基于CC2530的温湿度数据采集系统

基于 CC530 的温湿度数据采集系统设计 专业 电子信息工程 学生 签名 指导老师 签名 摘要 温湿度数据的采集 传输以及处理 广泛应用于森林火灾的防范 粮仓的温湿度控 制以及家庭智能化控制等领域内 针对传统的有线方式检测 采集 传输中节点分散需 要大量布线等问题 本设计主要从无线传感方向进行改进 本文介绍了一种基于 CC2530 和数字温湿度传感器的温湿度采集系统 该系统采用 Zigbee 无线通信技术结合传感器 通过运用 Zigbee 协议架构组建无线传感网络 实现主从节点的数据采集和传输 以及一 点对多点 两点之间的通信 并详细阐述了基于 Zigbee 协议栈的中心节点和终端节点 的协议传输 主要是从 Zigbee 协议栈网络层里 AODV 路由协议着手 阐述在网络层如何 通过 AODV 路由协议进行节点间的连接以及数据的收发 关键字 温湿度数据采集 CC2530 Zigbee 协议栈 无线传感网络 论文类型 应用型毕业论文 Title CC530 based temperature and humidity data acquisition system design Major Electronic and Information Engineering Name Hejieran signature Supervision zhangxiaoli signature ABSTRACT Temperature and humidity data acquisition transmission and processing widely used in some field like forest fire prevention warehouse temperature and humidity control and family intelligent control and so on In view of the traditional wired detection acquisition transmission nodes distributed needs a large number of wiring problem This design mainly from wireless sensing direction is improved This paper introduced one kind based on the CC2530and digital temperature and humidity sensor temperature and humidity gathering system the system adopts Zigbee wireless communication technology with sensor through the use of Zigbee protocol in wireless sensor networks architecture form realization of the master slave data acquisition and transmission and a point to multipoint communication between two points Described in detail based on the Zigbee protocol stack center node and the terminal node of the transmission control protocol mainly from the Zigbee protocol stack in AODV network layer routing protocol to in the network layer through the AODV routing protocol connections among the nodes and data transceiver Key words Temperature and humidity data acquisition CC2530 Zigbee Protocol stack Wireless sensor network Type of Thesis Application of graduation thesis 第一章 绪论 1 1 无线传感网络的研究背景 伴随着时代的进步 人们充分认识到了科技的力量 对科学的探索是永无止境的 人们在科学方面的探索已经达到了一个前所未有的水平 2003 年 美国 技术评论 杂 志论述未来新兴十大技术时 无线传感网络 WSN 被列为第一 美国 今日防务 杂志 更认为无线传感网络 WSN 的应用和发展将引起一场划时代的军事技术革命和未来战 争的变革 可以预测 无线传感网络 WSN 是信息感知和采集的一场革命 是 21 世纪 最重要的技术之一 作为 21 世纪 最具有影响力的改变世界的 10 大技术之一的无线传 感技术 其发展的技术日趋成熟 方向也开始多样化 在科技领域中也变得越来越重要 使得大量的应用方案开始采用无线技术进行数据采集和无线通信 数字家庭 无线通信 无线控制 无线定位和移动连接等词语也频频映入眼帘 