伯克得大学研制的尘埃传感器节点，把传感器的大小降低到一个立方毫米，使这些传感器颗粒可以悬浮在空中。
寻求系统节能策略：无线传感器网络应用于特殊场合时，电源不可更换，因此功耗问题上已经取得了很大的研究成果，提出了一些低功耗的无线传感器网络协议，未来将会取得更大的进步。
低成本：由于传感器网络 的节点数量非常大，往往是成千上万个。要使传感器网络达到实用化，要求每个节点的价格控制在1美元以下，而现在每个传感器节点的价格大约在80美元左右。如果能够有效地降低节点的成本，将会大大推动传感器网络的发展。
传感器网络的安全问题和抗干扰问题：与普通的网络一样，传感器网络同样也面临着安全性的考验，即如何利用较少的能量和较小的计算量来完成数据加密、身份验证等。在破坏或受干扰的情况下可靠地完成执行的任务，也是一个重要的研究课题。
节点的自动配置：未来将着重于研究如何将大量的节点按照一定的规则组成一个网络。当其中某些节点上电后，网络能够迅速找到这些节点，并且不影响到网络的正常使用。配置冗余节点是必要的。
1.4 传感器的定义和作用
一般来说，能够把特定的被测量信息(物理量、化学量、生物量)按一定过程转换成某种可用信号(电信号、光信号)的器件或装置，我们把它称为传感器。
传感器是生物体感官的工程模拟物；反过来，生物体的感官有可以看作是天然的传感器。随着数字化和信息技术与机械装置的融合，传感器和执行器已经开始实现数据共享、控制功能和控制参数协调一体化，并通过现场总线与外部连接。随着基础自动化控制功能的重新分配，许多计算机控制功能下放到传感器和执行器中完成，如参数检测、控制、诊断和维护管理等。
传感器和执行器的发展趋势是向集成化、微型化、智能化、网络化和符合多功能化的方向发展，主要是利用纳米技术、新型压电与陶瓷材料等新原理和新材料，如研发航天、深海、和基因工程领域的感知系统和执行系统。
传感器的作用类似于人的感觉器官，是实现测试与控制的首要环节。例如，美国阿波罗10号共用了3295个传感器。在2001年1月和7月，美国的国家导弹防御系统计划分别进行了两次试验，均因传感器发生故障，使每次耗资9000万美元的实验以失败告终。在2005年7月13日“发现号”航天飞机外挂燃料箱上的4个引擎控制传感器之一发生了故障，直接导致原发射计划的推迟，使得本已一波三折的美国重返太空计划再次出现波折。可见，没高保证和性能可靠的传感器对原始信息进行准确可靠的捕获与转换，通信技术和计算机技术也就成了无源之水，一切准确的测试和控制将无法实现。
1.5 本文研究主要内容
(1)基于ARM系统 LPC1114的Zigbee网络协调器的总体方案设计。
(2)Zigbee网络节点的总体方案设计。
(3)基于ARM和51核心MCU的外围电路设计。
(3)系统软件设计。包括协调器和节点的软件设计。
1.6 本章小节
本章主要介绍了无线传感器网络的定义及应用，详细地讲述了无线传感器网络的研究现状，通过对理论与实践的分析，预测未来无线传感器网络发展的趋势，随着科技的进步，无线传感器网络向智能化、微型化、安全化发展，将更大的促进工业、农业的发展。
2 系统总体方案设计
2.1 方案框架
2.1.1 总体硬件方案框架

图2.1.1 总体硬件方案框架图
该无线传感器网络包含3个节点和一个协调器，协调器具有建立Zigbee无线网络、数据显示和温度测量的功能，节点具有温度测量和加入Zigbee网络和协调器通信的功能。网络结构采用星型拓扑结构，节点与节点之间无法直接通信，协调器可与任何一个节点进行时分双工通信。
2.1.2 协调器硬件框架

图2.1.2 协调器硬件框架图
协调器使用5V电源供电，总体分为ARM和RF两个部分，RF部分负责接收其他节点温度数据和采集本芯片温度数据，然后将其通过SPI传送给ARM并判断是否需要报警，主芯片采用TI公司的CC2530无线SOC。ARM部分负责接收温度数据显示到LCD之上，并保存进SD卡(选做)，主芯片采用NXP公司的LPC1114。
2.1.3 节点硬件框架

图2.1.3 节点硬件框架图
节点使用两节1.5V干电池供电，RF主芯片也采用CC2530，节点的主要功能即采集周围环境温度，并搜索网络，将数据传送给网络的协调器，并根据事先设定的阈值判断是否报警。
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