串口调试打印设计

1、串口调试打印设计1.需求分析1.1系统背景随着计算机技术、网络技术与无线通信技术的迅速发展，人们开始将无线网络技术与传感器技术相结合，无线传感器网络(WSN，wireless sensor network应运而生。它由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线的方式形成的一个多跳的自组织网络，不仅可以接入In ternet，还可适用于有线接入方式所不能胜任的场合，提供优质的数据传输服务。微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mecha nical Systems)、超大规模集成电路技术(VLSI ， Very-Large-Scale-Integration systems)

2、和无线通信技术的飞速发展，使得它的应 用空间日趋广阔，遍及军事、民用、科研等领域；但由于网络结点自身固有的通 信能力、能量、计算速度及存储容量等方面的限制，对无线传感器网络的研究具 有很大的挑战性和宽广的空间。作为一种无线通信技术 ZigBee具有如下特点：(1) 低功耗：由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用 了休眠模式,功耗低，因此ZigBee设备非常省电。据估算 ZigBee设备仅靠两 节5号电池就可以维持长达 6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设 备望尘莫及的。(2) 成本低：ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.52.5美元,并且Zig

3、Bee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。(3) 时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms,活动设备信道接入的时延为15ms。因此，ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。(4) 网络容量大：一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳 254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，而且网络组成灵活。(5) 可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发

4、送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。(6) 安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验 (CRC)的数据包完整性检查 功能，支持鉴权和认证，采用了 AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定 其安全属性。1.2系统目标运用串口通信原理中的异步串行通信方式， 实现通过在串口调试助手的发送 区中输入任意字符串，发送给 CC2430其接收区显示该字符串。一条信息的各位数据被同时传送的通讯方式称为并行通讯。并行通讯的特点是：各数据位同时传送，传送速度快、效率高，但有多少数据位就需多少根数据 线，因此传送成本高，且只适用于近距离，相距数米的通讯。一条信息的各位数

5、据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。串行通讯的特点是：数据按位顺序传送，最少仅需一根传输线即可完 神农百草膏成，成本低但传送速度慢。串行 通讯的距离可以从几米到几千米。 根据信息的传送方向,串行通讯可以进一步分 为单工、半双工和全双工三种。信息只能单向传送为单工，信息能双向传送但不 能同时双向传送称为半双工，信息能够同时双向传送则称为全双工。1.3系统功能上电后模块向电脑串口发出问候语，由串口向模块发送不大于30个字符的字符串，末尾加#结束，模块会返回相同的字符串，波特率为57600。1.4运行环境开发环境：IARZigBee 2006 协议栈 CC2430模 块 SmartRF04EB

6、仿真器运行平台：Win dows XP操作系统串口调试助手2系统结构2.1无线传感器网络结构无线传感器网络是一种特殊的 Ad-hoc网络，它是由许多无线传感器节点协 同组织起来的。这些节点具有协同合作、信息采集、数据处理、无线通信等功能， 可以随机或者特定地布置在监测区域内部或附近， 它们之间通过特定的协议自组 织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。无线传感器网络典型的体系结构如图1所示，包括分布式传感器节点、网关、 互联网和监控中心等。在传感器网络中，各个节点的功能都是相同的，它们既是 信息包的发起者，也是信息包的转发者。大量传感器节点被布置在整个监测区域 中,每个节点

7、将自己所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合之后传 送给用户，数据传送的过程是通过相邻节点的接力传送方式传送给网关，然后再用户也可以对网络进通过互联网、卫星信道或者移动通信网络传送给最终用户。 行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据等。*r f F:1q互联网、卫星或XA移动通信网络4 b*网关I监控中心0O0OOOO0000OO: *X/S监测区域0传感器节点图1无线传感器网络体系结构2.2传感器节点结构传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统。从网络功能上看，每个传感器节 点既具有传统网络节点的终端功能， 又兼具路由器的功能。除了要进行本地信息 收集和数据处理外，还要对其他节点转发

8、来的数据进行存储、管理和融合等处理。一个传感器节点通常由传感器模块、 处理器模块、无线通信模块和能量供应 模块四部分组成，如图2所示。传感模块负责采集监测区域内的有用信息并进行 数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的运行， 存储和处理本身采集的 数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通 信，交换控制信息和收发采集到的数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所 需的能量，通常采用微型电池。传感器节点为低功耗设备，为了最大限度地节约 电源，在硬件设计方面，要尽量采用低功耗器件，处理器通常选用嵌入式CPU射频单元主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成 ，在没有通信任

