基于WSN的匯聚節(jié)點設(shè)計

基于WSN的移動脈搏監(jiān)護系統(tǒng)會聚節(jié)點的設(shè)計摘要：在社會全面飛速開展的進程中，人口老齡化的問題也日漸突出。在我國這樣一個人口大國，由于早期的鼓勵生育和后來的方案生育等一些政策的影響，導致現(xiàn)在并在未來一段時間內(nèi)，我國老年人口的數(shù)量將會急劇增加。老年人因為身體素質(zhì)的減弱等原因，一些突發(fā)高危疾病的發(fā)病率非常高，特別是像心血管疾病這類會直接威脅到生命平安的疾病更是給人們帶來了非常大的困擾，有調(diào)查顯示，這些高危疾病在老年群體中發(fā)病的人數(shù)根本占到了所有發(fā)病人數(shù)的一半。在當前的大環(huán)境下，很多老人的身邊都沒有子女親人陪護，就算是在養(yǎng)老院中，醫(yī)護人員也不可能隨時隨地的都在老人的身邊進行監(jiān)護，在這些情況下，老人如果一旦發(fā)病，就有可能得不到及時的救助而極大地危害健康甚至危及到生命。因此，對老年人的身體健康和生理參數(shù)的監(jiān)測顯得尤為重要。本文對養(yǎng)老院中用于監(jiān)測老年人脈搏數(shù)據(jù)的移動脈搏監(jiān)測系統(tǒng)的會聚節(jié)點進行了研究和設(shè)計。移動脈搏監(jiān)護系統(tǒng)是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而實現(xiàn)對老年人脈搏數(shù)據(jù)進行二十四小時監(jiān)測的。醫(yī)護人員通過監(jiān)測到的脈搏數(shù)據(jù)就可以隨時掌握老人的身體狀況，做出正確的處理或在突發(fā)情況下做出及時的反響，使老年人的身體健康和生命平安得到了極大地保障。會聚節(jié)點是系統(tǒng)中的關(guān)鍵局部，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。會聚節(jié)點是由無線收發(fā)模塊、中央處理器模塊和GPRS模塊組成，無線收發(fā)模塊負責數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，中央處理器模塊把收到的數(shù)據(jù)處理以后通過無線收發(fā)模塊或GPRS模塊發(fā)送出去，GPRS模塊負責與監(jiān)護中心進行遠程通信，各模塊各司其職，相互協(xié)調(diào)，是會聚節(jié)點的功能有序而強大。通過對移動脈搏監(jiān)護系統(tǒng)會聚節(jié)點的設(shè)計，我們了解到監(jiān)護系統(tǒng)對實現(xiàn)人類健康監(jiān)護的重要意義。未來，在生活的各個方面監(jiān)護系統(tǒng)都會得到廣泛的應(yīng)用。在人類社會開展的進程中，監(jiān)護系統(tǒng)將會發(fā)揮越來越重要的作用。關(guān)鍵詞：脈搏；養(yǎng)老院；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；會聚節(jié)點ThedesignoftheconvergencenodeofthemobilepulsemonitoringsystembasedonWSNAbstract:Intheprocessofthefullandrapiddevelopmentofthesociety,theproblemoftheagingofthepopulationisbecomingoutstanding..InChina,suchacountrywithalargepopulation,duetotheinfluenceofsomeearlyencouragingfertilityandlaterthefamilyplanningpolicy,resultinginnowandinthefutureforaperiodoftime,thenumberofChina'selderlypopulationwillsharplyincreased.Elderlypeoplebecauseofphysicalweakness,someunexpectedhigh-riskdiseaseincidencerateisveryhigh,especiallylikecardiovasculardiseasewhichwilldirectthreattothelivesandsafetyofdiseasesisgivenrisetoverylargeproblems,accordingtoasurvey,thesehigh-riskdiseaseinoldagegroupstheonsetofthenumberofbasicaccountforthehalfofallthenumberofincidence.Inthecurrentenvironment,aroundmanyoftheelderlyarenotaccompanyingfamily,evenifitisinnursinghomes,healthcareworkerscannotbeanywhereareinthesideoftheelderlycareinthesecases,theelderlyifoncethedisease,theremaybenotimelyassistanceandearthdoesharmtohealth,evenendangerthelife.Soitisimportanttomonitorthehealthandthephysiologicalparametersoftheelderly.Inthispaper,theresearchanddesignoftheconvergencenodeofthemobilepulsemonitoringsystemformonitoringthepulsedataoftheoldpeopleinthenursinghomeiscarriedout..Themobilepulsemonitoringsystemisbasedonwirelesssensornetworkandcanmonitorthepulsedataoftheagedfortwenty-fourhours..Medicalstaffbymonitoringthepulsedatacankeepabreastofthephysicalconditionoftheelderly,makecorrecttreatmentorinemergencysituationstomaketimelyresponse,hasbeengreatlyguaranteethelifesafetyandhealthoftheelderly.Thesinknodeisthekeypartofthesystem,anditplaysavitalrole.Thesinknodeisbywirelesstransceivermodule,CPUmoduleandGPRSmodulecompositionandwirelesstransceivermoduleisresponsibleforsendingandreceivingdata,centralprocessormoduletoreceivedataprocessingaftertheadoptionofwirelesstransceivermoduleandGPRSmoduletosendout,GPRSmoduleisresponsibleforremotecommunicationandmonitoringcenter,dutiesofeachmodule,coordinatewitheachotherissinknodeorderlyandpowerful.Throughthedesignofthesinknodeinthemobilepulsemonitoringsystem,werealizetheimportanceofthemonitoringsystemtorealizethehumanhealthsurveillance..Inthefuture,themonitoringsystemofallaspectsoflifewillbewidelyused..Inthecourseofthedevelopmentofhumansociety,themonitoringsystemwillplayanincreasinglyimportantrole.Keywords:pulse;nursinghome;wirelesssensornetwork;sinknode1緒論1.1研究的背景與意義1.1.1研究的背景在科技和社會高速開展的現(xiàn)在，健康問題越來越得到人們的重視。人類的健康觀念，如何保障身體的健康，尤其是對身體健康狀況的監(jiān)測途徑，都在隨著科學技術(shù)的進步不斷發(fā)生著巨大的變化。隨著科技的開展，醫(yī)療已經(jīng)從過去以醫(yī)院為主題的臨床醫(yī)療體系開展到現(xiàn)在以社區(qū)、家庭為根本單元，院內(nèi)外相結(jié)合的醫(yī)療保障體系。近年來，在經(jīng)濟飛速開展的過程中，人民生活的生活水平正在大幅度的提升著，而由于老年人口所占比例的增加和突發(fā)疾病發(fā)病率的上升等因素，對醫(yī)療監(jiān)護的需求有了更多的需要和要求，各種人體生理信號的監(jiān)測儀器得到廣了泛的應(yīng)用。我國是世界上老年人口最多的國家，根據(jù)全國老齡工作委員會辦公室發(fā)布的《中國人口老齡化開展趨勢預測研究報告》可知，在21世紀，我國將是一個不可逆轉(zhuǎn)的老齡社會。我國人口老齡化具有開展迅速、規(guī)模巨大、地區(qū)開展不平衡、城鄉(xiāng)倒置顯著等特點。在我國當前社會，很多子女由于工作、學習等外在因素的影響下離家外出，很多家庭只剩下老人留守在家，很多老人得不到照顧，有的老人甚至生活都得不到保障，因此，建立完善的老年人養(yǎng)老、醫(yī)療等社會保障的工作特別重要。其中，如何有效的利用現(xiàn)代高科技手段對養(yǎng)老機構(gòu)中的老年人生理和病理健康狀況信息進行實時的監(jiān)護越來越受到人們的關(guān)注。在養(yǎng)老院中，醫(yī)護人員可以利用監(jiān)護儀器，將老年人的各種生理信號進行采集，采集節(jié)點將采集到的的數(shù)據(jù)經(jīng)過傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)護終端，在監(jiān)護終端進行數(shù)據(jù)的處理。監(jiān)護儀器可以實時、連續(xù)、長時間的對老年人各種重要的生理特征參數(shù)〔如：脈搏、心電、呼吸、體溫、血壓、血氧飽和度等〕進行監(jiān)測，實現(xiàn)對老年人的各種生理病理信息做到隨時掌握。移動脈搏監(jiān)護系統(tǒng)就是在此根底上研究和開展的。1.1.2研究的意義移動脈搏監(jiān)護系統(tǒng)就是利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過監(jiān)測脈搏信號信息來實現(xiàn)實時監(jiān)測使用者的生理病理狀況。