(论文)基于温度传感器的cc2430节点设计最新优秀毕业论文资料搜集呕血奉献

毕业设计（论文）基于温度传感器的CC2430节点设计摘 要 无线传感器网络是由分布在各个区域的自组织节点设备的无线网络。这些节点设备通过自身的传感器来监测周围的物理或者环境状况，比如温度、声音、压力、震动等，通过汇总和分析这些信息做出决策。无线传感网络最初应用在军事领域，用以战地的一些监测。近年来，无线传感网络越来越多的应用在民用工程上，包括环境监测，家庭自动化，交通控制等领域。随着无线传感器网络应用的越来越广泛，它成为了当前研究的热点之一。无线传感器网络是由大量的节点组成的，节点在无线传感网络中具有路由和感知的功能。通常无线传感网络由大量的低成本、资源受限的传感器节点组成，用来部署在复杂的环境中，节点往往通过电池来供电。因此，在无线传感网络节点操作系统设计时，低功耗是一个具有挑战的新问题。传感器节点数量众多，分布区域广泛，甚至有时是处在难以接近的环境中，通过手动来实现节点上软件的更新和故障修复的难度很大，因此，需要节点具有通过无线网络更新的能力。针对无线传感器网络技术的特点，一项新的技术标准ZigBee技术在2002年被提出并不断被更新和完善，并获得了广泛的支持。ZigBee技术作为一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的协议标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信，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，所以其通信效率非常高。本文首先介绍了无线传感网络技术的发展现状、ZigBee技术规范及ZigBee芯片CC2430的特点。其次具体论述了采用CC2430完成温度测量系统的设计方案，讨论了无线网络的功耗管理方法、无线网络的配置、利用片内温度传感器检测环境温度、从节点温度数据的发送、主节点对温度数据的接收及上传给上位机显示等内容。关键词：无线传感器网络；ZigBee；协议802.15.4；CC2430；无线通信Node Design of CC2430 Based On Temperature SensorAbstractA Wireless Sensor Network(WSN) is a network consisting of spatially distributed self-organizing devices. These devices use their sensors to monitor devices. Their sensors to monitor environmental conditions, such as temperature, sound, pressure vibration, and so on. Decision is made after data acquisition and information processing. WSN were originally motivated by military applications, such as battlefield surveillance. In addition areas, including environment monitoring, home automation, and traffic control. WSNs become one of the hottest research directions of computer science now days. WSNs consist of large number of sensor nodes which have the capability of computing, sensing and communicating. Most sensor nodes are low-cost and resources constrained compared to other embedded systems, so it can be deployed in a large scale. Energy efficiency is one of the most challenging issues since most of the sensor nodes are battery powered. Usually a large number of sensor nodes are spread over a large field which is usually unreachable. Updating software manually is impossible. So network managers need remote reprogramming ability in order to add new functionality or fix software bugs.In