（信号与信息处理专业论文）基于cyfi无线网络的温室监控系统应用研究.pdf

摘要 i i mi h h i i i i ui i i i i ihiij 摘要y 2 2 5 2 5 61 近年来，随着信息技术、电子技术的蓬勃发展与广泛应用，农业温室技术也在向自动 化、信息化方向发展。在具体分析了当前温室环境的特点和监控方式之后，针对人工现场 监控的成本过高和有线监控所面临的布线困难等问题，本文尝试将c y f i 无线网络技术应 用于温室环境监控中，提出了基于c y f i 无线网络的温室监控系统的设计方案，解决人工 测量和温室环境中大量布线问题，实现对温室环境数据连续性、长期性、在线式测量。本 文研究的主要内容有： ( 1 ) 根据温室和c y f i 无线网络的特点，提出了监控系统的设计原则，在此基础上构 建了监控系统的总体设计方案，分析了设计监控系统用到的关键技术：c y f i 无线通信技术 和g p r s 通信技术； ( 2 ) 设计了监控系统的硬件部分，基于p s o c ( 可编程片上系统) 芯片c y 8 c 2 7 4 4 3 设计了传感器节点和数据h u b 节点，对两种节点的各个组成模块的进行了芯片选型与硬件 电路详细设计，给出监控系统的总体效果图： ( 3 ) 在监控系统硬件基础上，配合p s o c 的a p i 编写了底层驱动代码。软件设计采用 c 语言，利用p s o cd e s i g n e r5 0 集成开发环境来开发硬件驱动程序，所有程序采用模块化 设计； ( 4 ) 设计了温室监控系统的服务器端监控软件，利用c 撑语言和s q l 数据库实现了服 务器端监控软件设计； ( 5 ) 分析了c y r f 7 9 3 6 的数据包格式，综合硬件和软件，采用星型网络拓扑结构， 组建了小型监控网络，通过实验测试，传输距离和可靠性都取得了满意的效果。 关键词：c y f i 无线网络；温室监控；p s o c ；g p r s ； a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，i n f o r m a t i o na n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya r eb o o m i n ga n dw i d e l yu s e di nm a n y f i e l d s ，t h e ya l s op r o m o t e dd e v e l o p m e n to fa g r i c u l t u r a lg r e e n h o u s et e c h n o l o g yi nt h ef i e l do f a u t o m a t i o na n di n f o r m a t i o n b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec u r r e n tg r e e n h o u s e e n v i r o n m e n ta n dm o n i t o r i n gm e t h o d s ，w ef i n dt h a tt h eh i g hc o s to fl a b o ro n - s i t em o n i t o r i n ga n d c o n t r o l ，a n di ti sd i f f i c u l tt ol a y o u tc a b l e t h e r e f o r e ，t h i sa r t i c l et r i e st ou s ec y f iw i r e l e s s n e t w o r kt e c h n o l o g yi nt h eg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ，a n di tp r o p o s e sas y s t e md e s i g n o fg r e e n h o u s em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lb a s e do nc y f iw i r e l e s sn e t w o r k i tc o u l dg e tc o n t i n u o u s ， l o n g - t e r m ，a n do n - l i n em e a s u r e m e n td a t ao fg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t