1、 本 科 毕 业 设 计 ARM 系统下 WSN 节点的通信设计 所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 无线传感器网络 (WSN， Wireless Sensor Networks)已经成为了当前国内外的重要研究领域之一，研究表 明了无线传感器网络具有广泛应用背景，特别是在特殊的应用场景 (军事、人员无法到达的地方 )中，由于目标区域特殊的限制，使得无线传感器网络的优越性得到了很好的体现。尽管如此，这种网络还存在诸多的问题，到目前为止，这项技术还处于研究探索的阶段，因而无线传感器网络的研究是非常有价值的。 本文通过对现有无线传感器网络
2、的分析与研究，设计了面向应用的“基于 ARM 无线传感器网络”的体系结构，详细地描述了这一传感器网络节点的实现方案，并在现有通信协议的基础上，对传感节点的通信协议进行了综合改进与设计，最后结合无线传感器网络在环 境监测和远程无线抄表中的应用进行仿真实现与相关分析。通过对无线传感器节点的研制、测试和组网，为今后进一步研究和实际应用打下良好的基础。 本文主要研究内容包括 : 1、根据无线传感器网络技术的现状和其面向应用的特殊性，本文设计了“基于 ARM 的无线传感器网络”的体系结构，提出了根据这一体系结构所组成系统的具体操作流程，分析了它的主要特点，并给出了相关设计目标。 2、在分析现有硬件平台缺
3、点的基础上，设计本文的无线传感器网络节点硬件结构，进行硬件选型并分析各个模块的结构和硬件原理，搭建好硬件平台。 3、根据本文无线传 感器网络的体系结构和软硬件的设计与实现进行组网。对本文“基于ARM 的无线传感器网络”在环境监测中的应用进行了仿真实现，为今后进一步研究和实际应用打下良好的基础。 关键词： 无线传感网络；节点； WSN； ARM II Abstract Wireless sensor networks (WSNs) have become one of the important research filed in the world. Research shows that i
4、t has a wide 一 range application back ground，especially in the specific application scenes (such as military applications ， environment monitoring， etc.)， since the special limitation of target environmental area. All of these make the advantages of wireless sensor networks， which are very well refl
5、ected. Nevertheless， the network is also plagued with problems， so far， the technology is still in its research and exploration stage， thus the study of wireless sensor networks is of great value. Through analytical study on the existing wireless sensor networks， this paper designs the architecture
6、of wireless sensor networks which is application 一 oriented and based on ARM and MCU. And detailedly describes how to realize the scheme about the nodes in wireless sensor networks. Besides， with the study of existing communication protocols， the communication protocol of sensor nodes is integrated
7、improvement and design. Finally combining with the application of wireless sensor networks in environmental monitoring and remote wireless reading meter ， this paper does corresponding analysis of simulation experiment. By developing ， testing and networking for the nodes of wireless sensor networks
8、， these research results lay a good foundation for further research and practical application. In this paper， the main researches and results are listed as follows: Firstly， according to the status quo of wireless sensor networks technology and the special nature of its application 一 oriented， this
