基于CC2520的无线二氧化硫传感器网络节点设计文献综述

基于CC2520的无线二氧化硫传感器网络节点设计文献综述专业：电子信息工程姓名：张贤宇班级：08电信职高班指导老师：朱颖莉前言：随着无线通信、集成电路、传感器和微机电系统等技术的飞速发展,使得低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器的大量生产成为可能,这些微型无线传感器具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能,因此,传感器网络的应用前景非常广泛。无线传感器网络就是由这些传感器节点协同组织起来的,传感器网络的节点可以随机或者特定地布置于目标环境中,它们之间通过特定的协议自组织起来,能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。无线传感器网络的研究是对传统网络技术的一种挑战,也是实现实时监视应用的一个新的可靠的技术方法。二氧化硫的排放主要来源于电力热力、非金属矿物制品、黑色冶金、化工、有色冶金和石油加工炼焦等。这6项行业二氧化硫排放量占全国排放总量的88％，其中50％左右来自于燃煤。目前，煤炭占我国能源消费的70％左右，空气污染对农田、庄稼、植物以及人体健康造成了影响。经测算，每排放１吨二氧化硫造成的经济损失约为2万元人民币。本文提出了一种便携式无线二氧化硫智能传感器节点的设计方法，给出了传感器节点设计的功能模型，详细阐述了其工作原理、设计和实现方法。最后，介绍了系统的测试结果。正文：1.无线传感器网络的发展历程第一代传感器网络出现在20世纪70年代，使用具有简单信息信号获取能力的传统传感器，采用点对点传输、连接传感控制器构成传感器网络;第二代传感器网络，具有获取多种信息信号的综合能力，采用串/并接门(如RS-232,RS-485)与传感控制器相联，构成有综合多种信息的传感器网络;第三代传感器网络出现在20世纪90年代后期和本世纪初，用具有智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，成为智能化传感器网络;第四代传感器网络正在研究开发，用人量的具有多功能多信息信号获取能力的传感器，采用自组织无线接人网络，与传感器网络控制器连接，构成无线传感器网络。2.无线传感器网络节点结构无线传感器网络由大量体积小、成本低、具有无线通信、传感、数据处理的传感器节点组成,无线传感器节点是网络的基本单元,节点的稳定运行是整个网络可靠性的基本保证。无线传感器节点负责传感和信息预处理,响应监控主机和指令发送数据，一般由数据采集模块(传感器、A/D转换器)、数据处理和控制模块(微处理器、存储器)、通信模块(无线收发器)和供电模块(电池、DC/DC能量转如图1所示。图1无线传感器网络结构图在无线传感器网络中,每个节点的功能都是相同的,大量传感器节点被布置在整个被观测区域中,各个传感器节点将自己所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合后传送给用户,数据传送的过程是通过相邻节点的接力传送的方式传送回基站,然后通过基站以卫星信道或者有线网络连接的方式传送给最终用户。因此,节点在网络中可以充当数据采集者、数据中转站或类头节点(cluster-headnode)的角色。作为数据采集者,数据采集模块收集周围环境的数据(如温度、湿度等),通过通信路由协议直接或间接将数据传输给远方基站或汇节点;作为数据中转站,节点除了完成采集任务外,还要接收邻居节点的数据,将其转发给距离基站更近的邻居节点或者直接转发到基站或汇节点;作为类头节点,节点负责收集该类内所有节点采集的数据,经数据融合后,发送到基站或汇节点。相对于传统无线网络,无线传感器网络具有一些明显的技术特点:1)网络节点密度高,传感器节点数量众多,单位面积大,所拥有的网络节点数远大于传统的无线网络。2)传感器节点由电池供电,节点能量有限,由干节点数量多,而且无线传感器网络往往应用于人们难以直接操作的地方,因此更换传感器节点电池是不现实的,这决定了传感器节点生命和网络寿命的有限性。根据以上几点,Chipcon公司最新生产的CC2520芯片应用于节点设计是非常合适的,有广阔的应用发展前景。3.硬件结构3.1传感器节点结构：该传感器节点主要由数据采集模块，无线收发模块（包括数据处理单元、数据传输单元），电源管理模块（电池供电和直流电源供电切换电路、电池欠压指示电路、电压转换电路等）等几部分构成。数据采集模块主要是通过无线方式采集外界二氧化硫传感器浓度；数据处理单元将采集的信号进行封装与格式转换处理；数据传输单元主要完成信号的发送与接收；电源管理模块主要是通过双电源供电对节点正常工作提供稳定可靠的电源电压及电池欠压指示。