（计算机应用技术专业论文）汽车尾气监测的无线传感器网络通信设计.pdf

独创性声明 i i i iii iji i jliiiiiii i i i piil y 18 2 0 2 0 5 本人声明所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得西南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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：拙浓 日期：、，4 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：五治玩 导师签 日强：印| 侈、占、嚏 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着全球经济及科学技术的发展，汽车越来越多，并且都在朝着低排放 的标准发展，排放的有毒气体己经越来越少了，但是还是有很多的汽车并没 有实现真正的低排放。现阶段，汽车尾气还是环境的主要污染源，本系统就 是针对当前汽车尾气的污染情况所提出来的，采用无线传感器网络w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k ( w s n ) 的形式，加入现阶段比较热门的z i g b e e 无线通信技 术进行组网通信，来实现对公路两侧汽车尾气的排放进行有效的监测。 本文首先讨论了无线传感器网络及z i g b e e 无线通信技术的起源和发展， 介绍了现阶段基于z i g b e e 技术的无线传感器网络的监测系统及国内外的发 展现状，重点说明本系统所采用的硬件平台及设计要求。之后介绍了采用的 z i g b e e 协议- m p z b e e 协议栈，并对其移植进行了仔细的剖析，将其成功的应 用到系统中，完成了组网实验，最后介绍了开发的后台管理分析平台，并对 系统监测到的数据进行了演示，通过测试结果可以看出系统实现了基本的功 能，达到了预期的目的。 关键字：无线传感器网络z i g b e e 汽车尾气监测系统 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t w i t ht h e g l o b a le c o n o m y a n d s c i e n t i f i c t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，t h e n u m b e ro ft h ev e h i c h l e si n c r e a s e d a l t h o u g hm a n yv e h i c l e ss e e mt ob e c o m e l o w e m i s s i o na n dl e s s p o l l u t i o n ，s o m eo ft h e ms t i l lh a v e n tr e a c ht h es t a n d a r d n o w , t h ee m i s s i o no fv e h i c l ee x h a u s ti sam a j o rp a r to fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t h i ss y s t e mi se m a n a t e df o rt h ec u r r e n tv e h i c l ee x h a u s tp o l l u t i o na n du s e s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) a n dz i g b e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yw h i c hi sf a m i l i a rt om o r ep e o p l ea tt h i ss t a g et ob u i l du pn e t w o r k ， w h i c ha c h i e v ee f f e c t i v em o n i t o r i n go fv e h i c l ee x h a u s te m i s s i o n sa tt h es i d e so f t h er o a d t h i sp a p e rf i r s td i s c u s s e st h eo r i g i na n dd e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s ss e n s o r n e t w o r ka n d z i g b e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，i n t r o d u c e st h ed e v e l o p - m e n