課程設(shè)計(jì)-低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)</b></p><p>　　低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)</p><p>　　院系： 電子信息學(xué)院 </p><p><b>　　引言</b></p><p><b>　　1.1 概述</b></p><p&g

2、t;　　信息技術(shù)的不斷進(jìn)步使越來(lái)越多的隨身電子設(shè)備和信息家電出現(xiàn)在人們的日常生活中。 這些設(shè)備給人們的生活帶來(lái)便利，但凌亂的線纜和頻繁的插拔也造成了諸多的使用不便。 為了擺脫物理連接上的限制，使各種設(shè)備能夠自由地互聯(lián)、 隨時(shí)隨地地接入網(wǎng)絡(luò)，人們不斷探索新的短距離無(wú)線通信技術(shù) 。常見(jiàn)的短距離無(wú)線通信技術(shù)包括紅外、Wi-Fi、藍(lán)牙、UWB和 ZigBee 等，它們的技術(shù)特點(diǎn)各有不同，但尚沒(méi)有一種技術(shù)可以滿足所有的應(yīng)用需求。 其中，藍(lán)牙和Zi

3、gBee 都是針對(duì)低功耗應(yīng)用提出的無(wú)線通信協(xié)議。但到目前為止，它們還難以支持電池供電的設(shè)備工作數(shù)年，低功耗性能不盡如意。</p><p>　　本設(shè)計(jì)應(yīng)用MSP430系列低功耗處理芯片和CC2520射頻信號(hào)收發(fā)芯片這兩種芯片，通過(guò)其外圍電路的設(shè)計(jì)，并使用ZigBee來(lái)編寫(xiě)通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低功耗。做到在特殊環(huán)境下的溫度采集，以及信號(hào)在個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的傳播。</p><p>　　1

4、.2無(wú)線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)</p><p>　　1.2.1.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)</p><p>　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng) Ad hoc網(wǎng)絡(luò)相比有一些獨(dú)有的特點(diǎn)，正是由于這些特點(diǎn)使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在很多新問(wèn)題， 提出了很多新的挑戰(zhàn)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要有五個(gè)特點(diǎn)：</p><p>　?。?）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、密度高。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的微型化

5、，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信和傳感半徑很有限，一般為十幾米范圍之內(nèi)，而且為了節(jié)能，傳感器節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，所以往往通過(guò)鋪設(shè)大量的傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和密度都要比 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)， 可能達(dá)到每平方米上百個(gè)節(jié)點(diǎn)的密度， 甚至多到無(wú)法為單個(gè)節(jié)點(diǎn)分配統(tǒng)一的物理地址。 這會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題， 如信號(hào)沖突、 信息的有效傳送路徑的選擇、大量節(jié)點(diǎn)之間如何協(xié)同工作等。</p><p>　?。?/p>

6、2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)有一定的故障率。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能工作在惡劣的外界環(huán)境之中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)由于各種不可預(yù)料的原因而失效， 為了保證網(wǎng)絡(luò)的正常工作， 要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須設(shè)計(jì)成具有一定的容錯(cuò)能力，允許傳感器節(jié)點(diǎn)具有一定的故障率。（3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在電池能量、計(jì)算能力和存儲(chǔ)容量等方面有限制。由于傳感器節(jié)點(diǎn)微型化， 節(jié)點(diǎn)的電池能量有限， 而且由于物理限制難以給節(jié)點(diǎn)更換電池， 所以傳感器節(jié)點(diǎn)的電池能量限制是整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

7、設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的約束之一， 它直接決定了網(wǎng)絡(luò)的工作壽命。 另一方面， 傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限，使得其不能進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，傳統(tǒng) Internet網(wǎng)絡(luò)上成熟的協(xié)議和算法對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)而方開(kāi)銷太大， 難以使用， 必須重新設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單有效的協(xié)議及算法。</p><p>　　（ 4）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化很快。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)， 傳感器節(jié)點(diǎn)在工作和睡眠狀態(tài)之間切換以及傳感器節(jié)點(diǎn)隨時(shí)可能由于各種原因發(fā)生故

