基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点①章伟聪，俞新武，李忠成
(浙江万里学院智能控制研究所，宁波 315101)
摘 要：针对智能家居、环境监测等的实际要求，设计了一种远距离通讯的无线传感器节点。该系统采用集射频与控制器于一体的第二代片上系统CC2530为核心模块，外接CC2591射频前端功放模块；软件上基于ZigBee2006协议栈，在ZStack通用模块基础上实现应用层各项功能。介绍了基于ZigBee协议构建无线数据采集网络，给出了传感器节点、协调器节点的硬件设计原理图及软件流程图。实验证明节点性能良好、通讯可靠,通讯距离较TI第一代产品有明显增大。
关键词：传感器节点；CC2530；ZigBee；CC2591；无线传感器网络
Wireless Network Sensor Node Design Based on CC2530 and ZigBee Protocol Stack
ZHANG Wei-Cong, YU Xin-Wu, LI Zhong-Cheng
(Intelligent Control Research Institute, Zhejiang Wanli University, Ningbo 315101, China)
Abstract: According to the actual needs of intelligent household, environmental monitoring etc, this paper designed a wireless sensor node of long-distance communication system. This system used the second SoC CC2530 set in RF and controller chips as the core module and externally connected with CC2591 RF front-end power amplifier module. Based on ZigBee2006 in software agreement stack, it realized each application layer function based on ZStack. It also introduced wireless data acquisition networks based on the ZigBee agreement construction, and has given the hardware design schematic diagram and the software flow chart of sensor node, synchronizer node. The experiment proved that the node is good in performance and the communication is reliable. The communication distance has increased obviously compared with the first generation TI product.
Key words: sensor node; CC2530; CC2591; wireless sensor networks
ZigBee[1]是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术,是基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的,关于组网、安全和应用软件的技术标准。其突出优点是应用简单,工作频段灵活,低功耗,低成本,高可靠性,具有自组网和自恢复能力等。
传感器网络节点是无线传感器网络的基本构成单位,主要负责对周围信息的采集和处理,并发送自己采集的数据给相邻节点或将相邻节点发过来的数据转发给协调节点或更靠近协调节点的节点。无线传感器网络的节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块构成。但早些设计的传感器节点的处理器模块多数采用TI第一代产品如CC2430, CC2420,CC1110等,存在无线通讯距离短,通讯可靠性不能保证等缺点,一般传输距离都在100M内,有的不到50M[2]。本文采用TI公司最新的第二代片上系统CC2530,相比以前的产品,CC2530具有更卓越的RF性能,可编程的256KB闪存,更小的封装尺寸和IR产生电路,支持多种协议如ZigBee PRO、ZigBee RF4CE等;所设计的传感器节点在视野好的空旷室外传输距离可达400M以上[3]。
①基金项目:宁波市高校研发资助项目(2009B20081);浙江省教育厅项目(Y200804562);宁波市自然科学基金(2009A610173);宁波市创新创业基金
(2009B31010)
收稿时间:2010-10-19;收到修改稿时间:2010-11-24
184 经验交流 Experiences Exchange
1CC2530及ZigBee协议栈体系结构
CC2530[4]是德州仪器(TI)日前推出的完整的用于2.4GHzIEEE802.15.4/RF4CE/ZigBee的第二代片上系统解决方案。它结合了高性能的2.4GHzDSSS(直接序列扩频)射频收发器和一个高性能低功耗的8051微控制器,用于搭建功能健全价格低廉的网络节点。CC2530在单个芯片上集成了IEEE802.15.4标准2.4GHz频段的RF无线电收发机,具有优良的无线接收灵敏度和抗干扰性。四种工作模式;具有32KB/64KB/128KB/ 256KB的可编程FLASH和8KB的RAM;集成了8通道12位模数转换的ADC;128位AES加密解密安全协处理器;看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器; 6mm×6mmQFN40引脚封装,及1个符合IEEE802.15.4规范的MAC计时器,1个常规的16位计时器和2个8位计时器,2个USART接口,21个可编程I/O引脚;硬件支持CSMA/CA功能;允许工作电压(2.0 V～3.6V),工作温度:-40℃～125℃;具有数字化RSSI/LQ支持和强大的DMA功能;具有电池监测和温度感测功能。前置频率范围:fc=2394MHz to 2507MHz,频率分辨率为1MHz,数据传输速率:250kbps,在TA=25℃ and VDD=3V,从休眠状态到激活只需要4?s,而激活状态下接受或发送数据只需要0.5ms,接收灵敏度-97dBm,RF 发送的输出功率为4.5dBm，CC2530的从休眠模式转换到主动模式的超短时间特性,能耗特小，特别适合那些要求电池寿命非常长野外使用。
ZigBee协议结构在采用OSI七层模型的基础上可根据应用的实际需要定义,其通讯基础是IEEE802.15.4标准,该标准定义了物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)的标准;ZigBee联盟则定义了ZigBee协议的网络层(NWK)、应用层(APL)和安全服务规范[1,5,6]。其协议栈的体系结构如图1所示。
图1ZigBee协议栈的体系结构模型图
在ZigBee协议栈中,任何通信数据都是采用帧的格式来组织完成的,协议的每一层都有特定的帧结构。当应用程序需要发送数据时,将通过应用支持子层（APS）数据实体发送数据请求到APS,下面的每一层都会为数据附加相应的帧头,组成要发送的帧信息。
TI/Chipcon公司在IEEE802.15.4标准和ZigBee联盟所推出的ZigBee2006规范的基础上,发布了全功能的ZigBee 2006协议栈,并通过了ZigBee联盟的认证。该协议栈全部用C语言编写,免费提供给用户,同时向后兼容。该协议栈在结构上分为应用层、网络层、安全层、MAC层和物理层,每一层的函数都严格按照ZigBee协议栈IEEE802.15.4标准和ZigBee2006规范所规定的原语格式编写。同时,在协议栈内部还嵌入了一个操作系统,用于对任务进行统一的调度.对于用户而言,只需要了解应用层函数并进行恰当的调用,就可以构建功能完善、性能稳定的ZigBee无线网络[7]。
2系统方案设计
ZigBee无线网络支持星形、树状和网状拓扑结构,星形结构连接方式比较简单,只能组建包含较少节点的无线网络,各个传感器节点通过协调器实现网络连接。本设计采用星形结构,由一个协调器（整个网络的传输与控制中心）节点,路由器和若干传感器节点组成,整个无线传感器网络系统结构如图2所示。
图2无线传感器网络体系结构
系统采用RS232连接协调器与PC机,同时使传感器节点或路由器连接温度、湿度和光敏电阻等传感器来监测房间、大棚、实验室或温室环境。
