畢業(yè)設(shè)計(jì)低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 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(chǔ)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(dòng)系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等 。 無線傳感器節(jié)點(diǎn)是任意分布在被檢測(cè)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(diǎn)的大體均勻分布；在危險(xiǎn)區(qū)域或者不方便人工埋置的情況下，可以采用飛機(jī)投放，炮彈彈射等方法。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)部署完成后，所有傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建路由信息，以使每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)通訊。在這些節(jié)點(diǎn)中，有少數(shù)幾個(gè)節(jié)點(diǎn) 被稱為基站（ Base Station）或者 Sink 節(jié)點(diǎn)， Sink 節(jié)點(diǎn)起網(wǎng)關(guān)的作用，它將傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的采集數(shù)據(jù)發(fā)送給觀測(cè)者，發(fā)送的方式可以采用 Inter、衛(wèi)星通信等；同時(shí)將觀測(cè)者的控制命令發(fā)送給各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。 Sink 節(jié)點(diǎn)必須在傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍之內(nèi)，用戶的控制終端可以在任何地域范圍內(nèi) 。 基于 ZigBee 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介 [2]標(biāo)準(zhǔn)的 PHY 和 MAC 層再加上 ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用支持層所組成的。其突出的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持極低成本、易實(shí)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(dá)到極低的設(shè)計(jì)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： （ 1） 全功能設(shè)備（ Full Function Device, FFD），可以支持任何一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者和普通協(xié)商者，并且可以和任何一種設(shè)備進(jìn)行通信； （ 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(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)簡單。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 與物理節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，在 網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者，終端節(jié)點(diǎn)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(gè) 64 位的 IEEE 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(biāo)識(shí)符的星型結(jié)構(gòu)，或者源和目標(biāo)標(biāo)識(shí)符的點(diǎn)到點(diǎn)結(jié)構(gòu)（包括了簇樹和 Mesh 網(wǎng)絡(luò)）兩種。 物理層的設(shè)計(jì)是面向低成本和更高層次的集成需求的，對(duì)大部分較低 端的實(shí)現(xiàn)來主，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(cuò)性能； MAC 層的設(shè)計(jì)不但使得多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用變得簡單，可以實(shí)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(chǔ)設(shè)備，從而保證了較長的電池壽命。MAC 還進(jìn)行了特別的設(shè)計(jì)，可以支持極大數(shù)目的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，而不需要對(duì)它們進(jìn)行包裝處理；網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)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(fù)載的條件下可以支持更大數(shù)目的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。 基于 ，必將成為今后無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一大方向。 ZigBee 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) 概述 隨著通信技術(shù)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(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（ Personal Area Network, PAN）和無線個(gè)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(gè)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 Inter。 2021 年 8 月成立的 ZigBee聯(lián)盟就是一個(gè)針對(duì) 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(dòng)化、工業(yè)設(shè)備監(jiān)測(cè)、 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(dāng)中。 ZigBee 聯(lián)盟已于 2021 年 6 月 27 日公布了第一份 ZigBee 規(guī)范 “ ZigBee Specification ” 。這標(biāo)準(zhǔn)定義了在 物理層和標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)是能夠建立基于互操作平臺(tái)和配置文件的可伸縮、低成本嵌入式基礎(chǔ)架構(gòu)。 