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基于ZigBee技术的无线自组网传感器网络设计_图文

合肥工业大学 硕士学位论文 基于ZigBee技术的无线自组网传感器网络设计 姓名:李武建 申请学位级别:硕士 专业:测试计量技术及仪器 指导教师:张辉 20090401

基于ZigBee技术的无线自组网传感器网络设计 摘
无线传感器网络(Wireless
Sensor


Networks,WSNs)被广泛应用于环境探

测、天气预报、安全、监控,以及分布式计算和目标区域成像等领域,在军事、 医疗和民用等方面的应用具有深远意义。传感器网络系统集采集、传输、融合 分析于一体,对于庞大的测控系统,过多的线路连接会使系统成本较高且不易 维护,尤其是在现场装置空间位置不固定的情况下,采用无线传感器技术能够 解决这方面的问题。 当前,温度检测有三个主要的研究方向:一是由点到线、由线到面,实现 对温度场的检测;二是由表及里,通过表面检测物体内部的温度;三是由有线 到无线,方便对运动物体的检测。 本文根据温度检测的研究方向,在对几种近距离无线通信协议进行分析和 比较的基础上,选用ZigBee技术作为基本通讯协议,并基于该协议设计并实现 了无线测温系统。 首先,对温度测量系统进行了概述,其中重点介绍了无线网络在温度测量 系统中的特点和优势,接着介绍了无线传感网络的相关知识。 其次,对ZigBee协议进行了介绍,并在众多方案的基础上,提出了基于射 频一体化芯片CC2430的无线传感器网络节点和基于ARM7内核的¥3C4480芯 片的网关设计方案。并在此方案的基础上组建了无线测温平台。 最后,以区域温度测量为实际应用对象,搭建了一个简单的测试平台,验 证该平台作为测控系统组成部分的可实现性和自组网性。
测温

关键词:ZigBee

平台

无线传感器网络

The Design of Self-organizing

Wireless

Network Based On

Zigbee Technology Abstract

Wireless

Sensor Networks is used widely in environment exploration,weather

forecast,safety,monitor,distributed computing and target imaging,and it also has
profound significance in

military,healthcare and civil fields.Sensor Networks

contains acquisition,transmission and fusion analysis,which is gather in integral whole.For


huge measuring and controlling system,more line connection will
unease

make the higher cost the system the of non.fixing problems. position,using the

maintenance,especially in the condition
Sensor Networks
can

Wireless

solving

the

is Currently,there has three research direction in temperature detection:one

from point

to

line,from line

to

surface,realized the measurement of temperature temperature from surface;

field;second,from surface third,from wire
to

to inside,measure the inner to

wireless,easy

measure moving obj ect.
use

According to the research direction of temperature detection,this paper ZigBee technology
as

the

basic

communication protocol,which based

on

the

analysis and comparison of several communication protocols. First,this paper summary the temperature detection system.,and emphatically introduces advantages of wireless
sensor

network in

temperature detection,then

introduce the related knowledge about wireless network. Second,this paper is introduced the ZigBee protocol,and then propose the design scheme based
on

CC2430 and¥3C4480.

for practical application,this Finally,by using regional temperature detection paper consist


test

platform,proved the realizability and self-organizing of the

component of measuring and controlling system.

Keywords:ZigBee;Temperature detection;Platform

Wireless

Sensor Networks;

插图清单
图1.1模拟温度测量系统框图……………………………………………………l 图1.2数字温度测量系统框图……………………………………………………1
图1.3典型的无线传感器网络……………………………………………………2 图2.1 ZigBee网络拓扑结构………………………………………………………8 图2.2 ZigBee协议架构……………………………………………………………1


图3.1温度测量系统结构图………………………………………………………14 图4.1节点功能框图………………………………………………………………1 6
图4—2节点原理框图………………………………………………………………16 图4.3 CC2430外围电路图………………………………………………………18 图4.4 图4.5
SHTl SHTl

l尺寸图………………………………………………………………1



l接口电路图…………………………………………………………20

图4—6倒F天线模型图……………………………………………………………20
图4.7天线的S 11参数图…………………………………………………………2l

图4.8天线阻抗图…………………………………………………………………21 图4.9天线驻波比…………………………………………………………………21
图4—1 0天线二维增益图…………………………………………………………22 图4—11天线三维增益图…………………………………………………………22 图4.12完整功能节点供电原理图………………………………………………23 图4一l 3简化功能节点PCB图……………………………………………………23

图4.14简化功能节点实物图……………………………………………………23
图4.1 5网关原理结构图…………………………………………………………24 图4.1 6处理器原理图……………………………………………………………25 图4.17

USB接口电路图………………………………………………………一26
Flash和SDRAM接口电路图……………………………………………29

图4.1 8以太网接口电路图………………………………………………………27 图4.1


图4.20网关设计PCB图…………………………………………………………29

图4.21网关设计实物图…………………………………………………………29 图5.1节点接收程序流程图 图5—2节点发送程序流程图 图5.3建立网络流程图 图5.4加入网络流程图
图5.5
SHTl

……………………………………………………30 ……………………………………………………30

…………………………………………………………32 …………………………………………………………33 ………………………………………………………36 ……………………………………………………37 ………………………………………………………38

l程序流程图

图5-6 U.boot第一次运行图 图5.7 u.boot再次启动图

图5.8 ping通板子示意图 图5-9 ping虚拟机示意图 图5一l


………………………………………………………39 ………………………………………………………39

………………………………………………………39 ping主机示意图 图5—11调试系统硬件连接示意图………………………………………………40 图5一12 SDRAM测试图 图5.13 Flash测试图 …………………………………………………………4l ……………………………………………………………42

图6.1数据传输组成部分图………………………………………………………43 图6.2节点测量部分图……………………………………………………………43
图6.3第一次实验测量数据处理图………………………………………………44

图6—4第一次实验测量数据处理图………………………………………………44 表5—1程序文件结构………………………………………………………………3 1 表6.1实验结果数据1.…………………………………………………………??43 表6.2实验结果数据2……………………………………………………………43

独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知,除了文中特别加以标志和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果, 也不包含为获得金g巴』些太堂
或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作

的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签字:彦吠建 签字日期:弘617年4月叫日

学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解金目墨王些太堂有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅或借阅。本人授权金月旦王些盍

三L可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫
描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书)

学位论文者签名:彦矽Q蔓
签字日期沙1年4月少\日
学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址:

导师签名

签字日期

电话: 邮编:





本论文是在导师张辉教授的悉心指导下完成的。张老师渊博的知识、创新 的思维、严于律己宽以待人的品质影响着我,教育着我,不仅开拓了我的思路, 增长了我的学识,也使我在今后的学习、工作中受益匪浅。 感谢我的家人在我求学期间无私的帮助与鼓励。在此祝他们生活幸福,健
康长寿!

感谢实验室同学牛学虎、孙承文、倪勇对我的支持与鼓励。他们忘我的工 作态度以及营造出浓厚的科研氛围使我受益匪浅。能够认识他们将是我一生的
财富。

还有许许多多关心帮助过我的老师、同学和朋友们,在这里无法将他们的 名字一一列出,在此谨表我衷心的谢意!

作者:李武建
2009年3月29日

第一章
1.1温度测量系统概述 1.1.1温度测量系统组成概述





随着现代化信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现,温度是生产 过程中最普通的检测参数之一,因此温度检测系统已广泛应用于诸多的领域。 温度测量系统一般分为模拟温度检测系统和数字温度检测系统。 在模拟温度检测系统中,目前比较成熟的方案是利用模拟式温度传感器和 模数转换芯片把温度模拟量转换成数字量,然后送入单片机进行处理,并根据 处理的结果来控制相应的设备,如图1.1所示。

图1-1模拟温度测量系统框图

当系统进行多点温度测量时,所用模拟温度传感器增多,使系统变的复杂。 随着传感器技术的发展,出现了数字式温度传感器,有效地解决了模拟式温度 传感器外围电路复杂及抗干扰能力差的弊病,降低了对系统的要求【l】,于是产 生了数字测量系统。如图1.2所示,数字式温度传感器中集成了温度传感器, 模数转换器,温度寄存器等。传感器将温度转换成电压,再由转换器转换成数 字量送到温度寄存器,然后单片机通过直接读耿温度寄存器中的值来获取温度 数字量,从而进行分析和控制。

图1.2数字温度测量系统框图

1.1.2无线网络在温度测量系统中的特点和优势 当前,温度检测有三个主要的研究方向:一是由点到线、由线到面,实现 对温度场的检测;二是由表及里,通过表面检测物体内部的温度;三是由有线 到无线,方便对运动物体的检测。 随着工业环境中对温度的要求越来越高,传统的温度控制系统的弊端越来 越明显,已经不能适应人们生产生活的需要。为满足社会的需求,设计出无线 温度测量与控制系统已经成为很迫切的问题之一【2J。 无线温度测量就是用来对现场的温度进行无线检测的,它非常适用于运动 物体和不方便铺设线路场所,或危险、有毒、有害场所的温度检测,例如:转 炉、隧道窑、加工中的工件、酸碱浓度较高的化工场所等。它是将测量单元置 于检测的现场,把测得的温度信号由无线发射机通过电波发射出去。显示单元 设在另一地,比如工作室、监控室等,由无线接收机将测量结果接收下来,并 把测量结果显示给监控人员,实现检测与测量结果的无线连结。 1.2无线传感器网络简介 1.2.1无线传感器网络组成与特点 无线传感器网络(Wireless
Sensor

Network,WSN)就是由部署在监测区域

内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组 织的网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象 的信息,并发送给观察者。图1-3为一个典型的无线传感器网络结构【3】。

图1—3典型的无线传感器网络结构

因为节点的数量巨大,而且还处在随时变化的环境中,这就使它有着不同 于普通传感器网络的独特“个性”。首先是无中心和自组网特性。在无线传感器 网络中,所有节点的地位都是平等的,没有预先指定的中心,各节点通过分布 式算法来相互协调,在无人值守的情况下,节点就能自动组织起一个测量网络。 而正因为没有中心,网络便不会因为单个节点的脱离而受到损害。 其次是网络拓扑的动态变化性。网络中的节点是处于不断变化的环境中, 它的状态也在相应地发生变化,加之无线通信信道的不稳定性,网络拓扑因此



也在不断地调整变化,而这种变化方式是无人能准确预测出来的。 第三是传输能力的有限性。无线传感器网络通过无线电波进行数据传输, 虽然省去了布线的烦恼,但是相对于有线网络,低带宽则成为它的天生缺陷。 同时,信号之间还存在相互干扰,信号自身也在不断地衰减,诸如此类。不过 因为单个节点传输的数据量并不算大,这个缺点还是能忍受的。 第四是能量的限制。为了测量真实世界的具体值,各个节点会密集地分布 于待测区域内,人工补充能量的方法已经不再适用。每个节点都要储备可供长 期使用的能量,或者自己从外汲取能量(太阳能)。 第五是安全性的问题。无线信道、有限的能量以及分布式控制都使得无线 传感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的 常见方式。因此,安全性在网络的设计中至关重要。14J 1.2.2无线传感器网络发展历程 早在上世纪70年代,就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控 制器而构成传感器网络雏形,我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学 科的不断发展和进步,传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理 能力,并通过与传感控制器的相联,组成了有信息综合和处理能力的传感器网 络,这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始,现场总线技术开始应用于传 感器网络,人们用其组建智能化传感器网络,大量多功能传感器被运用,并使 用无线技术连接,无线传感器网络逐渐形成。 无线传感器网络是新一代的传感器网络,具有非常广泛的应用前景,其发 展和应用,将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家如美 国,非常重视无线传感器网络的发展,IEEE正在努力推进无线传感器网络的应 用和发展,波士顿大学(Boston University)创办了传感器网络协会(Sensor
Network

