基于S12的无线传感器网络样机的系统设计

　　微传感器技术的发展和广泛应用，使得无线传感器网络成为传感器网络发展的必然趋势。无线传感器网络是由大量无处不在的、具有通信与计算能力的微小传感器节点，密集布设在无人值守的监控区域，构成的能够根据环境自主完成制定任务的“智能”自治测控网络系统。由于无线传感器网络长期在无人值守的状态下工作，无法经常为传感器节点更换电源，因此能耗成为无线传感器网络设计的关键问题之一，在系统设计时必须尽可能降低系统能耗。本文以无线传感器网络技术为理论依据，以教学样机系统为开发目标，提出了以MC9S12DT128为核心处理器，由蓝牙无线通信协议实现的无线传感器网络节点的设计方法。

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李帅

2020-4-28 14:53:39

1 硬件设计
1.1 系统原理
　　作为无线传感器网络内的一个节点，本系统由传感器单元、信号调理电路、A/D转换电路、信号处理单元（由单片机实现）、从蓝牙模块、主蓝牙模块以及PC工作站7部分组成，如图1所示。
　　具体工作过程是：传感器采集的环境中的信号量经过调理电路，送至MC9S12DT128单片机的模拟量输入端口；由单片机内置的ATD模块实现A/D转换，并对转换结果进行处理，将处理完毕的信号通过UART传送至从蓝牙模块。主蓝牙模块由PC机控制，主从蓝牙模块通过蓝牙协议实现数据交换。

图1 系统原理框图
1.2 MC9S12DT128简介
　　MC9S12DT128是Freescale公司的高性能16位单片机，采用5 V供电，内核为比68HC12的内核CPU12更快的S12，总线频率可达25 MHz。其特点是拥有丰富的I/O模块和工业控制专用的通信模块，如图2所示，工业应用非常广泛。

图2 MC9S12DT128片内资源
　　MC9S12DT128单片机内部带有5 V转换为2.5 V的电压调整器，其内核电压仅为2.5 V，功耗很低；片外I/O采用5 V供电，但输出功率软件可调，最低可将输出功率降低为全功率的50%。此外，单片机提供了停止模式、休眠模式和等待模式3种低功耗的工作模式供用户选择；也可将部分通信模块设置为休眠模式，以降低系统的功耗。MC9S12DT128不仅运算速度快，而且功耗可以降至很低，适用于无线传感器网络。
1.3 主从蓝牙模块
　　本系统包含相互配对的主从两个蓝牙模块。从蓝牙模块为日立公司的DOCENGMBM0202蓝牙模块，遵从蓝牙1.1规范，射频输出为class2级。其支持多种接口：USB接口、UART接口、PCM语音接口、PIO通用I/O口和ISP接口。另外，本系统中采用UART实现MC9S12DT128和蓝牙模块之间的通信，以及蓝牙模块的驱动和信号的传输。
　　主蓝牙模块采用基于CSR的BlueCore02芯片开发的金瓯蓝牙开发平台3.0版。它提供了UART、RS232、USB、SPI接口供用户进行开发、调试，音频接口可进行蓝牙语音的传输。本系统中PC机通过RS232接口控制主蓝牙模块。
1.4 传感器选择
　　为降低系统能耗，本系统所选用的传感器均为低功耗的小型传感器。其中，温度传感器选用Maxim公司的MAX6611。正常工作状态下，供电电流仅为150 μA，功耗为0.75 mW；在SHDN脚接地时处于省电状态，供电电流仅为1 μA，功耗仅为5 μW。湿度传感器选用Honeywell公司的HIH4000，其正常工作状态下的供电电流仅为200 μA，功耗为1 mW。压力传感器选用Motorola公司的MPX4100A，其正常工作状态下的供电电流为7 mA，功耗为35 mW。3个传感器在正常工作状态下的总功耗为36.75 mW；在节电工作状态下，总功耗为36.005 mW。
2 软件设计
2.1 MC9S12DT128的中断控制方式
　　本系统中，MC9S12DT128采用集编辑、编译、调试、程序下载于一体的开发环境CodeWarrior4.5进行开发。CodeWarrior4.5是一种交叉编译器，支持高级语言（如C、C++和Java），以及大部分微控制器的汇编语言。
　　中断控制方式是微处理器发展的一个重要里程碑，是提高CPU的工作效率、降低系统功耗的有效方式。
　　在CodeWarrior4.5下，中断函数的定义只有2种方法：采用pragma TRAP_PROC或者interrupt关键字进行定义。具体使用方法分别为（假定中断函数名为INCount）：
　　① #pragma TRAP_PROC
　　　　void INCount(void){
　　　　　　Tcount++;
　　}
　　② interrupt void INCount(void){
　　　　　　tcount++;
　　}
　　对应于中断函数不同的定义方式，CodeWarrior4.5下初始化中断向量表也有2种方法：
　　① 采用VECTOR ADDRESS或者VECTOR关键字。具体实现方法为，在工程的.prm文件中加入中断函数的入口地址：
　　VECTOR ADDRESS0x8AINCount
　　其中，0x8A为中断入口地址。或者，加入中断向量标号：
　　VECTOR 69 INCount
　　其中，69为中断向量标号。
　　② 采用关键字interrupt。具体实现方法为在中断函数定义时加入中断向量标号：
　　interrupt 69 void INCount(void){
　　　　tcount++;
　　}
　　其中，69为中断向量标号。
2.2 A/D转换中断方式的实现
　　本系统中，传感器采集到模拟信号的A/D转换是通过单片机的ATD模块实现的。对ATD模块采用中断的控制方式，可以节约系统资源，提高系统执行速度。