有增无减的相关信息报道足以 预测这些新鲜事物必将具有强大的生命力和广阔的发展前景 无线传感网络 它是由大 量节点组成的 是面向任务的分布式网络 综合了传感器 嵌入式计算 现代网络及无 线通信 分布式信息处理等多领域的技术 通过各类微型无线传感器对目标信息进行实 时监测 实时采集 并且由嵌入式微处理器对所采集到的信息进行处理 并通过无线通 信网络将处理后的信息传送至远程用户端 然后通过相应的规则进行各种应用分析 无线网络传感器是一种将传感器 控制器 计算能力 通信能力完美的结合于一身 的嵌入式设备 它们跟外界的物理环境交互 实时的采集信息 并且将收集到的信息通 过无线传感器网络传送给远程用户 无线网络传感器一般 是由一个低功耗的微控制器 MCU 和若干个存储器 无线电 光通信装置 传感器等组件 所集成的 通过传感器 动臂机构 以及通信装置和它们所处的外界物理环境进行交互 一般说来 独立 的传感器功能是非常有限的 但是 如果将他们 大量地分布到 所需要检测的 物理环境 中 并组成一个无线传感网络 加上性能良好的软件系统平台 就能够完成强大的 状态监测 实时跟踪 环境监测等功能 随着微机系统和高集成低功耗数字设备的 发展 小体积 低成本 低功耗的传感器节点将得以实现 低功耗无线传感模块 便是 组成无线传感网络的节点 这样的节点若能配合各种类型的传感器 可组成无线传感器 网络 WSN 无线传感网络是一种开创了新的应用领域的新兴概念和技术 广泛应用 于医疗领域 大规模环境监测 智能建筑 战场监视 智能家装 工业自动化和大区域 内的目标追踪等领域 无线传感技术 无线传感网络已经被认定是最为重要的研究之一 无线传感器网络节点一般采用的是电池供电 工作环境也通常是比较恶劣的 而且数量 大 分布区域广 更换非常困难 所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一 因此 它迫切的需要对传统的嵌入式应用开发系统进行更新和改进 需要精心设计其软 硬件系统 以使其更加的可靠耐用 1 2 无线传感网络的研究现状 在多入多出 MIMO 和正交频分复用 OFDM 等基础技术支持下 无线通信技术得 到了蓬勃的发展 实现了与任何人或任何设备随时随地的进行相互联系相互通信 蓝牙 WIMAX Wi Fi 无线局域网和超宽带等无线通信技术都取得了长足的发展 无线技术 作为一门蓬勃发展的新兴科学技术 随着它所需要的几种重要的基础技术的不断推广和 充分的实际应用 实际检测 它的发展速度也将得到很大的提升 无线传感模块是无线传感网络中的节点 它是组成无线传感网络的基本组成部分 是属于无线技术中较为底层的一个分支 最早的代表性论述是出现在二十世纪九十年代 末的 是一篇题为 传感器走向无线时代 的文章 传感技术的发展经历了三个阶段 一般传感器 智能传感器 无线传感器 一般传感器 是最早产生的传感器 能实现的 只是数据的采集 智能传感器 则是在一般传感器的基础上进行改进 使传感器具有计 算处理能力 这样传感模块不但能够实现数据等信息的实时采集 还能对所采集到的数 据信息进行一定程度的计算和处理 便于进行监控 无线传感器 则是在智能传感器的 基础上集成无线功能的模块 使得传感器不再是单独的数据采集模块 而是使之成为一 个能够实现数据实时采集 计算和处理 数据信息交换和控制的有机整体 由于越来越 多的实际应用方案中开始采用无线节点进行数据采集 处理和通信 无线传感器综合了 现代网络 嵌入式计算技术 传感器技术 分布式信息处理技术及无线通信技术等的无 线传感基础科技 成为了当前最热点的研究领域 而整个网络可靠性的重要保障就是无 线传感网络节点能够稳定的运行 因此在设计无线传感模块时 传感网络 传感技术已 经是被认定了的最为重要的研究之一 当前国内外研究领域中有许多无线传感器网络节点的硬件平台相继出现 其中比较 典型的节点有Telos Mica 系列 Imote2 和IRIS等 这些平台主要是采用了不同的处 理器和无线通信模块 Telos Mica系列的一些节点 设计的时间较早 其性能已经落 后于当前的一些工业设计中集成电路的水平 但是Imote2 节点 它具有高性能 但是 功耗比较大 不能适用于能量要求严格的应用环境 由于无线传感器网络节点通常采用 的是电池供电 工作环境比较恶劣 而且节点数量庞大 电池更换非常困难 因此低功 耗是无线传感器网络中最重要的设计准则之一 后来的研究成果中 如MIT所研发的模 块化平台对于不同的传感器有不同的硬件设计 为了设计一个通用的系统来取代单一的 硬件系统 他们的传感器采用垂直连接器来使不同的处理层整合到一起来进行数据收集 I ntel Mote 的研究项目则注重了包括低系统级集成 功耗操作和硬件的重新配置三个方 面的要求 希望能够平衡功耗与性能之间的矛盾 但要实现目标还需要一定的努力 传感技术将会随着计算机技术 集成技术以及电子技术的高速发展 得到不断的推 广和完善 并且会有结构新 功能强 耗能低的传感器更多的用运于各种实际的无线网 络当中 以良好的稳定性和高精确度服务于更加广泛的领域 1 3 无线传感网络的应用前景 在城市中 随着经济的持续发展和产业调整 大批人口将向城市转移 城市人口将 不断增加 同时 经济活动日趋频繁 商业活动将更加活跃 汽车的使用数量和使用频 率也将大大提升 将会给城市的交通运输带来很大的压力 