tp r o c e s so ft h ez i g b e e b a s e dt e c h n o l o g yw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa th o m e a n da b r o a d ，t h e ng i v e sae x a c ti n t r o d u c t i o no fh a r d w a r ep l a t f o r ma n dd e s i g n r e q u i r e m e n t so fs y s t e m a f t e r , d e s c r i b e s t h ez i g b e ep r o t o c o l m p z b e ep r o t o c o l s t a c kt h a tw eu s e d ，a n dc a r e f u l l ya n a l y z e di t sm i g r a t i o n ，s u c c e s s f u lu s e di n s y s t e m ，c o m p l e t en e t w o r k i n ge x p e r i m e n t s ，f i n a l l yi ti n t r o d u c e dt h em a n a g e m e n t a n a l y s i sp l a t f o r mw h i c hi s u s e di no u rt e r m i n a lm a c h i n e ，a n dd e m o n s t r a t e dt h e d a t at h a tt h es y s t e mh a dm o n i t o r e d ，w eh a di m p l e m e n tt h eb a s i cf u n c t i o n so f s y s t e mt h r o u g h t e s tr e s u l t s ，a c h i e v e dt h ed e s i r e do b je c t k e y w o rd s ：w s n ；z i g b e e ；v e h i c l ee x h a u s t ；m o n i t o r i n gs y s t e m 西南科技大学硕士研究生学位论文第i 页 目录 1 绪论1 1 1 引言1 1 2 基于z i g b e e 技术的无线传感器网络监测系统2 1 2 1 无线传感器网络起源及其发展2 1 - 2 2z i g b e e 技术起源及其发展3 1 3 环境污染中汽车尾气污染的严重性4 1 4国内外的主要监测方式及发展水平5 1 5本系统主要功能5 1 5 1系统介绍及应用场景6 1 5 2 系统实现的功能6 1 6 本论文结构7 2 系统软硬件设计及节点间通信程序设计8 2 1 监测节点设计原则8 2 1 1 监测节点硬件选型9 2 1 2 微处理器与射频芯片的连接控制1 2 2 2 节点与节点的无线通信程序设计1 3 2 2 1 开发环境介绍1 3 2 2 2 通信程序设计流程1 4 2 2 3结果展示16 2 3 本章小结16 3 m p z b e e 协议栈分析及应用程序实现1 8 3 1m p z b e e 协议栈的简单介绍1 9 3 2 协议栈移植可行性分析1 9 3 3 程序移植与调试2 0 3 3 1 协议栈程序的移植2 0 3 3 2 系统调试2 9 3 4 应用程序设计2 9 3 4 1 主程序架构一2 9 3 4 2 协调器程序设计3 2 3 4 3 终端节点程序设计3 4 3 4 4 接收数据过程解析3 7 西南科技大学硕士研究生学位论文第页 3 4 5 发送数据过程解析4 3 3 5 本章小结4 5 4 f f s n 的分析与管理平台( s n 棚p ) 及数据管理4 6 4 1 平台及功能简介一4 6 4 2 系统功能实现及结果演示5 0 4 2 1网络组建过程说明5 0 4 2 2 拓扑监测模块51 4 2 3 实时传感数据分析模块一5 1 4 2 4 模拟现实分布模块一5 l 4 3 数据管理5 2 4 4 系统测试5 3 4 5 本章小结5 4 总结与展望5 5 致谢5 7 参考文献5 8 附录6 2 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果6 9 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1引言 在信息化技术快速发展的同时，它给我们的生活也带来了巨大的变化， 信息技术发展的过程中最重要的一个部分就是信息的获取，这直接关系到信 息在后面的利用。随着人们对获取信息的要求越来越高，使得传感器的监测 技术从单一化发展到微型化、智能化、网络化。同时，随着无线技术的发展， 它与发展起来的传感器技术，信息处理技术，通信技术共同组成了热门的智 能无线传感器网络技术。