（计算机应用技术专业论文）基于zlgbee的无线传感器网络的研究与设计.pdf

i 摘 要摘 要 无线传感器网络在工业设备监控方面有着重要的现实意义。多年来，工业 监控者都在努力寻找更方便、更有效的设备监控方法。无限传感器网络，不仅 能降低长距离通信使得信号衰减的问题，更能打破工业现场设备铺设维护的局 限性， 用尽量简洁的 zlgbee 协议栈支持传感器网络的有效运行， 能在能量有限、 尽量降低成本的前提下实时准确地提供当前设备信息。 本课题设计了一种基于 zlgbee 技术的无限传感器网络系统， 利用 dsss 直 接序列扩频技术避免了同频干扰；采用 csma-ca 机制以及帧校验机制来保证 数据传送的鲁棒性；在网络传输方面运用 aodv 路由算法，加强了在节能和网 络性能上的优势；为了保证通信信道的安全，采用访问控制列表(acl)模式。 所设计的无限传感器网络不仅能很好的满足当前工业监测的需求，并且为今后 类似的项目以及其他方面的无线数据采集，提供了一个很好的开发平台和设计 思想。 本文首先分析了无线传感器网络的实际需求，在此基础上结合当前无线通 信技术的最新发展现状，提出了一种综合使用 pic18f 单片机和 zigbee 无线通 信技术的多层次监控方案。然后根据所提出的方案，对该项目进行了整体结构 设计以及各个功能模块的划分和设计。接着对各部分硬件模块进行了结构的设 计，搭建了低成本低功耗的硬件平台。然后，对具体的网络节点模块进行了相 应的应用软件以及通信协议的设计。并将该网络应用于轨道交通自动售检票 （afc）系统，同时进行了组网的测试。最后对 zlgbee 技术的应用开发进行总 结，对不足之处提出进一步的改进建议。 关键词：关键词：无限传感器网络；zlgbee；自动售检票系统 论文类型：论文类型：应用研究 ii abstract wireless sensor network has an important practical significance in industrial monitoring equipment system. over the years, industrial monitors efforts to find a more convenient and more effective methods of monitoring equipment, wireless sensor network can not only reduce the problem of signal attenuation which is made of the long-distance communication, but also can break the limitations of the equipment maintain in industrial field. as far as possible to use the simpal zigbee protocol stack to support the effective operation of sensor networks, providing accurate real-time information on current equipment under the premise of limited in energy, reduce costs as much as possible. the subject of a design technique based on the zlgbee wireless sensor network system, use of the dsss direct sequence spread spectrum technology to avoid interference with the frequency; csma-ca mechanism used and the frame check mechanism to ensure robustness of data transmission; transmission in the network using aodv routing algorithm, enhanced network performance in energy efficiency and advantages; in order to ensure the safety of communication channel, by using access control list (acl) model. the wireless sensor network can be good not only to meet current demand for industrial monitoring, and for future similar projects, as well as other aspects of the wireless data collection, provides an excellent development platform