課程設(shè)計-低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

1、<p><b>　　無線組網(wǎng)技術(shù)</b></p><p>　　低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計</p><p>　　院系： 電子信息學院 </p><p><b>　　引言</b></p><p><b>　　1.1 概述</b></p><p&g

2、t;　　信息技術(shù)的不斷進步使越來越多的隨身電子設(shè)備和信息家電出現(xiàn)在人們的日常生活中。 這些設(shè)備給人們的生活帶來便利，但凌亂的線纜和頻繁的插拔也造成了諸多的使用不便。 為了擺脫物理連接上的限制，使各種設(shè)備能夠自由地互聯(lián)、 隨時隨地地接入網(wǎng)絡(luò)，人們不斷探索新的短距離無線通信技術(shù) 。常見的短距離無線通信技術(shù)包括紅外、Wi-Fi、藍牙、UWB和 ZigBee 等，它們的技術(shù)特點各有不同，但尚沒有一種技術(shù)可以滿足所有的應(yīng)用需求。 其中，藍牙和Zi

3、gBee 都是針對低功耗應(yīng)用提出的無線通信協(xié)議。但到目前為止，它們還難以支持電池供電的設(shè)備工作數(shù)年，低功耗性能不盡如意。</p><p>　　本設(shè)計應(yīng)用MSP430系列低功耗處理芯片和CC2520射頻信號收發(fā)芯片這兩種芯片，通過其外圍電路的設(shè)計，并使用ZigBee來編寫通訊協(xié)議，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的低功耗。做到在特殊環(huán)境下的溫度采集，以及信號在個節(jié)點之間的傳播。</p><p>　　1

4、.2無線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)</p><p>　　1.2.1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng) Ad hoc網(wǎng)絡(luò)相比有一些獨有的特點，正是由于這些特點使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在很多新問題， 提出了很多新的挑戰(zhàn)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要有五個特點：</p><p>　　（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)量大、密度高。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的微型化

5、，每個節(jié)點的通信和傳感半徑很有限，一般為十幾米范圍之內(nèi)，而且為了節(jié)能，傳感器節(jié)點大部分時間處于睡眠狀態(tài)，所以往往通過鋪設(shè)大量的傳感器節(jié)點來保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)量和密度都要比 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)高幾個數(shù)量級， 可能達到每平方米上百個節(jié)點的密度， 甚至多到無法為單個節(jié)點分配統(tǒng)一的物理地址。 這會帶來一系列問題， 如信號沖突、 信息的有效傳送路徑的選擇、大量節(jié)點之間如何協(xié)同工作等。</p><p>　?。?/p>

6、2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點有一定的故障率。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能工作在惡劣的外界環(huán)境之中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可能會由于各種不可預(yù)料的原因而失效， 為了保證網(wǎng)絡(luò)的正常工作， 要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須設(shè)計成具有一定的容錯能力，允許傳感器節(jié)點具有一定的故障率。（3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在電池能量、計算能力和存儲容量等方面有限制。由于傳感器節(jié)點微型化， 節(jié)點的電池能量有限， 而且由于物理限制難以給節(jié)點更換電池， 所以傳感器節(jié)點的電池能量限制是整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

7、設(shè)計最關(guān)鍵的約束之一， 它直接決定了網(wǎng)絡(luò)的工作壽命。 另一方面， 傳感器節(jié)點的計算和存儲能力有限，使得其不能進行復(fù)雜的計算，傳統(tǒng) Internet網(wǎng)絡(luò)上成熟的協(xié)議和算法對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而方開銷太大， 難以使用， 必須重新設(shè)計簡單有效的協(xié)議及算法。</p><p>　　（ 4）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)變化很快。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的特點， 傳感器節(jié)點在工作和睡眠狀態(tài)之間切換以及傳感器節(jié)點隨時可能由于各種原因發(fā)生故

