【正文】 年代，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸連接傳感控制器構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)；第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有獲得多種信息、信號(hào)的綜合能力，采用串/并接口（如RS23RS485）與傳感控制器相連，構(gòu)成有多種綜合信息的傳感器網(wǎng)絡(luò)；第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代后期和21世紀(jì)初，采用現(xiàn)場總線連接傳感控制器，構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)，成為智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)；第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)即是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，正在研究開發(fā)?？梢灶A(yù)見，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必將成為21世紀(jì)一項(xiàng)極為重要的技術(shù)，它的發(fā)展和推廣也必將給人類社會(huì)帶來重大影響和變革。將WSN應(yīng)用到空調(diào)系統(tǒng)，來控制空調(diào)的功率和開關(guān)，從而能達(dá)到節(jié)能省電的目的。國外發(fā)達(dá)國家在這方面開始的比較早，投入也比較大，像美國波士頓大學(xué)創(chuàng)辦了傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)會(huì)(Sensor Network Consortium)，期望能促進(jìn)傳感器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開的發(fā)展；美國軍方將WSN應(yīng)用到軍事系統(tǒng)，耗資400600億美元建造的FCS（Future Combat System，未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)），以網(wǎng)絡(luò)為中心，達(dá)到 “全球到達(dá)、迅速反應(yīng)”的低傷亡作戰(zhàn)目標(biāo)；美國國家科學(xué)基金贊助的Biomedical Sensors項(xiàng)目[1]，美國NASA（National Aeronautics and Space Administration, 美國國家航空暨太空總署）發(fā)起的Sensor Webs項(xiàng)目[2]等等都是關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要研究。正是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)巨大的應(yīng)用價(jià)值和美好前景以及應(yīng)用較少的狀況，本文也開展了對(duì)WSN的基礎(chǔ)性研究學(xué)習(xí)，對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和協(xié)議棧進(jìn)行描述，并提出了將WSN應(yīng)用于農(nóng)業(yè)環(huán)境信息采集和控制系統(tǒng)。 WSN體系結(jié)構(gòu)圖11是典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)圖。 圖11典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu) 傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，通過攜帶能量有限的電池供電，因此其處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力比較弱。 傳感器節(jié)點(diǎn)通過自帶傳感器采集周圍環(huán)境信息，經(jīng)過簡單的數(shù)據(jù)處理、融合，通過射頻模塊將其發(fā)射出去。圖12 典型的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu) 由于節(jié)點(diǎn)能量有限，無法將采集到的大量數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)方的控制計(jì)算機(jī)，所以需要在傳感器網(wǎng)絡(luò)附近設(shè)置基站。同時(shí)，工作人員還可以通過終端計(jì)算機(jī)對(duì)遠(yuǎn)程信息進(jìn)行觀察、對(duì)比，以做出合理的操作控制。這些管理平臺(tái)使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務(wù)和資源共享。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)是以數(shù)據(jù)為中心，我們不會(huì)關(guān)注某個(gè)具體節(jié)點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)，而是關(guān)心某個(gè)區(qū)域的觀測數(shù)據(jù)。l 應(yīng)用層：根據(jù)應(yīng)用要求的不同，包括一系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用軟件。 隨著研究的進(jìn)展，后來人們又提出了改進(jìn)的WSN協(xié)議棧模型，其結(jié)構(gòu)圖如圖14[5]所示。 WSN特點(diǎn)及其關(guān)鍵問題無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代傳感器網(wǎng)絡(luò)，有著鮮明的特點(diǎn)： （1）電源能量有限。