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嵌入式系统在无线传感器网络中的应用.docx
资料介绍
嵌入式系统在无线传感器网络中的应用
一、引言
无线传感器网络（WSN）由大量部署在监控区域的传感器节点组成，通过无线通信自组织成网络，协作采集和处理环境数据。WSN 在环境监测、工业控制、智能农业和智慧城市等领域广泛应用。嵌入式系统在 WSN 节点中扮演着核心角色，负责传感器数据采集、无线通信管理、网络协议栈运行和低功耗电源管理。WSN 对嵌入式系统的要求集中在超低功耗（电池工作数月至数年）、低成本和小型化上。
二、WSN 节点架构
传感器节点：MCU 运行传感器驱动和网络协议栈，通过 ADC 或数字接口采集传感器数据，通过无线模块发送数据。典型节点使用 Cortex-M0/M4 MCU，待机电流低至 1μA。
无线通信模块：Sub-1GHz 模块（CC1310、SX1276）提供远距离通信，2.4GHz 模块（CC2530、nRF52840）支持 Zigbee 和 BLE 协议。MCU 通过 SPI 控制无线模块。
电源管理：使用电池供电，PMU 管理多路电源输出。MCU 在空闲时进入深度睡眠，定时器周期性唤醒采集数据。能量收集技术（太阳能、振动）为节点补充能量。
三、WSN 网络协议
Zigbee：基于 IEEE 802.15.4 标准，支持 Mesh 组网，设备类型包括协调器、路由器和终端设备。Zigbee 协议栈在 MCU 上运行，支持自组网、多跳路由和低功耗模式。
6LoWPAN：IPv6 低功耗无线个人区域网络，在 IEEE 802.15.4 帧上传输 IPv6 数据包。MCU 运行 6LoWPAN 适配层，处理报头压缩和分片重组。
RPL 路由协议：IPv6 路由协议，构建从传感器节点到网关的 DODAG 拓扑。MCU 运行 RPL 协议栈，选择最优父节点转发数据。
四、低功耗关键技术
占空比工作：节点以 0.1% 到 1% 的占空比工作，大部分时间处于深度睡眠。MCU 定时唤醒采集数据并发送，发送完成后立即返回睡眠。
事件驱动：节点在检测到事件（如振动超过阈值、温度突变）时触发采集和发送，平时处于监听或休眠状态。事件驱动比周期性采集更节能。
数据聚合：中间节点聚合多个子节点的数据，去除冗余信息后转发，减少数据发送量。数据聚合在 MCU 中完成。
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