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地铁温度检测系统计划书目 录第一章 绪 论11.1 课题研究的背景和意义11.1.1 地铁温度检测系统的发展现状11.1.2 课题研究的意义11.2 无线传感器网络研究综述11.2.1 无线传感器网络概述11.2.2 无线传感器网络的特点21.2.3 无线传感器的研究现状及应用31.3 论文结构与研究内容4第二章 ZigBee技术的基础52.1 ZigBee技术概述52.2 ZigBee技术优点52.3 ZigBee协议栈结构62.4 ZigBee网络设备类型82.5 ZigBee网络拓扑结构82.6 ZigBee技术应用前景9第三章 温度传感器终端设计113.1 温度传感器终端设计的基本原则113.2 温度传感器终端总体设计方案113.3 终端硬件设计123.3.1 射频收发芯片123.3.2 温度采集芯片 DS18B20 介绍143.3.3 协调器节点的硬件设计163.3.4 传感器节点的硬件设计163.3.5 上位机与协调器节点硬件电路设计173.3.6 系统电源设计183.4 系统软件设计18第四章 地铁站温度检测系统的实现224.1 总体方案设计224.2 下位机软件程序的开发234.3上位机程序设计244.3.1计算机串口驱动程序244.3.2数据的实时显示244.3.3数据存储和历史数据的查看254.4 无线网络的组建与数据传输254.4.1 树簇网组网设计254.4.2 终端设备入网设计274.4.3 数据传输设计284.5网络节点程序的开发294.5.1备初始化程序314.5.2汇聚节点的组网32第五章 地铁站温度检测系统的仿真335.1 实验平台的建立335.2 测试结果分析33总结与展望35参考文献36致 谢372第一章 绪 论1.1 课题研究的背景和意义1.1.1 地铁温度检测系统的发展现状现有的火灾报警系统，多采用有线技术进行火灾传感网络的组建。这类方案的特点是扩展性能差，布线繁琐，影响美观。由于采用硬线连接，线路容易老化或遭到腐蚀、鼠咬、磨损，故障发生率较高，误报警率高。无线传输方式构建的无线火灾传感器网络恰好可以避免这些问题。相对而言，无线的方式比较灵活，避免了重新布线，不再需要将网络的基础设施掩埋在地下或隐藏在墙里，无线网络可以适应移动或变化的需要；但是，无线通信技术在火灾监控领域的应用相对还是很少。这主要是因为目前没有一项无线通信技术适合在火灾监控领域进行广泛的推广，而且现有一些无线通信产品的价格偏高，导致无线通信技术在火灾监控中的应用停滞不前。1.1.2 课题研究的意义从21世纪开始,无线传感器网络引起了学术界、军界、工业界的极大关注,世界各国相继启动了关于无线传感器网络的研究计划,其应用领域也扩充到我们日常生活的各个角落，无线传感器网络的发展和广泛应用,已对人们的社会生活产业变革带来极大的影响并产生巨大的推动。它的一个重要优势是摆脱了传统传感器网络的连线限制,解决了成本问题,通过传感器技术微处理器技术和无线通信技术的融合,大大缩短了人和自然之间的距离。随着近年来人类在微电子机械系统、无线通信、数字电子方面取得的巨大成就，使得发展低成本、低功耗、小体积、短距离无线通信的多功能传感器成为可能。ZigBee技术的出现就解决了这些问题。将无线ZigBee传感器网络和人工智能结合，可以大大提高火灾报警系统的可靠性。正是由于ZigBee技术具有功耗极低、系统简单、组网方式灵活、成本低、等待时间短等性能，相对于其他无线网络技术，它更适合于组建大范围的无线火灾探测器网络。1.2 无线传感器网络研究综述1.2.1 无线传感器网络概述无线传感器网络是一种特殊的Ad-hoc网络，可应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域(如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域)和一些临时场合(如发生自然灾害时，固定通信网络被破坏)等。它不需要固定网络支持，具有快速展开，抗毁性强等特点，可广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域，因此引起了人们广泛关注。无线传感器网络典型工作方式如下：使用飞行器将大量传感器节点(数量从几百到几千个)抛撒到需检测区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。节点既是信息的采集和发出者，也充当信息的路由者，采集的数据通过多跳路由到达网关。网关(Sink node)是一个特殊的节点，可以通过Internet、移动通信网络、卫星等与监控中心通信。也可以利用无人机飞越网络上空，通过网关采集数据。无线传感器网络与传统的无线网络(如WLAN和蜂窝移动电话网络)有着不同的设计目标，后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证。在无线传感器网络中，除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止的。因为它们通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法替代，设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题。