Consortium),期望能促进传感器联网技术开发。除了波士顿大学,该
Systems、Invensys、L一3
Net、Radianse、Sensicast

协会还包括BP、霍尼韦尔(Honeywell)、Ineto
Communications、Millennial

Systems及Textron

Systems。

美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时,更是将无线传感器网络 列为第一项未来新兴技术,《商业周刊》预测的未来四大新技术中,无线传感器 网络也列入其中。可以预计,无线传感器网络的广泛是一种必然趋势,它的出 现将会给人类社会带来极大的变革。 1.3几种短距离无线通信技术比较 目前使用较广泛的近距无线通信技术是蓝牙(Bluetooth)、无线局域网
802.1

1(Wi—Fi)、红外线数据通讯(IrDA)、超宽带通信(UWB)、近场通信(NFC)、

ZigBee等。它们都有其立足的特点,或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要 求;或着眼于功能的扩充性;或符合某些单一应用的特别要求;或建立竞争技



术的差异化等。但是没有一种技术可以完美到足以满足所有的需求。 (1)蓝牙技术 蓝牙技术诞生于1994年,Ericsson当时决定开发一种低功耗、低成本的无 线接口,以建立手机及其附件间的通信。1 998年,蓝牙技术协议由Ericsson、
IBM、Intel、

NOKIA、Toshiba等5家公司达成一致。

蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范,其实质内容是为 固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的近距无线接口,将通信技术与 计算机技术进一步结合起来,使各种设备在没有电线或电缆相互连接的情况下, 能在近距离范围内实现相互通信或操作。其传输频段为全球公众通用的2.4GHz ISM频段,提供1Mbps的传输速率和10m的传输距离。 蓝牙协议的标准版本为802.15.1,由蓝牙小组(SIG)负责开发。802.15.1 的最初标准基于蓝牙1.1实现,后者己构建到现行很多蓝牙设备中。新版
802.1 5.1

a基本等同于蓝牙1.2标准,具备一定的QoS特性,并完整保持后向兼

容性。

蓝牙技术遭遇的最大的障碍是过于昂贵。突出表现在芯片大小和价格难以 下调、抗干扰能力不强、传输距离太短、信息安全问题等等。这就使得许多用 户不愿意花大价钱来购买这种无线设备。因此,业内专家认为,蓝牙的市场前 景取决于蓝牙价格和基于蓝牙的应用是否能达到一定的规模。 (2)Wi.Fi技术
Wi.Fi(Wireless Fidelity,无线高保真)也是一种无线通信协议,正式名称

是IEEES02.11b,与蓝牙一样,同属于短距离无线通信技术。Wi—Fi速率最高可 达11Mb/s。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些,但在电波的覆盖范围 方面却略胜一筹,可达100 m左右。 Wi.Fi是以太网的一种无线扩展,理论上只要用户位于一个接入点四周的 一定区域内,就能以最高约11 Mb/s的速度接入Web。但实际上,如果有多个 用户同时通过一个点接入,带宽被多个用户分享,Wi.Fi的连接速度一般将只 有几百kb/s的信号不受墙壁阻隔,但在建筑物内的有效传输距离小于户外。 WLAN未来最具潜力的应用将主要在SOHO、家庭无线网络以及不便安装 电缆的建筑物或场所。目前这一技术的用户主要来自机场、酒店、商场等公共 热点场所。Wi.Fi技术可将Wi—Fi与基于XML或Java的Web服务融合起来, 可以大幅度减少企业的成本。例如企业选择在每一层楼或每一个部门配备 802.11b的接入点,而不是采用电缆线把整幢建筑物连接起来。这样一来,可以 节省大量铺设电缆所需花费的资金。
,、

最初的IEEE802.11规范是在1997年提出的,称为802.11b,主要目的是提 供WLAN接入,也是目前WLAN的主要技术标准,它的工作频率也是2.4GHz, 与无绳电话、蓝牙等许多不需频率使用许可证的无线设备共享同一频段。随着



Wi.Fi协议新版本如802.11a和802.119的先后推出,Wi.Fi的应用将越来越广 泛。速度更快的802.11 g使用与802.1lb相同的正交频分多路复用调制技术。 它工作在2.4GHz频段,速率达54Mb/s。根据最近国际消费电子产品的发展趋 势判断,802.119将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准。 (3)IrDA技术 红外线数据协会IrDA(Infrared Data Association)成立于1993年。起初, 采用IrDA标准的无线设备仅能在lm范围内以115.2 kb/s速率传输数据,很快 发展到4Mb/s以及16Mb/s的速率。 IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术,是第一个实现无线个人局 域网(PAN)的技术。目前它的软硬件技术都很成熟,在小型移动设备,如PDA、 手机上广泛使用。 IrDA的主要优点是无需申请频率的使用权,因而红外通信成本低廉。并且 还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。此外, 红外线发射角度较小,传输上安全性高。 IrDA的不足在于它是一种视距传输,两个相互通信的设备之间必须对准, 中间不能被其它物体阻隔,因而该技术只能用于2台(非多台)设备之间的连 接。而蓝牙就没有此限制,且不受墙壁的阻隔。IrDA目前的研究方向是如何解 决视距传输问题及提高数据传输率。 (4)NFC技术
NFC(Near Field

Communication,近距离无线传输)是由Philips、NOKIA

和Sony主推的一种类似于RFID(非接触式射频识别)的短距离无线通信技术 标准。和RFID不同,NFC采用了双向的识别和连接。在20cm距离内工作于 13.56MHz频率范围。 NFC最初仅仅是遥控识别和网络技术的合并,但现在已发展成无线连接技 术。它能快速自动地建立无线网络,为蜂窝设备、蓝牙设备、Wi.Fi设备提供 一个“虚拟连接”,使电子设备可以在短距离范围进行通讯。NFC的短距离交互 大大简化了整个认证识别过程,使电子设备间互相访问更直接、更安全和更清 楚,不用再听到各种电子杂音。 NFC通过在单一设备上组合所有的身份识别应用和服务,帮助解决记忆多 个密码的麻烦,同时也保证了数据的安全保护。有了NFC,多个设备如数码相 机、PDA、机顶盒、电脑、手机等之间的无线互连,彼此交换数据或服务都将 有可能实现。 此外NFC还可以将其它类型无线通讯(如Wi.Fi和蓝牙)“加速",实现更 快和更远距离的数据传输。每个电子设备都有自己的专用应用菜单,而NFC可 以创建快速安全的连接,而无需在众多接口的菜单中进行选择。与知名的蓝牙 等短距离无线通讯标准不同的是,NFC的作用距离进一步缩短且不像蓝牙那样



需要有对应的加密设备。 同样,构建Wi—Fi家族无线网络需要多台具有无线网卡的电脑、打印机和 其它设备。除此之外,还得有一定技术的专业人员才能胜任这一工作。而NFC 被置入接入点之后,只要将其中两个靠近就可以实现交流,比配置Wi.Fi连结
容易得多。

(5)UWB技术 超宽带技术UWB(Ultra Wideband)是一种无线载波通信技术,它不采用 正弦载波,而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,因此其所占的频谱范
围很宽。

UWB可在非常宽的带宽上传输信号,美国FCC对UWB的规定为:在3.1~ 10.6GHz频段中占用500MHz以上的带宽。由于UWB可以利用低功耗、低复 杂度发射/接收机实现高速数据传输,在近年来得到了迅速发展。它在非常宽的 频谱范围内采用低功率脉冲传送数据而不会对常规窄带无线通信系统造成大的 干扰,并可充分利用频谱资源。基于UWB技术而构建的高速率数据收发机有 着广泛的用途。 UWB技术具有系统复杂度低,发射信号功率谱密度低,对信道衰落不敏 感,低截获能力,定位精度高等优点,尤其适用于室内等密集多径场所的高速 无线接入,非常适于建立一个高效的无线局域网或无线个域网(WPAN)。 UWB主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达 和图像系统中。除此之外,这种新技术适用于对速率要求非常高(大于1 00 Mb/s)
的LANs或PANs。

UWB最具特色的应用将是视频消费娱乐方面的无线个人局域网(PANs)。 现有的无线通信方式,802.1 1 b和蓝牙的速率太慢,不适合传输视频数据;54 Mb/s速率的802.11a标准可以处理视频数据,但费用昂贵。而UWB有可能在
10

m范围内,支持高达110 Mb/s的数据传输率,不需要压缩数据,可以快速、 (6)ZigBee技术 ZigBee技术是最近发展起来的一种近距离无线通讯技术,它低功耗、低成

简单、经济地完成视频数据处理。

本、易应用,以2.4GHz为主要频段,采用扩频技术。ZigBee被业界认为是最 有可能应用在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域的无线技术。
【51

1.4文章研究内容及论文结构

本论文主要以区域温度检测系统为研究对象,重点在温度测量领域,在已
有技术的基础上进行了下面内容的研究与设计: (1)对温度测量系统进行总体设计,给出系统总体架构方案。



(2)对系统进行硬件设计,包括节点和网关。 (3)对系统进行软件设计,包括在ZigBee协议的基础上的通讯软件。 (4)对设计的硬件和软件进行调试,取得实验数据。 (5)对ZigBee技术在测控领域的应用做出探讨和展望。 论文第一章介绍了温度测量系统和无线传感网的基本知识,突出了无线传 感网络在测量系统中的应用;论文第二章介绍了ZigBee的相关知识,包括技术 特点和发展历程,以及ZigBee协议的架构;论文第三章介绍了整个温度控制系 统的架构和功能分析;第四章和第五章分别介绍了系统硬件和软件设计;第六 章对设计进行实验性验证并得出验证结果;第七章对无线温度测量系统未来的 发展做出了总结和展望。 1.5本章小结 本章对温度测量系统和无线传感器网络分别进行了介绍,并分析了无线传 感器网络在温度测量中应用的特点和优势,并简单介绍了几种常见的无线通讯
技术。



第二章
2.1

ZigBee技术及协议架构

ZigBee技术简介 ZigBee这个字源自于蜜蜂跳ZigZag形状的舞蹈,来通知其他蜜蜂有关花

粉位置等资讯,以达到彼此沟通信息之目的,故以此作为新一代无线通讯技术 之命名【61。 ZigBee是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通 信新技术,它依据IEEE
802.1 5.4标准,协调数千个微小的传感器之间的相互通

信。这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个 传感器传到另一个传感器,通信效率高。图2.1所示为ZigBee网络拓扑结构。