在養(yǎng)老院中，隨時監(jiān)測老年人的生命體征和對老年人所在位置的跟蹤定位是兩個主要問題。在老年群體中，由于心血管疾病等突發(fā)性高高、死亡危險大的疾病發(fā)病幾率特別高，如果老年人在身邊無人時突發(fā)這些疾病，而醫(yī)護人員又不能及時監(jiān)測發(fā)現(xiàn)老年人的生命體征，老年人就得不到及時的治療，并可能因此而失去生命。另外，對患有慢性疾病的老年人，如果不能實時監(jiān)測到老年人的生理病理信息，醫(yī)護人員就不得不頻繁的奔波于養(yǎng)老院的各個角落，對老年人進行生理特征參數(shù)的人測量等護理工作，不但工作任務(wù)繁重，而且占用了大量的時間，而老年人也會因為要配合醫(yī)護人員工作而有了一定的限制。利用移動脈搏監(jiān)護系統(tǒng)，醫(yī)護人員就能隨時監(jiān)測到老年人的生理病理信息，并能有效的對老年人的位置進行跟蹤定位，可以實時掌握老年生身體狀況，及時的對老年人的各種突發(fā)情況采取措施。極大地方便和和提高了醫(yī)護人員對老年人的監(jiān)護工作，同時也很大程度上方便了老年人的生活便捷性。脈搏信號是包含著人體重要生理病理信息的生理信號。在我國古代時，醫(yī)生就通過診脈來感知人體的病理信息。脈搏信號能夠在一定程度上反映心血管的機能，因此，如果能及時的掌握老年人的脈搏信號，就可以有效的預防和發(fā)現(xiàn)老年人的心血管疾病等潛在問題，對于已經(jīng)確診的病人，就可以隨時掌握病人病情的變化，是病人能夠得到及時有效的治療和救助。移動脈搏監(jiān)護系統(tǒng)是利用老年人隨身攜帶的腕帶式脈搏檢測儀器，實時的采集老年人的脈搏信息，通過無線傳感技術(shù)，借助于現(xiàn)代化的通訊手段，結(jié)合現(xiàn)代計算機技術(shù)和健康監(jiān)護技術(shù)，將采集到的使用者的脈搏信息及時上傳到監(jiān)護中心，使監(jiān)護人員能及時的掌握老年人的生理病理信息的現(xiàn)代醫(yī)療手段。在移動脈搏監(jiān)護系統(tǒng)中，會聚節(jié)點是整個系統(tǒng)中的特殊節(jié)點，它監(jiān)管著整個網(wǎng)絡(luò)，負責鏈接監(jiān)護中心和下級傳感器節(jié)點之間的通信，相當于整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，向下級節(jié)點發(fā)送命令，接受下級節(jié)點需要上傳的數(shù)據(jù)，通過GPRS模塊發(fā)送到監(jiān)護中心的效勞器，實現(xiàn)遠程通信。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的開展和研究現(xiàn)狀在經(jīng)濟高速開展，社會生活逐漸信息化的開展進程中，遠程醫(yī)療和監(jiān)護系統(tǒng)在醫(yī)療領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和極大的開展。監(jiān)護系統(tǒng)用就是用來隨時監(jiān)測使用者的生理病理信息，給醫(yī)護人員提供分析參數(shù)，并在病人的生理指標超標時可引發(fā)自動報警裝置的現(xiàn)代醫(yī)療智能綜合儀器。移動監(jiān)護系統(tǒng)給病人帶來了極大的便捷性，病人不再受時間、地點的困擾，隨時向監(jiān)護中心提供采集到的病人生理病理參數(shù)，如脈搏、心電、血壓、體溫、血糖等，監(jiān)護中心將這些的數(shù)據(jù)反映給醫(yī)護人員，醫(yī)護人員經(jīng)過分析，就可以知曉病人當前的身體狀況，并針對其病情做出正確的判斷，然后針對病人的情況做出及時有效的處理，病人也可以隨時接受監(jiān)護中心提供的日常健康咨詢，以及在緊急突發(fā)情況下得到及時的救助。監(jiān)護系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，在國外開展的比擬早，其中在美國和西歐國家開展的最快。監(jiān)護系統(tǒng)的開展最早可追溯至1962年北美建立的第一批冠心病監(jiān)護病房，此后，有關(guān)監(jiān)護系統(tǒng)的技術(shù)和設(shè)備得到了快速的開展。20世紀90年代在2G數(shù)字移動網(wǎng)絡(luò)投入運營時，美國的劍橋MIT多媒體實驗室的研究工程LIveNet、歐盟財政支持的Amon,MyHeart工程等都涉及到了醫(yī)療健康監(jiān)護系統(tǒng)等方面的研究，此外，在中國科學院、美國哈佛大學和一些如易特科公司等都對監(jiān)護系統(tǒng)進行了研究。近幾年，監(jiān)護系統(tǒng)有簡單的脈搏血氧計、指壓測量儀開展到現(xiàn)在復雜的移動心電網(wǎng)、智能背心等，從基于便攜式設(shè)備、簡單的體征測量開展到現(xiàn)在基于平臺，實現(xiàn)生理病理數(shù)據(jù)的采集分析，決策支持等?？偟膩碚f，不管從哪方面來看，監(jiān)護系統(tǒng)都在隨著科技的進步而在飛速的開展著。與國外相比，我國在醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的科研、生產(chǎn)等方面與國外先進水平還存在著一定的差距。我國于1997年7月正式開通了中國金衛(wèi)醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)，它實現(xiàn)了對各地疑難急重癥患者進行遠程、異地、實時、動態(tài)的會診。在我國，很多科研工作者針對有關(guān)無線收發(fā)模塊在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用展開了專門的研究，這類產(chǎn)品本錢低廉，便與集成，功耗比擬低，可以靈活的控制無線收發(fā)模塊，在遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)中有著廣闊的開發(fā)和應(yīng)用前景。另外，由于科技水平的限制，一些高精監(jiān)護設(shè)備在我國目前還不能自行研發(fā)和制造，只能依靠從國外進口，價格比擬昂貴，很多中小型醫(yī)療機構(gòu)無力購置，這極大地阻礙了醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)在我國的開展和研究應(yīng)用。目前，醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)主要有以下幾種應(yīng)用模式：基于體域網(wǎng)的系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，患者通過身體上佩戴的微小節(jié)點來采集所需要的不同類型的生理信號〔如體溫、血壓等〕、身體活動動作信號、人體周圍環(huán)境的信息等，然后通過無線模塊把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到中心節(jié)點或者工作站中，供醫(yī)護人員整理分析?；谖⑻幚砥鞴δ馨宓南到y(tǒng)。在此系統(tǒng)中，生理信號的采集是由微處理器功能板完成的，生理信號的分析是在基于無線傳輸?shù)暮罄m(xù)信號處理單元完成的。如耳掛式生命體征監(jiān)護儀，可以測量使用者的心率、呼吸頻率等生命體征，以供醫(yī)務(wù)工作者評估使用者的整體健康狀況。基于無線傳感器和智能的系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用智能采集配備無線傳感器的使用者的生理信號數(shù)據(jù)，通過GPRS和Wi-Fi發(fā)送信息，并且實現(xiàn)了危險程度分級，用來預防預警人體突發(fā)疾病。如基于智能的HeartToGo平臺就是通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自發(fā)的分析使用者的生理狀況，可以用于個人遠程心臟病監(jiān)護?；谥悄芗徔棽牧系南到y(tǒng)。該系統(tǒng)是利用嵌入到衣服〔如背心等〕中的生物傳感器來采集穿戴者的生理信號的。如WEALTHY工程，就是利用智能紡織材料，將導電紗線、藍牙、GPRS等模塊嵌入到衣服中，智能的采集并處理和發(fā)送使用者的生理信號參數(shù)，可用于對老年人和慢性病患者的監(jiān)護等。1.2.2脈搏監(jiān)護系統(tǒng)的開展和研究現(xiàn)狀在我國，通過診脈來檢查病人的病理信息的歷史悠久，早在公元前7世紀，診脈就成為中醫(yī)診斷病人病情的一種主要手段。在《史記·扁鵲倉公列傳》中就有記載：以此視病，盡見五臟癥結(jié)，特以診脈為名耳。我國古代的醫(yī)學巨著《黃帝內(nèi)經(jīng)》、《難經(jīng)》中也有許多關(guān)于診脈的詳細論述。診脈又稱切脈、按脈、指脈，醫(yī)生在診病時通過手指來感覺病人的脈象，從病人的脈搏跳動中獲取其病理信息，具有簡單便捷、沒有創(chuàng)傷、沒有疼痛、容易被患者接受的特點。但是，隨著社會的進步和科技的開展，傳統(tǒng)的診脈手段在醫(yī)療開展進程中暴露出了越來越多的缺點，首先，醫(yī)生在診脈時，僅憑手指的感覺來判斷病人的脈象特征來獲取病人的病理信息，在這個過程中，受到了主觀感覺、個人經(jīng)驗和表述等各方面因素的限制，難免會出現(xiàn)一些失誤，影響了對脈象判斷的標準性和對病人病情判斷的準確性；其次，傳統(tǒng)的診脈手段很難掌握，并且醫(yī)生對脈象的感知無法記錄和保存，這就影響了對病人病情前后變化的具體分析和對脈象機理的研究。因此，在科技高速開展的過程中，脈搏監(jiān)護系統(tǒng)應(yīng)運而生，極大地解決了上述所說的問題，并且得到了迅速的開展?，F(xiàn)代的脈搏監(jiān)護系統(tǒng)已經(jīng)開展為結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、性能優(yōu)越、便于攜帶的綜合性監(jiān)護裝置，極大的方便了醫(yī)護人員的工作和病人的生活。1.3本文各局部內(nèi)容安排第一局部，為緒論局部，主要介紹了移動脈搏監(jiān)護系統(tǒng)開展的背景和意義以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。第二局部，介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用等，并幾種無線通信技術(shù)做了簡單的介紹。第三部份，介紹系統(tǒng)設(shè)計的整體設(shè)計方案和各局部芯片的選型及詳細功能。