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目录 摘要i a b s t r a c t 1 :i 第一章绪论1 1 1 论文的研究背景1 1 2 论文的研究意义l 1 3 国内外研究现状2 1 3 1 国外研究现状。2 1 3 2 国内研究现状。4 1 4 论文的主要内容6 第二章无线传感器网络及检测系统集成研究8 2 1 无线传感器网络概述。8 2 1 1z i g b e e 的技术标准8 2 1 2z i g b c e 的技术优势8 2 2z i g b e e 协议框架l0 2 2 1 物理层。1 1 2 2 2 应用层1 2 2 2 3 网络层1 3 2 2 4m a c 层l3 2 3 无线芯片c c 2 5 3 0 1 4 2 3 1c c 2 5 3 0 芯片概述1 4 2 3 2c c 2 5 3 0 内部的一些重要单元。1 4 2 4 检测系统集成研究1 6 2 4 1 检测系统设计要求17 2 4 2 高速公路路面结冰检测系统的研究1 7 2 4 3 检测系统的整体方案设计1 8 2 4 4 检测系统的无线组网设计2 0 第三章系统电路设计2 l 3 1 系统设计概述2 1 3 2 终端节点设计2 2 3 2 1 温度模块设计2 2 3 2 2 路面阻值模块设计。2 5 3 2 3 振动模块设计2 6 3 3 协调器节点设计2 7 3 3 1 外扩存储器模块设计。2 7 3 3 2l c d 显示模块2 8 3 3 3 通讯电路设计2 9 3 3 4 键盘控制电路设计3 2 3 3 5 时钟电路3 3 3 4 电源电路设计。3 4 3 4 1 稳压电路设计3 4 3 4 2 基准电压电路设计:3 5 3 4 3 电池电压检测电路。3 5 3 5 复位、晶振及c c 2 5 3 0 外围电路设计3 6 3 6 硬件抗干扰设计3 7 第四章无线传感网络及上位机设计。3 8 4 1 高速公路路面结冰系统网络的实际应用3 8 4 1 1 星型网络拓扑设计3 8 4 1 2 簇树状网络拓扑设计4 l 4 2 两模块间的通信4 6 4 2 1 终端节点数据的发送4 6 4 2 2 主节点数据的接收。4 6 4 2 3 两模块通信实验结果4 6 4 3 上位机设计4 8 4 3 i1 i ,b 串行通信原理4 8 4 3 2 、,b 上位机软件设计4 9 第五章数据采集、数据处理与实验结果5 2 5 1 数据采集5 2 5 2 数据处理5 3 5 3 实验结果5 5 第六章总结5 7 参考文献5 8 致谢6l 附录6 2 论文发表及专利。6 3 摘要 人们对道路交通气象信息的需求日益增长,而道路结冰是道路交通气象要 素中最为重要的要素之一,与人们的日常生活、生产密不可分。因此,道路结 冰的测量有着重要的意义。 本文在大量查阅了国内外结冰探测方法的基础上,设计了基于z i g , b e e 协议 的高速公路路面结冰检测系统。该系统利用温度、路面阻值、振动信息三个参 数来综合判断路面结冰状况。针对高速公路中采集的终端节点数目多,分布范 围广等特点,利用z i g b e e 无线传感器网络技术来进行数据的传输。本文首先阐 述了论文研究背景、意义和价值,接着对z i g , b e e 协议进行了研究并详细介绍了 检测系统的总体设计方案,然后对系统的终端节点与协调器节点部分进行了详 细的理论分析和设计。同时,本文根据高速公路的特点设计了符合实际情况的 无线传感器网络,实现了数据的收发与系统的监测。并在最后给出了数据采集 的方案、数据处理的方法与实验结果。本文利用c c 2 5 3 0 无线单片机作为现场 智能检测仪表的终端节点、路由器节点、协调器节点( 用于现场监控以及远程通 信) 。在基于c c 2 5 3 0 无线芯片的基础上,根据实际道路路面状况的区别,利用 z i g b e e 协议组成了多种网络,实现了对温度、路面阻值等常规参数的检测。经 过测试,本系统工作稳定可靠,具有一定的市场价值和良好的发展前景。 关键词:结冰检测,道路交通,z i g , b e e ,无线传感器网络,c c 2 5 3 0 a b s t r a c t w i t ht h ep r o b l e m so fp o p u l a t i o n , r e s o u l e s ,e n v i r o n m e n ta n dd i s a s t e ri n m o d e m s o c i e t ya r eb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t , p e o p l eh a v eg r o w i n gd e m a n d o nm a dt r a f f i cw