远程无线传感器网络的研究与设计

1、PAGE 编号：2012 硕士学位论文远程无线传感器网络的研究与设计申请学位级别： 工学硕士 专业名称：信号与信息处理 研 究 方 向 ： 信号与信息处理论文提交日期：2012年4月23日硕士学位论文 STYLEREF 标题 1 * MERGEFORMAT 附录B无线收发模块TRF6900A电路原理图PAGE I摘要本文主要研究的课题是远程无线传感器网络的设计与研究，该系统主要以远程温度采集为例。系统具备低功耗、抗干扰能力强、大容量、实时采集、数据传输安全可靠等特点。文中提出设计思路：主机通过无线传输模块将多达255台分机（前端数据采集装置）和其连接起来，主机发送标准的MODBUS(RTU)访

2、问命令控制各个分机（前端数据采集装置）工作。并对采集的数据进行分析、计算；分机（前端数据采集装置）主要完成响应主机命令，完成相应的功能，如：数据采集、回传采样数据等。采用射频无线的方式来实现主机与分机之间的信息交换，基于ModBus（RTU）通讯协议对数据进行无线传输。采用的工作方式为半双工，频率对应在ISM频段，不需要申请。系统中每台分机可采集4路数据，并可实时监控分机的电源电压。本文主要应用CC2430单片机、运放LM358、差分放大器IN1117、无线收发模块TRF6900A等芯片设计制作了无线数据采集电路。使用ARM/C语言完成了整个系统的软件设计及调试。最后还描述了本系统的控制方法和

3、一般控制流程，以及系统的调试过程和结果。关键词：无线传输、数据采集、ModBus、射频PAGE VAbstractThis article mainly discusses remote wireless sensor network design and research , it mainly uses to the aspect of exterminating motorcycle. This system has the characteristic such as low power loss, the strong antijamming ability, large capac

4、ity, real-time gathering, the data transmission safe is reliable. In the article, it proposes the design mentality. The main engine will reach 255 extension telephones through the wireless transmission module (front end data acquisition installment) and their connect, transmission standard MODBUS (R

5、TU) visits the order to control each extension telephone (front end data acquisition installment) to work. And it carries on operation and on analysis, computation to the gathering data, draws up each gathering history diagram of curves. The extension telephone (front end data acquisition installmen

6、t) mainly completes the response main engine order, completes the corresponding function, for example: data acquisition, feedback sampling data and so on. The main engine and the extension telephone exchange of information by the radio frequency wireless way realization, the data wireless transmissi

7、on follows ModBus (RTU) the communication agreement. Using the half-duplex the work way, the frequency work in the ISM frequency band, does not need to apply. In the system each extension telephone may gather 4 ways according to, and may the real-time monitoring extension telephone supply voltage. T

8、his article mainly using the ARM7 chip (CC2430), transported puts LM358, differential amplifier IN1117, chip design and so on wireless receiving and dispatching module TRF6900A has manufactured the wireless data acquisition electric circuit. With ARM/The C language has completed the overall system s

9、oftware design and the debugging. Finally it also describes this system control method and the general control flow, the system debugging process and the result.Keywords: Wireless Transmission; Data Collection; ModBus;RF 目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc322980543 摘要 PAGEREF _Toc322980543 h I HYPER

10、LINK l _Toc322980544 Abstract PAGEREF _Toc322980544 h II HYPERLINK l _Toc322980545 目录 PAGEREF _Toc322980545 h III HYPERLINK l _Toc322980546 第一章 绪论 PAGEREF _Toc322980546 h 1 HYPERLINK l _Toc322980547 1.1课题背景 PAGEREF _Toc322980547 h 1 HYPERLINK l _Toc322980548 1.2国内外发展的现状 PAGEREF _Toc322980548 h 2 HYP

11、ERLINK l _Toc322980549 1.2.1国内发展的现状 PAGEREF _Toc322980549 h 2 HYPERLINK l _Toc322980550 1.2.2国外应用现状 PAGEREF _Toc322980550 h 4 HYPERLINK l _Toc322980551 1.3对设计任务的分析 PAGEREF _Toc322980551 h 5 HYPERLINK l _Toc322980552 1.4预期结果 PAGEREF _Toc322980552 h 6 HYPERLINK l _Toc322980553 1.5论文的结构安排 PAGEREF _Toc3