系统的整体工作过程如下:首先由协调器节点成功创建ZigBee网络,然后等待传感器节点加入。当传感器节点及传感器上电后,会自动查找空间中存在的ZigBee网络,找到后即加入网络,并把该节点的物理地址发送给协调器。协调器把传感器节点的地址信息等通过串口RS232发送给PC机进行保存。当PC机想要获取某一节点处的传感器节点值时,
只需要向串口发
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186 经验交流 Experiences Exchange
送相应传感器节点的物理地址及测量指令,协调器通过串口从PC 机收到物理地址后,会向与其相对应的传感器节点发送数据,传达测量指令。传感器节点收到数据后,通过传感器测量数据,然后将测量结果发送给协调器,并在PC 机端进行显示。
3 系统硬件设计
本设计传感器模块采用数字式传感器SHT11来采集温度、湿度数据,该传感器具有相对湿度和温度一体测量、超快的响应时间等优良特性。对台灯和窗帘的控制是通过继电器TQ2-3V 来实现的;处理器模块和无线通信模块采用CC2530芯片外加低功耗射频前端CC2591,用来放大输出功率,大大简化了射频电路的设计;能量供应模块采用2节可充电干电池,负责为系统提供能量。
CC2591是TI 公司推出的一款高性能、低成本的RF 前端,集成了开关,电感器,平衡/不平衡网络,交换机,匹配网络,PA 功率放大器等功能。可将输出功率提高+22dBm,接收灵敏度提高+6dB 。CC2591可与TI 公司的所有2.4GHzRF 收发器、发送器和SoC 连接,大大改善了RF 性能,实现用极少的外围电路实现高输出功率。 3.1 协调器节点设计
图3 协调器节点硬件框架图
协调器节点负责调度各传感器节点工作,其运行直接影响系统的稳定性。协调器节点采用CC2530F256芯片,该芯片具有256KB 可编程闪存,设有串口模块、OLED 显示模块、LED 指示灯、晶振模块,电源模块、CC2591模块。OLED 模块是用户和传感器网络的交互界面,用来显示节点加入和退出网络的信息,监测区域的数据。LED 模块用来显示网络连接的状态,CC2591用来增大输出功率。通讯接口采用标准的RS232,将收集的数据通过串口上传到计算机,采用MAX3232对RS232电平和TTL 电平进行转换。当数据从节点上传到计算机时,MAX3232将TTL 电平转换为RS232电平供计算机读取;当计算机给节点发送数据时,MAX3232则将RS232电平转化为TTL 电平,协调器硬件框架如图3所示。 3.2 传感器节点设计
传感器节点相对协调器节点来说功能比较简单,不需要进行复杂的数据处理,接口外设也比较小,因此采用CC2530F64芯片外接CC2591功放模块,电源模块,时钟模块,LED 模块组成。CC2530处理器先把采集的数据信号进行模数转换,然后进行处理,通过CC2591功放芯片发给协调器节点。由于CC2591内部集成了RF 匹配网络,所以在RF 输入/输出部分不需要增加额外的匹配网络,其CC2530与CC2591硬件设计主要部分连接原理如图4所示。
图4 CC2530与CC2591硬件主要部分连接原理图
CC2591的HGM 、EN 、PA_EN 引脚都连接到CC2530的I/O 端口P1_1,P1_4,P0_7,由单片机来控制。当HGM 为高电平,表示CC2591接收数据时,LNA 是高增益模式;当HGM 为低电平,表示CC2591接收数据时,LNA 是低增益模式。而EN 引脚和PA_EN 引脚在CC2591正常工作时候置为高电平,当其进入低功耗模式时候,将其置为低电平,这样可以降低功耗。经试验采用CC2530+CC2591以后,ZigBee 网络的通信距离在视野好的开阔环境可达500m 以上。
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4 软件设计
4.1 协调器节点软件设计
协调器节点的软件设计主要指节点底层部分的编程,本文采用TI 公司CC2530提供支持的免费ZigBee2006协议栈软件,以ZStack(v2.20)版本中Gen ericApp 例程为基础,以C 语言为编程语言,在ZStack 通用模板的基础上,通过改动APP 程序来建立所需要的项目,程序中嵌入了实时操作系统,用于对网络组建、节点加入、数据收发等功能运行统一调度,其具体的软件流程如图5所示,并根据系统要求实现网络协议的成本优化选择。协调器节点建立网络(函数为NLME_ Network_Formation.Request())成功后,会在LED 上显示该节点为协调器,显示网络ID 号,并自动进入允许绑定模式(函数为zb_AllowBind(OXff)),对传感器发送的绑定请求作出响应。如果绑定成功,收集传感器节点发送的数据,通过zb_SendDataConfirm()指示应答。
图5 协调器节点软件流程图
由于本文采用CC2591来增大功率,需外接退耦电容以保证良好的接地性能,在ZStack 软件里对hal_mac_cfg.h 库中RSSI 进行补偿,具体定义如下：
/* CC2591 RSSI offset */
#defineHAL_MAC_RSSI_LNA_HGM_OFFSET -9 #defineHAL_MAC_RSSI_LNA_LGM_OFFSET 4 4.2 传感器节点软件设计
传感器节点能自动加入网络,发出绑定请求(函数为zb_BindDevice()),等待协调器节点绑定响应为成功,完成绑定操作。如果没有发现协调器节点,将周期性地继续搜索。
绑定成功后周期性发送温度,电压,RSSI 值给协调器，如果没有收到协调器的应答,传感器移除本次绑定,重复发现和绑定过程,其软件流程如图6所示。
图6 传感器节点软件流程图
4.3 PC 管理机软件设计
在PC 机中上位机管理软件采用面向对象的VB6.0开发,用户通过管理软件可直观看到整个网络的拓扑结构,可查询某传感器节点的地址、温度值、湿度值、电压值、及所监测点的实时温度曲线等,用户想查看某节点信息只需点击PC 机上相应节点即可。串口通信在无线传感器网络中是十分重要的,因为所有传感器节点采集到数据都是通过串口发送给上位机的,他是连接无线传感器网络与PC 机的通道。而协调器节点的计算及存储能力较弱,收到的数据包需通过串口立刻发送到PC 机,PC 机为避免串口数据被下一次发送所覆盖,需要对串口缓冲区进行管理,为此程序编写了CnComm 类实现相应功能。
5 实验及结果分析
为了测试所设计的传感器节点的覆盖范围及稳定性,将温度、湿度传感器,光敏电阻传感器分别连接至传感器节点的相应端口,先通过串口调试助手测试数据接受和发送情况,在数据发送接受正常的情况下,设置无障碍实验环境,测得点对点的通讯距离可达400m 以上。同时构建最简单的星型网络,传感器节点与协调器节点相距300m,每发送完1次数据后,便进入休眠状态,5min 后恢复,再次发送数据,连续监测2h,协调器显示接收到的数据信息并将接收到的数据通过串口上传到PC 机中。实验表明整个传输过程没有出现丢包现象,而且采集到的数据值准确,表明系统具有较好的可靠性和稳定性。
(下转第120页
)
则主要是根据每个用户的工作性质，分别赋予不同的用户等级（A级最大，可下载数据种类最多，D级最小，也是用户注册时查询下载系统自动赋予的最初权限等级）；
3结论
“气象数据存贮管理系统”为我局业务和科研人员在数据获取上提供一个便捷通道，大大减轻了数据管理人员在这方面的重复手工操作，提高了工作效率。同时，又将数据统一、有序管理起来，实现了气象数据的存储、管理、以及服务的整合和一体化。
需要指出的是，存储数据的服务器、“气象数据存贮管理系统”、SQL Server 2005以及Serv-U均部署于同一服务器，可实现最快的数据查询下载服务，同时也方便管理。该系统目前处于初步运转阶段，随着数
(上接第187页)
6结语
本文在介绍无线传感器网络相关知识的基础上,以CC2530模块为硬件基础,外加CC2591功放模块,基于ZigBee2006通讯协议进行组网。文中阐述了组成无线传感器网络所需的传感器节点,协调器节点,PC管理机等的软硬件设计方法及流程图等。经测试采用TI公司第二代片上系统CC2530设计的节点间的通讯距离远大于第一代产品,通讯更可靠。
参考文献
1 ZigBee Alliance. ZigBee Specification 2006. [2010-08]. http://biz.doczj.com/doc/855935740.html,
2 李文仲,段朝玉.ZigBee2006无线网络与无线定位实战.北
京:北京航空航天大学出版社,2008.23?30.据量与种类的与日增加，服务器性能的承载能力如何，还需要进一步的测试并以此调整系统。
参考文献
1 Nielsen P.赵子鹏,袁国忠,乔健译.SQL Server 2005宝典.北
京:人民邮电出版社,2008.