　　首先，必须在ATD模块的初始化程序中将ATD模块设置为中断模式，启用ATD转换完成中断。转换完成中断函数名为ATD0，其功能为读取A/D转换结果，采用interrupt关键字进行定义：
　　#pragma CODE_SEG ATD0Interrupt_SEG
　　interrupt void ATD0(void){
　　　　ATD0STAT0_SCF = 0;//关中断
　　　　MeasureResult[0]=ATD0DR0H;
　　　　MeasureResult[1]=ATD0DR0L;
　　　　MeasureResult[2]=ATD0DR1H;
　　　　MeasureResult[3]=ATD0DR1L;
　　　　MeasureResult[4]=ATD0DR2H;
　　　　MeasureResult[5]=ATD0DR2L;
　　}
　　#pragma CODE_SEG DEFAULT
　　中断函数入口通过在预编译文件中添加ATD中断入口地址0xFFD2实现，即在P&E_Multilink_CyclonePro_linker.prm中加入语句：
　　VECTOR ADDRESS 0xFFD2 ATD0
　　MC9S12DT128的Flash空间为128 KB，采用分页管理方式，其地址分配为：
　　RAM = READ_WRITE 0x0400 TO 0x1FFF;
　　/*unbanked Flash*/
　　ROM_4000 = READ_ONLY0x4000TO0x7FFF;
　　ROM_C000 = READ_ONLY0xC000 TO0xFEFF;
　　/*banked Flash*/
　　PAGE_38=READ_ONLY0x388000TO0x38BFFF;
　　PAGE_39=READ_ONLY0x398000TO0x39BFFF;
　　PAGE_3A=READ_ONLY0x3A8000TO0x3ABFFF;
　　PAGE_3B=READ_ONLY0x3B8000TO0x3BBFFF;
　　PAGE_3C=READ_ONLY0x3C8000TO0x3CBFFF;
　　PAGE_3D=READ_ONLY0x3D8000TO0x3DBFFF;
　　可以看到Flash空间被划分为两部分：unbanked Flash以及banked Flash。对于banked Flash，定义在其空间内的函数只能被本页的程序所调用；而定义在unbanked Flash内的函数则可以为工程内任意程序所调用。中断函数想要正确地响应中断请求，必须放在unbanked Flash内，因此需要将中断函数置于特定的位置。可以从A/D中断函数ATD0的定义中看出，ATD0被定义在CODE_SEG ATD0Interrupt_SEG部分。CODE_SEG ATD0Interrupt_SEG是自己定义的ATD0中断代码段，其存放位置在P&E_Multilink_CyclonePro_linker.prm文件的PLACEMENT关键字下定义：
　　PLACEMENT?
　　ATD0Interrupt_SEG，
　　COPY
　　INTOROM_C000
　　这样，就将ATD0Interrupt_SEG的位置定义在了unbanked Flash空间的ROM_C000。
　　最后，在工程中建立ATD0Interrupt.c文件，在其中声明中断函数ATD0()为外部函数：
　　#pragma CODE_SEG ATD0Interrupt_SEG
　　　　extern void ATD0();
　　#pragma CODE_SEG DEFAULT
　　这样，就能保证置于任意存储空间的主程序在请求中断时，都可以得到及时、正确的中断响应。
2.3 主从蓝牙模块驱动
　　蓝牙技术是一种使用2.4 GHz频段的短距离无线通信技术。与其他几种无线通信方式比较，蓝牙的传输速率并不是最快的，但由于其具有主从式的自组织微微网、低功耗、频段的开放性等优势，因此在无线传感器网络的应用中具有良好的前景。
　　本设计中的无线传感器网络模块正是采用蓝牙通信实现的。传感器采集的信号经过A/D转换，转换结果需要通过蓝牙无线通信传至PC机。蓝牙系统能够支持2种连接，即点对点连接和点对多点连接。这就形成了2种网络结构：微微网和散射网。本系统属于只有一个从设备的微微网。这个微微网中，主蓝牙为与PC机相连的蓝牙模块，从蓝牙由与单片机相连的蓝牙模块担任。主从蓝牙的区别在于：主蓝牙可以主动发出指令搜索蓝牙设备，建立和断开链接；而从蓝牙则必须等待主蓝牙的指令才能开始工作。
　　PC机与主蓝牙模块、单片机与从蓝牙模块之间都是串行通信，波特率为57 600 b/s。主从蓝牙模块的初始化过程大致相同，通过串行通信顺序发送如下10条指令：
　　Reset[01 03 0C 00]
　　Read_Buffer_Size[01 05 10 00]
　　Clear:Set_Event_Filter[01 05 0C 01 00]
　　Write_Scan_Enable[01 1A 0C 01 03]
　　Write_Authentication_Enable[01 20 0C 01 00]
　　Write_Voice_Setting[01 26 0C 02 60 00]
　　Set_Event_Filter[01 05 0C 03 02 00 02]
　　Write_Connection_Accept_Timeout[01 16 0C 02 00 20]
　　Write_Page_Timeout[01 18 0C 02 00 30]
　　Read_BD_ADDR[01 09 10 00]
　　蓝牙模块接收指令后返回相应的指令执行状态，处理器判断返回的指令状态，确定无误之后，才能发送下一条指令；否则，当前指令必须重新发送。主从蓝牙模块的工作流程如图3所示。