12、22980553 h 6 HYPERLINK l _Toc322980554 第二章 总体方案设计 PAGEREF _Toc322980554 h 7 HYPERLINK l _Toc322980555 2.1无线传感器网络系统的特点 PAGEREF _Toc322980555 h 7 HYPERLINK l _Toc322980556 2.2系统总体方案设计与论证 PAGEREF _Toc322980556 h 8 HYPERLINK l _Toc322980557 2.3设计任务 PAGEREF _Toc322980557 h 9 HYPERLINK l _Toc322980558 2.4

13、 系统组成及工作原理 PAGEREF _Toc322980558 h 9 HYPERLINK l _Toc322980559 2.4.1系统组成 PAGEREF _Toc322980559 h 9 HYPERLINK l _Toc322980560 2.4.2工作原理 PAGEREF _Toc322980560 h 10 HYPERLINK l _Toc322980561 2.5 ARM处理器CC2430 PAGEREF _Toc322980561 h 11 HYPERLINK l _Toc322980562 2.6 无线射频芯片TRF6900A PAGEREF _Toc322980562 h

14、 13 HYPERLINK l _Toc322980563 2.6.1 TRF6900A芯片特点 PAGEREF _Toc322980563 h 14 HYPERLINK l _Toc322980564 2.6.2 TRF6900A工作模式 PAGEREF _Toc322980564 h 15 HYPERLINK l _Toc322980565 2.6.3 TRF6900A功能配置 PAGEREF _Toc322980565 h 17 HYPERLINK l _Toc322980566 2.6.4 TRF6900A电路设计要点 PAGEREF _Toc322980566 h 19 HYPERL

15、INK l _Toc322980567 2.7温度采集模块 PAGEREF _Toc322980567 h 20 HYPERLINK l _Toc322980568 2.7.1 DS18B20介绍 PAGEREF _Toc322980568 h 21 HYPERLINK l _Toc322980569 2.7.2单总线介绍 PAGEREF _Toc322980569 h 22 HYPERLINK l _Toc322980570 2.7.3 DS18B20的工作原理 PAGEREF _Toc322980570 h 22 HYPERLINK l _Toc322980571 2.8基于指向性天线的节

16、能策略 PAGEREF _Toc322980571 h 24 HYPERLINK l _Toc322980572 第三章 硬件设计 PAGEREF _Toc322980572 h 28 HYPERLINK l _Toc322980573 3.1无线模块电源电路 PAGEREF _Toc322980573 h 28 HYPERLINK l _Toc322980574 3.2 TRF6900A外围电路 PAGEREF _Toc322980574 h 28 HYPERLINK l _Toc322980575 3.3射频双向功放电路设计 PAGEREF _Toc322980575 h 29 HYPER

17、LINK l _Toc322980576 3.3.1发射功率放大(PA)电路 PAGEREF _Toc322980576 h 30 HYPERLINK l _Toc322980577 3.3.2低噪声放大(LNA)电路的设计 PAGEREF _Toc322980577 h 31 HYPERLINK l _Toc322980578 3.3.3功率检测的电路设计 PAGEREF _Toc322980578 h 32 HYPERLINK l _Toc322980579 3.3.4电平的平移和驱动电路 PAGEREF _Toc322980579 h 32 HYPERLINK l _Toc3229805

18、80 3.4串口通信接口电路 PAGEREF _Toc322980580 h 33 HYPERLINK l _Toc322980581 3.5本章小结 PAGEREF _Toc322980581 h 33 HYPERLINK l _Toc322980582 第四章 软件设计 PAGEREF _Toc322980582 h 35 HYPERLINK l _Toc322980583 4.1 通讯协议的设计 PAGEREF _Toc322980583 h 35 HYPERLINK l _Toc322980584 4.1.1 MODBUS通讯协议简介 PAGEREF _Toc322980584 h 3

19、5 HYPERLINK l _Toc322980585 4.1.2通讯协议的构建 PAGEREF _Toc322980585 h 36 HYPERLINK l _Toc322980586 4.2 采样控制 PAGEREF _Toc322980586 h 37 HYPERLINK l _Toc322980587 4.3 ARM与TRF6900A的接口及软件设计 PAGEREF _Toc322980587 h 39 HYPERLINK l _Toc322980588 4.3.1 TRF6900A的寄存器配置 PAGEREF _Toc322980588 h 40 HYPERLINK l _Toc32

20、2980589 4.3.2 TRF6900A的工作模式配置 PAGEREF _Toc322980589 h 42 HYPERLINK l _Toc322980590 4.4 主程序流程图 PAGEREF _Toc322980590 h 45 HYPERLINK l _Toc322980591 4.5主机界面设计 PAGEREF _Toc322980591 h 45 HYPERLINK l _Toc322980592 4.5.1数据读取界面设计 PAGEREF _Toc322980592 h 46 HYPERLINK l _Toc322980593 4.5.2 液晶显示界面设计 PAGEREF

