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《電子器件雜志》2014年第三期

1節點硬件設計

1．1節點總體結構文章使用Atmega128處理器實現節點設備設計，使用CC2420實現網關節點的設計。系統硬件由射頻通信、通用接口、微處理器、能量監測和數據采集模塊構成。節點的硬件結構圖如圖2所示。微處理器模塊使用ATMEAG128L－64I型芯片實現，此芯片的功耗很低。通過CC2420和單極天線實現。數據采集模塊通過通用接口和MCU相連，這樣就可以實現各類型的模擬傳感部件。各個電路的時鐘周期都是各自的特點進行設置，這樣便于隨時和MCU通信，同時還能很好的節約能量［4］。

1．2射頻通信模塊使用芯片CC2420實現射頻通信模塊的基本能。此芯片的抗鄰頻道干擾能力很強，其工作頻帶范圍是2．4000GHz～2．4835GHz，傳輸速率為250kbit/s，碼片速率能夠達到2MChip/s;電流消耗極低，接收靈敏度為－94dBm。和MCU的通信通過并行總線制通信方式實現［5］。讀寫緩存數據可以使用4線SPI總線控制芯片模式進行。CSn是片選信號。CCA和SFD分別能進行通道清除和定時信息。CC2420內部有狀態可設的33個16bit寄存器。SI總線有24bit數據，這些數據的分配是這樣的:存儲選擇1bit、讀寫控制1bit、地址選擇6bit和數據。數據的傳輸通過MSB優先方式實現。表1是MCU和CC2420具體的通信接口。

1．3能量監測模塊如果使用電池對傳感器節點供電，必須認知自身能量存儲與消耗情況。此外還要能進行自身的調整。傳統的Mica2電源電壓監測法雖然簡單，但是受穩壓電路的參數的限制，靈活性不夠［6］。文章中采用的方法充分利用Mica2電源電壓監測法的優點，同時還能克服其缺點。文章中的能量監測模塊是通過AT-MEGA128的ADC(Analog-to-DigitalConverter)差分通道實現的。其核心思想是根據傳感器工作的電壓檔位不同，能量供應的策略也不同。

1．4數據采集模塊數據采集模塊的傳感器可以實際應用的情況進行選擇。文章中選用的是LM60型溫度傳感器，在進行傳輸數據時只需要一根I/O數據線即可。測量范圍可以達到－25℃～100℃，如果溫度在在－10℃～85℃范圍內，精度可以達到±0．6℃～0．8℃。其電壓輸出隨溫度變化而變化，可以表示為:數據采集通過ADC差分輸入和單端輸入兩種模式實現，根據不同的精度，選用不同的模式，如果要求精度較高時，使用差分模式，反之則采用單端輸入模式。采集的信號輸入到MCU之后，使用逐次比較方法可以把模擬量轉化為10bit數字量，測量值可以通過把此數字量和基準電壓比較運算得到。

2節點軟件設計

傳感器網絡能否正常工作關鍵的就是傳感器節點的軟件。系統的軟件設計在適應層通過匯編語言實現，這樣方便對MCU的寄存器進行操作。在硬件抽象層通過C語言實現主程序和調用功能子程序。其主要具有主調度函數、初始化、系統狀態管理的功能。系統的轉臺管理主要有閑置、工作、喚醒、省電和空閑等模式。其調度管理通過有限狀態機(FSM)實現。具體的調度如圖3所示。系統軟件的工作流程比較相似，通過主調度函數流程對系統軟件工作流程進行說明，上電后，首先復位主調函數的所有組，同時對MCU和外圍設備進行初始化。初始化完成之后，調入上層接口狀態函數，此函數的有兩種狀態，一種狀態是把調度權限給上層，另外一種是不交，如果是第1種狀態，需要開啟系統中斷，之后就是調用聲明函數，同時等待中斷的到來。第2種狀態則要進行中斷向量的設置，之后就是調用狀態管理函數函數，最后還要待中斷的到來。所以這樣就能通過狀態機完成系統的調度和中斷管理。流程如圖4所示。

3測試結果

為了驗證文章觀點的可行性，文章通過構建了拓撲結構如圖5所示10個節點的小型網絡。MAC層協議采用IEEE802．15．4，節點采用IPv6嵌入式協議棧。網絡層支持IPv6，拓撲結構使用星型、樹型混合結構。節點的分配是:網關節點為一塊，加載控制模塊并且和空調溫控電路相接的節點為一塊，剩下的分成4組，它們的標識為0x1817～0x181A，只要任務是監測周圍溫度變化。節點通信范圍是20m，電池能量為2J。測試過程中的數據傳輸速率的范圍為128bit/s～1024bit/s。傳感器節點的數據包接收率測試結果如圖6所示，傳感器節點的平均延遲時間測試結果如圖7所示，傳感器節點的平均消耗能量測試結果如圖8所示。由以上的測試結果可以看出，此設計的傳感器節點能夠很好的實現點對點通信，由圖6可以看出數據包接收率很高，由圖7可以看出數據平均延遲時間較短，這是因為節點之間通信時不需要協議轉換和協議承載。由圖8可以看出節點之間通信時功耗比較低，這是因為采用8bit微處理器實現精簡IPv6協議。

4結論

文章提出了IPv6無線傳感器網絡節點設計方法。文章不但構架的具有功耗低、成本低、微型化、可擴展性強等優點的硬件系統，還對軟件系統進行了設計。硬件系統充分利用了芯片Atmega128、CC2420和LM60的功能，軟件設計引入狀態機進行系統模式調度，從而可以完成系統的獨立運行。測試結果表明，此系統安全可行，具有很強的科研價值和實用價值。

作者：宋嚴單位：長春師范大學網絡中心