无线的传感器的网络的及应用的实训书Word文档下载推荐.docx
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在传感器技术和计算机技术取得突破性进展之后,一种名叫无线传感器网络的通信系统跃然而出,它以其低成本、低功耗、对等通信等三大优势渐渐成为新兴通信技术中的一大热点。
现如今,无线传感器网络被认为21世纪最具有影响力的改变世界的10大技术之一。
伴随着传感器技术本身不断地在发展、深化和交叉,从原先单一的敏感元件发展到混合集成传感器、智能传感器等,真正朝着无所不在的信息获取技术方向迈进,无线传感器网络技术异军突起,包括在国防安全、工农业领域各种控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都体现了重要的科研价值和实用价值,具有十分广阔的应用前景。
于是乎,深化研究无线传感网络、为无线传感器网络寻找一种具备成本低廉,节约功耗而有组网能力较强的无线网络协议的需求变得十分迫切,也是当今通信科技发展的主题。
1.CC2530射频模块介绍
CC2530内部的模拟无线电模块是由其RF内核(RF_core)部分控制,RF内核在CC2530的8051微处理器和无线电之间提供一个接口,它可以发出命令、读取状态和自动对无线电事件排序。
CC2530RF内核的有限状态机(简称FSM)子模块控制射频收发器的状态、发送和接收FIFO,以及大部分动态受控的模拟信号,比如模拟模块的上电/掉电。
FSM用于为事件提供正确的顺序(比如在使能接收器之前执行一个FS校准)。
而且,它为来自解调器的输入帧提供分步处理:
读帧长度、计算收到的字节数、检查FCS、最后成功接收帧后,可选择性地处理自动传输ACK帧等。
在执行发送射频是时执行类似的操作,包括在传输前执行一个可选的CCA,并在接收一个ACK帧的传输结束后自动回到RX。
最后,FSM控制在调制器/解调器和RAM的TXFIFO/RXFIFO之间传输数据。
图8-1为CC2530的射频控制模块
图8-1CC2530RF控制模块
(1)调制器(Modulator)把原始数据转换为I/Q信号发送到发送器DAC。
数据遵守IEEE802.15.4标准。
(2)、解调器(Demod)负责从收到的信号中检索无线数据,解调器幅度受自动增益控制器(AGC)控制。
AGC调整模拟LAN的增益,使接收器的信号幅度保持恒定。
(4)、帧过滤和源匹支持RF内核中FSM的所有操作,同时实现IEEE802.15.4所定义的帧过滤和源地址匹配;
(5)、频率合成器(FS)为RF信号产生载波。
(6)、命令选通处理器(CSP)处理CPU发出的所有命令。
该命令选通处理器还包括一个24字节程序存储器;
这样选通处理器不需要微处理器干预的情况下自动执行CSMA-CA算法。
(7)、CC2530的无线电RAM包括发送数据FIFO(TXFIFO)和接收数据FIFO(RXFIFO),每个FIFO都是128字节。
另外,无线电RAM为帧过滤和源匹配存储参数余留了128字节。
(8)、CC2530包括一个用于无线电事件定时计算的MAC定时器(定时器2),以捕获输入数据包的时间戳。
同时,MAC定时器甚至在睡眠模式下也保持定时器计数。
1.12802.15.4帧格式
IEEE802.15.4的帧格式如图8-2所示
图8-2IEEE802.15.4帧格式示意图
1、PHY层
(1)、同步头:
同步头(SHR)包括帧引导序列,接下来是帧开始界定符(SFD)。
在IEEE802.15.4规范中,帧引导序列定义为四个字节的0x00。
SFD是一个字节,设置为0xA7。
(2)、PHY头:
PHY头只包括帧长度域。
帧长度域定义了MAC协议数据单元(MACprotocoldataunit,简称MPDU)中的字节数。
注意长度域的值不包括长度域本身。
但是它包括帧检查序列(FCS),即使这是由硬件自动插入的。
帧长度域是7位长,最大值是127。
长度域的最高位保留,总是设置为0。
(3)、PHY服务数据单元:
PHY服务数据单元包括MAC协议数据单元(MPDU)。
MAC层负责产生/解释MPDU,CC2530的无线电有内置的支持可以处理一些MPDU子域。
1.2MAC层
MAC帧格式主要是指MAC协议数据单元(MPDU)的格式,主要包括MAC帧头(MHR),MAC负载和MAC帧尾(MFR)。
帧头由帧控制,帧序列码和地址域组成,MAC层负载长度可变,具体内容由帧类型决定。
MAC帧尾(帧校验)是帧头和负载数据的16位循环冗余校验(CRC)序列。
具体见表8-1
表8-1MAC帧的通用格式
字节:
2
1
0/2
1/2/8
0/2/8
可变
帧控制
序列号
目的PAN标识符
目的地址
源PAN标识符
源地址
净荷
帧校验
地址域
MAC帧头(MHR)
MAC帧负载
MAC帧尾
1.3CC2530射频发送模式
1、发送控制
CC2530的射频模块有许多内置的功能,用于帧处理和报告状态。
这些功能很容易地精确控制输出帧的时序。
这在IEEE802.15.4/ZigBee®
