一種低功耗無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計

一種低功耗無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是綜合傳感器、嵌入式、網(wǎng)絡(luò)及無線通訊等技術(shù)的一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，是一個多學(xué)科高度交叉的新興前沿研究領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國家安全、醫(yī)療護(hù)理、環(huán)境監(jiān)測、國民經(jīng)濟(jì)諸多方面都有著廣泛的應(yīng)用前景。無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)具有感知和路由的功能，是構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，功耗是影響其壽命的關(guān)鍵因素。ZigBee是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，其低復(fù)雜度、低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的特性正好是無線網(wǎng)絡(luò)需求的。本文針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在實際應(yīng)用中的特點(diǎn)，利用Chipcon公司的CC2420射頻收發(fā)器芯片，設(shè)計一個基于IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)、傳感器節(jié)點(diǎn)、低功耗、ZigBee、CC2420DesignofalowpowerwirelesssensornodeSummary:Wirelesssensornetworksareintegratedsensors,embedded,networkandwirelescommunicationtechnologiessuchasanewinformationacquisitionandprocessingtechnologies,isamultidisciplinaryhighemergingattheintersectionoffrontierresearchfields.Wirelesssensornetworkinnationalsecurity,healthcare,environmentalmonitoring,manyaspectsofthenationaleconomyhasbroadapplicationprospects.Nodesinwirelesssensornetworkswithperceptionandroutingfunctions,constitutesthebasicunitofwirelesssensornetworks,powerconsumptionisakeyfactoraffectingtheirlife.ZigBeeisashortrange,low-powerwirelesscommunicationtechnology,lowcomplexity,lowcost,lowpower,lowdataratewirelessnetworkrequirements.Accordingtocharacteristicsofwirelesssensornetworktechnologyinpracticalapplication,Chipcon'sCC2420RFtransceiverchip,designedbasedonIEEE802.15.4/ZigBeeProtocolofwirelesssensornetworknodefordatacollectionandtransmission.Keywords:wirelesssensornetworks,sensor,lowpowerconsumption,ZigBeeandtheCC2420目錄緒論 第一章無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀 1.1課題的背景及意義1.2研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢第二章無線傳感網(wǎng)絡(luò)主流技術(shù) 2.1網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧2.2路由技術(shù)2.3介質(zhì)訪問控制（MAC）協(xié)議2.4網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?.5定位技術(shù)2.6目標(biāo)跟蹤技術(shù)2.7無線傳感器的安全技術(shù)2.8無線傳感器的時間同步技術(shù)第三章基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成 3.1ZigBee的概述3.2無線傳感器節(jié)點(diǎn)3.3匯聚節(jié)點(diǎn)3.4管理節(jié)點(diǎn)第四章基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計（軟件實現(xiàn)） 4.1無線傳感網(wǎng)絡(luò)的軟件開發(fā)概述4.2節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計4.2.1傳感器的工作流程4.2.2無線通信模塊的軟件設(shè)計第五章基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計（硬件件實現(xiàn)） 5.1無線傳感網(wǎng)絡(luò)的硬件開發(fā)概述5.1.1硬件系統(tǒng)的設(shè)計需求5.1.2硬件系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容5.2節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計5.2.1處理器模塊5.2.2傳感器模塊5.2.3通信模塊5.2.4電源模塊總結(jié) 參考文獻(xiàn) 致謝 緒論今年來，信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展給人類社會和國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域帶來的巨大的變化，以Internet為代表啊的信息網(wǎng)絡(luò)對人們生活方式的影響越來越大。