在 WPAN 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、 ZigBee 路由器和設(shè)備。 PAN黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以看作是一 個(gè) PAN 的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（也即 SINK 節(jié)點(diǎn)）。它是網(wǎng)絡(luò)建立的起點(diǎn)，負(fù)責(zé) PAN 網(wǎng)絡(luò)的初始化，確定 PAN 的 ID 號(hào)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(gè)空間內(nèi)，他有能力允許其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，并分配短地址，當(dāng)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(biāo)幀（ Beacon Frame），必須是全功能設(shè)備（ FFD）。設(shè)備是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的葉結(jié)點(diǎn)，它只能與它的父節(jié)點(diǎn)通信，也沒有加入其他任何節(jié)點(diǎn)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）。 。每一層為上層提供一系列特殊的服務(wù)：數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實(shí)體則提供所有其他的服務(wù)。所有的服務(wù)實(shí)體都通過服務(wù)接入點(diǎn)（ SAP）為上層提供一個(gè)接口，每個(gè) SAP 都支持一定數(shù)量的服務(wù)原語來實(shí)現(xiàn)所需的功能。 應(yīng)用的實(shí)際需要定義 的 。其中， 標(biāo)準(zhǔn)定義了底層：物理層（ Physical Layer， PHY）和媒體訪問控制層（ Medium Access Control SubLayer，MAC）層。 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（ Application Support SubLayer， APS），應(yīng)用架構(gòu)（ Application Framework， AF）， ZigBee設(shè)備對(duì)象（ ZigBee Device Objects， ZDO）以及用戶定義應(yīng)用對(duì)象。 工作在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ ISM）頻段，定義了兩個(gè)物理層，分別工作在兩個(gè)頻段上： 868/915MHz 和 。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。 MAC 層采用 CSMACA 機(jī)制來控制信道接入，主要負(fù)責(zé)傳輸信標(biāo)幀，同步以及提供可依賴的傳輸機(jī)制。相關(guān)內(nèi)容將在以下的小節(jié)中具體介紹。 網(wǎng)絡(luò)層和的主要職責(zé)包括提供設(shè)備用來加入網(wǎng)絡(luò)和離開網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制，提供數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)陌踩珯C(jī)制和路由機(jī)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(chǔ)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(fù)責(zé)啟動(dòng)一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，給新的關(guān)聯(lián)設(shè)備分配地址等工作。 ， AF， ZDO 以及用戶定義應(yīng)用對(duì)象。應(yīng)用支持子層（ APS）子層負(fù)責(zé)維護(hù)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(chǔ)存相關(guān)設(shè)備信息的。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 ZigBee 設(shè)備對(duì)象（ ZDO）負(fù)責(zé)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(qǐng)求，以及建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的安全關(guān)系。 ZigBee 設(shè)備對(duì)象（ ZDO）還要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)現(xiàn)及判定對(duì)方提供哪類服務(wù)。 本文主要內(nèi)容 本文的主要工作就是對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 低功耗 技術(shù)進(jìn)行分析，掌握 其最佳低功耗的方案 ；對(duì) 低功耗 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各層協(xié)議進(jìn)行 學(xué)習(xí)、 分析，找到制約其應(yīng)用的難點(diǎn)；重點(diǎn)對(duì)目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò) MAC 層協(xié)議的主流標(biāo)準(zhǔn) 進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合 TI公司的 CC2520 芯片和 MSP430系列低功耗芯片，來實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低功耗。 本文結(jié)構(gòu)安排 本文的工作是圍繞著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能 、低功耗 技術(shù)這一熱點(diǎn)問題進(jìn)行的。 本 文的 設(shè)計(jì)安排 安排如下： 第一章為緒論。簡要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀和應(yīng)用 ， 同時(shí)簡要介紹了基于 ，并指出了本文的 技術(shù) 內(nèi)容 ，即實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低功耗 。 