8、障而失效， 或者有新的傳感器節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充進(jìn)來(lái)以提高網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量， 這些特點(diǎn)都使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化很快， 這對(duì)網(wǎng)絡(luò)各種算法 （如路由算法和鏈路質(zhì)量控制協(xié)議等）的有效性提出了挑戰(zhàn)。此外，如果節(jié)點(diǎn)具備移動(dòng)能力，也有可能帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓?lt;/p><p>　?。?）以數(shù)據(jù)為中心（ Data Centric）。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中人們只關(guān)心某個(gè)區(qū)域的某個(gè)觀測(cè)指標(biāo)的值，而且是不會(huì)去關(guān)心具體某個(gè)節(jié)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，比如說(shuō)人們

9、可能希望知道“檢測(cè)區(qū)域的東北角上的溫度是多少”，而不會(huì)關(guān)心“節(jié)點(diǎn)8所探測(cè)到的溫度值是多少”。這就是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)。而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)是和節(jié)點(diǎn)的物理地址聯(lián)系起來(lái)的， 以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠脫離傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的尋址過(guò)程， 快速有效的組織起各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息并融合提取出有用信息直接傳送給用戶。</p><p>　　1.2.2.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)</p><p&

10、gt;　　傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般由四個(gè)部分組成： 傳感單元（由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成）、處理單元（由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括 CPU、存儲(chǔ)器、嵌入式操作系統(tǒng)等）、 通信單元（由無(wú)線通信模塊組成）、以及電源部分此外，可以選擇的其它功能單元包括：定位系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)是任意分布在被檢測(cè)區(qū)域的，一般環(huán)境中采用人工埋置方法， 這樣可以保證節(jié)點(diǎn)的大體均勻分布； 在危險(xiǎn)區(qū)域或者不方便人工埋置的情況下， 可以采用飛機(jī)投放

11、，炮彈彈射等方法。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)部署完成后，所有傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)， 在每個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建路由信息， 以使每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)通訊。在這些節(jié)點(diǎn)中，有少數(shù)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)被稱為基站 （BaseStation）或者 Sink 節(jié)點(diǎn)， Sink 節(jié)點(diǎn)起網(wǎng)關(guān)的作用，它將傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的采集數(shù)據(jù)發(fā)送給觀測(cè)者，發(fā)送的方式可以采用 Internet、衛(wèi)星通信等；同時(shí)將觀測(cè)者的控制命令發(fā)送給各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。 Sink 節(jié)點(diǎn)必須在傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆

12、蓋范圍之內(nèi)，用戶的控制終端可以在任何地域范圍內(nèi)。</p><p>　　1.3 基于 IEEE802.15.4/ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介及協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　1.3.1 ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介</p><p>　　IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議是由 IEEE802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)的 PHY 和 MAC 層再加上 ZigB

13、ee 的網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用支持層所組成的。其突出的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持極低成本、 易實(shí)現(xiàn)、 可靠的數(shù)據(jù)傳輸、 短距離操作、 極低功耗、 各層次的安全性等。為了達(dá)到極低的設(shè)計(jì)成本和極低的功率消耗， 協(xié)議定義了兩種相互配合使用的物理設(shè)備，全功能設(shè)備和消減功能設(shè)備：</p><p>　　（1）全功能設(shè)備（Full Function Device, FFD ），可以支持任何一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者和普通協(xié)商者，并且可以和任

14、何一種設(shè)備進(jìn)行通信；</p><p>　　（2）消減功能設(shè)備（Reduced Function Device, RFD），只支持星型結(jié)構(gòu)，不能成為任何協(xié)商者， 可以和網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者進(jìn)行通信， 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的與物理節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，在 IEEE802.15.4/ZigBee 網(wǎng)絡(luò)需要至少一個(gè)全功能設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者，終端節(jié)點(diǎn)一般使用消減功能設(shè)備來(lái)降低系統(tǒng)成本和功耗，提高電池使用壽命。 另外所有設(shè)備必須使用一個(gè) 64 位的 IEE

15、E 地址；可以使用 16 位短地址來(lái)減少數(shù)據(jù)包大??； 尋址模式可以為網(wǎng)絡(luò)加設(shè)備標(biāo)識(shí)符的星型結(jié)構(gòu)，或者源和目標(biāo)標(biāo)識(shí)符的點(diǎn)到點(diǎn)結(jié)構(gòu)（包括了簇樹(shù)和 Mesh 網(wǎng)絡(luò)）兩種。</p><p>　　物理層的設(shè)計(jì)是面向低成本和更高層次的集成需求的， 對(duì)大部分較低端的實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)，直接序列（ Direct Sequence ）的應(yīng)用使用模擬電路變得非常簡(jiǎn)單，具有更高的容錯(cuò)性能； MAC 層的設(shè)計(jì)不但使得多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用變得簡(jiǎn)單