2 Sack J.朱晔,金迎春译.SQL Server 2005范例代码查询辞典.
北京:人民邮电出版社,2008.
3 张淑萍.地级市气象数据库的设计与实现.农业网络信
息,2009,8:73?75.
4 王海龙,杨忠霞,陈朝辉,吕东柏,尹英汉.地级市气象信息网
络数据库系统建设及应用.气象环境科学,2009,32(增刊): 311?314.
5 王婉,姚博,周鸣.FTP服务器的建立及客户端的使用.河南
气象,2006,1:75?76.
3 CC25912.4GHz RF Front End (Rev.A) [2010-08]. http://biz.doczj.com/doc/855935740.html,/docs/prod/folders/print/cc2591.html
4 CC253X User’s Guide [Rev.A].[2010-06-25].http://focus.ti. com/docs/prod/folders/print/cc2530.html
5 IEEE 802.15.4-2003Std: Wireless Medium Access Control (MAC) and physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Network (LR-WPANs). [2010-08]. http://biz.doczj.com/doc/855935740.html,/
6 Suggestions for the improvement of the IEEE802.15.4 standard. [20010-08]. http://biz.doczj.com/doc/855935740.html,.
7 台宏达,田国会,宋保业,等.ZigBee2006协议栈的无线传感
执行网络构建.单片机与嵌入式系统,2009,7:35?38.
120 实用案例Application Case
2020年TI杯大学生电子设计竞赛 无线运动传感器节点设计（A题） 1. 任务 基于TI模拟前端芯片ADS1292和温度传感器LMT70设计制作无线运动传感器节点，节点采用电池供电，要求能稳定采集和记录使用者的心电信息、体表温度和运动信息。 2. 要求 （1）基于ADS1292模拟前端芯片设计心电检测电路，完成使用者的心电信号实时测量，要求：（30分） ①实时采集和记录使用者的心电信号，实现动态心电图的测试与显示； ②分析计算使用者的心率，心率测量相对误差不大于5%。 （2）基于LMT70温度传感器测量使用者体表温度，要求：（20分） ①实时采集和记录使用者的体表温度，温度采样率不低于10次/分钟； ②体表温度测量误差绝对值不大于2℃。 （3）基于加速度计等传感器检测使用者运动信息，实现运动步数和运动距离的统计分析，要求：（20分） ①运动距离记录相对误差不大于10%； ②运动步数记录相对误差不大于5%。 （4）无线运动传感器节点能通过无线上传使用者的基本心电信号、体表温度和运动信息，并在服务器（手机）端实时显示动态心电图、体表温度和运动信息，要求传输时延不大于1秒。（25分） （5）其他。（5分） （6）设计报告。（20分）
3. 说明 （1）作品进行心电信号测试时，可以通过直接输入心电信号模拟器进行校准，在确认作品达到题目要求的测量精度后，再对具体的使用者进行心电信号测试。目前市面上有多种心电信号模拟器产品，各赛区可以自行选择心电信号模拟器作为标准信号，对作品进行测试。 （2）作品设计中进行体表温度测量的温度传感器LMT70，需要使用引线连接并裸露在外，便于测试。在进行测试校验和实测时，可以通过使用标准体温计来测量使用者掌心温度，与本作品测量使用者掌心温度来进行比对。 （3）本作品测量的使用者运动信息，可以通过使用者在标定5米长的直线上来回运动进行测试，统计运动步数和运动距离。 （4）本作品的无线运动传感器节点需要实现无线上网、上传节点传感数据到服务器中，然后在服务器中实现数据管理和数据显示。参赛者可以使用手机或笔记本电脑作为服务器端。如果使用笔记本电脑作为服务器端，则必须将电脑作为本作品的组成部分，在作品封存时一并封存。
毕业设计 设计题目：传感器电路设计
目录 1. 引言 1 2. 溶解氧传感器简介 1 3.信号输入部分电路 4 3.1 电源滤波电路图 4 3.2 信号放大电路 5 3.2.1信号放大电路图 5 3.3 AD623放大器简介 6 3.3.1AD623放大器的特点 6 3.3.2AD623放大器的工作原理 6 4 单片机电路7 4.1 单片机电源电路图8 4.2 89LPC925芯片简介8 4.2.1 P89PLC925芯片主要功能8 4.2.2 P89PLC925的低功耗选择11 4.2.3 P89PLC925的极限参数11 4.2.4 P89PLC925芯片管脚图11 5.MiniICP下载线的电路连接13 6.PCB板的绘制13 7.程序流程14 8. 总结16 参考文献16
传感器电路设计 摘要：溶解氧数字化传感器是应用单片机控制的智能化传感器，它可以对液体中溶解氧 的含量进行准确的测量。本设计从总体上介绍了溶解氧数字化传感器的工作原理，着重介 绍了电路元器件的选取以及输入信号的放大和P89LPC925芯片的工作原理，利用P89LPC925 芯片实现对溶解氧浓度的准确测量。 关键词：溶解氧传感器；P89LPC925;AD623 The design of the dissolved oxygen sensor (College of Physics and Electronic Engineering, Electrical Engineering and Its Automation, Class2 Grade2003, 0323110235) Abstract:Dissolved oxygen digital sensor is a king of intelligent sensor which use single-chip computer to control, it could measure the oxygen dissolved in liquid accurately. This design introduces the work principle of dissolved oxygen digital sensor, it introduces the selection of the circuit components and amplification of input signals and the work principle of P89LPC925 chip, P89LPC925 chip using the dissolved oxygen concentration on the measurement accuracy. Key Words: dissolved oxygen sensor; P89LPC925; AD623 1 引言 氧是维持人类生命活动必不可少的物质，它与人类的生存息息相关。氧也是与化学、生化反应、物理现象最密切的一种化学元素，无论是在工业、农业、能源、交通、医疗、生态环境等各个方面都有重要作用。特别是在水产养殖中，水体溶解氧对水中生物如鱼类的生存有着至关重要的影响。缺溶氧（溶解氧低于4mg/L）时将导致水生物窒息死亡；低溶氧导致水生物生长缓慢,增重率低而饵料系数高，对疾病的抵抗能力发病率高,生物的生长受到限制；高溶氧时某些鱼类幼体可能会出现气泡病。因此溶解氧浓度的精确测量显得尤为重要。 2 溶解氧传感器简介 溶解氧是溶解在水中的分子态氧，该定义是可查资料[1]-[4]，随着科技和经济的发展，溶解氧测量已从水介质延伸到了非水液体介质，如丙酮、苯、氯苯、环乙烷、甲醇、正辛烷。分布方式有水平分布和垂直分布两种.溶解氧的一个来源是水中溶解氧未饱和时，大气中的氧气向水体渗入；另一个来源是水中植物通过光合作用释放出的氧。溶解氧随着温度、气压、盐分的变化而变化，一般说来，温度越高，溶解的盐分越大，水中的溶解氧越低；气压越高，水中的溶解氧越高。