9、务的时候， 要切断射频部分电源；而且在软件设计方面，各层通信协议都应该以节能为中心，18必要时可以牺牲一些网络性能指标，以获得更高的电源效率。传感器模块处理器模块i 传感器卜fAC/DC_处理器存储器11彳NET*BMA”无线收发器11111 1无线通信模块图2传感器节点的体系结构2.3无线传感器网络协议栈无线传感器网络通信协议主要包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。在低层采用IEEE802.15.4工作组所定义的MACg和物理层协议，而在MAd以上的协议则是由Zigbee联盟制定。 完整的Zigbee协议栈模型如图3所示。另外，协议栈还包括能量管理

10、平台、移 动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的 方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。Zigbee Profiles网络应用层数据链路层IEEE 802.15.4 LLC802.2 LLCIEEE 802.15.4 MAC868/915 MHZ PHY 2.4 GHZ PHY图3 Zigbee协议栈2.4.物理层物理层负责载波频率产生、信号的调制解调等工作。IEEE802.15.4定义了2.4GHz物理层和868/915MH物理层两个物理层标准，两个物理层都基于 DSSS（Direct Sequenee Spread Spec

11、trum, 直接序列扩频），使用相同的物理层数据 包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率的不同。2.4GHz 频段有16个信道，能够提供250kbps的传输速率，物理层采用的是0-QPS调制； 868MH是欧洲的ISM®段，只用一个信道，传输速率为 20kbps,物理层采用BPSK 调制；915MH是美国的ism®段，有10个信道，传输速率为40kbps,物理层采用 的也是BPSI调制方式。2.5数据链路层数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。媒体访问协议保 证可靠的点对点和点对多点通信，差错控制则保证源节点发出的信息可以完整、 无误地到达

12、目标节点。就实现机制而言，介质访问控制（MAC协议可分为3类：确定性分配、竞争占用和随机访问。前两者不是传感器网络的理想选择。因为TDMA 固定时隙的发送模式功耗过大，为了节省功耗，空闲状态应关闭发射机，竞争占 用方案需要实时监测信道状态，也不是一种合理的选择，随机介质访问模式比较 适合于无线传感网络的节能要求。IEEE802.15.4定义的MA层采用了 CSMA-CA载 波监听多信道接入/避免冲突)协议的信道共享多点接入技术；为了保证传输的 可靠行，还采用了完整的握手协议。在无线传感器网络中，两个主要的错误控制 模式是前向错误修正(FEC和自动重复请求(ARQ两种。2.6网络层网络层主要负责

13、路由生成与路由选择。网络层协议是无线传感器网络的重要因素，在无线传感器网络中，大多数节点是无法直接与网关进行通信的，需要通过中间节点进行多跳路由才能将采集到的数据发送给网关。针对无线传感器网络中数据传送的特点和难题，人们提出许多新的路由协 议。这些路由协议可以大致分为四类：洪泛式路由协议、层次式路由协议、以数 据为中心的路由协议、以及基于位置信息的路由协议。1.洪泛式路由协议：这种协议是一种古老的协议。它不需要维护网络的拓 扑结构和路由计算，接收到消息的节点以广播形式转发数据包给所有的邻节点。 对于自组织的传感器网络，洪泛式路由是一种较直接的实现方法，但容易带来消息的“内爆” (implosi

14、on )和“重叠”(overlap )，而且它没有考虑能源方面的 限制，具有“资源盲点” (resource bli ndn ess )的缺点。典型算法为扩散法(Flooding )。2层次式路由协议：它的基本思想是将传感节点分簇，簇内通讯由簇头节 点来完成，簇头节点进行数据聚集和合成减少传输信息量，最后簇头节点把聚集的数据传送给终端节点。这种方式能满足传感器网络的可扩展性，有效的维持传感节点的能量消耗，从而延长网络生命周期。典型算法为低功耗自适应聚类路由 算法(LEACH。LEACH(low energy adaptive clustering hierarchy) LEAC是MIT的Cha

