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zigbee节点设计
第四章总结…………………………………………................................................11
参考文献…………………………………………………………………………………...12
第一章无线传感器网络(WSN)
无线传感器网络WSN(WirelessSensorNetwork)是一种由传感器节点构成的网络,能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息(如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象),并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去,通过无线网络最终发送给观察者。
无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。
在传感器网络中,传感器节点具有端节点和路由的功能:
一方面实现数据的采集和处理;另一方面实现数据的融合和路由,对本身采集的数据和收到的其他节点发送的数据进行综合,转发路由到网关节点。
网关节点往往个数有限,而且常常能量能够得到补充;网关通常使用多种方式(如Internet、卫星或移动通信网络等)与外界通信。
超声波传感器而传感器节点数目非常庞大,通常采用不能补充的电池提供能量;传感器节点的能量一旦耗尽,那么该节点就不能进行数据采集和路由的功能,直接影响整个传感器网络的健壮性和生命周期。
因此,传感器网络主要研究的是传感器网络节点。
常用的无线通信协议有802.11b、802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB和自定义协议;处理器从4位的微控制器到32位ARM内核的高端处理器都有所应用。
本文介绍的就是zigbee节点技术的设计。
ZigBee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。
主要用于近距离无线连接。
它依据标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。
80强调的就是省电、简单、成本又低的规格。
的物理层(PHY)采用直接序列展频(DSSS,DirectSequenceSpreadSpectrum)技术,以化整为零方式,将一个讯号分为多个讯号,再经由编码方式传送讯号避免干扰。
在媒体存取控制(MAC)层方面,主要是沿用WLAN中系列标准的CSMA/CA方式,以提高系统兼容性,所谓的CSMA/CA是在传输之前,会先检查信道是否有数据传输,若信道无数据传输,则开始进行数据传输动作,若有产生碰撞,则稍后重新再传。
可使用的频段有3个,分别是的ISM频段、欧洲的868MHz频段、以及美国的915MHz频段,而不同频段可使用的信道分别是16、1、10个。
第二章ZigBee网络节点设计
ZigBee可以组成星形、网状、树形的网络拓扑,可用于无线传感器网络(WSN)的组网以及其他无线应用。
ZigBee工作于2.4GHz的免执照频段,可以容纳高达65000个节点。
这些节点的功耗很低,单靠2节5号电池就可以维持工作6~24个月。
ZigBee协议由ZigBee联盟制定,是ZigBee的核心。
目前国外带有ZigBee协议栈的全功能开发系统的价格非常高昂,而且ZigBee/802.15.4协议栈全部只提供二进制/不可修改的目标代码库供用户使用。
ZigBee精简版协议栈代码开放,在某些应用中可以达到标准版协议栈的效果,但是费用却低很多,因此应用十分广泛。
1 ZigBee精简协议栈简介
美国密西西比州立大学的RobertReese教授出于教学、科研目的开发出一套精简版(subset)ZigBee协议栈。
标准协议栈和精简协议栈的功能对比如表1所列,可以看出,精简协议栈实现了ZigBee的主要功能。
国内一些研究机构在此精简协议上进行扩充,实现了一些其原本不具备的功能。
协议栈术语:
IEEEAddress节点的8位802.15.4网络地址,也称为长地址。
NetworkAddress节点的2位网络地址,也称短地址。
PAN个人局域网。
PANID个人局域网标识符。
HAL协议栈物理抽象层。
PHY协议栈物理层。
MAC协议栈媒体访问控制层。
NWK协议栈网络层。
APS协议栈应用支持层。
APL协议栈应用层。
精简协议栈的代码结构如表2所列。
2 ZigBee协议编程
对于实际应用来说,最重要的是协议栈的APL函数。
协议栈的每一层都有自己的有限状态机(FSM)以追踪要进行的操作。
顶层的状态机函数为apsFSM(),这个函数需要最早被调用以使协议栈运行,这与标准栈中的APLTask()函数等价。
所有的应用层函数都以apl或者aps开头,这些函数被分为两类:
一类是对栈内数据的存取函数,一类是数据传输过程触发一系列事件的服务函数(调用)。
这里需要说明的是服务调用不能重叠,这可以通过调用apsBusy()函数进行判断。
表1标准协议栈和精简协议栈的功能对表2精简协议栈的代码结构
2.1 节点程序设计
如果节点作为协调器(coordinator),那么需要定义LRWPAN_COORDINATOR;而如果节点作为路由器(router)则需要定义LRWPAN_ROUTER;如果两者都没有定义,将作为RFD节点。
协调器节点形成网络,然后进入一个无限循环并调用apsFSM()运行协议栈。
调用aplFormNetwork()服务后调用函数aplGetStatus(),如果返回了LRWPAN_SUCCESS则表示服务调用成功。
代码如下:
main()
{
halInit();//初始化HAL层
evbInit();//初始化评估板
aplInit();//初始化协议栈
ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT();//开中断
aplFormNetwork();//形成网络
while(apsBusy)()){apsFSM();}//等待完成
while
(1){apsFSM();}//运行协议栈栈
}
路由器节点通过调用aplJoinNetwork()运行协议栈。
代码如下:
main()
{
halInit();//初始化HAL层
evbInit();//初始化评估板
aplInit();//初始化协议栈
ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT();//开中断尝试接入网络直至成功
do{aplJoinNetwork();//接入网络
while(apsBusy)()){apsFSM();}//等待完成
}while(aplGetStatus()!