无线传感器网络的特点 大规模网络 为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。 传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。 自组织网络在 传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在传
感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，
从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。动态性网络传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；④新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。 可靠的网络 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。
传感器应用电路设计 电子温度计 学校：贵州航天职业技术学院 班级：2011级应用电子技术 指导老师： 姓名： 组员：
摘要 传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计。在件方面介绍单片机温度控制系统的设计,对硬件原理图做简洁的描述。系统程序主要包括主程序、读出温度子程序、温度转换命令子程序、计算温度子程序、显示数据刷新子程序。软硬件分别调试完成以后，将程序下载入单片机中，电路板接上电源，电源指示灯亮，按下开关按钮，数码管显示当前温度。由于采用了智能温度传感器DS18B20，所以本文所介绍的数字温度计与传统的温度计相比它的转换速率极快，进行读、写操作非常简便。它具有数字化输出，可测量远距离的点温度。系统具有微型化、微功耗、测量精度高、功能强大等特点，加之DS18B20内部的差错检验，所以它的抗干扰能力强，性能可靠，结构简单。 随着科技的不断发展，现代社会对各种信息参数的准确度和精确度的要求都有了几何级的增长，而如何准确而又迅速的获得这些参数就需要受制于现代信息基础的发展水平。在三大信息信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)中，传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器技术，在我国各领域已经引用的非常广泛，可以说是渗透到社会的每一个领域，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。 测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：①传统的分立式温度传感器②模拟集成温度传感器③智能集成温度传感器。 目前的智能温度传感器(亦称数字温度传器)是在20世纪90年代中期问世的，它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)。社会的发展使人们对
基于系统集成技术的节点类型和特点 在节点的功能设计和实现方面，目前常用的节点均为采用分立元器件的系统集成技术。已出现的多种节点的设计和平台套件，在体系结构上有相似性，主要区别在于采用了不同的微处理器，如AVR系列和MSP430系列等；或者采用了不同的射频芯片或通信协议，比如采用自定义协议、802.11协议、ZigBee[1]协议、蓝牙协议以及UWB通信方式等。典型的节点包括Berkeley Motes [2，3], Sensoria WINS[4], MIT μAMPs [5], Intel iMote [6], Intel XScale nodes [7], CSRIO研究室的CSRIO节点[8]、Tmote [9]、ShockFish公司的TinyNode[10]、耶鲁大学的XYZ节点[11] 、smart-its BTNodes[12]等。国内也出现诸多研究开发平台套件，包括中科院计算所的EASI系列[13-14]，中科院软件所、清华大学、中科大、哈工大、大连海事大学等单位也都已经开发出了节点平台支持网络研究和应用开发。 这些由不同公司以及研究机构研制的无线节点在硬件结构上基本相同，包括处理器单元、存储器单元、射频单元，扩展接口单元、传感器以及电源模块。其中，核心部分为处理器模块以及射频通信模块。处理器决定了节点的数据处理能力和运行速度等，射频通信模块决定了节点的工作频率和无线传输距离，它们的选型能在很大程度上影响节点的功能、整体能耗和工作寿命。 目前问世的传感节点（负责通过传感器采集数据的节点）大多使用如下几种处理器：ATMEL公司AVR系列的ATMega128L处理器，TI公司生产的MSP430系列处理器，而汇聚节点（负责会聚数据的节点）则采用了功能强大的ARM处理器、8051内核处理器、ML67Q500x系列或PXA270处理器。这些处理器的性能综合比较见表1。 表1、无线传感器网络节点中采用的处理器性能比较
1 系统结构概述 本文设计的WSN硬件平台，由若干传感器节点，具有无线接收功能的汇聚节点，以及一台PC机组成。 根据无线传感器网络的应用需求以及功能要求，节点的设计主要包括如下几个基本部分：传感器单元、处理器单元、A/D单元、射频单元、供电单元以及扩展接口单元。节点的硬件体系结构框架如图1-1 所示。 图1-1 传感器单元负责对所关心的物理量进行测量并采集数据，提供给处理器单元进行处理；处理器单元负责数据处理及控制整个节点的正常工作；射频天线单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制信息和相关数据；供电单元负责为节点提供运行所需的能量；扩展接口可以实现节点平台的功能拓展，以适应不同的应用需求。 2 节点核心模块设计： 2-1电源模块设计： 电源是设计中的关键部分，电源稳定工作是整个节点正常工作的保证，设计合理的电源电路至关重要。节点包含模拟器件和数字器件，模拟器件的抗干扰能力较差，且数字器件常常为模拟器件的噪声源，故为了 图2-1-1 提高电路的抗干扰能力，模拟器件接模拟地并采用数字地与模拟地单点共地。电源可选用电池或干电池，电源芯片可选用XC6209、XC6221系列的LDO电源芯片，分别提供3.3V和1.8V的数字与模拟电压，电路如图2-1-1所示。 2-2传感器 模块设计： 温度传感器设 计：本设计采用 LM75DM-33R2串行 可编程温度传感 器，这种传感器在 环境温度超出用户 变成设置时通知主 控制器。滞后也是 可以编程解决。它 采用2线总线方式，允许读入当前温度，并可配置器件。它是数字型温度传感器，直接从
寄存器读出温度参数，并可实现编程设置INT/CMPTR输出极性。 图2-2-1是其功能图，因为设计中只是简单的监测环境的温度，故只需一片 LM75，所以地址线A0、A1、A2置地，INT/CMPTR悬空，设计的接口电路如图2-2-2所示。 图2-2-1 图2-2-2 因为cc2431本身带有A/D模块，也可采用温度传感器AD590测量温度，其接口电路如图2-2-3。
