基于FPGA的无线传感器网络低功耗节点设计及实现

摘要

无线传感器网络是集分布式信息采集、信息传输和信息处理技术于一体网络信息系统，被誉为继个人电脑、计算机网络及无线通信后，IT技术的“第四次产业革命”，具有广泛的应用前景。WSNs节点是无线传感器网络功能的具体执行单元，但由于节点的电源能量有限且不易更换，因此如何减少能量消耗成为无线传感器网络的核心问题。
　　 论文概述了无线传感器网络的起源，特点和应用，介绍了数字系统功耗的来源，影响因素及各种低功耗优化技术。详细阐述了基于FPGA的无线传感器网络低功耗节点的具体设计过程。以EP1C12Q240C8芯片为核心，采用模块化的设计方法对节点进行分析设计，并研制出节点硬件实物。软件方面，基于FPGA平台，设计了满足节点要求的最小系统，编写了各系统模块驱动程序。分析了ZigBee协议组网的原理及过程，针对所设计的硬件节点的具体情况移植了简单的组网协议以实现传感器网络的组建，并编写了数据监控软件以监视网络传输的数据。设计采用了低功耗策略，以环境温度监控为应用对象，对所设计的节点进行了组网，通信距离和低功耗测试。
　　 测试结果表明，节点具有低功耗，低成本，微型化和强大的可扩展性和计算能力，可满足无线传感器网络在各个领域的应用需求。所研制的节点既可用于实际应用，又可为无线传感器网络技术的研究提供参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．1．1 无线传感器网络的起源及概述

1．1．2 无线传感器网络的特点

1．1．3 无线传感器网络的应用

1．1．4 课题研究的意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文研究的主要内容和结构安排

第二章 数字系统低功耗技术研究

2．1 数字系统功耗的概念及来源

2．1．1 数字系统功耗的概念

2．1．2 数字系统功耗的来源

2．2 影响功耗的主要因素

2．2．1 电源电压的选择

2．2．2 负载电容的大小

2．2．3 开关的活动性

2．3 数字系统低功耗优化技术

2．3．1 工艺级的低功耗优化技术

2．3．2 电路级的低功耗优化技术

2．3．3 版图级的低功耗优化技术

2．3．4 逻辑门级低功耗优化技术

2．3．5 系统级的低功耗优化技术

2．4 本章小结

第三章 节点系统硬件设计及实现

3．1 无线传感器网络节点设计要求

3．2 节点的硬件结构体系

3．3 基于FPGA平台的处理器模块设计

3．3．1 微处理器选型

3．3．2 处理器配置电路

3．3．3 串口通信电路

3．4 能量供应模块设计

3．5 无线通信模块设计

3．5．1 射频芯片的选型

3．5．2 射频芯片的外围匹配电路

3．5．3 射频天线的选择

3．5．4 CC1100与微处理器的连接

3．6 传感器模块设计

3．7 扩展I／O口模块设计

3．8 节点硬件PCB设计

3．9 本章小结

第四章 节点系统软件设计及实现

4．1 节点系统软件开发环境简介

4．1．1 FPGA设计平台

4．1．2 SoPC技术

4．1．3 开发工具简介

4．2 节点系统开发流程

4．3 UART驱动程序设计

4．4 数据采集程序设计

4．5 射频通信程序设计

4．5．1 SPI串口通信

4．5．2 命令滤波

4．5．3 寄存器的读写

4．5．4 FIFO的访问

4．5．5 CC1100的初始化配置

4．5．6 数据发送功能的实现

4．6 无线传感器网络的组建

4．6．1 基于ZigBee协议的网络组建

4．6．2 ZigBee节点系统的软件设计

4．6．3 网络数据监控软件的设计

4．7 本章小结

第五章 基于FPGA的节点低功耗策略及测试

5．1 基于FPGA的节点低功耗策略

5．1．1 恰当的选择元器件

5．1．2 降低电压

5．1．3 深度休眠模式

5．1．4 状态机设计

5．1．5 正确选用IP内核和I／O口

5．2 基于FPGA平台的验证与测试

5．2．1 FPGA测试平台

5．2．2 网络功能的测试

5．2．3 通信距离测试

5．2．4 节点系统低功耗测试

5．3 节点整体性能分析

5．4 本章小节

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果