16、，可以實(shí)現(xiàn)非常有效的功耗管理，而不需要在很多管理模式之間的切換。 MAC 層可以使用一種消減功能設(shè)備 （Reduced Functional Device），由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要大量的 Flash、ROM 和 RAM 等存儲(chǔ)設(shè)備，從而保證了較長(zhǎng)的電池壽命。MAC還進(jìn)行了特別的設(shè)計(jì)，可以支持極大數(shù)目的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，而不需要對(duì)它們進(jìn)行包裝處理； 網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)支持網(wǎng)絡(luò)規(guī)模在空間上增長(zhǎng)而不需要使用高功耗的中繼器，而且網(wǎng)絡(luò)層在較少網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的條件下可

17、以支持更大數(shù)目的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。</p><p>　　基于IEEE802.15.4/ZigBee 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其突出的特點(diǎn)和應(yīng)用前景，必將成為今后無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一大方向。</p><p>　　1.3.2 ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)</p><p><b>　　1.概述</b></p><p>　　隨著通信技術(shù)

18、的迅速發(fā)展，人們提出了在自身附近幾米范圍內(nèi)通信的要求，這樣就出現(xiàn)了個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò) （ Personal Area Network, PAN） 和無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（ Wireless Personal Area Network, WPAN）的概念。WPAN 網(wǎng)絡(luò)為近距離范圍內(nèi)的設(shè)備建立無(wú)線連接，把幾米到幾十米范圍內(nèi)的多個(gè)設(shè)備通過(guò)無(wú)線方式連接在一起， 使他們可以相互通信甚至接入 LAN 或者 Internet。2001年 8月成立的 ZigB

19、ee聯(lián)盟就是一個(gè)針對(duì) WPAN 網(wǎng)絡(luò)而成立的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。該聯(lián)盟致力于近距離、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。他們開(kāi)發(fā)的技術(shù)被稱為 ZigBee技術(shù)，該技術(shù)希望被部署到商用電子、住宅及建筑自動(dòng)化、工業(yè)設(shè)備監(jiān)測(cè)、 PC外設(shè)、醫(yī)療傳感設(shè)備、玩具以及游戲等其他無(wú)線傳感和控制領(lǐng)域當(dāng)中。</p><p>　　ZigBee 聯(lián)盟已于 2005 年 6 月27 日公布了第一份 ZigBee 規(guī)范“ZigBeeSpeci

20、fication V1.0” 。這標(biāo)準(zhǔn)定義了在 IEEE802.15.4-2003物理層和標(biāo)準(zhǔn)媒體接入控制層上的網(wǎng)絡(luò)層及支持的應(yīng)用的服務(wù)。 ZigBee 聯(lián)盟的長(zhǎng)期目標(biāo)是能夠建立基于互操作平臺(tái)和配置文件的可伸縮、低成本嵌入式基礎(chǔ)架構(gòu)。</p><p>　　在 W-PAN 中有三種網(wǎng)絡(luò)角色： PAN 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和設(shè)備。這三種角色在IEEE802.15.4/ZigBee規(guī)范中分別對(duì)應(yīng) ZigBee協(xié)調(diào)器、 ZigBe

21、e路由器和設(shè)備。PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以看作是一個(gè) PAN 的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（也即 SINK 節(jié)點(diǎn)）。它是網(wǎng)絡(luò)建立的起點(diǎn)， 負(fù)責(zé) PAN 網(wǎng)絡(luò)的初始化， 確定 PAN 的 ID 號(hào)和 PAN 操作的物理信道并統(tǒng)籌短地址分配。 協(xié)調(diào)器在加入網(wǎng)絡(luò)之后獲得一定的短地址空間。這個(gè)空間內(nèi)，他有能力允許其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)， 并分配短地址， 當(dāng)然協(xié)調(diào)器還具備路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。 PAN 協(xié)調(diào)器和協(xié)調(diào)器周期發(fā)出信標(biāo)幀 （Beacon Frame） ，必須是全功能