器币点

图2.1

ZigBee网络拓扑结构

由图2.1可以看出,根据设备功能的不同,网络中的设备可以分为完整功 能设备(FFD)和简化功能设备(RFD)。FFD实现了IEEE 802.15.4协议的全 集,而RFD则根据特定的应用需要只实现了IEEE
通信‘71。
802.1 5.4协议中的一部分。

一个FFD可以和RFD通信,也可以和其它的FFD通信,而RFD只能和FFD

2.2

ZigBee技术特点 ZigBee的技术特性决定它将是无线传感器网络的理想选择。 (1)数据传输速率低。只有10kb/s"--250kb/s,专注于低传输应用。无线

传感器网络不传输语音、视频之类的大数据量的采集数据,仅仅传输一些采集 到的温度、湿度之类的数据,所以WSN对传输速率的需要不是那么高。 (2)功耗低。在休眠状态下耗电量仅仅只有l肛W,通信距离短的情况下 工作状态的耗电为30mW,在低耗电待机模式下,两节普通5号干电池可使用 6个月以上。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。WSN的节 点对功耗的需求极其苛刻,传感器节点需要在危险(比如战场、核辐射)的区 域持续工作数年而不更换供电单元。ZigBee的耗电符合这一需求。



(3)成本低。因为ZigBee数据传输速率低,协议简单,所以大大降低了 成本,这也正是蓝牙系统所不具备的。无线传感器网络中可以具有成千上万的 节点,如果不能严格地控制节点的成本,那么网络的规模必将受到严重的制约, 从而将严重地制约WSN的强大功能。 (4)网络容量大。每个ZigBee网络最多可支持65000个节点,也就是说 每个ZigBee节点可以与数万节点相连接。由于WSN的能力很大程度上取决于 节点的多少,也就是说可容纳的传感器节点越多,WSN的功能越强大。所以 ZigBee的网络容量大的特点非常符合WSN的需要。 (5)有效覆盖范围在10~75m之间。但是可以扩展到数百米,具体依据 实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定,基本上能够覆盖普通的家庭 或办公室环境。降低WSN节点的能量消耗和平衡所有节点的能量,有必要缩 小节点RF模块的覆盖范围。 (6)工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz (美国),均为免执照频段,具有16个扩频通信信道。相应的,WSN采取2.4GHz 工作频段的特性将会更有利于WSN的发展。 (7)安全。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能,硬件本身支持CRC 和AES.128。这一安全特性能很好地适应军事需要的无线传感器网络。 (8)自动动态组网、自主路由。WSN网络是动态变化的,无论是节点的 能量耗尽,或者节点被敌人俘获,都能使节点退出网络,而且网络的使用者也 希望能在需要的时候向已有的网络中加入新的传感器节点。这就希望WSN能 具有动态组网、自主路由的功能,而ZigBee技术就正好能解决了WSN的这一
需要。

2.3

ZigBee技术发展历程 ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的应用于无线监测与控制应用的全球性

无线通信标准,强调简单易用、近距离、低速率、低功耗且极廉价的市场定位, 可以广泛应用于工业控制、家庭自动化、医疗护理、智能农业、消费类电子和 远程控制等领域,将拥有广阔的应用前景。 ZigBee技术的核心,是运行于微控制器内部的一套软件,我们也称之为软件 协议栈,负责该协议规范制定的,是ZigBee联盟,ZigBee联盟是一个高速增长 的非牟利业界组织,成员包括国际著名半导体生产商、技术提供者、代工生产 商以及最终使用者。成员正制定一个基于IEEE802.1 5.4、可靠、高性价比、低 功耗的网络应用规格。目前超过68家成员公司正积极进行ZigBee规格的制定 工作。当中包括7位推广委员,半导体生产商、无线技术供应商及代工生产商。 7位推广委员分别为:Honeywell,Invensys,Mitsubishi,Motorola,Philips,
Samsung。



ZigBee联盟于2004年12月通过了ZigBee 1.0(也称ZigBee2004)标准, 之后于2005年9月公布并提供下载。 2006年12月ZigBee联盟又推出ZigBee 1.1(也称ZigBee2006)版。ZigBee 1.1较原有ZigBee 1.0作了若干修改,例如新增ZCL(ZigBee Cluster Library)、 集团装置(Group Device)、多播(Multicast)功效、并且可以直接透过无线方
式(Over
Value The

Air;OTA)进行组态配置和软件更新,此外也移除了KVP(Key
Pro Feature Set

Pair)的讯息格式。

2007年lO月,ZigBee联盟推出ZigBee2007,订立出ZigBee

(简称:ZigBee Pro)的新标准,对ZIGBEE协议栈进行了重大升级,加强了 对家庭自动化(Home Automation;HA)、建筑/商业大楼自动化(Building Automation;BA)、高级抄表结构(Advanced Meter Infrastructure;AMI)3种

应用剖面的支持。同时在自动跳频,支持更大的网络,更高级的路由算法等方 面的改进和提高,将ZIGBEE协议栈的可用性和可靠性,提高到一个全新的阶
段。

2.4

ZigBee协议架构 ZigBee协议与其他网络通信协议一样采用了分层模型,对各层所实现的功

2.4.1总体架构

能和在整个协议中所起的作用做出了明确的划分。ZigBee协议套件由高层应用 规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成,如图2.2所示。
应用层




应用汇聚层 网络层
J ~

z蜒 bee联 盔 制定
IEEE

MAC层 物理层
、 ,

制定
、 ,

图2-2 ZigBee协议架构

1)物理层:遵循IEEE802.15.4协议,是协议的最底层,承担着与外界直 接作用的任务,控制RF收发器工作,采用扩频通信。 2)MAC层:遵循IEEE802.15.4协议,负责设备间无线数据链路的建立、 维护和结束,确认模式的数据传送和接收,可选时隙,实现低延迟传输,支持 各种网络拓扑结构,网络中每个设备为16位地址寻址。 3)网络层:建立新的网络,处理节点的进人和离开网络,根据网络类型设

置节点的协议堆栈,使网络协调器对节点分配地址,保证节点之间的同步,提 供网络的路由,保证数据的完整性,使用可选的AES对通信加密。 4)应用层:应用支持层维持器件的功能属性,发现该器件工作空间中其他 器件的工作,根据服务和需求使多个器件之间进行通信,根据具体应用由用户
开发【81。 2.4.2物理层主要功能

物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口,提供物理层数据服 务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据,物理层管 理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。 物理层数据服务包括以下五方面的功能: (1)激活和休眠射频收发器; (2)信道能量检测(energy
(4)空闲信道评估(clear (5)收发数据。
detect);
quality

(3)检测接收数据包的链路质量指示(1ink

indication,LQI);

channel assessment,CCA);

信道能量检测为网络层提供信道选择依据。它主要测量目标信道中接收信号 的功率强度,由于这个检测本身不进行解码操作,所以检测结果是有效信号功 率和噪声信号功率之和。 链路质量指示为网络层或应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量 信息,与信道能量检测不同的是,它要对信号进行解码,生成的是一个信噪比 指标。这个信噪比指标和物理层数据单元一道提交给上层处理。 空闲信道评估判断信道是否空闲。IEEE
802.1 5.4定义了三种空闲信道评估

模式:第一种简单判断信道的信号能量,当信号能量低于某一门限值就认为信 道空闲;第二种是通过判断无线信号的特征,这个特征主要包括两方面,即扩 频信号特征和载波频率;第三种模式是前两种模式的综合,同时检测信号强度 和信号特征,给出信道空闲判断。
2.4.3

MAC层主要功能

MAC子层提供两种服务:MAC层数据服务和MAC层管理服务(MAC
sublayer management

entity,MLME)。前者保证MAC协议数据单元在物理层数

据服务中的正确收发,后者维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据
库。

MAC子层主要功能包括下面六个方面: (1)协调器产生并发送信标帧,普通设备根据协调器的信标帧与协议器同
步;

(2)支持PAN网络的关联(association)和取消关联(disassociation)操
作:

(3)支持无线信道通信安全; (4)使用CSMA.CA机制访问信道; (5)支持时槽保障(guaranteed
time

slot,GTS)机制;

(6)支持不同设备的MAC层间可靠传输。 关联操作是指一个设备在加入一个特定网络时,向协调器注册以及身份 证的过程。LR—WPAN网络中的设备有可能从一个网络切换到另一个网络,这 时就需要进行关联和取消关联操作。 时槽保障机制和时分复用(time
的时间同步,IEEE
division multiple

access,TDMA)机制相似,

但它可以动态地为有收发请求的设备分配时槽。使用时槽保障机制需要设备间
802.1

5.4中的时间同步通过下面介绍的“超帧”机制实现。

2.4.4网络层主要功能 网络层在MAC层与应用层之问提供合适的接口,通过激发MAC层的动作
执行寻址和路由功能。主要任务包括:

①发起一个网络并且分配网络地址(网络协调器); ②向网络中添加设备或者从网络中移除设备; ③将消息路由到目的节点: ④对发送的数据进行加密: ⑤在网状网络中执行路由寻址并且储存路由表。 2.4.5应用层主要功能 ZigBee应用层包含应用程序支持子层(APS)、应用程序架构(AF)、ZigBee 装置管控对象(ZDO)与各厂商定义的应用程序对象。此外,ZigBee还定义了 应用规格(Application Profile),它针对各种不同的应用情境定义出概略的行为 蓝图,让特定应用中采用此规格的装置之间能够互相操作,例如只要家庭控制
照明(Home
Control

Lighting,HCL)的应用规格,不同厂商的灯光开关也能用

来控制各种的照明灯具【9-l 31。 2.5本章小结 本章首先介绍ZigBee协议的架构,然后根据ZigBee协议的分层结构,分 别介绍了物理层、数据链路层、网络层和应用层的功能等内容。

12

第三章

无线温度测量系统整体架构及功能设计

无线温度测量系统在现场环境恶劣,电气干扰强,信号传输距离长的温度 实时采集和监测发挥了重要的作用,本论文以服务器数据中心机房的温度测量 为例,构建了测温系统的整体架构,并进行了功能设计。 3.1系统的总体需求分析 目前,如何降低能耗成为社会所关注的一个重要话题。尤其在炎热的夏天, 空调的使用,使电能消耗居高不下,许多地方不得以采取拉闸限电的措施。通 常,在一个区域内,例如工作室或数据中心的机房,人们很难判断空调系统是 否合理正常运行,因为无法清楚区域内任一点的温度,绝大多数情况下只能最 大化限度地使用空调,造成了电能的浪费,所以有必要建立温度测量系统。 构建温度测量系统的最初目的在于希望通过获取区域的温度来控制空调系 统的开关频率,同时根据测量结果对空调出风口摆放的位置进行调整。在有些 地方,有一些监测点的位置是不确定的。以机房设备为例,由于不同的IT设备 发热量不同,散热方式也不同,所以主机区的温度是不均匀的。传统的机房整 体制冷方式在解决现代机房局部“热点”的问题时事倍功半,违反当今绿色数 据中心的建设潮流。每台IT设备的摆放位置在机房建设阶段往往不明确,所以 机房内的热点难以预知。即使在一台机柜里,大热量的设备放置在机柜内的上 部、中部或下部,对气流的影响及制冷效果都是不同的。另一方面,数据中心 IT设备的布局会随着用户应用的变化而变化,客观上造成热点发生变化¨4。。 传统的传感器需要通过信号线传输采集到的数据,而上述具有不确定性的 监测点令布线工作一筹莫展,正是这些难以监测的对象导致了大部分的机房系 统故障并让机房管理人员无法预知。 在这种情形下,无线传感网络(WSN—Wireless
Sensor