当然，从理论上讲，太阳能电池能持久地补给能源，但工程实践中生产这种微型化的电池还有相当的难度。在无线传感器网络的研究初期，人们一度认为成熟的internet技术加上Ad-hoc路由机制对传感器网络的设计是足够充分的，但深入的研究表明：传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求。前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。为了适应广泛的应用程序，传统网络的设计遵循着“端到端”的边缘论思想，强调将一切与功能相关的处理都放在网络的端系统上，中间节点仅仅负责数据分组的转发，对于传感器网络，这未必是一种合理的选择。一些为自组织的Ad-hoc网络设计的协议和算法未必适合传感器网络的特点和应用的要求。节点标识(如地址等)的作用在传感器网络中就显得不是十分重要，因为应用程序不怎么关心单节点上的信息；中间节点上与具体应用相关的数据处理、融合和缓存也显得很有必要。在密集性的传感器网络中，相邻节点间的距离非常短。低功耗的多跳通信模式节省功耗，同时增加了通信的隐蔽性，也避免了长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响。这些独特的要求和制约因素为传感器网络的研究提出了新的技术问题。1.2.2 无线传感器网络的特点目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、Ad-hoc网络等，与这些网络相比，无线传感器网络具有以下特点：l 硬件资源有限。节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。这一点决定了在节点操作系统设计中，协议层次不能太复杂。l 电源容量有限。网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。其特殊的应用领域决定了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用。因此在传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。l 无中心网络。无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有节点地位平等，是一个对等式网络。节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的网络抗毁性。l 自组织网络。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。l 多跳路由。网络中节点通信距离有限，一般在几百米范围内，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。固定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现，而无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息的发起者，也是信息的转发者。l 动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；一个节点也可能由于工作的需要而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。l 节点数量众多，分布密集。为了对一个区域执行监测任务，往往有成千上万传感器节点空投到该区域。传感器节点分布非常密集，利用节点之间高度连接性来保证系统的容错性和抗毁性。1.2.3 无线传感器的研究现状及应用由于无线传感器网络的特殊性，其应用领域与普通通信网络有着显著的区别，主要包括以下几类。l 军事应用。军事应用是无线传感器网络技术的主要应用领域，由于其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，是数字时代战场无线数据通信的首选技术，是军队在敌对区域中获取情报的重要技术手段。l 紧急和临时场合。在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难打击后，固定的通信网络设施(如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、卫星通信地球站以及微波接力站等)可能被全部摧毁或无法正常工作，对于抢险救灾来说，这时就需要无线传感器网络这种不依赖任何固定网络设施、能快速布设的自组织网络技术。边远或偏僻野外地区、植被不能破坏的自然保护区，无法采用固定或预设的网络设施进行通信，也可以采用无线传感器网络来进行信号采集与处理。无线传感器网络的快速展开和自组织特点，是这些场合通信的最佳选择。l 大型设备的监控：在一些大型设备中，需要对一些关键部件的技术参数进行监控，以掌握设备的运行情况。在不便于安装有线传感器的情况下，无线传感器网络就可以作为一个可选的通信手段。l 卫生保健：可以在病人身上安装用于检测身体机能的传感器节点，这些信息汇总后，传送给医生，进行及时处理，为远程医疗创造条件。