22、設(shè)備（FFD）。設(shè)備是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的葉結(jié)點(diǎn)，它只能與它的父節(jié)點(diǎn)通信，也沒(méi)有加入其他任何節(jié)點(diǎn)的能力。設(shè)備可以是全功能設(shè)備（ FFD）或縮減功能設(shè)備（RFD）。</p><p>　　2. IEEE802.15.4/ZigBee 協(xié)議框架</p><p>　　IEEE802.15.4/ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)采用分層結(jié)構(gòu)。每一層為上層提供一系列特殊的服務(wù)： 數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)， 管理實(shí)體則提供所有其

23、他的服務(wù)。所有的服務(wù)實(shí)體都通過(guò)服務(wù)接入點(diǎn)（SAP）為上層提供一個(gè)接口，每個(gè) SAP 都支持一定數(shù)量的服務(wù)原語(yǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的功能。</p><p>　　IEEE802.15.4/ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)堆棧架構(gòu)是在 OSI 七層模型的基礎(chǔ)上根據(jù)市場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)際需要定義的。其中， IEEE8021.5.4-2003 標(biāo)準(zhǔn)定義了底層：物理層（ Physical Layer， PHY）和媒體訪問(wèn)控制層（ Medium Access

24、 Control Sub-Layer， MAC ）。 ZigBee 聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層（ Network Layer， NWK ），應(yīng)用層（ Application Layer， APL）架構(gòu)。其中應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層（ ApplicationSupport Sub-Layer， APS），應(yīng)用架構(gòu)（Application Framework， AF）， ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZigBee Device Objects， ZD

25、O）以及用戶定義應(yīng)用對(duì)象。</p><p>　　IEEE802.15.4-2003工作在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ ISM）頻段，定義了兩個(gè)物理層，分別工作在兩個(gè)頻段上： 868/915MHz 和 2.4GHz。其中低頻段物理層覆蓋了868MHz 的歐洲頻段和 915MHz 的美國(guó)與澳大利亞等國(guó)的頻段。高頻段則全球通用。IEEE802.15.4-2003 MAC 層采用 CSMA-CA 機(jī)制來(lái)控制信道接入，主要負(fù)責(zé)傳輸信標(biāo)幀

26、，同步以及提供可依賴的傳輸機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)層的主要職責(zé)包括提供設(shè)備用來(lái)加入網(wǎng)絡(luò)和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制，提供數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)陌踩珯C(jī)制和路由機(jī)制。另外，發(fā)現(xiàn)并保持設(shè)備間的路由，發(fā)現(xiàn)一跳鄰居并存儲(chǔ)潛在鄰居信息也是由網(wǎng)絡(luò)層（ NWK ）完成的。 ZigBee 協(xié)調(diào)器的 NWK層還必須負(fù)責(zé)啟動(dòng)一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，給新的關(guān)聯(lián)設(shè)備分配地址等工作。</p><p>　　IEEE802.15.4/ZigBee應(yīng)用層包括 APS，AF，ZDO 以及用戶定

27、義應(yīng)用對(duì)象。應(yīng)用支持子層（APS）子層負(fù)責(zé)維護(hù)綁定表，以及傳輸在綁定的設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù)。設(shè)備綁定表用于根據(jù)設(shè)備間提供服務(wù)的要求來(lái)匹配設(shè)備并儲(chǔ)存相關(guān)設(shè)備信息的。ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）負(fù)責(zé)定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色（如 ZigBee協(xié)調(diào)器中斷設(shè)備），提出或響應(yīng)綁定請(qǐng)求，以及建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的安全關(guān)系。 ZigBee 設(shè)備對(duì)象（ZDO）還要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)現(xiàn)及判定對(duì)方提供哪類服務(wù)。</p><p><b>　

28、　整體方案</b></p><p>　　2.1 本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作過(guò)程結(jié)構(gòu)示意圖</p><p><b>　　處理器的對(duì)比和選擇</b></p><p>　　1、51系列單片機(jī)的特點(diǎn) </p><p>　　51單片機(jī)是單片機(jī)中的一種，單

29、片機(jī)是一塊集成芯片，但不是一塊實(shí)現(xiàn)某一個(gè)邏輯作用的芯片，而是在這塊芯片當(dāng)中，集成了一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。如中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器（ROM,RAM）、I/O接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等。中央處理器是單片機(jī)的核心單元，他由運(yùn)算器和控制器組成，他的主要作用是實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、和控制。其特點(diǎn)有：有優(yōu)異的性價(jià)比、集成度高、體積小、有很高的可靠性、控制作用強(qiáng)、擴(kuò)展性能好，非常容易構(gòu)成各種應(yīng)用系統(tǒng)。   