Network)成为机房

集控系统的有力“触角”。无线传感网络是由传感器节点通过无线通信技术自组 织构成的网络,能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域内各种环境或 监测对象的信息,并对其进行传输和处理。 同时,RF器件和微电机系统的日益小型化,以及微电子技术、嵌入式计算 技术、网络技术、无线通信技术、分布式信息处理技术的进步,推动了无线传 感网络应用的普及。数据中心机房的空间有限,正好适应RF发射功率低,传 感器节点的传输距离短的特点。短距离传输使传输信号被窃听的可能性降到最 小,同时也延长了电池的使用寿命。当前市场上的无线传感器产品已经做到电
池电量维持节点连续工作四年以上。

另外,无线传感网络的自组织机制保证了其工作的可靠性。传感器节点加 电自检后,由传感网络控制中心自动找到工作频率范围内干扰最小的信道,并

13

建立网络。其余节点自动找到中心并申请入网。控制中心向节点发送网络参数, 收到参数的节点保存参数并加入网络。当某节点由于距离或干扰而不能直接与 中心通信时,则自动向周围节点广播自身信息,通过评价周围节点到中心的路 由信息来决定使用哪个节点作为其父节点,从而完成入网过程。 上述组网过程在无人工干预下自动完成,然后开始数据采集与传输。传感 器节点受触发后开始采集环境信息,经过放大、滤波、数模转换、加密、暂存 后进行收发地址的绑定。如遇入网信道受阻,则改变路径,调整射频,再次申 请入网。控制中心收集各节点数据,分析处理,执行控制。当一个节点或部分 节点失效时,剩余节点自动组成新的网络。 3.2系统的整体架构 无线传感器网络的应用的关键技术包括节点平台和网络通信系统两部分。 根据上文对于温度测量系统必要性以及无线方式在系统中应用的可能性分析, 结合现有通讯方式的特点和成本考虑,本文最终选择ZigBee技术作为无限温度 测量系统的主要通讯方式,同时选择节点和网关作为其数据传输平台。其系统
结构如图3.1所示。

图3.1温度测量系统结构图

3.3系统的功能设计 根据功能不同,本方案中使用的节点有两种形式,一种是完整功能节点 (FFD),另一种是简化功能节点(RFD)。FFD的主要功能为:(1)建立网络, 监控网络中RFD的加入和退出。(2)接收RFD传输的数据。(3)与网关通过串口 连接,将RFD采集的数据转发至网关。RFD主要功能是接收来自传感器的信 号,通过无线的方式传输至FFD。 网关的主要功能为:(1)接收FFD的数据,根据要求对数据进行处理,然后

14

保存。(2)通过RJ45网口与网络中的PC连接,将处理后的数据传到PC上的上 位机显示。(3)通过USB口可以把数据转存到外界存储介质中。 3.4本章小结 本章由温度测量系统的需求入手,分析了无线传感网在温度测量系统中应 用的优点和可行性,并从易用性和成本的角度出发,选择ZigBee作为通讯方式, 在此基础上提出了温度测量系统的整体架构:网管和节点组成的测量平台,最 后对系统的功能进行了简单的介绍,具体的设计将在下面的章节中具体阐述。

第四章
4.1节点的硬件设计

无线传感器网络平台的硬件设计

无线传感器网络节点一般由传感器模块、数据处理模块、数据传输模块和 电源管理模块四部分组成,其功能如图4.1所示。传感器模块负责采集监视区 域的信息并完成数据转换,数据处理模块负责控制整个节点的处理操作、路由 协议、同步定位、功耗管理以及任务管理等;数据通信模块负责与其他节点进 行无线通信,交换控制消息和收发采集数据;电源管理模块负责整个节点的电 源提供。其原理框图如图4.2所示。

图4.1节点功能框图

图4-2节点原理框图

4.1.1集成化模块设计 ‘CC2430芯片是TI公司生产的一款符合ZigBee技术的2.4GHz射频系统单 芯片,适用于各种ZigBee技术的网络节点包括协调器,路由器和终端设备, CC2430时一颗真正的系统级芯片(SOC)系统级解决方案。这种解决方案能够

16

提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用对低成本、低功耗的
要求。

CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构,在单个芯片上整合了ZigBee 射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU(8051),具有128KB 可编程闪存和8 KB的RAM,还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器 (Timer)、AES.128协同处理器、看门狗定时器(Watchdog.timer)、32 kHz晶 振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power.On.Reset)、掉电检测电路 (Brown.out.detection),以及21个可编程I/O引脚。 CC2430芯片采用0.18p,m CMOS工艺生产,工作时的电流损耗为27mA; 在接收和发射模式下,电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430的休H民模式 和转换到主动模式的超短时间的特性,特别适合那些要求电池寿命非常长的应
用。【15】

CC2430芯片的主要特点:116-17】 ◆高性能和低功耗的8051微控制器核。 ◆集成符合IEEE802.15.4标准的2.4 GHz的RF无线电收发机。 ◆优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。 ◆在休眠模式时仅0.91aA的流耗,外部的中断或RTC能唤醒系统;在待 机模式时少于O.6p,A的流耗,外部的中断能唤醒系统。 ◆硬件支持CSMA/CA功能。 ◆较宽的电压范围(2.0--3.6
V)。

◆数字化的RSSI/LQl支持和强大的DMA功能。

◆具有电池监测和温度感测功能。 ◆集成了1 4位模数转换的ADC。 ◆集成AES安全协处理器。 ◆带有2个强大的支持几组协议的UART,以及1个符合IEEE 规范的MAC计时器,1个常规的l 6位计时器和2个8位计时器。 ◆强大和灵活的开发工具。 CC2430芯片需要很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能。图4.3
为CC2430芯片外围电路图。
802.15.4

17

?9霉9
图4-3 CC2430外围电路图

电路使用一个非平衡天线,连接非平衡变压器可使天线性能更好。电路中 的非平衡变压器由电容C9、C10和电感£J『、三2、三3以及一个PCB微波传输线 组成,整个结构满足RF输入/输出匹配电阻(50Q)的要求。内部T/R交换电 路完成LNA和PA之问的交换。R6和R7为偏置电阻,电阻R6主要用来为32 MHz的晶振提供一个合适的工作电流。用1个32 MHz的石英谐振器和2个电 容(C14和C15)构成一个32 MHz的晶振电路。用1个32.768kHz的石英谐振 器和2个电容(C3和C4)构成一个32.768 kHz的晶振电路。电压调节器为所 有要求1.8V电压的引脚和内部电源供电,C6、C7、C8、C12和C13电容是去 耦合电容,用来电源滤波,以提高芯片工作的稳定性。 4.1.2温度数据采集模块设计 温度数据采集模块设计的主要任务就是选择合适的传感器芯片以及确定传 感器芯片和处理器的连接方式。基于ZigBee技术的无线温度采集系统主要是采 集特定区域内的温度信息,综合各方面的考虑,我们选用SHTll温湿度传感器 测量区域的温度,同时以后可以扩展为测量区域的湿度。 SHTll系列产品是一款高度集成的温湿度传感器芯片,提供全量程标定的 数字输出。它采用专利的CMOSense技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越

的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料 制成的温度敏感元件,这两个敏感元件与一个14位的A/D转换器以及一个串 行接口电路设计在同一个芯片上面。该传感器品质卓越、响应超快、抗干扰能
力强、极高的性价比。

每个传感器芯片都在极为精确的恒温室中进行标定,以镜面冷凝式露点仪 为参照。通过标定得到的校准系数以程序形式储存在芯片本身的OTP内存中。 通过两线制的串行接口与内部的电压调整,使外围系统集成变得快速而简单。 微小体积、极低功耗等优点使其成为各类应用中的首选。产品提供表面贴片 LCC或4针单排引脚封装。并可根据用户的不同需求,提供特殊封装形式。 其尺寸图和引脚尺寸如图4.4所示。

图4—4 SHTll尺寸图 SHTl

1的供电电压为2.4~5.5V。传感器上电后,要等待l lms来完成“休

眠”状态。在此期间无需发送任何指令。SHTl 1通过两线双向的方式与微处理
器通讯。

串行时钟输入(SCK):SCK用于微处理器与SHTl l之间的通讯同步。由 于接口包含了完全静态逻辑,因而不存在最小SCK频率。 串行数据(DATA):DATA三态门用于数据的读取。DATA在SCK时钟下 降沿之后改变状态,并仅在SCK时钟上升沿有效。数据传输期间,在SCK时 钟高电平时,DATA必须保持稳定。为避免信号冲突,微处理器应驱动DATA 在低电平。需要一个外部的上拉电阻(例如:1 0kQ)将信号提拉至高电平。上 拉电阻通常已包含在微处理器的I/O电路中。
SHTl

l的接口在功耗以及信号读取方面做了优化,通过类似于IIC的两线

制串口接口与处理器直接连接。其与微控制器的接口如图4.5所示。SCK用于 微处理器与SHTl 1之间的同步通讯,可以接到微控制器的I/O口,通过I/O口 模拟时钟信号来实现。由于接口包含了完全静态逻辑,所以不存在最小的SCK 频率,但是当供电电压小于4.5V时最大频率为l MHz。DATA三态门用于数据

19

的读取,DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态,并仅在SCK时钟上升沿有 效。数据传输期间,在SCK时剀,高电平时,DATA必须保持稳定。为避免信号 冲突,微处理器应驱动DATA在低电平I‘”。

削4?5 SHTll接口电路图

4.1.3天线模块设计 天线的殴计是系统设计的关键,由于射频信号的频率达到2.4GHz,微波波 长与传输线的长度已经达到同等数量级。传输线末端的微波反射和驻波等问题 是不可忽视的,否则会产生恶劣的影响。解决这些问题的关键在于传输线特征阻 抗与天线阻抗的良好匹配与控制。 天线采用倒F天线,其具有很低的制作成本,微波馈线采用微带传输线, 即具有敷铜底板的介质板上的带状线,具有较好的微波传输特性和较低的传输
损耗。

这里我们使用HFSS对天线进行仿真。HFSS可为天线及其系统设计提供全 面的仿真功能,精确仿真计算天线的各种性能,包括二维、三维远场,近场辐射 方向罔、天线增益、轴比、半功率波瓣宽度、内部电磁场分布、天线阻抗、电 压驻波比、s参数等。 图4-6至图4-11是设计的倒F天线仿真结果。介质板厚度:0 762mm,介 电常数:4.4。

图4-6倒F天线模型图

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图4.7天线的S1 l参数 ∞“舢
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图4-8天线阻抗

图4-9天线驻波比

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剧4-10天线二维增益图

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…■ i蚓i||ii鋈ii';卜◆
4-11天线三维增益图