8、障而失效， 或者有新的傳感器節(jié)點補充進來以提高網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量， 這些特點都使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)變化很快， 這對網(wǎng)絡(luò)各種算法 （如路由算法和鏈路質(zhì)量控制協(xié)議等）的有效性提出了挑戰(zhàn)。此外，如果節(jié)點具備移動能力，也有可能帶來網(wǎng)絡(luò)的拓撲變化。</p><p>　?。?）以數(shù)據(jù)為中心（ Data Centric）。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中人們只關(guān)心某個區(qū)域的某個觀測指標的值，而且是不會去關(guān)心具體某個節(jié)點的觀測數(shù)據(jù)，比如說人們

9、可能希望知道“檢測區(qū)域的東北角上的溫度是多少”，而不會關(guān)心“節(jié)點8所探測到的溫度值是多少”。這就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的以數(shù)據(jù)為中心的特點。而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)是和節(jié)點的物理地址聯(lián)系起來的， 以數(shù)據(jù)為中心的特點要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠脫離傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的尋址過程， 快速有效的組織起各個節(jié)點的信息并融合提取出有用信息直接傳送給用戶。</p><p>　　1.2.2.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)</p><p&

10、gt;　　傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般由四個部分組成： 傳感單元（由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成）、處理單元（由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括 CPU、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)等）、 通信單元（由無線通信模塊組成）、以及電源部分此外，可以選擇的其它功能單元包括：定位系統(tǒng)、移動系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等。無線傳感器節(jié)點是任意分布在被檢測區(qū)域的，一般環(huán)境中采用人工埋置方法， 這樣可以保證節(jié)點的大體均勻分布； 在危險區(qū)域或者不方便人工埋置的情況下， 可以采用飛機投放

11、，炮彈彈射等方法。當傳感器節(jié)點部署完成后，所有傳感器節(jié)點以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)， 在每個節(jié)點構(gòu)建路由信息， 以使每個節(jié)點都可以與網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點通訊。在這些節(jié)點中，有少數(shù)幾個節(jié)點被稱為基站 （BaseStation）或者 Sink 節(jié)點， Sink 節(jié)點起網(wǎng)關(guān)的作用，它將傳感器節(jié)點發(fā)送來的采集數(shù)據(jù)發(fā)送給觀測者，發(fā)送的方式可以采用 Internet、衛(wèi)星通信等；同時將觀測者的控制命令發(fā)送給各個傳感器節(jié)點。 Sink 節(jié)點必須在傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆

12、蓋范圍之內(nèi)，用戶的控制終端可以在任何地域范圍內(nèi)。</p><p>　　1.3 基于 IEEE802.15.4/ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介及協(xié)議標準</p><p>　　1.3.1 ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介</p><p>　　IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議是由 IEEE802.15.4-2003標準的 PHY 和 MAC 層再加上 ZigB

13、ee 的網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用支持層所組成的。其突出的特點是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持極低成本、 易實現(xiàn)、 可靠的數(shù)據(jù)傳輸、 短距離操作、 極低功耗、 各層次的安全性等。為了達到極低的設(shè)計成本和極低的功率消耗， 協(xié)議定義了兩種相互配合使用的物理設(shè)備，全功能設(shè)備和消減功能設(shè)備：</p><p>　?。?）全功能設(shè)備（Full Function Device, FFD ），可以支持任何一種拓撲結(jié)構(gòu)，可以作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者和普通協(xié)商者，并且可以和任

14、何一種設(shè)備進行通信；</p><p>　　（2）消減功能設(shè)備（Reduced Function Device, RFD），只支持星型結(jié)構(gòu)，不能成為任何協(xié)商者， 可以和網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者進行通信， 實現(xiàn)簡單的與物理節(jié)點相對應(yīng)，在 IEEE802.15.4/ZigBee 網(wǎng)絡(luò)需要至少一個全功能設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者，終端節(jié)點一般使用消減功能設(shè)備來降低系統(tǒng)成本和功耗，提高電池使用壽命。 另外所有設(shè)備必須使用一個 64 位的 IEE