30、60; </p><p>　　2、MSP430系列芯片的特點(diǎn) </p><p>　　TI公司的MSP430系列芯片其工作電壓范圍為1.8~3.6V，它具有五種節(jié)電工作模式，在不同的模式下消耗的電流在0.1~400μA，可以獲得很低的功耗。從休眠到正常工作整個(gè)喚醒時(shí)間只需6μs，反應(yīng)速度快。它內(nèi)部集成了A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。具有保持電路，具有硬件乘法器可以進(jìn)行的簡(jiǎn)單的數(shù)字

31、濾波等數(shù)據(jù)分析處理，具有60KB程序儲(chǔ)存器和2KB數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器，可以保存一定數(shù)據(jù)，非常適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。利用MSP430系列芯片的片內(nèi)資源，使節(jié)點(diǎn)不僅具有較完善的功能，還可化簡(jiǎn)系統(tǒng)硬件電路，降低功耗和體積，大大提高節(jié)點(diǎn)的可靠性和性價(jià)比。 </p><p>　　依據(jù)以前兩種處理器的對(duì)比和分析，本設(shè)計(jì)很容易的就可以確定使用MSP430系列的芯片作為低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的處理芯片</p>

32、<p><b>　　信號(hào)收發(fā)芯片的選擇</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)使用了TI公司的CC2520射頻信號(hào)收發(fā)芯片。該芯片專門(mén)用于企業(yè)、科學(xué)研究所與醫(yī)療部門(mén)的2.4GHz非正式頻率寬度所用。它具有當(dāng)今業(yè)界最佳的選擇性、共存性及優(yōu)異的鏈路預(yù)算功能特點(diǎn)，其產(chǎn)品目標(biāo)在于滿足各種應(yīng)用中ZigBee/IEEE 802.15.4同專有無(wú)線系統(tǒng)的要求，這包括工業(yè)監(jiān)控、家庭與樓宇自

33、動(dòng)化、機(jī)頂盒、遠(yuǎn)程控制以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。  </p><p>　　CC2520芯片能與諸如TI MSP430超低功耗MCU等微控制器以及一些額外無(wú)源組件協(xié)同工作。CC2520產(chǎn)品為各種應(yīng)用提供了廣泛的硬件支持，包括數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)傳輸、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)認(rèn)證、空閑通道評(píng)估、鏈接質(zhì)量指示以及數(shù)據(jù)包計(jì)時(shí)信息等，從而降低了主機(jī)控制器上的負(fù)載。而MSP430 MCU系列產(chǎn)品

34、具備各種高集成度外設(shè)，如動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器存取(DMA)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)品能夠在實(shí)現(xiàn)高性能的同時(shí)，確保功耗很低，因此CC2520芯片對(duì)于基于ZigBee的應(yīng)用而言是完美選擇。 </p><p>　　2.4 通訊協(xié)議的選擇</p><p>　　在前面的章節(jié)中，提到了ZigBee這種通訊協(xié)議，為什么本設(shè)計(jì)要使用ZigBee通訊協(xié)議，其選擇的重點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：&#

35、160;</p><p>　?。?）省電：由于工作周期很短、收發(fā)信息功耗較低、并且采用了休眠模式，ZigBee技術(shù)可以確保兩節(jié)五號(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)，當(dāng)然不同的應(yīng)用功耗是不同的;   </p><p>　?。?）可靠：采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸

36、機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息; </p><p>　?。?）成本低：模塊的初始成本估計(jì)在6美元左右，很快就能降到1.5美元到2.5美元之間，且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的; </p><p>　?。?）時(shí)延短：針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。設(shè)備搜索時(shí)延典型值為30ms，休眠激活時(shí)延典型值是15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接

37、入時(shí)延為15ms; </p><p>　　（5）網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254 個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò); </p><p>　　（6）安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。</p><

38、p>　　3.硬件電路及軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1MSP430系列芯片具體型號(hào)的確定</p><p>　　MSP430F149單片機(jī)是該系列中典型的一款處理器，采用16位RISC結(jié)構(gòu)，豐富的尋址方式、簡(jiǎn)潔的內(nèi)核指令、較高的處理速度、大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使之具有強(qiáng)大的處理能力，豐富的片內(nèi)外設(shè)可使整個(gè)電路變得異常簡(jiǎn)化，減少了節(jié)點(diǎn)的功耗和體積。另外，MSP430F149的