t h em a i nc o n t e n t so ft h i s p a p e r a r ef o l l o w i n g ： ( 1 ) a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e ro fg r e e n h o u s ea n dc y f iw i r e l e s sn e t w o r k s ，w ep r o p o s e d m o n i t o r i n gs y s t e md e s i g np r i n c i p l e s ，a n dc o n s t r u c t e dt h eo v e r a l ld e s i g no fm o n i t o r i n gs y s t e m w ea l s oa n a l y s et w oi m p o r t a n tt e c h n o l o g i e s t h e ya r ec y f ia n dg p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ； ( 2 ) d e s i g nah a r d w a r eo fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ，s e n s o rn o d e sa n dh u bn o d e sa r e d e s i g n e db a s e do nt h ep s o c ( p r o g r a m m a b l es y s t e mo nc h i p ) c h i pc y 8 c 2 7 4 4 3 e v e r yc h i p s e l e c t i o na n dh a r d w a r ec i r c u i to fc o m p o n e n tm o d u l e sa r ed e s i g n e d ，t h eo v e r a l le f f e c t i v e n e s so f m o n i t o r i n gs y s t e md i a g r a mi ss h o w e da tl a s t ； ( 3 ) a f t e rd e s i g n i n gh a r d w a r eo fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ，d r i v e rc o d ei sd e s i g n e db a s e d o np s o co ft h ea p i d r i v e rs o f t w a r ei sd e s i g nw i t hcl a n g u a g e b a s eo np s o cd e s i g n e r5 0 i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h e r ea r em o d u l a rd e s i g no fa l lp r o g r a m s ； ( 4 ) t h em o n i t o r i n gs o f t w a r eo fs e r v e rc e n t e ra r ed e s i g n e dw i t hc 撑l a n g u a g eb a s eo nt h e v i s u a ls t u d i o2 0 0 5a n ds q ld a t a b a s es e r v e r ； ( 5 ) c y r f 7 9 3 6d a t ap a c k e tf o r m a ti sa n a l y z e di nt h i sp a p e r i n t e g r a t e dh a r d w a r ea n d s o f t w a r e ，as m a l ls t a rn e t w o r kt o p o l o g ym o n i t o r i n gn e t w o r ki sc o n s t r u c t e d t h ee x p e r i m e n tt e s t i sm a d ei nt h i sp a p e r , a n dr e s u l t so ft r a n s m i s s i o nd i s t a n c ea n dr e l i a b i l i t ya r es a t i s f a c t o r y k e yw o r d