图3 主从蓝牙模块工作流程
　　采用VC6.0开发监控程序，将蓝牙指令封装在函数中，实现PC机对主蓝牙模块的控制。具体包括：初始化并驱动其开始工作，主动搜索从蓝牙模块，完成链接，并将指令执行状态及搜索到的蓝牙设备地址显示出来；控制与从蓝牙模块的通信，对主蓝牙模块接收到的数据进行处理，实时刷新数据，显示温度、湿度、压力传感器的测量结果。系统运行结果如图4所示。

图4 样机系统运行结果
结语
　　本系统以MC9S12DT128为核心处理器，采用蓝牙技术实现上位机与传感器节点的无线通信，完成了一个具有3个传感器的无线传感器网络模块的开发。实验证明，本系统具有功耗低、稳定性高、实时性好、数据传输稳定等特点，其实现是建立无线传感器网络微传感器节点的有益尝试。
参考文献
[1] 于海斌，曾鹏,等.智能无线传感器网络系统[M]. 北京：科学出版社,2006.
[2] 严紫建，刘元安.蓝牙技术[M].北京：北京邮电大学出版社,2001.
[3] 邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法[M].北京:清华大学出版社,2004.
[4] 杨国田，白焰. MOTOROLA 68HC12系列微控制器原理、应用与开发技术[M].北京：中国电力出版社,2003.
[5] Axman. MCU Project Board2 user Guide,2005.
[6] Motorola Inc. MC9S12DT128B Device User Guide.vol.09,2002.
肖胜然（硕士），主要研究方向为单片机与嵌入式实时操作系统；
周浩敏（教授），主要研究方向为传感器技术与DSP技术；
于宁（硕士），主要研究方向为ARM、Linux在轨道交通方面的应用。

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