（通信与信息系统专业论文）基于msstatepan协议栈的监控系统的研究与设计.pdf

摘要 摘要 无线传感器网络是由多个传感器节点放置在某一区域通过无线自组织多跳连 接形成的一种面向任务的网络。节点实质上是一个集成有微处理器、传感器以及 射频模块的嵌入式系统。无线传感器网络是将物体与物体相连的网络，为了和互 联网对应又叫物联网，它是当前国际上备受关注的、涉及多学科交叉的前沿热点 研究领域。 z i g b e e 技术是近几年新兴的一种短距离无线通信标准，由z i g b e e 联盟在1 e e e 8 0 2 1 5 4 的基础上添加网络层和应用层而制定。z i g b e e 技术的具有低速率、低功 耗、低成本、短距离等典型特征，这些特点使它非常适合无线传感器网络这一领 域。 本文将无线传感器网络应用在仓库监控领域，根据课题需要选用基于z i g b e e v 1 0 标准的m s s t a t e p a n 协议栈，设计实现了一个无线低功耗形式的烟草仓库监控 系统。文章的主要内容有： 1 综述无线传感器网络在国内外的研究现状，根据课题的实际需要给出了将 无线传感器网络应用在监控系统中的解决方案； 2 简要介绍了z i g b e e 协议的基本概况及其与各种无线通信技术的比较，引 出了m s s t a t e p a n 协议栈，并将m s s t a t e p a n 与z i g b e e 做了对比； 3 简要给出了监控系统的硬件平台设计，包括主芯片的基本特征和各种传感 器的选择及其技术参数； 4 深入分析了m s s t a t e p a n 协议栈的源码实现机理，给出了各层的状态机转换 图。按照监控系统的设计要求添加了应用层主状态机，解决了网络层的重新入网 困难问题，在m a c 层添加了发射功率自适应调整函数和休眠函数，物理层则添加 了传感器的驱动程序。 5 最后为验证设计的正确性，设计了多组测试实验：通信距离测试、传感器 功能测试、组网测试、能耗测试等。验证了软硬件平台的正确性，监控系统达到 了预期效果。 关键词：无线传感器网络物联网，z i g b e e 、监控系统，m s s t a t e p a n 协议栈 a b s t r a ( 了r a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sc 0 v s n ) i sak i n do ft a s k o r i e n t e dn e t w o r kt h a ti s c o m p o s e do fm a n ys e n s o rn o d e s ，t h e s es e n s o rn o d e sc o n n e c t e de a c ho t h e rt h r o u g h w i r e l e s sc h a n n e l t h ee s s e n c eo ft h en o d ei sam i c r o e m b e d d e ds y s t e mt h a ti n t e g r a t e d b ys e n s o r , m i c r o p r o c e s s o ra n dr fc o m m u n i c a t i o nm o d u l e b e c a u s ew s nb u i l t c o n n e c t i o n sb e t w e e no b j e c t sa n do b j e c t s ，w ea l s oc a l li ti n t e r n e to ft h i n g s c u r r e n t l yi t i sa ni n t e r n a t i o n a l l yc o n c e r n e df o c a lp o i n ti n v o l v i n gm u l t i d i s c i p l i n a r yc r o s s f r o n t i e r h o tr e s e a r c hf i e l d z i g b e ei san e ww i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r dt h a to r i e n t e ds h o r t - d i s t a n c e d o m a i n i ti s d e v d o p e db yz i g b e e - a l l i a n c et h r o u g ha d d i n g n e t w o r kl a y e ra n d a p p l i c a t i o nl a y e ro ni e e e8 0 2 15 4 z i g b e et e c h n o l o g y , w i t hl o wr a t e ，l o wp o w e r , l o