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks,WSN)是一種新型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其通過節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作對信息進(jìn)行感知、采集和處理，并將處理后的信息傳送到網(wǎng)絡(luò)客戶端，從而使WSN成為Interne從虛擬世界到物理世界的延伸，成為邏輯上的信息世界與真實物理世界連接的橋梁，即將信息世界和物理世界融為一體。目前，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，短距離、低成本、低功耗的ZigBee技術(shù)是無線通信應(yīng)用的首選技術(shù)之一。ZigBee是基于IEEE802.15.4協(xié)議的技術(shù)，IEEE802.15.4是為低功耗、低速率傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。第一章無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀1.1課題的背景及意義科技發(fā)展的腳步越來越快，人類已經(jīng)置身于信息時代。而作為信息獲取最重要和最基本的技術(shù)一一傳感器技術(shù)，也得到了極大的發(fā)展。傳感器信息獲取技術(shù)已經(jīng)從過去的單一化漸漸向集成化、微型化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，并將會帶來一場信息革命。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是信息技術(shù)發(fā)展到一定階段后出現(xiàn)的一種聚合傳感器、嵌入式、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)以及無線通信、分布式信息處理等多種綜合性的技術(shù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠廣泛用于軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報、健康護(hù)理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復(fù)雜機(jī)械控制、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理，以及機(jī)場、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等領(lǐng)域。1.2研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢早在上世紀(jì)70年代，就出現(xiàn)了將傳統(tǒng)傳感器采用點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、連接傳感控制器而構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)雛形，我們把它歸之為第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。隨著相關(guān)學(xué)科的的不斷發(fā)展和進(jìn)步，傳感器網(wǎng)絡(luò)同時還具有了獲取多種信息信號的綜合處理能力，并通過與傳感控制器的相聯(lián)，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這是第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)。而從上世紀(jì)末開始，現(xiàn)場總線技術(shù)開始應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量多功能傳感器被運(yùn)用，并使用無線技術(shù)連接，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成。1996年，美國UCLA大學(xué)的WilliamJKaiser教授向DARPA提交的“低能耗無線集成微型傳感器”揭開了現(xiàn)代WSN網(wǎng)絡(luò)的序幕。1998年，同是UCLA大學(xué)的GregoryJPottie教授從網(wǎng)絡(luò)研究的角度重新闡釋了WSN的科學(xué)意義。WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一經(jīng)提出，就迅速在研究界和工業(yè)界得到廣泛的認(rèn)可。1998年到2003年，各種與無線通信、AdHoc網(wǎng)絡(luò)、分布式系統(tǒng)的會議開始大量收錄與WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相關(guān)的文章。2001年，美國計算機(jī)學(xué)會(ACM)和IEEE成立了第一個專門針對傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的會議InternationalConferenceonInformationProcessinginSensorNetwork(IPSN)，為WSN網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展開拓了一片新的技術(shù)園地。2003年到2004年，一批針對傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的會議相繼組建。ACM在2005年還專門創(chuàng)刊ACMTransactiononSensorNetwork，用來出版最優(yōu)秀的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成果。2004年，Boston大學(xué)與BP、Honeywell、InetcoSystems、Invensys、MillennialNet、Radianse、SensicastSystems等公司聯(lián)合創(chuàng)辦了傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)會，旨在促進(jìn)WSN技術(shù)的開發(fā)。