9、paper designs the architecture of wireless sensor networks which based on ARM and MCU. It also puts forward the operating processes of composed system， analysises its main characteristics， and gives out relevant design goals by the architecture. Secondly， after the analysis of the shortcoming of the
10、 existing hardware platform，hardware architecture of Wireless Sensor Networks node of this thesis is designed. Then the thesis describes hardware se lection and analysis of the structure of each module and hardware principle. Thirdly， according to the architecture of wireless sensor networks and the
11、 implementation of software and haredware， by networking and doing simulation experiment for the application of wireless sensor networks which based on ARM and MCU in environmental monitoring， this paper lays a good foundation for further research and practical application. Keywords: Wireless sensor
12、 network； Node； MSN； Advanced RISC Machines 1 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 ARM 简介 . 1 1.2 WSN 简介 . 2 1.3 课题研究背景及国内外研究现状 . 2 1.4 课题研究的意义 . 3 第 2 章 WSN 的结构及原理 . 4 2.1 传感器网络结构 . 4 2.2 传感器节点结构 . 4 2.3 传感器网络协 议栈 . 5 2.4 无线传感器网络工作原理 . 6 第 3 章 WSN 节点通信设计硬件部分 . 7 3.1 传感器节点的电路结构 . 7 3.1.1 无线传感器节点的特点 . 7 3.1.2 节点的电路设计
13、 . 7 3.2 核心处理模块的硬件结构 . 8 3.2.1 S3C2410 处理器 . 8 3.2.2 核心模块资源的具体介绍 . 9 第 4 章 WSN 节点通信设计软件部分 . 14 4.1 核心处理模块的软件系统层次结构 . 14 4.2 串口通信协议 . 14 4.3 WSN 专用软件开发平台 . 15 4.3.1 区域内节点通信部分程序 . 15 4.3.2 进行程序的在线仿真、调试 . 22 4.3.3 无线传感器网络仿真结果 . 23 小结 . 24 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 251 第 1 章 绪论 1.1 ARM 简介 当前，嵌入式技术的应用越来越广泛，
14、从航天科技到民用产品，嵌入式产品的身影无处不在，从这些嵌入式产品的核心 处理器决定了 产品的市场和性能。在 32 位嵌入式处理器市场中， ARM 处理器占有很大的份额。 ARM 不仅是一个公司、一种技术，也是一种经营理念，即由 ARM 公司提供核心技术，只出售芯片中的 IP 授权，采取了别具一格的“ Chipless 模式”（无芯片的芯片企业），不参与生产，而是与合作厂商去生产具体的芯片和产品。 ARM（ Advanced RISC Machines）处理器是 Acorn 计算机有限公司面向低预算市场设计的第一款 RISC 微处理器。更早称作 （ Acorn RISC Machine）。 作为
15、 32 位嵌入式 RISC 微处理器领域的领先 供应商， ARM 公司商业模式的强大之处在于它在世界范围内有超过 100 个合作伙伴（包括半导体工业的著名公司），从而拥有了大量的开发工具和丰富的第三方资源，共同保证了基于 ARM 处理器核的设计可以很快投入市场。 ARM 处理器的三大特点是：耗电少功能强、 16 位 /32 位双指令集和合作伙伴众多。 1、 体积小、低功耗、低成本、高性能； 2、 支持 Thumb（ 16 位） /ARM（ 32 位）双指令集，能很好的兼容 8 位 /16 位器件； 3、 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4、 大多数数据操作都在寄存器中完成； 5、 寻址方式