and the design idea. in this paper, i have analysis the actual demand of a wireless sensor network, and combined with the latest developments with the current wireless communications developments, a use of a pic18f mcu and zigbee wireless communication technology is integrated with a multi-level monitoring program. then in accordance with the proposal put forward by the project was carried out, as well as the overall structure of the design division of the various functional modules and design. for each of the hardware module to carry out the structural design, a low-cost low-power hardware platform has been built. the network is also used in rail transit afc (afc) system, at the same time, a test network. finally, the application of zlgbee technology development concluded that the inadequacies of further suggestions for improvement. key words: wrieless sensor network, zlgbee, automatic fare collection (afc) system, paper type: applied research 48 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对 本研究的启发和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表示了谢意。 作者签名： 日期： 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其它手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名： 导师签名： 日期： 上海师范大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题的提出和研究背景 无线传感器网络作为一种改革方案，用以解决目前工业设备监控领域中现 有控制技术的各类应用缺点，已逐渐成为各行业关注和研究的重点。无线传感 器网络的应用特点是：尽可能低的系统能耗，简易的信息处理以及信号收发1， 并用尽量简洁的 zigbee 协议栈支持网络的有效运行。zigbee 协议是专用于无 线传感器网络的通信协议，高容错性，强鲁棒性，以及网络中可随时接入大量 的节点，逐渐使 zigbee 成为了无线传感器网络首选的网络协议2。 由于 zigbee 技术具有低数据率和通信范围较小的特点，决定了 zigbee 技 术适合于数据流量较小的业务。本文在充分利用新兴的无线传感器网络技术的 基础上，设计组建了基于 zigbee 技术的无线传感器网络平台，并将该无线网络 应用于上海轨道交通自动售检票（afc）系统进行实践，前提是由于轨道交通 车站区域范围与 zigbee 技术的通信距离相匹配，并且 afc 系统自身的低数据 率又很好的符合了 zigbee 技术的特点。 通过这例实际应用以更好的完善 zigbee 无线传感器网络平台的设计， 同时将 zigbee 技术应用于轨道交通的自动售检票 系统是在 zigbee 应用领域内的一次创新，也很好的拓宽了 zigbee 技术在智能 交通方面的应用市场。 1.2 国内外的研究现状 根据研究侧重点的不同，无线传感器网络从 20 世纪 80 年代开始到现在的 发展历程划分为三个阶段3。 1978 年提出了对传感器网络的通信与计算之间的权衡展开研究, 该类研究 主要是针对于军事防御系统的需要4。这些军事需求引起了业界内的高度重视， 于是从 20 世纪 90 年代开始了一系列的项目研究。 在发展的第一阶段，许多类型的传感器节点和网络研究平台相继出现，其 中，性能较为出色、应用最为广泛的是 motes 硬件平台及其配套的 tinyos 操 作系统5。这阶段主要致力于小型化、低功耗、低成本的传感器节点的开发和 研制，出现了众多的传感器节点。而在第二阶段发展为对通信网络的特性进行 深入的研究与探讨，同时对通信协议进行了设计与开发，特别是数据链路层的 第一章 绪论 上海师范大学硕士学位论文 2 mac 协议和网络层的路由协议6。 