15、E 地址；可以使用 16 位短地址來減少數(shù)據(jù)包大小； 尋址模式可以為網(wǎng)絡(luò)加設(shè)備標識符的星型結(jié)構(gòu)，或者源和目標標識符的點到點結(jié)構(gòu)（包括了簇樹和 Mesh 網(wǎng)絡(luò)）兩種。</p><p>　　物理層的設(shè)計是面向低成本和更高層次的集成需求的， 對大部分較低端的實現(xiàn)來說，直接序列（ Direct Sequence ）的應(yīng)用使用模擬電路變得非常簡單，具有更高的容錯性能； MAC 層的設(shè)計不但使得多種拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用變得簡單

16、，可以實現(xiàn)非常有效的功耗管理，而不需要在很多管理模式之間的切換。 MAC 層可以使用一種消減功能設(shè)備 （Reduced Functional Device），由于其結(jié)構(gòu)簡單，不需要大量的 Flash、ROM 和 RAM 等存儲設(shè)備，從而保證了較長的電池壽命。MAC還進行了特別的設(shè)計，可以支持極大數(shù)目的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，而不需要對它們進行包裝處理； 網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計支持網(wǎng)絡(luò)規(guī)模在空間上增長而不需要使用高功耗的中繼器，而且網(wǎng)絡(luò)層在較少網(wǎng)絡(luò)負載的條件下可

17、以支持更大數(shù)目的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。</p><p>　　基于IEEE802.15.4/ZigBee 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其突出的特點和應(yīng)用前景，必將成為今后無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一大方向。</p><p>　　1.3.2 ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議標準</p><p><b>　　1.概述</b></p><p>　　隨著通信技術(shù)

18、的迅速發(fā)展，人們提出了在自身附近幾米范圍內(nèi)通信的要求，這樣就出現(xiàn)了個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò) （ Personal Area Network, PAN） 和無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（ Wireless Personal Area Network, WPAN）的概念。WPAN 網(wǎng)絡(luò)為近距離范圍內(nèi)的設(shè)備建立無線連接，把幾米到幾十米范圍內(nèi)的多個設(shè)備通過無線方式連接在一起， 使他們可以相互通信甚至接入 LAN 或者 Internet。2001年 8月成立的 ZigB

19、ee聯(lián)盟就是一個針對 WPAN 網(wǎng)絡(luò)而成立的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。該聯(lián)盟致力于近距離、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。他們開發(fā)的技術(shù)被稱為 ZigBee技術(shù)，該技術(shù)希望被部署到商用電子、住宅及建筑自動化、工業(yè)設(shè)備監(jiān)測、 PC外設(shè)、醫(yī)療傳感設(shè)備、玩具以及游戲等其他無線傳感和控制領(lǐng)域當中。</p><p>　　ZigBee 聯(lián)盟已于 2005 年 6 月27 日公布了第一份 ZigBee 規(guī)范“ZigBeeSpeci

20、fication V1.0” 。這標準定義了在 IEEE802.15.4-2003物理層和標準媒體接入控制層上的網(wǎng)絡(luò)層及支持的應(yīng)用的服務(wù)。 ZigBee 聯(lián)盟的長期目標是能夠建立基于互操作平臺和配置文件的可伸縮、低成本嵌入式基礎(chǔ)架構(gòu)。</p><p>　　在 W-PAN 中有三種網(wǎng)絡(luò)角色： PAN 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和設(shè)備。這三種角色在IEEE802.15.4/ZigBee規(guī)范中分別對應(yīng) ZigBee協(xié)調(diào)器、 ZigBe

21、e路由器和設(shè)備。PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以看作是一個 PAN 的網(wǎng)關(guān)節(jié)點（也即 SINK 節(jié)點）。它是網(wǎng)絡(luò)建立的起點， 負責 PAN 網(wǎng)絡(luò)的初始化， 確定 PAN 的 ID 號和 PAN 操作的物理信道并統(tǒng)籌短地址分配。 協(xié)調(diào)器在加入網(wǎng)絡(luò)之后獲得一定的短地址空間。這個空間內(nèi)，他有能力允許其他節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)， 并分配短地址， 當然協(xié)調(diào)器還具備路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。 PAN 協(xié)調(diào)器和協(xié)調(diào)器周期發(fā)出信標幀 （Beacon Frame） ，必須是全功能