WSN沒有明確的中心，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間是對(duì)等的；任何節(jié)點(diǎn)都可以隨時(shí)加入或退出網(wǎng)絡(luò)，而不會(huì)影響其它節(jié)點(diǎn)的有效性，只是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)隨之而動(dòng)態(tài)變化。（4）節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，分布范圍廣。 另外，WSN的特點(diǎn)也決定了它在技術(shù)上面臨著一些挑戰(zhàn)，存在著幾個(gè)關(guān)鍵問題： 能量管理問題。 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂啤? 帶寬有限。WSN一般分布于環(huán)境惡劣的場所，由于采用無線信道、有限電源、分布式控制等技術(shù)，它更加容易受到入侵，保密性差。 幾種常用的無線通信技術(shù) 藍(lán)牙技術(shù) 1994年，. Ericsson公司與IBM、Intel、Nokia和Toshiba四家公司一起組成了一個(gè)SIG（Special Interest Group,特別興趣集團(tuán)）聯(lián)盟，開發(fā)了一個(gè)無線標(biāo)準(zhǔn)，將計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備或者附加部件通過短距離、低功耗、低成本的無線電波連接起來，這個(gè)項(xiàng)目被稱為藍(lán)牙（Bluetooth）。 紅外技術(shù) 1993年，多家廠商成立了紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)（IrDA：Infrared Data Association），統(tǒng)一了紅外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但是它不能穿透固體物質(zhì)，傳輸距離有限，而且只能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的直線傳輸，這些缺點(diǎn)限制了它的推廣應(yīng)用。數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kbps，免費(fèi)全球通用。 WiFi技術(shù) WiFi（Wireless Fidelity，無線相容性認(rèn)證），是由WiFi聯(lián)盟所制訂。大量的智能手機(jī)現(xiàn)身市場，通過其WiFi技術(shù)吸引了眾多買家。RFID射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。它推出的HomeRF標(biāo)準(zhǔn)集成了語音和數(shù)據(jù)傳送技術(shù)，工作頻段為10GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)100Mbps，在WLAN的安全性方面主要考慮訪問控制和加密技術(shù)。它在10米左右的范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)數(shù)百M(fèi)bps至數(shù)Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率， GHz頻段。本文將對(duì)基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初步研究，下文將對(duì)ZigBee技術(shù)和WSN方案進(jìn)行敘述。第四章對(duì)基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性和可行性。另外，本章還介紹了幾種重要的短距離無線通信技術(shù)，并對(duì)它們做了對(duì)比分析。ZigBee技術(shù)是一種具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，其物理層(PHY)和媒體接入控制（MAC），網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟[7]制定。ZigBee采用載波偵聽多路訪問/沖突避免 (CSMA/CA)方式，有效避免了無線電載波之間的沖突。這是ZigBee技術(shù)最為顯著的一個(gè)特點(diǎn)，由于它采用了休眠喚醒機(jī)制，大大減少能量消耗，兩節(jié)5號(hào)電池可支持一個(gè)節(jié)點(diǎn)624個(gè)小時(shí)。l 傳輸速率低。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離，如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力,傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。l 高容量:。l 免執(zhí)照頻段。圖21 ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu) l 物理層：ZigBee PHY提供了兩種類型的服務(wù)，即通過物理層管理實(shí)體接口對(duì)PHY層數(shù)據(jù)和PHY層管理提供服務(wù)。ZigBee MAC層也提供了兩種類型的服務(wù)：通過MAC層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)向MAC層數(shù)據(jù)和MAC層管理提供服務(wù)。l 應(yīng)用層。AF為用戶自定義的應(yīng)用程序提供一個(gè)模板式的活動(dòng)空間，通過鍵值對(duì)和報(bào)文兩種服務(wù)方式。 兩種功能設(shè)備ZigBee網(wǎng)絡(luò)含全功能設(shè)備FFD(Full Function Device)和精簡功能設(shè)備RFD(Reduced Function Device)兩種功能類型的設(shè)備。