声音传感器 1 简介 声音传感器又可称之为声敏传感器，它是一种在气体液体或固体 中传播的机械振动转换成电信号的器件或装置。它采用接触或非接触的方式检测信号。声敏传感器的种类很多，按测量原理可分为压电、电致伸缩效应、电磁感应、静电效应和磁致伸缩等等。本次作业我想就电容式声敏传感器中的一种也就是电容式驻极体话筒做个简单的介绍。 2 组成该传感器是内置一个对声音敏感的电容式驻极体话筒。驻极体 话筒主要由两部分组成——声电转换部分和阻抗部分。声电转换的关键元件是驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。当驻极体膜片遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压。驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小。因而它的输出阻抗值很高，约几十兆欧以上。这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的。所以在话筒内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。场效应管的特点是输入阻抗极高、噪声系数低。普通场效应管有源极(S)、栅极(G)和漏 极(D)三个极。这里使用的是在内部源极和栅极间再复合一只二极管 的专用场效应管。接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用。场效应管的栅极接金属极板。这样，驻极体话筒的输出线便有两根。即源极S, —般用蓝色塑线，漏极D,—般用红色塑料线和连接金属外壳的编织屏蔽线。
内肺龙弊壳 (b)电JA 3原理 该传感器内置一个对声音敏感的电容式驻极体话筒。声波使话筒内的驻极体薄膜振动，导致电容的变化，而产生与之对应变化的微小电压。这一电压随后被转化成0-5V的电压，经过A/D转换被数据采集器接受，并传送给计算机。 4型号及其技术指标 BR-ZSI声音传感器是一款工业标准输出（4?20mA ）的积分噪声监测仪，符合GB3785、GB/T17181等噪声监测标准，BR-ZSI 声音传感器针对噪声测试需求而设计，支持现场噪声分贝值实时显示，兼容用户的监控系统，对噪声进行定点全天侯监测，可设置报警极限对环境噪声超标报警，该监测仪精度高、通用性强、性价比高成为其显著的特点。 BR-ZSI声音传感器的技术参数： 测量范围：30?12OdB（A） 频率范围：20Hz?8kHz 频率计权：A （计权） 时间计权：F （快） 输出接口：4~20mA∕RS232灵敏度：
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2.概述 2.1系统组成框图 系统由传感器、信号预处理电路、处理器、显示器和系统软件等部分组成。传感器部分采用霍尔传感器，负责将电机的转速转化为脉冲信号。信号预处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形整形电路等部分，其中放大器实现对待测信号的放大,降低对待测信号的幅度要求，实现对小信号的测量；波形变换和波形整形电路实现把正负交变的信号波形变换成可被单片机接受的TTL/CMOS兼容信号。处理器采用AT89C51单片机，显示器采用8位LED数码管动态显示。本课题采用的是以8051系列的A T89C51单片机为核心开发的霍尔传感器测转速的系统。系统硬件原理框图如图1所示： 图1 系统框图 2.2系统工作原理 转速是工程上一个常用的参数，旋转体的转速常以每分钟的转数来表示。其单位为 r／min。由霍尔元件及外围器件组成的测速电路将电动机转速转换成脉冲信号，送至单片机AT89C51的计数器 T0进行计数，用T1定时测出电动机的实际转速。此系统使用单片机进行测速，采用脉冲计数法，使用霍尔传感器获得脉冲信号。其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆盘上粘上两粒磁钢，让霍尔传感器靠近磁钢，机轴每转一周，产生两个脉冲，机轴旋转时，就会产生连续的脉冲信号输出。由霍尔器件电路部分输出，成为转速计数器的计数脉冲。控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。单片机CPU将该数据处理后，通过LED显示出来。
2.2.1霍尔传感器 霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，由磁钢、霍耳元件等组成。测量系统的转速传感器选用SiKO 的 NJK-8002D 的霍尔传感器，其响应频率为100KHz ，额定电压为5-30（V ）、检测距离为10（mm ）。其在大电流磁场或磁钢磁场的作用下，能测量高频、工频、直流等各种波形电流。该传感器具有测量精度高、电压范围宽、功耗小、输出功率大等优点，广泛应用在高速计数、测频率、测转速等领域。输出电压4～25V ，直流电源要有足够的滤波电容，测量极性为N 极。安装时将一非磁性圆盘固定在电动机的转轴上，将磁钢粘贴在圆盘边缘，磁钢采用永久磁铁，其磁力较强，霍尔元件固定在距圆盘1-10mm 处。当磁钢与霍尔元件相对位置发生变化时，通过霍尔元件感磁面的磁场强度就会发生变化。圆盘转动，磁钢靠近霍尔元件，穿过霍尔元件的磁场较强，霍尔元件输出低电平；当磁场减弱时，输出高电平，从而使得在圆盘转动过程中，霍尔元件输出连续脉冲信号。这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。 2.2.2转速测量原理 霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为 l 、b 、d 。若在垂直于薄片平面（沿厚度 d ）方向施加外磁场B ，在沿l 方向的两个端面加一外电场，则有一定的电流流过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为：qVB f = 式中：f —洛仑磁力， q —载流子电荷， V —载流子运动速度， B —磁感应强度。 这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差H U 称为霍尔电压。 霍尔电压大小为： H U H R =d B I /??(mV) 式中：H R —霍尔常数， d —元件厚度，B —磁感应强度， I —控制电流 设 H K H R =d /, 则H U =H K d B I /??(mV) H K 为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T)，它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和 单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度B 反向时，霍尔电动势也反向。图2为霍耳元件的原理结构图。
信息工程学院实验报告 课程名称：传感器原理及应用 实验项目名称：实验四声音传感器实验实验时间：2016.10.21 班级：姓名：学号： 一、实验目的 1. 学习CC2530 单片机GPIO 的使用。 2. 学习声音传感器的使用 二、实验原理 1. CC2530 节点与三轴加速度传感器的硬件接口成绩： 指导老师(签名)：
(1). 声音传感器模块(MIC)引脚 GND：外接GND DO：数字量输出接口(0 和1) +5V：外接5V 电源 (2). 传感器模块与CC2530 模块之间的连接 传感器模块CC2530 模块 GND GND DO P1_4 +5V VDD(5V) 2. GPIO (1). 简介 CC2530单片机具有21个数字输入/输出引脚，可以配置为通用数字I/O或外设I/O信号，配置为连接到ADC、定时器或USART外设。这些I/O口的用途可以通过一系列寄存器配置，由用户软件加以实现。 I/O端口具备如下特性： ●21个数字I/O引脚 ●可以配置为通用I/O或外部设备I/O ●输入口具备上拉或下拉能力 ●具有外部中断能力。 这21个I/O引脚都可以用作于外部中断源输入口。因此如果需要外部设备可以产生中断。外部中断功能也可以从睡眠模式唤醒设备。 (2). 寄存器简介 本次实验中主要涉及到GPIO的寄存器如下：