1998 年为了开发网络化微传感器所需的软件，于是开始了 sensit (sensor information technology)项目，该项目主要致力于研究大规模、分布式的无线专 用网络7。同时作为传感器网络领域最为著名的 smart dust 项目也相继开始于 1999 年，该项目最大的研究贡献，就是研制出了可悬浮在空中的传感器节点： “智能尘埃”(smart dust)8，用于在不被察觉的情况下，监控被测对象的活动情 况，把重要的情报发送给监控中心。 在第二阶段，发达国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究 工作9。国际上开始相继出现有关无线传感器网络研究结果的报道。 在无线传感器网络发展的第三阶段，着重于对网络的群体智能行为和实际 应用的研究10。但目前，这方面的研究相对较少，大量的问题还没有涉及到。 所以，未来的研究工作任重而道远。 1.3 主要研究内容和目标 我们研究组于 2006 年初就开始了基于 zigbee 无线传感器网络的研究。本 课题研究目标就是设计一种基于 zigbee 技术的无线传感器网络系统， 所设计组 建的无线传感器网络不仅能很好满足工业设备监测中对于低功耗、可靠数据传 输等需求，并且为今后类似的项目提供了一个很好的开发平台和设计思想。 处理器采用了 pic18lf4620 系列处理器。 考虑到与 ieee802.15.4 协议的兼 容性以及外围电路的简便可靠性角度，射频芯片采用了 chipcon 公司生产的 cc2420 芯片11。 在应用部分， 本文将设计组建的无线 zigbee 传感器网络平台实践应用于上 海轨道交通七号线的自动售检票 afc 系统中，通过应用于自动售检票系统，以 更好的完善整个 zigbee 无线传感器网络平台的设计， 以及在无线信号的抗干扰 性，进行了应用级的探讨。 本课题的主要创新点主要有： 1.设计并组建了可应用于工业设备检测系统的基于 zigbee 协议的无线数据 传输平台。利用 dsss 直接序列扩频技术避免了工业场合中的同频干扰。 2. 采用 csma-ca 机制以及帧校验机制来保证数据传送的鲁棒性。在网络 传输方面运用 aodv 路由算法，加强了在节能和网络性能上的优势。 上海师范大学硕士学位论文 第一章 绪论 3 3. 为了保证通信信道的安全，采用访问控制列表(acl)模式。所设计的无 线传感器网络能很好的满足当前工业监测的需求。 4.将基于 zigbee 的无线传感器网络实践应用于轨道交通自动售检票 afc 系统，开拓了无线传感器网络在智能交通方面的应用领域，为今后类似的项目 提供了具有意义的开发平台和设计思想。 课题的研究难点主要有以下几方面： 1.处理器与射频芯片的接口电路以及应用中所需的外围电路。 2.通信协议模式的研究，以及路由算法的选择，以及对于同频段信号干扰 的探讨。 3.无线传感器网络的建立，实现网络数据以及指令的传输。 4.将基于 zigbee 的无线传感器网络实践应用于轨道交通自动售检票 afc 系统，实现 afc 网络的建立，以及主控制中心对车站节点设备的命令发送和数 据采集。 1.4 论文的安排 第 1 章 绪论，讨论了课题背景以及国内外研究现状，概述本课题的设计目 标，主要工作及课题的创新点。 第 2 章 无线传感器网络理论基础，探讨了无线传感器网络的结构、技术 特点及其应用领域，并进行了同类的技术比较。此外还对 zigbee 协议中抗干扰 机制进行了探讨。 第 3 章 无线传感器网络平台的硬件设计，设计了节点硬件平台中，处理 器与射频芯片的接口电路以及应用中所需的外围电路。 第 4 章 软件设计，对协议栈进行开发，通过扩频数据传输以及 acl 安全 模式，保证了网络中数据传输的可靠性。并对系统的路由算法进行了阐述和分 析，尽可能在路由方面降低系统的能耗。 第 5 章 无线传感器网络的应用，将基于 zigbee 的无线传感器网络应用于 轨道交通自动售检票 afc 系统，结构分析了 afc 系统，进行了组网测试，并 对系统节点的能耗进行了测试。 第 6 章 总结与展望， 总结了论文所做的工作及取得的成果，并提出进一 步工作建议。 第二章 无线传感器网络理论基础 上海师范大学硕士学位论文 4 第二章第二章 无线传感器网络理论基础无线传感器网络理论基础 与传统网络相比，基于 zigbee 的无线传感器网络作为一种特殊的 ad-hoc 网络，主要特点就是：网络以数据为中心，具有自组织的网络结构，网络中节 点数量巨大且能够部署很广泛的区域中，并且网络拓扑结构可动态的变化。 zigbee 的网络节点在计算存储、能量以及通信等能力都有限的前提下，具有成 本低、体积小和低功耗的特点12。 2.1 无线传感器网络概述 2.1.1 网络结构 无线传感器网络由大量的节点、射频收发器件、互联网以及用户等几部分 组成13，如图 2-1 所示。在监测区域内部或附近随机部署着大量的传感器节点， 所监测的数据经过多跳路由到达汇聚节点，节点通过自组织的方式构成网络， 最后通过互联网到达监控管理节点。同时通过监控管理节点，用户可以对整个 无线传感器网络进行节点状态监控、节点参数的配置以及发布网络监测任务以 及收集监测数据等任务。 