w c o s t ，s h o r t d i s t a n c ef e a t u r e sw h i c hm a k ei tw e l ls u i t e df o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si n t h i sa r e a t i l i st h e s i sc h i e f l yd i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o no fw s ni nd e p o s i t a r ym o n i t o r i n g s y s t e m a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fi s s u e s ，t h em s s t a t e p a ns t a c kb a s e d0 1 1z i g b e e 1 0i ss e l e c t e dt od e s i g nam o n i t o r i n gs y s t e m t h i st h e s i sm a i n l yi n c l u d e sa sf o l l o w s ： f i r s t ：t h eb a s i cc o n c e p to fw s na n dz i g b e ea n dt h e i rr e s e a r c hs i t u a t i o na th o m e a n da b o a da r ei n t r o d u t e d a n dt h eh a r d w a r ep la t f o r mo ft h em o n i t o r i n gs y s t e mi s s i m p l yi n t r o d u c e d ，w h i c hi n c l u d e st h em a i nc h i p ，t h es e n s o r sa n d t h e i rp a r a m e t e r s s e c o n d ：t h ed e t n l e dr e a l i z a t i o no fm s s t a t e p a ns t a c ki sa n a l y z e d a n dt h ef s mo f e a c hl a y e ri sl i s t e d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h ea p p l i c a t i o n l a y e rm a i nf s m i sa d d e d ，t h ej o i n i n gn e t w o r kp r o b l e mi nn e t w o r kl a y e ri sr e s o l v e d ；i n m a cl a y e ras l e e pf u n c t i o ni sa d d e dt or e d u c et h ep o w e r a tl a s t ：s e v e r a le x p e r i m e n t sa l ed e s i g n e dt ov e r i f y t h ec o r r e c t n e s so ft h e m o n i t o r i n gs y s t e m k e y w o r d ：w r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s i n t e m e to ft h i n g s ，z i g b e e ，m s s t a t e p a n ， m o n i t o r i n gs y s t e m i i 图目录 图1 1 图1 2 图2 1 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图禾8 图4 9 图4 1 0 图5 。1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图目录 金门大桥3 澳大利亚电子牧场3 z i g b e e 协议栈框图8 监控系统框图1 2 硬件平台构架1 4 温湿度传感器16 人体红外传感器16 烟雾传感器1 7 m s s t a t e p a n 协议栈源码构架：1 9 m s s t a t e p a n 协议栈数据接收过程一2 0 m s s t a t e p a n 协议栈数据发送过程2 1 应用层框架2 2 应用支持子层状态机2 3 z i g b e e 网络拓扑类型2 8 协调器组网过程3 0 树形路由算法流程3 3 m s e f s m 状态机之接收部分3 8 m a c f s m 状态机之发送部分3 