（计算机应用技术专业论文）基于无线传感器网络的楼宇能耗监测系统研究与实现.pdf

d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oz h e j i a n gu n i v e r s i 够o f7 r e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r r e s e a r c ha n di m p l e m e n to fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r kb a s e db u i l d i n g se n e r g y c o n s u m p t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m s c a n d i d a t e ：z h o n g x i a 0 y a o a d v i s o r ：y hl i c o u e g eo fc o m p u t e rs c i e n c ea n d1 b c h n o l o g y z h e j i a n gu n i v e r s i 够o ft e c h n o l o g y m a r c h2 0 1 0 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：讹断孝日期：彻年r 月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密 ( 请在以上相应方框内打“”) 篡装芳 导师签名：易， 日期：卅d 年上月哆日 日期：耐。年j 月乃日 浙江工业大学硕士学位论文 基于无线传感器网络的楼宇能耗 监测系统研究与实现 摘要 伴随着中国经济的飞速发展，楼宇能源消耗问题日益突出，绿色节能工程迫在眉睫。 无线方式是构建绿色节能建筑，实施绿色节能改造的重要技术手段，无线传感器网络作为 无线技术与互联网的进一步扩展，将为节能改造提供有效的技术支持。因此，实施针对无 线传感器网络的楼宇能耗监测研究具有重要的现实意义。 论文针对传统楼宇能耗检测低扩展性、低灵活性、高成本等问题，设计系统软硬件结 构，研制无线传感器节点，实施传感器网络通信协议栈移植，最后，采用无线传感技术和 软件工程方法开发楼宇能耗监测系统。运行结果表明，系统在数据采集，在线监测，信息 存储与管理等方面已达到预期效果。本文主要工作和成果包括： 1 针对传统能耗检测手段存在的问题，研究楼宇能耗监测及无线传感器网络应用现状， 提出基于三层结构模型的无线传感器网络楼宇能耗监测系统软硬件体系结构。 2 针对楼宇能耗采集的特殊需求，采用无线传感和通信技术，以a t i l l a g e l 2 8 l 为微控 制器，c c 2 4 2 0 为射频芯片，t s l 2 5 5 0 和s h t l l 为数据感知器，研制无线传感节点， 实现温度，光照，湿度的采集及无线数据收发。经测试，节点具有较好的测量精度 和响应速度，基本满足数据采集需求。 3 针对能耗监测需求，采用软件工程和图形可视化方法，基于q t 开源集成平台开发楼 宇能耗监测软件系统，实现具有实时立体图显示、实时二维曲线显示、历史曲线显 示等动态监测，以及异常声光报警。运行结果表明，系统能够达到实时监测，信息 存储与管理，初步数据统计等功能。 4 针对传感器网络与互联网通信的差异，采用网络通信技术，在协调器节点扩展串口 及t c p m 数据通信功能，初步实现无线传感器网络与互联网的连接与通信。 5 针对传感节点存储资源有限和缺少通用的协议栈等问题，在物理层，m a c 层，网络 层，应用层实施z i 曲e e 协议裁剪与移植，实现一个简单的无线传感器网络协议栈。 在物理层，主要对各硬件设备驱动，设备控制和数据管理等功能进行移植；在m a c i 浙江工业大学硕士学位论文 层，主要实现m a c 帧格式定义、帧检测，以及帧格式的封装与解析；在网络层， 主要对逻辑地址分配，网络建立，邻居表定义和维护，路由查找和数据转发等功能 进行移植。在应用层，主要对设备对象及其管理功能进行裁剪，并扩展基于套接字 的网络通信功能。测试结果表明，协议栈基本实现网络建立，树形路由和信息转发 功能。 关键词：无线传感器网络，无线传感节点，z i g b e e 协议栈，环境及能耗监测 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n d 玎垤p l e m e n to fw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kb a s e db u i l d i n g se n e r g y c o n s u m p t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m s a b s t r a c t w i m l er a p i dd e v e l o p m e n