【文章內(nèi)容簡介】 。因而主機在讀時隙期間，必須釋放總線。并且在時隙起始后的15us之內(nèi)采樣總線的狀態(tài)。 圖33 讀命令時序圖iii. 寫時序DS18B20的寫時序仍然分為寫0時序和寫1時序兩個過程，時序如圖34所示。DS18B20寫0時序和寫1時序的要求不同，當要寫0時序時，單總線要至少被拉低60us，保證DS18B20能夠在1560us之間正確地采樣I/O總線上的0電平，當要寫1時序時，單總線被拉低之后，在15us之內(nèi)就得釋放單總線。 圖34 寫命令時序圖DS18B20總共有10條控制命令，如下表31所示：表31 ROM操作命令指令說明讀ROM命令（33H）讀DS18B20的序行號搜索ROM命令（F0H）識別總線上各器件的編碼匹配ROM命令（CCH）用于多個DS18B20的定位跳過ROM命令（CCH）此命令執(zhí)行后，存儲器操作將針對總線上所有操作報警搜索ROM命令（ECH）僅溫度超限的器件對此命令做出響應(yīng)RAM操作命令指令說明溫度轉(zhuǎn)換（44H）啟動溫度轉(zhuǎn)換讀暫存器（BEH）讀全部暫存器內(nèi)容寫暫存器（4EH）寫暫存器第2，3和4個字節(jié)的數(shù)據(jù)復制暫存器（48EH）將暫存器中的TH，TL和配置寄存器內(nèi)容復制到EEPROM中讀EEPROM（B8H）將TH，TL和配置寄存器內(nèi)容從EEPROM中回讀至暫存器所以由以上原理分析知，軟件程序具體的過程如下：第一步使DS18B20復位。(1)單片機對DS18B20置一個480至960微秒的復位低電平；(2)置一個15至60微秒的等待高電平；(3)單片機設(shè)置480微秒的延時，等待DS18B20發(fā)出信號。第二步寫入SKIP ROM指令CCH。第三步寫入溫度轉(zhuǎn)換指令44H，DS18B20進行溫度轉(zhuǎn)換。第四部使DS18B20復位，同第一步。第五步寫入SKIP ROM命令。第六部寫入讀寄存器命令BEH。第七部讀寄存器低位數(shù)據(jù)。第八步讀寄存器高位數(shù)據(jù)。這樣DS18B20感應(yīng)到的溫度就被單片機讀出來，參照表32可以查出實際的溫度[7]。表32 代碼與溫度的對應(yīng)圖溫度數(shù)字輸出(二進制)數(shù)字輸出(十六進制)+1250000 0111 1101 0000B07D0H+850000 0101 0101 0000B0550H+0000 0001 0101 0001B0191H+0000 0000 1010 0010B00A2H+0000 0000 0000 1000B0008H00000 0000 0000 0000B0000H1111 1111 1111 1000BFFF8H1111 1111 0101 1110BFF5EH1111 1110 0110 1111BFF6FH551111 1100 1001 0000BFC90H綜上DS18B20的工作流程圖如圖35以及DS18B20在一線單機，外接電源供電情況下的一個測量過程的完整程序流程圖如圖36。開始返回初始化DS18B20是否存在 N 讀取溫度值 ROM操作命令存儲操作命令 Y Y圖35 DS18B20工作流程圖初始化關(guān)中斷寫跳過ROM指令CCH寫溫度轉(zhuǎn)換指令44H寫讀寄存器指令BEH讀數(shù)據(jù)高八位讀數(shù)據(jù)低八位寫跳過ROM指令CCH延時返回開始圖36 DS18B20主程序流程圖無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由有多個傳感器節(jié)點組成，這些節(jié)點通常分布在條件比較惡劣的地方，節(jié)點以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，通過多跳路由以無線通信的方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳到sink節(jié)點，最終借助長距離或臨時建立的sink鏈路將整個區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠程數(shù)據(jù)管理中心進行集中處理。如果無線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模太大，可以采用聚類分層的管理模式，典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，如圖37所示圖37 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理平臺、應(yīng)用支撐平臺三部分組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議機構(gòu)參考了現(xiàn)有的通用網(wǎng)絡(luò)的TCP/IP和OSI模型的結(jié)構(gòu)，又包含了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特有的能量管理、移動性管理和任務(wù)管理3個層面。其整個模型主要包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層、能量管理平面、移動性管理平面、任務(wù)管理平面8個部分組成，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次結(jié)構(gòu)如圖38所示 圖38 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次結(jié)構(gòu)圖其中分層網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層五部分組成.1. 物理層：負責信號的調(diào)制和數(shù)據(jù)的收發(fā)，所采用的傳輸介質(zhì)主要有無線電、紅外線、光波等。WSN推薦使用免許可證頻段（ISM）。