美國從20世紀(jì)90年代開始，就陸續(xù)展開分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)(DSN)、集成的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器(WINS)、智能塵埃(SmartDust)、無線嵌入式系統(tǒng)(WEBS)、分布式系統(tǒng)可升級協(xié)調(diào)體系結(jié)構(gòu)研究(SCADDS)、嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳感(CENS)等一系列重要的WSN網(wǎng)絡(luò)研究項目。自2001年起，美國國防部遠(yuǎn)景研究計劃局(DARPA)每年都投入千萬美元進(jìn)行WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究，并在C4ISR基礎(chǔ)上提出了C4KISR計劃，強(qiáng)調(diào)戰(zhàn)場情報的感知能力、信息的綜合能力和利用能力，把WSN網(wǎng)絡(luò)作為一個重要研究領(lǐng)域，設(shè)立了SmartSensorWeb、靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信、無人值守地面?zhèn)鞲衅魅骸鞲衅鹘M網(wǎng)系統(tǒng)、網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)等一系列的軍事傳感器網(wǎng)絡(luò)研究項目。2001年，中國科學(xué)院成立了微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，掛靠中科院上海微系統(tǒng)所，旨在整合中科院內(nèi)部的相關(guān)單位，共同推進(jìn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。從2002年開始，中國國家自然科學(xué)基金委員會開始部署傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的課題。截至2008年底，中國國家自然基金共支持面上項目111項、重點(diǎn)項目3項；國家“863”重點(diǎn)項目發(fā)展計劃共支持面上項目30余項，國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“973”也設(shè)立2項與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)的項目；國家發(fā)改委中國下一代互聯(lián)網(wǎng)工程項目（CNGI）也對傳感器網(wǎng)絡(luò)項目進(jìn)行了連續(xù)資助?！爸袊磥?0年技術(shù)預(yù)見研究”提出的157個技術(shù)課題中有7項直接涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。2006年初發(fā)布的《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》為信息技術(shù)確定了3個前沿方向，其中2個與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究直接相關(guān)。2006年10月，在中國北京，中國計算機(jī)學(xué)會傳感器網(wǎng)絡(luò)專委會正式成立，標(biāo)志著中國WSN技術(shù)研究開始進(jìn)入一個新的歷史階段第二章無線傳感網(wǎng)絡(luò)主流技術(shù)2.1網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議棧包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，如圖所示，與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應(yīng)。另外，協(xié)議棧還包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務(wù)管理平臺。這些管理平臺使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點(diǎn)移動的傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務(wù)和資源共享。2.2路由技術(shù)路由協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)重要支撐技術(shù)之一，它負(fù)責(zé)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互的紐帶，在傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中有重要地位。為了最大限度的節(jié)省能量，高能效的路由設(shè)計師減少能耗的根本保障也是延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的重要手段。傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的主要任務(wù)是在傳感器節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)之間建立路由以可靠地傳遞數(shù)據(jù)。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)與具體應(yīng)用之間存在較高的相關(guān)性，要設(shè)計一種通用的、能滿足各種應(yīng)用需求的路由協(xié)議是困難的，因而人們研究并提出了許多路由方案。根據(jù)路由轉(zhuǎn)發(fā)的原理不同，傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議又可分為平面路由和層次路由兩種。

