武汉理工大学
基于 fpga 的智能无线传感器网络温度采集系统
作者信息:
Rachid Souissi1, Mohsen Ben-Ammar2
摘要
使用FPGA的无线传感器网络的设计可以提高，发展具有强大的嵌入式处理器的传感器节点处理系统的性能。事实上，FPGA 具有超并行处理数据能力。其使用，配置是灵活。这允许像快速傅里叶变换来实现对传感器节点和这密集的数字信号处理过程中任务可以甚至支持智能应用程序和新的安全算法。本文提出了一种无线传感器网络系统，监控职权范围，并定期可视化环境温度。拟议的系统包括基于 FPGA DE2-70 基站节点和五个传感器节点具有系统级芯片 CC2430 的体系结构。
关键字：无线传感器网络;ZigBee;CC2430 芯片系统上;FPGA DE2-70
简介
无线传感器网络 (Wsn) 的使用上升最后一年。事实上，几个工业、 研究人员和 工程师工作在民用和军事部门，在这项新技术，都需要使用多个节点、 甚至数百或数以千计的。这就是为什么有开发更多的申请，以解决在数据采集和环境控制中的几个喉舌。这些节点必须能够传感、 处理和交流物理参数，如温度和压力，通过全球的无线网络。本文对无线传感器网络的设计，获得从一些自主节点的温度。它介绍了使用 FPGA DE2 70 这一应用领域。FPGA DE2 70 无线传感器网络中的使用可以提高加工生产系统性能，发展强大的嵌入式的处理器。本文着重介绍了不同的技术、 方法和可用于此无线传感器网络技术的协议。所开发的系统允许环境温度监测。本文组织如下;第2节中我们将介绍一些作品处理传感器节点主要基于 FPGA，否则第3节涉及IEEE 802.15.4 标准，定义了物理层中所有的 ZigBee 设备;本标准由传感器节点用于彼此沟通。第4节致力于系统硬件体系结构;它暴露出该系统的主要组件。第5节中，暴露出软件建筑学院。第6条，提出了一种应用程序进行了。最后，整部作品给出了结论。
相关工作
在本节中我们将深入了解的几个无线传感器网络基于 FPGA 的系统。参考文献 [1] 提供的接口和基于 FPGA 的智能停车场管理系统的软-五金模块。因此，在汽车进入模块中，当汽车进入很多，是检测到它通过红外传感器。红外传感器提供脉冲到 FPGA 的假定输入被检测到，因此这辆车进入停车场。当这辆车离开多时，它是红外传感器检测到。红外传感器提供脉冲到 FPGA 的假定输入被检测到，并因此这辆车退出停车场。
我们进行项目 [2]，以开发一种新型的基于 FPGA 的光合作用智能传感器。智能传感器是获取和融合到测量温度、 湿度、 太阳辐射、 CO2、 空气压力和空气流动的主传感器信号的能力。这允许估计碳平衡、 综合和衍生变量从净光合速率在真正的时间，由于 FPGA 处理能力。为了做到这一点，我们必须有高性能计算能力。这些天，现场可编程门阵列 (FPGA) 是设备在应用程序中采用高需求计算资源是必要 （孔特雷拉-梅迪纳 et al.，2012年）。由于在这所需的高计算需求研究基于 FPGA 的智能传感器用获取主传感器读数，内存管理的能力，信号处理、 光合作用计算、 无线通信管理和原位实时提出了时间光合作用信号可视化技术在彩色液晶显示屏。
在这项工作 [3]，我们开发了一个模块化的节点。所以，这两个数字和模拟类型传感器正在考虑。它们产生的信号处理和通信模块的接口条件。对于处理现场可编程逻辑阵列 (FPGA) 模块。这允许密集数字信号处理 (DSP) 的任务，例如滑动平均滤波器，快速傅里叶变换 (FFT)，传感器节点上执行，这可以甚至支持智能应用程序。FPGA 模块是包括的因为这提供了一个可重构处理解决方案在哪些密集的 DSP 任务或可以实现哪些智能功能。