1.3 论文结构与研究内容本文的主要内容是设计一种基于 ZigBee 无线传感器网络的温度检测系统。主要的研究内容包括：1、 温度信息的采集。关键在于选择合适的温度传感器，本文采用数字式温度传感器 DS18B20。2、 温度信息的传输与处理。通过 ZigBee 无线传感器网络建立一定范围的无线网络，将采集的温度信息上传到协调器节点进行实时检测。本论文共分为六章，具体结构如下：第一章 ：绪论简要介绍了课题研究的背景和意义，对无线传感器网络进行了概述，并介绍了本文的整体结构。第二章 ：ZigBee 技术的基础研究分析了ZigBee技术的特点、 网络拓扑结构、协议体系结构等。第三章 ：温度传感器终端设计分析了设计的基本原则，总体设计方案，终端硬件设计和系统的软件设计。第四章 ：地铁站温度检测系统的实现介绍了总体的方案设计，其中包括数据是如何采集的，和无线网是如何组建的。第二章 ZigBee技术的基础2.1 ZigBee技术概述ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。 ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。在ZigBee技术中，其体系结构通常由层来量化它的各个简化标准。每一层负责完成所规定的任务，并且向上层提供服务。各层之间的接通过所定义的逻辑链路来提供服务。ZigBee技术的体系结构主要由物理(PHY)层、媒体接人控制(MAC)层、网络安全层以及应用框架层组成。2.2 ZigBee技术优点ZigBee技术有以下特点：l 省电。由于工作周期很短、收发信息功耗较低，并且采用了休眠模式，因此ZigBee技术可以确保两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。不同的应用对应的功耗自然是不同的。l 可靠。采用了碰撞避免机制，同时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。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。l 成本低。模块价格低廉，且ZigBee协议是免专利费的。l 时延短。针对时延敏感的应用作了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30 ms，休眠激活时延典型值是15 ms，活动设备信道接入时延为15 ms。l 节点通信设置易于配置。l 网络容量大。ZigBee可以采用星形、网状、串状结构组网，而且可以通过任一节点连接组成更大的网络结构。从理论上讲，其可连接的节点多达64000个。1个ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和1个主设备，1个区域内可以同时存在最多lO0个ZigBee网络。l 安全。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。l 全球通用性和完好的开放性。ZigBee标准协议，使ZigBee设备间的通信成为轻而易举的事情。2.3 ZigBee协议栈结构ZigBee 协议栈是一种基于 OSI 标准的七层模型。IEEE 将 802.15.4 定义为低数率无线个域网的标准，该标准分别定义了 PHY 层和 MAC 层。而 ZigBee 联盟则将ZigBee 协议栈中的网络层和应用层标准化。其中应用层又包括应用支持子层、 ZigBee 设备对象、制造商定义的应用对象。其框图如图所示：图2.1 ZigBee协议栈框架图1、 物理层(PHY层) 物理层是负责数据的调制与发送的，是 IEEE802.15.4 协议的最下层。它的设计将直接影响到电路的复杂度和能耗。其调制的方式为扩频通信的方式，通过RF收发器实现数据的收发，其无线传输的距离大概为 75m 左右，但是如果加大发射功率，传输距离可以适当增加。 ZigBee的频率：2.4GHz、868MHz、915MHz。不同的国家地区使用的频率不用，例如美国使用的是 915MHz，欧洲使用的 868MHz，2.4GHz 则是全球通用的。2、 媒体访问控制层(MAC层) ZigBee 的媒体访问控制层的主要功能是为两个 ZigBee 设备的MAC层实体之 间提供可靠的数据链路。MAC层可以提供两种服务：MAC层数据服务和 MAC层管理服务。前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，而后者从事MAC层的管理活动，并维护一个信息数据库。 IEEE802.15.4 定义的MAC层协议，提供数据传输服务（MCPS）和管理服务 （MLME），其逻辑模型如图 2.2 所示。其中，PD-SAP 是 PHY 层提供给 MAC 的 数据服务接口；PLME-SAP是PHY层给MAC层提供的管理服务接口；MLME-SAP是由MAC层提供给网络层的管理服务接口，MCPS-SAP是MAC层提供给网络层的数据服务接口；MAC层的数据传输服务主要是实现MAC数据帧的传输；MAC层的管理服务主要有信道的访问，PAN的开始和维护，节点加入和退出PAN网、设备间的同步实现、传输事务管理等。