平面路由協(xié)議平面路由協(xié)議是指對于傳感器網(wǎng)絡(luò)的任何節(jié)點(diǎn)來說，它們都是相互平等的，在一個有限的區(qū)域內(nèi)只有唯一的一個對內(nèi)數(shù)據(jù)匯聚和對外的通信Sink節(jié)點(diǎn)平面路由協(xié)阪層次路由協(xié)議層次路由與平面路由不同，大多數(shù)的傳感器節(jié)點(diǎn)的地位是平等的，但存在少數(shù)比普通節(jié)點(diǎn)級別高的Cluster節(jié)點(diǎn)。普通節(jié)點(diǎn)先將數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)，再由簇頭節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給Sink節(jié)點(diǎn)。1.5-旌催土 城股貝十點(diǎn) 仲門層次路由協(xié)議2.3介質(zhì)訪問控制(MAC)協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，MAC協(xié)議決定無線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點(diǎn)之間分配有限的無線通信資源，用來構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。MAC協(xié)議處于傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，對傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有較大影響，是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。傳感器網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大功能是由眾多節(jié)點(diǎn)協(xié)作實現(xiàn)的。多點(diǎn)通信在局部范圍需要MAC協(xié)議協(xié)調(diào)其間的無線信道分配，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)需要路由協(xié)議選擇通信路徑。在設(shè)計MAC協(xié)議時，需要著重考慮以下幾個方面：節(jié)省能量。傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)一般是以干電池、紐扣電池等提供能量，能量有限?？蓴U(kuò)展性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有動態(tài)性。所以MAC協(xié)議也應(yīng)具有可擴(kuò)展性，以適應(yīng)這種動態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)效率。網(wǎng)絡(luò)效率包括網(wǎng)絡(luò)的公平性、實時性、網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及帶寬利用率等。2.4網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂仆ㄟ^拓?fù)淇刂谱詣由闪己玫耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，可為數(shù)據(jù)融合、時間同步和目標(biāo)定位等多方面奠定基礎(chǔ)，有利于節(jié)省能量，延長網(wǎng)絡(luò)生存周期。所以拓?fù)淇刂剖菬o線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的核心技術(shù)之一。目前，拓?fù)淇刂浦饕芯康膯栴}是在滿足網(wǎng)絡(luò)連通度的前提下，通過功率控制或骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的選擇，剔除節(jié)點(diǎn)之間不必要的通信鏈路，生成一個高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。2.5定位技術(shù)位置信息是傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)中不可或缺的一部分，沒有位置信息的監(jiān)測消息可能毫無意義。節(jié)點(diǎn)定位是確定傳感器的每個節(jié)點(diǎn)的相對位置或絕對位置。節(jié)點(diǎn)定位分為集中定位方式和分布定位方式。定位機(jī)制也必須要滿足自組織性，魯棒性，能量高效和分布式計算等要求。2.6目標(biāo)跟蹤技術(shù)目標(biāo)跟蹤技術(shù)無論是在軍事還是在民用領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用價值。目標(biāo)跟蹤可從目標(biāo)個數(shù)分類，可分為單目標(biāo)跟蹤和多目標(biāo)跟蹤。跟蹤方法主要有空間跟蹤和時間-空間跟蹤兩種。最新的研究動向包括采用人工智能等一些最新成果來提供跟蹤性能和基于多傳感器的數(shù)據(jù)融合的跟蹤。目前，無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的目標(biāo)跟蹤技術(shù)存在一些新的特點(diǎn)，但有優(yōu)勢的同時也存在一些挑戰(zhàn)。2.7無線傳感器的安全技術(shù)安全通信和認(rèn)證技術(shù)在軍事和金融等敏感信息傳遞應(yīng)用中有直接需求。傳感器網(wǎng)絡(luò)由于部署環(huán)境和傳播介質(zhì)的開放性，很容易受到各種攻擊。但受無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源限制，直接應(yīng)用安全通信、完整性認(rèn)證、數(shù)據(jù)新鮮性、廣播認(rèn)證等現(xiàn)有算法存在實現(xiàn)的困難。鑒于此，研究人員一方面探討在不同組網(wǎng)形式、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計中可能遭到的各種攻擊形式；另一方面設(shè)計安全強(qiáng)度可控的簡化算法和精巧協(xié)議，滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)實需求。2.8無線傳感器的時間同步技術(shù)時間同步技術(shù)是完成實時信息采集的基本要求，也是提高定位精度的關(guān)鍵手段。常用方法是通過時間同步協(xié)議完成節(jié)點(diǎn)間的對時，通過濾波技術(shù)抑制時鐘噪聲和漂移。最近，利用耦合振蕩器的同步技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無狀態(tài)自然同步方法也倍受關(guān)注，這是一種高效的、可無限擴(kuò)展的時間同步新技術(shù)。