9 r f d 节点应用层主状态机4 4 r f d 节点主状态机4 6 自适应功率调整流程图4 9 温湿度传感器的引脚连接5 2 温湿度传感器驱动程序工作流程5 3 i a r 集成开发工具5 7 c c 2 4 3 0 烧写工具5 8 节点入网测试5 9 多节点组网测试6 1 v i 图目录 图6 5 休眠时工作电流统计6 3 v 电子科技大学硕士学位论文 表目录 表2 1几种无线传输技术的比较7 表2 2m s s t a t e p a n 协议栈与z s t a c k 协议栈的比较1 0 表4 1数据帧和应答帧格式2 6 表4 2 命令帧格式2 7 表4 4 数据帧格式3 4 表4 5 命令帧格式3 4 表5 1上位机界面程序接收的帧结构4 5 表5 3m a c 层a c k 帧的帧格式。4 7 表5 4t x c t r l l 寄存器与输出功率对应关系。4 8 表6 。1 温湿度传感器采集数据6 0 表6 2 红外烟雾传感器性能测试6 0 表6 3 多节点的丢包率6 2 v i i i 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注和致谢的地 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 为获得电子科技大学或其它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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：毒蠹主装! 咨日期：a 9 f 。f i - 月午日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分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应遵守此规定) 虢籀达i 每导师繇皿 日期：9 o l o i f - 月年日 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 随着微电子技术、计算机控制技术、通信技术的发展，芯片的多功能集成能 力、处理器的处理能力以及相互通信能力得到了质的提升【l 】。使得在微小的体积内 能够集成信息采集、数据处理和无线射频通信等功能模块。在此背景的推动下， 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n ) 应运而生，并因其应用领域的 广泛性得到了飞速发展。 无线传感器网络是由被安置在监控区域的大量微型传感器节点通过无线自组 织多跳形式组成的网络，主要用来感知、采集和处理监控区域的各种信息，并发 送给观察者提供方便快捷的参考信息【2 】。时下流行的将物物相连的物联网正是无线 传感器网络的别称【3 】。无线传感器网络的基本特点主要有：节点数目大，分布广泛； 数据传输速率不高；节点的硬件配置有限，能耗很低；多跳自组织形式的路由拓 扑等特点。 由于无线传感器网络的布置方便，成本低廉，自组织多跳无线连接，以及低 功耗等优点，使得它成为当前计算机科学领域十分活跃的研究领域【4 】【5 1 。 传统的仓库监控系统多为有线连接，这种形式的监控系统虽然技术较为成熟， 经验积累也很丰富，但是已不再符合现代化仓库管理的要求。因为这种以现场布 线的有线连接形式构成的监控系统往往布局复杂，线缆过多，不但占据仓库空间， 而且不易扩展；线缆也容易老化，管理起来十分困难；很多使用市电供电，这样 更埋下了安全隐患。所以，采用无线低功耗形式的监控系统已经是大势所趋。 本课题设计的监控系统应用于烟草仓库的监控管理。众所周知，烟草货物是 属于干燥易燃的贵重物品，所以烟草仓库的监控系统必须能够监控到仓库各个位 置的温度值，湿度值，这样能够保证仓库中的环境干燥适宜，烟草不致发霉或起 火；还有就是最好门窗等关键位置应当具备的安全防盗功能【6 】。以上这些特点可知， 采用无线形式的物联网监控系统较为适合这种场合，因为组成物联网的这些传感 器节点体积小，功耗低，可以随意的放置在仓库的各个角落中，这样使得仓库简 洁安全，扩展性强。温湿度传感器可以准确的采集到所在位置的温湿度信息，门 电子科技大学硕士学位论文 窗位置的烟雾红外传感器也能在盗贼入侵或火灾发生的时候采集到信息，这些信 息通过无线射频发射给监控室的上位机，管理人员不必亲自打开库门查看仪表就 可以掌握仓库的安全情况。从而减少了人员活动对仓库环境的干扰，也节省了劳 动资源和工作时间。 综上所述，该仓库监控系统解决了传统监控系统的诸多弊端，降低可监控系 统的复杂度，提高了系统的稳定性和可靠性，促进了仓库管理的智能化、信息化、 现代化。而且对物联网技术在监控领域的应用推广起到了积极作用和参考意义。 1 2 国内外研究概况 因特网改变了人与人的沟通方式，物联网( 无线传感器网络) 则改变了人与 自然的沟通方式。物联网是计算机科学技术的一个新的综合多学科的研究领域， 具有十分重要的应用前景。