to fc l l i l l e s ee c o n o m y ，廿l ei s s u e sa b o u te n e 理r yc o n s u i 玎m i o ni n b u i l d i n g sl l a l v eb e c o m ei n c r e a s i n 酉yp r o m i i l e n t ，w l l i c hn e e d se n e f g y - s a v i n gp r 硝e c t se x i g e n t l y w 眈l e s st e c l l i l o l o g yi sa ni n l p o r a n tt e “c ms u p p o r t st 0d e v e l o pg r e e ne n e r g y - s a v i n gp r o j e c t s 趾db u i l dg r e e ne n e 唱y s a v i n gb u i l d 洫g s w h l e s ss e n s o rn 酏o r kt l l a ti s 如r t h e re ) ( t e n s i o no f w i r e l e s st e d m o l o g ya 1 1 dh t e m e ti sd e e m e dt 0p r o v i d em o r ee 伍：c t i v et e c l l i l i c a ls u p p o n sf o r e n e r g ys a v i n g t h e r e f o r e ，廿l e r ea r cg r e a tp r a c t i c a ls i g l l i 丘c a i l c e st 0r e s e a r c h 廿1 e 疵l e s ss e i 塔o r n e 觚o r k sb a s e db u i l d m ge n e r g yc o n s u i l l p 瞳i o nm o l l i t o 血ga i l da n a l y z i i l ga p p l i c a t i o n o nt h ei s s u e so f1 1 i 曲- c o s ta l l dl a c ko fs c a l a b i l i 劬n e x i b i l 毋i nn 甜i t i o n a ls y s t e m s 细 e i - e r g yc o n s m n p t i o nm o i l i 蜘n gi l lb u i l d i n g s ，t l l ep a p e rd e s i g 璐h 畎h 翟旺l e 甜1 ds o 内峨u e a “溉t e c t l 胎s ；d e v e l 叩s 侧的l e s ss e n s o rn o d e s ；缸狮s p l 觚t st l l ec o 删n u l l i c a t i o np r o t o c o ls t a c k 细 s e n s o rn o d e s ；f i m a l l y ，d e v e l o p st l l eb u i l d i i 培e n e 唱ym o i l i t o 而1 9s y s t e mb yw i r e l e s ss e n s i n g t e c h n o l o g ya i l ds o 仔w a r ee n 舀r l c e r i n gm e t h o d s t b s t i n gr e s u l t ss h o wn l a tt h es y s t e mm e e t st h e a p p l i c a ：t i o nr e q u i r e m c n t s w e l l 矗o mt 1 1 e 嬲p e c t so fd a t ac o l l e c t i o l l ， o n 1 i n e m o l l i t 0 血培， 洫f 0 瑚a t i o ns t o r a g ea i l dm 御l a 萨玎舱n t t h em 萄o rc o 椭b u t i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nn l e 咖d yo fr e l a t e dw o r ka _ b o u tb u i l d i l l g se n e r g yc o i l s m n p t i o ns u p e r v i s i o na n d 诵r e l e s ss e i l s o r n e t 、v o r k 印p l i c a t i o i l s ，t h r e e - t i e r ss t n 蜘l r e dh 锄d w a r ca n ds o m 忸r ea r c l l i t e c t u r ei s p r o p o s e df o r 晰r e l e s ss e