停车难 的问题也将会成 为制约我国经济发展的瓶颈 修建新的停车场和新的交通设施虽然能够解决部分问题 但是由于其费用高昂而且建设周期也相对较长 还会受到土地使用和城市规划等很多方 面的因素的制约 所以 只有在进行硬件设施的建设当中充分的利用现代科学技术 借 助国内外交通发展过程中所总结的各种经验 并能够很好的引进我国的城市停车系统 运用软 硬件相结合的方式 为城市建设节省出一大笔费用 同时也能改进停车能的问 题 无线传感技术在医疗领域的应用主要包括跟踪治疗 移动观察 远程医疗 患者数 据管理 药物跟踪 手机求救 病人数据收集 医疗垃圾跟踪和短信沟通等多方面的新 应用 最近几年 无线通信技术在国内外医疗市场上得到了广泛的应用 无限医疗设备 的应用迅猛增长 一个报告指出 欧洲的无线医疗设备的销售额将从 2003 年的 9800 万 美元增加到 2008 年的 4 458 亿美元 主要原因是医护人员希望改善工作流程 增加生 产力和改善病人的满意程度 还有增加新的应用 如电子病历 临床疗法决定等 通过建立完善的 Zigbee 网络 智能建筑可以感知随处可能发生的火灾隐患 及早 提供相关信息 根据人员分布情况自动控制中央空调 实现能源节约 及时掌握酒店客 房内客人的出入信息 以便在有突发事件时能及时准确的发出通知 确保客人的人身财 产安全 在机场 持有 Zigbee 终端的乘客们可以随时得到导航信息 比如登机口的位置 航班的变动 甚至附近有那些商店等 能够更好的为乘客们提供方便快捷的机场服务 在工业自动化领域内 人们可以通过 Zigbee 网络实现厂房内不同区域的温湿度监 控 及时得到机器运转状况的信息 结合 RF 标签 可以方便的统计库存量 等等 在 医院 Zigbee 网络可以帮助医生及时准确的收集急诊病人的相关信息和检查结果 快速 准确的做出诊断 戴有 Zigbee 终端的患者可以得到 24 小时的体温 脉搏控制 配有 Zigbee 终端的担架可以遥控电梯门的开关 在医院 时间就是生命 Zigbee 网络可 以帮助医生和患者争取每一分每一秒的时间 如果沿着街道 高速公路及其他地方分布式的装有大量的 Zigbee 终端设备 就能 够不用担心会迷路 安装在汽车里的设备将会准确的告诉我们当前所处的位置 正向何 处去 虽然全球卫星定位系统 GPS 也能提供类似的服务 但是这种新型的 Zigbee 分 布式系统能够向我们提供更精确 更具体的信息 即使在 GPS 没有覆盖不到的楼内或隧 道内 仍然能够继续使用该系统 从 Zigbee 无线网络系统中能够得到更加精确 更加 具体的数据信息 如限速 街道是单行线还是双行线 前面每条街道的交通情况或事故 信息等 使用这种系统 也可以跟踪公共交通情况 可以适时的赶上下一班车 而不至 于在寒风中或烈日下在车站等车 基于 Zigbee 技术的系统还可以开发出许多其他的功 能 例如 在不同的街道 不同的时间段 不同方向上的来车 根据交通流量来自动控 制交通红绿灯的时常 以及追踪被盗汽车或超速汽车等应用 为了推动 Zigbee 技术的发展 Chipcon 已被 TI 公司收购 公司于 Ember Freesacal Honeywell Mistubishi Motorla Philips Samsung 等公司共同成立了 Zigbee 联盟 目前该联盟以及包含一百五十多家成员 该联盟主席 Rober F Haile 曾 于 2004 年 11 月访问中国 以免专利的方式吸引中国本地企业加入 根据市场研究机构 预测 低功耗 低成本的 Zigbee 技术在未来几年内将会得到快速的增长 2006 年全球 Zigbee 器件的出货量已达到 1000 万个 2007 年年底将近一亿个 2008 年将超过 1 5 亿 个 其中 2006 年 Zigbee 芯片供应方面 TI 以及 Ember 公司位列前两位 这一预言正 从 Zigbee 联盟以及其成员近期的一系列活动和进展中得到验证 在标准林立的短距离 无线通信领域 Zigbee 的快速发展可以说是另人有些始料不及的 从 2004 年年底标准 确立 到 2005 年年底相关芯片及终端设备总共销售了 1500 亿美元 比被业界 炒 了 多年的蓝牙 Wi Fi 产品进展都要快 Zigbee 技术在 Zigbee 联盟和 IEEE 802 15 4 的推动下 结合其他无线技术 可以 实现无所不在的网络 它不仅在工业 农业 军事 环境 医疗等传统领域具有巨大的 应用价值 未来在应用中还可以涉及人类日常生活和社会生产活动所有领域 由于各方 面的制约 Zigbee 技术的大规模的商业应用还有待时日 但已经显示出了非凡的应用价 值 相信随着相关技术的日趋成熟和发展推进 一定会得到更广泛的应用 但是 我们 还应该清楚的认识到 基于 Zigbee 技术的无线网络才刚刚开始发展 他的技术 应用 都谈不上很成熟 国内企业应该抓住商机 加大投入人才力度 推动整个行业的发展 1 4 本论文的主要内容 本论文是基于 CC2530 的温湿度数据采集系统设计 在绪论中 简单的阐述了无线 通信 无线传感的研究背景 国内外的发展现状以及无线通信技术的发展前景 随着在 无线通信中所用到的各种基础科技的不断成熟 无线通信 无线传感等的研究也不断的 进步 并且展现出蓬勃的生命力 在各个领域内都会起到重要的作用 这将会成为今后 