3. MIC 声音传感器 (1). 概述 声音传感器的作用相当于一个话筒（麦克风）。它用来接收声波，显示声音的振动图象。但不能对噪声的强度进行测量。 该传感器内置一个对声音敏感的电容式驻极体话筒。声波使话筒内的驻极体薄膜振动，导致电容的变化，而产生与之对应变化的微小电压。这一电压随后被转化成0-5V 的电压，经过比较器转换数字信号后，被数据采集器接受，并传送给计算机。 传感器特点： ●具有信号输出指示。 ●输出有效信号为低电平。 ●当有声音时输出低电平，信号灯亮。 应用范围： ●可以用于声控灯，配合光敏传感器做声光报警，以及声音控制，声音检测的场合。 (2). 使用方法 本实验利用CC2530 的GPIO 读取声音传感器模块的检测结果输出端，当检测到一定的声音时，此输出端为低电平；未检测到一定的声音时，此输出端为高电平。因此在实际应用中可以根据这种情况判断是否有声音在传感器附近产生。 4.程序流程
传感器与测控电路课程设计 说明书 设计题目电感式（螺管型）位移传感器的设计 学校湖南科技大学学院机电工程学院 班级 07级测控一班学号 0703030116 设计人李广 指导教师余以道杨书仪 完成日期 2010 年 6 月 22 日
目录 一、设计题目与要求 (2) 二、基本原理简述 (2) 三、设计总体方案拟定 (7) 四、传感器的结构设计 (8) 五、结构设计CAD图 (12) 六、测控电路的设计与计算 (12) 七、电路框图及电路CAD图 (14) 八、精度误差分析 (14) 九、参考文献 (16)
一、设计题目与要求 1、设计题目：电感式（螺管型）位移传感器的设计 2、设计要求： 采用差动变压器原理设计一个测量位移的传感器，并设计一测控电路对传感器的输出量进行处理，使信号能输入到A/D 转换器，进行一系列的测量与控制。 二、基本原理简述 电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类。 自感式电感传感器可分为变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。 一、 螺管型自感传感器 有单线圈和差动式两种结构形式。 单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。 铁芯在开始插入（x =0）或几乎离开线圈时的灵敏度，比铁芯插入线圈的1/2长度时的灵敏度小得多。这说明只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有较好的线性特性。 1、工作原理 设线圈长度为l 、线圈的平均半径为r 、线圈的匝数为N 、衔铁进入线圈的长度la 、衔铁的半径为ra 、铁心的有效磁导率为μm ，则线圈的电感量L 与衔铁进入线圈的长度la 的关系可表示为 [] 2222 2)1(4a a m r l lr l N L -+=μπ
基于82527的CAN总线智能传感器节点设计 摘要：介绍一种以8051微控制器和82527独立CAN总线控制器为核心组成的CAN 总线智能传感器节点的设计方法，并给出其硬件原理图和初始化程序。 关键词：CAN总线 82527 单片机数据采集智能节点 引言 CAN（Controller Area Network，控制局域网）属于工业现场总线，是德国Bosch公司20世纪80年代初作为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器间的数据交换而开发的一种通信协议。1993年11月，ISO正式颁布了高速通信控制局域网（CAN）的国际标准（ISO11898）。CAN总线系统中现场数据的采集由传感器完成，目前，带有CAN总线接口的传感器种类还不多，价格也较贵。本文给出一种由8051单片机和82527独立CAN总线控制器为核心构成的智能节点电路，在普通传感器基础上形成可接收8路模拟量输入和智能传感器节点。
1 独立CAN总线控制器82527介绍 82527是Intel公司生产的独立CAN总线控制器，可通过并行总线与Intel 和Motrorola的控制器接口；支持CAN规程2.0B标准，具有接收和发送功能并可完成报文滤波。82527采用CHMOS 5V工艺制造，44脚PLCC封装，使用温度为-44～+125℃，其引脚的排列和定义参见参考文献[1]。 （1）82527的时钟信号 82527的运行由2种时钟控制：系统时钟SCLK和寄存器时钟MCLK。SCLK 由外部晶振获得，MCLK对SCLK分频获得。CAN总线的位定时依据SCLK的频率，而MCLK为寄存器操作提供时钟。SCLK频率可以等于外部晶振XTAL，也可以是其频率的1/2；MCLK的频率可以等于SCLK或是其频率的1/2。系统复位后的默认设置是SCLK=XTAL/2，MCLK=SCLK/2。 （2）82527的工作模式 82527有5种工作模式：Intel方式8位分时复用模式；Intel方式16位分时复用模式；串行接口模式；非Intel方式8位分时复用模式；8位非分时复用模式。本文应用Intel方式8位分时复用模式，此时82527的30和44脚接地。 （3）82527的寄存器结构[2]
设计题（20分，每个10分） 1．依据已学知识设计一光纤位移传感器（要求画出框架图，并解释位移与输出信号的关系） 2．依据已学知识设计一种加速度传感器（要求画出结构图并注明所用的敏感元件） 3．用所学知识设计出一种压力传感器，说明他的工作原理？ P103 图4.10 光纤测压传感器或者P151 图6.26 对中套管 光纤 厚的膜片 0.254 mm 膜片管 2 . 7 6 9 3 . 9 3 7 4 . 8 2 6 4．光纤干涉仪有较高的灵敏度，具有非常大的动态范围等优势。利用集成
电路技术和目前的电光技术起来，请画出集成的迈克尔逊(Michelson)干涉仪，并写出具体部件。 激光器光探测器3 dB耦合器 反射的光纤端面 换能器 5．依据已学知识设计一硒蒸发膜湿度传感器（标明电极） 图见书本P187 页 6．用热释电传感器设计一个热释电报警器? 7．CCD图像传感器的工作原理？ 8．依据已学知识设计一容器内液体重量传感器 9．依据已学知识设计一种热释电传感器（要求画出结构图并注明所用的敏感元件）
10． 画出你所认知的一种光电式传感器，要求注明结构 如图是光电管 11． 设计微弯光纤传感器104页 12． 依据已学知识设计一种筒式压力传感器（要求画出结构图并注明所用的敏感元件） 13． 依据已学知识设计一应变式感器（要求画出结构图并注明所用的敏感元件） 补偿片 工作片
应变电阻1和4沉积在杆的凹面处 应变电阻2和3沉积在杆的凸面处 14．依据已学知识，设计一个用差动变压式加速度传感器来测量某测试台平台振动的加速度（只画出原理图） 15．依据所学知识，设计一种实现自相关检测传感器（只画出原理图） 16．依据已学知识设计一种零差法检测的光纤相位传感器（要求只画出框架图）
复习 题型：共计38～39题，计算题较少，原理题很多 （1）选择题15’ （2）填空题10’ （3）名词解释3’x5 （4）作图题10’x1 （5）问答题20’x1（根据原理应用自主进行选择作答） 第1章 1.P3 图1.1无线网络的分类 2.无线传感器的定义P3 无线传感器网络(WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户。 无线传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户； 无线传感器网络的基本功能：协作式的感知、采集、处理和发布感知信息。
