【正文】 ...................................................... 20 致謝 ................................................................................................................ 22 附錄 ................................................................................................................ 23 附錄 A 低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電路原理圖 .......................................................... 23 附錄 B 程序 ...................................................................................................................... 24 附錄 C 英文文獻翻譯 ...................................................................................................... 41 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 1 第 1 章 引 言 概述 當(dāng)今社會因為互聯(lián)網(wǎng)的存在發(fā)生了革命性的改變，不但改變了人們的生活方式，同時也改變了人們的思維模式?？上攵獰o線傳感器網(wǎng)絡(luò)是信息感知和采集的一場革命，是 21 世紀(jì)最重要的技術(shù)之一。 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)的誕生要歸功于傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)以及 半導(dǎo)體技術(shù)的高速發(fā)展。 low power。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。但是傳感器節(jié)點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)點的能量耗盡，并且 更換電池?zé)o望的話，那么該節(jié)點就將退出網(wǎng)絡(luò)，這樣就直接影響整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的實用性和生命周期。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。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。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。此外，如果節(jié)點具備移動能力，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?。在這些節(jié)點中，有少數(shù)幾個節(jié)點 被稱為基站（ Base Station）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 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。 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。 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(dāng)然協(xié)調(diào)器還具備路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。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。 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)的機制，提供數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)陌踩珯C制和路由機制 。 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)議進行 學(xué)習(xí)、 分析，找到制約其應(yīng)用的難點；重點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，來實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的低功耗。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。因此我需要對這三方進行對比、選擇。具有保持電路，具有硬件乘法器可以進行的簡單的數(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。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。 （ 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。 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）模塊功能非常強大，一般的開發(fā)設(shè)計都可以滿足。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。 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)點內(nèi)各個芯片能正常工作。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 。然后開始調(diào)用讀傳感器程序，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，定時完成濕度傳感器頻率的測量，開啟無線傳感模塊和 MCU，然后送單片機運算成相對濕度。 否 是 程序入口 無線收發(fā)模塊啟動 將數(shù)據(jù)寫入寄存器，使能發(fā)射 是否發(fā)送完畢 ? 程序出口 無線收發(fā)模塊休眠 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 18 、 圖 接收子程序流程圖 以上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(biāo)志位的溫度或濕度數(shù)據(jù)在子程序中將會被 MCU 判斷，而另一個數(shù)據(jù)將會直接送到上位機顯示，這樣就導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)致程序卡死；在接收程序當(dāng)中會明顯看到被注釋的部分就是當(dāng)時調(diào)試的結(jié)果， 具體接收程序?qū)⒃诟戒浿薪o出。 從開始進入 設(shè)計 課題到 本文 的順利完成， 他 都始終給予我 耐心 的指導(dǎo)和不懈的支持。 最后，還要感謝父母對我多年的教導(dǎo)和養(yǎng)育之恩，他們每天的支持和厚愛是我努力學(xué)習(xí)的動力，我將以優(yōu)異的成績作為獻給他們最好的禮物。雖然能實現(xiàn)本設(shè)計的要求，但是我認(rèn)為還會有更好的電路設(shè)計來更好的體現(xiàn)本設(shè)計的設(shè)計要求。 圖 發(fā)射子程序流程圖 數(shù)據(jù)接收程序 接收模塊的 MCU 主要承擔(dān)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。讀取數(shù)據(jù)程序的的流程圖如圖 所示。 VCCDQGNDVCC +3V GND4kR8 圖 DS18B20 與單片機的連接 本章小結(jié) 本章主要講述了本設(shè)計的電路的部分主要電路，通過對各個部分的分析和理解，以求得對整體電路的分析與理解，把問題簡單化，使得問題呈現(xiàn)出它原本的樣子來，這樣本文就能更好的分析和解釋，本設(shè)計的設(shè)計思路和方法。 1%）電阻； C10 為偏壓器負(fù)載電容； Y3( 32 MH z)與 C1 C12 兩個負(fù)載電容一起組成外部晶體振蕩器。 MSP430F2618是一個 16 位的單片機，集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)，分別有看門狗（ WDT）、模擬比較器 A、定時器 A ( T imer_A )、定時器 B（ T imer_B）、串口 0、 1（ USART0、1）、硬件乘法器、液晶驅(qū)動器、 8 通道 12 位 ADC、 I2C 總線直接數(shù)據(jù)存取 （ DMA）、端口 1~ 6（ P1~ P6）、基本定時器（ Basic T imer）等外圍模塊；采用了精簡指令集（ R ISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（ 7 種源操作數(shù)尋址、 4 種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；有較高的處理速度，在 8 MHz 晶體驅(qū)動下指令周期為 125 ns。這兩種封裝的差別是 80 引腳的片子比 64 引腳的多了兩組 IO 口。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)備信道接入時延為 15ms。 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 10 無源組件協(xié)同 工 作。從休眠到正常工作整個喚醒時間只需 6μ s，反應(yīng)速度快。當(dāng)然無線射頻收發(fā)模塊也可以接收外部信號，通過處理模塊 的處理再把信號發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的其他節(jié)點或者用戶終端進行處理和顯示。在這里 給出了整體的硬件電路設(shè)計思路，并且對電路的各個部分進行分析與解釋。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 7 ZigBee 設(shè)備對象（ 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)綁定請求，以及建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的安全關(guān)系。 MAC 層采用 CSMACA 機制來控制信道接入，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制。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。它是網(wǎng)絡(luò)建立的起點，負(fù)責(zé) 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。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)。另外所有設(shè)備必須使用一個 64 位的 IEEE 地址；可以使用 16 位短地址來減少數(shù)據(jù)包大??；尋址模式可以為網(wǎng)絡(luò)加設(shè)備標(biāo)識符的星型結(jié)構(gòu)，或者源和目標(biāo)標(biāo)識符的點到點結(jié)構(gòu)（包括了簇樹和 Mesh 網(wǎng)絡(luò)）兩種。 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，炮彈彈射等方法。 （ 4） 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化很快。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的微型化，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)