的科技发展主流 本文的论述重点是在于实现温湿度数据采集的设计 主要分为三个大部分 一是实 现无线传感的硬件模块 二是实现无线传感的软件支持 也就是基于 Zigbee 协议架构 的编程 第三部分是本设计所得出的一些结论 在第一部分中 介绍了无线传感的硬件模块 包括了无线传感的基本构成 实现原 理以及常用到的一些传感器节点和本设计中用到的实验箱 对无线传感网络的整个体系 结构进行了具体的阐述 第二部分中 首先从整体上介绍了 Zigbee 的体系架构 包括 Zigbee 技术的发展前 景 低功耗低速率的特点以及其网络拓扑结构 Zigbee 技术弥补了在无线通信市场中低 成本 低功耗 低速率的的空缺 Zigbee 技术成功的关键主要是在于便捷而丰富的应用 并不是技术的本身 随着 Zigbee 技术的日趋成熟 更多的力量将会转到应用的设计 实现互联互通测试和市场的推广等方面的研究 Zigbee 是以一个个独立的工作点为依托 通过无线通信组成星状 树桩或网状网络 同时 Zigbee 技术是一种应用于短距离范围 内的低传输速率下的各种电子设备之间的无线通信技术 其特点有低功耗 可靠性以及 高度扩展性 其次 在此基础上对 Zigbee 协议栈的整体架构中 应用层 物理层 MAC 层 网络层以及其他的 OSAL Zmain Tools 等进行了简单的阐述 主要对是其中网络 层的功能描述 功能实现 实现原理以及其中的所涉及到的几种常见的路由协议的论述 AODV 路由协议是本论文的重点 在第二部分中 详细的介绍了 AODV 路由协议的原理 路由表结构和其协议控制分组格式 也就是路由请求 RREQ 路由应答 RREP 路由 错误 RERR 以及 HELLO 消息的报文格式和其中每段的意义 基本类型 以及标志位所代 表的意义 并以流程图的形式说明了各个路由协议控制帧的发送流程 并且对 AODV 路 由协议算法的基本操作进行了详细的描述 描述了为了与目的节点进行单播通信 节点 是在怎样的条件下 怎样产生路由请求 RREQ 路由应答 RREP 和路由错误 RERR 消 息的 这些消息产生后是怎样处理的 为了正确处理这些信息 其中的一些状态信息是 如何在相对应的目的节点的路由表项中进行保存的等问题 第三部分是结论部分 总结了本设计在设计过程中所得出的结论 实现对温湿度数 据的采集 并且提出协议中一些需要改进的方向 以及今后的研究努力方向 附录中主要是对 AODV 协议中一些函数的说明 1 5 本论文的结构安排 1 5 1 第一章绪论部分 阐述了无线通信 无线传感的研究背景 国内外的发展 现状以及无线通信技术的发展前景 1 5 2 第二章为正文部分 包括两大部分 实现温湿度数据采集的硬件部分以及 实现其软件部分 实现温湿度数据采集的硬件部分主要包括 无线传感基本结构 无线传感实现 原理 本设计所使用的实验箱以及软件支持 常见的无线传感模块以及实现基于 CC2530 的温湿度采集系统节点模块设计 实现温湿度数据采集的软件部分主要包括 Zigbee 技术概述 Zigbee 协议栈 整体架构 Zigbee 协议栈网络层 AODV 路由协议 Zigbee 技术概述中主要包括 Zigbee 技术的广阔应用前景 其低功耗低速率技术 特点 其网络拓扑和路由 Zigbee 协议栈网络层主要包括 网络层概述 网络层所实现功能 网络层中常用路 由协议 AODV 路由协议主要包括 协议概述 协议的基本原理 AODV 路由协议消息控制帧 以及一个 AODV 建立和维持路由的举例 1 5 3 第三章为结论部分 总结了本设计在设计过程中所得出的结论 以及今后 的研究努力方向 第二章 温湿度数据采集模块 2 1 无线传感基本结构及实现原理 无线传感器网络在设计目标方面与传统的无线网络有所区别 前者是以数据为中心 的 后者以传输数据为目的 在无线传感器网络中 因为节点通常运行在人无法接近的 恶劣甚至危险的远程环境中 所以除了少数节点需要移动以外 大部分节点都是静止不 动的 在被监测区域内 节点任意散落 节点除了需要完成感测特定的对象以外 还需 要进行简单的计算 维持互相之间的网络连接等功能 并且由于能源的无法替代以及低 功耗的多跳通信模式节 设计无线传感节点时 有效的延长网络的生命周期以及节点的 低功耗成为无线传感器网络研究的核心问题 在节省功耗的同时增加通信的隐蔽性 避 免长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响 也都是在设计传感器网络时需要攻克的 新难题 无线传感器节点模型无线传感器节点模型 无线传感网络的建立是基于传感器加无线传输模块的 传感器采集的数据 简单处 理后经过无线传输模块传到服务器或应用终端 目标 观测节点传感节点和感知视场是 无线传感器网络所包括的4个基本实体对象 另外 要完成对整个系统的应用刻画 还 需要对远程任务管理单元 外部网络和用户进行定义 大量传感节点随机部署 单个节 点经过初始的通信和协商 通过自组织方式自行配置 形成一个传输信息的单跳链接或 一系列的无线网络节点组成的网络 协同形成对目标的感知视场 传感节点检测的目标 信号经过传感器本地简单处理后通过单播或广播以多跳的方式通过邻近传感节点传输到 观测节点 用户和远程任务管理单元则能够通过卫星通信网络或Internet等外部网络 与观测节点进行数据信息的交互 