关于物联网的研究早在上世纪7 0 年代就已出现，那时 主要还是处于试验阶段和军事领域。随着相关学科的迅速发展，物联网在国内外 得到极大的重视和广泛的应用。 发达国家如美国，非常重视物联网的应用和发展，美国商业周刊把物联网评 为2 1 世纪最有影响力的十大技术之首，麻省理工学院( m i t ) 也将物联网列为全 球未来的三大高科技产业之一【j 7 1 。美国所有高校几乎都有研究小组从事物联网相关 技术的研究，如：美国加州大学泊克利分校开发的“m o t e s 节点，节点上配置了 压力、磁场、温度、湿度等传感器，并且开发了w s n 专用节点嵌入式操作系统 t i i n y o s ，目前在环境监测、车辆跟踪、野生动物观测方面都进行了一系列的卓有 成效的研究。麻省理工学院( m i t ) 主要致力于基于知识的信号处理技术；哈佛大 学专门研究物联网中的通信理论基础掣8 1 。 1 9 9 5 年美国交通部提出了“国家智能交通系统项目规划 ，预计到2 0 2 5 年就 能够全面投入使用。该计划试图集成先进的传感器技术、数据通信技术、控制技 术和计算机处理技术运用于整个地面交通管理，建立一个大范围全方位实时高效 的综合交通运输管理系统【9 1 。 在旧金山，2 0 0 个联网传感器节点已被部署在金门大桥，如图1 1 所示。这些 节点用于确定在强风时大桥从一边到另一边的摆动距离，可以精确到几英尺。当 检测出移动距离时，它将把该信息通过与因特网连接的接口传递出去。信息最后 到达一台更强大的计算机进行数据分析处理。若发现任何与当天天气情况不吻合 2 第一章绪论 的异常读数，则意味着大桥有可能存在隐患。澳大利亚的c s k i o i c t 中心将无线 传感器节点安置在动物的身体上，这些节点可以对动物的脉搏、血压等生理状况， 以及外界环境进行监测，研制成完善的信息化牧场模型如图1 - 2 所示。 图i - i 金门大轿图1 之澳大利旺电子牧场 2 0 0 9 年1 月2 8 日，在美国总统奥巴马同m 总裁彭明盛举行的次圆桌会 议上，首次提出了“智慧地球”概念【】”，这一概念概括地说，就是把无线传感器 网络节点嵌入或安装到铁路、桥梁、公路、仓库、楼字、停车场、农场等各种场 合中，它们普遍连接构成物联网，并与互联网连接形成互联网的延伸，改变人 们的生活方式，推动生产力的发展。 除此之外，无线传感器网络还在军事战场i 1 2 1 、灾难拯救、地震监测、仓 库监控、工厂自动化、交互式博物馆等诸多领域都有全新的研究和应用。 国际上掀起物联网研究和发展的热潮的同时，国内的物联网研究工作电正在 积极的开展中。中科院早在1 9 9 9 年就启动了对物联网的研究，并取得了一些科研 成果，建立了一些适用的无线传感网【l ”。2 0 0 1 年中科院协同上海微系统所成立微 系统研究与发展中心，该中心在无线传感网的领域上陆续部署了若干重大研究项 目，初步建立了物联网的系统研究平台，在智能无线传感器网络通信技术、微型 传感器、传感器节点等方面取得了很大的进展。2 0 0 4 年9 月其相关成果在北京进 行了大规模演示，部分成果现己在实际工程中使用。 国内的许多公司也纷纷对物联网开始研究，如华为、中兴通讯等企业已经加 入无线传感器网络研究的行列；成都无线龙科技公司、宁波中科集成电路设计中 心( 中科院计算所宁波分所) 无线传感器网络事业部也都有了相关的产品。 据最新数据显示【l q ，上海移动的“车务通”计划已将超过1 0 万个传感器芯片 装载在公交车、出租车上，这些芯片能够相互组网，定位出城市中的准确位置， 电子科技大学硕士学位论文 确保了城市的有序运作。在2 0 1 0 年上海世博会期间，“车务通 将被运用于上海 所有的公交系统，以最先进的技术保障世博园区交通顺畅；还有就是面向物流企 业运输管理的“e 物流 ，将为用户提供实时准确的货况信息，这样更便于车辆跟 踪定位、运输路径选择以及物流网络设计与优化，大大提升了物流企业综合竞争 能力。 1 3 课题研究的内容 本课题是以物联网为研究背景，以z i g b e e 标准的一个实现形式m s s t a t e p a n 协 议栈为研究对象，并将此技术应用在仓库监控领域中的实例。 本文的主要工作有： 1 研究了物联网的特征及其在国内外的发展状况，分析了本课题中所设计的 监控系统的需求及解决办法； 2 简要介绍了z i g b e e 技术及该监控系统所选用的硬件平台； 3 重点分析了基于z i g b e e 技术的m s s t a t e p a n 协议栈的各层实现机理，并根 据实际需要做出了一些改进和完善；编写了应用层状态机代码、自适应发射功率 调整函数以及休眠函数。最后设计了测试方案，给出了测试结果并验证了设计的 有效性。 1 4 论文的组织结构 论文共分为六章： 第一章为绪论，主要介绍了课题研究的物联网背景及其在国内外的研究现状； 分析了传统监控系统的弊端及改进策略，给出了监控系统的解决方案。 第二章简要介绍了z i g b e e 标准的基本概况以及m s s t a t e p a n 的由来。 