图 2-1 无线传感器网络体系结构 fig.2-1 wireless sensor network architecture 传感器节点相当于一个微型的嵌入式系统。但是为了降低系统的成本以及 功耗，通过携带有限能量的电池供电，同时也为了尽可能减小传感器节点的体 积，它的处理、计算、存储和通信能力都相对嵌入式系统而言较弱。每个传感 器节点不仅需要兼顾传统终端节点和路由器的双重功能，同时还必须作为网络 的多条路由节点，与其他节点协作完成数据传送转发等任务。 上海师范大学硕士学位论文 第二章 无线传感器网络理论基础 5 2.1.2 无线传感器节点结构 一个典型的无线传感器网络的节点可以分为处理器模块、射频通信模块、 传感器模块以及能量供应模块，如图 2-2 所示。处理器模块则是整个节点的核 心模块，控制着整个网络节点，对于采集来的数据进行存储和处理，或对其他 节点进过多条转发来的信息，进行进一步的转发；射频通信模块的功能主要是 实现节点间的信息交换；传感器模块在系统中主要起到对设备信息的进行采集 以及数据转换等作用；能量供应模块通常采用微型电池，为节点提供运行所需 的所有能量。 定位系统移动系统 传感器a/d 处理器 存储器 通信单元 电源电源补偿系统 图 2-2 无线传感器网络节点结构图 fig.2-2 wireless sensor network node structure 2.1.3 网络协议的层次结构 无线传感器网络的协议框架包括五个层次，如图 2-3 所示。 应用、安全、多媒体 可靠、确认、无序分组 流量控制、吞吐量 连接/无连接、路由、可达性 介质访问、功率管理、帧格式 信道编码、无线传输、调制解调 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 图 2-3 无线传感器网络的层次结构 fig.2-3 hierarchy of wireless sensor network 第二章 无线传感器网络理论基础 上海师范大学硕士学位论文 6 物理层：负责信息的调制、发送以及接收。通过对该层的设计，能降低硬 件系统复杂度以及节点功耗。 数据链路层：负责帧的建立与检测，差错校验，以及控制使用无线信道， 减少相邻节点间的广播引起的冲突。主要协议是 mac 协议。 网络层：该层的主要工作就是路由的生成和选择。 传输层：负责控制数据流的传输，保障通信质量。 应用层：规范节点应用任务，提供友好的管理界面给网络用户。 2.2 无线传感器网络特点 2.2.1 网络特点 (1)大量的节点、高密度的分布，能够信息具有较大的信噪比，从而保证了 精确性，同时使系统存在冗余节点，减少系统的监测盲区，也加强系统的容错 性。 (2)自组织的网络结构。节点自动的进行配置和管理，形成多跳无线网络系 统，使网络具有一定的健壮性。 (3)动态的网络拓扑。对于节点的加入和退出，或者节点失效以及检测点位 置的移动等所造成的网络拓扑的变化，动态的网络可以使系统重构。 (4)以数据为中心。用户发布的任务信息直接被告知给整个网络，网络获得 信息后，会动态的经由多跳路由反馈给用户。 无线传感器网络的应用前景十分广泛，从早期的应用于军事国防、工农业 控制等，已经发展到用于环境监测和预报、危险区域远程控制等领域，同时在 智能家居、生物医疗、城市交通等方面的应用研究也在积极的开展进行中。 2.2.2 工业监控应用存在的问题 目前应用于工业监控领域的，主要有现场总线技术及工业以太网等。现场 总线技术又能分为 hart 总线、can 总线等等，这些总线技术在实际的应用中 存在着很多问题： (1) 由于总线技术的传输原理本质，导致了总线技术普遍存在传输速率较 低的缺点，并且这个缺点难以实现改善。 (2)总线标准较多，不同总线的产品由于通信协议的多样性，彼此间不能直 上海师范大学硕士学位论文 第二章 无线传感器网络理论基础 7 接互连、互用和互操作，由于无法真正实现系统的开放性，导致基于总线技术 的产品升级空间受到限制。 (3)基于现场总线的检测系统难以实现信息集成以及系统集成。 另外传统的有线控制方式，普遍存在线缆铺设不便、长距离通信使得信号 衰减严重等问题， 网络结构的局限性较为突出。 因此， 将一类新型的基于 zigbee 的无线传感器网络应用于工业设备监控中，就能克服上述的这些缺点，是值得 深入探讨和研究的应用方案。 无线传感器网络在应用开发过程中应注意以下几方面的问题： (1)节点能量的消耗 研究相关文献得出：在 100m 距离范围内，传输 1 比特信息需要的能量， 大约相当于执行 3000 条指令消耗的能量14。 同时为了使设计的无线传感器网络 节点体积微小，所以节点的能量供应只能通过携带能量有限的电池。因此低功 耗的网络节点是整个无线传感器网络应用设计的关键所在。 (2)节点计算存储能力的有限性 通信距离和数据传输带宽这两个方面，体现了通信能力的有限性。为了保 证通信距离，应尽量减少通信区域内的障碍物以及其他无线射频信号的干扰， 同时为了降低能耗，尽量保证两个节点的直接通信距离 d100m14。 (3)节点软硬件的可靠性 实际应用中都要求网络节点具有一定的鲁棒性和容错性，同时通信保密性 和安全性也十分重要，防止监测数据被盗取或者伪造监测信息15。 