第三章基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成3.1ZigBee的概述ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等，其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。3.2無線傳感器節(jié)點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)由部署在感知對象附近大量的廉價微型傳感器模塊組成其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息并發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。各模塊通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)。一個WSN系統(tǒng)通常有數(shù)量眾多的體積小、成本低的傳感器節(jié)點(diǎn)。從網(wǎng)絡(luò)功能上看每個傳感器節(jié)點(diǎn)除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外還要對其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、管理和融合并與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)。在無線傳感器節(jié)點(diǎn)中又有傳感器模塊、信息處理模塊、無線通信模塊、能量供應(yīng)模塊。3.3匯聚節(jié)點(diǎn)匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強(qiáng)它是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)兩種協(xié)議間的轉(zhuǎn)換同時向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)布來自管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測任務(wù)并把WSN收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。匯聚節(jié)點(diǎn)既可以是一個具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)有足夠的能量供給和更多的、Flash和SRAM中的所有信息傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中，通過匯編軟件可很方便地把獲取的信息轉(zhuǎn)換成匯編文件格式從而分析出傳感節(jié)點(diǎn)所存儲的程序代碼、路由協(xié)議及密鑰等機(jī)密信息，同時還可以修改程序代碼并加載到傳感節(jié)點(diǎn)中3.4管理節(jié)點(diǎn)管理節(jié)點(diǎn)用于動態(tài)的管理整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有者通過管理節(jié)點(diǎn)訪問無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源。第四章軟件平臺設(shè)計4.1無線傳感網(wǎng)絡(luò)的軟件開發(fā)概述ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的軟件主要是由嵌入式系統(tǒng)、ZigBee協(xié)議和應(yīng)用程序組成的。嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核提供了簡單高效的任務(wù)調(diào)動、中斷處理和時間隊列管理等等，還包括了所用硬件的底層驅(qū)動。應(yīng)用程序包括串口通信、射頻通信和信號強(qiáng)度檢測等，采用模塊化的設(shè)計協(xié)議棧，使得整個系統(tǒng)層次清晰，擴(kuò)展性好，有利于ZigBee技術(shù)的二次開發(fā)。4.2節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計4.2.1傳感器的工作流程傳感器的工作流程如圖所示，當(dāng)單片機(jī)需要針對所有DS18B20可通過“跳過ROM”命令，可使跟隨其后的命令針對所有傳感器，之后，再通過“匹配ROM”逐一地讀回每個DS18B20的數(shù)據(jù)。在流程圖中的“是否改變精度”是根據(jù)控制端發(fā)出的命令來判斷。

A1-04.2.2無線通信模塊的軟件設(shè)計無線傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)中的無線通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)。根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)，依照IEEE802.15.4協(xié)議的規(guī)定，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)幀格式簡化為表1開推斐略中海中區(qū)dEb高豆塑程A1-04.2.2無線通信模塊的軟件設(shè)計無線傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)中的無線通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)。根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)，依照IEEE802.15.4協(xié)議的規(guī)定，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)幀格式簡化為表1開推斐略中海中區(qū)dEb高豆塑程注取ROM初始比CCbB^ROM等待任初始化初始比咬倒靠■隔產(chǎn) 幀府至咬倒靠■隔產(chǎn) 幀府至nr導(dǎo)沔 '儺陵m即掂耽aifet鼓昭H；.