物理層的設(shè)計既有不利因素，例如傳播損耗因子較大，也有有利的方面，例如高密度部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有分集特性，可以用來克服陰影效應(yīng)和路徑損耗。2. 數(shù)據(jù)鏈路層：負責數(shù)據(jù)成幀、幀監(jiān)測、媒體接入和差錯控制。其中，媒體接入?yún)f(xié)議保證可靠的點對點和點對多點通信；差錯控制則保證源節(jié)點發(fā)出的信息可以完整無誤地到達目標節(jié)點。 3. 網(wǎng)絡(luò)層：負責路由的發(fā)現(xiàn)和維護，由于大多數(shù)節(jié)點無法直接與網(wǎng)關(guān)通信，因此需要通過中間節(jié)點以多跳路由的方式將數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點。而這就需要在WSN節(jié)點與接收器節(jié)點之間多跳的無線路由協(xié)議。 4. 傳輸層：負責數(shù)據(jù)流的傳輸控制，主要通過匯聚節(jié)點采集傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)，并使用衛(wèi)星、移動通信網(wǎng)絡(luò)、Internet或者其他的鏈路與外部網(wǎng)絡(luò)通信，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分。 5. 應(yīng)用層：由各種面向應(yīng)用的軟件系統(tǒng)構(gòu)成。主要研究的是各種傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的具體系統(tǒng)的開發(fā)，例如：作戰(zhàn)環(huán)境偵查與監(jiān)控系統(tǒng)，情報獲取系統(tǒng)，災難預防系統(tǒng)等等。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議方案設(shè)計針對節(jié)點的特性，提出了以下設(shè)計構(gòu)想：首先在硬件方面，由于結(jié)構(gòu)簡單，更多的注意力應(yīng)被放在如何降低干擾方面，節(jié)點與外界，節(jié)點間，甚至節(jié)點自身的元件間都會出現(xiàn)干擾。另外節(jié)能也是要考慮一個方面。節(jié)點硬件功能的不足往往需要相關(guān)軟件設(shè)計來彌補。所以針對節(jié)點的一些特性，選擇功能合適的軟件來對工作過程進行控制尤為重要。對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通信協(xié)議是軟件的主要部分。所以對于通信協(xié)議的設(shè)計決定了設(shè)計的節(jié)點是否能構(gòu)成一個可以投入實際應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。對于一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，最重要的通信協(xié)議主要是定義在數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制(Medium Access Control，MAC)層的MAC協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議。前者決定了通信的信道分配，而后者決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆肪€。下面詳細說明對這兩個協(xié)議的設(shè)計方案。 (1) MAC協(xié)議的設(shè)計方案在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)鏈路層的MAC協(xié)議決定無線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點之間分配有限的無線通信資源，用來構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。由于315無線收發(fā)模塊無線信道為通用315MHz單一公用信道，根據(jù)這一特點。下面將對此協(xié)議進行介紹。 ：信道會被最先使用的通信單元所占有。也就是，某通信單元如果想要占用信道進行通信，首先要對信道的使用情況進行偵聽。如果信道空閑則進行信息的傳輸，而如果信道被其他通信單元占用，則要等待此通信過程結(jié)束，之后再進行自己的信息傳輸。這種通信方式非常適合單一信道的315無線收發(fā)模塊之間的通信。而作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議，節(jié)點不可能如PC機一樣在等待傳輸過程中始終對無線信道的使用情況進行偵聽，這就要引入周期性的偵聽－睡眠機制，以盡量減少節(jié)點自身能量的消耗。 首先，需設(shè)計節(jié)點間的應(yīng)答模式。本文模擬溫度采集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的通信過程，將整個應(yīng)答過程設(shè)計為：節(jié)點A發(fā)出收集數(shù)據(jù)請求——節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)——節(jié)點A發(fā)送結(jié)束信號，每次完整的無線通信過程需要三組信號。 MAC協(xié)議運作機制示意圖如圖39所示。其中每個數(shù)據(jù)包之間加入一定的等待時間，暫定為兩幀數(shù)據(jù)傳輸時間，可保證傳輸可靠。三個數(shù)據(jù)包傳輸時間加上每兩個數(shù)據(jù)包間的等待時間構(gòu)成了預約時間。如果通信過程超過預約時間則認為通信失敗，兩個節(jié)點將放棄對無線信道的占用，由所有節(jié)點來競爭使用權(quán)。 