2.3 zigbee 协议 2.3.1 zigbee 概述 zigbee 是一种短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线通 信技术标准，涉及组网、安全和应用软件等诸多方面，zigbee 技术的基础就是 ieee 802.15.4 技术标准，该标准仅仅定义了物理层及媒体访问层，zigbee 联盟 在此基础上开发了网络层、安全层、应用层以及各种应用设备的规约，并且对 其网络层协议和应用编程接口(api)进行了标准化16。 zigbee 协议的结构和分工17如下图 2-4 所示： 第二章 无线传感器网络理论基础 上海师范大学硕士学位论文 8 应用层 应用层接口 安全层 128bit加密 网络层 星形/网状/簇树形 数据链路层 用户定义 zigbee联盟 ieee 802.15.4 mac层（上） mac层（下） 物理层 868m/915m/2.4ghz 图 2-4 zigbee 协议的结构和分工 fig2-4 zigbee protocol structure and division of labor zigbee 协议比 ieee802.15.4 针对每一层制定了更多的规范， 实现更多的功 能结构： (1)物理层：提供三种工作频段 2.4ghz，915mhz 和 868mhz，各个频段的 传输速率都不尽相同，传输距离在 100m 之内。采用直接序列扩频技术，提高 系统的容错性。 (2)媒体访问层：沿用 csma-ca 方式，提高系统的兼容性。 (3)网络层：定义了 3 种组网方式：主从结构的星型网、网状网、簇树形网； 以及 4 种网络设备角色：网络协调器、路由器、网关、终端装置18。 (4)应用层：分为应用支持层、zigbee 设备对象和应用对象。 (5)安全层：采用 128 位 aes 算法，用于保证信息帧的真实性、抑制性以及 机密性。 2.3.2 基于 zigbee 的网络体系结构 zigbee 网络中定义了二类设备类型：精简功能设备(rfd)和全功能设备 (ffd)。精简功能设备(rfd)：为了降低成本和复杂性，省掉了内存和其他电路， 只能传送信息给 ffd 或从 ffd 接收信息。全功能设备(ffd)：可作为控制器， 提供双向传输信息，拥有较强的存储计算能力，可以与任何一种设备进行通信。 精简功能设备只在网络中用作终端设备，全功能设备在网络中可以作为主 协调器、路由、网关或者终端设备。 上海师范大学硕士学位论文 第二章 无线传感器网络理论基础 9 zigbee 还定义了三种网络拓扑结构：星形结构、网状结构、簇树结构，如 图 2-5 所示。 图 2-5 zigbee 网络拓扑结构 fig.2-5 zigbee network topology zigbee 网络具有三种数据传输模式：第一种是主动模式：从节点向主节点 发送数据，第二种被动模式：主协调节点发送数据，从节点接收，第三种是平 行模式：两个从节点之间传送数据。星型网络只允许主动和被动传输模式，而 其他的拓扑结构具有三种传输模式。 2.3.3 zigbee 协议的开发 在课题的实际应用中，对基于 zigbee 协议进行了具有针对性的开发。因为 在实际的工业应用场合中，存在着各种可能会影响系统正常运作的因素：包括 同频段信号的干扰、信道抢占；路由算法增加了网络节点的能耗；以及在开放 环境中，无线传输信号被人为恶意的盗取、篡改等。所以针对实际中可能发生 的情况，在系统研发设计时采取一些相应的方法，对系统进行优化，是非常有 必要且具有实际应用价值的。 本课题设计采用了 dsss 直接序列扩频技术19， 就是将有用窄带信号与 pn 码，进行模二相加得到占用较宽频带的扩频信号从而扩展频谱的一种技术，采 用该技术是为了避免同频段间的干扰。信号隐蔽性好，截获概率低，抗干扰能 力强，抑制干扰的能力与 b/ri(处理增益)成正比是该技术的特点。zigbee 信号 调制过程16如图 2-6 所示： 比特到符号 的转换 符号到码片 序列的转换 qpsk 调制 ppdu调制信号 图 2-6 扩展调制功能 fig 2-6 expansion of modulation function 符号到 pn 码的映射所示： 第二章 无线传感器网络理论基础 上海师范大学硕士学位论文 10 表 2-1 符号-码片的映射 table 2-1 the mapping between symbols and chip 十进制符号十进制符号 二进制符号二进制符号 序列值序列值 0 0000 11011001110000110101001000101110 1 0001 11101101100111000011010100100010 15 1111 11001001011000000111011110111000 低速率无线局域网采用 csma-ca 机制20，来保证数据传送的鲁棒性。冲 突避免的载波多路侦听访问技术，通过随机退避降低了发生冲突的可能性，提 高了信道传输数据的成功率。 帧确认机制是一种可选机制，设备在发送数据帧后，如果在一定的时间内 没有收到确认帧，就认为传输失败，需要重新选择时机发送该帧。