第二章主要介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 的 技術(shù)特點(diǎn)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)相關(guān) 技術(shù)說明 ， 并且要 較為全面地介紹 ，主要描述其 標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)接入點(diǎn)、原語等基本概念以及對(duì) 低功耗 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗特點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)比現(xiàn)有的節(jié)能技術(shù) ，并提出整體的方案。 第 三 章是本文的核心。在這里 給出了整體的硬件電路設(shè)計(jì)思路，并且對(duì)電路的各個(gè)部分進(jìn)行分析與解釋。 第 四 章 敘述程序的編程方案，給出程序的框架結(jié)構(gòu)圖并 對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)以后的 設(shè)計(jì) 工作進(jìn)行展望。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 第 2 章 整體方案分析 整體方案確定 針對(duì) 本設(shè)計(jì)的 整體方案 分析如下： （ 1）數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x主要由射頻芯片決定，因此，需要選擇一款通信距離大于 50 米且功耗較低的 信號(hào) 射頻 收發(fā) 芯片。正常情況下傳感器節(jié)點(diǎn)間距離為50~100 米左右 比較適宜，而環(huán)境的不同將導(dǎo)致傳輸距離的不同，發(fā)射功率減小、溫度過低、障礙物等都將減小傳輸距離，低功耗設(shè)置下 50 米范圍正常情況可以達(dá)到。 （ 2）在選擇芯片時(shí)應(yīng)考慮到射頻芯片的發(fā)送電流與接收電流，不能超過技術(shù)指標(biāo)，例如 CC2520 的接收電流在功率 50dBm 時(shí) 為 ，可以作為備選芯片。 （ 3）普通的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電壓多為 5V 或 ，然而電壓高低影響著傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗，因此在芯片選擇時(shí)要注意選擇供電電壓低的芯片以減小功耗。 結(jié)合以上幾點(diǎn)，本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖 所示 圖 低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作過程結(jié)構(gòu)示意圖 首先電池模塊對(duì)串口單元、傳感器模塊、處理器模塊和無線射頻收發(fā)模塊進(jìn)行供電。傳感器模塊進(jìn)行信息的采集，之后傳送給處理器模塊，隨后處理器模塊處理采集的信息，與此同時(shí)處理器模塊也把信息發(fā)給無線射頻收發(fā)模塊進(jìn)行發(fā)射電源模塊 傳感器模塊 無線射頻收發(fā)模塊 串口單元 處理器模 塊 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 無線信號(hào)。當(dāng)然無線射頻收發(fā)模塊也可以接收外部信號(hào)，通過處理模塊 的處理再把信號(hào)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的其他節(jié)點(diǎn)或者用戶終端進(jìn)行處理和顯示。 低功耗的方案對(duì)比和選擇 通過對(duì)本設(shè)計(jì)初期理解，實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低功耗，本設(shè)計(jì)需要一個(gè)處理器，一個(gè)信號(hào)收發(fā)芯片和多點(diǎn)通訊協(xié)議。因此我需要對(duì)這三方進(jìn)行對(duì)比、選擇。 處理器的對(duì)比和選擇 51 系列單片機(jī)的特點(diǎn) 51單片機(jī)是單片機(jī)中的一種，單片機(jī)（ singlechip microputer）是一塊集成芯片，但不是一塊實(shí)現(xiàn)某一個(gè)邏輯作用的芯片，而是在這塊芯片當(dāng)中，集成了一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。如中央處理器（ CPU）、存儲(chǔ)器（ ROM,RAM）、 I/O 接口、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等。中央處理器是單片機(jī)的核心單元，他由運(yùn)算器和控制器組成，他的主要作用是實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、和控制。 其特 點(diǎn)有： 有優(yōu)異的性價(jià)比 、 集成度高、體積小、有很高的可靠性 、 控制作用強(qiáng) 、 擴(kuò)展性能好，非常容易構(gòu)成各種應(yīng)用系統(tǒng)。 MSP430系列芯片的特點(diǎn) TI 公司的 MSP430 系列芯片其工作電壓范圍為 ~，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 ~400μ A，可以獲得很低的功耗。從休眠到正常工作整個(gè)喚醒時(shí)間只需 6μ s，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(jìn)行的簡單的數(shù)字濾波等數(shù)據(jù)分析處理，具有 60K 程序儲(chǔ)存器和 2K 數(shù)據(jù)儲(chǔ)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(diǎn)。利用 MSP430 系列芯片的片內(nèi)資源，使節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的可靠性和性價(jià)比。 依據(jù)以前兩種處理器的對(duì)比和分析，本設(shè)計(jì)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(diǎn)的處理芯片。 信號(hào)收發(fā)芯片的選擇 從上節(jié)得到的分析結(jié)果，我發(fā)現(xiàn)了 TI 公司的 CC2520射頻信號(hào)收發(fā)芯片。 該芯片專門用于企業(yè)、科學(xué)研究所與醫(yī)療部門的 非正式頻率寬度所用。 它具有當(dāng)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(diǎn)，其產(chǎn)品目標(biāo)在于滿足各種應(yīng)用中 ZigBee/IEEE ，這包括工業(yè)監(jiān)控、家庭與樓宇自動(dòng)化、機(jī)頂盒、遠(yuǎn)程控制以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 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(rèn)證、空閑通道評(píng)估、鏈接質(zhì)量指示以及數(shù)據(jù)包計(jì)時(shí)信息等，從而降低了主機(jī)控制器上的負(fù)載。而 MSP430 MCU系列產(chǎn)品具備各種高集成度外設(shè)，如動(dòng)態(tài)存 儲(chǔ)器存取