3.P4 图1.2现代信息技术与无线传感器网络之间的关系 无线传感器网络三个功能：数据采集、处理和传输； 对应的现代信息科技的三大基础技术：传感器技术、计算机技术和通信技术；对应的构成了信息系统的“感管”、“大脑”和“神经”。 4.P5P6 ★图1.3无线传感器网络的宏观架构 传感器网络网关原理是什么？
无线传感器通常包括传感器节点（sensor node），汇聚节点（sink node）和管理节点（manager node）。汇聚节点有时也称网关节点、信宿节点。 传感器节点见后2要点介绍。 Sink node：网关节点通过无线方式接收各传感器节点的数据并以互联网、移动通信网等有线的或无线的方式将数据传送给最终用户计算机。网关汇聚节点只需要具有处理器模块和射频模块、通过无线方式接收探测终端发送来的数据信息，再传输给有线网络的PC或服务器。汇聚节点通常具有较强的处理能力、存储能力和通信能力，它既可以是一个具有足够能量供给和更多内存资源与计算能力的增强型传感器节点，也可以是一个带有无线通信接口的特殊网关设备。汇聚节点连接传感器网络和外部网络。通过协议转换实现管理节点与传感器网络之间的通信，把收集到的数据信息转发到外部网络上，同时发布管理节点提交的任务。 5.传感器网络节点的组成P5 图1.4传感器网络节点的功能模块组成 传感器网络节点由哪些模块组成？－－－作图、简答 传感器模块负责探测目标的物理特征和现象，计算机模块负责处理数据和系统管理，存储模块负责存放程序和数据，通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发布和接受，电源模块负责节点供电，节点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议。 6.传感器网络的协议分层P5 1.5传感器网络的协议分层 每一层的作用是什么？－－－作图、简单
光电传感器电路设计 1、设计要求 利用光电传感器（光电对管）将机械旋转转化为电脉冲，光电对管实物如图1所示。 图1 光电对管实物图 2、电路设计 电路原理图如图2所示。 图2 光电传感器电路原理图 电路由四部分组成。 光电对管U1、电阻R1、电阻R2构成发射接收电路；比较器U2A、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6构成反相输入的滞回比较器；比较器U2B、电阻R7、电阻R8构成反相器；发光二极管D1、电阻R9构成输出电路。 3、电路测试 测试电路如图3所示。 由变频器带动电机工作，将光电对管对准旋转的电机（电机上贴有反光带），处理电路由12V直流电源供电。
图3 测试电路 测试波形如图4所示（测试距离为4cm）。 (a)发射接收电路的输出信号(b)滞回比较器比较电压波形 (c)滞回比较器输出波形(d)反相器输出波形 图4 测试波形 4、PCB板绘制（板子大小限定为62mm*18mm） PCB图如图5所示。其中电阻采用0805封装，LM358采用DIP8封装。
图5 光电传感器电路PCB图 5、完成实物图 实物图如图6所示。 (a)未焊接的PCB板 (b)焊接好的PCB板 (c)板子的外加塑料壳 图6 实物图 6、小结 在本次电路设计中，主要的难点有两个。 一是参数的整定，主要是滞回比较器上下门限的选择。滞回比较器上下门限的选择跟发射接收电路的输出波形有关，而光电对管与旋转面的距离、旋转面的反光度、反光带所在位置、可能遇到的干扰等都会影响输出波形。 二是PCB板的绘制。本次绘制采用的是Altium Designer Summer 09软件（Protel99SE的升级版）。首先画好原理图，然后再导入到PCB中，没有的元件
一、无线传感器网络的概述 1、无线传感器网络定义，无线传感器网络三要素，无线传感器网络的任务，无线传感器网 络的体系结构示意图，组成部分（P1-2） 定义：无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）是由部署在监测区域内大量的成本很低、微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一种多跳自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息，并发送给观察者或者用户 另一种定义：无线传感器网络(WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户 三要素：传感器，感知对象和观察者 任务：利用传感器节点来监测节点周围的环境，收集相关的数据，然后通过无线收发装置采用多跳路由的方式将数据发送给汇聚节点，再通过汇聚节点将数据传送到用户端，从而达到对目标区域的监测 体系结构示意图： 组成部分：传感器节点、汇聚节点、网关节点和基站 2、无线传感器网络的特点（P2-4） （1）大规模性且具有自适应性 （2）无中心和自组织 （3）网络动态性强 （4）以数据为中心的网络 （5）应用相关性 3、无线传感器网络节点的硬件组成结构（P4-6） 无线传感器节点的硬件部分一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块4部分组成。
4、常见的无线传感器节点产品，几种Crossbow公司的Mica系列节点（Mica2、 Telosb） 的硬件组成（P6） 5、无线传感器网络的协议栈体系结构（P7） 1.各层协议的功能 应用层：主要任务是获取数据并进行初步处理，包括一系列基于监测任务的应用层软件 传输层：负责数据流的传输控制 网络层：主要负责路由生成与路由选择 数据链路层：负责数据成帧，帧检测，媒体访问和差错控制 物理层：实现信道的选择、无线信号的监测、信号的发送与接收等功能 2.管理平台的功能 （1）能量管理平台管理传感器节点如何使用能源。 （2）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邻居的位置。 （3）任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。 6、无线传感器网络的应用领域（P8-9） （1）军事应用 （2）智能农业和环境监测 （3）医疗健康 （4）紧急和临时场合 （5）家庭应用 （6）空间探索
一、填空题（每题4分，共计60分） 1、传感器网络的三个基本要素：传感器，感知对象，观察者 2、传感器网络的基本功能：协作地感知、采集、处理和发布感知信息 3、无线传感器节点的基本功能：采集、处理、控制和通信等 4、传感器网络常见的时间同步机制有： 5、无线通信物理层的主要技术包括：介质的选择、频段的选择、调制技术和扩频技术 6扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种： ：直接序列扩频、跳频、跳时、宽带线性调频扩频 7、定向扩散路由机制可以分为三个阶段：周期性的兴趣扩散、梯度建立和路径加强 8、无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络 9、无线传感器网络的关键技术主要包括：网络拓扑控制、网络协议、时间同步、定位技术、数据融合及管理、网络安全、应用层技术等 10、IEEE 802.15.4标准主要包括：物理层和MAC层的标准 11、简述无线传感器网络后台管理软件结构与组成：后台管理软件通常由数据库、数据处理引擎、图形用户界面和后台组件四个部分组成。 12、数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测 13、无线传感器网络可以选择的频段有：868MHZ、915MHZ、2.4GHZ 5GHZ 14、传感器网络的电源节能方法：休眠机制、数据融合等， 15、传感器网络的安全问题：(1) 机密性问题。 (2) 点到点的消息认证问题。 (3) 完整性鉴别问题。 16、802.11规定三种帧间间隔：短帧间间隔SIFS，长度为 28 μs 、点协调功能帧间间隔PIFS长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度，即78 μs 分布协调功能帧间间隔DIFS ，DIFS长度=PIFS +1个时隙长度，DIFS 的长度为128 μs