整个系统功能模型框图如图2所示。图2传感器节点结构图传感器节点从低成本、低功耗、高性能的角度出发，选用了英国City公司生产的SO2－7SH型三极性电化学传感器，测量范围是0～100×10－6。该传感器通过引进第三电极参考电极，利用１个外部的恒电位工作电路来避免两电极传感器负电极的极化受限制的问题，感应电极曲线相对于参考电极保持一固定值，在参考电极中无电流流过，因此这2个电极均维持在一恒定的电位，而负电极则仍然可以进行极化，同时对传感器而言已不产生任何限制作用。因此，三电极传感器所能检测的浓度范围要比两电极大得多，同时可以降低设计成本。二氧化硫气体浓度采集前端电路图如图3所示。图3二氧化硫气体浓度采集前端电路3.2MSP430F249的性能简介MSP430F249单片机和接口芯片介绍MSP430F249单片机是一款16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，具有丰富的片内外设和方便灵活的开发手段。另外，MSP430F249价格低廉，适应工业级运行环境，运行环境温度为－40℃～85℃。具有4个通用串行通信口，有UART、IIC、SPI。利用这些通信口再加上一款TUSB3410USB－TO－UART桥接芯片即可方便的实现与PC机之间的通信。系统结构如图4所示，主机PC与MSP430之间可进行全双工串口通信，主机PC经TUSB3410虚拟的一个COM口与MSP430的硬件USART模块进行通信。图4MSP430F249应用电路图4.结束语无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量微型传感器节点组成的，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器节点是无线传感器网络的基本组成单位。由于传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，并通过携带能量有限的电池供电。无线传感器网络可以通过各类微型传感器对目标信息进行实时监测,由传感器节点对信息进行处理,经无线通信网络将信息传送至远程用户。可广泛用于军事、精确农业、智能交通、汽车电子、工业控制、信息家电、医学仪器等各种嵌入式应用场合。近几年,随着计算机成本下降和微处理器体积缩小,无线传感器网络越来越受到人们重视。无线传感器网络技术在美国商业周刊的预测未来技术发展报告中，分别被列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。CC2520芯片是射频技术与单片机技术的完美结合。作者的创新点是,通过CC2520芯片所设计的无线传感器网络节点系统可以在多种环境中工作,按各种需要进行配置完成系统功能,并且在成本、空间、功耗、灵活性等方面具有明显的优势,能为开发和构造无线传感器网络开拓新的应用前景。参考文献：［1］吝涛，陈星，等．基于MSP430的便携式甲烷气体浓度检测仪［Ｊ］．微纳电子技术，2007（7－8）：348－350．［2］刘月峰，江杰．便携式多功能低功耗数字测温仪的设计［Ｊ］．微计算机信息，2007（23）：122－124．［3］丁建，胡昱希，等．无线传感器网络节点应用的硬件设计［Ｊ］．国外电子元器件，2008（8）：37－40．［4］林忠波，马朝永，等．基于PIC单片机的便携式气体测漏仪［Ｊ］．电子测量技术，2010（2）：79－82．［5］刘竹琴，白泽生．一种甲烷气体检测方法的实现［Ｊ］．仪表技术与传感器，2009（11）：89－91．［6］张杰，涂巧玲，等．传感器网络节点通信模块的低功耗研究［Ｊ］．传感器与微系统，2009（9）：28－33．［7］邵汝峰，张彪，等．无线传感器网络节能技术的研究［Ｊ］．传感器世界，2007（7）：40－43．［8］张彪，胡慧，等．基于MSP430F2247的无线数据采集节点的设计［Ｊ］．传感器世界，2009（1）：43－46．[9]任丰原，黄海宁，林闯．无线传感器网络[J]．软件学报，2003．14(7)：1282一1291．[10]孙利民，李建中，陈渝，等．无线传感器网络[M]．北京：清华大学出版社，2005．[11]董挺挺,沙超等。基于CC2420的无线传感器网络节点的设计[J]。电子工程师,2007,(4):67～70。[12]丁建,胡昱希,等。无线传感器网络节点应用的硬件设计[J]。国外电子元器件,2008,(8):37～40。[13]李海真,孙运强,等。精度多路温度采集模块硬件电路设计[J]。电子测试。2008,(12):58～64。