观测节点向网络发布查询请求和控制指令 接收传感 节点返回的目标信息 无线传感器网络通信体系结构无线传感器网络通信体系结构 无线传输模块可以实现短距离 小于 300 米 的信号传输 在实际应用中 需要根 据不同需求选择传感器 如电压电流 功耗 温湿度 液面 震动 压力等等 无线传感器网络应用系统架构无线传感器网络应用系统架构 2 2 温湿度数据采集 2 2 1 温湿度数据采集原理 温湿度探头直接使用 IIC 接口进行控制 其电路原理图如下所示 本实验将使用 CC2530 读取温湿度传感器 SHT10 的温度和湿度数据 并将采样到的 数据转换然后再 LCD 显示 其中对温湿度的读取是利用 CC2530 的 I O P1 0 和 P1 1 模拟一个类 IIC 得过程 2 2 2 实验中所用芯片 SHT10 SHT10 是一款高度集成的温湿度传感器芯片 提供全标定的数字输出 它采用专 利的 CMOSens 技术 确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性 传感器包括一个 电容性聚合体测湿敏感元件 一个用能隙材料制成的测温元件 并在同一芯片上 与 14 位的 A D 转换器以及串行接口电路实现无缝连接 SHT10 引脚特性如下 1 VDD GND SHT10 的供电电压为 2 4 5 5V 传感器上电后 要等待 11ms 以越 过 休眠 状态 在此期间无需发送任何指令 电源引脚 VDD GND 之间可增加一个 100nF 的电容 用以去耦滤波 2 SCK 用于微处理器与 SHT10 之间的通讯同步 由于接口包含了完全静态逻辑 因而不存在最小 SCK 频率 3 DATA 三态门用于数据的读取 DATA 在 SCK 时钟下降沿之后改变状态 并仅在 SCK 时钟上升沿有效 数据传输期间 在 SCK 时钟高电平时 DATA 必须保持稳定 为 避免信号冲突 微处理器应驱动 DATA 在低电平 需要一个外部的上拉电阻 例如 10k 将信号提拉至高电平 上拉电阻通常已包含在微处理器的 I O 电路中 向 SHT10 发送命令 用一组 启动传输 时序 来表示数据传输的初始化 它包括 当 SCK 时钟高电 平时DATA 翻转为低电平 紧接着 SCK 变为低电平 随后是在 SCK 时钟高电平时 DATA 翻转为高电平 后续命令包含三个地址位 目前只支持 000 和五个命令位 SHT10 会以下述方 式表示已正确地接收到指令 在第 8 个 SCK 时钟的下降沿之后 将 DATA 拉为低电平 ACK位 在第 9 个 SCK 时钟的下降沿之后 释放 DATA 恢复高 电平 测量时序 RH 和 T 发布一组测量命令 表示相对湿度 RH 表示温度 T 后 控制器要等待 测量结束 这个过程需要大约 11 55 210ms 分别对应 8 12 14bit 测量 确切的时间 随内部晶振速度 最多有 15 变化 SHTxx 通过下拉 DATA 至低电平并进入空闲模式 表示测量的结束 控制器在再次触发 SCK 时钟前 必须等待这个 数据备妥 信号来 读出数据 检测数据可以先被存储 这样控制器可以继续执行其它任务在需要时再读出 数据 接着传输 2 个字节的测量数据和 1 个字节的 CRC 奇偶校验 需要通过下拉 DATA 为低电平 uC 以确认每个字节 所有的数据从 MSB 开始 右值有效 例如 对于 12bit 数据 从第 5 个 SCK 时钟起算作 MSB 而对于 8bit 数据 首字节则无意义 用 CRC 数据的确认位 表明通讯结束 如果不使用 CRC 8 校验 控制器可以在测量 值 LSB 后 通过保持确认位 ack 高电平 来中止通讯 在测量和通讯结束后 SHTxx 自动转入休眠模式 通讯复位时序 如果与 SHTxx 通讯中断 下列信号时序可以复位串口 当 DATA 保持高电平时 触发SCK 时钟 9 次或更多 在下一次指令前 发送一个 传输启动 时序 这些时序 只复位串口 状态寄存器内容仍然保留 2 2 3 主程序程序流程图 开始 系统时钟初始化 读取温湿度数据 显示温湿度数据 LCD 初始化 2 2 4 核心程序代码 void main int tempera int humidity char s 16 UINT8 adc0 value 2 float num 0 SET MAIN CLOCK SOURCE CRYSTAL 设置系统时钟源为 32MHz 晶体振荡器 GUI Init GUI 初始化 GUI SetColor 1 0 显示色为亮点 背景色为暗点 GUI PutString5 7 25 6 OURS CC2530 显示 OURS CC2530 GUI PutString5 7 10 22 Temp GUI PutString5 7 10 35 Humi GUI PutString5 7 10 48 Light LCM Refresh while 1 th read 读取温度和湿度 sprintf s char d d C INT16 int tempera 10 INT16 int tempera 10 将温度结果转换为字符串 GUI PutString5 7 48 22 char s 显示结果 LCM Refresh sprintf s char d d INT16 int humidity 10 INT16 int humidity 