s ：c y f iw i r e l e s sn e t w o r k ；g r e e n h o u s em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ；p s o c ；g p r s ； 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 1 1 目勇专i i i 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 1 1 选题背景概述1 1 1 2 项目研究意义2 1 2 国内外温室监控系统发展状况3 1 2 1 国外温室监控系统发展状况3 1 2 1 国内温室监控系统发展状况4 1 3 本文主要任务和研究工作5 1 3 1 本文主要任务5 1 3 2 本文研究工作5 1 4 论文的组织结构6 第二章系统关键技术分析7 2 1c y f i 无线网络技术研究分析7 2 1 1c y f i 无线网络技术简介7 2 1 2c y f i 无线网络的硬件支持9 2 2c y f i 无线网络通信协议分析12 2 2 1 数据h u b 节点端c y f i 协议分析12 2 2 2 传感器节点端c y f i 协议分析16 2 3g p r s 通信系统原理1 9 2 3 1g p r s 系统结构1 9 2 3 2g p r s 接入接口及参考点2 0 2 4 本章小结2 1 第三章基于c y f i 的温室监控系统架构研究与设计2 2 3 1 监控系统的总体架构设计2 2 i i | 目录 3 1 1 监控系统总体设计方案2 2 3 1 2 监控系统设计原则2 3 3 1 3 系统硬件整体架构一2 4 3 3 传感器：1 i 点设计2 5 3 3 1 传感器节点架构2 5 3 3 2p s o c 微控制器电路设计2 5 3 3 3 电源电路设计一2 8 3 3 4 无线射频模块电路设计3 0 3 3 5 温湿度传感器接口电路设计3 4 3 4 数据h u b 节点设计3 5 3 4 1 控制芯片电路设计3 6 3 4 2 电源电路设计一3 7 3 4 3 液晶显示模块电路设计一3 9 3 4 4 射频模块c y r f 7 9 3 6 电路设计。4 0 3 4 5g p r s 通信模块电路设计4 l 3 5 本章小结4 2 第四章基于c y f i 的温室监控系统软件设计4 3 4 1 系统软件开发环境4 3 4 2 传感器节点软件设计4 4 4 2 1p s o c 用户模块布局及参数配置4 5 4 2 2 温湿度传感器模块4 7 4 2 3 传感器节点c y r f 7 9 3 6 无线发送5 0 4 3 数据h u b 节点软件设计5 2 4 3 1 数据h u b 节点用户模块布局及参数配置5 3 4 3 2l c d 液晶模块显示5 8 4 3 3g p r s 数据发送接收5 8 4 3 4 数据h u b 节点c y r f 7 9 3 6 无线接收6 0 4 4 服务监控中心软件设计6 2 4 4 1 监控中心软件功能模块组成6 2 4 4 2 监控中心数据处理流程“ i v 目录 4 4 3 监控中心网络通信流程6 5 4 5 本章小结6 7 第五章系统的测试与分析6 8 5 1 系统软硬件调试6 8 5 2 实验与测试6 9 第六章总结与展望一7 1 参考文献7 3 v 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 选题背景概述 我国是世界上最大的发展中国家，也是传统的农业大国，农业在我国占有非常大的比 重，对于我们这个拥有1 3 亿人口的大国而言，农业的有效发展始终是保证我国经济发展和 社会稳定的一个重要因素。因此加快现代农业高科技的研究与开发，具有非常的重要性和 战略性，设施农业已经成为世界现代农业发展的主要方向之一，而作为设施农业中的重要 内容，温室已经成为农业现代化的标志【2 】。因此，温室环境监控系统的主要目标和研究方 向，逐渐转向于引导温室种植户根据作物的生长要求进行环境因子的调节，从而获得作物 产量和质量的提高。同时，如何利用现代网络和自动控制系统对温室环境进行有效的控制， 是目前我国温室研究的重要课题之一，对我国温室产业水平的提高有着非常重大的现实意 义。 随着技术的发展，温室环境远程监控技术正向智能、精确化、信息化、节能化等方向 发展，以下四个方面将是温室环境远程监控研究的几个重要方向【4 j ： ( 1 ) 研究作物模型以及作物模型与温室智能控制的结合。 作物模型用于描述作物生长发育情况与作物生长环境因素之间的关系，既是实现精准 农业的基础，也是实现自动化农业生产的关键技术。作物模型大致可分为两种：机理模型 以及经验模型。