[4]，魏等人提出了一种基于芯片传感器节点这种SoC基于 OpenRisc1200 处理器和执行 mu;/OS II RTO 和横臂巴士。SoC由三个主要组件组成︰ 美联储从数字温度计采集单元耦合到 FPGA，处理温度 OpenRisc 固件和接口基于 RS-232 (SHUNCOM SZ05-STD) ZigBee 收发器逻辑块。利用的 FPGA 是 Altera 旋风 II (EP2C70)。该系统消耗 221 兆瓦。不过，既然只有 FPGA 接口几个组件 （数字温度计和 ZigBee 发射机），它似乎是矫枉过正，因为不使用其内部的嵌入式的资源，可以使用低功耗单片机执行相同的任务。
通信框图
拟议的系统作为通信协议使用 IEEE 802.15.4 标准 [5]。IEEE 802.15.4 标准定义物理和低速率无线个人区域网络 (LR WPAN) 的 MAC 层的特性包括无线传感器网络 (Wsn)。IEEE 802.15.4 主要侧重于低成本、 低功耗设备之间的通信，因此它提供了 250 kb/s 最多低传输速率。
物理层
IEEE 802.15.4 标准定义中所有 ZigBee 设备的物理层 (PHY)。PHY 是负责数据传输和接收所使用的无线电信道和特定调制和传播技术 [6]。IEEE 802.15.4 标准指定两个代表三个业务频段的物理层。这些三个乐队包括︰ 868 MHz （用于欧洲）、 （使用在美国），915 MHz 和 2.4 g h z （全球范围内使用） [7]。868 和 915 MHz 频带处于一个 PHY 调制，使用二进制的相移键控 (BPSK)，而 2.4 g h z 频段是在第二个 PHY 和雇用抵消正交相移键控 (O-QPSK) 调制。那里是 868 和 868.8 MHz、 902、 928 MHz 和 2.4 和 2.4835 GHz，所有使用的直接序列展频 (DSSS) 访问模式 [6] 之间的 16 通道之间的 10 种渠道之间的单通道。
MAC层
除了物理层，IEEE 802.15.4 标准定义所有 Zig-bee 设备的介质访问控制层。MAC 层协议作为 PHY 和更高的层协议之间的接口。MAC 的职能包括同步、 帧验证，确认帧交付、 协会和解除关联 [5，8]。
MAC 层定义了两种类型的设备;全功能设备 (FFD) 和减少功能设备 (RFD)。
FFD 节点实现了一套完整的 MAC 层功能，并且可以与发展筹资以及 RFD 通信设备。然而，RFD 装置实现只有一组缩减的功能，就必须附加到角色 （也称为泛协调员） 一名网络协调员 FFD 节点。潘协调员选择一个定义在 IEEE 802.15.4，即这两种业务通信模式、 非灯塔启用模式和灯塔启用的模式，由潘协调员来识别和同步通信内其潘定期发送信标在两种模式，MAC 控制无线电信道访问与避碰 (CSMA/CA) 机制采用一些像载波传感多重访问的方法。CSMA/CA 是在发送之前，为了避免碰撞 [8] 到网络侦听的网络争用协议。
ZigBee层
基于 IEEE802.15.4，ZigBee 标准 [9] 定义的更高的层即;在网络层和应用层 (图 1)。
图1：通信框图
图2：系统结构
网络层负责加入离开网络，安全、 路由、 发现 1 跳邻居和存储邻居信息。ZigBee 网络层支持三种拓扑结构;终端设备 (RFD) 相连的泛协调员 (FFD) 的作用，在终端设备可以附加也到 FFD 节点与路由功能作用 ZigBee 路由器以分层的方式 （与父-子关系） 树状拓扑结构，ZigBee 路由器可以将完全连接采用网状拓扑结构的中心点的星型拓扑结构。
如图 1 所示，应用层包括应用程序框架、 ZigBee 设备对象 (ZDO) 和应用程序子层 (AP)。应用程序框架可以有达 240 应用程序对象 (APOs)，那就是，用户定义的应用程序模块的 ZigBee [6] 应用程序的一部分。ZDO 定义设备的作用，启动和响应绑定请求和建立设备之间的安全关系。APS 提供数据的接口和安全服务对载脂蛋白沙 ZDO。