l l s o rn 娟砷r ks y s t e mf o r b u i l d i i l ge n e 玛yc o n s 啪p t i o nm o n i t o r i n ga i 】 1 1 e d a tn l ep r o b l e m so f 订a d i t i o n me n e r g ym o i l i t o r i n gs y s t e m s 2 a c c o r d i l 培t 0t h ep a n i c u l a rr e q u i r e m e n t so fe n e r g ym e 踟r e m e n t si i l b u i l d i i 培 s 啪u i l d i n g ，n l ep a p e rd e v e l o p sw n l e s ss e n s o rn o d e sb y 嘶r e l e s ss e l l s i n ga 1 1 dc o 衄n u m c 撕o n t e c h i l 0 1 0 9 i e s ，o n 尚c ha n i l a g e l 2 8 li sa d o p t e da sm em i c r o c o m r o l l e r ，c c 2 4 2 0i sa d o p t l m 嬲n l e 船【d i o 骶q u e n c yc h i pf o rd a t a 仃觚s l l l i s s i o n ，t s l 2 5 5 0 锄ds h t l ls e i l s o r sa r eu s e df o r t e 玎叩e r a t u r e ，h u m i d i 劬1 i g h tm e a s u r e m e n t si 1 1b u i l d i i l gs u r r o u n d i n g t e s t i i l gr e s u l t ss h o wm a tt 1 ：屺 s e n s o rn o d e sb a s i c a l l ym e e t st h e r e q u i r e m e n t so fd a t ac 0 1 1 e c t i o n 谢t l lg o o dm e a s u r e m e n t 新江工业大学硕士学位论文 a c c 唧l c ya n ds h o r tr e s p o n s et i m e 一 j 上o rm ee n e 唱ym o m t o n n gr e q u l r e m e n t s ，b u l l d m ge n e r g ym o n i t o r i n gs o 行l v a r es y s t e mi s d e v e l o p e do n0 p e ns o u r c ei m e g r a t i o np l a t f o n i l ( b ys o 凤，a r ee n 舀n e e m ga i l d 孕印l l i c a l v i s u a l i z a t i o nm e m o d s ，w h i c he i l a b l e sr e a l - t i i n e 廿1 曙e d i i l l e n s i o l l a l 觚dt w o d i m s i o n a lc u r v e d i s p l a y ，h i s t o r i c a lc u ed i s p l a y s ，硒、e l l 舔t h ee x c e p t i o n a ls 0 吼d 锄dl i g h ta l a n n t h er e s u l t s h o w st l l a tt h es y s t e ma c l l i e v e sr e a l 一t i i i l em o l l i t o r i n g ，i n f o 姗a t i o ns t o r a g ea n dm a i l a g e m e n ：t ，锄d p r e l i m i l l a d ，d a t as t a t i s t i c s 4 o nt l l ec o m m u l ：l i c a t i o nd i 商e r e n c e sb 帆e nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 锄dm eh l t e m e t d i 疵r e n c e s ，s 嘶a la 1 1 dt c p 口b a s e dd a t a 仃a i l s f e r r i n g 细【c t i o n sa r ei m p l e m e n t e do n 也e c o o r d m a t o rs e n s o rn o d e sb yn 咖o r k 觚dc o u l l u i l i c a t i o n t e c h n o l o 西e s ，w l l