第四局部，對移動脈搏監(jiān)護系統(tǒng)會聚節(jié)點硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。第五局部，結(jié)束語，對本課題全文進行總結(jié)說明。2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)介紹2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)〔WSN〕無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自提出以來，就得到了迅速的開展和廣泛的應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其他無線通信網(wǎng)絡(luò)一樣，采用調(diào)制編碼技術(shù)把有用數(shù)字信息通過天線電波發(fā)送出去，接收端通過解調(diào)和解碼把信息恢復出來。其物理層技術(shù)可以是時分多址〔TDMA〕、碼分多址〔CDMA〕、正交頻分復用〔DFDM〕。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔?nèi)容是溫度、壓強、速度等物理特征，而不是日常所傳輸?shù)泥]件、信息、語音等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系由多個節(jié)點組成，不同節(jié)點的功能不同。一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，主要是由傳感器節(jié)點，無線傳輸信道、會聚節(jié)點、傳輸網(wǎng)絡(luò)和信息處理中心組成的。傳感器節(jié)點負責收集數(shù)據(jù)，然后把收集到的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)沿著附近其他傳感器節(jié)點進行傳輸，數(shù)據(jù)在傳輸過程中將會被所經(jīng)過的各個節(jié)點進行處理，被處理后的數(shù)據(jù)會通過無線傳輸信道聚集到會聚節(jié)點，會聚節(jié)點將數(shù)據(jù)打包后再通過因特網(wǎng)等傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送到管理節(jié)點，用戶就對可以對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行分析和處理，并通過管理節(jié)點實現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的配置和管理。圖2-1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖2-1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)做為一種新型的無線通信技術(shù)，具有非常顯著地特征。(1)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量巨大。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)、家用電器、醫(yī)療監(jiān)護等，節(jié)點數(shù)量比傳統(tǒng)通信系統(tǒng)高很多，因此，在標識尋址等方面設(shè)計時一般會預留較大的空間，并采用了多級尋址方法，通信底層技術(shù)設(shè)計上多數(shù)采用共享信道接入機制，如CSMA；〔2〕自組織多跳網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式采用自組織、多跳等比擬靈活的方式，這種網(wǎng)絡(luò)拓撲又稱網(wǎng)狀網(wǎng)。多跳就是每個節(jié)點在處理自己的業(yè)務(wù)之外還要承當起中轉(zhuǎn)其他節(jié)點數(shù)據(jù)報文的工作，自組織就是即插即用?！?〕短距離無線連接。無線傳感器每一跳連接的傳輸距離大概在100米以內(nèi)，在最大程度上形成了空間上的復用，如果在傳感器節(jié)點上外加射頻信號放大器，就可以使無線信號傳播的更遠，便能夠滿足需要較大傳輸距離的應(yīng)用；〔4〕低功耗無線傳輸。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)單節(jié)點功耗較小，無線通信芯片工作電流僅為幾十毫安，待機狀態(tài)下甚至到達了微安量級。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的這些特點也決定了節(jié)點能量供給模式的限制，節(jié)點鋪設(shè)環(huán)境的復雜性決定了人工補給能量的困難程度，有的節(jié)點需要有長期而穩(wěn)定的監(jiān)測，這就對電池容量的要求較高。無線傳感網(wǎng)絡(luò)還受到通信能力的限制，無線傳感網(wǎng)絡(luò)通過無線的方式進行數(shù)據(jù)的收發(fā)管理，帶寬的限制和不同的信號干擾可能會導致所需信號衰減，環(huán)境的變化性也可能使得節(jié)點間的相互關(guān)系發(fā)生變化，各個節(jié)點狀態(tài)的變化又增加了網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化性。無線傳感網(wǎng)絡(luò)有時會部署在相對惡劣的監(jiān)測環(huán)境下，這對節(jié)點的性能要求非常高，必須保證硬件上的穩(wěn)定性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)方式、網(wǎng)絡(luò)的自組織維護等，要求保障其通信平安性和保密性，要保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠平安傳輸。無線傳感器以其獨有的構(gòu)架和特點被廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域。如家庭控制：家庭中的各類家用電器、與照明相關(guān)的設(shè)備、水電氣設(shè)施以及安防系統(tǒng)都可以通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)形成一個家庭網(wǎng)絡(luò)，在這個網(wǎng)絡(luò)中傳感器的中心控制節(jié)點能方便的監(jiān)控這些設(shè)備運行情況，還能通過寬帶網(wǎng)關(guān)與Internet相連接，讓用戶從遠端方便的訪問控制家里的設(shè)備。智能抄表：智能抄表是智能電網(wǎng)的重要組成局部，是用來對用戶的用電量實時進行監(jiān)測的系統(tǒng)，區(qū)域用電信息通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)會聚起來，然后通過寬帶網(wǎng)直接發(fā)送給調(diào)度中心，實現(xiàn)智能電網(wǎng)實時調(diào)度均衡負載的重要目的。在醫(yī)療監(jiān)護方面：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過人體佩戴的小型傳感器或植入到人體的微小傳感器，進行人體征〔體溫、脈搏、呼吸、血壓等〕的實時監(jiān)測，然后把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)發(fā)送到醫(yī)療機構(gòu)，這些數(shù)據(jù)可以在監(jiān)護中心自動的進行分析并得出一些指導性的意見供醫(yī)生參考，在緊急突發(fā)情況下可以直接醫(yī)療資源進行救治；環(huán)境監(jiān)測：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以用于溫室氣體、空氣污染、水源質(zhì)量等的監(jiān)測以及地質(zhì)災(zāi)害的預防，為人們的日常生活和平安保障提供一定的數(shù)據(jù)支持，在一定程度上可以減輕自然災(zāi)害的破壞；等等。2.2無線通信技術(shù)無線通信是利用電磁波信號進行信息交換的一種通信方式。在無線通信技術(shù)日趨興旺的今天，無線定位、數(shù)字家庭、無線通信、無線控制、無線組網(wǎng)和移動連接等越來越多的無線通信技術(shù)在我們的日常生活中普及。比方在醫(yī)療領(lǐng)域，無線通信技術(shù)就得到了廣泛的應(yīng)用，對病人的跟蹤治療、移動觀察，對患者病理數(shù)據(jù)的管理，醫(yī)生還可以對病人進行遠程醫(yī)療和藥物跟蹤，基于無線通信技術(shù)的監(jiān)護系統(tǒng)可以實現(xiàn)對病人有關(guān)的數(shù)據(jù)收集，患者可以利用進行緊急求救，與醫(yī)生短信溝通、等都是與之有關(guān)的應(yīng)用，無線醫(yī)療配設(shè)備正在迅速的增加中。無線通信技術(shù)有基于蜂窩的接入技術(shù)和基于局域網(wǎng)的技術(shù)兩種，如分組無線傳輸技術(shù)、數(shù)字分組數(shù)據(jù)技術(shù)等技術(shù)就是基于蜂窩的技術(shù)；Home-RF、藍牙、微功率短距離無線通信技術(shù)等就是基于局域網(wǎng)的技術(shù)。2.2.1Wi-Fi〔wirelessfidelity無線保真)Wi-Fi是一種在短距離范圍內(nèi)的無線通信技術(shù)，是IEEE定義的IEEE802.11無線通信協(xié)議。Wi-Fi工作于2.4GHZ的ISM波段，采用直接序列擴頻技術(shù)〔DSSS〕進行調(diào)制解調(diào)，具有較強的狂干擾能力，傳輸速度較快。IEEE802.11協(xié)議的擴展，最高帶寬是11Mbps，在信號不太強或者有外部干擾的情況下，帶寬還可調(diào)整為5.5Mbps、2Mbps、和1Mbps。因為其帶寬的可以自動調(diào)整性，使Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性得到了極大地保障。Wi-Fi技術(shù)具有很多優(yōu)點，例如其可以覆蓋范圍比擬廣，覆蓋直徑直徑可達200米左右，能夠在在整棟大樓使用；傳輸速率可到達11Mbps，可以滿足個人和團體的需求；無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品廠商容易進入該領(lǐng)域，在一些人員比擬密集的場合設(shè)置“熱點〞，然后將因特網(wǎng)接入這些場合，需要上網(wǎng)的用戶只要將支持無線設(shè)備拿到“熱點〞發(fā)射的電波覆蓋的范圍內(nèi)，就可以接入因特網(wǎng)進行上網(wǎng)業(yè)務(wù)。