硬件结构
如图2所示，我们的系统由三种类型的实体组成。终端设备是由一个系统级芯片 (CC2430) 组成的传感器节点，负责遥感环境参数 （如温度），然后将遥感的数据发送到基站。基站含有系统上芯片 (CC2430)，并连接到 FPGA DE2-70 通过其扩展标头。基站负责从终端设备中收集数据。在那之后，FPGA DE2-70 读取此信息，然后发送它加入与个人计算机通过一个串行链接到相应的节点地址。PC 是负责可视化所接收的信息进行进一步的分析和解释 [10]。
FPGA DE2-70
Altera FPGA 广泛用作可编程器件，以支持设计和重用 (D 与 R)。这是与系统的可编程芯片 (SOPC) 哪里 Altera 主导产业及其 FPGA 芯片与软件应用工具的开发更多的方便。Altera Nios 是嵌入软核，32 位 RISC 处理器为 Altera 现场可编程门阵列 (FPGA) 器件进行优化。它是一个功能强大的嵌入式的处理器，主要用来控制可重构电路在 Altera FPGA 上运行。DE2-70 董事会架构如图 3 所示。它描绘了董事会的布局，并指示连接器和关键组件的位置。
图3：FPGA DE2-70 电路板
电池电路板
本节介绍了片上系统电池电路板(BB)。此板的主要功能是提供动力的 CC2430EM （评价模块） 或 CC2431EM 使用两节 AA 电池。它也可以由动力实验室直接连接到 GND 和 VDD 板上。低功耗射频 BB 是 EM 用一个简单的电池模块。如图 4 所示，它有一个 LED、 一个按键开关、 一个电源开关和 I/O 连接器对 SoC 上的所有 I/O 和一些额外的销钉的 A 和 B 给访问。它允许你快速部署 SOC 网络 [11]。该组件的照片，如图 4 所示。在此电池板，我们可以找到评价模块，其中包含对函数的射频部分的最小组件。
图4：片上系统电池板与CC2430EM
CC2430
CC2430 有三个不同版本︰ CC2430-F32/64/128，与 32/64/128 KB 的快闪记忆体分别。CC2430 是一个真正的片上系统 (SoC) 解决方案专门针对 IEEE 802.15.4 和 Zig-Beetrade; 的应用程序。它使 ZigBeetrade; 节点能够用很低的总条例草案-的材料成本。
CC2430 结合优秀的行业标准领先 CC2420 射频收发器性能增强 8051 单片机、 32/64/128 KB 闪存、 8 KB 的 RAM 和其他许多强大的功能。CC2430 结合行业领先 ZigBeetrade; 协议栈 （Z-堆栈），提供市场最具竞争力的 ZigBeetrade; 解决方案。
CC2430 是高度适合系统超低的功耗是必需的。这被通过不同的操作模式。短路过渡时期之间进一步的操作模式确保低功率消耗。
8051CPU
CC2430 包括 8 位 CPU 核心是工业标准 8051 核心增强的版。增强的 8051 核心使用标准 8051 指令集。指令执行速度比标准 8051 由于以下原因︰
每个指令周期
bull; 一个时钟使用而不是每个指令周期中标准 8051; 12 时钟
bull; 浪费的巴士国家被淘汰。由于指令周期的对齐内存读取在可能时，在单个时钟周期执行大多数单字节指令。
软件结构
此程序包中软件的设计基于分层的体系结构如图 5 所示。
应用层︰ 此软件包包含了几个应用例子与访问到基本射频和 HAL （硬件抽象层） [12]。
基本的 RF︰ 这一层提供了一个简单的协议，用于传输和接收双向
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武汉理工大学
毕业设计（论文）
外文文献翻译
学生姓名： 陆俊杰
