无线传感网络课程设计.doc

吉林工程技术师范学院课程设计论文目 录第一章 绪论1第二章 ZigBee网络节点设计321、1ZigBee精简协议栈简介322 、节点程序设计323、 发送消息424 、接收消息5第三章 温度数据采集节点的设计631 、DS18B20的测温原理632 、DS18B20温度传感器的特点733、DS18B20的引脚介绍734、 DS18B20的使用方法735、节点的温度数据采集936、 cc2430核心芯片9参考文献10第一章 绪论 无线传感器网络（WirelessSensorNetwork,WSN）是信息感知和采集的一场革命，将给人类的生活方式带来颠覆性的改变。2003年美国商业周刊将无线传感器网络列入四大新技术之一，美国技术评论将无线传感器网络列为未来新兴十大技术之首。 无线传感器网络经过四代的发展，综合了通信技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和传感器技术，使机器具备触摸世界的皮肤，使机器具备灵魂！无线传感器网络使人们Anywhere&Anytime都能获取详实、可靠的信息，实现“无处不在的计算”梦想，它在国防军事、环境监测和医疗卫生等领域具有庞大的生命力。 无线传感器网络让Anywlan的梦想随时随地无线不只是一个美丽的梦，它在未来将是如此真实地存在着在每个人的身边。将它作为本月专题，翼望促进无线传感器网络技术的发展和普及，实现人类生活的革命。本专题涵盖无线传感器网络研究领域的主要方向，包括无线传感器网络的通信协议、节能管理、数据管理、安全性与可靠性等。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（WirelessSensorNetwork,WSN）是信息感知和采集的一场革命，将给人类的生活方式带来颠覆性的改变。2003年美国商业周刊将无线传感器网络列入四大新技术之一，美国技术评论将无线传感器网络列为未来新兴十大技术之首。无线传感器网络经过四代的发展，综合了通信技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和传感器技术，使机器具备触摸世界的皮肤，使机器具备灵魂！无线传感器网络使人们Anywhere&Anytime都能获取详实、可靠的信息，实现“无处不在的计算”梦想，它在国防军事、环境监测和医疗卫生等领域具有庞大的生命力。 无线传感器网络让Anywlan的梦想随时随地无线不只是一个美丽的梦，它在未来将是如此真实地存在着在每个人的身边。将它作为本月专题，翼望促进无线传感器网络技术的发展和普及，实现人类生活的革命。本专题涵盖无线传感器网络研究领域的主要方向，包括无线传感器网络的通信协议、节能管理、数据管理、安全性与可靠性等。 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 Unversity)还于最近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，该协会还包括BP、霍尼韦尔(Honeywell)、Inetco Systems、Invensys、 L-3 Communications、Millennial Net、Radianse、Sensicast 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。虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域： 1 、环境的监测和保护2 、医疗护理 3 、军事领域 第二章 ZigBee网络节点设计ZigBee可以组成星形、网状、树形的网络拓扑，可用于无线传感器网络（WSN）的组网以及其他无线应用。ZigBee工作于2.4 GHz的免执照频段，可以容纳高达65 000个节点。这些节点的功耗很低，单靠2节5号电池就可以维持工作624个月。 ZigBee协议由ZigBee联盟制定，是ZigBee的核心。目前国外带有ZigBee协议栈的全功能开发系统的价格非常高昂，而且ZigBee/802.15.4协议栈全部只提供二进制/不可修改的目标代码库供用户使用。ZigBee精简版协议栈代码开放，在某些应用中可以达到标准版协议栈的效果，但是费用却低很多，因此应用十分广泛。21、1ZigBee精简协议栈简介美国密西西比州立大学的Robert Reese教授出于教学、科研目的开发出一套精简版（subset）ZigBee协议栈。标准协议栈和精简协议栈的功能对比如表1所列，可以看出，精简协议栈实现了ZigBee的主要功能。国内一些研究机构在此精简协议上进行扩充，实现了一些其原本不具备的功能。协议栈术语：IEEE Address节点的8位802.15.4网络地址，也称为长地址。Network Address节点的2位网络地址，也称短地址。PAN个人局域网。PAN ID个人局域网标识符。HAL协议栈物理抽象层。PHY协议栈物理层。MAC协议栈媒体访问控制层。NWK协议栈网络层。APS协议栈应用支持层。APL协议栈应用层。22 、节点程序设计如果节点作为协调器(coordinator)，那么需要定义LRWPAN_COORDINATOR；而如果节点作为路由器(router)则需要定义LRWPAN_ROUTER；如果两者都没有定义，将作为RFD节点。协调器节点形成网络，然后进入一个无限循环并调用apsFSM()运行协议栈。调用aplFormNetwork()服务后调用函数aplGetStatus()，如果返回了LRWPAN_SUCCESS则表示服务调用成功。