21、_Toc322980593 h 47 HYPERLINK l _Toc322980594 4.6 温度检测 PAGEREF _Toc322980594 h 47 HYPERLINK l _Toc322980595 4.7 无线发射模块的软件设计 PAGEREF _Toc322980595 h 48 HYPERLINK l _Toc322980596 4.8 无线接收模块软件设计 PAGEREF _Toc322980596 h 49 HYPERLINK l _Toc322980597 4.9软件的总体设计 PAGEREF _Toc322980597 h 50 HYPERLINK l _Toc32

22、2980598 4.9.1发送部分 PAGEREF _Toc322980598 h 50 HYPERLINK l _Toc322980599 4.9.2接收部分 PAGEREF _Toc322980599 h 51 HYPERLINK l _Toc322980600 4.10 系统调试 PAGEREF _Toc322980600 h 52 HYPERLINK l _Toc322980601 4.11本章小结 PAGEREF _Toc322980601 h 53 HYPERLINK l _Toc322980602 第五章 总结和展望 PAGEREF _Toc322980602 h 54 HYPE

23、RLINK l _Toc322980603 5.1总结 PAGEREF _Toc322980603 h 54 HYPERLINK l _Toc322980604 5.2 展望 PAGEREF _Toc322980604 h 54 HYPERLINK l _Toc322980605 参考文献 PAGEREF _Toc322980605 h 56 HYPERLINK l _Toc322980606 附录A ARM控制板电路原理图 PAGEREF _Toc322980606 h 59 HYPERLINK l _Toc322980607 附录B无线收发模块TRF6900A电路原理图 PAGEREF _

24、Toc322980607 h 60PAGE 66第一章 绪论在这一章中主要介绍了无线传感器的研究背景，以及其在国内外的研究现状，最后提出本文研究的主要内容。1.1课题背景在我们当今时代，无线已经存在我们的每一个角落。出门：我们给家人朋友打电话，发短信；在家：我们应用可移动电话；开车：GPS导航寻路；上班：我们采用无线网卡上网，办公等等。伴随着科技的进步，我们生活的方方面面将要融入无线通讯和无线网，我们也将迎来嵌入式无线网络的时代，近年来市场上以无线片上系统(SoC)为核心的无线通讯和网络系统得到了迅速的发展其主要是低功耗，体积小，价格低。传统的传感器采集系统是有线的，如果要采集多个地方的数据，

25、布线将变的非常复杂，如果距离稍远些数据传输的可靠性将大大降低、并且数据传输速度也慢！如果我们采用无线数传方案，只需要在要采集数据的地方放置几个有无线收发模块的前端数据采集装置（分机）。手中只需一个有无线收发模块的主机，我们就可以管理那些前端的数据采集装置工作。并且主机具有良好的人机交互界面，操作简单，界面美观、清晰，达到实用的目的！这种计算机技术和射频无线技术相结合的无线数据采集技术将大大减轻人们的工作量。目前，新兴的无线传输技术“蓝牙科技BLUETOOTH”、“nRF技术”以无方向性与穿墙性的优势，迅速席卷市场；而“红外线传输IrDA”为应用较成熟普及的技术；红外传输（IrDA）技术虽然很普

26、及、很成熟，但是其距离太短，抗干扰能力差，传输速度慢；蓝牙科技（BLUETOOTH）虽然具有无方向性与穿墙优势，但是它开发成本高、软件及其协议编程不但复杂，传输距离只有10M；而nRF 方案集成了全部RF 和基带处理，真正的单片化，具有成本更低、功耗更低、协议简单、软件开发更简易等特点，传输几十米、数百米，甚至更远，其开发成本也远远低与蓝牙 。由挪威Nordic公司制造的无线通信芯片产品（NRF系列）收发合一，工作频率绝大部分都是采用国际通用的ISM频段，应用发射功率低、灵敏度高的接受设计，因此应用时会对周围产生很小的干扰，无需申请许可证，传输速率为2076.8kbit/s，而在诸如远程抄表、

27、双向无线数据传输等应用领域，完全可以满足其要求。这种低成本无线通信技术和解决方案适合中国国情，相信将会在中国拥有更广阔的市场前景。1.2国内外发展的现状1.2.1国内发展的现状 由上文的研究背景可以得知，无线传感器的发展的快慢速度是由无线传输技术的发展决定的，但总体而言，其基本思路大致相同，采集信号大部分都是采用微处理器来实现，再由无线模块进行传输，国内对无线传感器的各种设计方案中，最大的异点就是对无线传输模块的采用。在下面我们将要简要的对国内的一些无线传感器的设计和使用做一些介绍。在无线传输距离比较近的场合，通常都是采用载波技术，来对发送的信号进行调制、解调。以无线通信模块PTRS000为例

