一种无线传感器开发系统的设计方法
微电子和无线通信技术的飞速发展，使得低功耗、低成本、体积微小的传感器网络的研制成为可能。
本文介绍了一种无线传感器开发系统的设计方法．包括节点和开发板。节点具有功耗低、通用性好的特点，带有多种传感器，可以感知温度、湿度和光等，并带有扩展口。开发板用于配置节点和下载程序。开发板具有友好的上位机用户界面，并支持多种编译系统生成的不同目标文件格式。
1 节点的硬件设计
传感器节点的硬件结构主要由传感模块、处理模块、通信模块和电源模块组成。传感器节点一般采用电池供电，由于节点放置在危险或不易到达的区域，更换电池几乎是不可能，因此节能成为设计的关键技术，此外，还要控制成本和体积。设计的节点硬件框图如图1所示。
1．1 微处理器模块
微处理器选用atmel公司的atmelgal28l。该芯片功耗低，且有多种睡眠模式；多个中断源，53个10口，可以连接多个传感器扩展口；内带8路 10位a／d转换器，可以将传感器送来的模拟信号转换为数据信号；双向i2c串行总线接口；主/从spi串行接口；可编程串行通信接口；jtag和spi 在线编程方式等。该芯片的丰富资源可以满足节点数据处理和传输的要求，尤其是六种不同的睡眠模式，特别适合有能量限制的应用。
存储器存放待处理或接收的数据．选用mierochip公司的25aal024。该芯片的存储量为1024kb，功耗低，读写方式为spi，占用10口少。节点索引号产生器选用maxim公司的ds2411，用来产生48位随机数，作为节点的惟一标识号。
1．2 射频模块
射频芯片的选取直接影响节点的功耗，因为节点消耗能量的近2／3都用于无线收发。选用的射频芯片为nordic公司的nrf24l01。该芯片功耗低。在相同工作模式下，比chipcon公司的cc2420芯片节省近l/3的能量；工作于2．4g～2．5ghz ism频段；支持高速跳频；体积很小；外围器件少，配置简单，且使用两层pcb板，节省成本。nrf24l0l配置框图如图2所示。
nrf24l01与微处理器相连只需6根信号线，其中4根是spi信号线，与atmelgal28l的spi口相连；其余一根为片选，另一根用于中断请求。
射频电路要取得好的rf性能，pcb设计必须合理。nrf24l01的供电电源必须经过良好的滤波，并且与数字电路分开；避免长距离走线；在射频信号输出部分，根据发送功率设置滤波网络，以实现阻抗匹配，使到达天线的信号最强。要防止高频信号泄漏，否则会对发射信号造成很大干扰。由于天线要散播电磁能量，需选用q我较小的器件。制作pcb板时，在器件周围覆铜，以提高抗干扰性能。
1．3 传患器模块和扩展口
板上设有一光敏电阻感应光信号，由于是模拟信号，需接入atmelgal28l的ad引脚进行ad转换后才可处理。板上还装有一数字型温湿度传感芯片sht15，可感知温度和湿度，精确度较高，且功耗低，采用i2c读写，占有io口很少。
为了让节点具有更广泛的应用，节点板上接有扩展口，其中有i2c口、ad口和中断口等，用来连接其他传感器。
1．4 电源横块和电能消耗
节点有两种供电方式，在实验室调试和测试时通过开发板供电，在外界环境中工作时，用2个aa电池供电。为了防止2个电源之间的干扰，在板上加有一个手动开关。
因为电能的消耗决定了传感器节点的使用寿命，在节点的软、硬件设计时，必须充分考虑能源的有效性。节点在各种运行模式下，必须关闭不必要的模块以节省能量。当通信采用节点定时关闭和打开的协议且关闭与打开的时间比为1：99时，使用2节1000毫安时(mahr)的aa电池供电，节点耗能如表1所示。
在上述工作模式下，如果用2节1000ma-hr的aa电池供电，则节点寿命为12．55个月。此值是在最大发送功率情况下计算的。当发送功率和收发速率变小时，耗能更少，传感器的寿命会更长。
2 开发板的硬件设计
开发板的硬件系统框图如图3所示。