实施温室控制系统则需要建立由环境参数描述的作物模型，根据作物品种 提供相应的控制策略，实现自动化的智能温室。现有的作物模型因其复杂性和描述方式的 不兼容，很难直接与温室控制系统相结合，形成完整的控制策略。目前荷兰和美国、日本 等农业发达国家的作物模型的研究已进入实用化阶段。 ( 2 ) 基于工业以太网和嵌入式系统的温室监控系统 工业以太网具有和i n t e m e t 相兼容的结构和协议，因此通过工业以太网接入i n t e m e t 将 节省软硬件的开发，大大提高系统的稳定性并降低维护成本。随着电子技术的发展，嵌入 式系统以其越来越强大特性，既实现了设备控制，又还能在其内部集成网络服务器功能。 嵌入式系统因其体积小，价格低、安装和使用方便，对环境要求不高，在温室监控系统中 发挥着越来越重要的作用。用嵌入式系统来实现对各种传感器和控制设备控制，以此来开 发智能化、网络化、无线化的通用控制器是网络控制系统发展的重要研究方向。 ( 3 ) 基于i n t e m e t 和移动通信技术相结合的远程监控系统 第一章绪论 针对农业监控对象的多样性、地域广阔、偏僻分散等特点，可以引入i n t e m e t 和移动 通信技术，利用i n t e m e t 和移动通信技术来解决温室远程监控系统中存在的“最后一公罩” 这一瓶颈问题，这将会在实际应用中有着长远的重要的意义，也是今后控制系统发展的一 个重要方向。 ( 4 ) 以信息化智能化的方式管理农业生产 温室在地域上分布比较分散，设备种类繁多，若实现大量温室的远程管理必然会遇到 系统重复设计，数据的存储与访问格式不统一，各温室的监控设备不相同，种植的作物品 种不相同等问题。在因此可以借助于工业生产和企业管理中的管理信息系统，既可以大大 提高信息传递的效率，又可以更加方便灵活地保存和管理数据。目前，管理信息系统应用 到温室管理已经在许多发达国家实施。通过信息化智能化的管理系统可以实现数据存储和 访问的统一管理、系统的可伸缩性和温室设备的模块化( 如动态调增减温室设备) 、控制策 略及从产量预测等商业逻辑的集中管理、制定统一的作物生长环境模型的标准接口。这也 代表了控制系统的一个发展方向。 综上所述，寻求低成本和互联网接入的方式是信息农业需要解决的重点问题。随着我 国移动通信产业的不断发展，移动通信网络己经基本覆盖全国的大部分人口居住区，这为 远程接入互联网提供了新的途径。特别是中国移动公司推出的g p r s 业务，使人们可以方 便地通过无线终端连接到i n t e m e t ，从而解决了互联网的接入问题。而低成本、低功耗的无 线传感器网络也正呼应了监控系统寻求低成本的需求，因此可以结合无线传感器网络和 g p r s 业务来实现信息农业。 1 1 2 项目研究意义 温室是一种可以改善作物生长环境、为农作物生长创造最佳条件、避免恶劣气候对其 影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，有利于冬季或其他不适宜露地 植物生长的季节栽培植物。温室生产的目标体现在一下几方面：调节成长期，促进生长发 育，防治病虫害，提高质量、产量等。 建造温室是为了提供适于作物生长的气候条件，创造人工气象环境以避免外界对不利 的环境因素影响作物生长，使其在一定程度克服外界气候条件的制约，从而缩短农作物的 生长周期，提高作物的产量，获得可观的经济效益。为了使温室环境更广泛适合农作物的 生长，必须对温室的环境因子加以有效的控制。这主要是因为： ( 1 ) 外界气候环境恶劣，不利于作物的周年生长。研究和实践表明，多数农作物只能 硕士学位论文 适应某段季节，例如冬季就由于温度比较低，大多数农作物不能很好的生长或者根本不能 生长。进行温室控制栽培后，就可以实现蔬菜、花卉的反季节生长、销售，有利于缓解季 节变化所带来的矛盾，优化农作物的布局。 ( 2 ) 异常气候也会对作物造成不良的影响，例如干旱、虫灾、水涝等。而温室控制就 可以在一定程度上人为的消除这些不利影响，增加抗灾减灾能力，使农作物更好的生长。 ( 3 ) 在纯自然的条件下，作物时刻都在与气候、天气条件作斗争，因此很难做到优质、 高产、高效。再有就是作物的地域选择性使其无法在某些地方种植，只能靠引进。 ( 4 ) 随着生物技术、基因技术的高速发展，各种优质高产的新品种不断涌现，这些品 种虽然能够以低投入创造高产出，但同时也对其生存环境有着高要求。这就必须依赖于先 进的技术来实现对生长环境的进行合理的调控【6 】。 目前，现代化大型温室的骨架和覆盖材料国产化基本成型，但其内部的配套设施和计 算机管理系统等现代化管理方法与发达国家的先进技术相比还有较大的差距，而该问题的 解决才能真正实现利用温室改善作物生长环境的目的【5 】。