第三章介绍了所选用的硬件平台及传感器。 第四章重点研究了m s s t a t e p a n 协议栈各层的源码实现机理与局部改进情况。 第五章将m s s t a t e p a n 协议栈添加不同节点类型的应用层主状态机，传感器驱 动和上位机界面程序。为实现低功耗需求，引入休眠机制和发射功率自适应调整 机制。 第六章为测试验证，包括硬件的各种功能测试和总体组网测试；给出了实物 4 第一章绪论 图和部分测试数据。 第七章对本文做总结和展望。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章z i g b e e 标准及m s s t a t e p a n 协议栈 2 1 z i g b e e 标准 z i g b e e 是一种新兴的低复杂度、低成本、低功耗、低速率的无线通信技术。 它是由z i g b e e 联盟制定的，z i g b e e 联盟成立于2 0 0 1 年8 月，2 0 0 2 年下半年，英 国的i n v e n s y s 公司、美国摩托罗拉公司、日本的三菱电汽公司以及荷兰飞利浦半 导体公司相继加入，这一事件成为了z i g b e e 联盟的里程碑。如今该联盟已经吸引 了上百家无线设备公司以及芯片半导体公司的加入。z i g b e e 技术正是在他们的合 力推动下诞生的【1 1 丌。 z i g b e e 所具有的低功耗，低成本的特点既弥补了无线通信技术在这个领域的 空缺，又很符合无线传感器网络中的应用要求【1 8 】。因而，在工业控制、农林管理、 家用领域以及医学领域得到了广泛的应用。 2 1 1 z i g b e e 技术的主要特点 低功耗：由于z i g b e e 的传输速率不高，发射功率仅l m w ，而且采用了休眠模 式，功耗更低，因此z i g b e e 设备非常省电。据估算，z i g b e e 设备节点采用两 节五号电池就可以维持长达六个月到两年左右的工作时间，这是其他无线标准 望尘莫及的。 可靠性强：采用碰撞退避机制，同时m a c 层在需要固定带宽的通信业务时预 留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。并且有两种确认机制，m a c 层确认帧和a p s 层确认帧。如果在传输过程中出现问题可以进行重发。 低速率：只有1 0 k b y t e s 到2 5 0 k b y t e s ，专注于低速率传输场合。 低成本：射频芯片和处理器的集成并大批量生产，导致成本低廉。并且z i g b e e 的协议栈实现很多都是免费的。 短时延：通信时延和从休眠状态激活的时间都很短，典型的搜索设备时延为 3 0 m s ，休眠激活的时延是1 5 m s ，信道接入时延1 5 m s 。因此z i g b e e 技术适用 于对时延要求高的应用场合。 6 第二章z i g b e e 标准及m s s t a t e p a n 协议栈 网络容量大：一个z i g b e e 网络最多可以容纳2 5 5 个节点。 工作频段灵活：支持三个频段：2 4 g h z 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m h z ( 美国) ， 均为免执照公用频段。 2 1 2z i g b e e 与各种短距离无线标准的比较 目前的各种无线传输技术有很多种，包括蓝牙，红外，w i f i 等。这些传输技 术各有所长，它们的主要参数 1 9 1 如表2 1 所示： 表2 - 1 几种无线传输技术的比较 蓝牙( b l u e t o o t h ) 蓝牙最早是由爱立信在1 9 9 4 年开始研究的一种使手机和其附件之间相互通信 的无线模块。1 9 9 8 年，爱立信、诺基亚、i b m 等公司推出了蓝牙技术，主要用于 信息设备间无线连接领域。蓝牙的工作频率为2 4 g h z ，有效范围大约1 0 米。现在 蓝牙已被列入了i e e e8 0 2 1 5 1 ，规定了包括p h y 、m a c 、和应用层等集成协议栈。 为对语音和某些特定网络提供支持，需要协议栈提供1 5 0 k b 的存储开销，从而增 加了系统成本和集成复杂度。 w i f i ( m e e8 0 2 1 1 ) w i f i 也是一种无线通信规范，又叫i e e e8 0 2 1 1 。该规范是1 9 9 7 年提出的， 它主要用来提供w l a n 的无线接入。也是目前w l a n 的主要技术标准，其工作 频率为2 4 g h z 。i e e e8 0 2 1 1 有三个版本：包摇a ( 在5 8 g h z 波段带宽为5 4 m b p s ) 、 “b ”( 在2 4 g h z 波段，带宽为1 1 m b p s ) 、“g ”( 2 4 g h z 波段，带宽为2 2 m b p s ) 。 w i f i 规定了协议的物理层和媒体接入层，并依赖于t c p i p 作为网络层和传输层。 