；-表］費(fèi)帽的悟或Tiab1Forainf如Hfiramir發(fā)送數(shù)據(jù)按以下步驟進(jìn)行：將數(shù)據(jù)按上表的格式存入TXFIFO,數(shù)據(jù)發(fā)送時CC2420會自動在數(shù)據(jù)的開始處加上前導(dǎo)碼(0x00)和幀起始分隔符(0xA7),并用計算的值替換數(shù)據(jù)尾部的CRC;檢查CCA信號，如信道忙，要經(jīng)過一段“隨機(jī)”長的時間的等待后才重試;執(zhí)行STXON命令寄存器；在任何新數(shù)據(jù)寫入TXFIFO之前確認(rèn)SFD信號先變高后變低,并且，已經(jīng)等待了至少60個時鐘周期。第五章硬件平臺設(shè)計5.1無線傳感網(wǎng)絡(luò)的硬件開發(fā)概述5.1.1硬件系統(tǒng)的設(shè)計需求傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的應(yīng)用相關(guān)性，在不同應(yīng)用要求下需要配套不同的網(wǎng)絡(luò)模型、軟件系統(tǒng)和硬件平臺。可以說傳感器網(wǎng)絡(luò)是在特定應(yīng)用背景下，以一定的網(wǎng)絡(luò)模型規(guī)劃的一組傳感器節(jié)點(diǎn)的集合，而傳感器節(jié)點(diǎn)是為傳感器網(wǎng)絡(luò)特別設(shè)計的微型計算機(jī)系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)成單位，由其組成的硬件平臺和具體的應(yīng)用要求密切相關(guān)，因此節(jié)點(diǎn)的設(shè)計將直接影響到整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)(Sinknode)、處理中心、外部網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)層支持平臺，從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個傳感器節(jié)點(diǎn)兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的終端和路由器雙重功能，除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、管理和融合等處理，同時與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)。傳感器節(jié)點(diǎn)是為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特別設(shè)計的微型計算機(jī)系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，決定了傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計應(yīng)該重點(diǎn)考慮的幾方面問題。微型化微型化無線傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)該在體積上足夠小，保證對目標(biāo)系統(tǒng)本身的特性不會造成影響，或者所造成的影響可忽略不計。在某些場合甚至需要目標(biāo)系統(tǒng)能夠小到不容易被人所察覺的程度，以完成一些特殊任務(wù)。在軟件方面，要求所有模塊的軟件模塊都應(yīng)該盡量精簡，沒有冗余代碼。對不同的應(yīng)用系統(tǒng)需要配套不同的軟件代碼。從操作系統(tǒng)到各種硬件設(shè)備的驅(qū)動模塊，乃至到應(yīng)用程序模塊都需要仔細(xì)設(shè)計。這些限制都是由有限的硬件資源決定的。低成本和低功耗低成本是傳感器節(jié)點(diǎn)的基本要求。只有低成本，才能大量地布置在目標(biāo)區(qū)域中，表現(xiàn)出傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種優(yōu)點(diǎn)。低成本對傳感器各個部件都提出了苛刻的要求，首先供電模塊不能使用復(fù)雜而且昂貴的方案；其次能源有限的限制又要求所有的器件都必須是低功耗的；最后傳感器不能使用精度太高、線性很好的部件，這樣會造成傳感器模塊成本過高。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對低功耗的要求-般都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前已有的藍(lán)牙、WLAN的無線網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計直接決定了節(jié)點(diǎn)的能耗水平，還決定了各種軟件通過優(yōu)化(如網(wǎng)絡(luò)各層通信協(xié)議的優(yōu)化設(shè)計、功率管理策略的設(shè)計)可能達(dá)到的最低能耗水平。通過合理地設(shè)計硬件系統(tǒng)，可以有效降低節(jié)點(diǎn)能耗。擴(kuò)展性和靈活性擴(kuò)展性和靈活性要求無線傳感器節(jié)點(diǎn)定義統(tǒng)一、完整的外部接口，在需要添加新的硬件部件時可以在現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)上直接添加，而不需要開發(fā)新的節(jié)點(diǎn)。同時，節(jié)點(diǎn)可以按照功能拆分成多個組件，組件之間通過標(biāo)準(zhǔn)接口自由組合。在不同的應(yīng)用環(huán)境下，選擇不同的組件自由配置系統(tǒng)，這樣就不必為每個應(yīng)用都開發(fā)一套全新的硬件系統(tǒng)。當(dāng)然，部件的擴(kuò)展性和靈活性應(yīng)該以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性為前提，必須考慮連接器件的性能。軟件的擴(kuò)展性體現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)上的軟件不需要額外的設(shè)備就可以自動升級，最簡單的方法就是通過無線接口直接進(jìn)行軟件的下載和升級。無線信息的廣播特性可以實現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)的同步升級，為節(jié)點(diǎn)軟件的遠(yuǎn)程升級提供了便利的條件。軟件模塊同樣要做到組件化和可配置。所有的軟件模塊獨(dú)立并且有標(biāo)準(zhǔn)的模塊接口，這樣不同的應(yīng)用系統(tǒng)可以根據(jù)自身的需要配置滿足要求的最小系統(tǒng)。穩(wěn)定性和安全性傳感器節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性需要結(jié)合軟硬件設(shè)計來實現(xiàn)。穩(wěn)定性設(shè)計要求