从仿真结果中可以看出主要技术指标为: (1)工作频率:
(2)S11:?37dB
2.4GHz

(3)输入阻抗:48 27十j1.91
(4)输入驻波比:1.03

(5)最大增益:1.68
41

4供屯模块设计 根据节点的功能不同,其供电分别采用两种形式,对于完整功能节点,因

其带有串u,并且负责与网关传输数据,其位置一般比较固定,且在网络中的 数量不多,所以选用外接5V变压器供电,如图4.12所示。对于简化功能节点, _。般用作终端测量,其位置一般不固定,因此可以使用2节AA电池进行供电。

圈4.I 2完】f;{l功能节点供电原理图
41

5射频部分PCB设计基本规则 1所有的元件尽町能的表贴。 2连接器的放置时,应尽量避免将噪音引入RF电路,尽量使用小的连接

器,适当的接地。 3所有的RF器件应放置紧密,使连线最短和交叉最小(关键)。 4所有的管脚有应严格按}{({参考设计。所有Ic电源脚应当有O 01uF的退 耦电容,尽U能的离管脚近,而且必须要经过孔到地和电源层。


RF部分电路与数字部分应在板子上分开。 TCXO晶振和晶振相关电路应与高速数。≯信号严格的隔离。

6.RF的地应直接的接到地层,用专门的过孔和和最短的线。


8丌发扳要加适当的测试点。
41

6节点设计PCB图和实物图 完整功能节点与部分功能节点相比.只是多了串口,图4—1 3和4.14所示

为简化功能节点的PCB和实物图。

团 一蕾霍
4.2网关的硬件设计 连,提供用户对无线传感器M络的远程访问。

斟4-I 3简化功能节点PCB削4-14简化功能节点实物吲

无线传感器网络要真丁F投八使用,需要有能接入外部网络的网关设备,无 线传感器网络电脑终端与网关设备通过RS232接口、USB口、以太网接口相 在整个无线网络l_}T网关担当着整个网络的咽喉。既要与 端的无线网络通

讯获得传感器数据又要对终端的数据查询做出响应(要支持USB通讯及 TCP/IP)。所以网关需要一个处理能力强的CPU并且有较大的内存空间存储数 据。在这方面可供选择的CPU有ARM系列以及Freescale系列。ARM系列是 32位的CPU有较好的外寻址能力,运算速度快。市面上有大量的芯片可供选
择,性价比高。Freescale的S1 2系列CPU为1 6位处理器,内部集成了Flash

和RAM无需外扩,另外,S12内部有以太网控制器,无需额外芯片即可接入 以太网。另外,对于某些特殊场合比如野外等不方便布线的场合,可以考虑使 用GSM或是GPRS进行数据的传输。 根据系统需求,网关原理设计如图4.15所示。

图4—15网关原理结构图

4.2.1微控制器及其辅助电路设计 ¥3C4480是SAMSUNG公司推出的1 6/32位RISC处理器,为手持设备和 一般应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。S3C44BOX是使用 ARM7TDMI内核,采用O.259mCMOS工艺制造。它的低功耗和全静态设计特 别适用于对成本和功耗敏感的应用。
S3C44BOX的杰出特性是它的CPU核,是由ARM公司设计的1 6/32位 ARM7TDMI RISC处理器(66MHz)。它包括了Thumb代码压缩器,一个片上

的ICE断点调试支持和一个32位的硬件乘法器。其部分原理图如图4.1 6所示。 它提供2通道UART,可进行基于DAM或中断的操作,支持5位、6位、7位 或8位的串行数据传输、接收,同时每个通道具有2个内部32字节的FIFO分 别用于输入和输出。JTAG接口方便程序的调试和下载。其电路原路如图4—1 6
所示。

24

蚓4-16处理器原理图

4.2.2

USB接口电路设计 ISPll6l为1SPll61A1的第一代芯片,其在单芯片内集成了USB主机端与

USB设备端功能,可提供点对点(point.to.point)连接。它可以透过软件控制 扮演独立型主机或设各,甚至『爿时兼具主机与设各的功能。它拥有一个16.bit 并行输出入(P10)与DMA接口,可以连接到市场上多数的RISC指令集处理 器、数字信号处理器(DSP)与微控器。它完全符合USB2 0规格,相当适合嵌 入式系统。其接口电路图如图4-17所示。

图4-17USB接口电路圈

4.2.3以太网接口电路设计 网络接口芯片使用的是RTL8019AS,它符合NE2000,提供了自动检测 10BaseT集成收发器RJ45,有两种工作模式:8位的DMA(只能用芯片地址 0x4000.0x5FFF)和16位的DMA(可用到0x6000.7FFF)。这里的地址只是指 芯片内的地址,而非总线地址。
RTL80l 9AS网络芯片要模拟的网络芯片内部RAM共两块:0x0000—

0x000B,12字节,页号为0x00,存放MAC地址(奇数和偶数存放的MAC地址 是一样的,目的在于方便16位DMA读取);0x4000.0x5FFF,8192字节,页号 为Ox40—0x60(只用到0x5F,0x60为结束边界),用于存放收发的数据包缓冲, 具体收发多少由驱动程序初始化决定。至于发送缓冲区和接收缓冲区的大小可 以根据需要自己决定。以太网接口使用的是带有变压器的RJ45接口。其接口
电路图如图4.1 8所示。

图4.18以太网接口电路图

27

4.2.4

FLASH接口电路设计

FLASH存储器由于具有可重复编程以及高密度、低功耗等特点,以及芯片 能直接提供数据、地址、读、写和片选控制等信号引脚且与CPU相连十分方便, 被广泛地应用在各种嵌入式系统中。作为一种非易失性存储器,FLASH在系统 中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据
等。
NAND FLASH和NOR

FLASH是目前市场上两种主要的非易失闪存芯片。

与NOR FLASH相比,NAND FLASH在容量、功耗、使用寿命等方面的优势使

其成为高数据存储密度的理想解决方案。NOR FLASH的传输效率很高,在 1-4MB的小容量时具有很高的成本效益;但写入和擦除速度很低,工艺复杂,
价格比较贵。而NAND FLASH以容量大、写速度快、芯片面积小、单元密度

高、擦除速度决、成本低等特点,在非易失性类存储设备中显现出强劲的市场
竞争力。

本文中选用SST公司生产的FLASH存储器芯片SST39VFl60l作为存储介 质来构建16位数据宽度的FLASH存储器系统,工作电压为2.7~3.6V,其运行 速度为70ns。其存储容量为64MB。其接口电路如图4.1 9所示。
4.2.5

SDRAM接口电路设计

嵌入式操作系统的存在需要有一定量的动态RAM,解压缩后的操作系统将 从FLASH搬移至SDRAM,驻留内存;用户堆栈、运行数据也都会放在SDRAM 中。本系统中SDRAM选用现代公司的HY57V561 620CT芯片。每片
HY57V561

620CT的存储容量为1 6Mxl6位(32M字节),数据宽度为1 6位,

工作电压为3.3V,频率为133MHz,常见封装为54脚TSOP,兼容LVTTL接 口,支持自刷新(Self-Refresh)和自动刷新(Auto.Refresh)。其接口电路如图
4.1 9所示。

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4.3本章小结 奉章主要对无线传感器网络测量节点和网关的硬什进行了介绍。节点硬什 分为集成化模块、温度数据采集模块、天线模块和供电模块4部分,重点介绍 了集成化模块中收发一体芯片的选择以及数据采集模块中传感器的选择及其与 一体化芯片的接口设计,最后对射频布线的注意事项进行了说明。网关硬件分 为:微控制器及其辅助电路设计、USB接门电路设计、以太网接口电路设计、 FLASH接u电路设计和SDRAM接口电路设计5部分。

第五章

温度无线传感器网络平台的软件设计

5.1无线传感器网络节点软件设计与实现
5.1.1总体流程

首先上电初始化整个系统,再由完整功能节点按照程序指定建立ZigBee 网络,部分功能节点(终端节点)寻找网络并加入由全功能节点所建的网络中, 然后协调器和终端节点进行绑定,分别执行发送数据和接收数据的函数,达到 协调器可以控制终端节点的LED的亮与灭,并把温度采集过来,通过串口传输 至网关,以下是程序的流程图如图5.1、图5.2所示。

图5.1节点接收程序流程图
开始

溢出?≥一 )出,>一 \/

初始化节点






长度



初始化协议栈

\/ 廷小多≯


接收数据包

中断使能






成功接收



建5jr.Zigbee 网络

调用数据 处理函数

成功返回

l l

返回失败

图5-2节点发送程序流程图

30

5.1.2程序文件结构

本程序是基于MsstatePAN协议栈,该协议栈是经过精简的ZigBee协议栈, 协议栈实现了直接和间接消息传送。在创建完整功能节点和简化功能节点程序 时需要包含以下源文件。程序文件结构表5一l所示。具体功能详解见附录。
表5-1程序文件结构

头文件
msstate—lrwpan.h
compiler.h

描述 协议栈主要头文件,需要被应用程序包含 编译器细节定义 协议栈的多层所用到的公用类型定义 硬件抽象层 定义用于Console口的一些有用函数
堆管理

lrwpan—common—types.h
hal.h console.h

memalloc.h
neighbor.h halStack.h evboard.h ieee—lrwpan—defs.h phy.h

定义操作邻居表与地址映射表的函数 定义在硬件抽象层以及评估板上用来提供
易用性的函数原型
IEEE

802.15.4帧的定义

物理层定义
MAC层定义

mac.h
nwk.h aps.h zep.h staticbind.h

网络层定义
应用支持层定义
ZigBee

0端点设备对象函数定义

处理静态绑定表的函数

5.1.3程序的初始化 程序的初始化包含在aplInit()中,在该函数中包含了不同层的初始化: phyInit():初始化物理层
MemInit():初始化存储区

memset():分配LRWPAN HEAPSIZE大小的内存
MEMHDR_SET—FREE() memhdr—set—size()

macInit():初始化MAC层
ntInitAddressMap() LRWPAN—SET_CAPINFO—ALTPAN() LRWPAN—SET—CAPINFO—DEVTYPE()

LRWPAN—SET—CAPINFO—PWRSRC(mac_pib.macCaplnfo)
LRWPAN—SET—CAPINFO—RONIDLE(mac—pib.macCaplnfo) LRWPAN—SET—CAPINFO—SECURITY(mac__pib.macCaplnfo)
31

LRWPAN—SET~CAPINFO—ALLOCADDR(mac pib.macCaplnfo)

nwklnit():初始化网络层
zeplnit():初始化 5.1.4网络的组建与维护

组网的过程主要为:首先将完整功能节点加电,由其进行信道扫描,采用 一个其他网络没有使用的空闲信道来建立一个网络,然后将简化功能节点加入, 简化功能节点需将自己的信道设置成与现有完整功能节点使用的信道,并提供 正确的认证信息。在简化功能节点加入网络后,可以从完整功能节点得到自己 的短地址以及参数,完整功能节点通过简化功能节点的短地址来询问温度信息。 其建立网络和加入网络的流程图如图5—3和5.4所示。