22、設(shè)備（FFD）。設(shè)備是整個網(wǎng)絡(luò)的葉結(jié)點，它只能與它的父節(jié)點通信，也沒有加入其他任何節(jié)點的能力。設(shè)備可以是全功能設(shè)備（ FFD）或縮減功能設(shè)備（RFD）。</p><p>　　2. IEEE802.15.4/ZigBee 協(xié)議框架</p><p>　　IEEE802.15.4/ZigBee 標準采用分層結(jié)構(gòu)。每一層為上層提供一系列特殊的服務(wù)： 數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)， 管理實體則提供所有其

23、他的服務(wù)。所有的服務(wù)實體都通過服務(wù)接入點（SAP）為上層提供一個接口，每個 SAP 都支持一定數(shù)量的服務(wù)原語來實現(xiàn)所需的功能。</p><p>　　IEEE802.15.4/ZigBee 標準堆棧架構(gòu)是在 OSI 七層模型的基礎(chǔ)上根據(jù)市場應(yīng)用的實際需要定義的。其中， IEEE8021.5.4-2003 標準定義了底層：物理層（ Physical Layer， PHY）和媒體訪問控制層（ Medium Access

24、 Control Sub-Layer， MAC ）。 ZigBee 聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層（ Network Layer， NWK ），應(yīng)用層（ Application Layer， APL）架構(gòu)。其中應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層（ ApplicationSupport Sub-Layer， APS），應(yīng)用架構(gòu)（Application Framework， AF）， ZigBee設(shè)備對象（ZigBee Device Objects， ZD

25、O）以及用戶定義應(yīng)用對象。</p><p>　　IEEE802.15.4-2003工作在工業(yè)科學醫(yī)療（ ISM）頻段，定義了兩個物理層，分別工作在兩個頻段上： 868/915MHz 和 2.4GHz。其中低頻段物理層覆蓋了868MHz 的歐洲頻段和 915MHz 的美國與澳大利亞等國的頻段。高頻段則全球通用。IEEE802.15.4-2003 MAC 層采用 CSMA-CA 機制來控制信道接入，主要負責傳輸信標幀

26、，同步以及提供可依賴的傳輸機制。網(wǎng)絡(luò)層的主要職責包括提供設(shè)備用來加入網(wǎng)絡(luò)和離開網(wǎng)絡(luò)的機制，提供數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)陌踩珯C制和路由機制。另外，發(fā)現(xiàn)并保持設(shè)備間的路由，發(fā)現(xiàn)一跳鄰居并存儲潛在鄰居信息也是由網(wǎng)絡(luò)層（ NWK ）完成的。 ZigBee 協(xié)調(diào)器的 NWK層還必須負責啟動一個新的網(wǎng)絡(luò)，給新的關(guān)聯(lián)設(shè)備分配地址等工作。</p><p>　　IEEE802.15.4/ZigBee應(yīng)用層包括 APS，AF，ZDO 以及用戶定

27、義應(yīng)用對象。應(yīng)用支持子層（APS）子層負責維護綁定表，以及傳輸在綁定的設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù)。設(shè)備綁定表用于根據(jù)設(shè)備間提供服務(wù)的要求來匹配設(shè)備并儲存相關(guān)設(shè)備信息的。ZigBee設(shè)備對象（ZDO）負責定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色（如 ZigBee協(xié)調(diào)器中斷設(shè)備），提出或響應(yīng)綁定請求，以及建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的安全關(guān)系。 ZigBee 設(shè)備對象（ZDO）還要負責網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)現(xiàn)及判定對方提供哪類服務(wù)。</p><p><b>　

28、　整體方案</b></p><p>　　2.1 本設(shè)計的結(jié)構(gòu)</p><p>　　低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作過程結(jié)構(gòu)示意圖</p><p><b>　　處理器的對比和選擇</b></p><p>　　1、51系列單片機的特點 </p><p>　　51單片機是單片機中的一種，單