图2.2 MAC结构示意图3、 网络层(NWK 层)网络层主要是通过使用MAC层提供的各种功能，保证IEEE802.15.4标准MAC 层各种功能的正确执行，其主要任务有建立新的网络、维护网络设备、提供网络路由等。 网络层确保 MAC 子层的正确操作，并为应用层提供合适的服务接口。为了给应用层提供合适的接口，网络层用数据服务和管理服务这两个服务实体来提供必需的功能。网络层数据实体(NLDE)通过相关的服务接入点(SAP)来提供数据传输服务；网络层管理实体(NLME)通过相关的服务接入点(SAP)来提供。4、 应用层（APL层)在 ZigBee 协议栈中，应用层提供高级协议栈管理功能，它可以根据具体的问题由用户进行开发。 它是由应用支持子层（APS）、ZigBee 设备配置层和用户程序来组成的。其中应用支持子层的作用是通过ZigBee设备对象和制造商定义的应用对象所用到的一系列服务来为网络层和应用层提供接口。ZigBee设备配置层是用来提供标准的ZigBee 配置服务，它可以定义和处理描述符请求。用户程序实际上就是生产商定义的应用对象。这些应用程序使用 ZigBee 联盟给出的并且批准的规范进行开发且 运行在端点 1 至 240 上。管理服务， 即NLME 利用 NLDE 来完成一些管理任务和维护管理对象的数据库。2.4 ZigBee网络设备类型ZigBee 网络设备类型在ZigBee网络中主要有两种设备类型，一种是全功能设备（FFD），一种是精简功能设备。在无线传感器网络中全功能设备既可以互相通信又可以和精简功能设备通信，而精简功能设备只能与全功能设备进行通信。在一个无线网络中既有全功能设备,又有精简功能设备，精简设备的应用比较简单，主要负责数据的采集，并把数据发送给协调器。它不可以进行数据转发或路由发现等功能，占用的资源较少，成本较低。在由ZigBee设备构成的无线传感器网路中，至少要有一个全功能设备做为整个网络的主协调器，它相对于其他的全功能设备具有更强大的功能，例如超大的存储空间、大功率的收发机等等。它的功能也是最强大的，是整个网络的控制核心，由它来组织整个网络，比如发送信号、添加或删除节点、接收并储存其他设备发送来的数据等等。在一个大型的无线传感器网络中，只有合理的搭配使用全功能设备和精简功能设备，这样才能使系统的成本达到最小化。2.5 ZigBee网络拓扑结构ZigBee 技术支持三种网络的拓扑结构，分别是星型网络、树型网络和网状的拓扑结构。在星型的网络拓扑结构中，主要由一个主协调器和若干个从设备组成，如图 2.3所示。主协调器负责建立与维护网络，它一般是全功能设备。其他从设备则直接与 主协调器通信，一般是精简功能的设备。星型网络比较简单，覆盖面积比较小， 实际应用的也非常的少。图2.3 星型网络拓扑结构图对于树簇型网络来说，比较适合分布范围比较大的场合。如图2.4 所示，处于网络最末端的称为“叶”节点，它们是网络中的终端设备。若干个叶节点设备连接在一个全功能设备FFD上形成一个“簇”，若干个“簇”再连接成“树”，故称为树簇形 拓扑网络。在这种网络中，一般只有一个主协调器，由它来负责建立网络、维护设备等等，它具有更多的资源。其它的子设备既可以作为终端也可以作为路由器来使用，实际上树簇状网络就是对星型网络的一种扩展。图2.4 树簇状网络拓扑结构图网状的拓扑结构如图2.5所示。它也具有一个主协调器，但是网络中的任何一个设备都可以与之进行通信。这种结构可以构成比较复杂的网络结构，如网格网络结构。在这种网络结构中设备之间传输数据时，可以通过路由转发的形式，以增大网络的覆盖面积。它具有一定的自愈能力，当某条路径出现问题时，设备会自动搜寻下一条可用路径。适合于建立大型的无线网络。图2.5 网状网络拓扑结构图2.6 ZigBee技术应用前景随着无线通信技术、微电子技术、计算机技术的快速发展，大力推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。ZigBee 就是这样的一种技术，在监测区域内部署大量的廉价微型 ZigBee节点，通过无线通信的方式形成一个多条的自组织的网络系统，通过协作、感知、采集和处理网络覆盖区域中应用对象的信息，并发送给观察者以供监测。实际上，这种无线传感器网络改变了信息世界同客观上的物理世界的联系，将它们融合在了一起，改变了人与自然的交互方式。 未来移动通信网络除了以低成本实现数据的高速传输外，还要求在无专用通信基础设施的场景下，网络应该具有自适应性和生存能力，无线传感器网络恰好满足上述要求，所以无线传感器在未来的通信网络中会起到越来越重要的地位。 最近几年，ZigBee 技术越来越受到的业内人士的关注，在市场上越来越多的产品开始涌现。据无线数据研究小组统计，2007 年ZigBee产品在市场上的收益可达到80多亿美元，到了2009年，基于IEEE802.15.4规范的无线网络的市场翻了一番，产品量达到1.5亿件产品。相比之下，我国的ZigBee技术发展的比较缓慢，市场占有率不大，相关企业不是很多，但是在一些无线抄表，家庭娱乐上还是有一定的应用的。 相信，在不久的将来，作为新兴的短距离无线通信技术，ZigBee产品将以各种各样的方式快步向我们走来，成为人类生活中不可或缺的一部分。第三章 温度传感器终端设计3.1 温度传感器终端设计的基本原则在设计过程中主要有以下几个原则： l 高精度。