RFD由于省掉了內(nèi)存和其他電路，降低了ZigBee部件的成本，而簡單的8位處理器和小協(xié)議棧也有助于降低成本。l 終端設(shè)備ZE：不具備成為父節(jié)點(diǎn)或路由器的能力，一般作為網(wǎng)絡(luò)的邊緣設(shè)備，負(fù)責(zé)與實(shí)際的監(jiān)控對(duì)象相連，這種設(shè)備只與自己的父節(jié)點(diǎn)主動(dòng)通訊，具體的信息路由則全部交由其父節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)中具有路由功能的協(xié)調(diào)器和路由器完成。在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)設(shè)備一般由電力系統(tǒng)供電，而其他設(shè)備采用電池供電。l 簇形網(wǎng)絡(luò)。信標(biāo)模式實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的同步工作和同步休眠，以達(dá)到最大限度的功耗節(jié)省，而非信標(biāo)模式則只允許終端設(shè)備ZE進(jìn)行周期性休眠，協(xié)調(diào)器ZC和所有路由器ZR設(shè)備必須長期處于工作狀態(tài)。 ZigBee組網(wǎng) 基本通信原語ZigBee協(xié)議是分層的通信協(xié)議，層與層之間是通過服務(wù)接入點(diǎn)SAP相連接的。這樣就做到了數(shù)據(jù)層與層之間的透明傳輸。Response：響應(yīng)原語，用于上層響應(yīng)本層發(fā)出的指示原語。SDU是為了完成上層用戶的請(qǐng)求，本層所傳送的本層數(shù)據(jù)凈荷。 網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)1. ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立。信道掃描通過發(fā)送，將ScanType參數(shù)設(shè)置為能量掃描。為了選取建立新網(wǎng)絡(luò)的最佳信道，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體需要尋找現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)數(shù)量最少的第一個(gè)信道。如果存在并且沒有與現(xiàn)有的PANID沖突，這個(gè)值就成為新網(wǎng)絡(luò)的PANID，否則設(shè)備會(huì)選擇一個(gè)隨機(jī)的PAN標(biāo)識(shí)符。、。如果該程序己經(jīng)在其他任意設(shè)備上被運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體(NLME)就要終止該程序。如果程序初始化時(shí)設(shè)置PermitDuration屬性為參數(shù)為ox0f,網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體就要設(shè)置MAC層tnacAssociationPernit屬性為TRUE。掃描過程中每接收到一個(gè)有效數(shù)據(jù)非零的信息幀，掃描設(shè)備就從MAC層發(fā)送一個(gè)。網(wǎng)絡(luò)描述包括ZigBee版本、協(xié)議棧概要、PANID，以及該網(wǎng)絡(luò)是否允許設(shè)備加入的信息。合適的設(shè)備應(yīng)具備要求的PANID允許關(guān)聯(lián)。如果未能找到匹配地址，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體就要給新設(shè)備分配一個(gè)在該網(wǎng)絡(luò)中唯一的16位網(wǎng)絡(luò)地址(每個(gè)現(xiàn)在父節(jié)點(diǎn)都被分配了有限的地址空間，一旦該空間溢出，設(shè)備就會(huì)拒絕加入請(qǐng)求)。 數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)在數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制上，主設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)到從設(shè)備和由從設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)到主設(shè)備的機(jī)制隨網(wǎng)絡(luò)類型的不同而不同。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須一直保持它們的接收器為開啟狀態(tài)或者同意在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)開啟它們的接收器，這將允許節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀并確保數(shù)據(jù)幀會(huì)被其它節(jié)點(diǎn)接收。如果網(wǎng)絡(luò)包含很多休眠時(shí)間很長的從設(shè)備，主設(shè)備必須將數(shù)據(jù)幀保存很長時(shí)間。TR通過一種樹形拓?fù)涞牡刂贩峙錂C(jī)制來尋找路徑,具有低能耗但路徑次優(yōu)的特點(diǎn)。如果存在與目標(biāo)地址相符合的有效路由記錄，數(shù)據(jù)包將被發(fā)送到記錄中的下一跳地址中去。同樣的，任何一個(gè)設(shè)備要給終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，終端節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)代表它作出回應(yīng)。 路由過程ZigBee路由器（含協(xié)調(diào)器）將完成路徑發(fā)現(xiàn)和選擇、路徑保持維護(hù)、路徑期滿處理等功能。路徑選擇盡可能選擇成本最低的路徑。路由算法將尋找擁有最小路徑成本的路徑。