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ATmega128L+CC2420 +DS18B20搭建无线传感网络系统(PCB+原理图+程序)

2017-12-28 10:44更新
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该设计通过采用 ATmega128L 单片机和无线收发模块CC2420 搭建了一个无线传感器网络系统。CC2420 是挪威Chipcon 公司推出的一款符合IEEE 802.15.4 标准的无线收发芯片,只需很少的外围元件就可以与单片机构成一个无线通信系统;根据无线传感器网络的体系结构和无线传感器节点的体系结构以及IEEE802.15.4/ZigBee 协议,本文设计了一个简单的星形无线传感器网络。如图1。

图片1

图1. 无线传感器网络星形拓扑图


该网络由多个终端节点、一个主节点和一台 PC 机组成。终端节点负责环境数据的采集,主节点负责网络的建立、维护以及终端数据的收集和上传,PC 机是用来查看网络情况、管理和保存网络数据的。终端节点和主节点之间是无线双向通信,主节点和 PC 机之间是通过串口进行通信。终端节点和主节点的设计正如一般无线传感器网络节点的设计一样,包括数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元四部分。如图2。

 

数据采集单元主要由各种传感器构成,用来感知周围环境参数;数据处理单元主要由 MCU 和协议栈组成,MCU 用来对传感器感测到的数据进行处理,而基于CC2420的无线传感器网络的设计协议栈则规定了节点间通信的规则;数据传输单元主要由无线收发芯片组成,用来接收和发射信息。当然对于主节点而言,还应该包括其与 PC 机之间的串口通信模块。

图片2

图2. 传感器网络节点结构框图

处理器模块

处理器是整个无线传感器节点的中心,其他模块都要通过处理器来联系,因此处理器性能的好坏决定了整个节点的性能。结合无线传感网络体积小、低功耗的要求,本文选用了 ATMEL 公司的 ATmega128L 单片机。

 

ATmega128 为基于 AVR RISC 结构的 8 位低功耗 CMOS 微处理器。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间,ATmega128 的数据吞吐率高达 1MIP S/MHz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

 

AVR 内核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算术逻辑单元(ALU)相连接,使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率,并且具有比普通的复杂指令集微处理器高 10 倍的数据吞吐率。

 

ATmega128 AVR 有整套的开发工具,包括 C 编译器,宏汇编,程序调试器/仿真器和评估板。

 

通信模块

CC2420 具有完全集成的压控振荡器,只需要天线、16MHz 晶体等非常少的外围电路就能在 2.4GHz 频段上工作。CC2420 只提供一个 SPI 接口与微处理器连接,通过这个接口完成设置和收发数据两方面的工作。许多单片机都集成了SPI 控制器,例如 Atmega128、 PIC4620、MSP430,可以非常方便的与 CC2420配合使用。简单的外围电路和处理器接口,使得 CC2420 可以运用在非常廉价的设备上。


CC2420 为信息包处理提供广泛的硬件支持,数据缓冲器、发射、数据加密、数据证明、空闲信道评估、链路质量指示和信息包实时资料,这些特点减少了主控制器的工作量,使 CC2420 可与低成本微处理器相接。外部接口通过串行端口访问 CC2420 的发射接收缓冲器。一个典型的 CC2420 应用电路只需将其和微处基于CC2420的无线传感器网络的设计理器连接来,而需要很少的外部元件。

 

CC2420 的主要性能参数如下:

  • 工作频带范围:2.400~2.4835GHz;
  • 采用 IEEE 802.15.4 规范要求的直接序列扩频方式;
  • 数据速率达 250kbps,码片速率达 2MChip/s ;
  • 输出功率可编程控制(-25dbm~0dbm);
  • 采用 O-QPSK 调制方式;
  • 超低电流消耗(RX:18.8mA,TX:17.4mA),高接收灵敏度(-95dBm);
  • 抗邻近频道干扰能力强(39dB);
  • 内部集成有 VCO, LNA, PA 以及电源整流器,采用低电压供电(2.1 ~3.6V);
  • 输出功率编程可控;
  • IEEE 802.15.4 MAC 层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、16bit  CRC 校验、电源检测、完全自动 MAC 层安全保护( CTR,CBC-MAC,CCM);
  • 与控制微处理器的接口配置容易(4 总线 SPI 接口);
  • 开发工具齐全,提供有开发套件和演小套件;
  • 采用 QLP-48 封装,外形尺寸只有 7×7mm。

 图片3

图3. CC2420 内部结构

传感模块DS18B20

新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济的 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器 DS1820 是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点,使用户可轻松地组建传感器网络,为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20 支持“一线总线” 接口,测量温度范围为-55℃~+125℃,在-10~+85℃范围内,精度为±0.5℃。适合于恶劣环境的现场温度测量,如:环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

DS18B20 内部结构主要由四部分组成:64 位光刻 ROM、温度传感器、非易失的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。DS18B20 的管脚排列如下图4.

图片4 

图4. DS18B20 引脚图


软件总体设计:

系统软件设计主要是主节点和终端节点的程序设计。


主节点程序流程图:

图片5 


终端节点程序流程图:

 图片6


上位机网络管理软件设计:

无线传感网络的上位机网络管理软件是在VC6.0 开发环境下开发完成。界面编程利用MFC 向导生成。串口编程利用了微软Visual Basic中提供的一个串口控件——Microsoft Communication Control(简称MSComm)控件。后台数据库采用Microsoft 的Access 数据库。系统环境为Windows XP SP2 。


网络管理软件主界面:

图片7 


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