在多数的实验室中，温度都是比较敏感的环境指标，因此就要求传感器终端的对温度变化的灵敏度及其精度要足够高。 l 低成本。在多数情况下，终端所监测的环境范围比较广，特别是在某些大型实验室，要求布置的终端个数较多，因此考虑单个终端的成本尤为重要。l 低功耗。低功耗也是传感器终端非常重要的性能指标之一，因为终端一般都是采用电池供电，而且经常放在一些环境比较复杂，不宜经常更换的地方。这就要求终端的功耗要低，尽可能的延长电池的使用寿命，进而延长了整个系统的使用寿命。l 设备简单。设计传感器终端应当的尽可能小，以便其安装，更能减低成本。3.2 温度传感器终端总体设计方案由于考虑到该终端要具有高精度、低功耗、设备简单等特点，所以微处理芯片将直接选取 Chipcon 公司生产的世界上首个真正的单芯片ZigBee解决方案CC2430作为终端的核心。将采用模块式的设计方案，终端包括微处理器模块（集成了无线射频模块）、数据采集模块以及电源模块。传感器终端的主要工作是将温度传感器测量出的温度信息，经过微处理芯片的处理，在经过无线射频部分将信息传送出去给协调器节点进行实时监测。图3.1 设备终端模块3.3 终端硬件设计3.3.1 射频收发芯片CC2430出自挪威Chipcon公司，是一款真正符合IEEE802154标准的片上ZigBee产品。该芯片延用以往CC2420芯片的结构，在单个芯片上集成ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用一个8位MCU(8051)，具有3264128 kB可编成闪存和8 kB的RAM，还包含模数转换器(ADC)、几个定时器、AES-128安全协处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路。CC2430还有21个可编程的I/O口引脚，PO、P1口是完全的8位口，P2口只有5个可使用的位。通过软件设定一组SFR寄存器的位和字节，可使这些引脚作为通常的IO口或作为连接ADC、计时器或USART部件的外围设备IO口使用。其IO口引脚功能如下：16脚(P12P17)：具有4 mA输出驱动能力；8，9脚(P10，P11)：具有20 mA的驱动能力；1118脚(P0OP07)：具有4 mA输出驱动能力；4346，48脚(P20P24)：具有4 mA输出驱动能力。图3.2 CC2430外部接口电路图可使天线性能路使用一个非平衡天线,连接非平衡变更好。电路中的非平衡变压器由电容C341和电感L341、L321、L331以及一个PCB微波传输线组成，整个结构满足RF输入/输出匹配电阻(50 )的要求。内部T/R交换电路完成LNA和PA之间的交换。R221和R261为偏置电阻，电阻R221主要用来为32 MHz的晶振提供一个合适的工作电流。用1个32 MHz的石英谐振器（XTAL1）和2个电容（C191和C211）构成一个32 MHz的晶振电路。用1个32.768 kHz的石英谐振器（XTAL2）和2个电容（C441和C431）构成一个32.768 kHz的晶振电路。电压调节器为所有要求1.8 V电压的引脚和内部电源供电，C241和C421电容是去耦合电容,用来电源滤波,以提高芯片工作的稳定性。图3.3 CC2430内部功能图CC2430芯片采用018 pm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2430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。 其特点主要有以下几个方面： l 一个加强型的工业级的8051微处理器，具有极低的功耗，更快的运行速度。 l 内部集成了一个直接序列扩频的射频收发器(DSSS)。 l 支持载波侦听多点接入（冲突检测）(CSMA-CA)。由于无线产品适配器不易检测信道 中是否存在冲突，通过冲突检测后，一方面可以查看介质是否空闲，一方面可以 避免信号的冲撞，提高系统的稳定性。 l 功耗低。在接收的模式下，其损耗低于27mA；在发射模式下，其电流损耗低于25mA；在掉电模式下，损耗只有0.9A；挂起方式下，电流损耗更是小于0.6A。 l 片上资源丰富。CC2430内部集成了电池监视器、看门狗定时器、温度传感器、2个串行收发模块（USART）等等。3.3.2 温度采集芯片 DS18B20 介绍DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量,并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写,温度变换功率来源于数据总线,总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电,而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单,可靠性更高.他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进,给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。