目前市场上出现的，多是单因子 控制器，比如温度控制器、湿度控制器、温湿度控制器或c 0 2 控制器等，也有一些国内的 大公司生产智能温室监控系统或控制器，但一般价格昂贵，因此，开发低价位、低成本、 实用型的农业温室智能监控系统己迫在眉睫，对于促进农业的增产、增收，推进我国农业 智能化进程具有极为重要的意义。 1 2 国内外温室监控系统发展状况 1 2 1 国外温室监控系统发展状况 发达国家如美国、荷兰、以色列、英国、加拿大、同本等在现代温室监控技术上研究 的比较早，都大力发展集约化的温室产业，温室内的多种环境因子如温度、湿度、光照度、 c 0 2 浓度、水、气、营养液等都能实现计算机调控。 ( 1 ) 美国在1 9 4 9 年，依托工程技术的发展，建成了第一个植物人工气候室，开展了 关于植物对环境的适应性和抗御能力的基础及应用研究。2 0 世纪6 0 年代，生产型的高级 温室开始应用于农业生产【4 列。 ( 2 ) 荷兰园艺温室发展也有较长历史，在1 9 7 4 年首次研制出计算机控制系统c e c s ， 此后成功开发了一系列计算机软件、硬件，实现了对温室供水、施肥和环境自动化控制。 他们的全自动化温室成套设备也已经誉满全世界1 7 】。 ( 3 ) 以色列则是开发了一种植物生理生态监测仪：它可以监测株高、植物果实大小、 第一章绪论 叶片大小与厚薄、茎直径、茎流量、叶温、叶片附近湿度、c 0 2 浓度等，2 4 小时连续工作， 每隔一定周期就采集一次数据，得到的数据定期发送到控制端的p c 机上。 ( 4 ) 英国的温室也大量采用计算机进行管理，对温度、湿度、通风、c 0 2 施肥、营 养液供给及p h 值、e c 值等进行控制。伦敦大学农学院研制的计算机遥控技术，可以观测 温室内的温度、湿度等环境状况，有效距离可以达到5 0 k m 以外，并进行遥控。同时为保 证c 0 2 气体在温室内均匀分布，温室中通常安装通风机，搅动空气使温室中的c 0 2 浓度 水平相一致。 1 2 1 国内温室监控系统发展状况 同国外先进水平相比，我国在温室监控系统领域的的研究开始的比较晚，综合环境监 控技术的研究刚刚起步。鉴于温室内的各种环境因素，都是在相互影响、相互制约的状态 中对作物的生长产生影响，因此，我们应该根据我国的国情研制出适合我国农业的发展的 温室监控系统，并使之为农业现代化生产服务。 近年来我国设施农业面积不断扩大，在提高设施装备水平的同时也正向逐步实现自动 化、信息化的方向迈进，在温室控制技术的发展表现的最为突出【9 j 。我国的近代温室最早 始于2 0 世纪3 0 年代，而到了2 0 世纪7 0 年代末和8 0 年代初才开始大规模的温室生产。第 一次大规模的温室引进之后，我国现代化温室生产、研究和普及的序幕也开始逐渐揭开。 在温室及配套设施的生产、科研和普及方面得到了长足的发展，形成了现在高、中、低各 个档次、系列化的温室产品。近年来，为了促进了可控环境农业的现代化发展步伐，我国 在可控环境农业领域以环境控制、信息采集、系统模拟为主线开展了信息技术研究和应用， 这对提高其技术含量、更新换代起到了重要作用【9 1 。2 0 世纪8 0 年代，我国开始温室控制 技术的研究，我国工程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，逐步掌握了人工 气候室内微机控制技术，不过该技术限于温度、湿度和c 0 2 浓度等单项环境因子的控制。 2 0 世纪9 0 年代中后期，江苏理工大学研究开发了温室环境自动控制系统，这可称为当时 国产化温室环境控制系统较为典型的研究成果，能实现诸如对营养液系统、温度、光照、 c 0 2 施肥多个环境因子的综合控制。在此期间，国内多所高校和多个研究所等单位也都侧 重不同领域开展了温室设施计算机控制与管理技术方面的研究。其中，中国农业大学研制 的目光温室环境数字式监控系统是代表现阶段国内温室环境控制技术先进水平的典型产 品。该系统具有自动测量、存储功能，可测量温室内外空气温湿度、c 0 2 浓度、土壤温湿 度、叶片温度、室内光照度、覆盖物表面温度等参数的功能，通过输出各种控制信号对排 4 硕士学位论文 风扇、喷灌、滴灌等设备进行控制。 9 0 年代初期，中国农业科学院农业气象研究所和蔬菜花卉研究所，研制开发了温室控 制与管理系统，并采用v i s u a lb a s i c 开发了基于w i n d o w s 操作系统的控制软件。此外，中 国农业机械化科学研究院研制成功了新型智能温室系统，该系统由大棚本体及通风降温系 统、太阳能贮存系统、燃油热风加热系统、灌溉系统、计算机环境参数测控系统等组成。 1 9 9 5 年中国农业大学研制成功了一种小型分布式数据采集控制系统一“w j g 1 型实验温室 环境监控计算机管理系统”。