15、 ndrakasan等人为无线传感器网络设计的低功耗自适应聚类路由算法。与一般 的平面多跳路由协议和静态聚类算法相比，LEAC可以将网络生命周期延长15% 主要通过随机选择聚类首领，平均分担中继通信业务来实现。LEAC定义了 “轮” (round)的概念，一轮由初始化和稳定工作两个阶段组成。为了避免额外的处理 开销，稳定态一般持续相对较长的时间。在初始化阶段，聚类首领是通过下面的机制产生的。传感器节点生成0,1之间的随机数，如果大于阈值T,则选该节点为聚类首领。T的计算方法如下：T =1 - pr mod(1/ p)其中p为节点中成为聚类首领的百分数，r是当前的轮数。一旦聚类首领被选定， 它们

16、便主动向所有节点广播这一消息。 依据接收信号的强度，节点选择它所要加 入的组，并告知相应的聚类首领。基于时分复用的方式，聚类首领为其中的每个 成员分配通信时隙。在稳定工作阶段，节点持续采集监测数据，传与聚类首领， 进行必要的融合处理之后，发送到sink节点，这是一种减小通信业务量的合理工 作模式。持续一段时间以后，整个网络进入下一轮工作周期，重新选择聚类首领。3以数据为中心的路由协议：它提出对传感器网络中的数据用特定的描述 方式命名，数据传送基于数据查询并依赖数据命名， 所有的数据通信都限制局部范围内。这种方式的通信不再依赖特定的节点， 而是依赖于网络中的数据，从而 减少了网络中大量传送的重复

17、冗余数据， 降低了不必要的开销，从而延长网络生 命周期。典型算法为向扩散(Directed Diffusi on )。定向扩散模型是Estrin等人专门为传感器网络设计的路由策略， 与已有的路 由算法有着截然不同的实现机制。节点用一组属性值来命名它所生成的数据， 比 如将地震波传感器生成的数据命名为 Type=seismic，id=12，timestamp=02.01.22/21:10:23 ，location=75 - 80S/100- 120E。Sink 节点发出 的查询业务也用属性的组合表示， 逐级扩散，最终遍历全网，找到所有匹配的原 始数据。有一个称为“梯度”的变量与整个业务请求的扩散

18、过程相联系，反映了 网络中间节点对匹配请求条件的数据源的近似判断。更直接的方法是节点用一组标量值表示它的选择，值越大意味着向该方向继续搜索获得匹配数据的可能性越 大，这样的处理最终将会在整个网络中为sink节点的请求建立一个临时的“梯度” 场，匹配数据可以沿“梯度”最大的方向中继回sink节点。图4描述了定向扩散Sink A cA弋oiX。Source(b) Sei up Eradienr<ti)样临鬻辻电模型的工作原理。沁 0-001.3oO Source(c) Data t 他15 触(c)敌搪倍输 、0OO Bouite Rjequest diffusion(a)试求扩fi勺定向扩

19、散路由原理把查询或者数据转它利用节点的位置信息,4基于位置信息的路由协议：发给需要的地域，从而缩减数据的传送范围。实际上许多传感器网络的路由协议 都假设节点的位置信息为已知，所以可以方便的利用节点的位置信息将节点分为 不同的域(region )。基于域进行数据传送能缩减传送范围缓和中间节点，从而 延长网络生命周期。典型算法为GEA算法。GEAR是充分考虑了能源有效性的基于位置的路由协议， 它比其他的基于位置 的路由协议能更好的应用于无线传感器网络之中。既然传感器网络中的数据经常包含了位置属性信息，那么可以利用这一信息，把在整个网络中扩散的信息传送 到适当的位置区域中。同样 GEAR也采用了查询

20、驱动数据传送模式。它传送数据 分组到目标域中所有的节点的过程包括两个阶段：目标域数据传送和域内数据传送。在目标域数据传送阶段，当节点接收到数据分组，它将邻接点同目标域的距 离和它自己与目标域的距离相比较，若存在更小距离，则选择最小距离的邻接点 作为下一跳节点；若不存在更小距离，则认为存在“ hole ”，节点将根据邻居的 最小花销来选择下一跳节点。在域内数据传送阶段，可通过两种方式让数据在域内扩散：在域内直接洪泛 和递归的目标域数据传送直到目标域剩下唯一的节点。GEA将网络中扩散的信息局限到适当的位置区域中， 减少了中间节点的数量，从 而降低了路由建立和数据传送的能源开销，从而更有效的提高了网