导师姓名： 黄安贻 吴建勇
所属学院： 机电工程学院 专业班级： 测控zy1301
基于 fpga 的智能无线传感器网络温度采集系统
作者信息:
Rachid Souissi1, Mohsen Ben-Ammar2
摘要
使用FPGA的无线传感器网络的设计可以提高，发展具有强大的嵌入式处理器的传感器节点处理系统的性能。事实上，FPGA 具有超并行处理数据能力。其使用，配置是灵活。这允许像快速傅里叶变换来实现对传感器节点和这密集的数字信号处理过程中任务可以甚至支持智能应用程序和新的安全算法。本文提出了一种无线传感器网络系统，监控职权范围，并定期可视化环境温度。拟议的系统包括基于 FPGA DE2-70 基站节点和五个传感器节点具有系统级芯片 CC2430 的体系结构。
关键字：无线传感器网络;ZigBee;CC2430 芯片系统上;FPGA DE2-70
简介
无线传感器网络 (Wsn) 的使用上升最后一年。事实上，几个工业、 研究人员和 工程师工作在民用和军事部门，在这项新技术，都需要使用多个节点、 甚至数百或数以千计的。这就是为什么有开发更多的申请，以解决在数据采集和环境控制中的几个喉舌。这些节点必须能够传感、 处理和交流物理参数，如温度和压力，通过全球的无线网络。本文对无线传感器网络的设计，获得从一些自主节点的温度。它介绍了使用 FPGA DE2 70 这一应用领域。FPGA DE2 70 无线传感器网络中的使用可以提高加工生产系统性能，发展强大的嵌入式的处理器。本文着重介绍了不同的技术、 方法和可用于此无线传感器网络技术的协议。所开发的系统允许环境温度监测。本文组织如下;第2节中我们将介绍一些作品处理传感器节点主要基于 FPGA，否则第3节涉及IEEE 802.15.4 标准，定义了物理层中所有的 ZigBee 设备;本标准由传感器节点用于彼此沟通。第4节致力于系统硬件体系结构;它暴露出该系统的主要组件。第5节中，暴露出软件建筑学院。第6条，提出了一种应用程序进行了。最后，整部作品给出了结论。
相关工作
在本节中我们将深入了解的几个无线传感器网络基于 FPGA 的系统。参考文献 [1] 提供的接口和基于 FPGA 的智能停车场管理系统的软-五金模块。因此，在汽车进入模块中，当汽车进入很多，是检测到它通过红外传感器。红外传感器提供脉冲到 FPGA 的假定输入被检测到，因此这辆车进入停车场。当这辆车离开多时，它是红外传感器检测到。红外传感器提供脉冲到 FPGA 的假定输入被检测到，并因此这辆车退出停车场。
我们进行项目 [2]，以开发一种新型的基于 FPGA 的光合作用智能传感器。智能传感器是获取和融合到测量温度、 湿度、 太阳辐射、 CO2、 空气压力和空气流动的主传感器信号的能力。这允许估计碳平衡、 综合和衍生变量从净光合速率在真正的时间，由于 FPGA 处理能力。为了做到这一点，我们必须有高性能计算能力。这些天，现场可编程门阵列 (FPGA) 是设备在应用程序中采用高需求计算资源是必要 （孔特雷拉-梅迪纳 et al.，2012年）。由于在这所需的高计算需求研究基于 FPGA 的智能传感器用获取主传感器读数，内存管理的能力，信号处理、 光合作用计算、 无线通信管理和原位实时提出了时间光合作用信号可视化技术在彩色液晶显示屏。
在这项工作 [3]，我们开发了一个模块化的节点。所以，这两个数字和模拟类型传感器正在考虑。它们产生的信号处理和通信模块的接口条件。对于处理现场可编程逻辑阵列 (FPGA) 模块。这允许密集数字信号处理 (DSP) 的任务，例如滑动平均滤波器，快速傅里叶变换 (FFT)，传感器节点上执行，这可以甚至支持智能应用程序。FPGA 模块是包括的因为这提供了一个可重构处理解决方案在哪些密集的 DSP 任务或可以实现哪些智能功能。
