【正文】 s Guide[S].Texas Instrument. . [4] DS1302 Datasheet[S].Dallas Semiconductor. . [5] ZStack Developer39。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 35 致謝 在本次畢業(yè)設(shè)計的實施過程中，很多老師和同學(xué)給了我們很多幫助，以及我們的指導(dǎo)老師田敏副教授，在此一并表示感謝。首先在硬件制作上，我們從頭至尾制作了將近五六十塊電路板，最終的成品硬件電路共有近 20 塊，所有的電路板都是使用熱轉(zhuǎn)印方式手工制作完成。 break。 SYS_EVENT_MSG ) { MSGpkt = (afIningMSGPacket_t *)osal_msg_receive( GenericApp_TaskID )。 ZStatus_t sentStatus。 在任務(wù)中注冊消息，指定消息處理函數(shù)，進(jìn)行消息處理 如上圖所示，各消息在任務(wù)的消息處理函數(shù)中得到處理。 // 注冊所有的按鍵消息 RegisterForKeys( GenericApp_TaskID )。GenericApp_SimpleDesc。 = GENERICAPP_ENDPOINT。 GenericApp_TransID = 0。其內(nèi)容如下： 可 以看到，該任務(wù)初始化函數(shù)首先進(jìn)行了任務(wù) ID 的設(shè)置，然后進(jìn)行了一些初始化操作和設(shè)置，然后最后四行都是注冊函數(shù)。 endif GenericApp_Init( taskID )。 endif APS_Init( taskID++ )。 macTaskInit( taskID++ )。所以事先要建立一個任務(wù)，所有注冊的消息都會投遞到該任務(wù)的消息隊列中，等到該任務(wù)執(zhí)行時，會調(diào)用該任務(wù)的消息處理函數(shù)對消息隊列中的未處理消息進(jìn)行處理。 終端節(jié)點的程序編寫是基于 ZSTACK 協(xié)議棧的， ZSTACK 本身就是基于RTOS 構(gòu)建的，其內(nèi)部包含了消息處理、消息隊列、消息發(fā)送等完整的消息驅(qū)動編程模型 [11]。 終端節(jié)點軟件設(shè)計 終端節(jié)點要與傳感器通信，所以要軟件模擬單總線（ Single Wire）的時序，收發(fā)單總線協(xié)議的命令和數(shù)據(jù)。其采集的溫度范圍是 0 到 50 攝氏度，分辨率是 1 攝氏度，誤差范圍是正負(fù) 2 攝氏度。為了實現(xiàn)現(xiàn)場和手動匹配功能，節(jié)點上必須有至少一個按鍵，為了指示運行狀態(tài)，需要連接 LED 發(fā)光數(shù)碼管。 進(jìn)中斷 中斷返回 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 30 、數(shù)據(jù)感知層 終 端節(jié)點硬件設(shè)計 終端節(jié)點主要的任務(wù)是采集數(shù)據(jù)，上傳數(shù)據(jù)。與無線模塊的通信采用的是 SPI 接口。 ,Uart.h 該部分包括了串口 1 和串口 2 的初始化函數(shù)，進(jìn)行串口波特率設(shè)置、數(shù)據(jù)格式設(shè)置等配置，還包含串口 1信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 27 和串口 2 的中斷處理函數(shù)，還包括一些串口收發(fā)函數(shù)，如發(fā)送字符串函數(shù) uart_send_string，發(fā)送字符函數(shù)，發(fā)送十六進(jìn)制字符函數(shù)等 ,Zl 該部分是來自周立功公司的 sja1000 CAN 總線控制器芯片的驅(qū)動函數(shù)模塊，主要包含 SJA1000 的初始化，配置，收發(fā)等功能，以及一些 CAN 總線相關(guān)常變量的定義，該部分內(nèi)容都是 CAN 總線中與硬件配置無關(guān)的內(nèi)容， 與 CAN 總線硬件配置有關(guān)的內(nèi)容如復(fù)位引腳、中斷配置在單獨的文件中。菜單任務(wù)是一個 每 執(zhí)行一次的定時任務(wù)，菜單任務(wù)根據(jù)需要判斷相應(yīng)的標(biāo)志位，來決定是否更新顯示內(nèi)容，這樣既可以及時更新顯示信息，也不會由于頻繁刷新而造成 LCD顯示閃爍現(xiàn)象發(fā)生。 協(xié)調(diào)器部分的軟件編寫需要考慮以下幾方面的內(nèi)容：首先，需要考慮通信的需求，網(wǎng)關(guān)是通信的樞紐，是整個網(wǎng)絡(luò)的信息集散地，所以必須能夠具備通信功能；第二，協(xié)調(diào)器需要轉(zhuǎn)換各種不同的通信數(shù)據(jù)格式，提取出有效信息；第三，協(xié)調(diào)器部分需要接受用戶輸入，并提供信息顯示界面，也就是進(jìn)行人機(jī)交互。