Wi-Fi的主要優(yōu)點是傳輸數(shù)據(jù)時可靠性比擬高，數(shù)據(jù)傳輸速率相對較快，建網(wǎng)比擬便捷，具有較好的可移動性，組網(wǎng)比擬靈活、組網(wǎng)價格低等。目前，802.11b協(xié)議雖然是當前應(yīng)用最廣泛的WLAN標準，但因其工作頻段的帶寬相對較窄，同時還要受到無線電波等干擾源的干擾，具有一定的局限性。2.2.2藍牙〔Bluetooth〕藍牙是由愛立信公司在1994年首先提出的一種短距離無線通信技術(shù)標準。藍牙標準分為硬件和軟件兩個局部，硬件和軟件之間通過HCI進行連接，兩者之間的通信通過相同的接口進行。硬件局部由射頻/無線電協(xié)議，鏈路管理器協(xié)議，基帶/鏈路控制器協(xié)議組成，通常集成一個芯片；軟件局部由邏輯鏈路控制與適配協(xié)議及以上所有局部組成。藍牙技術(shù)采用點對點或點對多點的的數(shù)據(jù)傳輸方式，是一種小范圍的無線連接技術(shù)，能在不同的設(shè)備之間進行方便而且快捷，靈活并且平安的數(shù)據(jù)傳輸和語音通信，在這個過程中功耗比擬小，本錢也比擬低。與紅外線技術(shù)相比，藍牙可以穿透障礙物，克服了紅外線技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)時必須對準的問題，傳輸距離一般為10米左右，在此范圍內(nèi)，能夠無線連接便攜設(shè)備、電腦、PDA、、打印機、耳機、電腦鼠標等。藍牙技術(shù)工作頻段不用經(jīng)過申請許可，其無線單元的射頻局部采用了2.4GHz的ISM頻段的微波，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)位流的過濾和傳輸，可以確保其在世界各地都能通行無阻。但是，藍牙技術(shù)開發(fā)設(shè)備和芯片一般都比擬復雜，且費用高，互通新相對較差。目前，藍牙技術(shù)一般用于、無線鼠標、耳機、因特網(wǎng)橋、交互性會議、數(shù)碼相機、各種家電設(shè)備的遙控和家電網(wǎng)絡(luò)等。2.2.3紅外通信技術(shù)紅外通信技術(shù)是用于近距離的無線數(shù)據(jù)傳輸和無線網(wǎng)絡(luò)接入的無線通信技術(shù)，實質(zhì)是對二進制數(shù)字信號進行調(diào)制和解調(diào)。其保密性強，功耗相對較低。紅外技術(shù)采用點對點的傳輸方式，利用950納米近紅外波段的紅外線傳輸信息，因為紅外線波長特別短，無法繞過障礙物，因此，如果在傳輸過程中遇到障礙物，通信就會發(fā)生中斷。其常用的調(diào)制方式有通過脈沖寬度來實現(xiàn)信號調(diào)制的脈寬調(diào)制和通過脈沖串之間的時間間隔來實現(xiàn)信號調(diào)制的脈寬調(diào)試兩種方式。紅外技術(shù)由于其本錢低，采用點對點之間的高速數(shù)據(jù)連接，可以跨平臺進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)點，成為目前在世界范圍內(nèi)都被廣泛使用的一種無線通信技術(shù)。紅外通信具有不透光材料的阻隔性，可分隔性，限定物理使用性，根據(jù)這些特點，可以使每套設(shè)備在不同的物理空間使用。紅外技術(shù)因為是利用光來傳輸數(shù)據(jù)的，所以沒有無線頻道資源的占用性，平安性特別高；由于采用光傳輸且限定物理使用空間，紅外技術(shù)具有優(yōu)秀的互換性和通用性。此外，紅外通信技術(shù)也有一定的局限性，在通信過程中不能移動，且遇到障礙物會導致通信會中斷，通信距離相對較短；紅外通信技術(shù)目前使用的SIR標準通信速率比擬低；紅外通信技術(shù)的功能比擬單一，擴展性較差。目前，紅外通信技術(shù)主要應(yīng)用于電腦、計算機外圍設(shè)備、、尋呼機、計算器、工業(yè)設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備等。2.2.4超寬頻技術(shù)〔UWB〕超寬頻技術(shù)是一種通過基帶脈沖作用于天線的方式發(fā)送數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)。其歷史可追溯至20世紀60年代是研究微波網(wǎng)絡(luò)在面對時域脈沖所產(chǎn)生的瞬間行為。超寬頻技術(shù)在3.1～10.6GHz的波段內(nèi)工作，系統(tǒng)的中心頻率一般高于2.5GHz，具備至少500MHz的-100dB頻寬。如果UWB系統(tǒng)頻率較低，那么該系統(tǒng)的頻寬比就必須具備至少20%以上，主要應(yīng)用于范圍較小、分辨率比擬高、能夠穿透障礙物的雷達和圖像系統(tǒng)中。超寬頻技術(shù)在10米范圍內(nèi)，可支持高達110b/s的高速數(shù)據(jù)傳輸，并且不用壓縮數(shù)據(jù)。目前，超寬頻技術(shù)主要應(yīng)用于短距離雷達、穿地雷達以及各類局域網(wǎng)絡(luò)中。2.2.5近距離無線傳輸〔NFC〕近距離無線傳輸是一種短距離的無線通信技術(shù)標準。近距離無線傳輸技術(shù)采用了雙向識別和連接技術(shù)，工作與13.56MHZ的頻段，傳輸距離一般在20厘米范圍內(nèi)。近距離無線傳輸建立無線網(wǎng)絡(luò)時速度快，并且是自動的，為各種無線通訊設(shè)備在短距離范圍內(nèi)進行通信，近距離無線傳輸為這些設(shè)備設(shè)備提供了一個“虛擬連接〞，使這些設(shè)備可以互聯(lián)通信。近距離無線傳輸使電子設(shè)備之間的相互訪問更加直接，平安性也更高，也更清楚，在傳輸過程中使整個認證識別的過程得到了簡化。近距離無線傳輸由于在單一設(shè)備上組合了所有的關(guān)于身份識別的應(yīng)用和效勞，使系統(tǒng)不再需要記憶多個密碼，讓數(shù)據(jù)的平安性得到了保障，實現(xiàn)了多個設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)或效勞的交換。近距離無線傳輸還可以對藍牙、Wi-Fi等其他類型的無線通信進行“加速〞，實現(xiàn)更遠距離和更快速率的數(shù)據(jù)傳輸。近距離無線傳輸有設(shè)備連接、實時預定、移動商務(wù)三種應(yīng)用類型。2.2.6ZigBeeZigBee是一種新興的介于無線標記和藍牙技術(shù)的短距離、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee技術(shù)在2004年就被列為當今世界開展最快、市場前景最廣闊的十大新技術(shù)之一。ZigBee是以IEEE802.15.4協(xié)議為根底開展起來的一種新的無線通信技術(shù)，它通過在很多個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)來進行數(shù)據(jù)的傳輸，從而實現(xiàn)通信，這些微小的傳感器之間以互聯(lián)的方式，將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過無線電波從一個傳感器傳到另一個傳感器，實現(xiàn)了非常高的通信效率。ZigBee技術(shù)在應(yīng)用軟件的開發(fā)過程中，需要和網(wǎng)絡(luò)傳輸、射頻技術(shù)以及底層軟/硬件技術(shù)結(jié)合在一起本文研究的移動脈搏監(jiān)護系統(tǒng)會聚節(jié)點的通訊模塊節(jié)點采用ZigBee技術(shù)，ZigBee技術(shù)與其他無線通信技術(shù)相比擬具有以下優(yōu)點：模塊功耗低，省電：發(fā)送和接受數(shù)據(jù)的電流較低，降低了系統(tǒng)的總體功耗，兩節(jié)普通的5號電池就可使ZigBee模塊工作長達6個月到2年的時間。時延非常短：ZigBee的通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都很短，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，而從休眠狀態(tài)激活只需15ms?！?〕可靠性高：ZigBee采用了碰撞防止機制，并為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預留了專用時隙，能夠有效使數(shù)據(jù)在發(fā)送和接收時防止信道競爭和沖突，各節(jié)點模塊之間的自動動態(tài)組網(wǎng)功能，使信息在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中以自動選擇路由的方式進行傳輸，信息傳輸?shù)目煽啃缘玫搅吮Ｕ稀！?〕網(wǎng)絡(luò)容量大：一個區(qū)域內(nèi)可布置多個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，每個星狀ZigBee網(wǎng)絡(luò)可支持255個節(jié)點，最多可容納65000個節(jié)點?！?〕保密性很高，數(shù)據(jù)平安：ZigBee提供數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，支持AES-128加密算法，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠桨脖Ｃ苄浴！?〕本錢比擬低：ZigBee協(xié)議棧的具體實現(xiàn)的要求很低，通常只需8位處理器配上4KBROM和64KBRAM等，就可以系統(tǒng)的滿足最低需要，這極大地降低了芯片本錢。ZigBee協(xié)議棧由高層應(yīng)用標準、應(yīng)用會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，其結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。應(yīng)用會聚層會把平安屬性設(shè)置和多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流會聚等功能及其他一些應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上；網(wǎng)絡(luò)層采用基于AdHoc技術(shù)的路由協(xié)議，具有通用網(wǎng)絡(luò)層所有功能，并且還有與底層IEEE802.15.4標準同樣省電的特點。為了降低整個網(wǎng)絡(luò)的維護本錢，使消費者在使用時得到最大程度上的方便，ZigBee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的自組織和自維護功能。