view of the technical characteristics of wireless sensor networks, a new technical standard in 2002 was proposed and has obtained the widespread support after updating and improving. It is the ZigBee technology. ZigBee technology as one kind of emerging wireless network technology with near distance, low complexity, the low powerless, the low date rate, the low cast, is mainly used in the near distant wireless connection. It has its own agreement standard to communicate between several thousand small sensors intercoordination realization communications. These sensors only need very few energies, pass the date by the relay way through the radio wave from a sensor to anther, therefore they communicate with an extreme by high efficiency wireless connection. This article briefly introduced the development of WSN technology and the specification of it, also the characteristics of the CC2430 chip on which the ZigBee technology can be implemented. Beside, it give a sample application example on how to realize a distributed temperature measure task, including power consumption management, configuration of the wireless network, using the on-chip temperature sensor to detect the environment temperature, the way the temperature data is send from child-device, and the receiving of temperature. data on the coordinate side, and the waythe data is up-loaded to a PC, on which the data is further display.Key words： WSN; ZigBee; Protocol 802.15.4; CC2430; wireless communication目 录引 言1第1章 绪论21.1 论文研究的背景以及意义21.2 研究现状及发展趋势2第2章 IEEE 802.15.4 / ZigBee无线传感器网络通信标准42.1 IEEE802.15.4协议标准42.1.1 IEEE802.15.4的主要特点42.2 ZigBee技术概述52.2.1 ZigBee协议架构52.2.2 ZigBee的技术参数及优势6第3章 无线传感器网络节点的总体设计83.1 系统总体设计原则83.2 系统硬件设计83.2.1系统总体结构83.2.2设备节点设计103.2.3数据采集模块113.2.4数据处理模块123.2.5无线通信模块133.2.6电源模块143.2.7 USB转串口电路设计153.3 软件设计163.3.1传感器节点的软件结构163.3.2通信协议体系结构163.3.3网络协议设计17第4章 案例分析194.1 无线温度采集及串口通信演示194.1.1开发环境IAR Embedded Workbench194.1.2 CC2430开发套件204.1.3实验步骤及结果234.2 网络配置244.2.1从节点使用片内温度传感器检侧环境温度244.2.2从节点温度数据的发送254.2.3主节点对温度数据的接收254.2.4主节点将温度数据上传PC机254.2.5在PC机上显示采集到的温度数据26总结与展望28致 谢29参考文献30附录A CC2430节点设计原理图31附录B 外文文献及其译文32附录C 主要参考文献的题录及摘要37附录D 源程序39插图清单图 2-1 ZigBee协议栈架构5图 3-1 系统总体结构9图 3-2 节点结构组成图10图 3-3 温度传感器DS18B2011图 3-4 数据处理模块硬件原理图13图 3-5 CC2430无线模块14图 3-6 RS232 接口与SP3232E连接图15图 3-7 WSN软件结构16图 3-8 传感器网络协议结构17表格清单表2-1 IEEE802.15.4的主要技术特征4表2-2 ZigBee技术参数6表3-1 DS18B20详细引脚功能描述11表3-2 不同电源模式的比较15- 43 -引 言在现代工农业生产中,因为环境条件中的温度和湿度指标是许多工农业场合的重要参数，常常需要对环境温度进行检测，所以研制可靠且实用的温湿度监测系统显得非常重要。