2 0 0 1 年中国农业科学院进行了温室番茄生产实时在线辅助决 策支持系统的研究，与此同时，以“国家农业信息化工程技术研究中心”为代表，在温室 智能控制系统、专用传感器、图象识别与机器视觉、基于网络和无线的远程控制技术等方 面均开展了很多研究【9 1 。 “十五”期间，以中国农业科学院、国家农业信息化工程技术研究中心( 北京农业信 息技术研究中心) 、中国科技大学等一些科研院所为代表，在温室专用传感器、计算机综合 控制系统软硬件、温室作物模拟系统研究开发方面做了大量的工作，中国农业科学院农业 环境与可持续发展研究所可控环境农业实验室开发的基于i n t e m e t 和r s 4 8 5 总线的温室环 境监控系统采用a s e n e t 技术规范构建了b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 模式下远程监控系统。监控 现场硬件系统采用r s 4 8 5 总线将传感器与具备联网功能的现场监控p c 相连接构成温室现 场监控系统。该系统实现了通过i n t e m e t 浏览温室现场环境数据，并且能对系统运行参数 进行远程设置和修改。取得了一批具有自主知识产权的科研成果和技术产品，大大提高了 我国可控环境农业综合控制与管理水平。 1 3 本文主要任务和研究工作 1 3 1 本文主要任务 通过查阅相关文献，学习c y f i 无线网络的理论及其应用技术，以温室温湿度监控系 统为切入点，研究无线监控技术在现代温室农业生产中的实际应用途径，设计开发基于 c y f i 无线网络技术的温室温湿度监控系统，完成其相关的需求分析、功能流程定义、硬件 设计、软件开发、系统集成实现以及系统性能测试等研发任务，并在完成系统基本功能的 前提下考虑系统的能耗优化、节能、远程无线监控和成本控制等问题，以赋予本系统的较 好的普及实用性，并使之具有较好的推广应用前景。 1 3 2 本文研究工作 根据本文提出的任务和需要解决的问题，本文将完成如下工作： 第一章绪论 介绍研究课题的背景和意义，调查并综述当前温室监控系统研究及应用领域的现状 及其存在的问题。 概述c y f i 无线网络的概念、体系结构和相关核心应用技术，并分析其运用于温室 控制系统中的优势：分析了设计监控系统用到的关键技术：c y f i 无线通信技术和g p r s 通 信技术； 根据温室和c y f i 无线网络的特点，提出了监控系统的设计原则，在此基础上构建 了监控系统的总体设计方案，研究设计了基于c y f i 无线网络的温室监控系统的基本构架 和功能结构； 完成了系统性能测试，并分析了最终测试结果。 1 4 论文的组织结构 本论文分为六章，其中： 第一章：叙述了温室监控的研究背景，以及国内外温室监控研究现状。 第二章：介绍了监控系统所涉及到的关键技术原理，包括c y f i 无线网络技术、 c y f i 中使用的直接序列扩频技术、g p r s 通信技术。 第三章：介绍了温室监控系统的整体设计方案，以及系统各模块的功能。介绍了 温室监控系统的硬件设计，包括传感器节点的硬件设计和数据h u b 节点的硬件设计， 具体实现了各模块之间的通信连接。 第四章：介绍了温室监控系统的软件方面的设计，包括硬件终端的软件设计，以 及远程监控中心的软件设计。 第五章：系统运行情况以及测试结果的分析。 第六章：总结了论文所做的工作，并对未来工作进行了展望。 6 硕士学位论文 第二章系统关键技术分析 2 1c y f i 无线网络技术研究分析 2 1 1c y f i 无线网络技术简介 c y p r e s s ( 赛普拉斯) 公司此前推出的w i r e l e s su s b 技术已被广泛应用于无线鼠 标、键盘、游戏手柄等产品中。在此基础之上，c y p r e s s 公司又推出了针对嵌入式控 制领域的一款低成本、低功耗、高可靠性的无线网络技术一c y f i 。c y f i 无线网络是一 种典型的星型网络，其网络框图如图2 1 所示： 图2 - 1c y f i 无线网络结构框图 f i g u r e2 - 1c y f ib l o c kd i a g r a mo ft h ew i r e l e s sn e t w o r k c y f i 无线网络工作在无频率限制的i s m 频段( 2 4 0 0 2 4 8 3 g h z ) ，而且它只占用 1 m h z 的带宽，故可用信道多达8 0 个。应用在传感器节点和数据h u b 节点的c y f i 无线网络协议栈能够完成由一个数据h u b 节点和多达2 5 0 个节点组成的星型网络， 并且在一个数据h u b 节点和一个节点之问能够提供可靠的双向通信。此外，c y f i 还 能提供动态的数据传输速率( 最高可达1 m b p s ) 和根据信道噪声调节输出功率的能力。 