10 将湿度结果转换为字符串 GUI PutString5 7 48 35 char s 显示结果 LCM Refresh 3 本设计所使用的实验箱以及软件支持 3 1 所使用的试验箱概述 物联网创新实验系统 IOV T 2530 采用系列传感器模块和无线节点模块组成无线传 感网 扩展嵌入式网关实现广域访问 可实现多种物联网构架 完成物联网相关的各种 传感器的信息采集 无线信号收发 Zigbee 网络通讯 组件控制全过程 该工具箱提供 了无线传感网通信模块 基本的传感器及控制器模块 嵌入式网关 计算机服务器参考 软件等 实验系统形式如下图 3 2 实现基于 CC2530 的温湿度采集系统节点模块设计 实验系统包含 4 个无线传感网通信节点和一个无线网络协调器 其结构如下 无线节点模块 主要有射频单片机构成 MCU 是 TI 的 CC2530 2 4G 载频 棒状天 线 传感器及控制模块 系列传感器模块 包括温湿度传感模块 继电器模块和 RS232 模块等 也可以通过总线扩展用户自己的传感器及控制器部件 电源板或智能主板 即实现无线节点模块与传感及控制模块的连接 又实现系统 供电 目前主要有两节电池供电 保留外接电源接口 可以直接有直流电供电 节点图如下 第三章 基于 CC2530 的 Zigbee 协议栈 3 1 基于 CC2530 的 ZIGBEE 协议栈 3 1 1 Zigbee 技术的广阔应用前景 Zigbee 技术的使用与发展很大程度上弥补了无线通信市场上低功耗 低成本 低速 率的空缺 Zigbee 技术发展成功的关键更多的是因为丰富而便捷的应用 并不是技术本 身 随着 Zigbee 技术的深入发展和应用 越来越多的注意力和研究力量将会转到应用 的设计 实现互联互通测试和市场的推广等方面 Zigbee 技术的关键点是发展一种易布 建 低成本 低功耗的无线网络 其低耗电性将使产品的电池能维持 6 个月到数年的时 间 对 Zigbee 技术的应用前景预测被非常好 Zigbee 在未来的几年里将在工业无线定 位 工业控制 消费电子 汽车自动化 家庭网络 楼宇自动化 医用设备控制等多个 控制领域具有广泛的应用前景 特别是工业控制和家庭自动化 将成为今后 Zigbee 芯 片的主要应用领域 通常符合下列条件之一的应用 就可以考虑采用 Zigbee 技术 网点多 需要数据采集或监控的网点多 低传输量 要求传输的数据量不大且要求数据成本低 可靠性高 要求数据传输可靠性 全性高 体积小 设备体积很小 体积较大的充电电池或者电源模块不便放置 电池供电 覆盖量大 所需检测点监测点多 地形复杂 需要较大的网络覆盖面积 现有移动网络的覆盖盲区 遥测 遥控系统 使用现存移动网络进行的低数据量传输 局部区域移动目标的定位系统 使用 GPS 效果差 成本高的 根据 Zigbee 联盟的观点 一般家庭可将 Zigbee 应用于以下装置 灯光 窗帘的自动控制以及空调系统的温度控制器 紧急呼叫器 老年人与行动不便者或者病患的紧急呼叫 各种电子设备 家用电器的万能遥控器 电脑等的无线键盘 无线鼠标 摇杆 玩具等 家庭烟雾浓度侦测器 家具智能型标签 Zigbee 无线传感网络是就是 Zigbee 应用方案的经典应用 无线传感网络是基于 IEEE802 15 4 技术标准和 Zigbee 网络协议而设计的无线数据传输网络 该网络主要应 用在压力过程控制数据采集 流量过程控制数据采集 温度湿度监控 楼宇自动化 工 业控制 数据中心 社区安防 设备监控 环境数据监控 制冷监控 仓库货物监控等 方面 适用于蔬菜大棚温度 湿度和土壤酸碱度监控 钢铁冶炼温度控制 煤气抄表等 各个领域 这种网络主要用于无线系统中短距离的连接 提供传感器网络接入 能够满 足各种传感器的数据输出和输入控制的命令和信息的需求 实现系统网络化 无线化 这种网络是低速率的无线传感网络 射频传输成本低 各节点只需要很少的能量 低功 耗 适用于电池长期工作供电 可实现一点到多点 两点之间的对等通信 快速组网自 动配置 自动恢复和高级电源管理 网络中任意个传感器之间可相互协调实现数据通信 3 1 2 低功耗低速率技术特点 Zigbee 技术是一种应用于各种电子设备之间的无线通信技术 这种通信组网是基于 中短距离范围内 低传输速率下的 根据 Zigbee 技术的本质 它具有下列特性 1 低功耗 在非工作模式时 Zigbee 节点是处于休眠状态的 Zigbee 设备休眠激 活时延为 15ms 搜索时延一般为 30ms 由于收发信息低功耗 工作时间短 且采用了 休眠模式 使 Zigbee 节点耗电极少 其电池工作时间可长达 6 个月到 2 年左右 同时 由于电池使用时间取决于电池种类 容量和应用场合等很多因素 因此 Zigbee 技术在 协议上对电池的使用也做了优化 对于某些工作实践和总时间之比小于 1 的情况 电池 寿命甚至可以超过 10 年 工作模式下 Zigbee 信号的收发时间短 因为传输数据量小 传输速率低 2 高度扩展性 通过 Network Coordinator 的网络最多可达到 6500 个 Zigbee 网络节点 再加上 Network Coordinator 的可互相连接性 整体 Zigbee 网络节点数目将十分庞大 但是 就一般来说 一个 Zigbee 的网络最多包括 255 个 Zigbee 网络节点 