对于不要求 确认的数据帧，发送以后就认为发送成功，并将该数据帧从本地缓冲队列中删 除。 在低速率无线局域网络中有两种机制解决传输误码问题。使用短帧格式(小 于 128 字节)， 或为了验证收到的数据是否出错， 而利用 mac 帧中的校验机制。 mac 帧的校验码长 16 位，使用 itu 标准的 16 位 crc 校验生成算法产生。 zigbee 采用按需路由算法 aodv21，一种基于距离矢量的按需路由算法， 在节能和网络性能上都有着很大的优势。 在该路由算法中节点仅记住下一跳，而非像源节点路由那样记住整个路由。 节点能动态地、自启动地建立逐跳路由，所以网路中的节点只有需要建立路由 通信时才会工作，其余时间可以处于休眠状态，这样的路由算法很好的符合了 工业设备监控系统对于节电设备的低功耗的需求。 采用访问控制列表(acl)模式：通过设置 acl 条目过滤接收到的帧。该种 模式下不提供加密保护，所以上层必须要采取其他机制来保证通信的安全。 2.4 zigbee 抗干扰探讨 2.4ghz 频段的优势体现在三方面：首先，通用频段开发的产品具有很高的 普遍性；其次，频率宽度胜于其他 ism 频段，提高了传输速率，允许系统共存； 第三，就是产品体积也更小。在实际的应用中，存在着许多短距离无线技术， 工作于 2.4ghz 这个频段内，所以为了能够使设备正常运行，对信号抗干扰、 上海师范大学硕士学位论文 第二章 无线传感器网络理论基础 11 共存性进行探讨显然是非常有必要的。 同处于该频段的无线技术标准还有蓝牙， 无线 usb 和无线局域网 wi-fi 等， 使得该频段日益拥挤33，如图 2-7 所示。 无绳 电话 蓝牙 802.11b 无线usb zigbee 10mhz1mhz22mhz1mhz3mhz 图 2-7 工作于 2.4ghz ism 频段无线系统的信号比较 fig2-7 the comparation of wireless systems signals worked on 2.4ghz 2.4.1 2.4ghz 频段干扰源 从系统仿真结果图 2-8 可以看出 ieee 802.15.4 和不同速率的 ieee 802.llb 的比较，以及误码率(ber)和信噪比(snr)的关系36。 图 2-8 几种无线技术的误码率仿真结果(ber) fig2-8 the snr simulation results of several wireless technolegy 工作于 2.4ghz 频段35的主要技术标准有以下几种： wi-fi 即无线局域网， 采用 wi-fi 的主要因素是因为其具有较大的数据吞吐 量，但传输速率较低，在 100 米的距离范围内，传输率为 11mb/s。一般用于本 地局域网与计算机相连或与互联网相连。 蓝牙采用了跳频扩频方式37，专用于无线个人区域网，支持数据以及语音 第二章 无线传感器网络理论基础 上海师范大学硕士学位论文 12 传输。通常用于动态互操作网络、多路接入点以及流媒体的频繁交换等场合。 拥有 79 个信道，通信范围是 10 到 100 米38。 无线 usb 技术的特点是：传输速率与距离成反比，而且无线 usb 并非作 为联网解决方案，支持即插即用，无需驱动程序和认证过程。 2.4ghz 频段技术标准的比较如表 2-2 所示。 表 2-2 无线技术标准（2.4ghz 频段）的比较 table2-2 the comparation of several wireless technolegy 技术标准技术标准 zigbee wi-fi bluetooth wirelessusb 对应 ieee 标准 802.15.4 802.11b 802.15.1 - 传输速率（bps） 250k(2.4ghz 频段) 11m 12m 480m(usb2.0) 传输范围（m） 1075 100 10 10 扩频方式 dsss dsss fhss dsss 功耗 很低 高 低 很低 适用领域 低数据速率静态网 络、高密度节点、稀 少的控制数据传输 数据传输 动态互操作网络、 多路接入点、流媒 体的频繁交换 pc 外设、 多点对 点、高速数据传 输 2.4.2 zigbee 抗干扰机制 为了保证 zigbee 2.4ghz 频段和其他无线技术标准的共存能力，协议提供 了多种机制34。 (1) 空闲信道评估(cca)由物理层的碰撞避免机制(csma-ca)提供， 允许传 输退出通信协议，如果该信道被其他设备占用的话。 (2) 动态信道选择，在建网之前，主节点需要扫描所有的信道，寻找一个 相对安静的通道，建立网络，这样就减少了同频段信号干扰的数量。 (3) 信道算法，加强网络的共存性能，zigbee 设备会将事先扫描信道能量 值存入表参数中，在建网之前或者通信中断时，便于进行动态信道选择。 (4) 低占空比，设备在低占空比下工作，远远低于其他同频段的信号，采 取该措施是为了不使信号自身成为其他信号的干扰源。 (5)低功耗传输，与工作在低占空比下一样，也是尽可能的降低传输功耗， 减少对其他射频信号的干扰。 