【文章內(nèi)容簡介】 gBee協(xié)議體系結構與 ZigBee協(xié)議由物理層 (PHY)、介質接入控制子層 (MAC)、網(wǎng)絡層 (NWK)、應用層 (APL)構成，其協(xié)議構架如圖所示。其物理層 (PHY)和媒體訪問控制層 (MAC)采用 ，ZigBee聯(lián)盟則定義了 ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡層 (NWK)、應用層 (APL)和安全服務規(guī)范。 江蘇大學本科畢業(yè)設計 6 應 用 層網(wǎng) 絡 層數(shù) 據(jù) 鏈 路 層L L CM A C物 理 層 圖 24 ZigBee協(xié)議體系結構 物理層 (PHY)由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構成。物理層定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務和物理層管理服務。物理層數(shù)據(jù)服務從無線物理 信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務維護一個由物理層相關數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。 數(shù)據(jù)鏈路層分成 LLC(Logica1 Link Control，邏輯鏈路控制 )和 MAC(Media Access Con trol，媒介接入控制 )兩個子層。 LLC子層在 ；而 MAC子層協(xié)議則依賴于各自的物理層。 MAC子層提供兩種服務： MAC層數(shù)據(jù)服務和 MAC層管理服務。前者保證 MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務中的正確收發(fā)， 而后者從事 MAC層的管理活動，并維護一個信息數(shù)據(jù)庫。 網(wǎng)絡層主要任務是為確保 ZigBee的 MAC層正常工作提供一些必要的函數(shù)，并且為應用層提供合適的服務接口。網(wǎng)絡層提供了兩個必須的功能服務實體：數(shù)據(jù)服務實體和管理服務實體作為其向應用層提供的接口。 APL層主要由 3個部分組成：與網(wǎng)絡層連接的 APS(Appcation Suppon)ZDO(ZigBeeDevice Object)、以及裝置應用 Profile。 ZigBee的應用層架構，最重要的是已涵蓋了服務 (Service)的概念。所謂的服務，簡單來說就是功能。對于 ZigBee裝置而言，當加入到一個 WPAN后，應用層的 ZD0會發(fā)動一系列初始化 的動作：先通過 APS做裝置搜尋 (Device Discovery)以及服務搜尋 (ServiceDiscovery)，然后根據(jù)事先定義好的描述信息 (Description)將與自己相關的裝置或是服務記錄在 APS里的綁定表 (Binding 1曲 le)中．之后所有服務的設備采用應用對象進行建模。這些應用對象通過交換類對象和它們的屬性實現(xiàn)與其他設備的通信。 (PHY)和 MAC層的功能。 ： 868/915MHz物理層。兩者均采用直 擴序列調制 (DSSS)方式， 868／ 915MHz物理層采用簡單的 DSSS方法， DSSS方法的十六進制準正交調制技術。它們共享同一個基本包幀結構，具有較小的執(zhí)行周期和功率消耗。 兩個物理層共有 3個頻帶，被分為 27個頻率信道。 868/915MHz物理層在 之間，支持一個信道，稱為 0號信道；在 ，則支持 10個信道，稱為 111信道。 16個信道，為 1227號信道，每個信道的頻帶帶寬 達 5MHz,易于滿足發(fā)射和接收濾波器的設計要求。兩個物理層的傳輸速率不同。 250kb/s，而 868/9l5MHz物理層對其兩段頻帶分別提供江蘇大學本科畢業(yè)設計 7 20kb/s和 40kb/s的傳輸速率。兩個物理層均提供兩種類型服務：即通過物理層管理實體接口 (PLME)對 PHY層數(shù)據(jù)和 PHY層管理提供服務。 PHY層數(shù)據(jù)服務可以通過無線物理信道發(fā)送和接收物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (PPDU)來實現(xiàn)。 PHY層的特征是啟動和關閉無線收發(fā)器，能量檢測，鏈路質量，信道選擇，清閑信道評估 (CCA)，并通過物理媒體對數(shù)據(jù)包 進行發(fā)送和接收淵。 表格 25 不同通信方式的比較 通信方式 性能 藍牙 WiFi UWB IrDA HomeRF ZigBee 系統(tǒng)開銷 較大 大 小 大 較大 小 電池壽命 較短 短 短 長 較長 長 網(wǎng)絡節(jié)點數(shù) 7 30 100 2 127 255/65535 有效物理范圍 10m 100m 10m 定向 1m 50m 1150m 數(shù)據(jù)傳輸率 1Mbps 11Mbps 500Mbps 16Mbps 1/2Mbps 20/250kbps 傳輸介質 980nm紅外 無線傳感器網(wǎng)絡的相關技術 1） 網(wǎng)絡通信協(xié)議 由于傳感器節(jié)點能源能量的限制，其計算、存儲和通信能力十分有限，每個節(jié)點只能獲取到局部網(wǎng)絡的信息。