e a t h e ri n f o r m a t i o na n dm e t e o r o l o g i c a ls e r v i c e i c er o a di so n eo f t h e m o s ti m p o r t a n tr o a dm e t e o m l o g l c a le l e m e n t si n s e p a r a b l ew i t hp e o p l e sd a i l yl i f e t h e r e f o r e ,t h em e a s 珊e m e n to fi c yr o a d sh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , a l li c yd e t e c t i o ns y s t e mo nh i g h w a yr o a db a s e d0 1 1z i g b e e p r o t o c o l i s d e s i g n e da f t e ral o to fa c c e s st od o m e s t i ca n df o r e i g ni c ed e t e c t i o n m e t h o d s t h r e ep a r a m e t e r s ,t e m p e r a t u r e ,p a v e m e n tr e s i s t a n c ea n dv i b r a t i o n i n f o r m a t i o na l et a k e ni n t oa c c o u n tt oj u d g m e n tp a v e m e n ti c yc o n d i t i o n a i m i n ga t t h ef e a t u r e so fb i gn u m b e ro ft e r m i n a ln o d e s ,、) l ,i d e l yd i s t r i b u t i n gr a n g e ,e t c ,t h e t e c h n o l o g yo fz i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki su s e df o rd a t at r a n s m i s s i o n f i r s t , t h i sp a p e rs t a t e st h er e s e a l c hb a c k g r o u n d , i m p o r t a n c ea n dv a l u e ,a n di n t r o d u c e st h e o v e r a l ls y s t e md e s i g ni nd e t a i l t h e n , d e p t hs t u d ya n dr e s e a r c ho fz i g b e ep r o t o c o li s c o n d u c t e da n dd e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dh a r d w a r ed e s i g na b o u tt e r m i n a l n o d e sa n dc o o r d i n a t o rn o d e sa r eg i v e n m e a n w h i l e ,a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f h i g h w a y ,t h i sp a p e rd e s i g n sw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ks u i t a b l ef o rr e a l i s t i cs i t u a t i o n , t oa c h i e v ed a t at r a n s c e i v e ra n ds y s t e mm o n i t o r i n g a n dr m a u ys o l u t i o no fd a t a c o l l e c t i o n ,m e t h o do fd a t ap r o c e s s i n ga n de x p e r i m e n tr e s u l t sa l eg i v e n c c 2 5 3 0 w i r e l e s sm i c r o c o n t r o l l e r