DS18B20的特点:l 独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时,仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；l 在使用中不需要任何外围元件；l 可用数据线供电电压范围+3.0+5.5V；l 测温范围:-55+125,固有测温分辨率为0.5；l 通过编程可实现912位的数字读数方式；l 用户可自设定非易失性的报警上下限值；l 支持多点组网功能：多个DS18B20可以并联在惟一的三线上,实现多点测温;l 负压特性：电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。图3.4 DS18B20引脚图DS18B20 有三只引脚，VCC，DQ，和VDD。图3.5 DS18B20外部连接而HJ-2G 板子上，采用了外部供电的链接方式，而总线必须链接上拉电阻。这一目的告诉我们，一线总线在空置状态时，都是一直处于高电平。图3.6 DS18B20内部寄存器DS18B20 的内部有64 位的ROM 单元，和9 字节的暂存器单元。64 位ROM 包含了DS18B20 唯一的序列号（唯一的名字）。3.3.3 协调器节点的硬件设计协调器节点和上位PC机相连接，并和终端节点无线传输数据。协调器是实现组星型网的关键。协调器节点由电源模块、电压转换模块、按键模块、串口模块、LED指示灯、处理器 CC2430模块、天线模块7部分组成。CC2430的工作电压为 33.3 V，所以要用电压转换模块把电压从5 V降低到 3.3 V左右；用户通过按键来选择功能菜单，确定采集哪个监测区域的数据。处理器处理采集的数据后，通过串口模块传给上位机，进行进一步处理。协调器节点的应用电路如图3.7所示。图3.7 协调器节点应用电路图3.3.4 传感器节点的硬件设计传感器节点由传感器模块、处理器CC2430模块、天线模块、电源模块、电源管理模块、功率放大模块、LED指示灯部分组成。LED指示灯由 P1_0口控制，LED用来显示现在节点的网络状态。电源模块主要给处理器和电源管理模块供电。当需要采集数据时由P0_0口选通电源管理模块，电源管理模块就可以给传感器模块和功率放大器模块供电了。传感器模块负责采集监测区域内的数据，传感器采集的数据信号放大后给处理器进行下一步处理。处理器模块先把采集的数据信号进行模数转换，然后进行处理，处理后的数据由天线发出。图3.8 传感器节点结构3.3.5 上位机与协调器节点硬件电路设计（1）JTAG程序调试接口CC2430提供了一个JTAG程序调试接口，用于用户连接仿真器调试程序和仿真使用。图3.9 JTAG电路原理图（2）RS232接口RS232接口是一种常用于同PC机通信的接口，我们可以编写简单的串行程序使CC2430通过串口与PC机完成通信。其电路原理如下图3.10 RS232电路原理图3.3.6 系统电源设计由于USB接口提供的是5V电源，而CC2430的工作电压为3.3V，所以对电源需要设计5V转3.3V电路，其原理图如下：图3.11 系统电源原理图3.4 系统软件设计系统的软件由数据采集端和数据接收端程序组成，均包括初始化程序、发射程序和接收程序。初始化程序主要是对单片机、射频芯片、SPI等进行处理；发射程序将建立的数据包通过单片机SPI接口送至射频发生模块输出；接收程序完成数据的接收并进行处理。图3.12 数据采集段软件流程图3.13 数据接收端软件流程图3.14 系统软件流程 第四章 地铁站温度检测系统的实现4.1 总体方案设计该系统采用树状无线网络系统，系统只有一个网络协调器，若干个路由器节点及若干个RFD节点。网络协调器安装在有人值守的监控室，负责建立网络和管理网络，并显示当前整个网络的状况，且把收到的数据发送到计算机中。RFD负责安装在各个地铁站的不同位置中，负责采集温度值，然后定期或有中断时，把数据发送给网络协调器。监控人员在控制室通过显示器就可以对地铁站温度进行监视，无须到地铁站温度测量现场。RFD节点有CC2430、温度传感器和天线组成。节点通过温度传感器DS18B20检测所处环境的温度，然后通过天线发送给网络协调器。温度传感器使用DS18B20，特别适合于廉价，小尺寸的应用中。温度数据从内部温度敏感元件转换而来，分辨率高达0.1。为了减少对其他设备和系统的干扰和影响，在保证设备能够正常地工作的条件下，每个设备的发射功率应尽可能地小。通常，ZigBee的发射功率在0+10 dBm，通信距离范围为100m，可扩大到约300 m，其发射功率利用设置的相应服务原语进行控制。本设计中RFD节点的最小发射功率为-3 dBm。在网络协调器端，为保证设备能正常接收到RFD节点发射的信号，其有用信号不能太大，否则，将造成接收信息堵塞，不能正常地接收。通常接收端的有用信号的最大输入电平就是有用信号的最大功率值，本设计接收机的最大输入电平值为-20 dBm。本系统软件包括传感器节点程序，汇聚节点程序和计算机程序三部分。其中，计算机程序是上位机程序，实现数据的实时显示和在 SQL server2000数据库中的存储、调用。传感器节点和汇聚节点程序是前端ZigBee网络的开发程序，这两部分程序相互配合，共同完成了数据的采集、传输和对网络的管理，是软件编制的重点。传感器节点程序主要实现数据的采集和发送。根据安放的位置，它还可以成为一个路由节点，实现消息的中继转发。汇聚节点是ZigBee无线传感器网络的协调器，是网络的控制中心。