有一个是 Master 设备 其余则都是 Slave 设备 3 可靠性 Zigbee 技术中为了提高可靠性 在 Zigbee 介质接入控制层 MAC 层 中 采用了 talk when ready 的碰撞机制这是一种完全确定的数据传输机制 在这种传输机 制下 当有数据需要传送时 则立刻传送 每个数据包的发送都必须等待对方的确认消 息 并进行信息确信回复 如果没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞 将再传一 次 这种方法的采用可以提高系统传输的可靠性 同时 Zigbee 针针对时延敏感的应用 也做了优化 通过时延和休眠状态激活的时延都非常短 也为需要固定带宽的通信业务 预留了专用时隙 避免了发送数据时的竞争和冲突 3 1 3 网络拓扑和路由 Zigbee 每个节点的功能并非相同 因为它是以一个个独立的工作点为依托 通过无 线通信组成星状 树桩或网状网络 有半功能设备 RFD 和全功能设备 FFD 之分 负责与所控制的子节点汇聚数据 通信和发布控制 或起到通信路由的作用 称之为全 功能设备 FFD 另外还有一些节点 也就是系统中大部分节点 为子节点 从组网通 信上 它只是其中功能的一个子集 并成为半功能设备 RFD 每个网络都有一个相当于现在有线局域网中的服务器的唯一的协调器 具有对本网 络的管理能力 网络中的全功能节点可作为路由器 协调器以及终端节点来使用 而半 功能节点只能由终端节点使用 在任何一种网络拓扑结构中 每个独立的网络都有一个唯一的网络号 PAN 标识符 利用 PAN 标识符 采用 16 位的短地址码进行网络设备间的通信 并可激活网络设备之 间的通信 Zigbee 路由和协调器需要对路由表进行维护 Zigbee 路由和协调器也可以保存一 定数据量得入口 仅仅在路由维护时使用这些入口 或者在耗尽所有其他的路由容量的 情况下使用这些入口 路由选择是在网络中的设备相互合作条件下建立路由的一个流程的选择 并且该流 程通常与特定的源地址和目的地址相对应 路由选择包括如下流程 1 路由搜索的初始化 2 接受路由请求命令帧 3 接受路由应答命令帧 3 2 Zigbee 协议栈整体架构 ZigbeeZigbee 协议结构体系协议结构体系 Zigbee 协议栈由一组子层组成 每一层为其上层提供一定的特定服务 一个数据实 体提供数据传输服务 一个管理实体提供管理 维护等服务 每个服务实体通过一个服 务接入点 SAP 为其上层提供服务接口 并且每个服务接入点 SAP 提供了一系列的 基本服务指令来实现相应的功能 Zigbee 协议栈中包括应以下各个子层 APP Application Programming 应用层目录 这是用户创建各种不同工程的区 域 在这个目录中包含了应用层的内容和这个项目的主要内容 在协议栈里面一般是以 操作系统的任务实现的 HAL Hardware H W Abstraction Layer 硬件层目录 包含有与硬件相关的 配置和驱动及操作函数 ZigBee 硬件层通过射频固件和射频硬件提供了一个从 MAC 层 以硬件层无线信道的接口 在硬件层中 包含一个硬件层管理实体 PLME 该实体 通过调用硬件层的管理功能函数 为硬件层管理服务提供其接口 同时 还负责维护由 硬件层所管理的目标数据库 该数据库包含有硬件层个域网络的基本信息 物理层结构模型物理层结构模型 MAC 介质接入控制子层 包含了 MAC 层的参数配置文件及其 MAC 的 LIB 库的函数 接口文件 实现的功能有 1 能产生网络信标 2 支持 PAN 的连接和断开连接 3 同信标保持同步 4 在对等的 MAC 实体之间提供一个可靠的通信链路 5 处理和维护 GTS 机制 6 信道接入采用 CSMA CA 接入机制 7 支持设备的安全性 介质访问控制 层 MAC 帧被称为 MAC 协议数据单元 MPDU 其长度不超过 127 个字节 它具有四种不 同的帧形式 即信标帧 数据帧 确认帧和命令帧 MT Monitor Test 实现通过串口可控各层 与各层进行直接交互 NWK ZigBee Network Layer 网络层目录 含网络层配置参数文件及网络层库 的函数接口文件 APS 层库的函数接口 OSAL Operating System OS Abstraction Layer 协议栈的操作系统 Profile AF Application work 层目录 包含 AF 层处理函数文件 Security 安全层目录 安全层处理函数 比如加密函数等 Services 地址处理函数目录 包括着地址模式的定义及地址处理函数 Tools 工程配置目录 包括空间划分及 ZStack 相关配置信息 ZDO ZigBee Device Objects ZDO 目录 ZMac MAC 层目录 包括 MAC 层参数配置及 MAC 层 LIB 库函数回调处理函数 ZMain 主函数目录 包括入口函数及硬件配置文件 Output 输出文件目录 这个 EW8051 IDE 自动生成的 3 3 Zigbee 协议栈网络层 3 3 1 网络层概述及其实现功能 ZigBee 网络层必须提供功能 其的主要就是提供一些必要的函数 以保证 IEEE 802 15 4 2003ZigBee 协议栈的 MAC 层能够正确操作 正常工作 并且为应用层提供一 