28、，PTR8000无线通信模块在 433/868/915MHz三个频段川可以进行工作。如图1-1所示:图1-1 PTR8000构成的无线传感器PTRS(X)0无线通信模块主要应用于门禁系统、无线抄表、小区传呼、小型无线数据终端等场合。对于无线通讯部分采用蓝牙也可以实现:该技术是支持短距离无线传输的，其相互接受的距离大概是10米左右，工作在波段为2.4GM。低成本的蓝牙通讯，可以将在传输范围内的计算机和通讯设备建立连接并且代替复杂的电缆线能。也就是这些让它在智能家居和一些家电遥控中得到了广泛的应用。ZigBee技术在无线传感器技术中也是得到了广泛应用，例如家居的智能化、应用于水质监测、对工业现场的

29、温湿度等物理量的无线测量。Zigbee是IEEE802.15.4无线传输协议的代名词，具有100米左右的传输距离。其最大的特点为:低功耗，时延短，成本低，可靠，网络容量大等。Zigbee 的技术应用如下：图1-2 Zigbee构成的无线传感器上面介绍的都是对使用范围较近的无线传感器，在国内也有些地方使用一些实用范围广泛的。首先，已经在医疗检测中使用的CDMA的无线传感器。离城市较远的乡村，交通不便，是行医具有一定的困难，这种利用CDMA传感器能够及时准确的将病人现时的呼吸、血压等生理参数输送到远程的医疗中心。在一端的医生专家们根据生理参数，可以及时的了解病人情况，从而提供一些远程指导。在下图中

30、，将简要介绍一下基于CDMA的无线传感器：图1-3 CDMA构成的无线传感器基于GSM的无线传感器也在国内得到了采用。GSM网络属于第二代移动通讯技术，作为一种远程通讯技术代表，经过多年研究发展该技术已十分成熟。覆盖范围广泛是该技术的一个重要的特点，基本上可达到每个区域，并且具有十分便宜的其短信业务(SMS)。当今国内主要将该技术应用于报警系统，例如火灾、烟雾等报警系统。其大体结构如下:图1-4 GSM无线传感网络1.2.2国外应用现状在国外对无线传感器也得到十分广泛的应用，其主要在建筑安全监测、家庭环境监测等方面得到了应用。上文我们提到，无线传感器的发展快慢决定于无线通讯技术的发展，而国内外

31、对无线通讯所采用的方法和手段都是一样的，因此其无线传感器的原理和国内没有多大的差别，也就是在一些应用方面有所不同。基于此我们也就在这里简要的介绍一些无线传感器的应用，通过对一些国外文献的查阅，我们将要介绍下面几种应用。最开始将要介绍在安防系统中得到广泛应用的蓝牙技术，在上文对蓝牙技术有所介绍，在这里就不在重复。在传感器接受的装置较远时想要获取信息就要要一些中继来进行中途传输，这是因为蓝牙的近距离传输的原因。因此要建立一个安防系统就要具备传感器节点、中继节点、控制节点三个部分。当有人在没有经过允许的情况下进出时被传感器节点检测到时，就会通过中继节点然后传输到控制节点，控制节点再通过串口将数据发送

32、到本地传输中心，本地传输中心通过Intemet传输到中心安全控制系统。该无线传感器通过蓝牙采用中继传输，然后本地监测的系统通过本地安全中心处理，然后通过Intemet传输到中心安全控制系统。中心安全系统可以同时接受到多个本地安全控制系统的信息，从而达到集中监测得目的。图1-5 蓝牙构成的无线传感网络在国外的应用中，无线传感器己经应用于农业生产中，用来检测农作物生长的温度、湿度以及二氧化碳的含量，根据这些成分参数调整培育策略。无限传感器的设计方法是:首先采用温度、湿度、成分等传感器来测量，采用单片机来处理，然后通过CC2420来传输。CC2420采用802.15.4协议，传输距离可到上百米，其应

33、用框图如下1:图1-6 CC2420构成额无线传感网络1.3对设计任务的分析本系统的设计采用了工作于2.4GHz频段TRF6900A射频芯片，并有低功耗单片机CC2430 控制实现远距离无线数据通信。该接口设计具有成本低、功耗低、传输速率高、软件设计简单以及通信稳定可靠等特点。整个系统有发送和接收二部分，通过TRF6900A无线数据通信收发模块来实现无线数据传输。发送部分以单片机CC2430为核心。将传感器采集到的数据通过无线传送方式发送给接收部分，然后在主机上显示。本系统的核心控制芯片选用的是CC2430。单片机在各个技术领域中的迅猛发展，与单片机所构成的计算机应用系统的特点有关：（1）单片