通常，采用有线网络实现温湿度监测，具有布线麻烦、设备随意移动性不强等缺点。随着射频技术、集成电路技术的发展，无线传感器网络的实现越来越容易，数据传输速率也越来越快，并且逐渐达到可以与有线网络相媲美的水平。无线传感器网络由大量体积小、能耗低、具有无线通信、传感和数据处理功能的传感器节点组成。这些传感器节点集成有传感器、数据处理单元和通信模块，它们通过无线信道相连，自组织地构成网络系统。不仅可以节省费用和时间，而且，改变温湿度传感器节点测量位置和增加或减少传感器节点数目都非常方便。设计应用于温度的无线传感器网络在需要测量的部位放置传感器节点，由监测中心对网络采集的数据统一管理和分析。该无线传感器网络将温湿度数据传输到ZigBee网关，再通过以太网发送到监测中心主机， 具有快速展开、稳定可靠、可维护性好等特点。本文设计了一种基于温度传感器的CC2430节点,它以RF （射频）芯片CC2430为核心,在温度传感器DS18B20 的配合下,在ZigBee协议下建立点对点通信组网，能够高效地完成对环境温度的无线检测，并且在远程计算机上显示数据。第1章 绪论1.1论文研究的背景以及意义 随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统等技术的飞速发展和日益成熟，传感器信息获取技术已经从过去的单一化逐渐向集成化、微型化和网络化的方向发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）因此孕育而生。它是由部署在检测区域内大量的微型传感器节点通过无线电通信形成的一个多跳的自组织系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域里检测对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络由大量体积小、能耗低、具有无线通信、传感和数据处理功能的传感器节点组成。这些传感器节点集成有传感器、数据处理单元和通信模块，它们通过无线信道相连，自组织地构成网络系统。传感器节点利用其内置的形式多样的传感器，测量所在周边环境的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，检测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多人们感兴趣的物理现象。通过网关，传感器网络还可以连接到现有的网络基础设施上，从而将采集到的信息回传给远程的终端用户使用。因此，传感器节点是无线传感器网络的基本单元，节点设计的好坏直接影响到整个网络的质量。无线传感器网络节点主要负责对周围信息的采集和处理，并发送自己采集的数据给相邻节点或将相邻节点发过来的数据转发给基站或更靠近基站的节点。考虑到无线传感器网络在通信上消耗能量较大，故选用功耗较小的CC2430芯片作为通信芯片来设计节点。CC2430芯片是Chipcon公司提供的全世界首款支持ZigBee协议的SoC解决方案，仅需很少的外置元件，且所选用元件均为低成本型，可支持快速、廉价的ZigBee节点的构建。CC2430芯片上系统保持了CC2420所包括的卓越射频性能，包括超低功耗、高灵敏度、出众的抗噪声及抗干扰能力。另外，CC2430对于那些要求非常长的电池寿命的应用，具有休眠模式和可短时间转换到主动模式的能力，使之能够成为最理想的解决方案。这个配置可以被应用于所有ZigBeeTM的无线网络节点，包括协调器、路由器、设备终端1。1.2 研究现状及发展趋势无线传感器网络的研究具有很强的试验科学的特点。传统的互联网研究已经具有很长的历史，利用已有的基础化设施，为新的研究搭建大规模的物理试验床（如组播应用研究的Mbone）和虚拟网络试验环境（如P2P研究的Plant Lab）相对比较容易。但无线传感器网络是一种全新的网络技术，与传统的互联网差别较大，甚至网络体系结构都将截然不同，因此无线传感器网络研究可继承的资源也就十分有限，研制网络节点，搭建一定规模的试验床自然成了无线传感器网络研究初期的一个主要任务。到目前为止，已经出现了众多节点试验平台。根据时间先后和技术特点，我们将它大致分为五代。第一代（19961999年）：代表性的平台有UCLA的WINS、UC Berkeley的Smart Dust、WeC和Rene。