sa l es m a r tf i e l di n s t r u m e n t a t i o no ft e r m i n a ln o d e s ,r o u t e r n o d e sa n dc o o r d i n a t o rn o d e s ( f o ro n - s i t em o n i t o t i n ga n dr e m o t ec o m m u n i c a t i o n ) a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lr o a d8 u f f a c ec o n d i t i o n s ,b a s e do nc c 2 5 3 0w i r e l e s sc h i p , v a r i o u so fn e t w o r k sa l em a d eu pw i t hz i g b e ep r o t o c o l ,t or e a l i z ed e t e c t i o no f t e m p e r a t u r e ,r o a ds u r f a c er e s i s t a n c ea n do t h e rc o n v e n t i o n a lp a r a m e t e r s a f t e rc y c l i c t e s t , t h ed e s i g n e ds y s t e mw o r k ss t a b l ea n dr e l i a b l es ot h a ti th a sm a r k e tv a l u ea n d g o o dp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n t k e y w o r d s :i c ed e t e c t i o n ;r o a dt r a f f i c ;z i g b e e ;w s n ;c c 2 5 3 0 ; 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的研究背景 结冰是一种常见的现象。在某些场合或特殊行业中,人为地控制结冰可满足生产需要, 产生经济效益,甚至造福人类。例如,溜冰场,可食冰块等。然而,另一些结冰现象会对 人们的日常生产和生活造成不良的影响,例如,高速公路的道路结冰,飞机场的跑道结冰, 飞机的机翼结冰等。这些结冰现象会直接或者间接地危害着交通运输业、工业、农业、商 业等国民经济的各个方面。目前,道路结冰与雷雨、大风、冰雹、雪灾、台风、暴雨、高 温、寒潮、大雾、沙尘暴,共1 1 种气象现象被中国气象局列为第一批发布预警信号的突发 气象灾割1 卜【3 】。 高速公路路面结冰检测系统是用来检测与预报道路路面状况的系统,由于其在军事与 民用方面的重要性,一直受到世界发达国家的重视,更由于其技术上的先进性,美国等西 方国家在这一领域的研究一直处于领先地位。多年来,我国一直靠从第三方进口这方面的 系统,来满足各行各业的需要,特别是气象行业的需要,为了解决这种窘迫局面,国内开 始研究相关的路面结冰检测系统。受江苏省产学研前瞻性项目“基于手机平台的交通气象 检测及信息分发关键技术研究”的资助,展开了高速公路路面结冰检测系统的研究。 1 2 论文的研究意义 工业化进程导致当今的极端天气增多,例如,大范围的暴雨,雷电,冰冻等。2 0 0 8 年 的南方雪灾肆虐,我国多条高速公路因结冰积雪而封闭,飞机停航。相关部门不分昼夜地 进行除冰工作。近年来,我国高速公路建设持续发展,路网规模日益扩大。与之配套建设 的高速公路通信、监控、收费三大机电系统工程技术迅速发展,特别是道路监控系统发展 速度更快,主要是因为该系统作用日益突显,而道路监控系统中的路面状况监测与交通事 故有着紧密的联系,例如:全世界每年约有1 0 0 多万人死于交通事故,其中灾害性天气直 接或间接导致的交通事故占所有交通事故的1 4 。在我国高速公路百公里事故率比普通公路 高出3 倍多,而世界发达国家高速公路死亡事故率仅为普通公路的l 忽一l 1 0 。在冬季,很 多时候由于路面结冰,高速公路被迫封闭,给人们的出行带来很大的不便,国家因此损失 了很大的经济利益。 如果可以及时地检测道路表面是否结冰,就可及时地采取相应措施减小道路结冰造成 的损失,降低结冰危害。可见,道路结冰检测系统的开发与研究工作具有非常重大的意义。 除此之外,本论文“高速公路路面结冰检测系统的研究”对于目前解决道路结冰的探 l 南京信息工程大学硕士学位论文 测具有填补国内空白、推进我国道路交通气象检测的发展,有着积极意义。 