代码如下：main() halInit();/初始化HAL 层 evbInit();/初始化评估板 aplInit();/初始化协议栈 ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT();/开中断aplFormNetwork();/形成网络 while(apsBusy)() apsFSM();/等待完成 while(1) apsFSM();/运行协议栈栈路由器节点通过调用aplJoinNetwork()运行协议栈。代码如下：main() halInit();/初始化HAL 层evbInit();/初始化评估板aplInit();/初始化协议栈 ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT();/开中断尝试接入网络直至成功 do aplJoinNetwork(); /接入网络 while(apsBusy)() apsFSM();/等待完成while(aplGetStatus() !=LRWPAN_SUCCESS); while(1) apsFSM();/运行协议栈 23、 发送消息应用程序通过调用aplSendMSG()函数发送消息包。此函数的定义如下：aplSendMSG(BYTE dstMode,/目标地址的地址模式LADDR_UNION * dstADDR, /目的地址的指针BYTE dstEP,/目标端点(直接消息方式不用)BYTE cluster,/簇号(仅用于直接消息)BYTE scrEP,/消息源端点BYTE* pload,/用户数据缓冲区指针BYTE plen,/缓冲区字节数BYTE tsn,/消息的事务队列数BYTE reqack/如果非0则要求确认)消息从源节点的源端点发送到目标节点的目标端点。消息分直接消息(指定了目标地址)和非直接消息(仅定义了源节点、源端点和簇，没有指定目标地址)。端点号从1到255由应用程序设置(端点0由栈保留使用)。消息发送以，协议栈会向父节点路由此消息。如果收到APS的ack确认，协议栈就会将消息发送给目标端点。24 、接收消息协议栈使用以下APL访问函数接收数据包。aplGetRxDstEp()返回目的端点aplGetRxCluster()返回簇号aplGetRxSrcEp()返回源端点aplGetRxSADDR()返回源端点的短地址aplGetRxMsgLen()返回消息长度aplGetRxMsgData()返回消息数据的指针aplGetRxRSSI()返回收到消息的信号强度第三章 温度数据采集节点的设计31 、DS18B20的测温原理 DS18B20的测温原理：低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55 所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在 -55 所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图2中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。 图31 DS18B20原理图另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数32 、DS18B20温度传感器的特点（1）、只要求一个端口即可实现通信。（2）、在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。（3）、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。（4）、测量温度范围在55。C到125。C之间。（5）、数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。（6）、内部有温度上、下限告警设置。33、DS18B20的引脚介绍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。当被用着在寄生电源下，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。图3-2 DS18B20详细引脚功能描述34、 DS18B20的使用方法由于DS18B20采用的是1Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。DS18B20的复位时序图3-3 DS18B20 时序复位图DS18B20的读时序对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。图3-4 DS18B20的读时序DS18B20的写时序对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。图3-5 DS18B20的写时序35、节点的温度数据采集main() unsigned char TH=110,TL=-20; unsigned char w; SCON=0x40;TMOD=0x20;TH1=0xFD;TL1=0xFD;TR1=1; while(1) pt=ReadTemperature(TH,TL,0x3f);delay(100); covert1();for (w=0; w7; w+)SBUF=TempBuffer1w;while(TI=0);delay1ms(500);TI=0;36、 cc2430核心芯片图2-1 C C 2 4 30 芯片的典型硬件应用电路。图3-2-2 系统模拟数据