i c hp r e l i m 诋l r i l y a c l l i e v e sm ec o m l e c t i o na n dc o 删栅c a t i o nb e t 、) l ，e e n 、) i ，i r e l e s ss e n s o rn e 研o r k a i l di n t e m e t 5 o nt h ei s s u e so fl i l l l i t e ds t o r a g er e s o u r c e sa n dl a c ko fs h a r e dp r o t o c o ls t a c l ( sf o rs e n s o r n o d e s ，as i m p l ep r o t o c o ls t a c kf o r 、v l e s ss e l l s o r 咖r ki sp r o p o s e db y 矗m c t i o n a l c u t t i l l ga i l d t 豫n s p la 1 1 _ t a t i o no nz i g b e ep r o t o c 0 1s t a c k 1 1 1 eh 莉啪r ed e v i c e 蕊v e r s ，d e v i c ec o n 加l 锄dd a t a m a l l a g e m e ma r e 妇p l e m e m e di np h y s i c a ll a y e r ( p h y ) m a c 行a m ef o m l a td e f i l l i t i o l l s ，m a c 鼬ed e t e c t i o n s ，嬲w e l la s 讹蛇助m ep a c k a g ea 1 1 d a n a l y s i sa r ei n l p l e m e n t e d ：i l lm c l a y e “m a c ) l o g i c a la d d r e s sa s s i 孕l l i l e n t ，n e t w o r kf o n n i n g ，n e i 曲b o r i r 喀t a b l ed 娟i l i t i o na n d m a i n t e n a n c e ，r o u t i n ga i l dd a t af 0 1 w 川i n g 如1 c t i o i l sa r eh p l e m e n t e di l ln e 铆o r kl a y e m 姗 t s l 2 5 5 0空白区：t s l 2 5 5 0 微控制器 图3 1 0 光传感数据采集过程 浙江工业大学硕士学位论文 光传感数据的采集主要分为如图3 1 0 所示的两个阶段，第一阶段向t s l 2 5 5 0 发送信 道采集命令字，第二阶段则通过读取t s l 2 5 5 0a d c 寄存器来采集光电探测器采集的传感 数据。 在t s l 2 5 5 0 数据采集过程中，第一阶段操作与t s l 2 5 5 0 电源启动及工作模式选择相 似，主要包括如下步骤： 1 ) 微控制器首先发送一个s t a r t 信号控制总线； 2 ) 微控制器发送t s l 2 5 5 0 设备地址0 1 11 0 0 l 及写数据标志位( w ) ； 3 ) t s l 2 5 5 0 检测到微控制器发送的地址与自己的地址相同便发送一个应答信号 ( a c k ) 予以响应； 4 ) 微控制器收到t s l 2 5 5 0 应答信号( a c k ) 后指定相应的a d c 信道进行光检测，命 令字o x 4 3 h 选择a d c 信道0 对可见光和红外光进行检测，而命令字0 x 8 3 h 选 择信道1 对红外光进行检测； 5 ) t s l 2 5 5 0 接收到命令字后对微处理器予以响应； 第一阶段完成后，t s l 2 5 5 0 寄存器中包含了最近从a d c 信道中采集的光强度信号值， 采集过程立刻进入第二阶段后，微处理器按如下过程采集光强度信号数据。 1 ) 微控制器首先发送一个重启动信号( r e s t a n ) 控制总线； 2 ) 发送t s l 2 5 5 0 设备地址0 11 10 0 1 及读数据标志位限) ； 3 ) 当t s l 2 5 5 0 检测到微处理器指定的地址与自己的地址相同时发送一个应答信号 ( a c k ) ，同时根据第一阶段选择的信道将采集数据发送给微处理器。 4 ) 当微处理器完成数据接收后，发送n a c k 表示传送数据结束； 5 ) t s l 2 5 5 0 检测到微处理器响应信号，发送一个停止位s t o p ，结束整个通信过程； 根据t s l 2 5 5 0 数据采集流程及通信协议，光强度数据采集过程函数如下所示： 浙江工业大学硕士学位论文 3 光强度计算与转换 t s l 2 5 5 0 集成的两个只读寄存器中包含了最近从a d c 信道中采集的光强度信号值。 每个a d c 寄存器中的数据按如表3 6 所示格式存储。