由于其优异的带宽是以大的功耗为代价，因此大多数w i f i 设备都需要常规电源充 电，这大大限制了它在工业场合的推广和应用。 7 电子科技大学硕士学位论文 红外( i r 【) a ) 红外线数据协会m m 成立于1 9 9 3 年。i r a d 是一种利用红外进行点对点通信 的技术。m 如的传输速率已从1 1 5 2 k b p s 逐步发展到4 m b p s ，1 6 m b p s 。目前它被 广泛应用在小型移动设备领域。但是它的最大问题在于只能在两台设备之间以某 种视距角度才能连接。这也限制它的应用领域。 2 2z i g b e e 标准概述 z i g b e e 的是_ 个系统的协议栈标准，其物理层和m a c 层采用的是8 0 2 1 5 4 标准，路由层和应用层是由z i g b e e 联盟合作制定的。其协议构架如图2 1 所示： 应用层 应用对象1 应用对象n a a 、 群企f 珏e n d p o i n t e n d p o i n t 忑蒸 vv 。一 应用支持子层( a p s ) a“ 笪建n i 、r 网络层( n w k ) z k z k 一 箜塑 i e e e8 0 2 1 5 4 媒体接入层( m a c ) 錾瑟u 1 v 广_ i e e e8 0 2 1 5 4 物理层( p h y ) 图2 - 1z i g b e e 协议栈框图 如图2 1 所示，z i g b e e 协议栈体系结构是一种类似于o s i 网络互联协议的一 个模型，层与层之间通过管理服务接入点和数据服务接入点完成数据交换。这些 接入点分别对应着各自不同的服务原语，原语是协议栈里的基本操作的服务接口， 这些功能类似的接口共同组成了一个服务接入点。 2 2 1 z i g b e e 的物理层 物理层工作在2 4 g h z ，8 6 8 m h z ，9 1 5 m h z 三个频段。采用直接序列扩频( d s s s ) 技术，提高了抗干扰能力，以便短时延低功耗的运作。2 4 g h z 频段的数据传输率 为2 5 0 k b p s ，8 6 8 9 1 5 m h z 的数据传输率分别为2 0 k b p s ，4 0 k b p s 。物理层通过r f 8 盟 喊 联 眨 砌 第二章z i g b e e 标准及m s s t a t e p a n 协议栈 硬件和r f 固件为m a c 层提供服务。通过两个服务接入点( s a p ) ，物理层数据服 务接入点( p d s a p ) 和物理层管理服务接入点( p i 枷，s a p ) 与m a c 层交互信 息，其中p d s a p 用来接收和传送m a c 协议数据单元：p l m u s a p 用来接受m a c 层的管理命令，对物理层进行操作处理。 2 2 2z i g b e e 的m a c 层 媒体接入层( m a c ) 使用c s m a c a 机制接入无线信道。主要职责包括传输 信标帧、维护网络同步、控制对信道的访问并提供可靠的传输机制。如图2 - 1 所示， m a c 层通过m a c 层管理实体m i m e s a p 向网络层提供服务接口，也维护m a c 子层相关的信息数据库m a c p i b ；通过数据服务接入口m c p s s a p 接收或传送网 络层数据包。 2 2 3z i g b e e 的网络层 z i g b e e 网络层( n w k ) 是由z i g b e e 联盟自己制定的，它的任务包括加入和离 开一个网络、目的地路由帧机制，以及两个设备之间的路由发现和维护机制。 z i g b e e 协调器的网络层负责建立一个新网络并分配网络地址，其他类型的节点则 通过路由层加入协调器建立的网络。 2 2 4z i g b e e 的应用层 应用层包括应用支持子层( a p s ) 和各种应用对象( z d o ) 。应用支持子层主 要负责维护绑定表，绑定表则主要是根据设备之间的服务和它们的需求特点将设 备的地址和端点号码关联起来，这样在某些相关节点发送消息时就可以不必指定 节点地址和节点号码，而是由a p s 层绑定功能自动查找地址和端点送往网络层发 出。应用对象z d o 负责定义设备在网络中的角色，发现设备和发起特定的应用服 务，发起或响应绑定请求。应用对象与应用支持子层之间的通信通过端点号区分。 2 3m s s t a t e p a n 协议栈的概述以及和z i g b e e 的比较 m s s t a t e p a n 协议栈是一款精简的开源z i g b e e 协议，它基于z i g b e e 规范v 1 0 ， 9 电子科技大学硕士学位论文 是由密西西比州立大学电子工程学院的助理教授r o b e r t r e e s e 所开发。虽然是精简 的z i g b e e 协议，但是基本的z i g b e e 功能都己具备，并且具有组网迅速，源码开放， 容易裁剪，方便调试，生成代码容量小等优点【2 0 1 。