图5-3建立网络流程图

32

图5.4加入网络流程图

33

5.1.5帧控制格式 Mac帧控制域为l 6位:
比特

位:O~2










7~9

lO~11

12~13

14~15

安全 使能

数据 待传

确认 请求

网 网际



预留

目的地址 模式

预留

源地址
模式

类型

帧类型(3位):000信标帧;001数据帧;010确认帧;011 MAC命令帧。 安全使能(1位):0表示Mac层没有对该帧做加密处理;l表示使用了密 钥保护。 数据待传(1位):1表示在当前帧之后,发送设备还有数据要传给接收设 备,接受设备需要再发送数据请求命令来索取数据。 确认请求(1位):1表示接受设备在接收到该数据帧或命令帧后,如果判 断其为有效帧就向发送设备反馈一个确认帧;0表示接收设备不需要反馈确认
帧。

网内/N际(1位):表示该数据帧是否在同一个PAN内传输。若为1且存 在目的和源地址,则Mac帧中将不含源PAN标识码字段。 目的地址模式(2位):00没有目的PAN标识码和目的地址;01预留;10 目的地址是l 6位短地址;11目的地址是64位扩展地址。若目的地址模式为0 且该帧为数据帧,则源地址模式应非零,暗指该帧是发送给PAN协调器的。 源地址模式(2位):00没有源PAN标识码和源地址;01预留;1 0源地址 是16位短地址;11源地址是64位扩展地址;若源地址模式为0且该帧不是确 认帧,则目的地址模式应非零,暗指该帧是由与目的PAN标识码一致的PAN
协调器发出的。

Nwk帧控制域为1 6位: 比特位:0.1
帧类型
2.5 6—7 8 9 10~15

协议版本

发现路由

预留

安全

保留

帧类型子域为2bit:00表示数据帧;01表示Nwk命令帧。 协议版本子域为4bit,表示的是设备使用的ZigBee NWK协议版本。 发现路由子域为2bit,用来控制发送帧时的路由发现操作。0x00禁止路由 发现,0x01使能路由发现,0x02强制路由发现。 安全子域为lbit,值为1时,该帧才具有网络层安全操作能力。 比特位:
O~1

2~3









帧类型

传递模式

间接寻址模式

安全

确认请求

预留

帧类型子域为2比特:00表示数据帧,01表示命令帧,10表示确认帧,

1l预留。 传递模式子域2比特:00正常单播传递(帧将被发送给接收设备给定的端 点),01间接寻址(传递过程中使用间接寻址方式,帧格式中将根据间接寻址 模式子域的值省略目的端点或源端点),10广播发送(消息将到达所有设备和 所有端点),11预留。 问接寻址模式子域1比特:为l,帧格式中省略目的端点字段,表示到协 调器。为0,帧格式中省略源端点字段,表示来自协调器。 安全子域,由安全服务提供模块来管理。 确认请求子域l比特,指定了当前的传输是否要求接收者接收到帧后发送 确认帧。如果该子域设置为1,确定接收的为有效帧后,接收者需要构建并向 发起者发送确认帧。如果该子域为O,确定接收的为有效帧后,接收者不向发 起者发送确认帧。 5.1.6温度采集驱动程序设计 根据数据手册中的介绍,SHTll的测量流程大致为: (1)在程序开始,用一组“启动传输”时序表示数据传输的初始化。它包 括:当SCK时钟高电平时DATA翻转为低电平,紧接着SCK变为低电平,随 后是在SCK时钟高电平时DATA翻转为高电平。后续命令包含三个地址位(目 前只支持000)和五个命令位。
(2)SHTl

l会以下述方式表示己正确地接收到指令:在第8个SCK时钟

的下降沿之后,将DATA下拉为低电平(ACK位)。在第9个SCK时钟的下降 沿之后,释放DATA(恢复高电平)。
(3)SHTl 1在收到正确的指令后开始测量,这时微控制器要等待测量完

成。

(4)测量完成后,SHTl 1通过下拉DATA至低电平。控制器在触发SCK时 钟前,必须等待这个“数据备妥"信号。接着传输2个字节的测量数据和1个 字节的CRC奇偶校验。微处理器需要通过下拉DATA为低电平,以确认每个 字节。所有的数据从MSB开始,右值有效(例如:对于12bit数据,从第5 个SCK时钟起算作MSB;而对于8bit数据,首字节则无意义)。用CRC数据 的确认位,表明通讯结束。如果不使用CRC.8校验,控制器可以在测量值LSB 后,通过保持确认位ACK高电平,来中止通讯。在测量和通讯结束后,SHTl 自动转入休眠模式。其程序流程图如图5.5所示。


35

图5-5 SHTll程序流程图

5.2网关软件设计及实现 网关功能复杂,需要特定的操作系统来实现。目前很多商用操作系统,价 格一般都非常昂贵,同时在家庭网关中应用这些操作系统的优势并不明显,而 且商用操作系统不开放源代码,致使使用者很难深入到内核对系统编程,开发 过程中将会受到诸多限制。 Linux下的任何软件都是免费的,以及它对TCP仰协议及以太网的完善支 持,这对于家庭网关来说是很诱人的也是非常重要的。至于实时性较差、无法 深内嵌等~些缺点都可以通过局部的改造来满足家庭网关系统的需要【l 下而简要介绍网关中几个模块的调试过程。
5.2.1
91。

U—boot的移植与调试 在移植Linux之前,先要进行U.boot的移植。U.Boot,全称Universal
Boot

Loader,是遵循GPL条款的开放源码项目。其源码目录、编译形式与Linux内 核很相似,事实上,不少U.Boot源码就是相应的Linux内核源程序的简化,尤 其是一些设备的驱动程序,这从U.Boot源码的注释中能体现这一点。但是 U.Boot不仅仅支持嵌入式Linux系统的引导,当前,它还支持NetBSD,VxWorks, QNX,RTEMS,ARTOS,LynxOS嵌入式操作系统。就目前来看,U.Boot对 PowerPC系列处理器支持最为丰富,对Linux的支持最完善。其它系列的处理 器和操作系统基本是在2002年1 1月PPCBOOT改名为U.Boot后逐步扩充的。 选择U.Boot的理由:

36

(1)开放源码; 支持多种嵌入式操作系统内核,如Linux、NetBSD,VxWorks,QNX,RTEMS,
ARTOS,LynxOS:

(2)支持多个处理器系列,如PowerPC、ARM、x86、MIPS、XScale: (3)较高的可靠性和稳定性; (4)较高的可靠性和稳定性: (5)高度灵活的功能设置,适合U.Boot调试、操作系统不同引导要求、 产品发布等; (6)丰富的设备驱动源码,如串口、以太网、SDRAM、FLASH、LCD、 NVRAM、EEPROM、RTC、键盘等; (7)较为丰富的开发调试文档与强大的网络技术支持; U.boot的移植内容比较多,详细过程请见附录2。下面简单介绍以下U—boot 的调试。 把u—boot bin文件通H—Flasher软件烧写近Flash,打开超级终端,频率设 为115200,无奇偶校验位,8位数据位,1位停止位。按下复位键,出现如图

5-6所示。第一次运行会出现“…warning—badCRC,using default environment”,
在“hfrks3e44b0=>”处输入save回车后,再此启动不会再出现上述信息,如图 5—7所示。到此说明u—boot移植成功了。

图54 u.boo!第一次运行圈

幽5-7 i1-boot再次启动圈
5 2 2

uClinux的移植

uClinux移植首先要选择好移植版本 这次主要使用的是linux一2 本的linux操作系统。移植的过程如下:
(1)先下载:Iinux.2.6.9.tar.bz2



9内核版

和linux-2.6.9-hscO.patch.gz,再下载

uClinux?dist-20041215,tar.gz压缩包。 (2)对下载的压缩包进行解压源码。 (3)增加44bOx相关的目录与文件。 (4)把romfs文件链入内核中。 (5)修改makefile文件。 (6)增加串口驱动和网络驱动。 (7)以上修改完后.然后编译内核。 (8)将uclinux—rom bin通过u—boot F载到板予里启动后运行。 (9)测试网络是否通,结果网络全通了,图5-8至5-10为ping板子的结
果。

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图5-8 ping通板子示意幽

c●p一…4‘…J¨一…

兰。■■■■■■■■■墨丑田重墨皤墨踞墨墨墨霍■■■●●———t些!壁』
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焉只舞鼍,黧雩署黑尸—蔓曼嫂
豳5-9 Ping虚拟机示意刚
tq日

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瓣蔗鳓瓣瓣鞭拦=盟‰黧1掌嚣饕=嚣 m宝_=一 麓≈矧兰竺笔Ⅱ船喾絮豫掣麓=。爿¨==W品~一 :"誉繁搿£:£善"譬~一 麓∞高嚣i嚣蓑嚣 嚣出~一.Ⅶ;ji.qd一

馘糍罴薹羞㈤粥一

削5.10Ping主机示意图

.薹赫篙m蠢蓦萎三兰毫譬策囊.豪一是一 剥~誉誊誊黑二篓∽囊誊蘸;l一一兰.i芝强 ~.;一 一 一
.“一

至此uclinux已经移植成功,可以在此基础上进行应用程序的开发。 5.2.3¥3C4480及JTAG接口电路的调试 在保证电源电路、晶振电路和复位电路正常工作的前提下,可通过JTAG 接口调试¥3C4480,确保芯片能够正常工作。 第一步,在系统上电前,首先检查JTAG接口的TMS、TCK、TDI、TDO 信号已与¥3C4480的对应引脚正确相连。 第二步,给系统上电后,可以先用示波器观察¥3C4480的时钟输出引脚是 否有正确的波形输出,从而初步判断芯片是否己正常工作。 第三步,在保证¥3C4480已正常工作的前提下,可使用ADS通过JTAG 接口对片内的部件进行访问和控制。 这里,通过设置片内通用I/O口的特殊功能寄存器,来使GPC0、GPCI引 脚输出高低电平。ADS是ARM公司为方便用户在ARM芯片上进行应用开发 而推出的一整套集成开发工具,图一为调试系统的硬件连接示意图。 按图5.11连接好硬件后,打开AXD Debugger,建立与目标板(待测试的 系统板)的连接,AXD Debugger有软件仿真方式和带目标系统的调试方式, 此时应工作在带目标系统的调试方式。
并行口




1^u俄u

PC机



浏JTAG转接板k
图5-1 1调试系统硬件连接不意图



目标板(包含

仿真器)

通过setmem调试命令把GPC0和GPCI对应的地址设置为32位,设置I/O 口为输出方式、低电平,这时,这两各I/O口引脚应输出低电平,经过测量输 出的是低电平,表示调试系统的软、硬件连接完好,可进行下一步的调试工作。
5.2.4

SDRAM接口电路的调试 在系统的两类存储器中,SDRAM比FLASH存储器控制信号多,调试似乎

应该困难一些,但由于SDRAM的所有刷新及控制信号由¥3C4480片内的专门 部件控制,无需用户干预,在¥3C4480正常工作的前提下,只要连线无误, SDRAM就能正常工作,而FLASH存储器的编程、擦除操作均需要用户编程控 制,且程序还应在SDRAM中运行,因此,应先调试好SDRAM存储器系统, 再进行flash存储器的调试。 要调试SDRAM存储器系统,首先应配置与存储器控制相关的特殊功能寄 存器(包括BWSCON、BANKCON0-7、REFRESH、BANKSIZE和MRSRB6/7), 保证系统中的SDRAM能被访问。 在C:\下建立文本文件memmap.txt,其内容为:
setmem
0x3

ffo000.Oxe7脚2。32

setmem setmem setmem setmem

0x3ff301 0,0x00003000,32 0x3ff3014,0x02000060,32 Ox3ff302c,0x14010380,32 0x3ff303c,0xce3383fd,32