此外，c y f i 还具有可靠、简化、低功耗、多信道等特点【l 4 。 可靠。通过使用直接序列扩频( d s s s ) 调制技术，c y f i 能够使传输的数据从可 能的错误中恢复回来，从而提供出色的连接可靠性。对于来自同样工作在非常拥挤的 2 4g h z 频段的w i f i 、蓝牙、z i g b e e 等其他无线技术的干扰，c y f i 的跳频技术能以 预设的频段间隔自动搜索无噪声的信道进行通信，如图2 2 所示。同时，c y f i 的链 接管理功能可以根据网络环境将发射功率、传输速率自动调整到保证可靠链接的最优 配置上。d s s s 调制、跳频技术和成熟的链接管理算法使得c y f i 成为2 4 g h z 频段的 第二章系统关键技术分析 高可靠性无线解决方案。 2 3 9 6z , 4 0 02 4 i h2 i i ) b ：己4 1 22 4 1 62 j 4 2 口2 4 2 42 4 2 暑z 2 缬牟廊h 图2 2c y f i 调频技术 f i g u r e2 - 2c y f if r e q u e n c yh o p p i n g 简化。c y f i 提供的轻量级星型协议栈c y r f s n p 尺寸非常小，应用于数据h u b 节点仅占用8 k b ，而应用于传感器节点仅为6 k b ，如图2 3 所示。c y r f s n p 协议栈 可直接在p s o cd e s i g n e r 中使用，用户无需编写任何通信协议或编码，其所提供的用 户模块使开发者只需简单的拖放即可实现新的设计，与p s o c 可编程片上系统的结合 使其在研发过程的任何阶段都可进行重新编程【2 0 1 。 z i g l ，i七 z - w a v e c y f i 1 6 k j3 2 6 k b 2 6 k b 8 k b6 k b 厂 厂 r f df f d 节点h u b 节点 图2 - 3c y f i 与其它网络协议栈大小对比 f i g u r e2 - 3c o m p a r i n gt h es i z eo fp r o t o c o ls t a c kb e t w e e nc y f ia n do t h e rn e t w o r k c y f i 的协议栈可以分成如下图2 - 4 所示的几个部分，包括射频芯片驱动、传感 器节点端星型网络协议、数据h u b 节点端星型网络协议： 图2 - 4 c y f i 协议栈结构 f i g u r e2 - 4s t r u c t u r eo fc y f ip r o t o c o ls t a c k 低功耗。为了实现低功耗，c y f i 尽量工作在睡眠模式。这意味着在干扰较弱 陋 舳 m m m 罢耄 硕士学位论文 的情况下，c y f i 将以尽可能快的速度( 1 m b p s ) 传输，以缩短传输时间；而在干扰较强 的情况下，将启用d s s s 调制技术并提高r f 发射功率以2 5 0k b p s 的速率传输，从而 减少重传的可能。当节点与数据h u b 节点的距离较近时，节点也能降低发射功率从 而减小功耗。这种有效的电源管理机制使得采用c y f i 的典型传感器应用只靠2 节7 号a a a 电池可使用4 年之久【2 0 1 。 多信道。由于c y f i 仅占用1m h z 的带宽，故可用信道多达8 0 个，而z i g b e e 等仅能使用l6 个5 m h z 的信道。 2 1 2c y f i 无线网络的硬件支持 c y f i 无线传感器网络是通过p s o c 可编程片上系统和c y p r e s s 无线射频芯片 c y r f 3 9 7 6 来实现的。在p s o c 的c y 8 c 2 x x x x 系列芯片中，c y p r e s s 提供了完善的c y f i 无线网络技术协议栈的应用a p i ，这使得丌发和使用变得更简易。下面就对p s o c 芯 片和c y r f 3 9 7 6 射频芯片做简单介绍。 ( 1 ) p s o c 处理器简介【1 2 】 p s o c 是美国c y p r e s ss e m i c o n d u c t o r 公司的可编程控制片上系统( p r o g r a m i n gs y s t e m o nc h i p ) 的简称，其中可编程是指它集成的模拟和数字器件资源是可编程定制和配置的。 这也是它区别于其他s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 片上系统类型芯片的地方，也是它技术的创 新点。它是由基本的c p u 内核( m 8 c 8 0 5 1 c o r t e x m 3 ) 和预设外围部件组成。