[4]，魏等人提出了一种基于芯片传感器节点这种SoC基于 OpenRisc1200 处理器和执行 mu;/OS II RTO 和横臂巴士。SoC由三个主要组件组成︰ 美联储从数字温度计采集单元耦合到 FPGA，处理温度 OpenRisc 固件和接口基于 RS-232 (SHUNCOM SZ05-STD) ZigBee 收发器逻辑块。利用的 FPGA 是 Altera 旋风 II (EP2C70)。该系统消耗 221 兆瓦。不过，既然只有 FPGA 接口几个组件 （数字温度计和 ZigBee 发射机），它似乎是矫枉过正，因为不使用其内部的嵌入式的资源，可以使用低功耗单片机执行相同的任务。
通信框图
拟议的系统作为通信协议使用 IEEE 802.15.4 标准 [5]。IEEE 802.15.4 标准定义物理和低速率无线个人区域网络 (LR WPAN) 的 MAC 层的特性包括无线传感器网络 (Wsn)。IEEE 802.15.4 主要侧重于低成本、 低功耗设备之间的通信，因此它提供了 250 kb/s 最多低传输速率。
物理层
IEEE 802.15.4 标准定义中所有 ZigBee 设备的物理层 (PHY)。PHY 是负责数据传输和接收所使用的无线电信道和特定调制和传播技术 [6]。IEEE 802.15.4 标准指定两个代表三个业务频段的物理层。这些三个乐队包括︰ 868 MHz （用于欧洲）、 （使用在美国），915 MHz 和 2.4 g h z （全球范围内使用） [7]。868 和 915 MHz 频带处于一个 PHY 调制，使用二进制的相移键控 (BPSK)，而 2.4 g h z 频段是在第二个 PHY 和雇用抵消正交相移键控 (O-QPSK) 调制。那里是 868 和 868.8 MHz、 902、 928 MHz 和 2.4 和 2.4835 GHz，所有使用的直接序列展频 (DSSS) 访问模式 [6] 之间的 16 通道之间的 10 种渠道之间的单通道。
MAC层
除了物理层，IEEE 802.15.4 标准定义所有 Zig-bee 设备的介质访问控制层。MAC 层协议作为 PHY 和更高的层协议之间的接口。MAC 的职能包括同步、 帧验证，确认帧交付、 协会和解除关联 [5，8]。
MAC 层定义了两种类型的设备;全功能设备 (FFD) 和减少功能设备 (RFD)。
FFD 节点实现了一套完整的 MAC 层功能，并且可以与发展筹资以及 RFD 通信设备。然而，RFD 装置实现只有一组缩减的功能，就必须附加到角色 （也称为泛协调员） 一名网络协调员 FFD 节点。潘协调员选择一个定义在 IEEE 802.15.4，即这两种业务通信模式、 非灯塔启用模式和灯塔启用的模式，由潘协调员来识别和同步通信内其潘定期发送信标在两种模式，MAC 控制无线电信道访问与避碰 (CSMA/CA) 机制采用一些像载波传感多重访问的方法。CSMA/CA 是在发送之前，为了避免碰撞 [8] 到网络侦听的网络争用协议。
ZigBee层
基于 IEEE802.15.4，ZigBee 标准 [9] 定义的更高的层即;在网络层和应用层 (图 1)。
图1：通信框图
图2：系统结构
网络层负责加入离开网络，安全、 路由、 发现 1 跳邻居和存储邻居信息。ZigBee 网络层支持三种拓扑结构;终端设备 (RFD) 相连的泛协调员 (FFD) 的作用，在终端设备可以附加也到 FFD 节点与路由功能作用 ZigBee 路由器以分层的方式 （与父-子关系） 树状拓扑结构，ZigBee 路由器可以将完全连接采用网状拓扑结构的中心点的星型拓扑结构。
如图 1 所示，应用层包括应用程序框架、 ZigBee 设备对象 (ZDO) 和应用程序子层 (AP)。应用程序框架可以有达 240 应用程序对象 (APOs)，那就是，用户定义的应用程序模块的 ZigBee [6] 应用程序的一部分。ZDO 定义设备的作用，启动和响应绑定请求和建立设备之间的安全关系。APS 提供数据的接口和安全服务对载脂蛋白沙 ZDO。