为了便于灵活修改各层协议以 应用于各种应用场合以及充分研究z i g b e e 无线传感器网络，本论文选择该协议栈 作为实验平台。 表2 2 全面给出了m s s t a t e p a n 协议栈和t i 的z s t a c k 协议栈的异同槲2 1 】： 表2 2m s s t a t e p a n 协议栈与z s t a c k 协议栈的比较 功能属性z s t a c k 协议栈m s s t a t e p a n 协议栈 路由m e s h & 树形& 星型路由树形& 星型路由 网络配置动态，节点启动时自组网动态，节点启动时自组网 个域网i d 选择动态选择静态配置，由用户设置 信道选择静态设置静态设置 频率 2 4 g h z 、9 15 、8 6 8 m h z 2 4 g h z 直接消息模式是是 绑定& 间接消息模式动态绑定、静态绑定动态绑定、静态绑定 信标使能是是 z i g b e e 广播支持 是是 a p s 应答支持是是 安全加密 是否 数据包缓存代理支持是否 h e x 文件容量2 0 0 k b 8 0 k b 休眠功能支持是否 p c 端调试器m t 支持是 否 串口调试信息打印否是 由表可见，m s s t a t e p a n 协议栈相比z s t a c k 协议栈简洁了很多，除了一些不是 必须的安全、m t 调试和休眠功能之外，m s s t a t e p a n 支持基本的z i g b e e 标准。为 了降低功耗，本论文添加了发射功率自适应调整函数和休眠函数，持续工作时间 得到了很好的改善。 l o 第二章z i g b e e 标准及m s s t a t e p a n 协议栈 2 4 本章小节 本章简要介绍了z i g b e e 技术的主要特点和协议构架，然后介绍了z i g b e e 各层 的作用。最后给出了m s s t a t e p a n 协议栈的概况及其与z i g b e e 的区别。 电子科技大学硕士学位论文 第三章无线监控系统的硬件平台实现 3 1 监控系统的设计概述 传统的监控系统中，往往是由很多条错综复杂的线缆连接起来，这样不但布 局复杂，占据空间，而且容易老化断裂，更增加成本。所以，受环境和成本限制， 在现代的监控系统中，大都需要以无线的方式来进行数据采集和传输控制。而 z i g b e e 技术特别适合应用于这种电源供应不方便、数据量不大，又需要不断的传 输的监控系统场合。 本文提出的基于m s s t a t e p a n 协议栈的监控系统通过白组织多跳技术组成无线 传感器网络，实现对仓库的温湿度、烟雾、红外等信息进行全面、实时、可靠地 监控。及时的防火防盗预警，通过友好的上位机界面，使仓库管理人员可以便捷 的掌握仓库的基本信息，节约了人力资源，也解决了传统监控系统线缆过多、布 局复杂、难以维护等弊端。它的系统结构如图3 - 1 所示： 图3 - 1 监控系统框图 1 2 第三章无线监控系统的硬件平台实现 如图3 1 所示：该仓库监控系统主要由安装了监控界面程序的上位机、汇聚 ( s i n k ) 节点和各个房间中的多个传感器节点组成。这些节点通过无线信道相互连 接，并以自组织多跳形式相互通信，汇聚( s i n k ) 节点和上位机通过r s 2 3 2 异步 串口总线连接。传感器节点中安装有温湿度传感器和烟雾、红外传感器。传感器 节点能实现对温度与湿度的周期采集，对烟雾和人体红外则以中断的形式实时响 应。该监控系统的工作流程为： 1 各传感器节点与汇聚节点自动组成无线传感器网络； 2 由传感器节点完成数据采集并通过无线信道多跳的传递给汇聚节点； 3 汇聚节点进行数据融合之后经串口传给上位机； 4 仓库管理人员根据查看上位机接收到的信息，必要时进行适当的管理，防 范于未然。 上位机的监控程序能够显示出网络的拓扑结构，并且拓扑图下面半显示的嵌 入了仓库的地图。所以仓库管理人员可以根据所接收的信息，得知房间中的温湿 度与烟雾、红外状况。监控程序能够记录保存各节点的历史数据。根据仓库实际 需要，可以设置温湿度的阈值，超过该阈值的时候，上位机界面中的节点以红色 显示，提醒管理人员对应的某些地方有异常。上位机监控界面软件中有两个显示 红外、烟雾信息的两个按钮，若检测到红外烟雾信息，则对应的按钮不停闪烁并 发出警报。 监控系统网络中的节点类型按照功能可以分为三种：协调器节点：路由器节 点和终端节点。前两种软件方面的功能较多，为全功能设备，第三种节点只有入 网和采集数据的职责，为半功能设备。但这三种节点除了协调器节点不需要传感 器之外，都需要射频终端，电源稳压等硬件。所以三种节点类型的硬件平台都是 一样的，并不予以区分。 3 2 节点硬件平台的实现 节点的硬件平台主要由c h i p c o n 公司( 现已被t i 收购) 推出的集成化s o c 芯 片c c 2 4 3 0 ，和传感器模块、电源模块以及调试接口组成，传感器模块包括温度、 湿度、红外、烟雾等传感器。