29、片機是一塊集成芯片，但不是一塊實現(xiàn)某一個邏輯作用的芯片，而是在這塊芯片當中，集成了一個計算機系統(tǒng)。如中央處理器（CPU）、存儲器（ROM,RAM）、I/O接口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等。中央處理器是單片機的核心單元，他由運算器和控制器組成，他的主要作用是實現(xiàn)算術(shù)運算、邏輯運算、和控制。其特點有：有優(yōu)異的性價比、集成度高、體積小、有很高的可靠性、控制作用強、擴展性能好，非常容易構(gòu)成各種應(yīng)用系統(tǒng)。   

30、60; </p><p>　　2、MSP430系列芯片的特點 </p><p>　　TI公司的MSP430系列芯片其工作電壓范圍為1.8~3.6V，它具有五種節(jié)電工作模式，在不同的模式下消耗的電流在0.1~400μA，可以獲得很低的功耗。從休眠到正常工作整個喚醒時間只需6μs，反應(yīng)速度快。它內(nèi)部集成了A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。具有保持電路，具有硬件乘法器可以進行的簡單的數(shù)字

31、濾波等數(shù)據(jù)分析處理，具有60KB程序儲存器和2KB數(shù)據(jù)儲存器，可以保存一定數(shù)據(jù)，非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。利用MSP430系列芯片的片內(nèi)資源，使節(jié)點不僅具有較完善的功能，還可化簡系統(tǒng)硬件電路，降低功耗和體積，大大提高節(jié)點的可靠性和性價比。 </p><p>　　依據(jù)以前兩種處理器的對比和分析，本設(shè)計很容易的就可以確定使用MSP430系列的芯片作為低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的處理芯片</p>

32、<p><b>　　信號收發(fā)芯片的選擇</b></p><p>　　本設(shè)計使用了TI公司的CC2520射頻信號收發(fā)芯片。該芯片專門用于企業(yè)、科學研究所與醫(yī)療部門的2.4GHz非正式頻率寬度所用。它具有當今業(yè)界最佳的選擇性、共存性及優(yōu)異的鏈路預(yù)算功能特點，其產(chǎn)品目標在于滿足各種應(yīng)用中ZigBee/IEEE 802.15.4同專有無線系統(tǒng)的要求，這包括工業(yè)監(jiān)控、家庭與樓宇自

33、動化、機頂盒、遠程控制以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。  </p><p>　　CC2520芯片能與諸如TI MSP430超低功耗MCU等微控制器以及一些額外無源組件協(xié)同工作。CC2520產(chǎn)品為各種應(yīng)用提供了廣泛的硬件支持，包括數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)傳輸、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)認證、空閑通道評估、鏈接質(zhì)量指示以及數(shù)據(jù)包計時信息等，從而降低了主機控制器上的負載。而MSP430 MCU系列產(chǎn)品

34、具備各種高集成度外設(shè)，如動態(tài)存儲器存取(DMA)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)品能夠在實現(xiàn)高性能的同時，確保功耗很低，因此CC2520芯片對于基于ZigBee的應(yīng)用而言是完美選擇。 </p><p>　　2.4 通訊協(xié)議的選擇</p><p>　　在前面的章節(jié)中，提到了ZigBee這種通訊協(xié)議，為什么本設(shè)計要使用ZigBee通訊協(xié)議，其選擇的重點有以下幾點：&#

35、160;</p><p>　?。?）省電：由于工作周期很短、收發(fā)信息功耗較低、并且采用了休眠模式，ZigBee技術(shù)可以確保兩節(jié)五號電池支持長達6個月到2年左右的使用時，當然不同的應(yīng)用功耗是不同的;   </p><p>　?。?）可靠：采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸

36、機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息; </p><p>　　（3）成本低：模塊的初始成本估計在6美元左右，很快就能降到1.5美元到2.5美元之間，且ZigBee協(xié)議是免專利費的; </p><p>　?。?）時延短：針對時延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設(shè)備搜索時延典型值為30ms，休眠激活時延典型值是15ms，活動設(shè)備信道接

37、入時延為15ms; </p><p>　　（5）網(wǎng)絡(luò)容量大：一個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254 個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò); </p><p>　?。?）安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。</p><