圖39 MAC協(xié)議機制示意圖 節(jié)點的偵聽－睡眠周期機制的設(shè)定如下：整個偵聽－睡眠的周期設(shè)為三分之一的預約時間，將每次偵聽開始的時間設(shè)在等待時間的中間位置左右，保證偵聽節(jié)點能接收到完整的幀頭，這樣在發(fā)現(xiàn)信道被占用時，可以第一時間發(fā)現(xiàn)通信信道的占用節(jié)點是否包括本節(jié)點。如果不包括本節(jié)點，則進入睡眠狀態(tài)；如果在十個數(shù)據(jù)幀時間內(nèi)偵聽不到通信信號或接收到結(jié)束信號，則發(fā)送通信請求；如果接收到其他節(jié)點與自己的通信請求，則先響應(yīng)請求，之后會擁有無線信道的優(yōu)先使用權(quán)，以最大程度的減少信息延遲。 上圖為一個通信過程的實例。首先節(jié)點A先行占用了無線信道，向節(jié)點B發(fā)送通信請求；節(jié)點B和節(jié)點C都對信號進行偵聽，結(jié)果發(fā)現(xiàn)節(jié)點B為通信節(jié)點而節(jié)點C不是，則節(jié)點B開始與節(jié)點A進行通信，節(jié)點C繼續(xù)偵聽—睡眠的過程；在節(jié)點A與節(jié)點B的通信過程中，節(jié)點C欲與節(jié)點X之間通信，這樣節(jié)點C不斷對通信信道進行偵聽，直到接收到結(jié)束信號之后的下一個通信周期，立即發(fā)送通信請求占用信道，與節(jié)點X進行通信；而此時節(jié)點A與節(jié)點B通信過程結(jié)束，回到周期性的偵聽－睡眠狀態(tài)，等待下一個通信過程。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議建立后，節(jié)點間就可以通過對簇頭節(jié)點的選擇構(gòu)成一個星形網(wǎng)絡(luò)。實際設(shè)計工作中，應(yīng)用此協(xié)議簡化版本的節(jié)點可以組成一個由少量節(jié)點和一個上層控制節(jié)點組成的具有一跳路由結(jié)構(gòu)的星形網(wǎng)絡(luò)（下節(jié)將做更具體的介紹）。對于實際設(shè)計的簡化的MAC協(xié)議，發(fā)送的每幀數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)是根據(jù)紅外線遙控器數(shù)據(jù)幀的特點和通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計出的一種數(shù)據(jù)幀，包括以下幾個部分：幀頭，前導碼，數(shù)據(jù)或指令代碼，校驗位(也是結(jié)束位)。設(shè)計了一跳路由的功能，完善了網(wǎng)絡(luò)機制。設(shè)計的數(shù)據(jù)傳輸格式為：幀頭由二十位周期為400微秒，占空比為50%的方波組成。其他數(shù)據(jù)或指令代碼的編碼均為100微秒的高低電平。前導碼為四位數(shù)據(jù)，暫定為0101B，是為了保證后面各位數(shù)據(jù)的接收準確，接收后即將其丟棄。數(shù)據(jù)或指令代碼主要是由節(jié)點編號和數(shù)據(jù)組成。作為數(shù)據(jù)信號的代碼幀的數(shù)據(jù)或指令代碼部分由兩個八位的節(jié)點編號代碼和兩個八位的數(shù)據(jù)碼組成。節(jié)點編號分別是目標節(jié)點編號和測量終端節(jié)點編號。發(fā)送的數(shù)據(jù)為低八位數(shù)據(jù)和高八位數(shù)據(jù)。最后的校驗碼為兩位，同時作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束信號，采用偶校驗，輸出量為相同的信號，若這兩位信號都與接收節(jié)點的校驗結(jié)果相同則認為傳輸正確，若有一位不同則認為傳輸錯誤，需要重新接收。對應(yīng)各種數(shù)據(jù)代碼和程序代碼，在單片機內(nèi)部的RAM中設(shè)計了固定的存儲變量用來對數(shù)據(jù)進行存放、讀取及比較等操作。具體的存儲變量安排如表42所示。表33 相應(yīng)數(shù)據(jù)存儲宏定義字節(jié)地址對應(yīng)內(nèi)容Joq校驗碼Bjc本節(jié)點編號Csc數(shù)據(jù)源節(jié)點編號Mjc目標節(jié)點編號Jjc接收到的目標節(jié)點編號(與本節(jié)點編號比較)Ccjc55H(表示測量節(jié)點的功能編號)RjcAAH(表示路由節(jié)點的功能編號)Gnc功能編號的存儲單元Jfc接收到的發(fā)送節(jié)點編號Ysl預發(fā)送數(shù)據(jù)的低八位Ysh預發(fā)送數(shù)據(jù)的高八位Jmc接收到的目標節(jié)點編號Jcc接收到的測量節(jié)點編號發(fā)送過程的程序流程圖如圖310所示。其中為保證接收準確，每幀數(shù)據(jù)循環(huán)發(fā)送20次，形成一個數(shù)據(jù)包。這是通過實際工作情況確定的數(shù)字，可保證因為干擾信號產(chǎn)生誤碼，使某幀數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)錯誤的情況下仍能使接收節(jié)點有機會重新接收正確的信號。接收數(shù)據(jù)時，這樣即使程序設(shè)計過程中有發(fā)送和接收不同步的地方，只要將偏差控制在合理范圍之內(nèi)即可成功接收到數(shù)據(jù)。同時在接收過程中加入了兩位偶校驗，可進行簡單的數(shù)據(jù)檢驗，在一定程度上保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。對于完整的通信過程所需程序，對應(yīng)的數(shù)據(jù)幀程序流程圖如圖310所示。（2）路由協(xié)議的設(shè)計方案本文設(shè)計的節(jié)點具有以下特點：315無線收發(fā)模塊的通信距離遠，而且每個節(jié)點可掛帶多個DS18B20傳感器，每個傳感器與控制單元之間的連線長度又可以設(shè)定的很長，這樣每個節(jié)點就可