Zigbee无线传感器网络的研究与实现图文.docx

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Zigbee无线传感器网络的研究与实现图文

浙江人学硕上学位论立

图2-2Zigbee协议栈结构

所以在将zigbee协议以及应用程序从一个硬件平台移植到另外一个硬件平台,只需要修改MACPHY与硬件相关的层,MACPHY的硬件驱动程序完成后会向上提供程序接口,这样NwKNVM,APL,APS等层就可以屏蔽硬件差异直接运行。

CC2420芯片支持硬件加密解密功能,如果有保密需要可以在发送前进行硬件加密,接收时进行硬件解密;加密解密动作是在NWK,APkAPS层进行的。

目前演示版本的Demon不支持加密解密功能。

2.2.1.1协议栈层

Zigbee协议栈根据Zigbee规范的定义将其逻辑分为多个层。

实现每个层的代码位于一个独立的源文件中,而服务和应用程序接口（ApplicationProgrammingInterfaces,API则在头文件中定义。

协议栈的当前版本不实现安全层。

每个层为紧接着的上一层定义一组容易理解的函数。

要实现抽象性和模块性,顶层总是通过定义完善的API和紧接着的下一层进行交互。

特定层的C头文件（如zAPS.h定义该层所支持的所有API。

必须切记,用户应用程序总是与应用编程支持（ApplicationProgrammingSupport,APS层和应用层（ApplicationLayer,APL交互。

由每层提供的很多API都是简单的C语言宏,调用下一层中的函数。

此方法可以避免与模块化相关的典型

Zigbee节点的数据传输距离因发射功率的大小以及周边环境的复杂程度而有所不同,一般在不经过功率放大（OdB条件下室内传输距离为卜50米,室外传输距离为卜120米。

Zigbee与Bluetooth,802.1117]都属于无线传输范畴,但彼此有区别（图2-4所示1:

IEEE802.11标准的发展目标始终是提高数据速率,从802.11的1-2Mbits/s一直到802.1la和802.1lg的54Mbits/s。

图2.4传输速率对比

Zigbee与Bluetooth的差异

TheinevitablequestioniswhetherZigbeeandBluetootharecompetitorsorcomplements

Bluetoothseemsbestsuitedfor:

・SynchronizationofcellphonetoPDA

・Hands—freeaudio

・PDAtoprinter

WhileZigbeeisbettersuitedfor:

・Controls

・Sensors

・Lotsofdevices

・Lowdutycycle

・Smalldatapackets

・Longbakerylifeiscritical

AirInterfacecomparison

第三章硬件设计

3.1传感器节点系统总体设计

为了开发出具有低成本低功耗的Zigbee网络节点,我们采用了以MSP430为核心控制模块,以CC2420为无线收发模块的设计方法,MSP430与CC2420通过SPI方式相互通讯,MSP430采用主模式,CC2420采用从模式。

采用MSP430为控制器的原因是MSP340在低功耗省电方面表现出色,并且在恶劣条件下工作性能稳定。

采用CC2420为射频芯片的原因足CC2420支持IEEE802.15.4协议,正常工作是需要的外围功能电路少,与主控制器接口简洁,对CC2420操作与控制都十分方便

硬件丌发平台:

以MSP430为核心的母板和以CC2420为核心的RF卡,如图3-1所示。

图3-1硬件开发平台

下面就分两部分,分别介绍以MSP430为核心的母板的结构&模块测试和以CC2420为核心的RF卡的结构&模块测试。

三个部分,而不保存帧校验码。

CC2420发送数据时,数据l帧的前导序列、帧开始分隔符以及帧检验序列由硬件产生;接收数据时,这些部分只用于帧同步和CRC校验,而不会保存到接收FIFO缓存区。

CC2420发送数据时,使用直接正交上变频。

基带信号的同相分量和正交分量直接被数模转换器转换为模拟信号,通过低通滤波器后,直接变频到设定的信道l:

。

图3.4CC2420内部结构

3.3.1.2cc24209b围电路

CC2420内部使用1.8V工作电压,因而功耗很低,适合于电池供电的设备;外部数字I/O接口使用3.3V电压,这样可以保持和3.3V逻辑期间的兼容性。

它在片上集成了一个直流稳压器,能够把3.3V电压转换成1.8V电压。

这样对于只有3.3V电源的设备,不需要额外的电压转换电路就能正常工作。

CC2420射频信号的收发采用差分方式传送,其最佳差分负载是115+j180欧姆,阻抗匹配电路应该根据这个数值进行调整。

如果使用单端天线则需要使用平衡/非平衡转换电路,以达到最佳收发效果。

CC2420需要由16MHz的参考时钟用于250kbps数据的收发。

这个参考时钟

可以来自外部时钟源,也可以使用内部晶振体振荡器产生。

如果使用外部时钟,直接从XOSCl6_Q1引脚引入,XOSCl6一Q2引脚保持悬空;如果使用内部晶体振荡器,晶体接在XOSCl6一Q1和xOSCl6_Q2引脚之间。

CC2420要求时钟源的精确度应该在+40xlor以内。

图3.5给出了CC2420外围电路的一个实例。

图3.5CC2420的外围电路

3.3.1.3处理器接口

CC2420与处理器的连接非常方便。

它使用SFD、FIFO、FIFOP、和CCA四个引脚表示收发数据的状态;而处理器通过SPI接口与CC2420交换数据,发送命令等。

CC2420收到物理帧的SFD字段后,会在SFD引脚输出高电平,直到接收完该帧。

如果启动了地址辨识,在地址辩识失败后,SFD引脚立即转为输出低电平。

FIFO和FIFOP引脚标示接收FIFO的缓存区的状态。

如果接收FIFO缓存区

的延迟更大,数据包的丢包率也随之增加。

为了增加树状网络的稳定性,在我们的项目中,规定树状网的级连层数不可以超过两层,于是我们提出构建Cluster-TreeNetwork。

树状网络（Cluster-TreeNetwork的拓扑结构如下图4_3所示

图4.3WirelessCluster-TreeNetwork

网状网络（MeshNetwork[20l[261

无线传感器网络的网络拓扑结构中,最复杂的拓扑结构也是最终目标实现的目标是网状网络（MeshNetwork。

在这种结构中,节点与节点之间的结构

是”Point.to.Point.to.Point”结构,或者被称为”peer—to.peer”系统。

它是一个Adhoc,multi.hop网络。

目前据我们掌握的资料来说,能实现网状网络（MeshNetwork结构的有两家厂‘商,_。

‘家是与MIT-合作的Ember公司,另外一家是Freescale公司提供的解决方案。