WINS是较早的试验平台，是DARPA 1995年资助项目“Low Power Wireless Integrated： Microsensors” 的研究成果，主要是展示CIMS（CMOS Integrated Micro Systems）技术在设计微型化低功耗无线传感器构成组件时的优势，并没有特别强调无线通信及网络技术，因此最终并没有形成颇具影响力的平台。但它在无线传感器网络研究中的种子性作用不可抹杀。Smart Dust以很强的震撼力向人们展示了无线传感器网络的设计理念，使人们对无线传感器网络的未来充满了丰富的想象。Smart Dust的字面含义即智能尘埃，它意味着未来我们生活的物理空间中会悬浮着无数这样的无线传感器网络节点，帮助我们完成与物理世界的信息交互。虽然目前依旧没有真正进入工程应用，但作为概念性节点平台却声名远扬。第二代（20002001年）：这一时期无线传感器网络的研究开始受到越来越多研究者的关注。于是，相继出现了多种试验平台，典型的有UCB的Mica与Dot，MIT的uAMPS-I和uAMPS-II，以及Rockwell公司的HYDRA。它们为无线传感器网络研究提供了通用的试验平台，被用在不同机构资助的研究项目进行原理性验证和算法测试评估。第三代（20022003年）：随着研究的深入，人们认识到对于特殊环境中自组织无线传感器网络的应用，降低能耗，尽可能延长网络生命周期是一个非常关键的问题。于是，研究者开始从各个角度出发寻找减小系统能耗的方案，节点设计自然也不例外。其间产生了两款代表性的试验平台：Mica2和MicaDot2，以及NASA JPL实验室的Sensor Web。第四代（2004年初2004年底）：Chipcon率先发布了支持ZigBee的射频芯片，这成为无线传感器网络节点研发的又一个分水岭。随后的研究开始重点关注新无线通信技术与标准在无线传感器网络节点设计中的应用。到目前为止，已经相继出现了一系列第四代节点，典型的有MicaZ、Telos、EmberNode、Imote、Imote2、BTNode3和DSYS25。第五代（2005年初至今）：Sun公司推出了一种新型的无线传感网络设备Sun SPOT（Small Programmable Object Technology），它采用了32位的高效能处理器ARM 920T、支援ZigBee的CC2420无线通讯芯片和创新的Squawk Java虚拟机。它为全世界营造了一个能够迎合未来小型传感设备实践和开发的软件和硬件研究平台，它还为学校在教学科研等诸多方面提供了很宽广的教学平台和研发契机。 无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变了人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。美国商业周刊和MI技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。无线传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官又被称为全球未来的三大高科技产业2。第2章IEEE 802.15.4 / ZigBee无线传感器网络通信标准 目前，在WSN的无线通信方面可采用的主要有ZigBee、蓝牙、Wi-Fi和红外等技术。其中，红外技术的实现和操作相对简单，成本低廉，但红外光线易受遮挡，可移动性差，只支持点对点视距连接，无法灵活的构建网络；蓝牙技术是工作在2.4GHz频段的无线技术，目前在计算机外设方面应用较广泛，但由于其协议本身较复杂、开发成本高、节点功耗大等缺点，从而限制了其在工农业方面的进一步推广；Wi-Fi技术的通信率为11 Mbit/s，通信距离为50100m，适合于多媒体的应用，但其本身实现成本高，功耗大，安全性能低，从而在WSN中应用较少；ZigBee技术以其经济、可靠、高效等优点在WSN中有着广泛的应用前景。ZigBee是一种短距离、低速率、低功耗、低成本和低复杂度的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。2.1 IEEE802.15.4协议标准IEEE 802.15.4是IEEE针对低速率无线个人区域网（low-rate wireless personal area networks,LRWPAN）制定的无线通信标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭内不同设备之间的低速率无线互联提供统一标准。该标准定义的LR-WPAN网络的特征与无线传感器网络有很多相似之处，很多研究机构把它作为无线传感器网络的通信标准。2.1.1 IEEE802.15.4的主要特点表2-1 IEEE802.15.4的主要技术特征复杂程度比现有标准低通信时延ms目的只支持数据通信信道接入方式CSMA-CA频段、速率及信道数868 MHz：20kbps，1925 MHz：40kbps，102.4 GHz：250kbps，16MAC的控制方式星型，对等网络支持节点数65000寻址方式64 bit IEEE地址8 bit 网络地址连接层结构开放式温度4085传输范围及速率室内：10m，250kbps室外：3075m，40kbps 300m，20kbps应用传感器，控制领域等IEEE802.15.4在物理层定义了两个标准，分别是868/915MHz物理层和2.4GHz物理层。