21、络的生命周 期。缺点是依赖节点的GP定位信息，成本较高。在本实验中我们采用的是 AOD路由算法（Ad hoc on dema nd dista nee vectored hoc按需距离矢量协议）。它并不是传感器网络的最佳路由算法。但是 通过它，我们可以了解到传感器网络的一些路由特点。AOD是一个按需的路由协议，它只根据源节点的需要才建立节点之间的路 由。在源节点使用这条路由进行网络通信时，路由程序会一直维护这些路由。AODV 使用序列号来保证路由的时效性。它通过一个路由请求 /路由回应的查询过程来 建立路由。当一个源节点想要与目标节点通信， 但又不具备到目标节点的有效路 由时，它广播一个路由请

22、求报文（RREQ在RRE报文中包含了源节点的IP地址、 源节点当前的序列号和一个广播ID，同时还包含了源节点所知道的到目的节点的 最新路由的序列号。其它节点收到这个报文时，就在路由表中建立到源节点的反 向路由，并重新广播RRE报文。当目标节点收到RRE报文时，它会单播一个路由 回答报文（RREP给源节点。如果某一个中间节点具有一条到目的节点的较新路 由（意味着这条路由的序列号比RRE中的目的节点的序列号要大），它也可以直 接给源节点发送RRE报文，而不在广播RRE报文。当然，如果一个节点收到了重 复的RREQ即具有相同广播ID的RRE®,它将忽略这个报文，而不将其继续广播。在RRE从

23、目的节点向源节点传播的过程中， 沿途的节点都在各自的路由表中 设定了到目的节点的正向路由。当源节点收到RRE报文之后，就可以开始向目的 节点发送数据包。如果源节点在之后又再次收到RREP并且RRE中的目标节点序 列号比它当前所用的路由的序列号更大时，它会更新自己的路由表，并开始使用 新路由。当源节点频繁给目的节点发送数据包时，其所用的路由会一直保持活跃状 态，并被沿途的所用中间节点所维护。 也就是说在AOD协议中，路由中的每个节 点都维护路由表，因而数据报文头部不再需要携带完整的路由信息， 从而提高了 协议的效率。一旦源节点停止发包，则这条路由会超时，并被中间节点从各自的 路由表中删除。如果一

24、条活跃路由的中间某一段链路发生了破裂（可能时由于节点移动，或外界干扰），则这条路由会产生错误。在链路破裂处的上游节点会给 源节点发送路由错误（RERR报文。源节点收到RER后，如果它还需要继续与目 的节点通信，就必须重新建立路由。2.7传输层传输层负责数据流的传输控制，将传感器网络的数据提供给外部网络，是保 证通信服务质量的重要部分。2.8应用层应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件。3. 详细设计3.1相关函数初始化函数 initUARTtest（void） 函数原型：void in itUARTtest(void) CLKCON &= 0x40; while(!(SLEE P &

25、amp; 0x40);CLKCON &= 0x47;SLEE P 1= 0x04;晶振/等待晶振稳定/TICHSPD128 分频，CLKSPD 不分频/关闭不用的RC振荡器P ERCFG = 0x00; P0 SEL = 0x3c;/位置1 P0 口/P0用作串口U0CSR |= 0x80;U0GCR |= 10;U0BAUD |= 216;UTX0IF = 1;/UART方式/baud_e/允许接收开总中断，接收中断波特率设为57600U0CSR |= 0X40;IEN0 |= 0x84;函数功能：将系统时钟设为高速晶振，将 P0 口设置为串口 0功能引脚，串 0使用UART模式，波

26、特率设为57600,允许接收。在使用串口之前调用。串口发送字符串函数：void UartTX_Se nd_Stri ng(uchar *Data,i nt le n)函数原型：""void UartTX_Se nd_Stri ng(uchar *Data,i nt le n)""int j;for(j=0;j<le n;j+)U0DBUF = *Data+;while(UTX0IF = 0);UTX0IF = 0;串口接收一个字符串#p ragma vector = URX0_VECTOR_in terru pt void UART0_ISR(vo

27、id)清中断标志厂"URX0IF = 0;temp = U0DBUF;3.2实现框架图3.3设计代码#i nclude viocc2430.h> #in clude <stri ng.h> #defi ne uint un sig ned int#defi ne uchar un sig ned char#defi ne FALSE 0#defi ne TURE 1 /定义控制灯的端口#defi ne led1 P1_0#defi ne led2 P1_1 void Delay(ui nt);void ini tUARTtest(void);void In itia