c h o i 位域对应a d c 数值的高位 部分，s t e p 位对应a d c 数值的低位部分，它们用来计算a d c 计数值。c h o r d 和s t e p 位都为0 表明亮度水平低于传感器的检测限，而c h o r d 和s t e p 位都为1 表明亮度水平 超出了传感器的检测限。 表3 6t s l 2 5 5 0a d c 寄存器数据格式 燃蒸鹚鬻鬓燃 b 7b 6b 5b 4b 3b 2b lb o l i dc 2c lc os 3 s 2s 1s o 当t s l 2 5 5 0 获得两个信道的a d c 数字输出后，根据式( 3 4 ) 获得类似于人眼分辨的光 照等级。 l i g h tl c 、，e l ( 1 u x ) = ( c h o c h l ) 0 3 9 e j 8 1 ( 3 4 ) r = c h l 计数值( c h 0 计数值一c h l 计数值) 式( 3 - 4 ) 中的参数c h o 和c h l 计数值可以通过式( 3 5 ) 计算获得。 a d c 计数值2 ( c l l o r dv a l u e ) + s t 印v a l u e ( s t 印n u 玎曲e r ” ( 3 5 ) 式( 3 5 ) 中的c h o r d d u e ，s t 叩、埘u e ，s t e pn 瑚曲e r 可以根据a d c 寄存器值和表3 - 7 获得。 表3 7a d c 寄存器位与c h o r dv r a l u e ，s t e p 、r a l u e ，s t e pn u m b e r 对照表 黪黟穆嬲 籀蓖磷醋鸶i f 擎 j ( 强o r dv 钔u es t e 6 1 v 甜u 麓 缓愿艇沥隧缓磊彩貔纽荔荔荔耘荔荔黝彩磊勃赢删 0 0 0 o1 0 0 1 1 62 0 1 04 9 4 0 1 11 1 58 1 0 0 2 4 71 6 1 0 l 5 1 l3 2 1 l o 1 0 3 96 4 1 1 1 2 0 9 51 2 8黝箧淘黟 黟；鼢鸳雠剜簖心 溺 ?一 ，。 r 47+ 淼溅磁 黢勰疰貔 旗渤蠛骧黝弘，易点裹貔o o o oo 1 0 0 0 8o o o ll 1 0 0 l90 0 1 02 1 0 1 0100011 3 1 0 1 1ll01004 1 1 0 0120lol 5 1 1 0 11301106 1 1 1 0140111 7 1 1 1 115 浙江工业大学硕士学位论文 3 3c c 2 4 2 0 无线通信实现 c c 2 4 2 0 元件是c l l i p c o n a s 公司推出的符合i e i 汜8 0 2 1 5 4 无线收发标准的射频芯片。 芯片采用了s m a n i 疆0 3 技术，并工作于i s m 免授权2 4 g h z 频段。芯片采用休眠工作模式 具有极低能耗，适于电池长期供电；同时，其低廉的成本能够适用于大量部署的特殊需求， 此外，芯片还采用c s m a c a 技术以避免数据发送时的竞争及冲突，从而，确保通信的可 靠性和有效性。另外，芯片集成了c i 配数据完整性校验，功能的硬件化实现在加快通信 的速度的同时也减少了能量消耗。采用此芯片实现的无线通信设备，体积小、功耗低、数 据传输率高广泛适用于工业p a n 网络及z i g b e e 设备。 无线通信作为无线传感节点设计的重点与难点，是系统成败的关键。为了满足无线传 感器网络对系统性能、通信效率、电源消耗的要求，采用c c 2 4 2 0 作为射频模块来实现传 感器间的无线通信功能。 3 3 1 微控制器与c c 2 4 2 0 连接与交互 o c 3 c j i n t s l i p e 5 t 3 l i i n t 6 j p e 6 o c 3 b ，i n t 4 l i p e 4 i c 3 i | i n t 7 j p e 7 窝 s s | | | p b o 名 s c k 伊b 1 擎m o s i j p b 2 墓 m i s o i p b 3 q o c 0 _ p b 4 o c 3 a 枷n l j p e 3 7 肿3 0 8i n t 62 9 6c c a2 8 9s h ) 2 7 3 l 一 3 2 3 3 3 4 2 l 4 l h f l | 。 玎1 i d p c c a o s 功 8 是 c s n 口 s c l l s i s o r e s e t n 趣g n 图3 - 1 1c c 2 4 2 0 与a t m e g a l 2 8 l 元件连接图 微控制器a t m e g a l 2 8 l 按图3 1 1 所示与c c 2 4 2 0 进行连接与控制无线接收及发送过程。 其中，a 1 m e g a l 2 8 l 通过v i 也g u n 及r e s e t n 接口对c c 2 4 2 0 进行使能与复位操作。 c c 2 4 2 0 芯片接口c s n 、s i 、s o 、s c l k 分别与a 1 h e g a l 2 8 ls p i 接口s s 、m o s i 、m i s o 、 s c k 相连，通过这4 个接口，微处理器与c c 2 4 2 0 进行数据交换，发送控制命令。