34、机构成的应用系统有较大的可靠性；（2）系统构建简洁、易行，能方便的实现系统功能；（3）由于构成的系统是一个计算机系统，相当多的功能由软件实现，故具有柔性特点和优异的性能价格比；用CC2430可以制作两个最小系统（一个控制发送端，一个控制接受部分）最小系统包括电源电路，采用JTAG接口的下载电路及主控芯片和一些基本外围电路。无线收发模块采用挪威(Nordic)公司生产的TRF6900A及其外围电路组成，软件部分要熟悉内部的标志、控制寄存器、数据通道，发射频率功率及收发模式等等。1.4预期结果采用CC2430单片机作为主控CPU，DS18B20作为温度采集模块，TRF6900A作为无线收发模块。完

35、成远程无线传感器网络的设计和温度的传输。要求完成硬件模块的设计和电路板的制作。软件模块包括温度检测模块、无线发射模块、无线接收模块和显示模块。1.5论文的结构安排本文基于本次毕业论文的过程与要求，将论文分为五章。具体内容如下：第一章 绪论，本章简单介绍了课题的研究背景、目的和意义，无线传感网络国内外发展现状和相关领域中已有的研究结果，该设计的预期结果和意义。第二章 系统总体方案介绍，本章介绍了本次毕业设计的主控芯片及相应的编程环境，让我们熟悉了整个系统的调试方法。第三章 硬件系统的设计与实现，本章介绍本课题硬件系统各部分电路的设计、实现，讲述了各模块的功能。第四章 软件系统的设计与实现，本章根

36、据系统的总方案，设计出程序的总流程图，并利用C语言编写相应的程序。最后将已有的软硬件集成，完成系统的调试，得到的相应成果。第五章总结和展望，首先总结本文内容，然后展望下一步研究工作。第二章 总体方案设计2.1无线传感器网络系统的特点目前市场上销售的无线传感数据采集系统千差万别，形式各异。但就一套配置齐全、性能良好的无线数据采集系统而言，概括起来不外乎由传感器、 数据采集系统、 无线收发模块等几个主要部分组成，如框图2-1所示图2-1 无线传感网络组成框图从图中可以看出无线传感器数据采集系统由主机和前端数据采集装置(单片机)组成。主机主要完成的任务是：控制各前端数据采集装置（分机），对采集数据的

37、实时处理和显示；分机主要的功能是：接收主机命令，完成相应的功能（如完成数据采集和数据传输控制）。主机和分机的信息交换以射频无线（nRF技术）的方式实现，采用半双工的工作方式，通讯协议采用标准的MODBUS(RTU)协议。GFSK频率工作在ISM频段，不需要申请。主机可连接多达255台分机，每分机可采集4路数据，主机可实时监控分机的工作状态。采集速度及缓存容量均可通过软件编程设定。整个系统可随时通过RS232接口更新软件，方便以后系统升级！2.2系统总体方案设计与论证根据前面的介绍，我们知道目前新兴的短距离无线传输技术有：红外线传输IrDA，蓝牙科技BLUETOOTH，nRF技术（事实上nRF并

38、不是一种协议，只是由于其NORDIC公司的nRF芯片应用十分广泛，因此在此与Bluetooth和IrDA等协议相提并论）。由于红外线传输IrDA距离太短，抗干扰能力差，传输速度慢，所以舍弃这种方案。下面仅将蓝牙与nRF作比较：表2.1 蓝牙与nRF方案比较方案硬件设计接口方式编程通讯速率通信距离蓝牙方案由多个芯片组成，由发射接收处理，基带处理等多个芯片组成，硬件较复杂。复杂，时序要求相当严格。具有复杂的通信协议和软件堆栈，需要较长时间熟悉。300-400Kbps10米nRF方案高频电感和滤波器等已全部内置，外围元件需要量较少。简便，只需和单片机I/O口或SPI口相连。编程较方便。100-1MK