因而節(jié)點上運行的網(wǎng)絡協(xié)議不能太復雜；同時，無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構和外界環(huán)境的不斷變化，也對網(wǎng)絡通信協(xié)議的設計提出了更高要求。 傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和傳輸層 4個層次。它們相互配合運行，使得若干個獨立的傳感器節(jié)點能夠形成一個多跳的動態(tài)的數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡。 2） 核心支撐 技術 無線傳感器網(wǎng)絡里的核心支撐技術使用網(wǎng)絡通信協(xié)議提供的服務，并通過服務接口來屏蔽底層網(wǎng)絡的細節(jié)，使終端用戶可以方便的對無線傳感器網(wǎng)絡進行操作。無線傳感器網(wǎng)絡依靠這些豐富的核心支撐技術構成了一個具體的面向應用的網(wǎng)絡系統(tǒng)。 無線傳感器網(wǎng)絡的核心支撐技術包括拓撲控制、節(jié)點定位、時間同步、網(wǎng)內(nèi)信息處理和網(wǎng)絡安全等。 3） 自組織管理 多變的網(wǎng)絡狀況及環(huán)境要求無線傳感器網(wǎng)絡具有自組織的能力，能夠自動組網(wǎng)運行，自行配置維護，適時轉發(fā)檢測數(shù)據(jù)。自組織網(wǎng)絡技術使用網(wǎng)絡通信協(xié)議提夠的服務，通過網(wǎng)絡管理接口來屏蔽底層網(wǎng)絡的細節(jié)，使終端用戶可以方便的管理配置無線傳感器網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡的自組織管理技術包括節(jié)點管理、資源與任務管理、數(shù)據(jù)管理、初始化與系統(tǒng)維護管理等。 江蘇大學本科畢業(yè)設計 8 4） 開發(fā)與應用 作為一種服務于實際應用的網(wǎng)絡技術，無線傳感器網(wǎng)絡還有有一套現(xiàn)實可行的軟硬件設計原則、高效的開發(fā)平臺以及一系列別具特色的應用實例。 系統(tǒng)整體結構設計 相 關要求 考慮到實際情況無線傳感器網(wǎng)絡 CO氣體監(jiān)測系統(tǒng)的設計需求如下： 1）組網(wǎng)、無線遠距離傳輸： 無線傳感器網(wǎng)絡環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點均采用 Zigbee技術，支持節(jié)點間的自組網(wǎng)，節(jié)點間傳輸距離可達 200m以上。 2）能耗問題： 無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)支持休眠模式，實現(xiàn)了低功耗。無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的匯聚節(jié)點、傳感器節(jié)點都由電池提供能源保障，要充分考慮網(wǎng)絡節(jié)點能夠保障系統(tǒng)持續(xù)的能源供應。 系統(tǒng)總體設計 圖 26 系統(tǒng)總體設計 用于煤田火區(qū)空氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構如圖所示。這是一個 層次型網(wǎng)絡拓結構，最左邊為部署在實際監(jiān)測環(huán)境中的傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)絡，往右依次為移動網(wǎng)絡、網(wǎng)關，最終連接到 Inter 網(wǎng)。為獲得準確的數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點的部署密度往往很大，并且可能部署在若干個不相鄰的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，從而形成多個傳感器網(wǎng)絡；傳感器節(jié)點完成數(shù)據(jù)采集和發(fā)送的任務，部分傳感器節(jié)點還具備消息轉發(fā)的中繼功能，成為路由節(jié)點，匯聚節(jié)點是一個數(shù)據(jù)處理能力和存儲能力都較強的 ZigBee 節(jié)點，充當網(wǎng)絡協(xié)調器的角色。它除了負責發(fā)起和管理整個網(wǎng)絡外，還接收網(wǎng)絡內(nèi)所有傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)進行融合處理后通過網(wǎng)絡 上傳至計算機。計算機負責數(shù)據(jù)的當?shù)仫@示和本地數(shù)據(jù)庫存儲，可江蘇大學本科畢業(yè)設計 9 以將數(shù)據(jù)通過移動網(wǎng)絡傳至遠程計算機。若干個傳感器節(jié)點和一個匯聚節(jié)點通過自組織形式構成 ZigBee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡。更形象的話可以分為兩個部分，即信息采集系統(tǒng)主要由無線傳感器網(wǎng)絡組成，信息監(jiān)測管理系統(tǒng)主要包括檢測控制中心。