此外， 接口s f d f i f o ，f i f o p 以及c c a 用于向觚m e g a l 2 8 l 返回c c 2 4 2 0 当前收发状态。 3 3 1 1c c 2 4 2 0s p i 通信 表3 84 线s p i 通信接口描述 霾麟燃 s c l k 输入 s p i 时钟输入，驱动主从设备数据交换 c s n 输入 从设备使能信号，启动s p i 串行通信 一一一一一一一一一一一 浙江工业大学硕士学位论文 c c 2 4 2 0 通过4 线s p i 接口与朋、m e g a l 2 8 l 微处理器实现高速同步传输，s p i 接口及功 能描述如表3 8 所示。在a 1 m e g a l 2 8 l 与c c 2 4 2 0s p i 传输过程中，c c 2 4 2 0 以从机模式与 微处理器交互。s p i 交互是通过对同步串行接口的寄存器进行软件编程实现的，其中包括 s p i 控制寄存器( s p c r ) ，s p i 状态寄存器( s p s r ) ，s p i 数据寄存器( s p d r ) 。 ( 开始 ) i 瑶 设置s p c r s p e i 使能s h 通 唐 t骡 设置s p ( m m s t r 倒 选择主机模式 袭 + 。一 s p c r s p r l 暑租 s p c r s p r l 设置传输率 设置m 。s l 数据方向l + | 躲 获取设备数据r 查询s p s r s p 等待发送，接收完成 - i 清除s 嗽s 脏i 协令协 拉高c s 口 结束通信 图3 1 2a 1 m e g a l 2 8 l 与c c 2 4 2 0s p i 通信流程 s p i 通信过程主要分为两个阶段：初始化和数据收发操作，如图3 1 2 所示。 1 s p i 初始化 s p i 初始化通过对s p c r ，s p s r 编程设置完成，初始化过程按如下步骤进行。 ( 1 ) 设置c s n 为低电平，以使能c c 2 4 2 0 。 ( 2 ) 设置s p c r s p e 位，启动s p i 通信。 ( 3 ) 设置s p c r m s t r 位，选择微处理器为主机模式，c c 2 4 2 0 位从机模式。 ( 4 ) 设置s p c r s p r l 和s p c r s p i 如，选择传输速率。 ( 5 ) 设置接口数据传输方向。 ( 6 ) 采用默认的高位优先字节传输顺序。 一2 7 浙江工业大学硕士学位论文 2 s p i 数据收发 筒r l n e g a l 2 8 ls p i 接口拥有m o s i ，m i s o 两个移位寄存器，并在主机时钟信号的驱动 下进行按位数据传输。数据寄存器( s p d r ) 用于s p i 移位寄存器之间数据传输，读寄存器将 读取接收缓冲区中的数据，写数据寄存器将启动数据传输。s p i 初始化完成后，按如下步 骤完成s p i 数据发送过程。 ( 1 ) 读命令启动数据接收或写命令启动数据发送。 发送过程中，首先，将数据寄存器( s p d r ) 值放入相应的移位寄存器，然后，写数据寄 存器启动传输过程，主机将在时钟信号驱动下交换数据。主机数据从主机m o s i 接口移出， 经从机m o s i 移入设备；而从机的数据由m i s o 移出，由主机的m i s o 移入接收缓冲区。 ( 2 ) 在传输过程中查询传输结束标志位( s p i f ) ，等待数据传输结束。 ( 3 ) 传输结束后清除s p i f 标志位。 ( 4 ) 如果传输尚未完成，则继续数据传输过程。 3 3 1 2c c 2 4 2 0 访问与控制 c c 2 4 2 0 的数据服务与访问控制是通过对寄存器或r a m 存取来实现的，并且，c c 2 4 2 0 对m 蝴和内部寄存器均进行了编址，由6 位地址唯一确定。a 1 1 m e g a l 2 8 l 可通过对c c 2 4 2 0 内部寄存器的存取访问来实现其无线传输与通信服务过程，其中包括状态寄存器设置，命 令选通寄存器设置及f i f o 寄存器访问等。在微处理器与c c 2 4 2 0 交互过程中，第一字节 写入的是访问区域的地址，其后写入或读出2 字节对应地址区域的数据，访问命令地址格 式及取值按表3 9 所示予以设置。 表3 9c c 2 4 2 0 寄存器操作命令字格式 a 1 m e g a l 2 8 l 对3 种不同的寄存器进行访问控制以完成c c 2 4 2 0 无线通信功能。 1 状态寄存器存取 c c 2 4 2 0 数据服务及状态控制可通过对状态寄存器设置完成。在寄存器进行写操作时， 首先通过m o s i 发送一个如表3 9 所示格式的寄存器地址。完成地址发送后，随即向指定 的寄存器按位发送1 6 位数据。如果是读操作，首先按照地址数据格式发送寄存器地址， 随后1 6 个时钟周期内可以从m i s o 接收c c 2 4 2 0 发送的指定寄存器数据。 在状态寄存器存取过程中，c c 2 4 2 0 接收到寄存器地址或数据时就会向微处理器返回 一个状态字用来反馈当前状态，微处理器可根据相应的状态对c c 2 4 2 0 进行相应的操作。 