现阶段，环境污染越来越重，人们对环境关注度也 就越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络技术能够很 好的获取这些数据，并且避免了传统的采集技术给环境带来的侵入式破坏。 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 ，w s n ) 是由放置在我们所要监 测区域内的大量的低成本微型的传感器节点通过自组织的形式进行无线通信 的一种网络系统，各个节点间协作感知、采集、处理他们所覆盖区域中的监 测对象的信息，并将信息及时传输到终端节点进行处理。早期一个非常经 典的关于无线传感器网络技术应用的案例，英特尔研究实验室研究人员曾经 将3 2 个小型传感器连进互联网，以读出缅因州“大鸭岛 上的气候，用来评 价一种海燕巢的条件心1 。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研 究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，它也 可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况 在盘 3 】 寸 。 近年来，我国的经济强势发展，人们的生活水平也日益发展起来，随之 而来的就是物质需求的日益膨胀，其中，汽车就很具有代表性。但是，随着 汽车数量的日益增加，汽车尾气的排放已经给我们的生活带来了非常大的影 响。现阶段全球气候变暖、呼吸道疾病的频繁发生、城市环境卫生不达标等 等，这些都是由汽车尾气引起的，汽车尾气的排放是城市环境污染的主要来 源之一引。 随着无线传感器网络技术的发展，现在已经出现很多能够有效监测汽车 尾气的方法，传统的汽车尾气的检测方法( 年检、手持p d a 等等) 已经不适 合当今需要，亦不能测出尾气中成份的具体含量，不能从根本上解决环境污 染问题。我们的方案基于方便、高效、实用、成本低、易操作、易维护的无 线传感器网络系统，采用低功耗、低速率、短距离的z i g b e e 无线通信技术实 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 现短距离无线通信，使终端监测节点能够将数据有效的传送到我们的p c 机。 使得能够对监测数据及时进行分析和处理。 1 2基于zig b e e 技术的无线传感器网络监测系统 近年来，随着无线传感器网络技术的日趋成熟，国内外很多厂家也都开 始采用这种方式进行环境监测，以节省很多的劳动力，还有就是一些人类无 法到达的地方采用这种方式是一种非常理想的监测手段。 针对这种特殊的监测技术，有其特殊的设计要求，节点主要尽量节省能 耗、延长整个系统的寿命以完成长期的监测任务；无线通信协议主要是要用 简洁的协议栈，方便接入，并实现整个系统较低的功耗。基于这种要求，z ig b e e 协议进入了我们的视野，它能很好的节省整个网络的能耗，随时可以大量的 接入节点，并且具有很高的容错性和鲁棒性，是非常适合无线传感器网络的 通信协议。本文正是基于z i g b e e 技术和w s n 技术开发的，利用已开发的网络 监测节点和汇聚节点进行实验，文中详细介绍了z i g b e e 协议，根据协议规范 移植修改了所使用的z i g b e e 协议栈，并组建了一个星型网络，在此基础上进 行应用程序设计实现基于z i g b e e 技术的无线传感器网络监测系统。 1 2 1无线传感器网络起源及其发展 科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。传感器信息获取 技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会 带来一场信息革命晡1 。 上世纪7 0 年代，就已经出现了采用传感器进行点对点传输、连接传感控 制器而构成的第一代传感器网络；随着相关学科的发展，传感器网络具有了 获取多种信息信号的处理能力，通过连接传感控制器，组成了有信息综合处 理能力第二代传感器网络；从上世纪末开始，人们用现场总线技术组建智能 化的传感器网络，使用无线技术连接大量多功能传感器，无线传感器网络逐 渐形成川7 埘。 无线传感器网络具有非常广泛的应用前景，随着它的发展和应用，将会 给人类生活的各个领域带来深远影响。美国的技术评论杂志在论述未来 新兴十大技术时，将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术；商业周刊 预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也位列其中儿m 1 。我国国家自然 科学基金2 0 0 5 年将网络传感器中的基础理论和关键技术列入计划n ，2 0 0 6 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 年国家自然科学基金将水下移动传感器网络的关键技术列为研究重点n 翱。 虽然无线传感器网络已经蓬勃发展，但由于技术方面等原因，让其大规 模普及应用还有待时日，近几年，很多的无线传感器网络系统已经开始投入 使用，主要集中在以下领域： ( 1 ) 环境的监测和保护 生态环境逐渐被更多人关注，为保护环境就要掌握大量有关环境的数据， 但是有些勘测区域人类无法到达，无线传感器网络正好可以满足这种需求。 