基于MEMS传感器的无线传感网络研究

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无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术,是一个涉及多学科内容的全新研究领域。无线传感器网络技术最先起源于军事项目的研究,具有节点密度高、网络动态性强、自组织网络、数据获取方式多样等特点,随着技术的发展,目前已被广泛的应用在军事、医学、监控、智能交通等领域。MEMS技术是一个新兴的发展迅速的前沿技术,具有广阔的发展潜力和市场前景。本论文研究了基于MEMS传感器的无线传感器网络,将设计的高精度新型MEMS电容加速度传感器经过改进后应用在无线传感器网络中,对传感器节点的软件和硬件进行了研究、设计,并通过实验实现了节点间的通信。本论文首先对无线传感器网络及其节点进行了研究,介绍了无线传感器网络的概念,归纳了无线传感器网络的特征,给出了网络节点的基本结构,将节点分为传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源管理模块四个功能模块,节点模块化有助于进行针对性的分析和研究,并分析了无线传感器网络及其节点受到的限制。论文接着对MEMS传感器进行了介绍,给出了电磁驱动增大检测电容的加速度传感器的工作原理,针对原有设计的不足,对传感器进行了改进,并给出了传感器的电容检测电路。最后用ANSYS软件对设计的传感器的模态、静态灵敏度和抗冲击能力进行了仿真分析,该传感器在非敏感方向上支撑梁的刚度较大,对加速度信号的灵敏度较低,轴向交叉效应小,在敏感方向上的静态灵敏度达到0.558μm/g,可承受1000g的加速度信号的冲击。在以上分析的基础上,论文对无线传感器网络系统进行了软硬件设计。硬件上采用了低功耗的MSP430F1611芯片和支持ZigBee的CC2430芯片。从各功能模块的角度分别对处理器模块、无线收发模块和电源模块进行了设计,其中包括处理器模块的串行存储电路、时钟电路、UART电路和JTAG接口电路以及无线收发模块的接口电路及与MSP430F1611的接口配置。软件上,主要设计并实现了串口通信、FLASH驱动、实时时钟定时功能、节点数据采集和无线数据通信五个功能。为了提高系统的实时响应,满足多任务的要求,首先对网关节点的MSP430F1611处理器进行μC/OS-Ⅱ操作系统的移植,并对μC/OS-Ⅱ移植时的代码进行了介绍。然后对MSP430的串口通信、FLASH驱动和定时时钟的实现进行了设计。在无线收发模块,主要实现了节点数据的采集和处理、数据的无线收发,通过ZigBee协议将节点采集到的数据以无线通信方式发送至网关节点,然后上传至PC机。论文最后对系统进行调试、实验,给出了节点实物图,介绍了系统软硬件的调试过程中遇到的问题,给出了节点通信实验的结果。
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