=LRWPAN_SUCCESS);
while
(1){apsFSM();}//运行协议栈
}
2.2 发送消息
应用程序通过调用aplSendMSG()函数发送消息包。
此函数的定义如下:
aplSendMSG
(
BYTEdstMode,//目标地址的地址模式
LADDR_UNION*dstADDR,//目的地址的指针
BYTEdstEP,//目标端点(直接消息方式不用)
BYTEcluster,//簇号(仅用于直接消息)
BYTEscrEP,//消息源端点
BYTE*pload,//用户数据缓冲区指针
BYTEplen,//缓冲区字节数
BYTEtsn,//消息的事务队列数
BYTEreqack//如果非0则要求确认
)
消息从源节点的源端点发送到目标节点的目标端点。
消息分直接消息(指定了目标地址)和非直接消息(仅定义了源节点、源端点和簇,没有指定目标地址)。
端点号从1到255由应用程序设置(端点0由栈保留使用)。
消息发送以,协议栈会向父节点路由此消息。
如果收到APS的ack确认,协议栈就会将消息发送给目标端点。
2.3 接收消息
协议栈使用以下APL访问函数接收数据包。
aplGetRxDstEp()返回目的端点
aplGetRxCluster()返回簇号
aplGetRxSrcEp()返回源端点
aplGetRxSADDR()返回源端点的短地址
aplGetRxMsgLen()返回消息长度
aplGetRxMsgData()返回消息数据的指针
aplGetRxRSSI()返回收到消息的信号强度
而后用户回调函数usrRxPacketCallback()将被调用。
这个函数将使用用户数据结构保存数据,设置已收到数据的标志位。
此函数结束后消息数据的指针将会被释放,所以在函数结束之前要将数据保存以防止下一个包将数据覆盖掉。
2.4 编写用户应用程序
编写用户应用程序时,要确定端点的连接方式。
一种简单的方式是RFD节点周期性地向协调器节点返回数据。
这样做比较简单,因为协调器的地址总是0。
图2-2-1 有限状态机状态转移图
表3 APL服务调用表表4 APL/APS访问和功能函数
RFD节点间使用直接方式通信比较困难。
因为RFD节点的短地址是由其接入网络的顺序和深度决定的,事先并不知道。
当然可以在协调器节点上增加程序告知RFD节点它们的地址,但这使复杂程度增加了。
比较好的方式是使用非直接消息方式进行RFD节点间通信。
RFD节点都将消息发送给协调器节点,协调器节点根据绑定表向正确的节点发送数据。
整个程序的运转是靠一个有限状态机维持的。
图1给出了这个状态机的状态转移图。
APL层函数接口对程序设计的十分重要,表3是APL服务,这些函数需要调用apsBusy()确定其是否完成,并且使用aplGetStatus()函数返回状态。
表4是APL/APS访问及功能函数。
第三章温度数据采集节点的设计
1 cc2430核心芯片
图3-1-1芯片CC2430的无线传感器网络节点
图3-1-2CC2430芯片的典型硬件应用电路。
图3-1-3CC2430节点实物
2DS18B20温度传感器
DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。
与传统的热敏电阻相比,他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。
可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量,并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写,温度变换功率来源于数据总线,总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电,而无需额外电源。
因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单,可靠性更高。
他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进,给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。
(1)独特的单线接口方式:
DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
(2)在使用中不需要任何外围元件。
(3)可用数据线供电,电压范围:
+3.0~+5.5V。
(4)测温范围:
-55~+125℃。
固有测温分辨率为0.5℃。
(5)通过编程可实现9~12位的数字读数方式。
(6)用户可自设定非易失性的报警上下限值。
(7)支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在惟一的三线上,实现多点测温。
(8)负压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正常工作。
3节点的温度数据采集
main()
{
unsignedcharTH=110,TL=-20;
unsignedcharw;
SCON=0x40;
TMOD=0x20;
TH1=0xFD;
TL1=0xFD;
TR1=1;
while
(1)
{
pt=ReadTemperature(TH,TL,0x3f);
delay(100);
covert1();
for(w=0;w<7;w++)
{
SBUF=TempBuffer1[w];
while(TI==0);
delay1ms(500);
TI=0;
}
}
}
图3-2-1DS18B20温度传感器原理图
图3-2-2系统模拟数据采样
(1)
图3-2-3系统模拟数据采样
(2)
第四章总结
经过这次课程设计,使我觉得不论从理论知识还是从实际操纵中都学到了不少知识,我想归纳起来,主要有以下四个方面:
1、经过这次课程设计,它让我接触更多平时没有接触过的科学仪器设备、元器件以及获得相关的仪器调试经验,同时我也发现自己在这方面很多不足之处。
体会到理论知识对实践有很大的指导作用,它让我知道,只有在正确的理论指引下,才能设计出合乎实际需要的硬件电路。
2、学会了高效率的查阅资料、运用工具书、利用网络查找资料。
我发现,在我们所使用的书籍上有一些知识在实际应用中其实并不是十分理想,各种参数都需要自己去调整。
偶而还会遇到错误的资料现象,这就要求我们应更加注重实践环节。
3、在课程设计中,我们应当注意重点与细节的关系。
4、失败不可怕,只要不趴下,昂首向前走,希望总会有。
5、同组同学相互包容,彼此合作,取长补短,才能铸就最后的成功。
可以这样说课程设计是对大学近四年所学知识的又一次运用和检阅,同时对自学能力提出很高的要求,所以平时的学习离开思考,就是严重的错误,我们学习不应该有偏科现象,各方面的知识都应该要接触,这样做才能为毕业设计打下基石。
参考文献
《无线传感器网络实验教程》徐勇军北京理工大学出版社
《无线传感网络测量系统》王雪西安交通大学出版社
《无线传感器网络技术与应用》宋文电子工业出版社
《无线传感器简明教程》王雪梅高等教育出版社
《无线网络协议与体系结构》李俊清华大学出版社
《无线传感器理论技术与实践》高立波电子科技大学出版社
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- 关 键 词:
- zigbee 节点 设计