例如世界上最大规模的湿地复原项目r a v e n s w o o d 湿地监控项目，覆盖超过 1 5 0 0 0 英亩的湿地，需要持续地监测该地域的水质、温度、湿度等等这些重 要的参数。通过无线传感网络进行远程控制、维护和升级，可以有效地减少 现场勘测的次数，使该项目更顺利地进行下去n 3 1 。 ( 2 ) 医疗护理 无线传感器网络技术在医疗护理领域n 们卅的应用也很广泛。例如英特尔 公司推出的无线传感器网络的家庭护理技术。该系统通过在鞋、家具以家用 电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、残障人士的家 庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受 护理，而且还可以减轻护理人员的负担n 们n 。 ( 3 ) 军事领域 无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，非常适合恶劣的战场环 境中。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行“智能 尘埃”传感器技术的研发u 引。 无线传感器网络还被应用到很多领域。例如各种灾害如地震，火灾等； 一些危险的工业环境如井矿、尾矿，核电厂等。尽管无线传感器技术目前仍 处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的 发展和推进，一定会得到更大的应用n 们乜叫。 1 2 2zig b e e 技术起源及其发展 z i g b e e 是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本 的无线网络技术心。它依据8 0 2 1 5 4 标准瞳引，在数量巨大的外形微小的传 感器之间进行协调通信。这些传感器只需要很少的能量，就可以将数据通过 无线电波的形式将数据从一个传感器传输到上一级传感器，所以它们的通信 效率非常高。 作为专为低速率控制网络设计所制定的无线传输标准，z i g b e e 正逐渐被 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 重视并采用心3 】o 该标准的物理层、m a c 层和链路层采用了i e e e 8 0 2 1 5 4 协议， 网络层，应用汇聚层和高层应用规范( a p i ) 由z i g b e e 联盟制定乜4 1 。到目前 为止，z i g b e e 联盟大约已有1 5 0 多家成员企业，并在迅速发展壮大，涵盖了 半导体生产商、i p 服务提供商、消费类电子厂商及o e m 商等，所有这些公司 都参加了负责开发z i g b e e 物理和媒体控制层技术标准的i e e e8 0 2 1 5 4 工作 组2 钔。 政府的计划给了z i g b e e 更多的空间，显示出对其无比的信心。f r e e s c a l e 亚洲区无线连接运营部市场经理邝景亮介绍说，f r e e s c a l e 推出了一套可应 用于学校管理的解决方案，将z i g b e e 节点设置在学生校牌上，并在如操场、 教室、礼堂、停车场等地方安置路由器，老师就可以很方便的了解到学生所 在的位置，在维护学校秩序的同时，可以起到事故防范等作用，目前该方案 已有商家开始应用心引。z ig b e e 技术在智能家居、医院监护、无线抄表、楼宇 自动化、工厂监控以及煤矿安全监控等领域都可以发挥很大的作用。 1 3 环境污染中汽车尾气污染的严重性 汽车尾气中的污染物主要有：碳氢化合物、氮氧化合物、一氧化碳、二 氧化硫、烟尘微粒等，最主要的危害是碳氢化合物和氮氧化合物形成的光化 学烟雾；其次，尾气中一氧化碳的含量非常高，容易引起头痛等症状，重者 窒息死亡；汽车尾气中的氮氧化合物含量较少，但毒性大，其毒性是含硫氧 化物的3 倍；汽车尾气中包括3 ，4 一苯并芘等致癌物质，离公路越近，公路上 汽车流量越大，肺癌死亡率越高；汽车尾气中的二氧化硫和悬浮颗粒物，会 增加慢性呼吸道疾病的发病率，损害肺功能；二氧化硫在大气中含量过高时， 会随降水形成“酸雨 心 。 据报道，汽车尾气排放量已占大气污染源8 5 左右。如北京市中心区二 氧化硫浓度日超标率达1 0 至1 5 ，一氧化碳和氮氧化合物浓度日超标率达 6 0 至7 0 ，最大浓度时大气污染超过国家二级标准1 至3 倍。上海市汽车排 放的碳氢化合物占总排放量5 6 以上：氮氟化合物占2 0 以上：四川汽车每年 排放一氧化碳1 4 2 万吨、其他有害物超过6 0 万吨，8 0 的一氧化碳和9 0 的 氮氢化合物等，均来自汽车排放。这表明，汽车尾气是大气污染的“元 凶 。治理大气污染，治理汽车尾气是重中之重。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 1 4国内外的主要监测方式及发展水平 国内外主要监测手段包括： ( 1 ) 用类似手持设备的装置放在汽车尾气排放管处进行检测，这种方式浪 费人力，对传感器的性能要求也较高。 ( 2 ) 利用无线传感器网络的方式，并且将传感器安装在排气管的尾部对尾 气进行监测，缺点是一个是对传感器抗温度的要求高，再者是监测节点移动 的过程中是动态的拓扑结构，这样对组网要求比较高，增加了技术难度。 ( 3 ) 使用红外线遥控车对公路沿途的汽车尾气进行检测口钉，缺点在于需 要精度高的仪器并且检测过程十分复杂，增加了成本。它与那些专利产品深 紫外线扩散性紫外线分析仪相结合，能持续检测多种气体与透明度( t ) 和 粉尘含量( m g m 3 ) 。分析仪的双光束成倍穿射道路( 马路或是空地) ，使用有 a i m 专利技术的差分吸收光谱和专利识别软件来分析所有被光束拦截到的排 放气。 ( 4 ) 监测器造价昂贵，一般价格高达几十万元。为了保护设备和方便监测， 这些监测器将安装在地面两侧的隐蔽处，有的还将安在地下。环保智能监测 系统包括户外的尾气监测器和户内的监测数据库两大部分。其中，尾气监测 器能在1 秒钟内测出尾气浓度，还能像交通电子眼一样识别超标排放车辆的 号牌，并将信息自动回传至市环保局的监测数据库。该数据库与交管部门共 享，能显示超标车辆的车主、车型等信息口引。 1 5本系统主要功能 本方案基于方便、高效、实用、成本低、易操作、易维护的无线传感器 网络系统，采用低功耗、低速率、短距离的z i g b e e 无线通信技术实现短距离 无线通信乜6 i ，使在终端进行数据采集任务的终端监测节点能够将所采集的数 据经过无线多跳的方式有效的传送到监控p c 机。通过后台的分析处理平台能 够及时的对特殊数据进行处理，同时也能把数据保存起来，以供相关部门对 数据进行仔细深入的进一步分析和处理。相比而言，此方案具有其他方案无 法相比的优势，价格低、环境对传感器的要求不高、实现简单、应用广泛等 是这个方案的特色。 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 1 5 1系统介绍及应用场景 此方案主要用在城市的繁忙路段、车流量比较集中的干道，i 某个特殊的 时间段( 上下班、周末) 具有较大车流量的路段。由于汽车尾气的成份比较 复杂，选择其中几种对人体具有比较大伤害、对环境有比较大危害、具有代 表性的气体( c o 、h ：s 、n o 、n o 。) 进行监测。本系统应用起来比较方便，将 传感器节点布置在道路两边进行静态监测，比较典型的应用如图卜1 所示。 s ，3 s i n k 一 图1 - 1系统实际应用的场景示意图 fig l 一1s c e n es k e t c ho fs y s t e mim pie m e n t 1 5 2系统实现的功能 本系统主要是针对汽车在行驶过程中所排放的尾气，那么将自主研发的 传感器节点布置在公路的两旁，兼顾它们的有效监测范围使之能够有效的覆 盖整个公路，之后开启监测节点，使各个节点加入到网络中，之后开始监测 任务，监测节点将监测数据通过无线的方式向上一级节点传输，即多跳的方 式最终传输到汇聚节点，汇聚节点在通过有线的方式将数据转到p c 终端，后 台的管理分析平台在获得数据的同时将数据进行处理保存，并形成方便观察 的数据曲线和视图。在节点的监测过程中，各个节点能够通过融合算法将 所监测到的数据进行很好的融合，并且在汽车数量较少的时候能够实现休眠 机制，这些都是为了能够很好的节约利用节点有限的电能，延长其监测周期， 使节点的寿命更长哺幻。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 1 6 本论文结构 本文共有4 章，各章的安排如下： 第一章为绪论部分，主要讲述无线传感器网络和z i g b e e 两种技术的起源 与发展。并提出了将它们结合起来对现阶段环境污染中尾气污染这个重要的 具有国际性的问题进行解决的有效辅助方案。通过对比国内外的很多监测手 段，得出结论，基于z i g b e e 的无线传感器网络尾气监测系统能够很好的完成 任务，并且在低成本，实施性，可靠性，准确性等方面都有很好的表现。 第二章为系统软硬件设计及通信设计，主要介绍网络节点的硬件设计要 求和芯片选型，并详细阐述了两个节点间的无线通信的实现过程。 第三章介绍了所采用的z i g b e e 协议栈，m i c r o c h i p 公司的m p z b e e 协议 栈，通过硬件平台的对比分析，得出此协议栈适合系统的需要，并将其移植 到平台上并进行了应用程序设计，组建了由一个协调器节点和4 个终端监测 节点组成的z i g b e e 网络，并对网络中数据的发送和接受进行了详细的介绍。 第四章介绍了w s n 的管理分析平台s n a m p 的相关功能，并将其连接到数 据库，通过此平台对网络的运行情况进行监测，通过数据库对监测结果进行 保存，并通过之前的应用程序对整个系统进行了简单的运行测试。 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 2 系统软硬件设计及节点间通信程序设计 本章主要介绍系统中监测节点硬件的设计原则和芯片选型情况，在自主 开发的节点研制成功以后，利用两个节点进行无线通信实验，实验测试成功， 这一步是实现z i g b e e 无线网络的基础，通过熟悉节点的硬件电路和编写节点 间无线通信程序，为移植z i g b e e 协议栈及组建z i g b e e 无线网络做了很好的 准备工作。 