39、運(yùn)行環(huán)境溫度范圍為-40~+85℃，可以適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，也非常適合于傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用</p><p>　　如圖所示，430芯片的1腳與64接3.3V的電壓給芯片提供電壓，與地之間并聯(lián)100uF和104的電容進(jìn)行濾波，提供穩(wěn)定的電壓輸入。8腳與9腳接一個(gè)32768的晶振，可由軟件選作各個(gè)外圍模塊的時(shí)鐘信號(hào)，一般用于低速外設(shè)。52和53腳接一個(gè)8M的晶振作為系統(tǒng)主時(shí)鐘，主要用于CPU和系統(tǒng)。芯片內(nèi)部有個(gè)DCO振蕩

40、器。MSP430共有3個(gè)振蕩器。RST復(fù)位端低電平有效，按鍵按下產(chǎn)生低電平，芯片進(jìn)行復(fù)位。</p><p>　　MSP430最小系統(tǒng)電路的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2 CC2520射頻收發(fā)芯片典型應(yīng)用電路</p><p>　　射頻收發(fā)電路采用CC2520 芯片構(gòu)成。CC2520是德州儀器（T I）推出的2.4 GH z

41、免授權(quán)ISM 頻帶專用的第二代ZigBee / IEEE 802.15.4無(wú)線射頻收發(fā)器，它提供了選擇性/共存性和優(yōu)異的鏈路預(yù)算，專門(mén)支持各種ZigBee / IEEE 802.15.4及其專屬無(wú)線系統(tǒng)，適合工業(yè)監(jiān)視與控制、家庭與大樓自動(dòng)化、機(jī)頂盒、遙控和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。射頻收發(fā)外圍電路原理圖如圖所示。在射頻收發(fā)電路中，VCC _EM 輸入1.

42、 8 V 到3. 8 V的電源電壓。CC2520典型應(yīng)用電路中的不平衡變壓器由兩條傳輸線（TLIN inductor）和一些分立元件組成，這種連接具有50Ω的天線負(fù)載，在典型應(yīng)用電路中還添加了一個(gè)由一條傳輸線和C137、C174 組成的低通濾波器，以便加強(qiáng)對(duì)二次諧波的抑制。這些元器件的使用，使得CC2520芯片發(fā)揮了其絕佳的精準(zhǔn)度，讓本設(shè)計(jì)更加的完美和實(shí)用</p

43、><p>　　3.3數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　該模塊主要完成對(duì)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)的采集，采用的溫度傳感器是DALLAS公司的可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器DS18B20，獨(dú)特的單線接口方式使DS18B20在與微處理器連接時(shí)儀需一條口線，即町實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信，節(jié)約I／O口，測(cè)溫范圍為-55℃~+125℃，固有測(cè)溫分辨率為0.0625℃，工作電源為3 V一5 V直流電，測(cè)量結(jié)果以

44、9位一12位數(shù)字量方式串行傳送。在使甩中無(wú)需任何外圍元件，因此，可簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，減小節(jié)點(diǎn)體積，提高可靠性，降低能耗。</p><p>　　3.4 電源模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　節(jié)點(diǎn)的核心控制芯片CC2520工作電壓為2 V一3.6 V，推薦工作電壓3.3 V，溫度傳感器的工作電壓時(shí)3 V一5 V。采用2節(jié)干電池供電，電源管理芯片是TI最新的低功耗3.3 V穩(wěn)壓芯片TPS60211

45、，它的輸入電壓范圍為1.8 V一3.6 V。因此，采用2節(jié)干電池供電完全滿足需要，提供2種工作模式：睡眠模式，正常模式。2種工作模式可以通過(guò)編程控制。而且具有電壓自檢測(cè)報(bào)警功能。</p><p>　　3.5 軟件設(shè)計(jì)流程</p><p>　　3.5.1 主程序流程圖</p><p>　　本設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗，因此，在流程圖中適當(dāng)?shù)谋憩F(xiàn)出 MCU 與無(wú)

46、線模塊的休眠與啟動(dòng)，是本設(shè)計(jì)的硬件低功耗的一大特點(diǎn)，只有在硬件應(yīng)用時(shí)才會(huì)啟動(dòng)，其他時(shí)間里都是出于休眠狀態(tài)。</p><p>　　3.5.2讀取數(shù)據(jù)子程序設(shè)計(jì)</p><p>　　讀取傳感器數(shù)據(jù)程序需要完成器件的初始化和當(dāng)采集外部環(huán)境變量送MCU處理等功能。讀取數(shù)據(jù)程序的流程圖如圖</p><p>　　程序開(kāi)始后，首先初始化各I/O和各外部器件。然后開(kāi)始調(diào)用讀傳感器程