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 25 圖 37最終系統(tǒng)運行示意圖 如 圖 37 所示為一個典型 ZigBee 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)圖示。 ZigBee 模塊： 作為網(wǎng)關(guān)，在與傳感器節(jié)點 進(jìn)行通信時、使用 ZigBee 協(xié)議， ZigBee 模塊首先收集傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，然后通過串口或者 SPI 接口與主控制器 STC12LE5A60S2 進(jìn)行通信，將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行上報，后者再對信息進(jìn)行緩存并選用合適的方式如 CAN 總線或者 485 總線或者串口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，傳輸?shù)缴弦粚印? GSM/GPRS 模塊： GPRS（ General Packet Radio Service）是 GSM 移動電話系統(tǒng)中的一種數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。他是一種半雙工網(wǎng)絡(luò)，采用平衡發(fā)送和差分接收技術(shù)、收發(fā)器具有高靈敏度，可以檢測200mv 的電壓，所以具有較強的抗共模干擾的能力，并且經(jīng)過較長距離的傳輸后，信號仍然可以被識別出來。主控制器 STC12LE5A60S2 的中斷數(shù)量有限，無法為每一個按鍵都分配一個獨立的外部中斷，但掃描方式連接鍵盤消耗資源過大、實時性和響應(yīng)速度也不理想，所以該鍵盤采用共用中斷方式連接到系統(tǒng)中（連接到外部中斷 INT0）， 任何一個按鍵按下時都產(chǎn)生中斷，在中斷程序中通過掃描來識別按鍵，既可以實現(xiàn)響應(yīng)速度上的要求，也可節(jié)約系統(tǒng) IO口和中斷資源 [6]。為了滿足 GPRS 模塊對電源的要求，保證通信穩(wěn)定，此處采用MIC29302 芯片進(jìn)行穩(wěn)壓供電，該芯片具有低壓降（ ）、大電流（ 3A）等特點，并且輸出電壓可調(diào)，但價格過于昂貴，實驗證明，采用開關(guān)型電壓芯片如LM2576 等也可以 為模塊供電并且工作正常。另外，在網(wǎng)絡(luò)啟動時，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化，分配地址，劃分網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)也是協(xié)調(diào)器的功能，協(xié)調(diào)器原則上需要采用主電源供電，也可以采用電池供電，但由于ZigBee 協(xié)議本身的一些特性決定了協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)中 扮演了重要的角色，同時，它的負(fù)擔(dān)非常重。并且手持設(shè)備還需要與無線模塊進(jìn)行通信、軟件模擬 IIC 總線時序與 AT24C02 進(jìn)行通信、與 DS1302 實時時鐘芯片進(jìn)行通信 [4]?？捎糜诖鎯σ恍┫到y(tǒng)配置以及一些需要持久保存的信息，主要只作為后備存儲器，由于空間有限，一般不存儲信息。 數(shù)據(jù)輸入鍵盤模塊： 4*4 矩陣鍵盤，實現(xiàn)輸入十六進(jìn)制數(shù) 0 到 F，與功能鍵盤相同，本鍵盤也采用共用中斷方式連接到主控制器的外部中斷（ INT1）上，當(dāng)按鍵按下的時候，在中斷服務(wù)子程序中對按鍵進(jìn)行解碼。 液晶模塊： 使用 12864 液晶顯示屏，此屏自帶中文字庫和驅(qū)動芯片，可以通過串行或者并行方式與主控制器連接。 圖 35上位機(jī)軟件截圖 4 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 20 手持設(shè)備 設(shè)計 手持設(shè)備主要實現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境下的監(jiān)測和簡單控制，不在受限于計算機(jī)環(huán)境。 圖 34上位機(jī)軟件截圖 3 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 19 終端動作控制模塊 如圖 35 所示， 顯示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中各個執(zhí)行部件的動作狀態(tài)，發(fā)出驅(qū)動各部件的指令。 