节点cpu的jtag口接在开发板上。如果使用jtag口下载和调试程序，则需要jtag下载器。为此，设计了另一种下载方式，即串行下载。cpu通过 usb口接收上位机的代码，然后通过spi口下载到节点cpu的flash。cpu为中心控制模块，接收上位机的各种命令并进行相应处理。cpu芯片选用 atmel公司的atmelgal6l，该芯片带有可编程uart口和工作于主机，从机模式的spi口。
usb转换芯片实现上位机端的usb数据与下位机端的uart数据之间的转换。选用芯片为ft232bm。由于编程板cpu、atmelgal28都要通过usb口与上位机通信，为了防止不同输入输出信号间的干扰，设计时用了两个带有使能控制的buffer来控制不同cpu串口通信的通断。
为了更方便地配置传感器节点，在板上集成了一块e2prom。目标代码可以先存储在ezprom中。当需要向节点下载时，通过按钮激发外部中断即可将e2prom的代码通过spi口写入节点cpu。操作方便简单，摆脱了上位机的限制。
节点连接器是17针的节点与开发板和扩展传感器之间的接口，除了编程口和串口，还有连接传感器的扩展口，包括i2c口、中断口和ad口等。
节点cpu spi编程共需4根信号线，其中3根spi通信线与开发板cpu的spi口相连，节点cpu的reset信号 由开发板cpu的io口控制即可。
3 开发板软件设计
3．1 上位机程序设计
用c++ builder 6．0编写上位机程序，制作了用户操作界面，并将不同编译系统生成的多种目标文件格式转换成上、下位机约定的文件格式，传送给下位机。
为提高向atmelgal28l的flash和e2prom写代码的效率和便于从e2prom向flash写代码，上位机传送给下位机的代码采用图4所示的格式。
图4中，地址指该段代码要写入flash的初始地址，包括2字节的页地址和l字节的页内地址；序列号表示该段代码是全部代码中的第几段；长度指该段代码的字节数，不包括地址和序列号。每一地址段代码都采用表2的格式。
上位机程序支持的目标文件格式有：tinyos、avrgcc和iar生成的intel hex文件。intel hex是intel公司提出的一种文件标准，是最常用的目标文件格式之一。上位机程序还支持ti(德州仪器)公司提出的msp430-txt格式，该格式及说明如表2所示。
上位机程序将不同编译系统生成的不同格式的目标文件转换成图4所示的格式，再发给下位机。上位机操作界面提供了各种命令按钮，用户点击命令按钮后，上位机即按制定的该命令模式处理协议发送命令和数据。在传送文件时，为确保数据传送不出差错，采用了停止-等待传输协议。上位机发送约定长度的数据后停止发送，等接收到下位机发来的确认标志后再开始发送。上位机总程序框图如图5所示。
3．2 下位机程序设计
下位机接收上位机的命令，完成读写flash、e2prom、镇定位、熔丝位和usb口使用权的切换等功能。由于实现的功能较多，采用了模块化、自下向上的结构化设计方法。首先按照atmelcal28l数据手册提供的spi编程算法，用c语言实现了读写flash、锁定位和熔丝位等模块。
程序设计的一个难点是将接收的上位机发送的文件写入flash或e2prom，因为涉及到接收数据和写flash或ezprom的交互。解决方法是采用停止一等待传输协议进行数据传送。下位机开辟约定数量的缓冲区，利用中断接收上位机数据至缓冲区满，处理完缓冲区数据后发送确认标志，上位机收到确认后再开始下一次发送。
按制定的协议写atmelga128l的fiash的流程图如图6所示。
下载 (76 kb)
2010-7-15 10:51
写ezprom与写flash类似，只是要将接收的地址、序列号、长度也写入e2prom。代码在e2prom中存放时仍保持表2所示的格式，即段初始地址、序列号、该段长度、数据的格式，以便将e2prom中存储的代码写入flash。
编写下位机程序时，依据各模块分别用子函数实现、模块间接口清晰、主程序简单的原则，实现了读写flash和e2prom、读写锁定位和锁定位、从 e2prom写flash等几大模块，主函数接收到命令调用相应模块即可。当按下中断按钮时，中断程序先检测flash连接，如果检测成功，则调用从 e2prom写flash模块；否则红灯闪烁指示操作失败。