两个物理层使用相同的物理层数据包格式，都是基于DSSS（直接序列扩频），信道接入方式都采用CSMA-CA;不同的是它们的工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。868MHz（欧洲ISM）频段只有一个信道，传输速率为20kbps；916MHz（美国ISM）频段有10个信道，DSSS采用了每符号15个码片，传输速率为40kbps。868/915MHz频段均采用BPSK调制，2.4GHz是全球统一的无须申请的ISM频段，有16个信道，提供250kbps的传输速率，DSSS采用了每符号32个码片，物理层采用O-QPSK调制。表2-1概括了IEEE802.15.4的一些特点。2.2 ZigBee技术概述 ZigBee是IEEE 802.15.4标准的扩展集，IEEE 802.15.4工作组主要负责制订物理层及MAC层的协议，ZigBee联盟负责高层应用、测试和市场推广等工作，定义了应用层和安全方面的规范，使得来自不同厂商的设备可以相互对话。IEEE802.15.4满足国际标准组织（ISO）开放系统互连（OSI）参考模型，其MAC层单一，物理层多样。2.2.1 ZigBee协议架构ZigBee标准定义了一种堆栈协议，这种协议能够确保无线设备在低成本、低功耗和低数据速率网络中的互操作性。在IEEE802.15.4标准的基础上，ZigBee定义了系统的高层，包括可采用的网络结构、安全层、应用会聚层和高层应用规范。ZigBee设备应该包括IEEE802.15.4（该标准定义了RF射频以及与相邻设备之间的通信）的物理（PHY）层和媒质接入控制（MAC）层，以及ZigBee堆栈层：网络 （NWK） 层、应用层和安全服务提供层。其协议架构如图2-1所示3。高层引用规范应用会聚层网络层IEEE 802.15.4逻辑链路控制层（LLC）IEEE 802.2逻辑链路控制层（LLC）IEEE 802.15.4媒质接入控制层（MAC）868/915 MHz物理层2.4 GHz物理层 Zigbee联盟 IEEE802.15.4 图 2-1 ZigBee协议栈架构PHY层的特征是启动和关闭无线收发器，能量检测、链路质量、信道选择、清除信道评估，以及通过物理媒体对数据包进行发送和接收。MAC层的具体特征是信标理、信道接入、时隙管理、发送确认帧、发送连接及断开连接请求，且为应用合适的安全机制提供方法4。IEEE802.15.4的数据链路层分成逻辑链路控制（LLC）和媒介访问控制（ MAC）两个子层。IEEE802.15.4的MAC层采用了简单灵活的协议，以保证低成本、易实现、低功耗等特点。IEEE802.15.4的MAC子层支持多种逻辑链路层（LLC）标准，通过SSCS （ Service-Specific Convergence Sublayer业务相关的会聚子层）协议承载IEEE802.2类型的LLC标准，同时也允许其他LLC标准直接使用IEEE802.15.4的MAC层的服务，MAC层与硬件联系紧密，依赖于不同的物理层而实现。其中LLC在IEEE802.6标准中定义，为IEEE802标准所共用。IEEE802.15.4的MAC层为了增加灵活性，支持64bit的IEEE地址和16bit的短地址两类地址。ZigBee网络中所有设备都被分配以唯一的64bit的IEEE地址，此地址的分配是动态的。16bits的局部地址处理起来更方便，节约功耗。一旦网络建立，可以使用短地址使网络可以支持超过65000个节点。2.2.2 ZigBee的技术参数及优势ZigBee是为建立一种可靠的、高性价比的、低功耗的，可以实现监测和控制的无线网络而制定的，是一套完整的、开放的、全球统一的标准，是被全球公认的具有互操作性的解决方案，适用于家庭自动化与远程控制领域，其主要技术参数如表2-2所示，技术优势包括以下几个方面3。表2-2 ZigBee技术参数传输距离可达1075米，依赖功率输出和环境特性。通信延时1530ms（典型搜索时延30ms，休眠激活时延15ms，活动接入时延15ms）。寻址方式64 bit IEEE地址，16bit本地网络地址。网络容量一个ZigBee网络可容纳一个主设备，254个从设备；一个区域内可同时存在100多个ZigBee网络，由此最大容量可达25400。网络拓扑星型，点对点，网状。安全机制提供了数据完整性检查及鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可灵活确定采用何种安全机制。成本估算模块初始成本约6美元，随着市场成熟，会很快降至1.52.5美元，并且Zigbee协议免专利费。耗电情况非常低的占空因数（或称忙闲度），可以小于0.1%；具有工作周期短，收发功耗低的特点，并且有休眠模式，一般情况下两节五号电池可工作6个月至两年左右。