【文章內(nèi)容簡介】 單元（由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成）、處 理單元（由嵌入式系統(tǒng)構成，包括 CPU、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)等）、通信單元（由無線通信模塊組成）、以及電源部分此外，可以選擇的其它功能單元包括：定位系統(tǒng)、移動系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等 。 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。當傳感器節(jié)點部署完成后，所有傳感器節(jié)點以自組織形式構成網(wǎng)絡，在每個節(jié)點構建路由信息，以使每個節(jié)點都可以與網(wǎng)絡中的其他節(jié)點通訊。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。 Sink 節(jié)點必須在傳感器網(wǎng)絡的覆蓋范圍之內(nèi)，用戶的控制終端可以在任何地域范圍內(nèi) 。 基于 ZigBee 的無線傳感器網(wǎng)絡簡介 [2]標準的 PHY 和 MAC 層再加上 ZigBee 的網(wǎng)絡和應用支持層所組成的。其突出的特點是網(wǎng)絡系統(tǒng)支持極低成本、易實現(xiàn)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸、短距離操作、極低功耗、各層次的安全性等。為了達到極低的設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備，全功能設備和消減功能設備： （ 1） 全功能設備（ Full Function Device, FFD），可以支持任何一種拓撲結構，可以作為網(wǎng)絡協(xié)商者和普通協(xié)商者，并且可以和任何一種設備進行通信； （ 2） 消減功能設備（ Reduced Function Device, RFD），只支持星型結構，不能成為任何協(xié)商者，可以和網(wǎng)絡協(xié)商者進行通信，實現(xiàn)簡單。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 5 與物理節(jié)點相對應，在 網(wǎng)絡協(xié)商者，終端節(jié)點一般使用消減功能設備來降低系統(tǒng)成本和功耗，提高電池使用壽命。另外所有設備必須使用一個 64 位的 IEEE 地址；可以使用 16 位短地址來減少數(shù)據(jù)包大小；尋址模式可以為網(wǎng)絡加設備標識符的星型結構，或者源和目標標識符的點到點結構（包括了簇樹和 Mesh 網(wǎng)絡）兩種。 物理層的設計是面向低成本和更高層次的集成需求的，對大部分較低 端的實現(xiàn)來主，直接序列（ Direct Sequence）的應用使用模擬電路變得非常簡單，具有更高的容錯性能； MAC 層的設計不但使得多種拓撲結構網(wǎng)絡的應用變得簡單，可以實現(xiàn)非常有效的功耗管理，而不需要在很多管理模式之間的切換。 MAC 層可以使用一種消減功能設備（ Reduced Functional Device），由于其結構簡單，不需要大量的 Flash、 ROM 和 RAM 等存儲設備，從而保證了較長的電池壽命。MAC 還進行了特別的設計，可以支持極大數(shù)目的網(wǎng)絡節(jié)點，而不需要對它們進行包裝處理；網(wǎng)絡層的設計支持網(wǎng)絡規(guī)模在 空間上增長而不需要使用高功耗的中繼器，而且網(wǎng)絡層在較少網(wǎng)絡負載的條件下可以支持更大數(shù)目的網(wǎng)絡節(jié)點。 基于 ，必將成為今后無線網(wǎng)絡發(fā)展的一大方向。 ZigBee 的無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)議標準 概述 隨著通信技術的迅速發(fā)展，人們提出了在自身附近幾米范圍內(nèi)通信的要求，這樣就出現(xiàn)了個人區(qū)域網(wǎng)絡（ Personal Area Network, PAN）和無線個人區(qū)域網(wǎng)絡（ Wireless Personal Area Network, WPAN）的概念。 WPAN 網(wǎng)絡為近距離范圍內(nèi)的設備建立無線連接，把幾米到幾十米范圍內(nèi)的多個設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。 2021 年 8 月成立的 ZigBee聯(lián)盟就是一個針對 WPAN 網(wǎng)絡而成立的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。該聯(lián)盟致力于近距離、低復雜度、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡技術。他們開發(fā)的技術被稱為 ZigBee 技術，該技術希望被部署到商用電子、住宅及建筑自動化、工業(yè)設備監(jiān)測、 PC 外設、醫(yī)療傳感設備、玩具以及游戲等其他無線傳感和控制領域當中。 ZigBee 聯(lián)盟已于 2021 年 6 月 27 日公布了第一份 ZigBee 規(guī)范 “ ZigBee Specification ” 。這標準定義了在 物理層和標準媒體接入控制層上的網(wǎng)絡層及支持的應用的服務。 ZigBee 聯(lián)盟的長期目標是能夠建立基于互操作平臺和配置文件的可伸縮、低成本嵌入式基礎架構。 