1 3 国内外研究现状 道路结冰的问题其实很早就被提出来了,但是一直到现在都没有真正得到很好地解决, 其主要原因就是没有十分合适的道路结冰传感器和道路结冰探测方法来检测路面状况。 1 3 1 国外研究现状 从二十世纪五十年代开始,欧美等一些发达国家开始进行结冰传感器的研究,经过五 十多年的发展,在结冰探测的理论研究方面取得了很大的进步,目前,结冰探测的方法以 及相应的结冰传感器已发展到十几种。 ( 1 ) 压差( d i f f e r e n t i a lp r e s s u r e ) 式: 压差式结冰传感器( d i f f e r e n t i a lp r e s s u r ei c es e n s o r ) 是一种需要安装有两个探头的结 冰传感器,并且需要在两个探头的迎风面上钻一排小孔,在实际工作中,让其中的一个探 头一直处于被加热的状况,这样做的目的是以保证在恶劣的结冰气候条件下此探头上的小 孔也不会被冰堵塞。而在无结冰气候条件下测量时,两探头都不会被冰堵塞,因此,两探 头没有压力差。但在遇到有结冰情况下时,被加热的探头没有被冰堵塞,但未被加热的探 头上的小孔会被冰堵塞,这时,在两探头之间就会产生一个压力差,因此,通过检测探头 之间的压力差就可以得到结冰状况的信号。 ( 2 ) 障碍( o b s t r u c t i o n ) 式: 障碍式结冰传感器( o b s t r u c t i o ni c es e n s o r ) 需要在物体的某个平面上安装一个可以转 动的旋转刮板,当有冰开始形成在这个物体的表面时,则旋转刮板的转矩随之开始增加, 在预先设置好的转矩点结冰传感器给出除冰信号。并且,通过转矩与时间关系曲线的斜率, 我们还可以得出结冰的速率。但是,这种方法的不足之处就是此传感器带有可动的部件, 寿命较短,可靠性不耐5 1 。 ( 3 ) 振动( v i b r a t i o n ) 式: 振动式结冰传感器( v i b r a t i o ni c es e n s o r ) 的原理是利用振动体谐振频率的变化来判断 物体表面是否有冰,目前,磁致伸缩材料、压电材料比较适合用来制作谐振探头元件。振 动式结冰传感器的优点是没有可动部件,寿命较长、可靠性较好、性能比较稳定【6 】。 ( 4 ) 潜热( l a t e n th e a t ) 式: 潜热式结冰传感器( l a t e n th e a ti c es e n s o r ) 的原理是计算物体表面沾染物被加热融化 所需要的潜热大小来区分物体表面沾染物是冰或者水,目前这一潜热式传感器主要应用在 飞机机翼的结冰探测上。 ( 5 ) 热流( t h e r m a lf l o w ) 式: 热流式结冰传感器( t h e r m a lf l o wi c es e n s o r ) 的原理是通过分析流过物体表面热流的 2 第一章绪论 变化来区分物体表面存在的沾染物( 霜、冰、非冰流体等) 。该方法是一种表面型的结冰探 测方法,即当传感器表面结有冰层时,通过计算比较物体表面的热流值变化来指示物体的 表面状况,如结冰量。 、- _ - _ - + 7 ,。_ , “o 一。1 + 。 图1 1 热流式结冰传感器 图1 1 是一种热流式结冰传感器结构示意图。图中1 6 是一个热探头( 或热偶) ,1 8 用 来检测相邻的较低温表面( 2 0 ) 处的温度;第二个温度探头( 或热偶) 2 2 用于检测邻近于 高温表面( 1 2 ) 的空气温度。图中箭头指出通过部件1 4 的热流方向。 ( 6 ) 电容( c a p a c i t a n e a ) 式: 电容式结冰传感器( c a p a c i m n c ai c es e n s o r ) 需要在传感器的表层,且在一定的直径范 围内印制两个不同大小的环形电容,当有冰开始聚集在传感器表面时,传感器的平面电极 的电容量就会发生变化,因此,通过计算比较建立在两个电容上的瞬态电压,逻辑电路就 可以确定出冰层的存在以及厚度。图1 2 是某种信号的电容式结冰传感元件 7 1 【1 0 1 。 图1 2 电容式结冰传感器 ( 7 ) 回波( p u l s e - e c h o ) 式: 回波式结冰传感器( p u l s e - e c h oi c es e n s o r ) 需要在物体的表面安装一个小的压电探头 和一个发射超声波的器件,此传感器利用的是高频声波在冰和空气的界面会被反射,当有 冰聚集在物体表面时,发射出来的超声波会在冰和空气的界面发生反射现象,且反射的超 声波会被物体表面的压电器件接收,通过电路处理,分析由超声波在冰中的传播而产生的 3 南京信息工程大学硕士学位论文 反射和接收的时间延迟确定。这种结冰传感器的优点是它的非插入式结构,缺点是需要两 个探头,体积比较的大。 ( 8 ) 微波( m i c r o w a v e ) 式: 微波式结冰传感器( m i c r o w a v ei c es e n s o r ) 需要在物体的表面安装一个波导管,且波 导管的表面带有绝缘层,当有冰开始聚集在波导管带有绝缘层的表面时,则波导管的有效 厚度变大了,此时改变了波导管的相位常数,从而降低了波段管的谐振频率,通过检测谐 振频率的偏移量就可以算出冰层的厚度。 ( 9 ) 超声( u l t r a s o n i c ) 式: 超声式结冰传感器( u l t r a s o n i ci c es e n s o r ) 需要在物体的表面安装一套超声波的发射和 接收装置,通过计算物体表面内的弯曲弹性波来得出冰层的厚度,实验室实验表明,该方 法测量冰层的厚度上限可达1 0 r a m 1 1 】。 ( 1 0 ) 电磁束阻断( e l e c t r o m a g n e t i cb e a mi n t e r r u p t i o n ) 式: 电磁束阻断式结冰传感器( e l e c t r o m a g n e t i cb e a mi n t e r r u p t i o ni c es e n s o r ) 需要在平滑管 子的一边装有敏感部件,在管子的另边装有e m 源,并且e m 源指向敏感部件,当冰在 管子上开始聚集且达到一定厚度时,信号会被阻断,这种被阻断的信号就会出现在敏感元 件内,通过这种方式可以确定物体表面是否有冰,信号源可以是可见光、红外线等。 ( 1 1 ) 红外线( i n f r a r e d ) 式: 红外线结冰传感器( i n f r a r e di c es e n s o r ) 是利用多波长红外线在水中或冰中的光吸收 系数的不同来确定和检测冰或水的厚度。该方法可以测量从几个微米到几个厘米冰( 水) 的厚度。 ( 1 2 ) 光纤( f i b e ro p t i c ) 式: 光纤式结冰传感器( f i b e ro p t i ci c es e n s o r ) 需要采用一个玻璃表面、发射光纤、接收 光纤。当物体表面无结冰现象时,由发射光纤发出的红外光直接射入到空气中,接收光纤 这端接收不到任何发射光;当物体表面有结冰现象时,发射光纤发出的红外光会在物体 表面的冰层内发生反射、散射等光学现象,此时,接收光纤会接收到一部分反射光和散射 光。通过检测接收光信号的强度能区分物体表面是否有冰。 以上提到的各种方法中,电容式、振动式、热流式,超声式、红外式、光纤式这六种 是目前比较先进的结冰探测方法。然而,由于相关技术的不成熟,只有少部分被应用到实 际中,大部分还仅仅处于方法研究阶段。而对路面结冰状况检测,则还要考虑汽车碾压及 污染严重等问题。 1 3 2 国内研究现状 国内方面对结冰检测技术的研究起步比较晚,特别是对路面结冰检测的研究才开始, 4 第一章绪论 相关报道也很少,通过查阅资料发现只有少数的高校与研究机构在研究相关的结冰检测技 术,如哈尔滨工程大学,陕西科技大学电信学院,华中科技大学。图1 3 为华中科技大学 申请的光纤式结冰传感器专利1 2 1 。 图1 3 光纤式结冰传感器 图1 3 中6 为发射光纤,5 为接收光纤,其中发射光纤束和接收光纤束端部并成集中光 纤束,集中光纤束的端面构成探测头端面;发射光纤束另一端装有发射电路,接收光纤束 另一端装有信号检测电路,信号检测电路由光电二极管和前置放大电路串联组成。适用于 对物体表面结冰状况进行检测。 目前中国专利还公开了几种路面结冰检测的方法,其中一种是路面结冰点监测系统 和方法,其申请号是0 2 8 2 7 2 8 4 6 ,该装置的透视图如图1 4 所示。 图1 4 一种路面结冰点采样装置 图1 4 中1 2 是装置的外壳、1 4 为装置的盖子、1 6 为采样环。该专利通过“采用主动 式冷却器、温度传感器、采样井构成。并根据采样井中液体的温度与传导性的变化来判断 液体的结冰点”。该方法主要通过判断路面的温度和传导性两个条件来决定是否结冰,仍存 在一定的误判。另外一种是 1 6 m bl 7 6 4 - 1 2 81 0 0 0 积大 w i - f i3 2l m b0 5 5 1 1 万 1 l 带宽 携带安 b l u e t o o t h 72 5 6 k bl 77 2 0l 1 0 装方便 z i g b e e 2 5 5 6 5 0 0 04 k b 3 2 k bl o o l o 2 m 之5 0 l 1 0 0功耗低 z i g l 3 e e 自身的技术优势: ( 1 ) 低功耗。在低耗电待机模式下,如果采用普通的2 节5 号干电池供电,蓝牙只能 工作数周,w i f i 只能工作数小时,而z i g b e e 可以支持1 个节点工作多达6 - - 一2 4 个月,甚 至更长的时间,这是z i g b e e 技术的突出优势。 ( 2 ) 低速率。z i g b e e 可以工作在3 个不同的频段,分别为2 4 g h z 、9 1 5 m h z 、8 6 8 m h z , 且各个频段对应的速率为2 5 0 k b p s 、4 0 k b p s 、2 0 k b p s ,以满足低速率传输数据的应用需求。 ( 3 ) 低成本。由于z i g b e e 是免费的,因此,基于z i g a e e 芯片的价格大约在2 美元左 右,而且,通过简化协议,只有不到蓝牙的1 1 0 ,这样做的好处是降低了对通信控制器的 要求。 ( 4 ) 近距离。z i g b e e 的传输距离一般在1 0 1 0 0 m 之间,可以通过增加r f 的发射功 率来增加传输距离,且这里指的是相邻节点之间的距离,如果通过路由和节点间通信接力, 整个传输距离将变得更远。 ( 5 ) 短时延。相比较蓝牙与w t f i 而言,z i g b e e 的响应速度更快,一般从睡眠转入到 工作状态只需要1 5 m s ,节点连接进入网络只需要3 0 m s ,进一步节省了电能。而蓝牙需要 的时间长达3 - - - 1 0 s 、w i - f i 需要3 s 。 ( 6 ) 高容量。z i g a e e 可以组成多种网络结构,如星型、簇树形等。且网络中的一个 主节点可以管理若干个子节点,最多可以管理2 5 4 个子节点;同时主节点还可以由上一层 网络节点管理,最多可以组成多达6 5 0 0 0 个节点的大网。 ( 7 ) 高安全。z i g b e e 可以提供三级安全模式,可以灵活的确定其安全属性。 由于本论文工作环境的特殊性,首要考虑的重点因素是功耗问题、成本问题、网络容 量问题和安全保密问题,经过以上技术特点的比较与总结,可以看出,z i g b e e 无疑是最佳 9 南京信息工程大学硕士学位论文 的选择。 2 2z i g b e e 协议框架 z i g b e e 协议的框架结构如图2 1 所示,物理层、m a c 层、数据链路层采用的是 i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准,z i g b e e 联盟定义了网络层、应用会聚层和高级应用规范接口沁i ) 。 图2 1z i g b e e 协议框架结构图 z i g b e e 标准协议框架采用了多层结构,在z i g b e e 技术规范中定义了两个工作在不同频 段的物理层,分别为8 6 8 9 1 5 m h z 和2 4 g h z 。其中,2 4 g i - i z 传输速率为2 5 0 k b s 全球通 用,欧洲采用8 6 8 m h z ,传输速率为2 0 k b s ,美国采用9 1 5 m h z ,传输速率为4 0 k b s 。 m a c 层通过c s m a 机制对各个信道进行调配与切换,其工作内容是传输信标帧,同 步信息,同时提供稳定可靠的传输方案。 网络层的功能是负责发起一个新的网络,并对新加入网络的设备分配其i p 地址,控制 设备的入网和离网等,并提供相关路由机制以及为传输的数据帧提供安全加密。此外,网 络层还负责保持各个设备间的路由的工作以及侦测。 z i g b e e 的应用层主要包括应用接口子层( a p s ) 、设备绑定表( a f ) 和z i g b e e 设备对象 ( z o o ) 。a p s 子层的功能是建立和更新设备绑定表以及为绑定的设备提供数据传输途径。 a f 的功能则是根据设备的需求和设备的职能自动配置设备,并进行相关信息的存储。z d o 的功能则是定义设备在网络中的任务和功能( 如定义z i g b e e 协调器等) ,负责提出设备绑定 请求或者处理设备绑定请求,同时,z d o 还要具备能够发现网络设备的功能,以及判断设 备需要哪方面服务的能力。 1 0 第二章无线传感器网络及检测系统集成研究 2 2 1 物理层 i e e e s 0 2 1 5 4 物理层定义了2 4 g h z 、9 1 5 m h z 和8 6 8 m h z 三个频段,它们都采用了d s s s ( d i r e as e q u e n c es p r e a ds p e c l m a n ) ,直接序列扩频。2 4 g h z 波段能够提供2 5 0 k b p s 的传输 速率,较好的减少了通信延时以及工作周期,从而达到节能的目的,其2 4 g h z 为全球统一 的无需申请的i s m 频段,不仅能够降低企业的生产成本,而且还有助于设备的普及。 8 6 8 ,9 1 5 z 物理层使用二进制相移键控方式,是一种简单的d s s s 方法。8 6 8 枷眩和 9 1 6 m h z 的传输速率分别为为2 0 k b p s ,4 0 k b p s 。