【正文】 無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù) MCU、無線模塊休眠 結(jié)束 是 否 是 是 否 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 16 本設(shè)計重點(diǎn)在于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗，因此，在流程圖中適當(dāng)?shù)谋憩F(xiàn)出 MCU 與無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(diǎn)，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)。系統(tǒng) 軟件 能否正?？煽康毓ぷ?，除了硬件的合理設(shè)計外，與功能完善的軟件設(shè)計 密不可分 。選用 DS18B20為溫度傳感器的電路十分簡潔， 9位溫度信號經(jīng)一條總線，直接傳遞給單片機(jī)進(jìn)行處理（ DS18B20的 DQ 與 MSP430F2618的 ） 。 DVDD8VREG_EN26SO1SI2CS_N3SCLK28GPIO54GPIO45GPIO36GPIO27GPIO19GPIO010RESET_N25GND29CC2520AVDD511AVDD314AVDD216AVDD120AVDD422AVDD_GUARD24RF_P17NC15NC21DCOUPL27XOSC_Q113XOSC_Q212RBIAS23NC18RF_N19GND56KR3C7C982pFC5C639pFC4C1027pFC1127pFC1212Y332MGNDGND1pFC8GND GNDE2AntennaVCC1nH L11nH L21nH L3100nFC13100nFC14100nFC15GNDGNDGND1uFC16GND400R250R7 圖 CC2520 射頻收發(fā)芯片外圍電路原理圖 電源升壓電路以及溫度傳感電路 隨著現(xiàn)在社會的不斷發(fā)展，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的要求也越來越多，無論是壽命，其精準(zhǔn)度，甚至對于體積也有了越來越高的要求，希望無線傳感器網(wǎng)絡(luò)黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 14 節(jié)點(diǎn)在體積上越小越好，而對于本來就不算大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來說，一塊電池所占的體積就已經(jīng)不小了，因此本設(shè)計要設(shè)計一個升壓電路，使得一節(jié) 干電池能夠提供 3V 的電壓，來驅(qū)動節(jié)點(diǎn)內(nèi)各個芯片能正常工作。在射頻收發(fā)電路中， VCC _EM 輸入 1. 8 V 到 3. 8 V 電源電壓。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時 , 用中斷請求將它喚醒只要用 6s，電源電壓采用的是 1. 8~ 3. 6 V 電壓。當(dāng)然無線射頻收發(fā) 芯片 也可以 通過外圍收發(fā)電路， 接收外 部信號，通過處理 器芯片的處理再把信號發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的其他節(jié)點(diǎn)或者用戶終端進(jìn)行收發(fā)、處理和顯示。 而且 MSP430f2618 含有豐富的資源：116KB+256B Flash 存儲器 、 8KB RAM、 8 路具有內(nèi)部參考電壓，采樣保持，自動掃描特征的 12 位 ADC、 2 路同步 12 位 DAC、 3 個捕獲 /比較寄存器的 16 位定時器 TA、 7 個捕獲 /比較 Shadow 寄存器的 16 位定時器 TB 片上比較器 、 4 個通用串行通信接口（ USCI）模塊功能非常強(qiáng)大，一般的開發(fā)設(shè)計都可以滿足。能同時滿足這兩個要求的 430單片機(jī)型號不多， 所以經(jīng)過查找，發(fā)現(xiàn) MSP430f2618 芯片，它有 有 64 引腳和 80引腳兩種封裝。 （ 6）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AES128，同時各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。 （ 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 美元到 美元之間，且 ZigBee 協(xié)議是免專利費(fèi)的 。而 MSP430 MCU系列產(chǎn)品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(shí)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。 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。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 程序儲存器和 2K 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(diǎn)。 其特 點(diǎn)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(qiáng) 、 擴(kuò)展性能好，非常容易構(gòu)成各種應(yīng)用系統(tǒng)。因此我需要對這三方進(jìn)行對比、選擇。 結(jié)合以上幾點(diǎn)，本設(shè)計的結(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。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 8 第 2 章 整體方案分析 整體方案確定 針對 本設(shè)計的 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 射頻 收發(fā) 芯片。 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 低功耗 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗特點(diǎn)進(jìn)行分析，對比現(xiàn)有的節(jié)能技術(shù) ，并提出整體的方案。 本文主要內(nèi)容 本文的主要工作就是對無線傳感器網(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 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。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)。 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 。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。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。 。這個空間內(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。這三種角色在、 ZigBee 路由器和設(shè)備。 ZigBee 聯(lián)盟已于 2021 年 6 月 27 日公布了第一份 ZigBee 規(guī)范 “ ZigBee Specification ” 。 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 Inter。 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。為了達(dá)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： （ 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。在這些節(jié)點(diǎn)中，有少數(shù)幾個節(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)送給觀測者，發(fā)送的方式可以采用 Inter、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(diǎn)。而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)是和節(jié)點(diǎn)的物理地址聯(lián)系起來的，以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)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(diǎn)的信息并融合提取出有用信息直接傳送給用戶。此外，如果節(jié)點(diǎn)具備移動能力，黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 4 也有可能帶來網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓?。由于傳感器?jié)點(diǎn)微型化，節(jié)點(diǎn)的電池能量有限，而且由于物理限制難以給節(jié)點(diǎn)更換電池，所以傳感器節(jié)點(diǎn)的電池能量限制是整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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。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(diǎn)之間如何協(xié)同工作等。 無線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 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(dú)有的特點(diǎn)，正是由于這些特點(diǎn)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)。當(dāng)然，傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也是符合計算設(shè)備的演化規(guī)律。除了應(yīng)用于情報部門反恐活動以外，在其它領(lǐng)域更是獲得了很好的應(yīng)用，所以 2021 年美國國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室－－橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室提出了 “網(wǎng)絡(luò)就是傳感器 ”的論斷。這種現(xiàn)代微型化的傳感器具備感知能力、計 算能力和通信能力。后來，美軍投放 了 2萬多個 “熱帶樹 ”傳感器。但是傳感器節(jié)點(diǎn)通常采用電池供電且數(shù)目非常龐大，并大多工作在無人區(qū)域或者對人體有傷害的惡劣環(huán)境中，不能給電池充電或更換電池，因此一旦無線傳感器黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量耗盡，并且 更換電池?zé)o望的話，那么該節(jié)點(diǎn)就將退出網(wǎng)絡(luò)，這樣就直接影響整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用性和生命周期。而且當(dāng)今社會的發(fā)展對于無線傳感器的低功耗的要求也是越來越迫切，不單單是為了節(jié)省能源，更是為了讓無線網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)槿祟惛玫姆?wù)，而且一些運(yùn)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的地方，即使是安裝無線傳感器也是十分危險的，更不用說要頻繁的更換電池。不過物聯(lián)網(wǎng)只是剛剛興起的概念，雖然不是不可能完成 的 ，但是對于現(xiàn)在的技術(shù)而言，具有一定難度。而近幾年不甘于停滯的創(chuàng)新者們又提出了一個全新的概念 ——物聯(lián)網(wǎng)。 low power。 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(shí)現(xiàn)無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低功耗。 Harbin黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 I 摘 要 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的誕生要?dú)w功于傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)以及 半導(dǎo)體技術(shù)的高速發(fā)展。s Degree The Node Design of Low Power Wireless Sensor Network Candidate： Specialty： Class： Supervisor：