38、p>　　3.硬件電路及軟件設(shè)計</p><p>　　3.1MSP430系列芯片具體型號的確定</p><p>　　MSP430F149單片機是該系列中典型的一款處理器，采用16位RISC結(jié)構(gòu)，豐富的尋址方式、簡潔的內(nèi)核指令、較高的處理速度、大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器使之具有強大的處理能力，豐富的片內(nèi)外設(shè)可使整個電路變得異常簡化，減少了節(jié)點的功耗和體積。另外，MSP430F149的

39、運行環(huán)境溫度范圍為-40~+85℃，可以適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，也非常適合于傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用</p><p>　　如圖所示，430芯片的1腳與64接3.3V的電壓給芯片提供電壓，與地之間并聯(lián)100uF和104的電容進行濾波，提供穩(wěn)定的電壓輸入。8腳與9腳接一個32768的晶振，可由軟件選作各個外圍模塊的時鐘信號，一般用于低速外設(shè)。52和53腳接一個8M的晶振作為系統(tǒng)主時鐘，主要用于CPU和系統(tǒng)。芯片內(nèi)部有個DCO振蕩

40、器。MSP430共有3個振蕩器。RST復(fù)位端低電平有效，按鍵按下產(chǎn)生低電平，芯片進行復(fù)位。</p><p>　　MSP430最小系統(tǒng)電路的硬件設(shè)計</p><p>　　3.2 CC2520射頻收發(fā)芯片典型應(yīng)用電路</p><p>　　射頻收發(fā)電路采用CC2520 芯片構(gòu)成。CC2520是德州儀器（T I）推出的2.4 GH z

41、免授權(quán)ISM 頻帶專用的第二代ZigBee / IEEE 802.15.4無線射頻收發(fā)器，它提供了選擇性/共存性和優(yōu)異的鏈路預(yù)算，專門支持各種ZigBee / IEEE 802.15.4及其專屬無線系統(tǒng)，適合工業(yè)監(jiān)視與控制、家庭與大樓自動化、機頂盒、遙控和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。射頻收發(fā)外圍電路原理圖如圖所示。在射頻收發(fā)電路中，VCC _EM 輸入1.

42、 8 V 到3. 8 V的電源電壓。CC2520典型應(yīng)用電路中的不平衡變壓器由兩條傳輸線（TLIN inductor）和一些分立元件組成，這種連接具有50Ω的天線負載，在典型應(yīng)用電路中還添加了一個由一條傳輸線和C137、C174 組成的低通濾波器，以便加強對二次諧波的抑制。這些元器件的使用，使得CC2520芯片發(fā)揮了其絕佳的精準度，讓本設(shè)計更加的完美和實用</p

43、><p>　　3.3數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計</p><p>　　該模塊主要完成對環(huán)境溫度數(shù)據(jù)的采集，采用的溫度傳感器是DALLAS公司的可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器DS18B20，獨特的單線接口方式使DS18B20在與微處理器連接時儀需一條口線，即町實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信，節(jié)約I／O口，測溫范圍為-55℃~+125℃，固有測溫分辨率為0.0625℃，工作電源為3 V一5 V直流電，測量結(jié)果以

44、9位一12位數(shù)字量方式串行傳送。在使甩中無需任何外圍元件，因此，可簡化節(jié)點的硬件設(shè)計，減小節(jié)點體積，提高可靠性，降低能耗。</p><p>　　3.4 電源模塊設(shè)計</p><p>　　節(jié)點的核心控制芯片CC2520工作電壓為2 V一3.6 V，推薦工作電壓3.3 V，溫度傳感器的工作電壓時3 V一5 V。采用2節(jié)干電池供電，電源管理芯片是TI最新的低功耗3.3 V穩(wěn)壓芯片TPS60211

45、，它的輸入電壓范圍為1.8 V一3.6 V。因此，采用2節(jié)干電池供電完全滿足需要，提供2種工作模式：睡眠模式，正常模式。2種工作模式可以通過編程控制。而且具有電壓自檢測報警功能。</p><p>　　3.5 軟件設(shè)計流程</p><p>　　3.5.1 主程序流程圖</p><p>　　本設(shè)計重點在于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗，因此，在流程圖中適當?shù)谋憩F(xiàn)出 MCU 與無