（1）协议简单。ZigBee采用基本的主一从结构配合静态的星型网络，因此更加适用于使用频率低、传输速率低的设备；（2）功耗低。由于工作周期很短，收发信息功耗也较低，并且采用了多种节能方式，电池的使用时间最终决定于不同的网络应用，通常情况下，ZigBee两节五号电池可以支持长达六个月到两年的使用时间；（3）时延短。设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值为15ms活动设备信道接入时延为15ms，这对某些时间敏感的信息至关重要，另外还节省了能量消耗，能够满足大多数情况下应用的时延要求；（4）可靠。由于ZigBee采用了防碰撞机制，同时对需要固定带宽的通信业务采用预留专用时隙的策略，避免了发送数据时的竞争和冲突。在接入层采用确认的数据传输机制，每个发送的数据包必须等待接收点的确认信息，才可发送下一个数据包；（5）成本低。低数据速率、简单的协议和小的存储空间大大降低了ZigBee的成本，每块芯片的价格约为两美元，另外ZigBee协议不需要支付专利费；（6）网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持255个设备，也就是说每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络；（7）安全。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法，同时不同的应用可以依据各自的具体要求灵活确定其安全属性；（8）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。第3章 无线传感器网络节点的总体设计3.1系统总体设计原则无线传感器网络的载波媒体可能的选择包括红外线、激光和无线电波。为了提高网络的环境适应性，所选择的传输媒体应该是在多数地区内都可以使用的。红外线的使用不需要申请频段，不会受到电磁信号干扰，而且红外线收发器价格便宜。另外一种可能的通信方式是激光，激光通信保密性强、速度快。但是红外线和激光通信的一个共同问题是要求发送器和接收器在视线范围之内，这对于节点随机分布的无线传感器网络来说，难以实现，因而使用受到了限制。在国外己经建立起来的无线传感器网络中，多数传感器节点的硬件设计多基于射频电路。由于使用9.2MHz，2.4GHz及5.8GHz的ISM频段不需要向无线电管理部门申请，所以很多系统采用ISM频段作为载波频率。节点的设计方法主要有两种，一种是利用市场上可以获得的商业元器件构建传感器节点，如围绕TinyOS项目所设计的系列硬件平台;另一种方法是采用MEMS和集成电路技术，设计包含微处理器、通信电路、传感器等模块的高度集成化传感器节点，如智能尘埃（smart dust）、无线集成网络传感器（WINS）等。本文通过对无线传感器网络节点的制作工艺及各种不同场合下的应用分析，总结了以下几个方面的基本设计原则5：（1）节能是传感器网络节点设计最主要的问题。无线传感器网络要部署在人们无法接近的场所，而且不常更换供电设备，对节点功耗要求就非常严格。在设计过程中，应采用合理的能量监测与控制机制，功耗要限制在几十毫瓦甚至更低数量级。（2）成本的高低是衡量传感器网络节点设计好坏的重要指标。传感器网络节点通常大量散布，只有低成本才能保证节点广泛使用。这就要求无线传感器节点的各个模块的设计不能特别复杂，否则不利于降低成本。（3）微型化是传感器网络追求的终极目标。只有节点本身足够小，才能保证不影响目标系统环境；另外在战争侦查等特定用途的环境下，微型化更是首先考虑的问题之一。（4）可扩展性也是设计中必须考虑的问题。节点应当在具备通用处理器和通信模块的基础上拥有完整、规范的外部接口，以适应不同的组件。本文正是基于以上的设计原则，采用前述的第一种设计方法对无线传感器网络的节点进行了设计，实现了系统通用平台的硬件搭建。3.2系统硬件设计3.2.1系统总体结构无线传感器节点执行数据采集、处理和通信等工作。节点从器件上分为两类，一类是全功能设备（FFD：FullFunctionDevice），它拥有足够的存储空间来存放路由信息并且处理能力也比较强大;另一类是简化功能设备（RFD：ReduceFunctionDevice），它内存较小，功耗低。全功能器件主要起到网关作用，而简化功能器件是最基本的传感器节点，用来捕获数据信息并传递给其范围内的网关节点。根据上层的应用环境，FFD和RFD互相组合，可以共同协调工作，不仅扩大了网络的覆盖范围，同时由于RFD的加入，节省了整体功耗。整个网络由若干终端设备和监控中心组成，网络采用星型拓扑结构，系统结构如图3-1所示。监控中心由一台计算机和一个协调器节点（主节点）组成，协调器是一种实现一组很多ZigBee服务的FFD，负责与所控制的子节点通信、汇集数据和发布控制或起到通信路由的作用。设备节点可以是FFD或RFD,RFD是最简单的ZigBee节点，只实现一组最少的ZigBee服务。