将多种数 字器件、模拟器件、微处理器、处理器外围单元以及外围接口电路集成到p s o c 上，在周 围集成的数字和模拟外围器件阵列都是动态可配置，利用芯片内部的可编程互联阵列，可 以有效的配置芯片上的模拟和数字资源，达到“可编程”的目的。对于用户来说，只需选 择对应功能的用户模快，再加以硬件的配置和软件编程，就可以构建自己的设计需求。正 是由于这种集成性减少了对外围器件的需求，所以更有助于整个方案的低成本化。 p s o c 与普通单片机比较，其丰富的内部资源、新颖的设计界面、灵活的设计方式、 简单的编程技巧都使其极具特点，使得丌发过程更方便也更快捷。 c y p r e s s 的p s o c 混合信号阵列是一款低成本的可编程器件，它的设计目标是用于取代 多个基于传统m c u 的系统组件。p s o c 的独特之处在于它集成了可编程的数字、模拟模块 和可编程的内部互连，它允许用户根据特定应用的需求来定制外围设备，生成自定义的外 设配置，在运行时可动态载入和卸载( 动态重配置) 。p s o c 架构主要由四部分组成，如图 2 5 所示： 9 第二章系统关键技术分析 p s o c 内核：内核包括c p u 、存储器、时钟和可配置的g p i o ( 通用输入输出) 。m 8 c 是一款最大运行速度为2 4 m h z 的8 位处理器，它是哈佛结构，提供4 m i p s 的性能。集成 的f l a s h 容量最大为3 2 k b ，s r a m 容量最大为2 k b 。p s o c 器件集成了2 4 m h z 的主晶 振、3 2 k h z 的低速晶振，与多个可编程的时钟分频器相结合，几乎能满足系统中所有的时 钟要求。g p i o 提供c p u 、数字和模拟资源的连接，每个引脚支持8 种模式，可配置电平( 低、 高和改变) 中断，为外部接口提供了很大的灵活性。 p s o c 核心 p o n 3hp a n 2hp o a lhp o f l 0 系线 内部数守连接 型l s r o m f 8 i n k “i 盏鬈篓 _ 卜；i 甭 舛譬嚣翥 时钟( 包括内部诸振荡器，内部低速振荡器) 数字系统 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 1p s o e 数字 1 块阵列 到刮蚓掣型瞥 图2 - 5c y s c 2 7 x x x 系列芯片结构框图 f i g u r e2 - 5c y 8 c 2 7 x x xs e r i e sc h i pb l o c kd i a g r a m 数字系统：最多包含1 6 个数字模块，每个模块是一个8 位的资源，可单独使用，也可 以组合成1 6 位、2 4 位和3 2 位的外设，数字模块的任意信号可以通过全局总线连接到任意 引脚。数字模块可配置成以下外设：带捕捉的定时器、计数器、脉宽调制器、u a r t 接口 1 2 c 从机和多个主机、s p i 主从机、c r c 校验和发生器、i r d a 红外接口和伪随机数发生器。 模拟系统：最多包含1 2 个模拟模块，每个模块都包含一个运算放大器，能够实现复杂 的模拟信号流程。p s o c 模拟模块常用的功能列表如下：d a 转换器、a d 转换器、放大器、 滤波器、高电流驱动器、比较器、调制器、相关器和拨号器等。 系统资源：数字时钟分频器提供3 个可配置的时钟频率，时钟可以连接到数字和模拟 模块，也可用数字模块来分频；两个乘加器( m a c s ) 提供带3 2 位累加的快速8 位乘法来 l o 硕士学位论文 加速数字滤波等数学运算；抽取器为数字信号处理、a d 转换等提供了一个可定制的硬件 滤波器；1 2 c 硬件模块提供1 0 0 和4 0 0 k h z 的通信速率，支持主机、从机和多主模式。 ( 2 ) 射频芯片c y r f 7 9 3 6 简介 射频芯片选择c y r f 7 9 3 6 是c y p r e s s 的第二代射频片上系统，兼容第一代的 c y w u s b 6 9 x x 器件。c y r f 7 9 3 6 是专为低功耗嵌入式无线应用而设计的无线i c 。结合赛 普拉斯的p s o c 可编程片上系统以及c y f i 网络协议栈，c y r f 7 9 3 6 可用于实现完整的c y f i 无线网络系统【2 0 】。c y r f 7 9 3 6 增加了许多增强的特性，包括更小的工作电流，操作电压范 围更广( 1 8 v - 3 6 v ) ，数据率更高( 可达到1 m b p s ) ，包括晶振起振时间、同步稳定时间和 链路切换时间都比以前更短了，其内部结构框图如图2 - 6 所示。c y r f 7 9 3 6 的应用范围相 当广泛