39、bps室内约30-100米，室外约100-500米。比较nRF方案集成了内部RF和基带处理，真正的单片化，设计调试容易，成本低。nRF较为方便。nRF方案开发周期短。nRF速率较高，更适合多频道的数据传输。nRF距离更远，更适合无线数据采集系统。从上面的比较可以看出，采用nRF方案要优于蓝牙。因此，本系统初步选定NORDIC公司生产的TRF6900A芯片作为系统无线收发模块的核心。上表中的通信距离中给出的数值源于媒体的报道与推广该芯片的公司给出的宣传材料，下面我们根据TRF6900A Datasheet中给出的一些器件参数来计算TRF6900A的通信距离。 首先给出了在自由的空间传播数据时的无

40、线的通信距离计算方法（其中自由空间传播是指的是天线周围的范围无限大，而且是理想的电波进行传播。在自由空间进行电波传播时，电波的能量不会发生散射或反射。也不会被障碍物所吸收。这样无线模块的通信距离就与发射的功率、接收的灵敏度和工作的频率有关 ：Lfs(dB)=32.440+20lgd(km)+20lgf(MHz) (2.1)此式即为自由空间下电波传播的损耗公式，式中Lfs为传输的损耗，d为传输的距离，频率单位以MHz计算。 在上式中可见，在自由空间中的电波传输的损耗（亦称衰减）只与工作频率f和传播距离d有关，当f或d增大一倍时，Lfs分别增加了6dB. 下面计算TRF6900A的理论通信距离。

41、根据905的Datasheet，其发射的功率为10dBm，接收的灵敏度-100dbm，工作频率为433.2MHz。由公式2.1计算得到：d=17.5Km。这种传输距离是理想状态下的，往往在实际应用中时会低于该值，这是由于外界的各种因素的干扰，如大气、障碍物、多径等对其造成的损耗，我们将上述的损耗值代入上式，就可以计算出一个近似的通信距离。 假设损耗为40dB，那么就可以计算得出通信距离为：d=180M。通过上面的论证，我们不难看出TRF6900A在传输速率、距离、接口简便性等方面完全可以满足本系统的要求。因此，本无线数据采集系统最终选择TRF6900A芯片作为本系统的无线收发的核心。2.3设计

42、任务本远程无线传感器网络设计的主要目标，概括出如下：（1）确定能系统总体方案，完成关键模块的选型。（2）用Altium Designer 6.0完成系统原理图的设计，PCB图绘制，制作相应的电路板。（3）设计基于MODBUS的通讯协议。（4）实现CC2430和无线收发芯片TRF6900A间通信，然后实现远程无线传感器网络主机与分机间的无线通信。（5）用ARM C开发工具ARM Developer Suite进行ARM程序编程，完成整个系统软件的设计。（6）在传感器网络主机上设计一种方便的人机操作界面，完成各个功能软件的调试，使其操作简单、界面美观及清晰，达到实用的目的。2.4 系统组成及工作原

43、理2.4.1系统组成系统框图如图2-2所示，从图可以看出点对多点式无线数据传输系统分为两大部分：主机和分机。分机如图2-3所示：主要由传感器、前级处理电路、带有A/D转换的ARM单片机CC2430、无线收发模块TRF6900A、以及射频功率放大器组成；主机如图2-4所示：由ARM单片机CC2430、无线收发模块TRF6900A、射频功率放大器组成。图2-2 系统框图图2-3分机原理框图图2-4 主机原理图2.4.2工作原理无线传感器网络主机部分是基于一个支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器的平台上设计的，而ARM7TDMI-S使用了流水线技术，处理和存储系统的所有

44、部分都可以联系工作。CC2430是每时每刻都在扫描按键的状态，可以利用中断或者查询的工作方式，对按键的状态进行处理，执行相应的功能，同时功能可以用液晶显示出来。当进入“选择采样分机”这一界面时，按下“分机一”或者“分机二”即发送相应的MODBUS(RTU)控制命令到分机，此时无线模块（TRF6900A）自动上电，MODBUS(RTU)控制命令数据包自动完成加前导玛和CRC 校验码后被发送。分机中的无线收发模块TRF6900A不断的监测空中信息，当TRF6900A具有相同的发现和接收频率时载波检测CD 被置高，当TRF6900A 接收到的地址判定有效时地址匹配AM 被置高，当TRF6900A 接

45、收到数据包CRC校验正确并且判定有效时，TRF6900A去掉前导码地址和CRC位，数据准备就绪DR 被置高， MCU（CC2430） 通过查询DR和AM两管脚都为高后就设置TRF6900A 为standby 模式，并以适当的速率通过SPI 接口读出有效数据。一个完整的MODBUS(RTU)命令接收完后，MCU（CC2430）对该命令进行一定的处理，然后执行相应的功能。如进行广播采样、发回采样数据等。2.5处理器CC2430本课题中，传感器节点的处理器采用的是TI公司的CC2430单片机CC2430是首个真正的单芯片ZigBee解决方案，因此采用基于CC2430芯片开发的无线传感器网络节点非常适