上海师范大学硕士学位论文 第三章 无线传感器网络平台的硬件设计 13 第三章第三章 无线传感器网络平台的硬件设计无线传感器网络平台的硬件设计 以数据为中心并面向应用的无线传感器网络，其硬件平台需要适应不用的 应用系统，必须具有普遍通用性，对于一个节点较少的设备监测系统，用一个 星型网络就能完成。而基于 zigbee 的无线传感器网络可以组建多达 255 个节点 的星型网络，完全可以满足此类设备的监测。基于对实际应用环境详细研究分 析的情况下， 本文在后续章节中将基于 zigbee 的无线传感器网络技术应用实践 于轨道交通的自动售检票（afc）系统中，是一种具有典型意义的工业设备监 控网络。 3.1 zigbee 网络总体设计方案 zigbee 协议栈的运行仅需要一个 8 位的微处理器；对于全功能设备节点 ffd，即使需要携带完全协议栈，但 32k rom 也已足够；而对于精简设备节点 rfd 而言，仅仅需要携带简单功能的节点协议栈，rom 就只用 6k；但在设计 时需要主义的是：协调器同时用于保存节点器件数据库、传输路由表等，所以 还需要有足够的 ram。 zigbee 节点的构成如图 3-1 所示，主控制器通过 spi 总线与射频收发器相 连。控制器应能够实现 ieee802.15.4 物理层和 zigbee 的协议层。 仿真器 天 线 射频 模块 编程接口 spi接口 a/d 转换 接口 i/o口 传感器 电平 转换 pc 主机 能量提供 图 3-1 典型 zigbee 节点硬件平台的总体设计框图 fig3-1 design diagram of typical zigbee node hardware platform 为了开发具有低成本低功耗等技术特点的 zigbee 网络节点，我们采用了以 pic18lf4620 做为核心控制模块，以 cc2420 为无线收发模块的设计方法。 采用pic18lf4620为控制器的原因是pic18lf4620在低功耗省电方面表现 出色，并且在恶劣条件下工作性能稳定。 采用 cc2420 为射频芯片的原因，最主要的是 cc2420 支持 ieee802.15.4 协议，而且正常工作时只需较少的外围功能电路，与主控制器接口简洁，操作 第三章 无线传感器网络平台的硬件设计 上海师范大学硕士学位论文 14 与控制方面性能非常出色。 3.2 主控模块的设计 3.2.1 pic18f 系列单片机 microchip technology 开发了具有 16 位的精简指令集、采用流水线取指令 方式以及哈佛总线结构的 pic18f 系列单片机， 具有指令集小、 高速度、 低功耗、 低价、实用、体积小、简单易学、抗干扰能力强等特点。本课题的硬件平台中 采用了 pic18lf4620，其具体技术特点有如下几个方面22-24： (1) 3986 字节 sram 存贮器、1024 字节 e2prom 存贮器以及 64k 字节 flash 程序存贮器 (2)休眠模式电流仅为 100na (3)时钟频率最高可达到 40mhz (4)拥有 3 个编程外部中断 (5) 2 个 pwm 模块 (6)支持 3 线 spi 和 i2c 主从模式 (7) 10 位 13 通道 ad 转换器 (8)带有 flash 用以保存对节点的配置信息 (9)支持在线编译和在线调试 3.2.2 主控模块的外围电路 主控模块负责通过 spi 接口与射频模块通讯， 并设置射频芯片的工作模式， 并实现读/写操作的缓存数据， 状态寄存器等功能。 同时主控模块通过串口与 pc 机相连，可以实现 pc 机对模块进行配置等工作，如图 3-2 所示。 上海师范大学硕士学位论文 第三章 无线传感器网络平台的硬件设计 15 图 3-2 串口电路 fig3-2 serial circuit 3.3v 系统是本课题的主要设计目标，为了实现 3.3v 的电压，需要使用芯 片进行电平转换。 接线图如图 3-3 所示。 串口电路实现了 pc 机和主控器之间的 电平转换。在主控模块使用之前，需要通过 pc 机进行配置，通过 rs-232 串口 与 pc 的 com 接口相连接。 3.3 射频模块结构设计 3.3.1 射频芯片的选型 射频芯片的种类和数量繁多，还分为若干个工作频段。目前适用于 zigbee 的 2.4ghz 的射频芯片是个大芯片公司研究的重点。 选用适合的无线收发芯片可 以缩短开发周期，减少开发难度，降低成本，将产品推向市场更为迅速便捷。 选择射频芯片应考虑以下几个因素： (1)正常工作所需的外围元件数量。有些芯片本身较为便宜，可是正常工作 所需的外网电路器件却非常昂贵，选用这样的芯片会增加整个系统的成本。 (2)发射功率。在成本预算范围内应选用发射功率高的产品，因为发射功率 高也就保证了有效可靠的数据传输。 (3)封装和管脚数。对于节点体积较小、成本较低的无线传感器网络节点的 射频芯片，应选用较少的管脚以及较小的封装，有利于开发和生产。 本课题设计使用的是 cc2420 射频芯片，该芯片内部器件完整，正常工作 所需的外围电路很少， 并且能工作在 2.4ghz 频段上。 与微处理器通过 spi 接口 第三章 无线传感器网络平台的硬件设计 上海师范大学硕士学位论文 16 连接，完成设置和收发数据的工作。设计产品的造价也很低，降低了硬件的成 本25。 