46、線模塊的休眠與啟動，是本設(shè)計的硬件低功耗的一大特點，只有在硬件應(yīng)用時才會啟動，其他時間里都是出于休眠狀態(tài)。</p><p>　　3.5.2讀取數(shù)據(jù)子程序設(shè)計</p><p>　　讀取傳感器數(shù)據(jù)程序需要完成器件的初始化和當采集外部環(huán)境變量送MCU處理等功能。讀取數(shù)據(jù)程序的流程圖如圖</p><p>　　程序開始后，首先初始化各I/O和各外部器件。然后開始調(diào)用讀傳感器程

47、序，之后通過讀子函數(shù)傳回的值判斷是否溫度數(shù)據(jù)傳送完畢，開啟無線傳感模塊和MCU。將讀回并運算后的數(shù)據(jù)經(jīng) ZigBee 芯片 RF 部分發(fā)送出去。然后在調(diào)用讀取子函數(shù)繼續(xù)讀取下一幀數(shù)據(jù)。</p><p>　　3.5.3發(fā)送子程序設(shè)計</p><p>　　發(fā)射子程序的設(shè)計主要依靠通過 ZigBee芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)收發(fā)器將數(shù)據(jù)發(fā)射出去，發(fā)射子程序主要完成以下任務(wù)：第一，完成 MCU 對外圍傳感器的

48、電參量的采集以及處理；第二，完成 MCU 與 ZigBeeRF 射頻模塊的實時通信；第三，始終使讀取溫度數(shù)據(jù)程序入口DS18B20 初始化采集完畢MCU 、無線模塊啟動送給 MCU 處理返回是否能發(fā)射數(shù)據(jù)。程序設(shè)計流程如圖所示。在編寫發(fā)射模塊軟件時，應(yīng)注意讀DS18B20的速度，讀DS18B20 的速度為 100ms 左右，這就導致發(fā)射的數(shù)據(jù)不能連續(xù)，這個問題可以通過定時器解決，設(shè)定定時器0中斷在一定的時間間隔內(nèi)去讀 DS18B20傳感

49、器，這樣既減少了一定的數(shù)據(jù)延時， 也使接收實時數(shù)據(jù)的效率打打提高，還有一個最重要的問題就是一個發(fā)射模塊使用一個發(fā)射芯片，也就是一個單片機，怎樣實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)和從別的節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)同時傳送，通過具體 調(diào)試 ，可以利用在讀出的DS18B20 溫度數(shù)據(jù)中加入一個標志位，這樣接收時候就避免了將兩組數(shù)據(jù)混淆的結(jié)果。</p><p>　　3.5.3 數(shù)據(jù)接收程序</p><p>　　接收模塊的 MCU

50、 主要承擔以下任務(wù)是實現(xiàn) MCU 與 RF 射頻模塊的通信，使能內(nèi)部接收寄存器實時進行接收。程序流程圖如圖所示。以下是接收程序的軟件流程圖，這里需要注意幾個問題， 上面已經(jīng)說到假如發(fā)射的數(shù)據(jù)的時間間隔不是一定的，那么接收到的數(shù)據(jù)的時間間隔也不是一定的，這樣就使送顯示的時候產(chǎn)生了一些問題，第一、接收到的數(shù)據(jù)頻率不一定；第二、上圖已經(jīng)提到，接收到的數(shù)據(jù)中帶標志位的溫度數(shù)據(jù)在子程序中將會被無線收發(fā)模塊休眠程序入口無線收發(fā)模塊啟動將數(shù)據(jù)寫入寄存

51、器，使能發(fā)射MCU 判斷，而另一個數(shù)據(jù)將會直接送到發(fā)送模塊發(fā)送出去，這樣就導致了兩個數(shù)據(jù)顯示不同步；解決方法就是定時讀取 RF 射頻模塊中的接收數(shù)據(jù)寄存器，在定時器中斷當中設(shè)置一個變量， 擬定一個具體的時間間隔，定時讀取，而這個時間間隔大了會導致程序卡死。</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)在社會的應(yīng)用越來越大，而且對無