圖2-2ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖圖2-2ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖ZigBee技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣闊，在很下情況下都可以采用這項無線技術(shù)，例如：使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；需要監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點比擬多；對設(shè)備本錢的要求低并且數(shù)據(jù)的傳輸量較??；數(shù)據(jù)傳在輸具時需要的可靠性和平安性很高；局部區(qū)域的移動目標定位；需要設(shè)備的體積較小，可以使用電池供電；移動網(wǎng)絡(luò)還沒有覆蓋的地區(qū)；地形比擬復雜并且網(wǎng)絡(luò)需要覆蓋的面積大；在現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)的根底上進行傳輸數(shù)據(jù)量較低的遠距離測控；家庭電器自動控制，家庭智能平安系統(tǒng)；智慧型標簽等。ZigBee在各領(lǐng)域的應(yīng)用如下。在工業(yè)領(lǐng)域：利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)隨時采集，并且自動分析和處理，可以應(yīng)用于決策輔助系統(tǒng)，例如監(jiān)控煤礦內(nèi)各個地方的平安狀況等。在家庭和樓宇自動化領(lǐng)域：易于進入、簡單明了和廉價的安裝本錢使家庭自動化和和建筑開發(fā)作為電子技術(shù)的集成被迅速擴展，例如利用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)自動抄表等功能。在汽車領(lǐng)域：ZigBee技術(shù)主要應(yīng)用于傳遞信息的傳感器，例如檢測輪胎壓力的系統(tǒng)。在精確農(nóng)業(yè)領(lǐng)域：采用傳感器網(wǎng)絡(luò)和ZigBee技術(shù)，農(nóng)業(yè)會逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕畔⒑蛙浖橹行牡纳a(chǎn)模式，在未來將會研發(fā)出更多的自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的遠程控制農(nóng)業(yè)設(shè)備進行耕種。在消費和家庭自動化市場：可以應(yīng)用于電視、無線耳機、錄像機、窗戶窗簾、照明和空調(diào)設(shè)備、無線耳機、鼠標、鍵盤等，還可應(yīng)用于兒童玩具、休閑器械等。在醫(yī)療領(lǐng)域：利用傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以準確實時的監(jiān)測病人的脈搏、血壓、體溫、心跳等生理特征的信息，減少了醫(yī)護工作者的工作量，對病人的突發(fā)情況等也可以做出及時的反響和救助，例如可以再養(yǎng)老院使用的用于監(jiān)測老年人脈搏信息的移動脈搏監(jiān)測系統(tǒng)。2.2.7GPRS技術(shù)通用無線分組業(yè)務(wù)GPRS〔GeneralPacketRadioService〕也稱2.5G移動通信技術(shù),是在GSM根底上開展起來的一種無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。GPRS在GSM網(wǎng)絡(luò)的無線結(jié)構(gòu)中增加了數(shù)據(jù)設(shè)備來提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，從而實現(xiàn)了從電路方式到話音/分組方式業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)變，是實現(xiàn)GSM向第三代移動通信技術(shù)過度的重要技術(shù)。GPRS的數(shù)據(jù)傳輸支持分組交換傳輸方式，在GSM數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)中引入了分組交換功能實體，數(shù)據(jù)的傳輸速率比GSM網(wǎng)絡(luò)快了很多。GPRS系統(tǒng)可提供高達171.2kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，是GSM系統(tǒng)的十幾倍，為用戶提供了更快速的Internet接入、彩信收發(fā)、高速WAP瀏覽以及其他移動數(shù)據(jù)上網(wǎng)業(yè)務(wù)，為用戶帶來了更好的體驗。GPRS系統(tǒng)在電路交換系統(tǒng)和數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)相互作用的條件下，使系統(tǒng)的資源能得到有效的利用，同時拓展了系統(tǒng)的業(yè)務(wù)和功能，如電視、電子商務(wù)、電子郵件、遠程監(jiān)控、智能家居等，為第三代移動通信系統(tǒng)提供了技術(shù)保障。如圖2-3為GPRS的網(wǎng)絡(luò)邏輯功能及傳輸路徑框圖?？梢钥闯?，GPRS將無線接入網(wǎng)圖2-3GPRS邏輯功能及傳輸路徑圖2-3GPRS邏輯功能及傳輸路徑和核心網(wǎng)完全別離，核心網(wǎng)不需要經(jīng)過過多的調(diào)整即可復用不同的無線接入技術(shù)。GPRS所采用的分組交換技術(shù)具有無連接、網(wǎng)絡(luò)資源按需分配、資源共享等特點，當用戶需要發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時，無線資源才被分配使用，GPRS為了最大限度的利用了網(wǎng)絡(luò)資源，可以把一個無線信道供不同的用戶使用。表2.1幾種無線通信技術(shù)的比擬2.2.8幾種無線通信技術(shù)的比擬表2.1幾種無線通信技術(shù)的比擬2.3本章小結(jié)本章首先介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、原理、特點及應(yīng)用，接著介紹了Wi-Fi、藍牙、紅外線技術(shù)、超寬頻技術(shù)、近距離無線傳輸、ZigBee、GPRS無線通信技術(shù)的特點及應(yīng)用等，最后選擇了幾種無線通信技術(shù)做了簡單的比擬。3系統(tǒng)整體設(shè)計方案3.1移動脈搏監(jiān)護系統(tǒng)會聚節(jié)點總體設(shè)計會聚節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中至關(guān)重要的節(jié)點，起到了網(wǎng)關(guān)節(jié)點的作用，是整個無線網(wǎng)絡(luò)的管理員。如圖3-1為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中會聚節(jié)點的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖3-1會聚節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3-1會聚節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會聚節(jié)點是無線傳感器內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與管理節(jié)點的接口,負責接收下級節(jié)點需要上傳的數(shù)據(jù)，并通過GPRS、以太網(wǎng)等傳送給用戶終端，并向下級節(jié)點發(fā)送來自管理節(jié)點的命令，讓下級節(jié)點監(jiān)測收集并傳送上級節(jié)點所需要的數(shù)據(jù)。會聚節(jié)點通過連接傳感器網(wǎng)絡(luò)和外部傳輸網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)協(xié)議棧之間通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。會聚節(jié)點還負責著網(wǎng)絡(luò)的建立、成員的參加和退出、地址的分配、節(jié)點設(shè)備的數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)表的維護與自動更新等。移動脈搏監(jiān)護系統(tǒng)會聚節(jié)點各功能模塊如圖3-2所示。在該系統(tǒng)中，會聚節(jié)點由無圖3-2會聚節(jié)點功能模塊圖圖3-2會聚節(jié)點功能模塊圖線收發(fā)模塊、處理器模塊及GPRS模塊組成。無線收發(fā)模塊通過無線脈搏傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與其他節(jié)點的無線通信，控制信息交換，進行數(shù)據(jù)的收發(fā)等；處理器模塊負責處理和存儲其他終端節(jié)點脈搏數(shù)據(jù)或命令，控制會聚節(jié)點的各項操作活動；GPRS模塊負責將終端模塊發(fā)來的脈搏數(shù)據(jù)通過Internet發(fā)送給監(jiān)護中心。在本系統(tǒng)中，會聚節(jié)點主要完成兩大功能：〔1〕與脈搏監(jiān)測節(jié)點組成基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，接受來自監(jiān)測節(jié)點上傳給監(jiān)護中心的脈搏數(shù)據(jù)；〔2〕通過GPRS模塊與監(jiān)護中心形成遠程通信，將監(jiān)測節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)護中心并向監(jiān)測節(jié)點傳達監(jiān)護中心下達的各種命令。表3.1會聚節(jié)點有效狀態(tài)會聚節(jié)點由多個模塊組成，每個模塊都有不同工作狀態(tài)，其有效狀態(tài)如表3.1所示。表3.1會聚節(jié)點有效狀態(tài)會聚節(jié)點具有很多硬件接口，可與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任何節(jié)點進行通信，并對監(jiān)測節(jié)點采集的數(shù)據(jù)進行整理和預處理。會聚節(jié)點的計算能力非常強，具有較大的存儲容量，充足的能量供給，靈活性高而且擴展性很好，功能非常強大，可以直接添加新的硬件設(shè)備。