3.3.2 cc2420 外围电路 cc2420 射频芯片的外围电路非常简单，为了节省能耗，cc2420 内部使用 1.8v 工作电压，是一个仅需电池供电的设备；而 i/o 接口使用 3.3 v 电压，所 以片上集成了一个直流稳压器，来保持和 3.3 v 逻辑的兼容性。节省了额外的 电压转换电路。图 3-3 给出了 cc2420 外围电路的原理图25。 图 3-3 cc2420 的应用电路图 fig3-3 application circuit diagrams of cc2420 3.3.3 cc2420 与处理器接口 采用 cc2420 作为射频芯片的另一个原因，是因为该芯片与处理器的连接 非常简单。收发数据的状态仅仅使用四个管脚就能表示；主控制器与 cc2420 发送命令、交换数据等工作通过 spi 接口就能完成。 下表 3-1 为本课题中射频芯片与主控制器间的具体接口。 表 3-1 cc2420 与 pic18lf4620 的接口 table3-1 cc2420 interface with pic18lf4620 上海师范大学硕士学位论文 第三章 无线传感器网络平台的硬件设计 17 pic 单片机单片机 i/o 引脚引脚rf 收发器引脚收发器引脚 rb0(输入) cc2420：fifo rb1(输入) cc2420：cca rb2(输入) cc2420：sfd rb3(输入) cc2420：fifop rc0(输出) cc2420：csn rc1(输出) cc2420：vreg_en rc2(输出) cc2420：reset rc3(输出) cc2420：sck rc4(输入) cc2420：so rc5(输出) cc2420：si cc2420 的状态寄存器如下图 3-4 所示，主控制器可以通过 spi 口得到 cc2420 的 8 位状态信息。 reservedxosc16mtx-underenc-busytx-activelockrssi-validreserved 76543210 图 3-4 cc2420 的状态寄存器 fig3-4 cc2420 state register 在本课题的实际应用中，其中最高位和最低位作为保留位不做设置； xosc16m 表示 16mhz 振荡器是否稳定，一般稳定情况下是低电平的，但在工 作 时 一 旦 振 荡 器 异 常 ， 会 将 该 位 置 1 并 向 处 理 器 发 出 中 断 请 求 ； tx-underflow 高电平表示发送 fifo 缓存没有溢出； enc-busy 和 tx-active 分别表示加密模块以及射频模块是否处于工作状态，在工作时，都是显示高电 平的； lock 置高电平用来保证 pll 同步； rssi-valid 置高电平用来保证 rssi 处于有效状态。 3.3.4 ram 区的读写 cc2420 内部的 ram 共有 368 字节， 用于保存密钥或者设备地址等信息的 112 字节存储区以及两块发送/接受缓存区分别都为 128 字节。 如下图 3-5 所示。 第三章 无线传感器网络平台的硬件设计 上海师范大学硕士学位论文 18 1a6a5a4a3a2a1a0b1b0r/wxxxxx b1,b0：块选择，00-发送fifo缓存区，01-接收fifo缓存区，10-信息存储 a6-a0：块内地址，选择块内的某一个字节进行访问 r/w：操作类型，0-写操作，1-读操作 x：保留 图 3-5 访问 ram 的地址格式 fig3-5 access ram address format 在本课题的实际应用中的一条 ram 地址为 8e80h，就是表示对块内第 0e 个字节进行信息存储的写操作。在运行时，地址最高字节设为 1 用来表示这是 一个 ram 访问，最低的五位作为保留位，一般情况都设为 0。 3.3.5 内部寄存器 在本课题中，射频芯片为了表示当前芯片的状态，在接收地址信息的同时， 会发送一个八位状态字。这个状态字中各位的含义如表 3-2 所示。 表 3-2 状态字各位的含义 table3-2 meaning of the state words 位位 名称名称 内容内容 0 保留位 1 rssi-valid rssi 的有效 2 lock pll 的同步 3 tx-active rf 的激活 4 enc-busy 加密模块的忙碌 5 tx-underflow 发送缓存的溢出指标 6 振荡器的稳定 7 保留位 在本课题的实际应用中，rssi-valid 置高电平用来保证 rssi 处于有效状 态；lock 置高电平用来保证 pll 同步；enc-busy 和 tx-active 分别表示 加 密 模 块 以 及 射 频 模 块 是 否 处 于 工 作 状 态 ， 工 作 时 显 示 高 电 平 ； tx-underflow 高电平表示发送 fifo 缓存没有溢出；xosc16m-stable 低电平表示振荡器工作稳定。 上海师范大学硕士学位论文 第四章 软件设计 19 第四章第四章 软件设计软件设计 4.1 基于 ieee802.15.4 协议栈的开发 4.1.1 ieee802.15.4 协议栈架构 如图 4-1 所示为 ieee802.15.4 的协议栈架构29： 802.15.4协议栈api 802.15.4协议层 应用队