28、lAD(void);void UartTX_Se nd_Stri ng(uchar *Data,i nt le n);uchar Recdata="Hello. Tia nYun WuXia nKeJi" uchar RTflag = 1;uchar temp;uint data nu mber = 0; uint strin gle n;/*m*mmm*mm*mm* *函数功能 *入口参数 *返回值 *说 明延时 定性延时 无*/void Delay( uint n) uint i;for(i=0;i vn ;i+); for(i=0;i vn ;i+); for(i=0

29、;i vn ;i+); for(i=0;i vn ;i+); for(i=0;i vn ;i+);/*函数功能*入口参数*返回值*说 明初始化串口 1 无无57600-8-n-1*void in itUARTtest(void) CLKCON &= 0x40; while(!(SLEE P & 0x40);CLKCON &= 0x47;SLEE P 1= 0x04;晶振/等待晶振稳定/TICHSPD128 分频，CLKSPD 不分频/关闭不用的RC振荡器P ERCFG = 0x00; PO SEL = 0x3c;/位置1 P0 口/P0用作串口U0CSR |= 0x80

30、;U0GCR |= 10;U0BAUD |= 216;UTX0IF = 1;/允许接收开总中断，接收中断/UART方式/baud_e波特率设为57600UOCSR |= 0X40; lENO |= 0x84;/*函数功能：串口发送字符串函数*入口参数：data数据*len :数据长度*返回值：无*说明：*/void UartTX_Se nd_Stri ng(uchar *Data,i nt le n) ""int j;for(j=0;j<le n;j+)U0DBUF = *Data+; while(UTXOIF = 0); UTX0IF = 0;主函数 无 无 无/*

31、函数功能*入口参数*返回值*说 明*/void ma in (void)/P1 out P1DIR = 0x03;led1 = 1;led2 = 1; Delay(2000);in itUARTtest();stri ngle n = strle n( (char *)Recdata); /UartTX_Se nd_Stri ng(Recdata,30); while(1)/P1 控希y LED/关 LED初始化UART/接收/接收状态指示if(RTflag = 1)led2=0;if( temp != 0)if(te mp !=#)&&(data nu mberv30)/&#

32、39;#被定义为结束字符/最多能接收30个字符Recdatadata nu mber+ = temp; else/进入发送状态RTflag = 3;if(data nu mber = 30)RTflag = 3; temp = 0;if(RTflag = 3) /发送led2 = 1;led1 = 0;U0CSR &= -0x40;UartTX_Se nd_Stri ng(Recdata,data nu mber);U0CSR |= 0x40;RTflag = 1;data nu mber = 0; led1 = 1;/关绿色LED/发送状态指示/不能收数/允许收数/恢复到接收状态/指

33、针归0/关发送指示/*函数功能：串口接收一个字符*入口参数：无*返回值：无*说 明：接收完成后打开接收*/#p ragma vector = URXO_VECTOR_in terru pt void UARTO_ISR(void)厂"URX0IF = 0;temp = U0DBUF;清中断标志4. 运行结果r f2a MT逑竟沁验和 串口波特$狡验包數据位停止位|57旳匚二I I无皿二I 够u关闭串口谆止显示I自动清空r十六进制显示 廉存工杀数据愈 jcACOMDATAfehdffghdffehdffdffehdffgh4ff£kdffghdffdffghdffshaffg

34、hdff£kdff£i s dfikj hs s dfik jh ssdfskjh ssifskjh ssifskjL ssJfskjh ssdfskjh ssdfskjh ssdfstjh ssdfskjh stdfikjh iHfskjh ttdfikjh tidfskjh tidftkjh isdfikjh tidfikjh isdfikjh sidfskjK淸空£埴I懺送的命数捱r十六进制发送手动发送j!自动垸送 砸改变后重选)'自动蟋周期：1 毫秒I选样览送文件f 逑没砒择文祥有 |ST«US : C0«2 OFEHED *1 KtTZ37') 11207|為也1讥肚£町握送文件IKt:Z37啸蜂关闭程序SMflO L 5. 自我评价通过此次课设，使我加深了对无线传感器网络的认识，对一些传感器，如湿度传感器，温度传感器和光照传感器等的应用有了更深刻的理解，进一步熟悉和掌握了硬件的开发，并且学会使用 CC2430模块进行一些通信实验，对今后学习 ARM是一个良好的铺垫。6. 课设总结在此次课设的过程中，尽管有一些困难，