一2 8 浙江工业大学硕士学位论文 2 选通命令 选通命令类似于执行控制c c 2 4 2 0 无线通信的功能指令。选通命令字本质上是内部选 通寄存器地址，选通命令首先发送寄存器写命令，然后指定选通命令寄存器，选通地址发 送完成后，即执行寄存器内部操作序列，而不执行实际的数据传输过程，因此，执行选通 命令实际上完成了没有数据传输的内部寄存器写操作。例如，执行选通命令 s ，d ( o n s r x o n 用于启动无线发送接收机，实际上执行了s t x o n s r x o n 寄存器访问操 作。 3 f i f o 缓冲区访问 c c 2 4 2 0 拥有一个f i f o 接收缓冲区( r x f i f o ) 缓存接收数据，和一个f o 发送缓冲区 ( d 口i f o ) 。缓冲器t x f i f o 和( f i f o 分别通过寄存器d 口i f o ( o x 3 e ) 和础妤i f o ( 0 ) 【3 f ) 来存取。d 口i f 0 只能执行数据写入操作，而i 疆f i f o 可以执行存取操作，其中，读取或 写入一个字节与洲存取操作相同。 f i f o 寄存器可以实现多字节存取，从而满足对多字节数据数据收发的要求。在t x f i f o 数据写入过程中，首先发送1 个字节的寄存器地址命令来指定寄存器写入操作与寄存器地 址，其后，将数据通过m o s i 总线发送给t x f i f o 寄存器，而，d ( f o 写操作将完成多个 字节的数据发送直至设置c s n 来终止写入过程。砌妤i f o 操作与盯四i f o 相似，在读取接 收缓冲区过程中，首先发送寄存器读命令标识，然后指定心口i f o 寄存器地址，其后即从 m i s o 总线连续接收c c 2 4 2 0 接收缓冲区数据，整个接收过程将完成多字节数据传输直至 通过设置c s n 终止接收。 3 3 2c c 2 4 2 0 控制与数据收发 表3 1 0c c 2 4 2 0 接口状态及功能 霪猢狮髫韵磁鬻荔荔笏鬃荔粼荔貘簇：勃熊描述熏鬃麓震蒸蕊鬟鬟霉粪戮 也g _ e n 输入设置高电平使能c c 2 4 2 0 电压调制器，使其进入正常工作状态。 r e s e t h 输入低电平用于复位c c 2 4 2 0 至出厂默认状态。 用于判断接收缓冲区限x f i f o ) 是否存在未读取数据。 高电平：表示接收缓冲区假x f i f o ) 中至少有一个字节未被读 f i f o 输出 取。 低电平：表示接收缓冲区( i f i f o ) 没有未被读取的数据。 用于指示接收缓冲区限x f i f o ) 中未读取数据是否超过设定值。 高电平：表示接收缓冲区低x f i f o ) 中未被读取的数据超过设定 的阈值( 默认为1 2 8 字节) ，或者，表示一个完整数据包被收，即 f i f o p 输出 使数据包长度没有达到阈值。 注：当f i f o p 为高电平时，可触发外部中断进行接收处理，接 收缓冲区( 砌( f i f o ) 中数据被读出后，f i f o p 变为低电平。 s f d 输出用于判断是否完成数据接收或传送完整的数据包。 浙江工业大学硕士学位论文 接收过程：检查到有效的起始帧分隔符后s f d 变为高电平； 发送过程：发送帧起始分隔符后s f d 变为高电平，整个数据包 传送完立即变为低电平。 用于空闲信道评估( c c a ) c c a 输出高电平：信道内没有数据，信道空闲； 低电平：信道内有数据，信道非空闲。 c c 2 4 2 0 以图3 1 1 所示方式与a 1 1 m e g a l 2 8 l 进行连接，并通过s p i 串行总线接收微处 理器数据以及对寄存器进行访问控制实现无线通信过程。与此同时，c c 2 4 2 0 通过无线通 信接口s f d ，f i f 0 ，f i f o p ，c c a 等向御 m e g a l 2 8 l 指示通信状态，辅助微处理器完成无 线通信过程，各接口功能及状态如表3 1 0 所示。 图3 1 3 无线通信过程及状态转换 c c 2 4 2 0 无线通信有3 个主要的过程，即c c 2 4 2 0 初始化过程，无线发送过程以及无线 接收过程，如图3 1 3 所示。 3 3 2 1c c 2 4 2 0 功能初始化 c c 2 4 2 0 初始化过程中，首先设置v i 也g n 为高电平使能稳压器，其后，设置i 也s e t n 引脚为低电平复位c c 2 4 2 0 使其进入掉电状态。当c c 2 4 2 0 稳定于掉电模式后，通过 s x o s c o n 选通命令使能晶体振动器，并确保稳定于空闲模式。然后，a 1 m e g e l 2 8 l 通过 状态寄存器的存取和选通命令，完成c c 2 4 2 0 功能设置以及启动数据接收过程，初始化过 一3 0 浙江工业大学硕士学位论文 程如下所示。 