3.2ZigBee收發(fā)芯片MC13192MC13192是飛思卡爾公司研發(fā)的一種在短距離內(nèi)的ZigBee收發(fā)芯片，功耗比擬低，其工作波段是2.4GHz的ISM波段，支持點對點、星形和網(wǎng)形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。3.2.1MC3192的結(jié)構(gòu)與功能簡介MC13192具有容易與任意一種MCU接口的優(yōu)點，當它與某一種MCU結(jié)合在一起組成無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時，就可以形成短距離范圍內(nèi)的低功耗和低數(shù)據(jù)速率的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。MC13192內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-3所示，MC13192芯片內(nèi)部設(shè)置了高頻輸出放大器、壓控振蕩器、低噪聲放大器，具有片內(nèi)穩(wěn)壓電源和擴頻編碼與擴頻解碼。MC13192芯片按照IEEE802.15.4的物理層標準，采用O-QPSK調(diào)制/解調(diào)技術(shù)，在帶寬為2MHz的信道上實現(xiàn)250kb/s的傳輸速率。圖3-3MC13192內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖圖3-3MC13192內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖MC13192使用的是2.4GHz頻段中的16個信道，通過編程可以使其工作在某一信道上，信道間隔是5MHz。MC13192的輸出功率可以在-27～4dB之間轉(zhuǎn)換，其高頻輸出功率為0dBm。MC13192的通信距離與標準ZigBee有所擴展，當數(shù)據(jù)誤碼率在1%時，接收靈敏度可以到達-92dBm，MC13192內(nèi)部的定時器，對通信和協(xié)議過程中進行定時，減少了對MCU資源的需要。如圖3-4所示為MC13192的根本應(yīng)用框圖。MC13192通過SPI接口和中斷信號與MCU連接，SPI驅(qū)動、MAC軟件、應(yīng)用軟件、網(wǎng)絡(luò)軟甲駐留在MCU中。根據(jù)具體情況的不同，MCU可以是八位，也可以是三十二位。3.2.2MC13192特點介紹〔1〕16個信道；供電范圍：2～3.4V；標準射頻輸出功率0dBm，最高為4dBm，可通過編程調(diào)節(jié)；圖3-4MC13192根本應(yīng)用框圖圖3-4MC13192根本應(yīng)用框圖對MCU資源的需要小，為數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送提供了緩沖；采用O-QPSK擴頻調(diào)制，支持250kb/s數(shù)據(jù)傳輸速率；具有三種低功耗模式：①小于1uA的關(guān)閉電流，②2.3uA的典型電流，③35uA的典型電流；內(nèi)部設(shè)有四個定時/比擬器，用于減少MCU資源需求；當包誤碼率為1%時，接受靈敏到達-92dBm；可為MCU提供頻率可編程的時鐘信號；為16MHz的晶體振蕩器提供片內(nèi)微調(diào)功能，節(jié)省了片外微調(diào)電容器，實現(xiàn)了頻率的自動調(diào)節(jié)；7個通用I/O引腳；工作溫度范圍大，為-40～85攝氏度；QFN-32小型封裝；無鉛制造。3.2.3MC13192封裝與其引腳功能MC131932封裝引腳排列如圖3-5所示。圖3-5MC13192引腳及排列圖3-5MC13192引腳及排列MC13192各引腳功能介紹：高頻信號引腳：RFIN+、RFIN-射頻信號差分輸入的正、負端；PAO+、PAO-射頻輸出功率放大器輸出的正端和負端；SM實驗?zāi)Ｊ娇刂疲９ぷ鲿r接地。MCU接口引腳：SPICLKSPI接口時鐘輸入端，一般與MCU的SPI接口時鐘信號相連；MOSISPI數(shù)據(jù)輸入端，與MCU的SPI接口數(shù)據(jù)輸出端相連；MISOSPI數(shù)據(jù)輸出端，與MCU的SPI接口數(shù)據(jù)輸入端相連；SPI使能端；中斷申請信號，開路輸出，也可編程使用內(nèi)部40kΩ上拉電阻。用來向MCU提出中斷申請；RXTXEN數(shù)字量輸入，高到低的跳變啟動RX或TX開始工作，正常情況下 應(yīng)為高，低時芯片進入Idle模式。該引腳由MCU的一個輸出信號 控制；喚醒信號，低電平有效，用來將芯片從低功耗模式中轉(zhuǎn)換到Idle 模式。該引腳由MCU的一個輸出信號控制。電源引腳：VDD內(nèi)部穩(wěn)壓輸出，接對地去耦電容；VDDINT電源輸入；VDDLO1LO1電源，在外部連接到VDDA；VDDLO2LO2電源，在外部連接到VDDA;VDDVCO電源輸出，接對地去耦電容；VBATT電源端，可以與VDDINT連接在一起，接對地去耦電容；VDDA模擬局部電源輸出，接對地去耦電容；EP地擴展端，位于芯片底部，連接到GND。其他引腳GPIO1～GPIO7可編程通用輸入/輸出口，GPIO1還可用作退出Idle模式，GPIO2 可用作CRC有效指示；復位信號，當其為低電平時，MC13192處于Off模式，片內(nèi)所有全部喪失；當其為高電平時，芯片進入Idle模式；CLKO時鐘輸出，可供系統(tǒng)中其他芯片使用，如作為MCU的時鐘。輸出時鐘的頻率可通過編程設(shè)定為16MHz、8MHz、4MHz、2MHz、1MHz、 62.5kHz、32.786kHz、16.393kHz等；XTAL1連接到外部石英晶體；XTAL2連接到外部石英晶體。3.2.4MC13192的數(shù)據(jù)傳輸模式MC13192的數(shù)據(jù)傳輸模式有“包〞和“流〞兩種，其數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。工作在“包〞模式時，片內(nèi)RAM的緩沖區(qū)用來存要放傳送的數(shù)據(jù)；在“流〞模式下工作時，是逐字的收發(fā)。通常情況下，為了節(jié)約MCU資源，一般采用“包〞模式傳輸數(shù)據(jù)。圖3-6MC13192數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)圖3-6MC13192數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)在圖3-6中，Preamble為4字節(jié)的前導碼，SFD是包開始定界符，F(xiàn)L1為是長度指示符，F(xiàn)SC是2字節(jié)的CRC校驗碼，Payload是有效數(shù)據(jù)，最大長度為125字節(jié)。在接收時，MC13192接收到一個完整的數(shù)據(jù)包并進行檢驗，檢驗通過后，產(chǎn)生中斷信號通知MCU,MCU響應(yīng)中斷，并從MC13192的接收緩存中讀取數(shù)據(jù)包。在發(fā)送時，MCU首先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)長度分別寫入MC13192內(nèi)部的緩沖存儲器中，然后MC13192為數(shù)據(jù)加上前導碼、定界符、數(shù)據(jù)長度和CRC校驗碼組成一個包發(fā)送出去，并通過中斷申請信號線通知MCU，該數(shù)據(jù)包以發(fā)送完畢。MC13192內(nèi)部有3個數(shù)據(jù)緩沖RAM區(qū)，一個是接收緩沖區(qū)，另外兩個是發(fā)送緩沖區(qū)。MC13192工作在“流〞模式下時才可以實現(xiàn)ZigBee協(xié)議。在“流〞模式下，MC13192的收、發(fā)和MCU之間的數(shù)據(jù)交換都是逐字進行的，MCU的工作比擬繁重。3.2.5MC13192工作模式介紹 MC13192有多種工作模式，在不同的模式下，芯片工作電流不同，最低為1uA，充分滿足了低功耗設(shè)備的要求。MC13192工作模式如表3.2所示。芯片一般工作在Idle模式，在此模式下，芯片接收來自控制單元的命令和數(shù)據(jù)，能夠進入到其他模式。在這些模式中，Hibernate、Off、Doze等是低功耗工作模式，RX和TX是數(shù)據(jù)收發(fā)的工作模式，CCA/ED模式用來評估信號信道的強度，以便調(diào)節(jié)發(fā)射功率或選擇要使用的信道，使通信效果到達最正確。在低功耗的Off模式下，MC13192不能進行任何操作，只可轉(zhuǎn)換到其他待機模式下，耗電量最低。表3.2MC13192幾種工作模式表3.2MC13192幾種工作模式MC13192低功耗工作模式：〔1〕Off模式：在該模式下芯片RST引腳為低電平，耗電最低，此時芯片內(nèi)所有活動停止，RAM內(nèi)容喪失，只有微弱的漏電流，MC13192要退出Off模式時，只需把RST引腳變?yōu)楦唠娖?，并?5ms內(nèi)轉(zhuǎn)移到Idle模式?！?〕Hibernate模式：在此模式下，電流消耗僅比Off模式大。進入該模式后，MC13192芯片的硬件模塊全部停止工作，內(nèi)部穩(wěn)壓電路將輸出電壓降至1V，RAM中的數(shù)據(jù)會保存下來。要進入Hibernate模式，可以在Idle模式下芯片通過SPI接口將存放器Control_B的hib_en為1。如果之前設(shè)定過CLKO輸出時鐘信號，那么在進入Hibernate模式前，MC13192芯片會在輸出128個脈沖后再進入Hibernate模式。將芯片的ATTN引腳設(shè)置為低電平，MC13192會在20ms內(nèi)轉(zhuǎn)移到Idle模式。將芯片的RST引腳設(shè)置為低電平，MC13192會從Hibernate模式下進入到Off模式?！?〕Doze模式：Doze模式有AcomaDoze模式和NormalDoze模式兩種模式。MC13192活動模式：〔1〕Idle模式：MC13192離開低功耗模式后進入根本活動模式Idle〔待機〕模式，然后從該模式進入其他的活動狀態(tài)。在Idle模式下，芯片接收機和發(fā)射機都處于關(guān)閉狀態(tài)，通過發(fā)送命令可以使芯片轉(zhuǎn)入到其他狀態(tài)，芯片完成命令操作后又會回到Idle狀態(tài)。MC13192的數(shù)據(jù)收發(fā)方式由“包〞和“流〞兩種方式，如采用“包〞方式，通過向存放器Control_A的xcvrseq[1:0]寫入命令使芯片工作于RX模式或TX模式，如圖3-7所示為xcvrseq[1:0]字段控制芯片的工作方式。