在轉(zhuǎn)發(fā)之前，要加上最新的連接成本，然后更新RREQ數(shù)據(jù)包中的成本值。一旦一條路徑被創(chuàng)建，數(shù)據(jù)包就可以發(fā)送了。當(dāng)下一次數(shù)據(jù)包到達(dá)該節(jié)點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)將重新尋找路徑。如果在一定的時(shí)間周期內(nèi)，沒有數(shù)據(jù)通過這條路徑發(fā)送，這條路徑將被表示為期滿。本章共分為六部分，對(duì)ZigBee的相關(guān)知識(shí)和內(nèi)容進(jìn)行了介紹。第四部分介紹對(duì)Zigbee的網(wǎng)絡(luò)配置，包含兩種功能設(shè)備，三種節(jié)點(diǎn)類型，三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及兩種工作模式。 第三章 基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能單元，其結(jié)構(gòu)主要包括傳感器模塊，處理器模塊，射頻模塊和電源模塊等四部分。（2）微型化無線傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)該在體積上足夠小，保證對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)本身的特性不會(huì)造成影響，或者造成的影響可以忽略不計(jì)。因此，傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用的特點(diǎn)來合理選擇器件，使得節(jié)點(diǎn)易于維護(hù)和管理，從而降低開發(fā)和維護(hù)成本。另外，在某些應(yīng)用場合可能希望保證節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行代碼不被第三方了解，這時(shí)應(yīng)采用具有代碼保護(hù)能力的微處理器和存儲(chǔ)芯片。由于低功耗是ZigBee系統(tǒng)的關(guān)鍵，所以減少工作電流消耗、具有超低耗電睡眠模式并縮短模式切換時(shí)間對(duì)每一種方案而言都非常重要。在MCU和RF收發(fā)器分離的雙芯片方案方面，TI采用的是CC2420 RF收發(fā)器和超低功耗MCU MSP430[10]。用戶在設(shè)計(jì)和使用過程中不需要牽涉到Jennic公司的JN5139芯片是一個(gè)低功耗的無線微處理器， IEEE 、192k ROM以及一些數(shù)字及模擬外圍電路，可降低對(duì)外部元件的需求。MRF24J40器件集成了接收器、發(fā)送器、VCO和PLL，最大限度地減少了外接元件并降低功耗。AT86RF230是真正的SPI到天線的方案，除了天線、晶體振蕩器和去耦電容外，所有的RF主要元件都集成在單一芯片內(nèi)，包括模擬無線電收發(fā)器和數(shù)字解調(diào)器、時(shí)間和頻率同步以及數(shù)據(jù)緩沖器。根據(jù)上述要求綜合比較后，本文采用TI公司推出的高度整合的SOC芯片CC2430方案，它成本低，體積小，外圍設(shè)備豐富且電路簡單、擴(kuò)展性強(qiáng)、而且能夠勝任WSN節(jié)點(diǎn)的功能和作用。CC2430芯片上系統(tǒng)（SOC）是高度集成的解決方案，僅需很少的外圍電路，且選用的原件成本低，可支持快速、廉價(jià)的ZigBee節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建。CC2430的功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖31所示。CC2430可用于ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器及終端設(shè)備。圖31 CC2430的功能模塊結(jié)構(gòu) CC2430引腳功能介紹 CC2430芯片采用7mm7mm QLP封裝，共有48個(gè)引腳，全部引腳可分為I/O端口引腳、電源線引腳、控制線引腳三類。 I/O口有下面的關(guān)鍵特性:l 可設(shè)置為通常的工/0口，也可設(shè)置為外圍I/0口使用；l 在輸入時(shí)有上拉和下拉能力；l 全部21個(gè)數(shù)字工/O口引腳都具有響應(yīng)外部的中斷能力。3. 控制線引腳功能10腳（RESET_N）：復(fù)位引腳，低電平有效；19腳（XOSC_Q2）：32MHz的晶振引腳2；21腳（XOSC_Q1）：32MHz的晶振引腳1，或外部時(shí)鐘輸入引腳；22腳（RBIAS1）：為參考電流提供精確的偏執(zhí)電阻；26腳（RBIAS2）：提供精確電阻，43（1177。每個(gè)機(jī)器周期的一個(gè)時(shí)鐘周期與標(biāo)準(zhǔn)8051每個(gè)機(jī)器周期中的12個(gè)時(shí)鐘周期相對(duì)應(yīng)，因此其指令執(zhí)行速度比標(biāo)準(zhǔn)8051快。1. 復(fù)位 CC2430有四個(gè)復(fù)位源：l 低電平復(fù)位RESET_N；l 上電復(fù)位；l 掉電復(fù)位；l 看門狗復(fù)位。該空間的低128字節(jié)可以直接或間接訪問，而高128只能夠間接訪問。CC2430有18個(gè)中斷源，每個(gè)中斷源有它自己的、位于一系列特殊功能寄存器中的中斷請(qǐng)求標(biāo)志。該時(shí)鐘的振蕩源既可以用16MHz高頻RC振蕩器，也可以采用32MHz晶體振蕩器。運(yùn)行RF收發(fā)器時(shí)，必須使用高精度的晶體振蕩器。因此在外圍電路中設(shè)計(jì)了32 MHz和32 KHz兩個(gè)晶振電路，32 KHz，需要時(shí)間精度時(shí)，為系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。l 直接命令操作直接通過CSP把命令發(fā)送給無線模塊。3. 天線CC2430射頻模塊天線的選擇直接影響到它的RF能力大小。 CC2430的其它外圍設(shè)備 直接存?。―MA）控制器 中斷方式解決了高速內(nèi)核與低速外設(shè)之間的矛盾，從而提高了CPU的