采用ZigBee技术的设备节点成本一般只有几美元，功耗非常低（几个mw ），使用普通五号电池就可以维持长达数年的工作时间；单个ZigBee设备的通信距离约2050米，可将多个设备配合起来覆盖更大的范围；节点的时延很短，信道接入时延仅为15ms，休眠激活的时延为30ms;网络容量较大，一个网络内可容纳65000多个节点设备。图 3-1 系统总体结构因为WSN协调器节点负责协调整个网络以及与中央控制点的通信，所以它是构建一个鲁棒ZigBee网络的关键所在。对WSN协调器节点的关键要求主要包括：（1） WSN协调器节点在中央控制点超出ZigBee网络的理盖范围时，可能通过有线连接与中央控制点进行通信。因为以太网的应用越来越普及，所以在大多数场合以太网是最可能的选择。以太网的应用为网络设计带来两个潜在影响：要考虑处理以太网接口所需的处理器带宽；为驱动以太网接口，网络需要相应的底层驱动程序以及协议栈，这就增加了WSN控制器对程序存储器的需求。（2）驱动整个WSN网络的通信。因为一个大的WSN网络将使通信量增加，所以WSN协调器需要更高的带宽。（3）标记整个ZigBee个人局域网。WSN协调器必须储存整个网络的“地图”，并识别网络内哪些节点是FFD或RFD以及各部分的功能。（4）具备与网络中的新节点建立动态链接的能力。在大型系统的使用周期中可能需要添加新节点。WSN协调器必须能容易地与这些新节点建立连接，还要能确定这些新节点在网络中的职责。为使WSN协调器能有效地履行这种任务，它需要更大的本地程序存储器，因而也必须具备访问这些存储器的能力。其它更具体的应用也许需要ZigBee路由器来扩展网络的工作范围，其中路由器将充当因为相距太远而不能直接通信的节点之间的中继器。此外，这种部署方案可能依赖于电池供电的路由器，所以需要相当数量的“睡眠”时间以增加它们的使用寿命。3.2.2设备节点设计本文设计的设备节点是一个微型化的嵌入式系统，构成了无线传感器网络的基础支持平台。该节点由数据采集模块、微处理模块（包括微控制器MCU及其外围设备）、无线通信模块、电源模块共四个部分组成，节点总体结构如图3-2所示。各种附加模块电源模块微处理模块无线通信模块数据采集模块通用接口传感器A/D转换器存储器微控制器ZigBee射频模块 图3-2 节点结构组成图数据采集模块主要负责监测区域内信息的采集并将各种传感器（如温度、湿度、光强度等）采集的其他信号（如光信号、电信号、化学信号）转变为数字信号并送给微处理模块;微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、任务管理等，最主要的是需要实现网络安全可靠的通信协议；无线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;电源模块管理单元选通所用到的传感器，节点电源由两节1.5V碱性电池组成，也可采用微型纽扣电池，以进一步减小体积。为了调试方便及可扩展性，将数据采集单元独立出来，通过预先留出的通用接口将两块主板相互套接。通过通用接口实现附加功能与系统核心模块相分离，降低系统复杂性;并可根据实际应用添加不同类型的传感器（光、温度、湿度、压力等）。此外，可以添加能量监测模块、定位系统、移动系统、电源自供电系统等各种附加模块，增强节点的可扩展性。3.2.3数据采集模块节点要采集设备的的某一状态数据，要通过各种类型传感器来实现。在节点上装有一种或多种传感器，则可以采集不同类型的物理信号，可以很方便的实行节点功能扩展或转换。本设计采用DS18B20数字温度计采集温度数据。DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-BOARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。一线总线独特而且经济的特点，使用过程中只占用微处理器的一个I/O口，利用Dallas的单总线控制协议和单线控制信号在总线上来实现命令的传输和数据的读写。使用户可轻松地组建传感器网络。DS18B20的TO92封装的引脚排列见图3-3，其引脚功能描述见表3-1。 图3-3 温度传感器DS18B20表3-1 DS18B20详细引脚功能描述序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用看在寄生电源下，也可以向器件提供电源。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。DS18B20体积小、经济、灵活。只要求一个端口即可实现通信，实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。测量温度范围为-55 +125 之间，在-10+85范围内，精度为0.5。测量的温度值用9-12位数字表示，最大转换时间为750ms6 。DS18B20的转换分辨率均可由用户设定，并能长期保存，产品支持3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、工业设备或过程控制、测温类消费电子产品等。