相对于2 4 g h z 而言,这两个频段上的无 线信号传播损耗较小,因此,在一定程度上降低了对接收机灵敏度的要求,从而能够获得 较远的有效通信距离,从而降低了企业的生产成本。 i e e e s 0 2 1 5 4 物理层定义了三个频段,这三个频段共分配了2 7 个信道,其中2 4 g h z 使用其中的1 6 个信道,9 1 5 m h z 使用其中的l o 个信道,8 6 8 m h z 使用其中的1 个信道。 z i g , b e e 无线信道的使用如表2 - 2 和图2 2 所示。 表2 - 2z i g b e e 无线信道的组成 信道编号中心频率m h z信道间隔m h z频率上线k 旺i z频率下线m h z k = 08 6 8 38 6 8 68 6 8 0 k = i ,2 ,3 1 09 0 6 + 2 ( k - 1 ) 29 2 8 09 0 2 0 k = 1 1 ,1 2 ,1 3 2 62 4 0 1 + 5 ( k - 1 ) 52 4 8 3 52 4 0 0 0 8 6 8 m h 2 归1 5 m h z 物理层 通道0 通道l 1 0 i _ _ 一 2 m h z 一卜 - 山山山l i 8 6 8 3 m h z 9 0 2 m h z 2 4 g h z 物理层 通道1 1 - 1 6 9 2 8 m h z l _ 一一uu 山u 山u u 一_ j 2 4 g h z2 4 8 3 5 g h z 图2 2 频率和信道分布 物理层通过射频固件提供了一个从m a c 层到物理层无线通信的接口,物理层结构模 型如图2 3 所示。其服务点提供物理层数据服务和物理层管理服务。 亿hr 南京信息工程大学硕士学位论文 图2 3 物理层结构模型 2 2 2 应用层 z i g b e e 应用层包括应用支持子层( a p p l i c a t i o ns u p p o r tl a y e r ,a p s ) 、z i g b 设备对 象( z i g b e 地d e v i c eo b j e 圮 t ,z d o ) 和应用对象( a p p l i c a t i o no b j e c t ) 。 a p s 层主要功能:应用支持子层( a p s ) 提供了网络层( n w x ) 和应用层( a p l ) 之 间的一个接口,通过一组z d o 合制造商定义的应用对象都使用的常用服务。该服务通过两 个实体提供: ( 1 ) a p s 数据实体( a p s d e ) ,通过a p s d e 服务接入点( a p s d e s a p ) 。 ( 2 ) a p s 管理实体( a p s m 匣) ,通过a p s m e 服务接入点( a p s m d s a p ) 。 a p s d e 在位于同一个网络的两个或多个应用实体之间提供了数据传输服务。 a p s m e 为应用对象提供了多种服务,包括安全服务与绑定设备。它还维护管理对象的 数据库,叫做a p s 信息库( a m ) 。a p s 子层模型如图2 4 所示。 图2 4a p s 予层模型 1 2 第二章无线传感器网络及检测系统集成研究 z i g b e e 设备对象( z i g , b e ed e v i c eo b j e c t ,扛) o ) 可以看成是一种公共的应用,提供了 一个公共的功能集,公共用户自定义的应用对象调用a p s 层的服务及n w k 层的服务,主 要功能如下: ( 1 ) 初始化应用支持子层( a p s ) ,网络层( n w k ) ,安全服务供应商( s s p ) 和其它 z i g b e 设备层次。 ( 2 ) 组装来自于端点应用程序的配置信息。 应用对象( a p p l i c a t i o no b j e c t ) 是实际在z i g b e e 协议栈上运行的厂商应用。 2 2 3 网络层 网络层主要提供一些必要的函数,用来保证m a c 层正常工作,同时它还为应用层提 供合适的服务接口。其结构如图2 5 所示。网络层的功能包括网络维护( 建立新网络、设 备加入网络、设备离开网络) 、网络层数据的发送与接收、路由的选择( 路由成本、路由表、 路由选择、接收到数据帧、链路状态信息、路由发现、结束路由发现入口和路由维护) 以 及广播通信。此外,网络层提供了两个必须的功能服务实体,分别是数据服务实体和管理 服务实体。 网络层数据实 体服务接入点 应用层实体 网络层管理实 体服务接入点 网络层数据实体l - i 网络层管理实体 m a c 公共部 分子层服务接 入点 m a c 层实体 m a c 子层管 理实体服务接 入点 图2 5 网络层模型 2 2 4m a c 层 z i g b e e 协议栈中的媒体访问控制层是由i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组定义的。