2 1 监测节点设计原则 ( 1 ) 微型化设计 本监测网络中监测节点在体积上应该足够小，使得对目标系统本身不会 造成影响，并且很难受到其他因素的影响口3 1 。而软件设计方面，要求所有模 块的软件设计部分都必须精简，没有冗余的代码，而对不同的应用系统要有 不同的软件代码与之配套。 ( 2 ) 扩展性和灵活性 网络中监测节点必须具备良好的扩展性，那么就应该定义丰富统一、完 整的外部接口，在不同的应用系统中若需要添加新的硬件时就可以直接在现 有的节点上添加，而不用在开发新的节点，并且可以根据需要开发多种应用， 在相同的硬件平台上实现多种应用。 ( 3 ) 稳定性和安全性 硬件的稳定性要求节点的各个组成部件都能够在给定的外部环境变化范 围内能够正常工作，传感器模块要保证在各自的量程范围内并且不会受环境 因素的影响而影响精度；另外要求网络节点在恶劣的条件下也能正常工作， 不受环境影响而损坏，影响监测任务。网络节点的稳定性在软件上要保证软 件逻辑上的正确性与完整性，并且保证硬件出现问题时能够及时感知并积极 采取措施。 ( 4 ) 低成本 网络节点设计的基本要求之一就是低成本，只有达到低成本的目标才能 将网络节点在目标区域中进行大量的布置。所以低成本要求供电模块简单便 宜，所有功能器件都要求是低功耗的口钉引。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 2 1 1监测节点硬件选型 为了符合节点的设计原则，硬件选型就要进行仔细的分析对比，这样才 能使开发的产品具有很好的应用前景，并能很好的进行扩展和推广利用。其 中微处理器模块是监测节点硬件设计部分的核心，它要进行设备控制、数据 处理、协议实现、数据收发等任务，所以微处理器模块的选择至关重要，它 要满足以下要求： ( 1 ) 满足微型化设计要求，节点要尽量小； ( 2 ) 系统的整个外围电路要简单，则要求集成度要尽量高； ( 3 ) 节点的功耗低并且能够支持休眠模式。延长整个系统的工作寿命，节 点在大多数时间内处于休眠状态； ( 4 ) 成本要尽量低，以便实现网络化设计并能够方便普及； ( 5 ) 要有足够的外部通用i o 端口和通信接口来实现良好的扩展； ( 6 ) 安全性、可靠性要比较高； ( 7 ) 运行的速度要比较快。 射频芯片主要完成无线通信这块任务，要选择理想的模块，缩短开发周 期，降低成本，很好的完成通信任务，射频芯片要满足以下几个要求： ( 1 ) 外围元件数量要尽量少，因为这直接决定产品的成本。 ( 2 ) 发射功率要尽量高，在同等条件下，才能保证有效和可靠的通信。 ( 3 ) 芯片的封装尽量小，管脚数尽量少，适合产品的微型化设计。 本文中，微处理器模块和射频模块的选型主要是针对对这两款芯片及其 开发环境也非常熟悉的角度进行选择的，实验室之前就用这两款芯片做过很 多的实验，对微处理器模块的内部功能比较熟悉，而且这两款芯片也非常符 合我们的需要，下面将简单的介绍下我们所采用的两款芯片。 微处理器模块方面，监测节点选择低功耗的8 位a v r 系列单片机 a t m e g a l 2 8 l 作为微处理器模块。a t m e g a l 2 8 l 单片机是m e g a 系列a v r 单片机 中功能最强大的单片机之一引。此芯片非常适合作为z i g b e e 网络节点的微 处理器 ；射频芯片方面，采用c h i p c o n 公司推出的兼容2 4 g h z 的 i e e e 8 0 2 1 5 4 的无线射频芯片c c 2 4 2 0 d 引，具有很高的集成度，体积小，功耗 低，非常适合应用在无线传感器网络的应用系统中。图2 1 是c c 2 4 2 0 的内部 结构图，c c 2 4 2 0 提供一个s p i 接口与微处理器相连，通过这个接口进行寄存 器的设置和数据的收发，可以和微处理器非常方便的配合使用引。z i g b e e 协 议相对于其他的无线通信协议标准来说，协议栈紧凑并且实现简单，对硬件 的要求也较低。我们所采用的微处理器模块完全能满足z i g b e e 协议的需要。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 - 1 c c 2 4 2 0 的内部结构图 fi9 2 1in t e r n ais t r u c t u r eo fc c 2 4 2 0 c c 2 4 2 0 内部使用1 8 v 工作电压，功耗很低，适合于电池供电的设备， 图2 - 2 给出了c c 2 4 2 0 外围电路的一个实例。 根据我们所选择的芯片及实际需要，采用的硬件电路结构框图如图2 3 所示，汇聚节点的硬件设计和p c b 板的制作由张凯同学完成，监测节点的硬 件设计和p c b 板制作由姜秀峰同学完成，汇聚节点及监测节点的实物图见附 录3 。