基于的C A N总线智能传感器节点设计 SANY标准化小组 #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#
基于82527的CAN总线智能传感器节点设计 摘要：介绍一种以8051微控制器和82527独立CAN总线控制器为核心组成的CAN总线智能传感器节点的设计方法，并给出其硬件原理图和初始化程序。 关键词：CAN总线 82527 单片机数据采集智能节点 引言 CAN（Controller Area Network，控制局域网）属于工业现场总线，是德国Bosch公司20世纪80年代初作为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器间的数据交换而开发的一种通信协议。1993年11月，ISO正式颁布了高速通信控制局域网（CAN）的国际标准（ISO11898）。CAN总线系统中现场数据的采集由传感器完成，目前，带有CAN总线接口的传感器种类还不多，价格也较贵。本文给出一种由8051单片机和82527独立CAN总线控制器为核心构成的智能节点电路，在普通传感器基础上形成可接收8路模拟量输入和智能传感器节点。
1 独立CAN总线控制器82527介绍 82527是Intel公司生产的独立CAN总线控制器，可通过并行总线与Intel和Motrorola的控制器接口；支持CAN规程标准，具有接收和发送功能并可完成报文滤波。82527采用CHMOS 5V工艺制造，44脚PLCC封装，使用温度为-44～+125℃，其引脚的排列和定义参见参考文献[1]。 （1）82527的时钟信号 82527的运行由2种时钟控制：系统时钟SCLK和寄存器时钟MCLK。SCLK 由外部晶振获得，MCLK对SCLK分频获得。CAN总线的位定时依据SCLK的频率，而MCLK为寄存器操作提供时钟。SCLK频率可以等于外部晶振XTAL，也可以是其频率的1/2；MCLK的频率可以等于SCLK或是其频率的1/2。系统复位后的默认设置是SCLK=XTAL/2，MCLK=SCLK/2。 （2）82527的工作模式 82527有5种工作模式：Intel方式8位分时复用模式；Intel方式16位分时复用模式；串行接口模式；非Intel方式8位分时复用模式；8位非分时复用模式。本文应用Intel方式8位分时复用模式，此时82527的30和44脚接地。
无线传感器网络试题库附答案 《无线传感器网络》 一、填空题（每题4分，共计60分） 1.传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者) 2.传感器网络的基本功能：协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息3、 3.无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信 4.无线通信物理层的主要技术包括：介质选择、频段选取、调制技术、扩频技术 5.扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：直接序列扩频、跳频、跳时、宽带 线性调频扩频 6.定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段 7.无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、 应用相关的网络 8.无线传感器网络的关键技术主要包括：网络拓扑控制、网络协议、时间同步、定位技术、 数据融合及管理、网络安全、应用层技术
9.IEEE标准主要包括：物理层。介质访问控制层 10.简述无线传感器网络后台管理软件结构与组成：后台管理软件通常由数据库、数据处理 引擎、图形用户界面和后台组件四个部分组成。 11.数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和 预测 12.无线传感器网络可以选择的频段有：_800MHz___915M__、、___5GHz 13.传感器网络的电源节能方法：_休眠（技术）机制、__数据融合 14.传感器网络的安全问题：(1)机密性问题。(2)点到点的消息认证问题。(3)完整 性鉴别问题。 15.规定三种帧间间隔：短帧间间隔SIFS，长度为28s a)、点协调功能帧间间隔PIFS长度是SIFS加一个时隙(slot)长度，即78s b)分布协调功能帧间间隔DIFS，DIFS长度=PIFS+1个时隙长度，DIFS的长度为128 s 16.任意相邻区域使用无频率交叉的频道是，如：1、6、11频道。 17.网络的基本元素SSID标示了一个无线服务，这个服务的内容
信息工程学院实验报告 课程名称： 传感器原理及应用 实验项目名称： 实验四 声音传感器实验 实验时间： 班级： 姓名： 学号： 一、实 验 目 的 1. 学习 CC2530 单片机 GPIO 的使用。 2. 学习声音传感器的使用 二、实 验 原 理 1. CC2530 节点与三轴加速度传感器的硬件接口
(1). 声音传感器模块(MIC)引脚 GND：外接GND DO：数字量输出接口(0 和1) +5V：外接5V 电源 (2). 传感器模块与CC2530 模块之间的连接 2. GPIO (1). 简介 CC2530单片机具有21个数字输入/输出引脚，可以配置为通用数字I/O或外设I/O信号，配置为连接到ADC、定时器或USART外设。这些I/O口的用途可以通过一系列寄存器配置，由用户软件加以实现。 I/O端口具备如下特性： ●21个数字I/O引脚 ●可以配置为通用I/O或外部设备I/O ●输入口具备上拉或下拉能力 ●具有外部中断能力。 这21个I/O引脚都可以用作于外部中断源输入口。因此如果需要外部设备可以产生中断。外部中断功能也可以从睡眠模式唤醒设备。 (2). 寄存器简介 本次实验中主要涉及到GPIO的寄存器如下：
3. MIC 声音传感器 (1). 概述 声音传感器的作用相当于一个话筒（麦克风）。它用来接收声波，显示声音的振动图象。但不能对噪声的强度进行测量。 该传感器内置一个对声音敏感的电容式驻极体话筒。声波使话筒内的驻极体薄膜振动，导致电容的变化，而产生与之对应变化的微小电压。这一电压随后被转化成0-5V 的电压，经过比较器转换数字信号后，被数据采集器接受，并传送给计算机。 传感器特点： ●具有信号输出指示。 ●输出有效信号为低电平。 ●当有声音时输出低电平，信号灯亮。 应用范围： ●可以用于声控灯，配合光敏传感器做声光报警，以及声音控制，声音检测的场合。 (2). 使用方法 本实验利用CC2530 的GPIO 读取声音传感器模块的检测结果输出端，当检测到一定的声音时，此输出端为低电平；未检测到一定的声音时，此输出端为高电平。因此在实际应用中可以根据这种情况判断是否有声音在传感器附近产生。 4.程序流程