c c 2 4 2 删i o j n i to v 砌粥e n 引脚输出并保持低电平使能稳压器 r e s e t i l 引脚输出低电平以复位c c 2 4 2 0 ，完成后设置为高电平避免循环复位 执行c l i 禁止全局中断，以执行配置寄存器存取 执行s x o s c o n 选通命令，并查询状态字等待晶振稳定 c s n 输出低电平，使能s p i 通信 设置m d m c n 也0 a d rd e c o d e - l ，使能硬件地址译码，启用地址识别功能 i f 传感节点为协调器节点( c 0 0 r d i n a t o r ) 设置m d m c n u 0 p a nc o o r d l n a l o i 净l ，以标识节点为协调器节点 e l s e 设置m d m c 也o p a nc o o l m i n a t o r = 0 ，以标识该节点为非协调器节点 设置m d m c t r i d p r e a m b l el e n g t h ，指定m e e 8 0 2 1 5 4 兼容帧引导序列字节数 设置m d m c t r l o c c am o d e ，指定空闲信道评估方式 设置m d m c t r l o a u l oc i 配，启用收发数据c r c 校验功能 设置m d m c t r l 0 a u t oa c k ，启用自动应答功能，对经地址识别的有效帧作出应答 禁用s p i 通信 设置m d m c n 也1 c o r rt h r = 2 0 ( 始终为2 0 ) ，设定先于帧开始描述符( s f d ) 收索前所需 解调器相关阈值 设置i o c f g o f l f o pt h r = 1 2 7 ，设置砌( f i f o 缓存区字节数阈值，操作该阈值f i f o p 电 压变高触发外部中断 设置i e e e a d r ，指定无线传感节点的长地址，用于节点标识 设置f s c t r l f r e q 无线通信信道选择 清除f i f o 寄存器鼢( f l f o 似f i f o ，使能接收模式，等待中断以接受数据 发送s l o n ，启动无线接收机，等待无线数据接收 s e t i 使能所有中断，节点处于空闲状态，等待数据发送命令与接收数据中断 3 3 2 2c c 2 4 2 0 数据发送实现 c c 2 4 2 0 初始化完成后，无线通信模块处于空闲等待状态。当a 1 h e g a l 2 8 微处理器需 要c c 2 4 2 0 发送数据时，首先将需要发送的数据写入d 口i f o 寄存器，然后通过寄存器访 问操作发送选通命令s t x o n 。在无线传输过程中，数据格式如表3 1 l 所示，其中灰色部 分为实际设置的传输数据，其他数据由c c 2 4 2 0 自动填入。完成帧开始定界符( s f d ) 发送后， 引脚s f d 变为高电平并一直保持高电平直至数据全部发送成功，因此，发送过程通过对 s f d 引脚的轮询来确认数据发送是否完成。具体过程如下： v o i dc c 2 4 2 0 j x ( c h 甜b u 疵r 口) 通过s p i 总线将b u 妇f e r 缓冲区中数据写入t x f i f o 寄存器 检查c c a 接口，等待信道空闲，如果信道忙则一直等待 执行选通命令s t x o n ，启动无线发送机 检查s f d 接口，如果s f d 电平有低变高，然后变低，表明发送完成 一3 1 浙江工业大学硕士学位论文 表3 1 1i e e e8 0 2 1 5 4 帧格式 3 3 2 3c c 2 4 2 0 无线接收实现 无线通信初始化过程中，通过选通命令s r x o n 启动无线接收机。此后，当c c 2 4 2 0 接收到数据包并且地址识别成功后，数据进入r ) ( f i f o 接收缓冲区并通过f i f o 及f i f o p 引脚通知a t m e g a l 2 8 做适当的数据处理。f i f o 和f i f o p 引脚被用于检测缓冲器砌口i f o 状态。一旦检测到i i f o 接收缓冲区中有未被读取数据，f i f o 就变为高电平，并且一直 维持高电平直至i b t i f o 清空。此外，当i 下i f o 接收缓冲区中的未读取字节数目超过设 定的阈值，或者c c 2 4 2 0 的一个完整数据包接收成功后，f i f o p 引脚即变高电平。因此， 筒e g a l 2 8 l 微处理器可以通过响应f i f o p 外部中断来启动数据接收过程，并在s p i 从 i 溉i f o 缓冲区接收数据过程中，查询f i f o 或s f d 引脚来确定是否完成数据包的接收， 具体过程如下： v o i dc c 2 4 2 0 _ i ( c h a rb u 仃e r 口) 空闲等待f i f o p 中断 验证帧长度，源地址，目的地址检查数据有效性 查询s f d 或f i f o 引脚电平，判断是否继续接受数据 通过s p i 接收i f i f o 缓冲区数据 3 4 无线节点网络标识实现 3 4 1 无线网络节点标识定义 无线传感器网络利用大量的无线节点实施复杂的应用，其中，无线传感节点唯一性标 识是对特定事件进行识别、定位与查询的前提和基础。因此，实现无线传感节点的唯一性 标识具有重