46、合用于煤矿井下环境监控、人员定位及系统设备的小型化设计。Chipcon公司(已于2006年被美国TI公司收购)作为全球领先的供应商，在低系统成本、低功耗的射频芯片和网络型软件方面发布的CC2430产品家庭是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求。这种ZigBee SoC解决方案对十制造商是一个巨大的飞跃。面向家庭和楼宇自动化、供暖/通风/空调系统、自动抄表、医疗设施、家庭娱乐、物流以及工业监测等其他终端市场的产品都可以使用相当而且功耗低的CC2430系列无线通信芯片。CC2430片

47、上系统的功能模块结构如图 2.5所示。CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核，运行时钟32MHz。由十更快的执行时间和通过除去被浪费掉的总线状态的方式，使得使用标准8051指令集的CC2430增强型8051内核，具有8倍的标准8051内核的性能，具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC、几个定时器(Timer), AES128协同处理器、看门狗定时器(Watchdog timer), 32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power

48、 On Reset)、掉电检测电路(Brown out detection)，以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用0.18mCMO S工艺生产；在接收和发射模式下，电流损耗分别低十27mA或25mA。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。为了更好的处理网络和应用操作的带宽，CC2430集成了大多数对定时要求严格的一系列IEEE802.15.4MAC协议，以减轻微控制器的负担。这包括:自动前导帧发生器、同步字插入/检测、CRC-16校验、CCA、信号强度检测/数字RSSI、连接品质指示(LQI)，CSMA/CA协处理器。CC24

49、30功能结构框图如图2.5所示。 图2-5 CC2430系统功能模块结构图从以上的描述中我们可以看出，CC243 0集成度高，体积小，功耗低，非常适合无线传感器网络节点的设计，图2.6是其外围基本电路原理图 图2.6 CC2430电路原理图2.6 无线射频芯片TRF6900ATRF6900A 可工作于850 950 MHz 频率范围，具有带11 位DAC 的24 位直接数字合成器(DDS) 。片上有压振荡器(VCO)、锁相环( PPL) 和基准振荡源. 典型的输出功率分辨率为230 Hz，直接数字合成器设置完成后，可以很快锁定。它有两个可编程的操作模式Mode1 和Mode2，无需对器件重新编

50、程即可对两个已编程的设置进行极快的切换。已编程的设置可以是:接收(RX)P发射( TX) 、TX-频率_0/ TX-频率_1 、RX-频率_0/ RX-频率_1，收发器的每一功能模块都可以通过串行接口使其启动或关闭。该芯片同时有快速的无线电信号强度指示(RSSI)，可与AT89C51灵活的接口。该芯片引脚及功能简如图2.7图2.7芯片引脚及功能2.6.1 发射 发射机由集成的压控振荡器、完全可编程直接数字合成器和功放组成. 内部的压控振荡器可以与外部的谐振回路配合使用，也可以与外部的VCO配合使用. 除法器、预分频器和参考振荡器仅需附加一个外部晶体和一个环路滤波器就可以获得一个典型的频率分频率

51、为230 Hz 的完整的直接数字合成器。在FSK模式中,频率偏移由8 位的FSK 频率偏移寄存器确定,调制由数字合成器完成，无需附加外部元件。2.6.2 发射该集成接收机设计为一次变频的FMPFSK 接收机，由低噪声放大器(LNA) 混频器、中频放大器、限幅器、具有外部LC 回路的FMPFSK 解调器和一个数据整形器组成. 接收信号强度指示器可用于快速载波检测或作为“0”、“1”键按(OOK) 或ASK解调器。在学习模式下,在学习序列输入(0 ,1 ,0 ,1 ,0 ,1) 期间,LC 解调电路的起始误差得到补偿，一个外部电容被充电到一个正比于平均调制直流电平的直流电压。这一电压是数据整形器产

52、生跟在学习序列之后的数据序列的逻辑电平的参考基准。使用内部数据开关，可切换OOK 解调后的信号或FSK 解调后的信号在芯片的DATA-OU T 引脚上的输出。2.6.3 控制器的接口TRF6900A 可以方便地与一个处理器接口。例如与低功耗AT89C51 微处理器，原理如图2.8。TRF6900A 主要性能为有效数据传输距离1 000 m；工作电压2.23. 6V ；待机电流5 mA 。工作电流50 mA。 TRF6900A 与微处理器的接口(1) 数据线。DATA-OU T 和TX-DATA 分别为数据收发线，分别与微处理器的RXD ，TXD 相连(2) TRF6900A 控制与监测线。包括