16、灵 活简单，执行效率高； 6、 指令长度固定。 ARM 体系结构基于精简指令集计算机（ RISC）原理。 RISC 指令集合相关的译码机制比复杂指令计算机 (CISC)的设计更简单。这种简单性得到了高的指令吞吐率，出色的实时中断响应，体积小、性价比高的处理宏单元。 ARM32 位体系结构目前被公认为是业界领先的 32 位嵌入式 RSIC 微处理器核。所有 ARM 处理器共享这一体系结构。这可确保当开发者转向更高性能的处理器时，在软件开发上可获得最大的回报。 ARM 处理器是 32 位设计，而且还与 16 位 Thumb 指令集，配备，让软件在较短的 16 位指令编码。比较相当的 32 位代码，
17、 16 位代码节省存储空间高达 35，但保留了 32 位系统的所有优点（例如，获得了完整的 32 位地址空间）。 ARM 的 Thumb 状态和正常状态之间切换的零开销。如果需要，使用开关程序一个接一个。这允许在其软件优化设计的完全控制。 ARM 还提供了两个最先进的功能 - 嵌入式 ICE - RT 逻辑和嵌入式跟踪宏核系列，以协助一深嵌入处理器核心，高度集成的 Soc 设备调试。多年来，在嵌入式 ICE - RT 的研究具有极大的处理器 RAM 集成调试到几乎所有的 ARM 内核，内置让任何部分代码的功能 - 甚至在 ROM 中设置一个断点。断点，为了调试，前台任务暂停，但不能在同一时间暂
18、停处理器的活动，并允许中断的处理器继续运行。 ARM 公司的业界领先的跟踪解决方案 - 嵌入式跟踪宏单元，设计为居住在 ARM 处理器，监测内部总线，并不能防止核径迹加速指令和数据的访问。该软件可配置过滤器和一个强大的触发逻辑，允许开发者选择正是以技术手册的指令和数据采集，信息然后由追踪装置分布压缩的可配置核 FIFO 缓冲区从芯片输出。 2 ARM 处理器作为嵌入式系统，低电压，低功耗和低集成等 ;及具有开放和 可扩展性。事实上，它已成为嵌 入式系统的首选架构处理器。 1.2 WSN 简介 WSN 是 Wireless Sensor Network 的简称，即无线传感器网络 。传感器网络（
19、Sensor Network）最初起源于美国先进的国防研究项目局（ DARPA Defense Advanced Research Project Agency）的一个研究项目。 无线传感器网络（ Wireless Sensor Network， WSN）就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的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被感知对象的信息，并发送给观察者。 随着微机电系统 (Micro-Electro-Mechanism System， MEMS)、片上系统（ SOC， System on Chip）、无线通信和低
20、功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络 (Wireless Sensor Networks， WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。 人们可以通 过传感器网络直接感知自然界，从而极大的扩展现有网络的功能和人类认识客观世界的能力。 传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。 无线传感器网络把客观上的物理世界与逻辑上的信息世界融合在一起，从而改变人类与客观世界的交互方式。 1.3 课题研究背景及国内外研究现状 随着半导体技术、微系
21、统技术、计算机技术、通信技术等的飞速发展， 20 世纪 90 年代末在美国发展了现代意义的无线传感网络（ Wireless Sensor Network， WSN）技术。后来，美国商业周刊和 MIT 技术评论在预测未来技术发展的报告中 ，分别将无线传感器网络列为 21 世纪最有影响的 21 项技术和改变世界的 10 大技术之一。 无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。基于 MEMS 的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。 能够广泛用于军事、环境监测和
22、预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。随着传感器网络的深入研究和广泛应 用，传感器网络逐渐深入到人类生活的各个领域。 21 世纪开始，工业界、军界和学术界给与了无线传感器网络极大关注，许多关于传感器网络的研究项目在欧洲和美国相继启动。 美国所有著名院校几乎 所 有研究小组 都 在从事无线传感器网络相关技术的研究，芬兰、意大利、日本、巴西、德国和加拿大等国家的研究机构也加入了相关的研究。特别是美国的无线传感器网 落 技术的研究得到了国 防 部和国家自然基金委等多种渠道的巨资支持。欧洲也在 2004