在 WPAN 中有三種網(wǎng)絡角色： PAN 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器和設備。這三種角色在、 ZigBee 路由器和設備。 PAN黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 6 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器可以看作是一 個 PAN 的網(wǎng)關節(jié)點（也即 SINK 節(jié)點）。它是網(wǎng)絡建立的起點，負責 PAN 網(wǎng)絡的初始化，確定 PAN 的 ID 號和 PAN 操作的物理信道并統(tǒng)籌短地址分配。協(xié)調(diào)器在加入網(wǎng)絡之后獲得一定的短地址空間。這個空間內(nèi)，他有能力允許其他節(jié)點加入網(wǎng)絡，并分配短地址，當然協(xié)調(diào)器還具備路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。 PAN 協(xié)調(diào)器和協(xié)調(diào)器周期發(fā)出信標幀（ Beacon Frame），必須是全功能設備（ FFD）。設備是整個網(wǎng)絡的葉結點，它只能與它的父節(jié)點通信，也沒有加入其他任何節(jié)點的能力。設備可以是全功能設備（ FFD）或縮減功能設備（ RFD）。 。每一層為上層提供一系列特殊的服務：數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務，管理實體則提供所有其他的服務。所有的服務實體都通過服務接入點（ SAP）為上層提供一個接口，每個 SAP 都支持一定數(shù)量的服務原語來實現(xiàn)所需的功能。 應用的實際需要定義 的 。其中， 標準定義了底層：物理層（ Physical Layer， PHY）和媒體訪問控制層（ Medium Access Control SubLayer，MAC）層。 ZigBee 聯(lián)盟在此基礎上定義了網(wǎng)絡層（ Network Layer， NWK），應用層（ Application Layer， APL）架構。其中應用層包括應用支持子層（ Application Support SubLayer， APS），應用架構（ Application Framework， AF）， ZigBee設備對象（ ZigBee Device Objects， ZDO）以及用戶定義應用對象。 工作在工業(yè)科學醫(yī)療（ ISM）頻段，定義了兩個物理層，分別工作在兩個頻段上： 868/915MHz 和 。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。高頻段則全球通用。 MAC 層采用 CSMACA 機制來控制信道接入，主要負責傳輸信標幀，同步以及提供可依賴的傳輸機制。相關內(nèi)容將在以下的小節(jié)中具體介紹。 網(wǎng)絡層和的主要職責包括提供設備用來加入網(wǎng)絡和離開網(wǎng)絡的機制，提供數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)陌踩珯C制和路由機制 。另外，發(fā)現(xiàn)并保持設備間的路由，發(fā)現(xiàn)一跳鄰居并存儲潛在鄰居信息也是由網(wǎng)絡層（ NWK）完成的。 ZigBee 協(xié)調(diào)器的 NWK層還必須負責啟動一個新的網(wǎng)絡，給新的關聯(lián)設備分配地址等工作。 ， AF， ZDO 以及用戶定義應用對象。應用支持子層（ APS）子層負責維護綁定表，以及傳輸在綁定的設備間傳輸數(shù)據(jù)。設備綁定表用于根據(jù)設備間提供服務的要求來匹配設備并儲存相關設備信息的。黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 7 ZigBee 設備對象（ ZDO）負責定義設備在網(wǎng)絡中的角色（如 ZigBee 協(xié)調(diào)器中斷設備）， 提出或響應綁定請求，以及建立網(wǎng)絡設備間的安全關系。 ZigBee 設備對象（ ZDO）還要負責網(wǎng)絡設備的發(fā)現(xiàn)及判定對方提供哪類服務。 本文主要內(nèi)容 本文的主要工作就是對無線傳感器網(wǎng)絡的 低功耗 技術進行分析，掌握 其最佳低功耗的方案 ；對 低功耗 無線傳感器網(wǎng)絡各層協(xié)議進行 學習、 分析，找到制約其應用的難點；重點對目前無線傳感器網(wǎng)絡 MAC 層協(xié)議的主流標準 進行分析，并在此基礎上，結合 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)絡節(jié)點的低功耗。 本文結構安排 本文的工作是圍繞著無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)能 、低功耗 技術這一熱點問題進行的。 本 文的 設計安排 安排如下： 第一章為緒論。簡要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡的現(xiàn)狀和應用 ， 同時簡要介紹了基于 ，并指出了本文的 技術 內(nèi)容 ，即實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的低功耗 。 