53、MODE、LOCKDET(3) 串行控制接口。串行控制接口包括DATA，CLOCK，STROBE，负责对TRF6900A 内部四个可编程24 位控制字(A，B，C，D) 的设置。在CLOCK的每一个上升沿，DATA 引脚的逻辑值送入24 位的移位寄存器,当STROBE 电平被抬高时，移位寄存器设定的参数送入被选定的控制寄存器。每个控制字的头部有2 或3 位的地址码，控制移位寄存器数据写入对应的控制字。 TRF6900A 的调制与解调TRF6900A 可以进行跳频和FSK 两种方式的调制与解调。TRF6900A 采用的是目前世界上最先进的直接数字频率合成技术。该技术直接由基带数字信号产生相应频率

54、的正弦波,具有频率范围宽、频率分辨率高、可用软件方便地控制输出频率的优点,但DDS 由于受参考频率的限制,输出频率通常较低,通常为100400 MHz，为了满足实际需要,所以DDS 输出的中频信号要经过PPL 进行倍频。图2.8 控制原理图2.9应用电路2.7温度采集模块该模块采用美国DALLAS公司推出的数字测温芯片DS18B20，该芯片具有体积小，多种封装形式，独特的单线接口等优点。测量范围从-55摄氏度到+125摄氏度，拥有可以选择的9到12位温度数据分辨率，可以工作在寄生电源模式，另外还可自定义温度告警设置。本系统中温度传感器输出脚I/O直接与单片机的P4.0相连，外接4.7 K的上拉

55、电阻到电源，采用MSP430的电源供电8。DS18B20芯片如图2-7所示。图2-7 DS18B20芯片2.7.1 DS18B20介绍DS18B20的引脚定义如表2.6所示。表2.6 DS18B20引脚定义引脚定义DQ单数据总线GND电源地VDD电源正极内部结构如图2-8所示。（1）光刻ROM中的64位序列号可以看作是该DS18B20的地址序列码，它是出厂前被光刻好的。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。64位光刻ROM的排列是：开始的8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面5

56、6位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。 （2）DS18B20中的温度传感器以12位转化为例可完成对温度的测量：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。图2-8 DS18B20内部结构图2.7.2单总线介绍1-WIRE BUS单总线是Maxim全资子公司Dallas

57、的一项专有技术。它采用单根信号线,既传输时钟,又传输数据,而且数据传输是双向的。与目前多数标准串行数据通信方式，如SPI、IIC及MICROWIRE不同,它具有节省I/ O口线资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点82.7.3 DS18B20的工作原理DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。在讲解其工作流程之前我们有必要了解18B20的内部存储器资源26。18B20共有三种形态的存储器资源，它们分别是（1） ROM 只读存储器，用于存放DS18B20的ID编码，其前8位是单线系列编码（DS

58、18B20的编码是19H），后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的CRC码（冗余校验）。数据在出产时设置不由用户更改。DS18B20共64位ROM.9（2）RAM 数据暂存器，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位。用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失。其中第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第三四个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存的镜像。在上电复位时其值将被刷新。第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。第六七八个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的,10内部温度转换、计算的暂存单元。第九个字节为前8个字节的CRC码。EEP

59、ROM 非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在镜像，以方便用户操作26。控制器对18B20操作流程： （1）复位：首先我们必须对DS18B20芯片进行复位，当18B20接到此复位信号后则会在1560S后回发一个芯片的存在脉冲，复位就是由控制器（单片机）给DS18B20单总线的低电平信号。 （2）存在脉冲：在上面的过程结束之后，控制器应该将数据的单总线拉高，这样便于在1560s后接收存在脉冲一个60240uS的低电平信号。现在通信双方已经达成了基本的协议，接下来将会是控制器与18B20间的数据通信。在设计时要注意

60、意外情况的处理这样的情况如果复位低电平的时间不足或是单总线的电路断路都不会接到存在脉冲26。 （3）控制器发送ROM指令和控制器发送存储器操作指令：双方打完了招呼之后最要将进行交流了，ROM指令分别是读ROM数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。ROM指令共有5条，每一个工作周期只能发一条。ROM指令为8位长度，功能是对片内的64位光刻ROM进行操作.11了分辨一条总线上挂接的多个器件并作处理。诚然，单总线上可以同时挂接多个器件，并通过每个器件上所独有的ID号来区别，一般只挂接单个18B20芯片时可以跳过ROM指令（此处指的跳过ROM指令并非不发送ROM指令，而是用特有的一条