節(jié)點(diǎn)的各個部件能夠在給定的應(yīng)用背景下（可能具有較強(qiáng)的干擾或不良的溫、濕度條件）正常工作，避免由于外界干擾產(chǎn)生過多的錯誤數(shù)據(jù)。但是過于苛刻的硬件要求又會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)成本的提高，應(yīng)在分析具體應(yīng)用需求的條件下進(jìn)行權(quán)衡處理。此外，關(guān)于節(jié)點(diǎn)的電磁兼容設(shè)計也十分重要。安全性設(shè)計主要包括代碼安全和通信安全兩個方面。在代碼安全方面，某些應(yīng)用場合可能希望保證節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行代碼不被第三方了解。很多微處理器的存儲器芯片都具有代碼保護(hù)的能力5.1.2硬件系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容傳感器節(jié)點(diǎn)的基本硬件功能模塊組成如圖所示，主考由數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、無線通信模塊、電源模塊和其他外圍電路組成。數(shù)據(jù)處理模塊是節(jié)點(diǎn)的核心模塊，用于完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、執(zhí)行通信協(xié)議和節(jié)點(diǎn)調(diào)度管理等工作；數(shù)據(jù)采集模塊包括各種傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器，用于感知數(shù)據(jù)和執(zhí)行各種控制動作；無線通信模塊用.于完成無線通信任務(wù)；電源模塊是所有電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)，電源模塊的設(shè)計直接關(guān)系到節(jié)點(diǎn)的壽命;其他外圍模塊包括看門狗電路、電池電量檢測模塊等，也是傳感器節(jié)點(diǎn)不可缺少的組成部分。I些卻些I毗射比學(xué)HII些卻些I毗射比學(xué)HI擢耳我垸毗射比學(xué)HI擢耳我垸5.2節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計5.2.1處理器模塊處理器模塊是無線傳感器節(jié)點(diǎn)的計算核心，所有的設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、能量計算和功能協(xié)調(diào)、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲程序都將在這個模塊的支持下完成，所以處理器的選擇在傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計中是至關(guān)重要的。處理器模塊的外圍電路采用CC2420手冊提供的典型應(yīng)用電路的器件數(shù)值，這樣保證了芯片能工作在正常狀態(tài)。另外為達(dá)到最優(yōu)性能，必須使用電源去耦，去耦電容和電源過濾的設(shè)置和大小對于在應(yīng)用中獲得最優(yōu)性能起著關(guān)鍵作用，TI提供一個緊湊的參考設(shè)計，必須嚴(yán)格按照該設(shè)計進(jìn)行。同時增加數(shù)字、模擬電源采用電容濾波°CC2420需要一個16MHz的參考時鐘用于傳輸速率為250kbit?s-1的數(shù)據(jù)收發(fā)，參考時鐘可以來自外部時鐘源，也可以由內(nèi)部晶體振蕩器產(chǎn)生，這里采用內(nèi)部晶體振蕩器產(chǎn)生的方式。天線阻抗匹配至關(guān)重要，為獲得較好的發(fā)射功率，在原有基礎(chǔ)上對部分電容、電感進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。CC2420與微控制器的通信通過4線SPI總線實現(xiàn)（SI、SO、SCLK、CSn），通過控制FIFO和FIFOP管腳接口狀態(tài)可以使芯片工作在發(fā)射或接收模式，另外CCA用于空閑信道評估，SFD用于控制時鐘或定時信息的輸入5.2.2傳感器模塊傳感器是無線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集單元，可以根據(jù)實際需要選用不同的傳感器，節(jié)點(diǎn)采用溫度、濕度傳感器SHT11。SHT11是一款將溫度、濕度傳感器、信號放大調(diào)理器、A/D轉(zhuǎn)換器和總線接口集成于一個芯片上的單片全校準(zhǔn)數(shù)據(jù)輸出傳感器，它可以直接提供溫度在-40?120°C范圍內(nèi)且分辨率為14bit的數(shù)字輸出和濕度在0?100%RH范圍內(nèi)且分辨率為12bit的數(shù)字輸出。傳感器及外圍模塊如圖所示5.2.3通信模塊無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)按一定協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、傳輸，最終將數(shù)據(jù)傳送到個人電腦上進(jìn)行處理和觀察，同時節(jié)點(diǎn)工作需要將特定的程序?qū)懭隖lash中。目前個人電腦最常用的接口為USB，而微處理器使用USART接口，為實現(xiàn)兩種接口之間轉(zhuǎn)換，節(jié)點(diǎn)使用FT232BM芯片作為轉(zhuǎn)換芯片。FT232BM是一種單片USB到異步串口轉(zhuǎn)換芯片，支持全握手和調(diào)制解調(diào)接口信號，在TTL級數(shù)據(jù)傳輸速度范圍為300bit?s-1?3Mbit?s-1。芯片通過USB總線供電，工作電壓為4.35?5.25V，采用外部6MHz時鐘。USBPID、序列號和產(chǎn)品信息可以保存在外部EEPROM中。5.2.4電源模塊傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小，通常攜帶能量有限的電池。能量供應(yīng)模塊在無線傳感器節(jié)點(diǎn)中至關(guān)重要，為傳感器節(jié)點(diǎn)各部分提供能量。需要長時間數(shù)據(jù)采集的傳感器有的需要太陽能等方式來