它的程序一方面负责网络的配置和管理，包括定义通信信道、网络标识符 (PANID)，配置网络的profile，响应节点加入网络的请求和绑定请求，为其他节点分配网络地址、维护路由表等；另一方面还接收各传感器节点发来的数据，将其进行汇合整理后传给计算机。图4.1 树簇型网络结构图4.2 下位机软件程序的开发数据在网络中高效的传输是前端ZigBee网络程序开发的最终目的。本节将以传感器采集上来的数据在网络中的传输为主线，介绍数据采集、数据发送和数据接收等程序模块的开发。在网络中,每个节点都有一个固定的地址。连接于监控主机的传感器节点是一个特殊的节点，它采用串行接口与监控主机通信。数据的传送采用主从站方式,与监控主机连接的节点作为主站，控制网络内的通信时序；其他节点作为从站,可以被主站寻址。主节点主要完成采集各从节点数据，进行预处理；从节点主要完成各种传感器原始数据的采集工作。温度信息的采集一般分为两种情况，一种是自动采集，一种是手动采集。自动采集是靠终端的定时器来完成的，将定时器设定一个初值后，便启动定时器，当到达定时值时便触发中断，开始测量温度值，测量完成后通过射频部分将数据发送出去，之后终端进入低功耗模式，定时器重装，继续计时，循而往复，实现自动采集；手动采集则是由协调器发出查询指令给指定终端，终端识别出是给自己的指令后立即开启传感器，进行温度数据采集，将数据处理后立即上传给协调器，实现手动采集。4.3上位机程序设计 本系统中，上层管理软件采用3层C/S模式,实时对传感器网络送来的数据进行处理，形成用户最终关心的数据表现形式。局域网内的终端用户在经过授权后，可以读取监控主机上的实时数据，实现远程的监测。监控应用软件还对传感器网络中的每个节点进行跟踪管理。对于监控到的异常情况，上层管理软件使用声光、短信、电话实时报警方式。可显示参数列表、实时曲线图(对应具体数值并任意调整坐标)、实时数据、折算数据、累计数据、历史、报警画面、报表等多种显示。统计功能可根据用户需求具体设计。在编写完ZigBee网络的开发程序之后，网络中的数据就可以传至计算机了。计算机上的程序通过RS-232串口读取汇聚节点上传的数据，在对数据进行处理后显示在计算机屏幕上，并将处理结果保存在SQLServer2000数据库中。所以计算机程序的开发工具必须支持对串口的读写操作和对 SQLserve2000数据库的访问并具备较强的数据处理能力。微软公司的Visualc6.0能够满足上述要求，所以计算机端的程序是在VC6.0这个平台上进行开发的。其功能主要包括多节点数据的实时显示，单节点数据的动态曲线显示，实时数据存储，历史数据的查询和对传感器节点工作模式的控制。4.3.1计算机串口驱动程序VC+提供了一种ActiveX控件访问计算机串口的方式。ActiveX控件技术是国际上通用的基于Windows平台的软件技术，许多软件都采用此种方式开发。VC+提供了一个专门用于串口操作的ActiveX控件MSCOmm。利用MSCOmm访问串口时，首先向工程中插入一个MsCOmm控件，然后为其关联一个控件变量m_ctrlComm。之后，就可以利用 m_ctrlComm的成员函数设置串口属性，对串口进行读写操作了。在程序中使用计算机的串口1进行数据的读写，波特率设置为115200。4.3.2数据的实时显示为提供一个友好的人机交互界面，使工程师能及时查看ZigBee网络上传的数据，计算机程序实现了数据在屏幕上的实时显示。显示模式分为两种，一种是多节点数据同时显示，另一种是单节点数据的实时动态曲线显示。多节点模式将ZigBee网络中所传感器节点上传的数据显示在一个对话框中。4.3.3数据存储和历史数据的查看ZigBee网络布置完成后，大量传感器节点的数据上传至计算机，计算机程序应该保证这些数据的及时存储，为以后的数据查询和处理提供方便。SQLserver2000是一种功能强大的关系型数据库管理系统，数据以数据表的形式存储在其中，具有使用方便、可伸缩性好、与相关软件集成程度高、安全性高等优点，是海量数据存储的一种上佳选择。所以，设计软件时选择了SQLserver2000实现环境参数数据的存储。程序采用了OLEDB技术访问 SQLserver2000数据库管理系统程序首先使用SQLserver2000建立一个数据库，并根据ZigBee网络中的传感器节点数目建立若干个数据表。然后利用ADO对其编程，把不同传感器节点上传的数据按照其网络地址实时地存储在数据库的各个数据表中。存储内容包括数据采集时间、传感器节点地址、环境参数值和电池电压值。4.4 无线网络的组建与数据传输4.4.1 树簇网组网设计ZigBee 支持三种网络拓扑结构，星形、树簇形及网络型。每一个 ZigBee 设备 都有一个唯一的 64 位 IEEE 地址，并可用这个地址在低数据传输速率的无线个域 网（简称 PAN）中进行通信，但是当终端和主协调器建立连接后会自动分配一个 16 位的短地址，此后就会用这个短地址在 PAN 中进行通信。 由于考虑到在实验室这种分布范围相对较大的环境中建立网络，我们将选择 树簇形的网络拓扑结构。在建立这样一个低数据传输速率的无线个域网时，其大体的流程如下，首先要启动主协调器的 PAN 建立，它会选择一个 PAN 标示符，将自身的短地址设置为0，然后开始向与它邻近的设备发送信标，告诉其他设备现在可以连接网络了。