〔2〕數(shù)據(jù)包方式圖3-7xcvrseq[1:0]字段控制芯片的工作方式圖3-7xcvrseq[1:0]字段控制芯片的工作方式數(shù)據(jù)傳送：在接收數(shù)據(jù)時，芯片使用片內(nèi)部RAM，接收機按接收順序?qū)⒔邮盏降臄?shù)據(jù)存放在片內(nèi)RAM中，當接收到一個完整的幀經(jīng)并過CRC校驗后，相應(yīng)的中斷就會被置位，這個過程中占用的MCU資源少，如果中斷是被使能的，那么可以向MCU發(fā)出中斷請求。MCU響應(yīng)中斷通過SPI接口從MC13192的內(nèi)部緩沖RAM中讀取數(shù)據(jù)包，在發(fā)送數(shù)據(jù)是，MCU先通過SPI接口將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入到MC13192內(nèi)部的發(fā)送緩沖RAM中，然后MC13192給數(shù)據(jù)加上前導碼、定界符、數(shù)據(jù)長度和CRC檢驗碼，并打包成一個數(shù)據(jù)包發(fā)送出去?！?〕數(shù)據(jù)流方式數(shù)據(jù)傳送：發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)的傳送是通過SPI接口逐字進行的，MCU開銷較大，如果在傳輸過程中終止，需要將芯片重新復位?！?〕空閑信道評估：對指定信道上接收到的能量進行測量，其評估算法有兩種，一種是先測量指定信道中的能量值，然后與事先設(shè)定的閾值進行比擬，假設(shè)設(shè)定的閾值小于測量值，就認為這個信道的狀態(tài)為“忙〞，否那么信道狀態(tài)為“空閑〞；二是能量檢測〔ED〕，其過程與空閑信道評估類似，但測量信道的能量值后無需與事先設(shè)定的閾值進行比擬。3.2.6MC13192內(nèi)部存放器簡介MC13192的工作方式是由其內(nèi)部存放器控制進行的，其內(nèi)部存放器如表3.3所示。這些存放器都是16位的，共有33個，它們控制著MC13192的工作方式，如工作頻率；檢查MC13192的工作狀態(tài)。MC13192內(nèi)部收、發(fā)緩沖RAM的讀/寫也是通過對存放器的訪問實現(xiàn)的。表3.3MC13192內(nèi)部存放器表3.3MC13192內(nèi)部存放器名稱〔符號〕地址操作說明復位值Reset0x00W對該存放器執(zhí)行寫操作使芯片復位-RX_Pkt_RAM0x01R/W通過該存放器實現(xiàn)讀接收RAM區(qū)-TX_Pkt_RAM0x02R/W通過該存放器實現(xiàn)寫發(fā)送RAM區(qū)-TX_Pkt_Ctl0x03R/W發(fā)送數(shù)據(jù)包長度和發(fā)送緩沖去選擇0x000CCA_Thresh0x04R/W空閑信道評估閾值存放器和功率測量補償0x008DIRQ_Mask0x05R/W各中斷源屏蔽控制0x8040Control_A0x06R/W控制選擇收發(fā)器工作模式等0x0010Control_B0x07R/W控制Doze模式等0x7C00Control_C0x09R/W控制GPIO1功能等0Xf363CLKO_Ctl0x0AR/W輸出時鐘信號頻率控制0x7E46GPIO_Dir0x0BR/WGPIO方向控制0x007FGPIO_Data_Out0x0CR/WGPIO輸出數(shù)據(jù)0x0080LO1_int_Div0x0FR/W頻率合成器整數(shù)分頻系數(shù)0x0795LO1_Num0x10R/W頻率合成器小數(shù)分頻系數(shù)0x5000PA_Lvi0x12R/W射頻輸出功率控制0x00BCTmr_Cmp1_A0x1BR/W事件計數(shù)比擬存放器1高8位0x00FFTmr_Cmp1_B0x1CR/W事件計數(shù)比擬存放器1低16位0xFFFFTmr_Cmp2_A0x1DR/W事件計數(shù)比擬存放器2高8位0x00FFTmr_Cmp2_B0x0ER/W事件計數(shù)比擬存放器2低16位0xFFFF名稱〔符號〕地址操作說明復位值Tmr_Cmp3_A0x0FR/W事件計數(shù)比擬存放器3高8位0x00FFTmr_Cmp3_B0x20R/W事件計數(shù)比擬存放器3低16位0xFFFFTmr_Cmp4_A0x21R/W事件計數(shù)比擬存放器4高8位0x00FFTmr_Cmp4_B0x22R/W事件計數(shù)比擬存放器4低16位0xFFFFTC2_Prime0x23R/W事件觸發(fā)存放器0xFFFFIRQ_Status0x24R中斷狀態(tài)存放器0x0000RST_Ind0x25R復位狀態(tài)指示存放器0x0000Current_Time_A0x26R事件計數(shù)器當前值高8位0x0000Current_Time_B0x27R事件計數(shù)器當前值低16位0x0000GPIO_Data_In0x28R通用I/O口輸入存放器-Chip_Id0x2CR芯片版本號0x5000RX_Status0x2DR接收狀態(tài)存放器0x0000Timestamp_A0x2ER時間標簽高8位0x0000Timestamp_B0x2FR時間標簽低16位0x00003.2.7MC13192與MCU的接口MC13192的控制和數(shù)據(jù)傳送是通過其4線的SPI接口實現(xiàn)的，MC13192為全靜態(tài)結(jié)構(gòu)的SPI接口，在低功耗狀態(tài)時對SPI接口的操作仍然可以進行，除SPICLK時鐘信號外，訪問其內(nèi)部的存放器時不需要其它的時鐘信號，當SPI接口的CE信號線被拉低時，一次SPI操作就開始了。SPI的“頭〞和數(shù)據(jù)定義如圖3-8所示。圖3-8SPI首部和數(shù)據(jù)定義圖3-8SPI首部和數(shù)據(jù)定義當是SPI寫操作，先向MC13192寫入“首部〞，并提供16個SPICLK時鐘脈沖，然后將2字節(jié)的數(shù)據(jù)通過MOSI信號線寫入這一特定地址的存放器；SPI寫操作時，先寫入“首部〞，并提供SPICLK時鐘脈沖，同時從MISO信號獲得MC13192內(nèi)部存放器的值。一次SPI操作至少需要24個時鐘脈沖，一次SPI操作完成的標志是CE線的變高。如圖3-9位單次SPI操作時序。圖3-9單次SPI操作時序圖圖3-9單次SPI操作時序圖3.3AVR系列單片機ATmega8535AVR單片機是1997年由美國艾特梅爾公司研發(fā)的增強型內(nèi)置Flash的精簡指令聚集高速八位單片機。AVR單片機采用的是精簡指令集，指令長度單位是“字〞，在一個“字〞中集合了內(nèi)容豐富的操作數(shù)和操作碼，獲取指令的周期短，而且可以預取指令，實現(xiàn)了流水作業(yè)，因此執(zhí)行指令時可以高速進行。目前，AVR系列單片機廣泛應(yīng)用于計算及外部設(shè)備，工業(yè)實時控制，儀器儀表，通用設(shè)備和家用電器等各個領(lǐng)域。本文選用的是ATmega高檔系列AVR單片機ATmege8535。AVR系列單片機將豐富的指令集和32個工作存放器連接在一起，所有的工作存放器都連接于ALU，在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行的一條指令的同時可以訪問兩個獨立的存放器，代碼效率得到了極大得高，使其運行速度特別快。ATmega8535是低功耗8位單片機,具有先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega8535的吞吐量可以到達1MIPS/MHz，在很大程度上減輕了系統(tǒng)在功耗，增強了系統(tǒng)的處理速度。3.3.1ATmega8535特點介紹〔1〕高性能、低功耗的8位AVR微控制器?！?〕采用先進的RISC結(jié)構(gòu)：–具有130條指令，很多指令的執(zhí)行時間為單個時鐘周期；–32個8位通用工作存放器；–全靜態(tài)工作；–工作于16MHz時，最高性能可達16MIPS；–只需時鐘周期的硬件乘法器兩個?！?〕非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器：–8KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash程序存儲器，擦寫次數(shù)大于10000次；–具有獨立加密位的可選BOOT，系統(tǒng)內(nèi)編程通過片芯片上BOOT程序?qū)崿F(xiàn)，真正的同時讀寫操作；–512B的EEPROM，擦寫次數(shù)大于100000次；–512字節(jié)的片內(nèi)SRAM；–可編程的程序加密位?！?〕外設(shè)特點：–2個具有有比擬模式的帶預分頻的8位定時器/計數(shù)器；–1個具有預分頻的16位定時器/計數(shù)器，具有比擬模式和捕捉模式；–具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC；–四通道PWM；–8路10位ADC，TQFP封裝8個單端通道，7個差分通道，2個具有可編程增益〔1x,10x,或200x〕的差分通道；–面向字節(jié)的兩線接口；–兩個可編程的串行USART；–可工作于主機/從機模式的SPI串行接口；–具有片內(nèi)RC振蕩器的可編程看門狗定時器；–片內(nèi)模擬比擬器?！?〕特殊的處理器特點：–上電復位以及可編程的掉電檢測；–片內(nèi)經(jīng)過標定的RC振蕩器；–片內(nèi)/片外中斷源；–6種休眠模式:空閑模式、ADC降噪模式、省電模式、掉電模式、Standby模式以及擴展的Standby模式?！?〕I/O和封裝：–32個可編程的I/O口；–40引腳PDIP封裝,44引腳TQFP封裝、PLCC封裝和MLF封裝。〔7〕工作電壓––〔8〕速度等級–ATmega8535L：0-8MHz–ATmega8535：0-16MHz3.3.2ATmega8535封裝與引腳功能ATmega8535的引腳配置如圖3-10所示。ATmega8535的引腳定義及功能如下：圖3-10ATmega8535的引腳配置圖圖3-10ATmega8535的引腳配置圖VCC——數(shù)字電路的電源GND——地端口A(PA7～PA0)——端口A作為A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。端口A一般作為A/D轉(zhuǎn)換器使用，也可以作為8位雙向I/O口，每個引腳都帶有可位操作的內(nèi)部上拉電阻。輸出緩沖器可以輸出和吸收大電流，具有雙向的驅(qū)動能力。端口A作為輸入使用時，假設(shè)內(nèi)部上拉電阻有效，而外部引腳被電路拉低，端口A將輸出電流。在復位過程中，端口A處于高阻狀態(tài)。端口B(PB7～PB0)——端口B為一個8位雙向的I/O端口，每個引腳都有可位操作的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有輸出和吸收大電流的雙向驅(qū)動能力。端口B作為輸入使用時，假設(shè)內(nèi)部上拉電阻有效且外部引腳被拉低，端口B將輸出電流。在復位過程中，端口B處于高阻狀態(tài)。