打开AXD Debugger的命令行窗口,执行obey命令,将刚才设置好的特殊

功能寄存器的值写入相应的寄存器中,使配置生效:
>obey

C:\memmap.txt

文本文件memmap.txt中的几条控制寄存器配置命令执行完毕后,Flash存 储器和SDRAM己分别映射到预想的地址空间处。 选择菜单Processor View.>Memory选项,出现存储器窗口,在存储器起始 地址栏输入SDRAM映射的起始地址,数据区应显示SDRAM中的内容,此时 显示的内容为一些随机数。双击其中的任一数据,输入新的值,如输入0xAA, 如果对应的存储器单元能正确显示刚才输入的数据,则表明SDRAM存储器已
能正常工作。

再连续地输入4个字节0xAA,然后再输入0x55,检测32位数据能否正确 传输,若其中的某一位或几位数据出现错误,则多半是对应的数据线不通或连 接错误引起的。 图5.12是该系统的测试结果,结果表明SDRAM接口电路没有出现问题。
AEU7TDUI。Bmory Tabl。HⅡ一No

Sttrt皇adr《oxc000000崎一
prefix 1 13 00 00 60

l Teb2一Hex一]Io
17 OO 00 A0 09 EA E^ E3 80

prefix



Tib3一H“一Mo

prefix 1



hb4。Xex—lfo

prefix



Address:0
.0x0C000000 OxOC000010 OxOC000020 0x0C000030 t 08 06 0A 04

j.曼。3:4……。5 j乒:。!~。8
40 oo E1 C8 A鱼AA 0B

9:a!勺…E~。d FF n’ EA 0S 00
静O
60 60 00 ^0 A0 E^ E3 E3 09 BF 00 FF FF

e.j.;j…。垒
00 00 FF FF EA E^ EA

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EA

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03

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….一 …. ….



’糖



E^0S





.‘..! '

Comm*.nd Line Interface Debug>se七越en Debug>se?-mem 0x3ff3010f 0x00003000,32



Debug>Se嘶M
Debug>se蚀em
Debug>

0x3ff3014,0x02000060,32 Ox3ff302c,0x14010380,32 Ox3f£303c,Oxce3383fd,32




图5—12 SDRAM测试
5.2.5

Flash接口电路的调试 Flash存储器的调试主要包括Flash存储器的编程(烧写)和擦除。与一般

的存储器件不同,用户只需对Flash存储器发出相应的命令序列,Flash存储器 通过内部嵌入的算法即可完成对芯片的操作。由于不同厂商的Flash存储器在 操作命令上可能会有一些细微的差别,Flash存储器的编程与擦除工具一般不具 有通用性,这也是为什么Flash接口电路相对较难调试的原因之一,因此,应 在理解Flash存储器编程和擦除的工作原理的基础上,根据不同型号器件对应

4l

的命令集,编写相应的程序对其进行操作。
打开AXD Debugger的命令行窗口,执行obey命令:

此时,2MB的Flash存储器映射到地址空间的Ox00000000~0x001脚处,
选择菜单Processor View.>Memory选项,出现存储器窗口,在存储器起始地址 栏输入Flash存储器的映射起始地址:Ox00000000,数据区应显示Flash存储器 中的内容,若Flash存储器为空,所显示的内容应全为Oxff,否则应为已有的 编程数据。双击其中的任一数据,输入新的值,对应存储器单元的内容应不能 被修改,图5.1 3为系统的测试结果此时可初步认定Flash存储器已被访问,但 是否能对其进行正确的编程与擦除操作,还需要编程验证,通过程序对Flash 存储器进行编程和擦除操作。

>obey

C:\memmap.txt

图5.13 Flash测试

5.3本章小结 本章是基于ZigBee无线测温传感器网络系统的软件设计,在给出软件设计 流程图的基础上,详细叙述了节点软件设计的基本步骤及网关软件的调试过程。 节点软件设计包括:温度传感器驱动程序、节点初始化程序、网络的建立、数 据传输格式等。网关软件的设计主要介绍了几个模块的调试过程。

第六章

系统功能测试

系统测试的部分实物图见图6-1所示,现对整个平台的工作情况进行测试 测试地点:实验室 测试条件:用一杯热水模拟区域温度中的局部热点.室温16。。 删试时『自J:2009年2月23日 测试目的:测试系统实际运行情况

图6-1数据传输组成部分

剀6-2节点测量部分

测试方法:(1)将9个部分功能节点放在一个区域内,给每个节点编号,同时 旁边放置温度计及时了解室温。(2)将温水放在4好节点旁边,过三分钟看4 号节点传来的数据。(3)软件设置每隔一段固定的时间完整功能节点接收来自 9个部分功能节点传输的数据。(4)记录结果并的分析系统的工作情况。结果 如表6.1、6.2所示。
表6.I实验结果数据I

时问:10:00 节点号
温度( 节点号


环境温度:16。
2 17 3 16 8 4 24 9 15 5

16 5
6 16 5


16

温度(

16

表6-2实验结果数据2

时问:10:30
节点号 温度(。)
1 16 5 6

环境温度:16。
2 17 7 3 4

16
8 16

20
9 15 5

节点号 温度(4)

16.5

16

I一?实验测量数据l
30

} 、





~ \

世赡

。一,一,-4 k。~ 1f



、 l一一- h_、_

t--一?d }—一,~



0 2 3 4










节点 图6-3第一次实验测量数据处理

I一?实验测量数据I

础 靼

7 \
。一,一,. k—~ 1r








●-—一一-I 卜~~ }一—-d ●。~——一?

10





















节点 ‘图6—4第二次实验测量数据处理

从数据可以看出,4号节点测得的温度比其它节点的高,表明系统的测量 值可以反映出所测区域的大致温度情况。


第七章
7.1总结

总结与展望

本篇论文着重介绍了自主研发的网关加节点的无线传感器网络测温平台, 在MsstatePAN协议栈的基础上实现星型网络组建,以及在网络中节点的软件 架构和网关的系统移植。总的来说,主要工作如下: 1、开发了用于温度测量的通用型无线传感器网络节点,该节点采用微控制 部分和射频部分集成化的一体化芯片CC2430,并且集成了温湿度数字传感芯 片,可以实现较高精度、准确度的测量和传输。 2、开发了用于连接无线传感网节点和Internet的网关设备,在ARM7中成 功移植了uClinux操作系统,实现传感器数据在网络中的传输与共享。 3、在ZigBee精简协议栈MsstatePAN的基础上进行了修改,并移植到节点 中,成功实现数传。 4、对平台进行了简单的测试,基本达到预期的效果。 7.2展望 无线传感器网络在温度测量领域有其自身的技术优势,但也存在一些不足, 构建一个通用的无线测温平台还有很多工作要做,具体有以下几点: 1、在具体应用中,不一定要用到ZigBee网络协议中的每一个功能,这就 要求精简协议栈,这方面的工作以后有待改善,一个合适的协议栈将会使系统 性能得到大幅度提升。 2、在数据多跳传输过程中存在着丢失数据的现象,多跳不稳定的原因还没 有找到,有可能是协议的问题,也有可能是自身设计的问题。 3、传感器节点的能耗问题一直以来受到关注,低能耗是系统稳定、长时间 运行的前提。 4、通过ZigBee在测温中的应用,后续能不能考虑传输视频信号。

45

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48

附录

Msstate—lrwpan

PHY与MAC层函数说明

1简单介绍msstate_lrwpan.h
#define MSSTATE

LRWPAN



#include”compiler.h” #include”lrwpan_common_types.h” #include”hal.h”
#include”console.h” #include”debug.h”

#include”memalloc.h”
#include”neighboLh” #include”halStack.h” #include”evboard.h” #include”ieee_lrwpan_defs.h” #include”phy.h”

#include”mac.h”
#include”nwk.h” #include”aps.h” #include”zep.h”



Phy.h

2.1物理层常量
#define

aMaxPHYPacketSize 127//物理层所能接受的PSDU的最大长度为127个字节 //Rx—t,o—TX或TX-to-RX的最大切换时间是12个符号周期

#define aTumaroundTime 12

2.2设备工作状态
typedef enum

j认DIO—STATUS—ENUM{
//关闭

RADIO STATUS OFF, RADIO STATUS RX ON,

//接受使能状态 //发送使能状态 //收发关闭

RADIO RADIO

STATUS TX ON. STATUS RXTX ON

'RADIO STATI 7S ENUM;

2.3物理层PAN信息库(PHY PIB)
typedef struct
PHY

PIB{
phr’CurrentFrequency;

PHY.-FREQ_ENUM

//当前频率 ∥收发信使用的射频信道 //27个有效信道的状态 ∥发射功率误差的容忍度

BYTE phyCurremChannel; UINT32 phyChannelsSupported; BYTE phyTransmitPower;

49

BYTE

phyCCAMode;

//CCA的三种模式

union_PHY_DATA_flags{
BYTE val;

struct{
unsigned txFinished:1; unsigned txBuflLock:1;

//物理层的数据的发送是否完成的标志一
∥锁定发送缓存

}bits; }flags;

U埘T32

txStartTime;

∥发送开始时间 //当前帧 //当前发送数据的长度

BYTE木currentTxFrm;
BYTE currentTxFlen;

)PHY

PIB;

2.4外部定义变量(在Phy.c中定义)
(1)extem PHY_STATE_ENUM phyState;//物理层状态:空闲/命令开始/发送等待 (2)extem PHY_-PIB (3)extem
phy_pib;

//物理层信息库

PHY—SERVICE

a_phy_service;//物理层服务

结构中有:
cmd:

LRWPAN LRWPAN
args:
status:

SVC PHY INIT SVC PHY TX

RADIO(初始化Radio)

DATA(为上层发送数据)

与phy_pib一起为radio初始化
LRWPAN LRWPAN LRWPAN LRWPAN LRWPAN LRWPAN LRWPAN
STATUS PHY STATI 7S PHY

FAILED,//物理层启动失败 INPROGRESS,//初始化值 FAILED,//radio初始化失败 BIG//发送的数据包过长

STATUS PHY RADIO INIT

STATUS PHY TX PKT TOO STATUS PHY TX START STATUS PHY TX FINISH STATUS PHY CHANNEL

FAILED,//发送启动失败 FAILED,//数据发送失败 BUSY,//信道忙

(4)extern BYTE

tmpTxBuff[LRWPAN_MAX_FRAME_SIZE];

∥定义大小为127字节的发送缓存 2.5主要函数
2.5.1 void

phyFSM(void)

说明:物理层的有限状态机,根据物理层的状态来执行相应的动作,其状态可由上层 改变,或在内部改变,这样再次执行phyFSM时实现状态的切换
2.5.2 void

phyDoService(PHY_SERVICE*ps)

说明: phyDoService亦可定义为宏,函数由上层调用,最后执行phyFSM
2.5.3 void

phylnit(void)