第二章主要介紹無線傳感器網(wǎng)絡 的 技術特點、無線傳感器網(wǎng)絡關鍵技術相關 技術說明 ， 并且要 較為全面地介紹 ，主要描述其 標準的協(xié)議架構，網(wǎng)絡服務接入點、原語等基本概念以及對 低功耗 無線傳感器網(wǎng)絡的能耗特點進行分析，對比現(xiàn)有的節(jié)能技術 ，并提出整體的方案。 第 三 章是本文的核心。在這里 給出了整體的硬件電路設計思路，并且對電路的各個部分進行分析與解釋。 第 四 章 敘述程序的編程方案，給出程序的框架結構圖并 對全文進行總結，并對以后的 設計 工作進行展望。黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 8 第 2 章 整體方案分析 整體方案確定 針對 本設計的 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。正常情況下傳感器節(jié)點間距離為50~100 米左右 比較適宜，而環(huán)境的不同將導致傳輸距離的不同，發(fā)射功率減小、溫度過低、障礙物等都將減小傳輸距離，低功耗設置下 50 米范圍正常情況可以達到。 （ 2）在選擇芯片時應考慮到射頻芯片的發(fā)送電流與接收電流，不能超過技術指標，例如 CC2520 的接收電流在功率 50dBm 時 為 ，可以作為備選芯片。 （ 3）普通的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點電壓多為 5V 或 ，然而電壓高低影響著傳感器節(jié)點的功耗，因此在芯片選擇時要注意選擇供電電壓低的芯片以減小功耗。 結合以上幾點，本設計的結構如圖 所示 圖 低功耗無線傳感器網(wǎng)絡工作過程結構示意圖 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)模塊進行供電。傳感器模塊進行信息的采集，之后傳送給處理器模塊，隨后處理器模塊處理采集的信息，與此同時處理器模塊也把信息發(fā)給無線射頻收發(fā)模塊進行發(fā)射電源模塊 傳感器模塊 無線射頻收發(fā)模塊 串口單元 處理器模 塊 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 9 無線信號。當然無線射頻收發(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)絡的其他節(jié)點或者用戶終端進行處理和顯示。 低功耗的方案對比和選擇 通過對本設計初期理解，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的低功耗，本設計需要一個處理器，一個信號收發(fā)芯片和多點通訊協(xié)議。因此我需要對這三方進行對比、選擇。 處理器的對比和選擇 51 系列單片機的特點 51單片機是單片機中的一種，單片機（ singlechip microputer）是一塊集成芯片，但不是一塊實現(xiàn)某一個邏輯作用的芯片，而是在這塊芯片當中，集成了一個計算機系統(tǒng)。如中央處理器（ CPU）、存儲器（ ROM,RAM）、 I/O 接口、定時器 /計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等。中央處理器是單片機的核心單元，他由運算器和控制器組成，他的主要作用是實現(xiàn)算術運算、邏輯運算、和控制。 其特 點有： 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 、 擴展性能好，非常容易構成各種應用系統(tǒng)。 MSP430系列芯片的特點 TI 公司的 MSP430 系列芯片其工作電壓范圍為 ~，它具有五種節(jié)電工作模式，在不同的模式下消耗的電流在 ~400μ A，可以獲得很低的功耗。從休眠到正常工作整個喚醒時間只需 6μ s，反應速度快。它內(nèi)部集成了 A/D 和 D/A轉(zhuǎn)換器。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)絡節(jié)點。利用 MSP430 系列芯片的片內(nèi)資源，使節(jié)點不僅具有較完善的功能，還可化簡系統(tǒng)硬件電路，降低功耗和體積，大大提高節(jié)點的可靠性和性價比。 依據(jù)以前兩種處理器的對比和分析，本設計很容易的就可以確定使用 MSP430系列的芯片作為低功耗無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的處理芯片。 信號收發(fā)芯片的選擇 從上節(jié)得到的分析結果，我發(fā)現(xiàn)了 TI 公司的 CC2520射頻信號收發(fā)芯片。 該芯片專門用于企業(yè)、科學研究所與醫(yī)療部門的 非正式頻率寬度所用。 它具有當今業(yè)界最佳的選擇性、共存性及優(yōu)異的鏈路預算 功能特點，其產(chǎn)品目標在于滿足各種應用中 ZigBee/IEEE ，這包括工業(yè)監(jiān)控、家庭與樓宇自動化、機頂盒、遠程控制以及無線傳感器網(wǎng)絡。 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院本科生畢業(yè)設計 10 無源組件協(xié)同 工 作。 CC2520產(chǎn)品為各種應用提供了廣泛的硬件支持，包括數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)傳輸、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)認證、空閑通道評估、鏈接質(zhì)量指示以及數(shù)據(jù)包計時信息等，從而降低了主機控制器上的負載。而 MSP430 MCU系列產(chǎn)品具備各種高集成度外設，如動態(tài)存 儲器存取