端口C(PC7～PC0)——端口C是一個8位的雙向I/O端口，每個引腳都具有可位操作的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有輸出和吸收大電流的雙向驅(qū)動能力。端口C作為輸入時，假設(shè)內(nèi)部上拉電阻有效，且外部引腳被拉低，端口C將輸出電流。在復位過程中，端口C處于高阻狀態(tài)。端口D(PD7～PD0)——端口D是一個8位雙向I/O端口，每個引腳都帶可位操作的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有輸出和吸收大電流的雙向驅(qū)動能力。端口D作為輸入時，假設(shè)內(nèi)部上拉電阻有效，且外部引腳被拉低，端口D將輸出電流。在復位過程中，端口D處于高阻狀態(tài)。RESET——復位輸入引腳。當該引腳出現(xiàn)超過兩個時鐘周期的低電平時將引起系統(tǒng)復位。假設(shè)脈沖持續(xù)時間小于門限時間，系統(tǒng)不能保證可靠復位。XTAL1——反向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘操作電路的輸入端。XTAL2——反向振蕩放大器的輸出端。AVCC——ADC的電源。使用ADC時通過一個低通濾波器連接在VCC上。不使用ADC時，該引腳直接連接在VCC上。AREF——ADC參考電源輸入端。3.3.3ATmega8535系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹為了最大限度的提高系統(tǒng)性能，ATmega8535采用了哈佛結(jié)構(gòu)，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器相對獨立。在執(zhí)行一條指令的同時從程序存儲器讀取下一條指令?？焖僭L問存放器由32個8位通用工作存放器組成，一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一個ALU操作。存放器里由6個存放器組成3個16位間接尋址存放器，存放地址指針以尋址數(shù)據(jù)空間，實現(xiàn)高效的地址計算。ALU支持存放器之間以及立即數(shù)和存放器之間的算術(shù)和邏輯運算。ALU也可以執(zhí)行單存放器操作。程序流程通過有/無條件的跳轉(zhuǎn)指令和調(diào)用指令來控制，可以直接尋址整個地址空間。程序存儲器空間分為兩段：引導程序段和應(yīng)用程序段。這兩個區(qū)都有專門的鎖定位以實現(xiàn)讀和讀/寫保護。I/O存儲器空間包含64個可以直接尋址的地址，作為CPU外設(shè)的控制存放器、SPI，以及其他I/O功能。表3.4ATmega8535中斷和復位向量圖3-12ATmega8535系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.3.4ATmega8535中斷向量介紹表3.4ATmega8535中斷和復位向量圖3-12ATmega8535系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖程序存儲器空間的最低地址被默認為復位和中斷向量，如表3.4所示為ATmega8535的中斷和復位向量表。不同的終端具有不同的優(yōu)先級別，地址越低，優(yōu)先級別越高，復位的優(yōu)先級別最高，其次是外部中斷請求0〔INTO〕。ATmega8535的程序存儲器空間有每個中斷和復位獨立的中斷向量。當MCU響應(yīng)中斷時，中斷事件使能位置位，狀態(tài)存放器中的全局中斷使能位也置位。表3.5復位和中斷向量位置確實定不同的BOOTRST熔絲位編程和中斷控制存放器標志位置組合時，中斷向量的位置如表3.5所示。關(guān)閉所有中斷后，中斷向量表將不起作用。表3.5復位和中斷向量位置確實定3.3.6ATmega8535工作模式介紹〔1〕普通模式：是ATmega8535最簡單的工作模式。處于該模式時計數(shù)器不停累加到最大值后，數(shù)值會溢出，這時計數(shù)器回到最小值0x0000，重新計數(shù)。在普通模式用戶可以隨時寫入新的計數(shù)器數(shù)值。外部事件的最大時間間隔不能超過數(shù)器的分辨率?！?〕CTC模式：在CTC模式下，用戶控制比擬匹配輸出的頻率較為容易，同時也圖3-11CTC模式時序圖圖3-11CTC模式時序圖使外部事件計數(shù)的操作得到簡化。其時序圖如圖3-11所示。快速PWM模式：快速PWM模式采用單邊斜坡工作方式，能夠產(chǎn)生高頻的PWM波形。該模式的工作頻率較高。該模式主要應(yīng)用于功率調(diào)節(jié)，整流和DAC應(yīng)用。圖3-12快速PWM時序圖圖3-12快速PWM時序圖〔4〕相位修正PWM模式：該模式基于雙斜坡操作，可以為用戶提供了一個獲得高精度的、相位準確的PWM波形的方法。計時器重復重復計數(shù)。圖3-13相位修正PWM模式時序圖圖3-13相位修正PWM模式時序圖〔5〕相位與頻率修正PWM模式：該模式基于雙斜坡操作，能產(chǎn)生精確度高、相位與頻率都準確的PWM波形。計時器重復工作。圖3-14相位與頻率修正PWM時序圖圖3-14相位與頻率修正PWM時序圖3.4EP220P-GPRS介紹EP220P-GPRS無線傳輸終端主要應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，為遠距離無線數(shù)據(jù)通訊提供接口。用戶只需設(shè)置一定的參數(shù)就可以將系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)相連，實現(xiàn)通訊業(yè)務(wù)。EP220P無線數(shù)據(jù)傳輸終端能夠主動給鏈接遠方效勞器進行通信，使用起來方便快捷。目前廣泛適用于遠程抄表、遠程測控、工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)測、交通信息指示等，EP220P具有很高的性價比，并且通信費用比擬低廉，為終端用戶節(jié)約了一定的本錢。3.4.1EP220P-GPRS特性介紹〔1〕實現(xiàn)RS232/485-GPRS的透明傳輸；〔2〕三線串口〔TXD/B,RXD/A+,GND〕,±15KV靜電保護；圖3-14相位與頻率修正PWM模式時序圖〔3〕接口的波特率在1200bps～115.2Kbps之間，用戶可以自由調(diào)整；圖3-14相位與頻率修正PWM模式時序圖〔4〕超低功耗，待機時功耗僅為0.12W；〔5〕開機時會自動撥號，掉線否能夠自動重撥；〔6〕智能數(shù)據(jù)流量控制，日常運營費用低；〔7〕具有動態(tài)域名解析功能，不需要申請專線或固定的IP；〔8〕有很強的抗干擾能力，能夠適應(yīng)長期連續(xù)的工作；〔9〕供電：DC5～12V，24V,48V可選；〔10〕對工作環(huán)境要求不高。3.4.2EP220P-GPRS接口介紹如圖3-15為EP220P-GPRS接口示意圖。各接口功能如下：1——RESET:連接在內(nèi)部CPU復位電路上，低電平時復位，不用時懸空；2——TXD/485B-:與外部設(shè)備的RXD或B-相連；3——RXD/485B+：連接外部設(shè)備的TXD或A+；4——內(nèi)部保存，不可用；5——GND；圖3-15GPRS接口示意圖圖3-15GPRS接口示意圖6——內(nèi)部保存，不可用；7——設(shè)置/運行選擇，設(shè)備開機時如果是低電平就進入設(shè)置狀態(tài)，如果是高電平時進入通訊狀態(tài)；8——內(nèi)部保存，不可用。3.4.3EP220P-GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸終端功能介紹EP220P-GPRS無線傳輸終端是即插即用。設(shè)備在上電以后，指示燈會一直亮著，無線模塊啟動后登錄到GPRS上后，指示燈發(fā)生閃爍，此時用戶就可以通訊了。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-16所示。圖3-16EP220P-GPRS內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3-16EP220P-GPRS內(nèi)部結(jié)構(gòu)通訊狀態(tài)下，如果EP220P-GPRS收到載荷規(guī)定長度的數(shù)據(jù)，或者在130毫秒內(nèi)沒有新的數(shù)據(jù)到來，便立刻對數(shù)據(jù)進行處理，將數(shù)據(jù)打包后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到終端效勞器。如果EP220P-GPRS接收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的數(shù)據(jù)包，先從數(shù)據(jù)包內(nèi)解析出有效的數(shù)據(jù)，然后從串口發(fā)送到指定位置上去。如果在規(guī)定時間內(nèi)一直沒有串口發(fā)來數(shù)據(jù)，EP220P-GPRS會自動生成數(shù)據(jù)包后發(fā)送到效勞器上以保持網(wǎng)絡(luò)連接。EP220P-GPRS會自動在每個數(shù)據(jù)包前加上包頭，為A+B+C+數(shù)據(jù)格式。A默認為GPRS，B為四個字節(jié)的IP地址，C為用戶定義的四個字節(jié)的ID號。3.5本章小結(jié)本章先對會聚節(jié)點的結(jié)構(gòu)和整體設(shè)計方案做了簡單的說明，然后介紹了會聚節(jié)點各模塊所選擇的芯片，有基于ZigBee的MC13192無線收發(fā)芯片，AVR系列單片機ATmega-8535，無線傳輸終端EP220P-GPRS模塊，并對各芯片的結(jié)構(gòu)、特點、功能等做了較為詳細的介紹。4系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件設(shè)計會聚節(jié)點結(jié)構(gòu)圖4-1所示。圖4-1會聚節(jié)點結(jié)構(gòu)圖4-1會聚節(jié)點結(jié)構(gòu)會聚節(jié)點各模塊芯片連接順序如圖4-2所示。圖4-2芯片連接順序圖圖4-2芯片連接順序圖4.1.1會聚節(jié)點中MC13192芯片電路MC13192外圍電路設(shè)計。晶振電路，電源電路和天線電路是外圍電路的主要組成局部。晶振電路產(chǎn)生根本的時鐘信號，保證處理器的工作按一定的時序進行，使各局部保持同步；電源電路負責為芯片提供工作能量，可以改變芯片的工作模式，電源電路根據(jù)需要可采用3.6V干電池或紐扣電池。天線電路負責數(shù)據(jù)的收發(fā)。MC13192外圍電路如圖4-3所示?！?〕MC13192外圍電路如圖4-3所示。MC13192的外圍電路包括電源電路，濾波電圖4-