该层主要完成的 工作有:1 ) 设备间无线链路的建立、维护和结束;2 ) 确认模式的帧传送与接收;3 ) 信道接入 控制;4 ) 帧检验:5 ) 预留时隙管理;6 ) 广播信息管理。 m a c 子层的参考模型如图2 6 所示。m a c 通过两个服务访问点( s a p ) - 来与高层联系。 通过它的公共部分子层( m c p s ) j i 务接入点( m c p s s a p ) 为它提供数据服务;通过它的管 1 3 南京信息工程大学硕士学位论文 理实体( m l m e ) , q 艮务接入点( m l m e - - s a p ) 为它提供管理服务。这两个服务为网络层和物理 层提供了一个接口。灵活的m a c 帧结构适应了不同的应用及网络拓扑的需要,同时也保 证了协议的简洁。 图2 6m a c 层参考模型 2 3 无线芯片c c 2 5 3 0 2 3 10 2 2 5 3 0 芯片概述 在本论文中,选择了c c 2 5 3 0 无线芯片,c c 2 5 3 0 是理想z i g b 专业应用,通过z i g b e e 网络和传感器搭配使用,可以使采集数据、分析数据和处理数据的工作变得更加方便快捷, 可以实时的得到路面状况的信息,这些数据和信息可以考虑作为决策系统的重要辅助部分。 c c 2 5 3 0 是用于i e e e 8 0 2 1 5 4 和z i g b 应用的一个真正的片上系统( s o c ) 解决方案, 它能够以非常低的成本建立强大的网络节点。c c 2 5 3 0 结合了领先的r f 收发器的优良性能, 业界标准的增强型8 0 5 1 c p u ,2 1 g p i o 以及片内集成有有效位达到1 2 位的a d c 模块,同 时还具有系统内可编程闪存,8 k br a m 和3 2 6 4 1 2 8 2 5 6 k b 的闪存,c c 2 5 3 0 具有不同的 运行模式,使得它尤其适应超低功耗要求的系统,另外,c c 2 5 3 0 的休眠模式和转换到主动 模式的超短时间的特性,特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。 c c 2 5 3 0 芯片的主要特点有:强大的无线前端能力;出色的接收器灵敏度和抗干扰能力; 功耗非常的低,接收模式时只有2 4 毫安,发送模式时只有2 9 毫安;比较宽的电源电压范 围( 2 v - 3 6 v ) 以及强大的d m a 功能掣3 8 1 【3 9 】。 2 3 2c c 2 5 3 0 内部的一些重要单元 ( 1 ) a d c 模块:c c 2 5 3 0 芯片内部集成有a d c 模块,其支持1 4 位的模拟数字转换, 1 4 第二章无线传感器网络及检测系统集成研究 具有多达1 2 位的e n o b ,它包括一个模拟多路转换器,a d c 的主要特性有:1 ) 可选的抽 取率,这也设置了分辨率为7 到1 2 位;2 ) 8 个独立的通道,可接受单端或者差分信号;3 ) 参考电压可选为内部单端、外部单端、外部差分或a v d d 5 ;4 ) 产生中断请求;5 ) 转换结 束时的d m a 触发,转换结果通过d m a 写入存储器。 ( 2 ) c c 2 5 3 0 的电源管理:不同的运行模式或者供电模式用于低功耗运行。超低功耗 运行的实现通过关闭电源模块以避免静态( 泄露) 功耗,还通过使用门控时钟和关闭振荡 器来降低动态功耗。 c c 2 5 3 0 有五种不同的运行模式( 供电模式) ,叫做主动模式、空闲模式、p m l 、p m 2 和p m 3 。主动模式是一般模式,而p m 3 具有最低的功耗。不同的供电模式对系统运行的影 响见表2 - 3 ,并给出了稳压器和振荡器选择。 表2 3 供电模式 供电模式高频振荡器低频振荡器稳压器( 数字) 配置a 3 2 z x 0 s cc3 2 k t l z x o s c b1 6 i z r c o s cd3 2 k h z r c o s c 主动,空闲模式a 或bc 或do n p m l 无c 或d o n p m 2无c 或do f f p m 3无无0 f f 主动和空闲模式:主动模式是完全功能的运行模式,c p u 、外设和r f 收发器都是活 动的,数字稳压器开启,主动模式用于一般操作。在主动模式下( s l 髓p c m d m o d 脚x o o ) 通过使能p c o n i d l e 位,c p u 内核就停止运行,可以进入空闲模式。所有其他外设将正 常工作,且c p u 内核将被任
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