硬件结构
如图2所示，我们的系统由三种类型的实体组成。终端设备是由一个系统级芯片 (CC2430) 组成的传感器节点，负责遥感环境参数 （如温度），然后将遥感的数据发送到基站。基站含有系统上芯片 (CC2430)，并连接到 FPGA DE2-70 通过其扩展标头。基站负责从终端设备中收集数据。在那之后，FPGA DE2-70 读取此信息，然后发送它加入与个人计算机通过一个串行链接到相应的节点地址。PC 是负责可视化所接收的信息进行进一步的分析和解释 [10]。
FPGA DE2-70
Altera FPGA 广泛用作可编程器件，以支持设计和重用 (D 与 R)。这是与系统的可编程芯片 (SOPC) 哪里 Altera 主导产业及其 FPGA 芯片与软件应用工具的开发更多的方便。Altera Nios 是嵌入软核，32 位 RISC 处理器为 Altera 现场可编程门阵列 (FPGA) 器件进行优化。它是一个功能强大的嵌入式的处理器，主要用来控制可重构电路在 Altera FPGA 上运行。DE2-70 董事会架构如图 3 所示。它描绘了董事会的布局，并指示连接器和关键组件的位置。
图3：FPGA DE2-70 电路板
电池电路板
本节介绍了片上系统电池电路板(BB)。此板的主要功能是提供动力的 CC2430EM （评价模块） 或 CC2431EM 使用两节 AA 电池。它也可以由动力实验室直接连接到 GND 和 VDD 板上。低功耗射频 BB 是 EM 用一个简单的电池模块。如图 4 所示，它有一个 LED、 一个按键开关、 一个电源开关和 I/O 连接器对 SoC 上的所有 I/O 和一些额外的销钉的 A 和 B 给访问。它允许你快速部署 SOC 网络 [11]。该组件的照片，如图 4 所示。在此电池板，我们可以找到评价模块，其中包含对函数的射频部分的最小组件。
图4：片上系统电池板与CC2430EM
CC2430
CC2430 有三个不同版本︰ CC2430-F32/64/128，与 32/64/128 KB 的快闪记忆体分别。CC2430 是一个真正的片上系统 (SoC) 解决方案专门针对 IEEE 802.15.4 和 Zig-Beetrade; 的应用程序。它使 ZigBeetrade; 节点能够用很低的总条例草案-的材料成本。
CC2430 结合优秀的行业标准领先 CC2420 射频收发器性能增强 8051 单片机、 32/64/128 KB 闪存、 8 KB 的 RAM 和其他许多强大的功能。CC2430 结合行业领先 ZigBeetrade; 协议栈 （Z-堆栈），提供市场最具竞争力的 ZigBeetrade; 解决方案。
CC2430 是高度适合系统超低的功耗是必需的。这被通过不同的操作模式。短路过渡时期之间进一步的操作模式确保低功率消耗。
8051CPU
CC2430 包括 8 位 CPU 核心是工业标准 8051 核心增强的版。增强的 8051 核心使用标准 8051 指令集。指令执行速度比标准 8051 由于以下原因︰
每个指令周期
bull; 一个时钟使用而不是每个指令周期中标准 8051; 12 时钟
bull; 浪费的巴士国家被淘汰。由于指令周期的对齐内存读取在可能时，在单个时钟周期执行大多数单字节指令。
软件结构
此程序包中软件的设计基于分层的体系结构如图 5 所示。
应用层︰ 此软件包包含了几个应用例子与访问到基本射频和 HAL （硬件抽象层） [12]。
基本的 RF︰ 这一层提供了一个简单的协议，用于传输和接收双向
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