3.2.4数据处理模块数据处理模块采用Chipcon公司生产的首款符合ZigBee技术的2.4GHz射频系统单芯片CC2430。CC2430包含一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核，运行时钟32MHz。由于具有更快的执行时间和通过除去被浪费的总线状态的方式，使得使用标准8051指令集的CC2430增强型8051内核具有8倍于标准8051内核的性能7。CC2430芯片是Chipcon公司生产的首款符合ZigBee技术的2.4GHz射频系统单芯片。适用于各种ZigBee无线网络节点，包括协调器、路由器和终端设备。CC2430芯片以强大的集成开发环境IAR作为支持，它结合Chipcon公司全球先进的ZigBee协议栈、工具包和参考设计，是全球领先的ZigBee解决方案。它集成了增强型51内核MCU、闪存、IEEE802.15.4所需要的全部硬件。CC2430 SoE家族包括三个不同系列的产品，CC2430-F32，CC2430-F64和CC2430-F128。它们的区别在于内置闪存的容量不同，分别是32K、64K和128K片内闪存。CC2430芯片的主要特点如下8：l 高性能和低功耗的8051微控制器核l 具有32/64/l28KB可编程闪存和SKB的RAMl 集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHZ的ZigBee射频（RF）前端，有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性l CC2430芯片采用0.18umCMOS艺生产，77mm QLP48封装。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和25mAl 在休眠模式时仅0.9 uA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统;在待机模式时少于0.6uA的流耗，外部中断能唤醒系统l CC2430的休眠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场合l 硬件支持CSMA/CA功能l 较宽的电压范围（2.03.6V）l 强大的DMA功能l 具有电池监测和温度感测功能l 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l 集成了14位模数转换的ADCl 集成AES安全协处理器。l 带有2个强大的支持几组协议的USART，以及1个符合正EE802.15.4规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器、2个8位计时器、32.768KHZ晶振下工作的睡眠定时器（sleep Timer）和看门狗定时器（Watchdog timer）。CC2430芯片只需少量外围部件配合就能实现信号的收发功能。图3-4为该模块的硬件原理图。图3-4 数据处理模块硬件原理图电路中R1和R2为偏置电阻, R1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（XTAL1）和2个电容（C2 和C3）构成一个32MHz的晶振电路。用1个32. 768 kHz的石英谐振器（XTAL2）和2个电容（C4和C5）构成一个32. 768kHz的晶振电路。电压调节器为所有要求1. 8 V电压的引脚和内部电源供电,电容C6和C7是去耦电容,用来为电源滤波,以提高芯片工作的稳定性。温度传感器DS18B20的数据输入/输出端DQ接P0_0引脚,该引脚具有4 mA的输出驱动能力。3.2.5无线通信模块无线通信模块采用Chipcon公司生产的首款符合ZigBee技术的2.4GHz射频系统单芯片CC2430。CC2430芯片的无线收发模块如图3-5所示。无线收发的核心部分是一个CC2420射频收发器。CC2420的无线接收器是一个低中频的接收器。接收到的射频信号经过低噪声放大器和I/Q下变频处理后，中频信号只有2MHz，此混合I/Q信号经过滤波、放大、AD变换、自动增益控制、数字解调和解扩，最终恢复出传输的正确数据。图3-5 CC2430无线模块CC2420的无线发送器时基于直接上变频。要发送的数据先被送入128字节的发送缓存器中，头帧和起始帧是通过硬件自动产生的。根据IEEE 802.15.4标准，所要发送的数据流的每4个比特被32码片的扩频序列扩频后送到DA变换器。然后，经过低通滤波和上变频的混频后的射频信号最终被调制到2.4GHz，并经过放大后经发射天线发射出去。3.2.6电源模块由于无线传感器网络的节点可能布置在人不易到达的地区，一般无法通过市电供电，所以节点大多只能采用电池供电，且一般不可能更换电池。节点能耗是无线传感器网络研究中最关心的问题之一。本系统MCU需要的电源电压范围为：1.83.6V（单片机典型工作电压为3.3V ），又因为节点工作于无线方式，以安装方便灵活为其最大特点之一，所以不宜采用变压器供电，适