23、年初于德国柏林举行了第一届 “ 无线传感器网络论坛 ” 。 我国也非常重视无线传感器网络的发展，国家自然科学 基金委员会已经审批了无线传感器网络的相关重点课题，在国家发展改革委员会的下一代互联网示范工程中，也部署了无线传感器网络相关的课题。 04 年起有更多的院校和科研机构加入到该领域的相关研究工作中来。3 如今，国家中长期科学与技术发展规划纲要又要明确指出，要把无线传感器网络及智能信息处理作为发展的一个优先主题。随着无线传感器网络应用的日益发展和不断深入，支持无线传感器网络的超微型操作系统的研究以及无线传感器通信技术的研究，将成为未来无线传感器网络应用的发展趋势和热点。相信在未来的几年里，我
24、国的无线传感器网络发展必将走向世界前列。 1.4 课题研究的意义 无线传感器网络传感检测，无线通讯和计算机科学的应用程序监控系统的建设目标为基础。多功能，小型化，智能化，网络化，无线传感器网络的发展方向。与低功率无线电通信技术，嵌入式计算，微传感器制造技术和集成电路技术的迅速发展和日益成熟，集成技术和无线传感器网络的形成一批将是发展的必然趋势传感器技术。 传感器网络集成传感器技术，嵌入式通过集成实时微型传感器协作，感知和各种环境或监测对象的信息，信息采集监测各种计算技术，现代网络及无线通信技术，分布式信息处理技术，通过嵌入式处理和无线通 讯系统，通过随机自组织多跳中继网络逼近感知信息到用户终端
25、。因此，真正的“无处不在的计算”的概念。在传感器网络中，在各种不同的方式内或附近部署大量节点的对象被感知。这些节点形成的自组织无线网络，以协作的方式感知，采集和处理网络覆盖区域的具体信息，可以在任何时间，任何地点的信息收集，处理和分析成果。一个典型的结构包括分布式传感器网络，传感器节点（组）， sink 节点，互联网和用户界面。传感器节点可以互相沟通，组织起来，多跳网络，通过自己和连接到接收器（基节点），Sink 节点接收到通过网关（网关）来完成与公网的网络 数据。通过任务管理整个系统来管理和控制系统。传感器网络的特点使得它的应用非常广泛，在不久的将来，它无处不在的特性，成为人们生活中不可或缺
26、的一部分。 传感器网络是当前国际社会关注，新兴的多学科研究的重点交叉前沿领域的高度是信息收集和看法在 21 世纪的革命被认为是最重要的技术之一，将深刻影响人类一影响到未来的生活方式。 2003 年 2 月，美国“技术评论”杂志评出了可能对人类未来生活有十大方面重大影响的新兴技术，传感器网络被列为首位。近几年，在美国国防部，国家自然科学基金会和其他军事部门根据美国科学家的高级规划参与的 每一个无线传感器网络方面做了深入的研究。 WSN 的想法一样普及衍生产品可广泛应用于国防，环境监测，交通管理，卫生保健，制造，灾难救援及其他相关领域使用，具有很大的应用价值。从国外的研究进展目前的研究，虽然无线传
27、感器网络的应用前景是非常好的，但仍然要面临很多技术问题，所以它不能被广泛使用。美国开始在这一领域的早期研究，但直到最近几年，在这方面只有在大学和研究机构的研究，进行严厉了。根据美国政府大力支持在这一领域的研究工作。 2003 年，国家自然科学基金的话题，有一个传感器和传感器系统和网络，筹资金额高达三千四 百点零零万美元。美国国防部已经投入这么大了。在其他国家，如欧洲，日本，澳洲地区也开展了有关传感器和传感器网络的研究很多。 目前国内的无线传感器网络的研究刚刚起步，还处于概念，理论和技术跟踪研究的初期阶段，主要是在大学内的研究机构和研究范围。然而，由于传感器网络是一个国内与国际水平的新兴技术的差
28、距不是很大，及时开展了人类生活的研究，具有深远该国的社会和经济的未来意义将有重大战略意义。 4 第 2 章 WSN 的结构及原理 2.1 传感器网络结构 传感器网络结构如图 2.1 所示，传感器网络系统通常包括传感器节点 (sensor node)，汇聚节点 (sink node)和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域 (sensor field)内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监
29、测任务以及收集监测数据 。 图 2.1 传感器网络体系结构 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，通过携 带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储，管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务 。 目前传感器节点的软硬件技术是传感器网络研究的重点 。 汇聚节点的处理能力，存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络 Internet 等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收 集的数据
30、转发到外部网络上 。 汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的 能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备 。 2.2 传感器节点结构 传感器节点由传感器模块，处理器模块，无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图 2.2 所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个 传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器5 节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池 。 图 2.2 传感器节点体系结构 2