使用本文设计的开发板对节点下载程序，程序运行正常，节点间通信状态良好，且功耗低，实现了预计的功能并满足性能要求。
从设计过程和使用可以看出，本开发系统具有以下优点：
(1)节点功耗低，体积小，射频芯片灵敏度高；
(2)节点通用性好，可以连接多种传感板；
(3)开发工具用户界面友好，支持多种目标文件格式；
(4)代码可存储在e2prom中，需要下载时按下按钮便写入flash，配置节点方便。
本文所设计的传感器开发系统便于研究者做更深入的实践研究，推动了传感器更广泛的应用。
霍尔效应的工作原理
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基于STM32单片机的手环系统设计
电梯 已被彻底颠覆
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一种无线传感器开发系统的设计方法
物流行业的无人驾驶前景可观 雄安新区启动无人驾驶道路测试
深度学习视觉系统,高精密检测系统,多相机并行检测系统,机器人视觉系统
RoboSense智能固态激光雷达入围PACE大奖--汽车行业创新风向标
5G新视听发展趋势及应用前景分析
直流电机如果老化了它将会出现哪些问题
许家印国内布局汽车产业 积极开拓生产制造及销售渠道市场
数字照片墙创新多媒体展厅互动体验
对于传输线的反射、特性阻抗、阻抗匹配的详细解析
电子邮件需要依靠零信任安全模型来避免攻击
有钳位二极管的零电压移相全桥变换器
人工智能领域发展的重心在哪里
中国移动“5G+北斗”的应用落地取得了哪些成功案例？
一种可直接实时评估心脏功能的可穿戴超声成像传感器
视频干货丨USB PD3.1 如何升级电源和电池充电器应用？
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1 节点的硬件设计
传感器节点的硬件结构主要由传感模块、处理模块、通信模块和电源模块组成。传感器节点一般采用电池供电，由于节点放置在危险或不易到达的区域，更换电池几乎是不可能，因此节能成为设计的关键技术，此外，还要控制成本和体积。设计的节点硬件框图如图1所示。
1．1 微处理器模块
微处理器选用atmel公司的atmelgal28l。该芯片功耗低，且有多种睡眠模式；多个中断源，53个10口，可以连接多个传感器扩展口；内带8路 10位a／d转换器，可以将传感器送来的模拟信号转换为数据信号；双向i2c串行总线接口；主/从spi串行接口；可编程串行通信接口；jtag和spi 在线编程方式等。该芯片的丰富资源可以满足节点数据处理和传输的要求，尤其是六种不同的睡眠模式，特别适合有能量限制的应用。
存储器存放待处理或接收的数据．选用mierochip公司的25aal024。该芯片的存储量为1024kb，功耗低，读写方式为spi，占用10口少。节点索引号产生器选用maxim公司的ds2411，用来产生48位随机数，作为节点的惟一标识号。
1．2 射频模块
射频芯片的选取直接影响节点的功耗，因为节点消耗能量的近2／3都用于无线收发。选用的射频芯片为nordic公司的nrf24l01。该芯片功耗低。在相同工作模式下，比chipcon公司的cc2420芯片节省近l/3的能量；工作于2．4g～2．5ghz ism频段；支持高速跳频；体积很小；外围器件少，配置简单，且使用两层pcb板，节省成本。nrf24l0l配置框图如图2所示。
nrf24l01与微处理器相连只需6根信号线，其中4根是spi信号线，与atmelgal28l的spi口相连；其余一根为片选，另一根用于中断请求。
射频电路要取得好的rf性能，pcb设计必须合理。nrf24l01的供电电源必须经过良好的滤波，并且与数字电路分开；避免长距离走线；在射频信号输出部分，根据发送功率设置滤波网络，以实现阻抗匹配，使到达天线的信号最强。要防止高频信号泄漏，否则会对发射信号造成很大干扰。由于天线要散播电磁能量，需选用q我较小的器件。制作pcb板时，在器件周围覆铜，以提高抗干扰性能。
1．3 传患器模块和扩展口