47、序，之后通過(guò)讀子函數(shù)傳回的值判斷是否溫度數(shù)據(jù)傳送完畢，開(kāi)啟無(wú)線傳感模塊和MCU。將讀回并運(yùn)算后的數(shù)據(jù)經(jīng) ZigBee 芯片 RF 部分發(fā)送出去。然后在調(diào)用讀取子函數(shù)繼續(xù)讀取下一幀數(shù)據(jù)。</p><p>　　3.5.3發(fā)送子程序設(shè)計(jì)</p><p>　　發(fā)射子程序的設(shè)計(jì)主要依靠通過(guò) ZigBee芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)收發(fā)器將數(shù)據(jù)發(fā)射出去，發(fā)射子程序主要完成以下任務(wù)：第一，完成 MCU 對(duì)外圍傳感器的

48、電參量的采集以及處理；第二，完成 MCU 與 ZigBeeRF 射頻模塊的實(shí)時(shí)通信；第三，始終使讀取溫度數(shù)據(jù)程序入口DS18B20 初始化采集完畢MCU 、無(wú)線模塊啟動(dòng)送給 MCU 處理返回是否能發(fā)射數(shù)據(jù)。程序設(shè)計(jì)流程如圖所示。在編寫(xiě)發(fā)射模塊軟件時(shí)，應(yīng)注意讀DS18B20的速度，讀DS18B20 的速度為 100ms 左右，這就導(dǎo)致發(fā)射的數(shù)據(jù)不能連續(xù)，這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)定時(shí)器解決，設(shè)定定時(shí)器0中斷在一定的時(shí)間間隔內(nèi)去讀 DS18B20傳感

49、器，這樣既減少了一定的數(shù)據(jù)延時(shí)， 也使接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的效率打打提高，還有一個(gè)最重要的問(wèn)題就是一個(gè)發(fā)射模塊使用一個(gè)發(fā)射芯片，也就是一個(gè)單片機(jī)，怎樣實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)和從別的節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)同時(shí)傳送，通過(guò)具體 調(diào)試 ，可以利用在讀出的DS18B20 溫度數(shù)據(jù)中加入一個(gè)標(biāo)志位，這樣接收時(shí)候就避免了將兩組數(shù)據(jù)混淆的結(jié)果。</p><p>　　3.5.3 數(shù)據(jù)接收程序</p><p>　　接收模塊的 MCU

50、 主要承擔(dān)以下任務(wù)是實(shí)現(xiàn) MCU 與 RF 射頻模塊的通信，使能內(nèi)部接收寄存器實(shí)時(shí)進(jìn)行接收。程序流程圖如圖所示。以下是接收程序的軟件流程圖，這里需要注意幾個(gè)問(wèn)題， 上面已經(jīng)說(shuō)到假如發(fā)射的數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔不是一定的，那么接收到的數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔也不是一定的，這樣就使送顯示的時(shí)候產(chǎn)生了一些問(wèn)題，第一、接收到的數(shù)據(jù)頻率不一定；第二、上圖已經(jīng)提到，接收到的數(shù)據(jù)中帶標(biāo)志位的溫度數(shù)據(jù)在子程序中將會(huì)被無(wú)線收發(fā)模塊休眠程序入口無(wú)線收發(fā)模塊啟動(dòng)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入寄存

51、器，使能發(fā)射MCU 判斷，而另一個(gè)數(shù)據(jù)將會(huì)直接送到發(fā)送模塊發(fā)送出去，這樣就導(dǎo)致了兩個(gè)數(shù)據(jù)顯示不同步；解決方法就是定時(shí)讀取 RF 射頻模塊中的接收數(shù)據(jù)寄存器，在定時(shí)器中斷當(dāng)中設(shè)置一個(gè)變量， 擬定一個(gè)具體的時(shí)間間隔，定時(shí)讀取，而這個(gè)時(shí)間間隔大了會(huì)導(dǎo)致程序卡死。</p><p><b>　　結(jié)束語(yǔ)</b></p><p>　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)在社會(huì)的應(yīng)用越來(lái)越大，而且對(duì)無(wú)