本文主要介绍了利用自主开发的监测节点进行实验的过程，由于篇幅 和研究内容多的原因，针对汇聚节点与监测节点相连接并进行整个系统的联 合调试作为下一步的工作进行，本文所进行的实验都是针对监测节点进行的， 后面的章节在组建z i g b e e 无线监测网络的时候所采用的都是同样的节点进 行实验的。 n 地田n a ( s o o h m ) 3 0 v power 图2 - 2c c 2 4 2 0 外围电路的实例图 f i9 2 - 2 p e rip h e r aicir c ui t sin s t a n c 6o fc c 2 4 2 0 微处理器模块 图2 - 3硬件电路结构框图 f i 9 2 3 s t r u c t u r eo fh a r d w a r ec ir c u i t 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 ：1 2微处理器与射频芯片的连接控制 本文中监测节点所采用的是基于设计的a t m e g a l 2 8 l + c c 2 4 2 0 硬件平台， 处理器通过8 条线就可以实现对c c 2 4 2 0 的控制，a t m e g a l 2 8 l 通过v r e g e n 和r e s e tn 两个引脚实现对c c 2 4 2 0 的使能和复位，通过s p i 接口与c c 2 4 2 0 交换数据、发送命令等；c c 2 4 2 0 通过s f d 、f i f o 、f i f o p 和c c a4 个引脚向 a t m e g a l 2 8 l 返回其收发数据的状态。接口连接图如图2 4 所示。 图2 - 4c c 2 4 2 0 与a t m e g a l 2 8 l 接口连接图 fi9 2 - 4in t e r f a c ec o n n e c tio nb e t w e e nc c 2 4 2 0a n da t m e g a l2 8 l 当a t m e g a l 2 8 l 要访问c c 2 4 2 0 时，先通过与p b 。相连接的s i 接口向c c 2 4 2 0 发送一个字节的地址信息，c c 2 4 2 0 接收到这个地址信息字节后，就会通过s o 接口向处理器返回一个8 位的状态字，表示c c 2 4 2 0 当前的状态，根据c c 2 4 2 0 的当前状态对其进行相应的操作。相应的状态字功能如表2 1 所示。 c c 2 4 2 0 每个命令选通寄存器的地址都是一条可执行指令，c c 2 4 2 0 收到写 命令选通寄存器的地址信息字节后，就会启动c c 2 4 2 0 的内部操作。c c 2 4 2 0 常用的命令选通寄存器及其相应的功能如表2 2 所示。 a t m e g a l 2 8 l 和c c 2 4 2 0 相连的状态位及其相应的功能如表2 3 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 表2 - 1c c 2 4 2 0 t b 应的状态字功能 t a ble 2 - 1 s t a t u sw o r df u n c tio no fc c 2 4 2 0 位名称含义及功能 0 一一一 保留位，忽略 r s s iv a l i d l o c k t xa c t i v e e n cb u z y t xu n d e r f l o w x o s c l 6 na t a b l e r s s i 是否有效：1 有效；0 无效 p l l 是否同步：1 同步；0 失锁 r f 传输是否忙：1 忙；o 空闲 加密模式是否忙：1 忙；0 空闲 发送f i f o 缓存区是否溢出：1 溢出；0 没溢出 1 6 m h z 振荡器是否振荡：1 振荡；0 不振荡 保留位，忽略 表2 - 2c c 2 4 2 0 常用命令选通寄存器及其功能 t a bie 2 - 2c o m m a n ds t r o b er e gis t e ra n d it sf u n c tio no fc c 2 4 2 0 命令选通寄存器地址功能 s n o po x 0 0 空操作，用于检查c c 2 4 2 0 的状态，在s p i 通信过程中 每发送一个字节就会将c c 2 4 2 0 的8 位状态位返回给处 理器 s x o s c o no x 0 1启动晶振振荡，用于c c 2 4 2 0 的初始化 s r x o n o x 0 3 使能c c 2 4 2 0 的接收机r x ，使其进入接收状态 s t x o no x 0 4使能c c 2 4 2 0 的发射机t x ，发射t x f i f o 中的数据 s t x o n c c a o x 0 5 硬件自动空闲信道检测，在信道空闲时使能t x s r f o f fo x 0 6关闭t x r x ，清除接收缓存区中的数据 s x o s c o f f o x 0 7 关闭晶振和射频收发器 s f l u s h r xo x 0 8刷新r x f i f o ，清除接收缓存区中的数据 s f l u s h t x o x 0 9 刷新t x f i f o ，清除发送缓存区中的数据 2 2 节点与节点的无线通信程序设计 2 2 1开发环境介绍 