系统中是非常重要的,因为这类系统有严格的时序要求。
●开始帧传输操作方式:
(1)、STXON命令
执行STXON命令时,将终止正在传输的操作,SAMPLED_CCA不更新;
(2)、STXONCCA命令:
在CCA信号为高。
STXONCCA命令将中止正在进行的发送/接收,强制一个TX校准,然后再传输。
同时更新SAMPLED_CCA信号。
●终止帧传输操作方式:
执行STXON命令时,将终止正在传输操作,进入RX调整
(2)、STXOFF命令
执行STXOFF命令时,将终止正在进行的接收/发送,使FSM进入空闲状态(IDLE状态);
2、发送时序
STXON命令或STXONCCA命令执行后192us开始传输帧的引导序列,返回到接收模式,也需要延迟同样的时间。
当进入空闲或接收模式时,调制器将信号送到DAC、发送SFD信号以及射频FSM转换到IDLE状态,都有2us的延迟。
3、发送FIFO的访问方式
CC2530芯片具有128字节的发送FIFO(TXFIFO),该缓冲每次只能完整地保存一帧数据。
只要缓冲的数据不产生下溢,在执行发送命令(STXON或STXONCCA)执行前或执行后都可以对数据帧进行缓冲到FIFO中。
图8-3为发送射频数据时需要写入发送缓冲的数据。
AUTOCRC=0
LEN
LEN-2字节
FCS(2字节)
忽略
AUTOCRC=1
图8-3需要写入到发送缓冲数据
CC2530有两种方式将数据写入到发送FIFO缓冲:
(1)、写到RFD寄存
(2)、直接写FIFO缓冲
发送帧缓冲(FIFO)位于存储器0x6080-0x60FF共128个存储单元。
通过使能FRMCTRL1.IGNORE_TX_UNDERF位,可以直接写到无线电存储器的RAM区域。
建议使用写RFD寄存器将数据写到发送FIFO中,写入到发送FIFO中的字节数保存在TXFIFOCNT寄存器中。
如果FIFO在传输期间被清空就发生TX下溢错误,可以使用SFLUSHTX命令手动清空发送FIFO。
4、重传方式
为了支持简单的帧重传,CC2530无线电数据在传输过程中不会删除发送FIFO的内容。
成功发送一个帧后,FIFO的内容保持不变。
要重传同一个帧,只需重新执行STXON或STXONCCA命令启动重传。
只有数据包已经被完全发送才可以重传一个数据包,即数据包不能中止,然后再重传。
如果传输一个不同的帧,就写新的帧到发送FIFO。
发送FIFO在实际写发生之前自动清除。
5、帧处理过程
CC2530射频在发送数据帧过程中执行以下帧产生操作:
收到的帧
帧引导序列
SFD
MHR
MAC负载
FCS
(1)
(2)
(3)
(1)产生并自动传输PNY层同步头,它包括帧引导序列和SFD
(2)传输帧长度域指定的字节数LEN
(3)计算并自动传输FCS(可以禁用)
推荐写发送长度域方法:
在将MAC头和MAC负载写入发送FIFO后,接着写发送长度域,然后让CC2530的射频处理其余部分。
注意:
即使CC2530射频自动处理FCS字节,发送长度域必须包括这两个FCS字节。
当发送了SFD,调制器开始从发送FIFO中读数据。
它期望找到帧长度域,然后是MAC头和MAC负载。
帧长度域用于确定要发送多少个字节。
当帧的SFD域发送后就产生SFD中断。
当成功发送一个完整的帧,产生TX_FRM_DONE中断。
1.4CC2530射频接收模式
1、接收控制
CC2530的射频接收器分别根据SRXON和SRFOFF命令进行开启和关闭,或使用RXENABLE寄存器。
接收命令提供一个硬开启/关闭机制,而RXENABLE操作提供一个软开启/关闭机制。
●开启接收器操作:
(1)SRXON命令
执行SRXON命令后,RXENABLE[7]置1,终止正在进行的接收/发送操作,强制转换到接收模式。
(2)SRXON命令(当FRMCTRL1.SET_RXENMASK_ON_TX使能)
执行SRXON命令后,RXENABLE[6]置1,发送完成之后使能接收操作。
(3)通过写RXMASKSET寄存器(将与RXENABLE进行或运算)使RXENABLE!
=0x00
不终止正在进行的接收/发送操作;
●关闭接收器操作:
(1)、SRXOFF命令
清除RXENABLE[7:
0],通过强制转换进入空闲状态(IDLE),终止正在进行的接收/发送操作;
(2)通过写RXMASKCLR寄存器(将与RXENABLE进行与运算)使RXENABLE=0x00
一旦接收完毕,射频返回空闲状态(IDLE)
2、接收时序
在使能接收192us后可进入接收操作。
从接收一帧再次进入接收模式同样需要192us的延迟。
3、接收帧处理过程
CC2530射频集成了IEEE802.15.4-2003和-2006中RX硬件方面要求的关键部分。
降低了CPU干预,简化了处理帧接收的软件,且以最小的延迟给出结果。
CC2530在接收一个帧期间,执行以下帧处理步骤
(2)(3)
(4)
发送的确认帧
(5)
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