个合适的服务接口 为了和应用层通信 必须向其提供接口 网络层的概念包括了两个 必要的功能服务实体 提供必要的功能 它们分别为数据服务实体 NLDE 和管理服务 实体 NLME 网络层数据实体 NLDE 通过网络层相关的数据库服务接入点 NLDE SAP 提供数据传输服务 网络层管理实体 NLME 通过网络层相关的管理库服务接入 点 NLME SAP 提供网络管理服务 网络层管理实体利用网络层数据实体来获得一些网 络管理任务 并完成一些网络的管理工作 并且 网络层管理实体还维护一个管理对象 的数据库 叫做网络信息库 NIB 网络层管理实体完成对网络信息库 NIB 的维护 和管理 1 网络层数据实体 NLME 网络层数据实体提供一个数据服务 同一个网络中 即在同一个内部个域网中的两 个或者更多的设备之间传送数据时 允许一个应用程序将按照应用协议数据单元 APDU 的格式进行传送数据 网络层数据实体提供如下服务 生成网络级别的协议数据单元 网络层协议数据单元 PDU NPDU 网络层数 据实体 NLME 通过增加一个适当的协议头 从应用支持子层的协议数据单元 PDU 中生 成网络层的协议数据单元 NPDU 指定拓扑传输路由 网络层数据实体能够发送一个网络层的协议数据单元到一 个合适的设备 该设备可以是最终的目的通信设备 也可能是通信链路中到最终目的节 点的下一个节点 2 网络层管理实体 网络层管理实体提供网络管理服务 允许一个应用程序与堆栈相互作用 并且网络 层管理实体还维护一个叫做网络信息库 NIB 的管理对象的数据库 网络层管理实体应该提供如下服务 配置一个新的设备 为所需的操作充分配置协议栈的功能 为保证设备正常工 作的需要 满足配置的需要 设备应该具有足够堆栈 配置选项中包括对一个 ZigBee 协调器的操作 或加入一个已存在的网络 开始一个网络 建立一个新的网络功能 使之具有建立一个新网络的能力 加入 重新加入和离开一个网络 实现加入 重新加入和离开一个网络的功能 以及为一个 ZigBee 协调器或者 ZigBee 路由器请求一个设备离开网络的能力 具有连接 或者断开一个网络的能力 寻址 ZigBee 协调器和 ZigBee 路由器具有为新加入网络的设备分配地址的能力 邻居设备发现 具有发现 记录和汇报有关单跳邻居设备信息的能力 路由发现 具有发现和记录有效地传送信息的网络路由能力 即信息可以有效 的传达 收控制 具有控制设备接收机接收状态的能力 即控制何时接收者是激活的 以及接收激活时间的长短 从而使 MAC 层的同步或者直接接收等 路由 具有使用不同路由机制的能力 有单播 多播 广播等 使得路由能够 在网络中高效率的交换数据 3 网络层服务规范 网络层通过两种服务访问点 SPA 提供相应的两种服务 它们分别是网络层数据 服务 NLDE 和网络层管理服务 NLME 网络层数据服务通过网络层数据实体服务接 入点接入 网络层管理服务通过网络层管理实体服务接入点接入 这两种分别服务通过 MCPS SAP 和 MLME SAP 接口为 MAC 层提供接口 这些接口之外 在 NLDE SAP 和 NLME SAP 之间有一个隐藏的借口 允许 NLME 使用网络层的数据服务 NWK 层的组件以及接口如下图所示 网络层参考模型网络层参考模型 3 3 2 网络层中常用路由协议 在移动 Ad hoc 网络中 随着节点移动 网络拓扑结构在不断变化 如何迅速准确 地选择网络路由的问题 是移动 Ad hoc 网络的一个重要核心的问题 常规的距离向量 算法 DVA 和链路状态算法 LSA 不能满足 Ad Hoc 网络中的动态变化的网络拓扑结构 单向信道的存在 有限的无线传输带宽 无线移动终端的局限性等特点 因此 自 20 世纪 70 年代美军 DARPA 资助的分组无线网络项目开展以来 国内外的许多研究人员 从不同的角度提出了一系列的移动 Ad hoc 网络路由协议 这些协议必须处理好移动 Ad hoc 网络的以上特点 根据发现路由的驱动模式的不同 可将这些路由协议分为表驱动 路由协议和按需路由协议 如图所示 表驱动路由协议又称为主动式 或先应式 的路由协议 Proactive Protocols 是 一种基于表格的路由协议 该路由协议试图维护网络中各个节点到其余所有节点的最新 路由信息 所有路由信息都保持一致 这个路由协议中 每个节点都维护一张或多张表 格 这些表格中包含到达网络中所有其他节点的路由信息表 当检测到网络拓扑结构有 变化发生时 节点在网络中发送更新消息 收到更新消息的节点便更新自己的表格 以 维护路由信息的一致 及时 准确 拓扑更新消息在网络中传播的方式和需要存储的表 的类型决定了不同的表驱动路由协议的区别 表驱动路由协议根据变化更新路由表 不 断的检测网络拓扑和链路质量的变化 所以路由表可以准确地反映网络的拓扑结构 只 要源节点发送报文 就能够立即取得到达目的节点的路由 目前常见的有 C E Perkins 在 1994 年提出的 DSDV 路由协议 CGSR 路由协议以及 WRP 路由协议等 DSDV 路由协议是一种无环路距离向路由协议 它是传统的 Bellman Ford 路由协议的改进 在 DSDV 中 每个移动节点都需要维护一个路由表 路由表表项 其中包括目的节点 跳数和目的地序号 其中目的节点分配目的地序号 主要用于判别 路由是否过时 并且能够