软件开发平台采用专门用于开发a v r 系列单片机的a v rs t u d i o 集成开发 1 2 3 4 5 6 7 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 环境，它主要包括：项目管理，调试( 软仿真和在线调试) ，a v rp r o g 程序 下载，j t a g 编程等功能m 1 ，对于与外设无关的程序，可以在a v rs t u d i o 中 选择软仿真方式来调试程序，对于与外设有关的程序，可以使用a v r s t u d i o 在线调试方式来调试程序，也可以在a v rs t u d i o 中使用j t a g 编程功能将二 进制可执行文件下载到目标板的f l a s h 中。由于此开发环境中没有集成c 语 言编译器，所以我们选用w i n a v r 开发工具，支持a v r g c c h 第三方c 语言编 译器，免费，开源，并且功能足够强大，但是没有集成开发环境，需要利用 m f i l e 来修改生成m a k e f i l e 文件。 表2 3a t m e g a l 2 8 l 和c c 2 4 2 0 相连的状态位及其相应的功能 t a bie 2 - 3s t a t u sbita t m e g a l2 8 liin k0 c 2 4 2 0a n de o r r e s p o n din gf u n c tio n 状态位功能 v r e ge n r e s e t n f i f o f i f o p s f d c c a 使该信号为高电平使能c c 2 4 2 0 电压调整器，使其产生c c 2 4 2 0 所需 要的1 8 v 电压，从而使c c 2 4 2 0 进入正常的工作状态 低电平有效，用于复位c c 2 4 2 0 ，使其恢复到出厂默认值 当接收缓存区r xf i f o 中至少有一个字节未被读出时，该信号为高 电平；当最后一个字节读出后，该信号即变为低电平。可用来判断 接收缓存区r x f i f o 中是否有数据 当接收缓存区r xf i f o 中的为读出的数据字节超过 i o c f g o f i f o p t h r 设定值时( 默认为1 2 8 字节) ，该信号变为高电 平。当一个完整数据包被接收以后也会变高。在这种情况下，当数 据从r x f i f o 中读出后，该信号变为低电平。当该信号为高电平时， 可以触发处理器的外部中断，进入中断，接收缓存区r x f i f o 中数据。 接收过程中，当检查到有效的起始帧分隔符后s f d 变为高电平，整 个数据包接收完成后变为低电平；发送过程中，当s f d 被发送后， s f d 信号变为高电平，整个数据包传完后立即变为低电平，可用来 判断是否接收到或传送完完整的数据包，这在程序设计中非常重要。 在接收状态下，c c 2 4 2 0 在经过8 个符号周期后，如果信道内没有数 据，c c a 信号变为高电平，否则低电平。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 5 页 来发送f i f o 缓存器；r x f i f o 寄存器，用来访问接收f i f o 缓存器。访问这2 个寄存器的时候，c c 2 4 2 0 传输的数据是8 位的，并且自动更新f i f o 缓存器 的读写指针。 程序的设计流程如图2 - 5 所示。 初始化i 0 、s p i 、 u a r t t 调用c c 2 4 2 0 i n i t o 函数 初始化射频芯片 初始化发射结构数据体 r f t x i n f o 中目标节点 的数据、地址、长度、有 效载荷等 0 调用r f r e e e i v e o n o 函 数，使n b r x , 打开全局中 断和f i f o p 中断 l 7 ， 调用r f s e n d p a c k e t o 函数发送数据 参 申r 獬出芨速甲l j 獭f h 芨送 成功信息和发失败信息和发 送的数据，并送的数据，并 蓝灯闪烁红灯闪烁 调用c c 2 4 2 0 i n i t o 函数 初始化射频芯片 ， 初始化发射结构数据体 r f t x i n f o 中目标岿点 的数据、地址、长度、有 效载衙等 调用r f r e e e i v e o n o 函 数，使能r x ，打开全局中 断和f i f o p 中断 死循环，等待中断 发生 参 翠f 1 獭出厦透申ii 獭出芨送 茂功信息和发失败信息和发 差的数据，并送的数据，并 蓝灯闪烁红灯闪烁 发射结点流程接收结点流程 图2 - 5程序设计流程图 fi9 2 。5p r o c e s so fp r o g r a md e sig n 整个无线通信程序主要包括以下3 个方面： ( 1 ) 系统初始化 系统初始化主要有端口初始化和射频芯片初始化两个部分，端口初始化 包括i o 初始化、s p i 接口初始化和u a r t 接口初始化，注意方向寄存器的设 置和串口波特率的设定等；调用c c 2 4 2 0 i n i t0 函数对射频芯片进行初始化， 此时要对寄存器进行设置，在a t m e g a l 2 8