硬件平台整体结构如图3 2 所示： 1 3 电子科技大学硕士学位论文 图3 - 2 硬件平台构架 如图所示：在稳压电源的控制下，c c 2 4 3 0 内部运行m s s t a t e p a n 协议栈，完 成与外部节点的无线连接，通过射频收发器完成节点之间的通信；并且处理自身 传感器采集到的各种信息，发送给父节点。为方便开发调试，硬件平台配备了u a r t 串行接口可以将必要的信息打印到串口，还有u s b 接口类型的c c 2 4 3 0 多功能仿 真器，能够对协议栈进行实时监控，具有断点设置、单步执行等一般的调试功能。 3 2 1 主芯片c c 2 4 3 0 本系统中的m c u 微处理器的主要任务有：执行协议栈完成组网、定期传感器 数据的采集与发送、定期的与网络中其他节点进行通信，另外汇聚节点( s i n k 节点) 还会与上位机的串口通信。从任务要求综合来看，对数据的处理规模不大，出数 据的处理速度要求也不大，所以一般的八位单片机以及6 4 k 左右的f l a s h 闪存就 能满足要求。 2 0 0 6 年春天，芯片巨头德卅i 仪器公司( t i ) 在收购了无线单片机公司c h i p c o n 后推出了第一款真正意义的商用s o c 无线单片机芯片c c 2 4 3 0 c c 2 4 3 1 。c c 2 4 3 0 支持8 0 2 1 5 4 标准，集成度很高，功能齐全，功耗低，对于简化w s n 节点的硬件 结构、降低成本以及w s n 的发展具有重大意义。 c c 2 4 3 0 除了包括射频收发器之外，还集成了加强型工业标准的8 0 5 l m c u 、 1 4 第三章无线监控系统的硬件平台实现 3 2 6 4 1 2 81 0 3 的f l a s h 闪存、8k b 的r a m 、以及d m a 、a d c 、看门狗等。c c 2 4 3 0 可工作在z i g b e e 要求的三个频段，采用低电压( 2 0 3 6 v ) 供电且功耗很低( 接收 数据时的工作电流为2 7 m a ，发送数据时的工作电流为2 5 m a ) ；其灵敏度高达 一9 1 d b m 、最大输出为+ 0 6 d b m 、最大数据处理速率为2 5 0 k b p s 。 由于c c 2 4 3 0 集成度很高，所以它的外围元件很少，仅仅搭配电源和传感器 以及调试模块就可工作。c c 2 4 3 0 芯片的主要特点如下【2 2 l ： 内含高性能工业标准和低功耗的8 0 5 1 微控制器核； 集成有符合i e e e8 0 2 1 5 4 标准的2 4g h z 的射频端收发机； 休眠模式时仅衅级的流耗，可用定时器或外部中断唤醒系统； 芯片内部硬件支持c s m a c a 功能； 工作电压具有较宽的范m ( 2 o 3 6 ； 具有数字化的r s s l 支持和强大的d m a 功能； 内部集成1 4 位的模数转换器； 集成有a e s 安全协处理器； 带有2 个可支持几组协议的串行接口，以及1 个符合i e e e8 0 2 1 5 4 规范的m a c 计时器，同时也带有1 个常规1 6 位计时器和2 个8 位计时器； 3 2 2 传感器选取 该监控系统主要是通过节点采集仓库中的温湿度信息，以及人体红外和烟雾信 息完成的。因此就需要有传感器模块将物理的各种数据值转换成处理器能够识别 的电信号。选择传感器时的依据是要考虑到要与c c 2 4 3 0 的工作电压吻合，而且要 考虑到低功耗因素。 3 2 2 1 温湿度传感器的选择 温湿度传感器采用的是s e n s i r i o n 公司的数字温度传感器s h t l 0 。如图3 3 所 示： 1 5 电子科技大学硕士学位论文 图3 3 温湿度传感器 它是一款以数字信号形式输出包含温度、湿度两种参数的芯片。具有较大的测 量范围和较高的测量精度。温度测量范围：4 0 一- 2 384 c ：湿度测量范围： o 1 0 0 r h ：温度钡幔精度为05 。c ，湿度测量精度为45 r h 。同时，s h t l 0 的 功耗也只有3 0 u w ，完全可以忽略不计。采用c m o s 工艺保证了较高的稳定性和 可靠性删。 s h t l 0 的接口在信号读取方而做了优化，通过类似于1 2 c 总线的接口与处理器 直接连接。由于s h t l 0 输出的是数字信号，不需要a d 转换，只需直接将s h t l 0 的两个输出信号连接到c c 2 4 3 0 的输入端口上，按照s h t l 0 的d a t as h e e t 的规 定编写驱动程序即可完成对温湿度数据的获取。 3 222 人体红外传感器 红外传感器采用的是g e h a 公司的g h - 7 1 b ，该模块是由p i p 热释电红外传感 器、菲涅尔透镜以及b 1 s 3 0 0 0 1 芯片组成。其实物如图34 所示： 巍 图3 4 人体红外传感器 该传感器专门用来感应人体的3 7 。c 体温所辐射出的特定波长的红外线信息。 第三章无线监控系统的硬件平台实现 通过输出的电平高度不同区分是否有红外的发生。g h 7 18 的工作电压为 45 v