说明: 首先分配Lrwpan_eonfig.h中定义的LRWPAN_HEAPSIZE(1024)个字节的堆内

存mem heap,再初始化物理层状态 2.6宏定义
#define #define #defne #define #define #define

phyldle0(phyState—PHY_STATE_IDLE)
phyBusy0(phyState!=PHY_STATE_IDLE)

phyTxLocked0(phy_pib.flags.bits.txButtLock—1)
phyTxUnLocked()(phy_pib.flags.bits.txBuffLock==0) phyGrabTxLockO
phy_.pib.flags.bits.txBuffLock=1

phyReleaseTxLock(、phy__pib.flags.bits.txBuffLock=0



Mac.h
MAC层相关的常量定义

3.1

(1)用于信道扫描
#define aBaseSlotDuration 60 #define

aBaseSuperFrameDuration(aBaseSlotDuration宰aNumSuperFrameSlots)

#define aNumSuperFrameSlots 1 6

//每个超帧的活动区间f信标+CAP+CFP)戈UJ分成aNumSuperFrameSlots个等间隔的时隙 (2)用于CSMA.CA算法
#define

aMaxBE



#define

aMinBE



∥变量BE是退避指数,设备试图评估信道前退避的时间与BE有关
#define aUnitBackoffPeriod 20

∥时隙型或非时隙型的CSMA.CA算法中的“退避周期”的单位时间,一个退避周期 等于aUnitBackottPeriod个符号周期
#define

macMaxCSMABackoffs



//当前帧发送过程中CSMA.CA算法执行随机退避的最大次数,超过这个值时, CSMA.CA算法结束 (3)用于MAC帧的传输
#define #define

aMaxBeaconOverhead 75//最大信标帧头 aMaxBeaconPayloadLength(aMaxPHYPacketSize—aMaxBeaconOverhead)

∥信标有效载荷字段的最大长度
#define #define

aMaxFrameOverhead 25//最大帧头 aMaxFrameResponseTime
1 220

∥从协调器中提取数据,如果确认帧中的待处理帧字段为1,设备启动接收机 信标PAN中,设备接收机最多开启aMaxFrameResponseTime个CAP符号周期 在非信标PAN中,设备接收机最多开启aMaxFrameResponseTime个符号周期

5l

#define

aMaxFrameRetries LRWPAN——MAC——MAX——FRAME——RETRIES

∥发送设备最大重传次数
#define

MAC——RXBUFF——SIZE

LRWPAN——MAX——MAC—.RX——PKTS+I

∥定义MAC层接收数据包缓存的最大值 (4)用于信标的PAN同步
#define

aMaxLostBeacons 4

//MLME重复侦听过程中丢失的最大信标数
#define

aMaxMACFrameSize(aMaxPHYPacketSize.aMaxFrameOverhead)

//最大Mac帧长度 (5)用于关联与解关联
#define

aResponseWaitTime(32奉aBaseSuperFrameDuration)

∥协调器在aResponseWaitTime个符号周期内判决PAN当前的资源能否允许一个设备
关联
3.2

MAC信息库
struct—MAC—PIB{ macAckWaitDuration;

typedef

UINT32

union_MAC_PIB_flags{
UINT32 val;

struct{
unsigned macAssociationPermit:1; unsigned macAutoRequest:1;

//允许关联标志

//当为true并收到信标帧时,可能启动从协调器中提取数据
unsigned macBattLifeExt:l; unsigned macGTSPermit:1; unsigned

macPromiscousMode:1;

//混杂模式 //需要接收方返回ack //mac发送数据的FSM状态

unsigned macPanCoordinator:1; unsigned ackPending:l; unmgned TxlnProgress:1; unsigned GotBeaconResponse:l;

∥当收到信标响应时设置为l
unsigned

WaitingForBeaconResponse:1;

∥当等待信标状态时设置为1
unsigned macPending:1;


//mac接收缓存中有需要处理命令
unsigned maclsAssociated:1; unsigned

∥是否已经关联

WaitingForAssocResponse:1;

unsigned GotOrphanResponse:1; unsigned

//收到孤立设备关联响应 ∥等待孤立设备关联响应

WaitingForOrphanResponse:1;

)bits; }flags;
LADDR macCoordExtendedAddress; SADDR macCoordShortAddress; UINTl 6 macPANID; BYTE macDSN; BYTE depth;

//协调器长地址 //协调器短地址 //PAN标识 ∥数据序号 ∥网络深度

BYTE macCaplnfo;t| BYTE

macMaxAckRetries;

struct{
unsigned

maxMaxCSMABackoffs:3;

unsigned macMinBE:2;

}misc;
UINT32 tx start

UINT32 last

time;H发送时间 //最后收到的数据或命令的时间 data r)【time;

BYTE bcnDepth; SADDR bcnSADDR; UINTl 6 bcnPANID; BYTE bcnRSSI; BYTE currentAckRetries; BYTE rxTail; BYTE rxHead:

//当前ack重发次数 N接收缓存的尾指针 //接收缓存的首指针

MACPKT

rxBuff[MAC_RXBUFF SIZE]

//全功能设备中的“邻居表”
UINTl6 nextChildRFD; UINTl6 nextChildRouter; BYTE BYTE ChildRFDs;

//下一个孩子RFD设备 ∥下一个孩子路由节点 ∥邻居表中RFDs的数目

ChildRouters;H邻居表中路由节点的数目

)MAC

PIB;

3.3接收数据的结构
typedef

struct_MAC—瞄pⅪ入、
N原数据包的指针 N帧控制位用来指定数据帧头 ∥(与路由寻址有关)

MACPKT*orgpkt;
BYTE fcflsb: BYTE fcfmsb;

53

UINTl 6 DestPANID: LADDR UNION DestAddr: UINTl 6 SrcPANID: LADDR UNION SrcAddr: BYTE pload_offset;

//目的PAN标识 //目的地址 //源PAN标识 //源地址 ∥负载的开始

}MAC

RX DATA:

3.4发送数据的结构
typedef

struct—MA3(一TX—DATA{
DestPANID:

U烈T l 6

//目的PAN标识 ∥目的地址

LADDR UNION DestAddr; UINTl6 SrcPANID; SADDR SrcA。ddr; BYTE fcflsb; BYTE fcfmsb;

//源PAN标识 ∥源地址 ∥帧控制位用来指定数据帧头 //选项字段

union{
BYTE val;

struct—MAC—TX—DATA—OPTIONS—bits{
unsigned gts:l; unsigned indirect:1;

}bits; }options; )MAC_TX_DATA;

3.5外部定义变量(在Mac.c中定义)
(1)extem MAC—PIB mac__pib; (2)extem MAC—STATE_ENUM macState; (3)extem MAC—TX—DATA a—mac—tx—data; (4)extem MAC一心(_DATA
rx

//mac信息库 //mac状态 //发送的数据 //接收的数据 //mac的相关服务

a…mac

data;

(5)extem MAC—SERVICE a_mac_service;

结构中有:
cmd:

LRWPAN
LRWPAN

SVC

MAC

GENERIC TX.

LRW P.久N SVC MAC RETRANSMIT.
SVC

MAC

ASSOC REQ, BEACON REO,

LRWn气N SVC

MAC MAC

LRWPAN SVC MAC OI℃PHAN NOTIFY.

LRWPAN

SVC

ERROR.

args:
status:

LRWPAN—STATUS—MAC—FAILED, LR、ⅣPAN—STATUS—MAC—NOT--ASSoCIATED,

//启动mac失败 ∥未关联

LRWPAN—STATUS—MACjNPROGRESS, LRWPAN—STATUS—MAC—MAX_RETRIES_EXCEEDED,
∥超过最大重传次数 LRWPAN—STATUS—MAC_TX_FAILED,

//MAC发送数据失败,超过重传次数
LRWPAN
STATUS MAC ASSOCIATIoN STATUS MAC ORPHAN

TIMEOUT,

//关联请求超时

LRWPAN 3.6主要函数
3.6.1 void

TIMEOUT,

//孤立设备通告超时

macInit(void):

说明:初始化mac层状态、信息库以及性能方面的信息。
3.6.2 void

macFSM(void):

说明:mac层的有限状态机,根据mac层的状态来执行相应的动作,其状态可由上层 改变,或在内部改变,这样循环执行macFSM时实现状态的切换
3.6.3 LRWPAN—STATUS—ENUM

macInitRadio(void):

说明:初始化物理层与mac后,执行此函数来打开radio,设置频率与信道,若是协 调器还产生并设置PAN标识,调用phyDoService0执行phyFSM()
3.6.4 LRWPAN—STATUS—ENUM

macWarmStartRadio(void):

说明:先调用halWarmstart0开中断等,再设置调用phyFSM初始化radio,最后设置 硬件抽象层的相关信息
3.6.5 void

macSetPANID(UINTl6 panid):

说明:设置mac信息库的PAN标识
3.6.6 UINTl6

macGetPANID(void):

说明:查询mac信息库的PAN标识
3.6.7 void

macSetChannel(BYTE channel)。1

说明:设置phy信息库与hal层的当前信道
3.6.8 void

macSetShortAddr(UINTl6 saddr):

说明:先获取长地址,最后在地址映射表中添加长地址与短地址的映射
3.6.9 SADDR macGetShortAddr

0:

说明:获取mac短地址
3.6.10 BOOL

macRxBuffEmpty(void):

说明:判断接收缓存是否为空
3.6.1 1 BOOL

macRxBuffFull(void):

55

说明:判断接收缓存是否己满
3.6.1 2

MACPKT木macGetRxPacket(vo i d):

说明:取出接收缓存的尾指针的下一位置数据包
3.6.13 void

macFreeRxPacket(BOOL freemem):

说明:释放接收缓存中第一个数据包
若是全功能设备:
3.6.14 BOOL

usrJoinVerifyCal lback(LADDR*ptr,BYTE capinfo):

说明:回调函数,不同应用有不同实现,根据访问控制列表检查节点是否能够被接受 加入,如协调器只接受路由节点加入
3.6.15 BOOL

usrJoinNotifyCallback(LADDR*ptr):

说明:回调函数,允许节点加入的通知 3.7宏定义
(1)#define macGetShortAddr()(mac_addrtbl[0].saddr)

获取mac地址映射表中第一条记录的短地址
(2)#define

macldle0(macState—MAC_STATE_IDLE)
STATE IDLE

Mac空闲时,将macState的值设置为MAC Mac忙时,将macState的值取反

(3)#define macBusy0(macState!=MAC_STATE_IDLE)

(4)#define macTXIdle0(!mac_pib.flags.bits.TxlnProgress) (5)#define macTXBusy0(mac__pib.flags.bits.TxlnProgress) (6)#define macSetTxBusy0 mac__pib.flags.bits.TxlnProgress




设置mac层正在发送数据
(7)#define macSetTxldle()mac_pib.flags.bits.TxlnProgress




设置mac层发送数据空闲
(8)#define macDoService0|
a—mac—service.status


LRWPAN—STATUS—MAC—ⅣPROGRESS;\

macState=MAC—STATE_COMMAND—START;\ macFSM();\

攻读硕士学位期间发表的论文
l李武建,张辉。基于Zigbee技术的测温无线传感网平台设计。中国仪器仪表,
2009年6月

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