板上设有一光敏电阻感应光信号，由于是模拟信号，需接入atmelgal28l的ad引脚进行ad转换后才可处理。板上还装有一数字型温湿度传感芯片sht15，可感知温度和湿度，精确度较高，且功耗低，采用i2c读写，占有io口很少。
为了让节点具有更广泛的应用，节点板上接有扩展口，其中有i2c口、ad口和中断口等，用来连接其他传感器。
1．4 电源横块和电能消耗
节点有两种供电方式，在实验室调试和测试时通过开发板供电，在外界环境中工作时，用2个aa电池供电。为了防止2个电源之间的干扰，在板上加有一个手动开关。
因为电能的消耗决定了传感器节点的使用寿命，在节点的软、硬件设计时，必须充分考虑能源的有效性。节点在各种运行模式下，必须关闭不必要的模块以节省能量。当通信采用节点定时关闭和打开的协议且关闭与打开的时间比为1：99时，使用2节1000毫安时(mahr)的aa电池供电，节点耗能如表1所示。
在上述工作模式下，如果用2节1000ma-hr的aa电池供电，则节点寿命为12．55个月。此值是在最大发送功率情况下计算的。当发送功率和收发速率变小时，耗能更少，传感器的寿命会更长。
2 开发板的硬件设计
开发板的硬件系统框图如图3所示。
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3 开发板软件设计
3．1 上位机程序设计
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图4中，地址指该段代码要写入flash的初始地址，包括2字节的页地址和l字节的页内地址；序列号表示该段代码是全部代码中的第几段；长度指该段代码的字节数，不包括地址和序列号。每一地址段代码都采用表2的格式。
上位机程序支持的目标文件格式有：tinyos、avrgcc和iar生成的intel hex文件。intel hex是intel公司提出的一种文件标准，是最常用的目标文件格式之一。上位机程序还支持ti(德州仪器)公司提出的msp430-txt格式，该格式及说明如表2所示。
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程序设计的一个难点是将接收的上位机发送的文件写入flash或e2prom，因为涉及到接收数据和写flash或ezprom的交互。解决方法是采用停止一等待传输协议进行数据传送。下位机开辟约定数量的缓冲区，利用中断接收上位机数据至缓冲区满，处理完缓冲区数据后发送确认标志，上位机收到确认后再开始下一次发送。
按制定的协议写atmelga128l的fiash的流程图如图6所示。
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写ezprom与写flash类似，只是要将接收的地址、序列号、长度也写入e2prom。代码在e2prom中存放时仍保持表2所示的格式，即段初始地址、序列号、该段长度、数据的格式，以便将e2prom中存储的代码写入flash。
编写下位机程序时，依据各模块分别用子函数实现、模块间接口清晰、主程序简单的原则，实现了读写flash和e2prom、读写锁定位和锁定位、从 e2prom写flash等几大模块，主函数接收到命令调用相应模块即可。当按下中断按钮时，中断程序先检测flash连接，如果检测成功，则调用从 e2prom写flash模块；否则红灯闪烁指示操作失败。
使用本文设计的开发板对节点下载程序，程序运行正常，节点间通信状态良好，且功耗低，实现了预计的功能并满足性能要求。
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(1)节点功耗低，体积小，射频芯片灵敏度高；
(2)节点通用性好，可以连接多种传感板；
(3)开发工具用户界面友好，支持多种目标文件格式；
(4)代码可存储在e2prom中，需要下载时按下按钮便写入flash，配置节点方便。
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