这也就形成了树簇网络的第一级。协调器与这些终端设备构成了父子关系，并在终端设备加入网络时为其分配一个唯一的 16 位短地址。如果某些终端要具备路由功能的话，还要为其分配一个地址块（包含若干个 16 位短地 址）。具有路由功能的终端在接受到主协调器信标信息后，就会开始配送自己的信标，允许自己的子设备加入网络，子设备也可以有自己的子设备，这样便形成了多级树簇形结构的网络。图4.2 树簇状网络工作流程图主协调器上电之后，为了选择合适的 PAN 标识符和信道，首先要进行信道扫 描，然后启动 PAN，并允许终端设备连接。信道扫描就是指判断是否有其他的 PAN 工作在某信道上。当需要进行信道扫描时，上层会向 MAC 层发送请求原语，要求对指定的若干个信道进行扫描，以便搜索某个区域内的 ZigBee 设备。扫描请求原 语格式如下： MLME-SCAN.request ( ScanType, ScanChannels,ScanDuration) ScanType 表示执行的扫描类型，ScanChannels 表示被扫描的信道，ScanDuration 用于表示扫描所用的最长时间。扫描确认原语格式如下：MLME-SCAN.confirm( Status, ScanType,UnscanChannels,ResultListSize,EnergyDetectList, PANDescriptorList ) UnscanChannels 是否进行过扫描（1 表示未扫描，0表示已经进行扫描或未请求扫描），ResultListSize 表示扫描执行结果的元素个数，EnergyDetectList 能量检测列表，PANDescriptorList 为扫描后每个信标的PAN描述符列表。信道扫描的结果是选择PAN标识符的重要参考信息，在实际情况下有可能发 生如下情况：当一个主协调器在进行扫描时没有发现个域网范围内的另一个PAN在工作，并误选了该PAN的标识符，造成了标识符的冲突。因此，ZigBee规定了解决办法，在检测到冲突后，首先进行主动扫描，然后根据扫描的结果选择新的PAN标识符，并广播包含新标识符的协调器重新连接的命令，该命令中的源标识符就是原来的 PAN 标识符，最后主协调器会把该值更改为新的PAN标识符，冲突解决。选择好合适的PAN标识符和信道后，主协调器就开始启动PAN了。MAC的上层通过给MAC层的管理实体发送启动请求原语来实现。启动主协调器，激活新的PAN，并另协调器发送信标。其它终端也就会发现网络，随即申请加入网络了。4.4.2 终端设备入网设计终端要加入网络要向协调器提出连接请求，协调器接收到请求后再决定是否允许其加入，再对请求的终端做出应答。终端与协调器建立好连接后便可以进行收、发数据。 首先终端在扫描中获得协调器的有关信息，在选择了合适的 PAN 后，上层将请 求 MAC 层 对 物 理 层 和 MAC 层 的 phyCurrentChannel、macPANID、 macCoordExtendedAddress 等PIB属性进行相应的设置。并向MAC层管理实体发送请求连接服务原语，MAC层收到之后便会向物理层管理实体发送请求原语，切换逻辑信道，更新CoordPANID参数值，激活发射机，向指定的协调器发送请求连接命令。最后，再向物理层发送原语，激活接收机，为接受做准备。 协调器的MAC层接收到连接请求命令后，将向对应终端发送一个确认帧，同时向它的上层发送连接指示原语，表示有设备请求连接。协调器的上层接受到连接指示原语后，将根据自己的具体情况决定同意连接与否，然后给设备的MAC层发送响应。如果协调器的资源足够，则协调器就会给设备分配一个短地址，并产生含有新地址和连接成功状态的连接响应命令，并用间接的方式将连接响应命令发送给请求连接的设备。 请求连接的设备接收到协调器发送来的连接确认命令后，它最多等待 aResponseWaitTime个符号时间让协调器做出决定。如果设备成功地得到连接响应 命令后，它首先向协调器发送一个确认帧，表示收到了连接响应命令。然后分析该命令，如果表示连接成功，则设备保存协调器的短地址和扩展地址，然后就可以在此PAN内实现通信。以下是请求原语：连接请求原语： MLME-ASSOCIATE.request( LogicalChannel. CoordPANID,CoordAddress, CapabilityInformation, SecurityEnable ) 其中，CoordPANID为被请求连接的 PAN 标识符，CoordAddress为被请求连接的PAN地址，CapabilityInformation描述已连接设备的操作性能，SecurityEnable表示 是否使用安全性，使用为 true，否则为 false。 连接响应原语： MLME-ASSOCIATE.indication(DeviceAddress,CapabilityInformation, SecurityUse, ACLEntry ) 其中，DeviceAddress为请求连接的设备地址；SecurityUse表示一个接收到的连接请求帧是否采用了安全措施。若安全允许子域为1，此值为TRUE，否则为0； ACLEntry 表示接入控制列表入口的 macSecurity 参数值与命令帧发送方相关联。 如果ACL中没有命令帧的发送方，此值为0x08。4.4.3 数据传输