兩個系統(tǒng)的連接通過無線傳感器網(wǎng)絡接入到因特網(wǎng)或者 GPRS 等其他長距離傳輸網(wǎng)絡而實現(xiàn)。 江蘇大學本科畢業(yè)設計 10 第三章 氣體檢測節(jié)點的硬件設計 硬件平臺的設計是整個環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡的基礎，好的硬件平臺可以平衡網(wǎng)絡性能和成本之間的關系，本章在硬件 方案設計的基礎上，詳細描述了氣體檢測節(jié)點硬件的總體結構和每個模塊的設計思想和實現(xiàn)過程。 節(jié)點組成 節(jié)點由匯聚節(jié)點、傳感器節(jié)點組成 [5]。匯聚節(jié)點分布式處理中心，即協(xié)調器節(jié)點。多個傳感器節(jié)點置于不同的監(jiān)測區(qū)域，每個傳感器節(jié)點把數(shù)據(jù)傳給匯聚節(jié)點，在匯聚節(jié)點完成數(shù)據(jù)融合，然后匯聚節(jié)點把數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳給檢測系統(tǒng)做進一步處理并顯示給用戶。匯聚節(jié)點可以與多個傳感器節(jié)點通信，當用戶沒有數(shù)據(jù)請求時，傳感器節(jié)點只進行低功耗的信道掃描。 節(jié)點的硬件設計 傳感器節(jié)點硬件設計 無線傳感器節(jié)點是一個微型化 的嵌入式系統(tǒng)，構成無線傳感器網(wǎng)絡的基礎支持平臺。不同功能的節(jié)點需要不同的硬件基礎。在系統(tǒng)的硬件設計上，最重要的就是低功耗的設計，這是由無線傳感器網(wǎng)絡的特性決定的。低功耗的設計可以分硬件和軟件兩方面，在硬件方面體現(xiàn)在芯片的選擇上。 總的來說，傳感器節(jié)點主要由傳感器模塊，處理器模塊，無線通信模塊，能量供應模塊及擴展接口組成。其系統(tǒng)結構圖如圖所示。 各種附加模塊傳感器A / D 轉換器傳感器模塊通用接口存儲器微控制器處理器模塊zigBee 模塊無線通信模塊能量供應模塊天 線 圖 31 傳感器節(jié)點硬件結構圖 1）處理器模塊與無線通信模塊 ZigBee無線 單片機 CC2430，它以 8051微處理器為內(nèi)核，其自身攜帶的射頻收發(fā)器可用江蘇大學本科畢業(yè)設計 11 來實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的通信。 集成了處理器模塊和無線通信模塊的功能，有利于實現(xiàn)煤田無線傳感器節(jié)點的設計的小型化，同時省去了連接處理器和無線通信模塊的麻煩，并且對于組建整個無線監(jiān)控網(wǎng)絡而言，節(jié)約的成本也相當可觀。 傳感器將相應的環(huán)境參數(shù)變成電壓、電流、電阻等電量送給信號調理電路，經(jīng)過進行相關調理后送到 CC2430的 ADC接口進行采集后存儲。 無線收發(fā)模塊上留有雙排 20腳的外擴 I/O插針，通過該插針可以實現(xiàn)無線收發(fā)模塊的功能擴展以及和擴展模 塊相連。 處理單元由處理器和存儲器組成，存儲和處理傳感器采集的數(shù)據(jù)。 處理器模塊先把采集的數(shù)據(jù)信號進行模數(shù)轉換，然后進行處理，處理后的數(shù)據(jù)由無線通信模塊發(fā)出。 圖 32 無線傳輸模塊原理圖 無線傳輸模塊電路包括 CC2430 芯片及其外圍電路，由于 CC2430 將 8051 內(nèi)核與無線收發(fā)模塊集成到一個芯片當中因而簡化了電路的設計過程，省去了對單片機與無線收發(fā)芯片之間接口電路的設計，縮短了開發(fā)周期，該電路設計的原理圖如圖所示。其主要包括接口電路、 和 電源濾波路、芯片晶振電路、天線電路 、入網(wǎng)指示電路等。 CC2430芯片延用了以往 CC2420芯片的架構，在單個芯片上整合了 ZigBee射頻 (RF)前端、內(nèi)存和微控制器 [6,7]。 它使用 1個 8位 MCU(8051)，具有 128 KB可編程閃存和 8 KB的 RAM，還包含模擬數(shù)字轉換器、幾個定時器、 AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器、 32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路，以及 21個可編程 I/O引腳。 （ 1） CC2430接口及復位電路 CC2430 模塊預留個 20個引腳，所以在設計電路時需一個 20個引腳的雙排插座，如圖所示， JP1為 20腳雙排插座，是 CC2430模塊與其它電路的接口，通過此接口可連接傳感器、開關、電源及各連接口。引腳 1 接電源 VCC，引腳 19接地，引腳 4和引腳 16分別接傳感器 江蘇大學本科畢業(yè)設計 12 DB171的時鐘線和數(shù)據(jù)線。引腳 19接復位電路，其作用是將單片機復位， S1為復位開關。其剩余的 I/O 口，留做擴展口使用，預留出特定的傳感器的接口，以滿足其他監(jiān)測的要求。 圖 33 CC2430接口及復位電路 CC2430 是無線 SOC 設計，其內(nèi)部已集成了大量必要的電路，因此采用較少的外圍 電路即可實現(xiàn)信號的收發(fā)功能。如圖為 CC2430 應用電路， C341 和電感 L34 L32