31、.3 传感器网络协议栈 随着传感器网络的深入研究，研究人员提出了多个传感器节点上的协议栈。图 2.3(a)所示是早期提出的一个协议栈，这个协议栈包括物理层，数据链路层，网络层，传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。另外，协议栈还包括能量管理平台，移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。各层协议和平台的功能如下：物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；数据链路层负责数据成帧，帧检测，媒体访 问和差错控制；网络层主要负责路由生成与路由选择；传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服
32、务质量的重要部分；应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量；移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。 图 2.3 传感器网络协议栈 图 2.3 (b)所示的协议栈细化并改进了原始模型。定位和时间同步子层在协议栈中的位置比较特殊。它们既要依赖 于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商 , 同时又要为网络协议各层提供信息支持 , 如基于时分复用的 MAC 协议 , 基于地理位置的路由协议等很多传感器网络协议都需要定位
33、和同步信息。所以在图 2.3 中用倒 L 型描述这两个功能子层。图 2.3 6 (b) 右边的诸多机制一部分融入到图 2.3 (a)所示的各层协议中 ,用以优化和管理协议流程；另 一部分独立在协议外层 , 通过各种收集和配置接口对相应机制进行配置和监控。如能量管理 , 在图 2.3 (a)中的每个协议层次中都要增加能量控制代码 ,并提供给操作系统进行能量分配 决策； Qos 管理在各协议层设计队列管理 ,优先级机制或者带宽预留等机制 ,并对特定应用的数据给予特别处理；拓扑控制利用物理层 ,链路层或路由层完成拓扑生成 ,反过来又为它们提供基础信息支持 ,优化 MAC 协议和路由协议的协议过程 ,
34、提高协议效率 ,减少网络能量消耗；网络管理则要求协议各层嵌入各种信息接口 ,并定时收集协议运行状态和流量信息 , 协调控制网络中各个协议组件的运行 。 2.4 无线传感器网络工作原理 现代意义的无线传感器网络是一种新型的分布式测控系统，由分布在监测区域内的大量传感器节点组成。得益于无线通信技术和微电 子技术的飞速发展，开发低成本、低能耗、多功能的微型无线传感器节点已成现实。 图 2.1 是一个典型的无线传感器网络应用系统的示意图， 它描述了无线传感器网络系统所包含的三种类型的节点，即传感器节点（ Sensor node）、汇聚节点（ Sink）和任务管理节点（ Task manager nod
35、e）。图中白色的监测区域中已经部署了大量的无线传感器节点，每个节点都可以采集其覆盖区域的现场数据并且路由到 sink节点并通过一种多跳的方式来路由数据，节点 A 就是经过了 A-B-C-D-E-sink 的多跳路由来实现数据转发，其它 传感器节点的情况依此类推。 Sink 节点是一个类似于网关的特殊节点，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，能够把无线传感器网络桥接到其他的通信网络，比如 Internet，从而使终端用户能够方便实时地通过任务管理节点来进行各种操作。 Sink 节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，也可以是仅带有无线通信接口的网关设备。任务管理节点可以是各种智能终端，P
36、C、 PDA 甚至是智能手机。 如图 2.2 所示，每个微型节点都集成了传感、数据处理、通信和电源模块，可以对原始数据按要求进行一些简单的计算处理后再发送出去。大量的 智能节点通过先进的网状联网（ Mesh Networking）方式，可以灵活紧密地部署在被测对象的内部或周围，把人类感知的触角延伸到物理世界的每个角落。尽管单个节点的能力是微不足道的，但是成百上千节点组成的网络系统能带来强大的规模效应。一个典型的无线传感器节点由四个基本模块组成：传感模块、计算模块、无线通信模块和电源模块，如图 2.2 所示。根据不同的应用场合，有的无线传感器节点可能还会有一些附加模块，比如定位系统，连续供电系统以及移动基座等。传感模块包含传感器和 ADC，计算模块包含 MCU 和存储器。由于有的 MCU 内部集成了 ADC，所以ADC 在这种情况下也可以划入到计算模块。现场采集到的原始传感信息经过 A/D 转换后被发送到计算模块进行处理，再通过无线通信模块发送到指定地点。电源模块一般采用电池，可以是碱性电池、锂电池或镍氢电池。为了在执行比较耗能的任务时能够保证持续的电力供应，也可以采用太阳能电池。