圖 33上位機(jī)軟件截圖 2 網(wǎng)絡(luò)控制臺模塊 主要實現(xiàn)實時網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的顯示，網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)概述。通過定期的更新和查詢，實現(xiàn)整個 系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實時動態(tài)更新顯示。用戶分為兩個組：普通用戶和管理員，普通用戶只能查看系統(tǒng)狀態(tài)和監(jiān)視結(jié)果，管理員可以發(fā)出修改和控制指令。 數(shù)據(jù)感知層： 主要實現(xiàn)各種目標(biāo)物理量的采集、感知、傳輸，必要時可以作為上層控制信號接受終端，驅(qū)動執(zhí)行器進(jìn)行各種動作。 上位計算機(jī)軟件和手持設(shè)備及人機(jī)界面的設(shè)計 通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將溫度、濕度等環(huán)境因素的信息傳到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，然后通過有 線（ RS232）或者無線（ GPRS）上傳到上位計算機(jī)，并且存入數(shù)據(jù)庫，然后通過 B/S 方式的簡易信息管理系統(tǒng) 將數(shù)據(jù)展示給用戶，用戶也可以通過手機(jī)短信的方式與系統(tǒng)進(jìn)行簡單的交互。路由器節(jié)點負(fù)責(zé)將終端節(jié)點的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，不進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。目前，該芯片廣泛應(yīng)用，所以容易獲取，開發(fā)工具和資料也很充足 [2][3]。 在構(gòu)建基于 ZigBee 技術(shù)的無線通信網(wǎng)絡(luò)時，我們將選用 TI 公司的片上系統(tǒng)(SOC)解決方案 CC2430。 LLC 子層主要功能包括：傳 輸可靠性保障和控制，數(shù)據(jù)包的分段與重組，數(shù)據(jù)包的順序傳輸。 數(shù)據(jù)鏈路層： IEEE802 系列標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)鏈路層分為媒質(zhì)接入層 MAC 和邏輯鏈路控制層 LLC(Logic Link Control Layer)。 媒體介入層： IEEE MAC(Medium Access Layer)層提供了兩種服務(wù)：MAC 層數(shù)據(jù)服務(wù)和 MAC 層管理服務(wù)。對于我們的監(jiān)測系統(tǒng)來說，功耗是一個很致命的限定因素，它直接關(guān)系到成本和可維護(hù)性， ZigBee 協(xié)議本身的低功耗設(shè)計，配合各種精心設(shè)計的 ZigBee 專用芯片，可以使功耗最大程度的降低。 系統(tǒng)硬件構(gòu)建難度和復(fù)雜度相對較低，以 Texas Instrument 為代表的各大半導(dǎo)體廠商為 ZigBee 開發(fā)生產(chǎn)了一系列的專用芯片，包括射頻前端放大器、無線收發(fā)器、片上系統(tǒng)等各種檔次不同類型的芯片，這些芯片的出現(xiàn)，極大的降低了構(gòu)建 ZigBee 應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)雜度和風(fēng)險性。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由 ZigBee 聯(lián)盟 (ZigBee Alliance)制定， IEEE負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。 可靠 ：采用了碰撞避免（ CSMACA）機(jī)制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙 (GTS, Guaranteed time slot)，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。其實這個傳輸距離已經(jīng)完全可以滿足家庭和辦公環(huán)境的應(yīng)用需求。人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近距離無線網(wǎng)絡(luò)通信信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 11 技術(shù)，這也包含了這種寓意。 UWB 技術(shù)帶寬相對較大，分辨率高，抗多徑衰落強，抗干擾強、保密性好、定位精確、系統(tǒng)容量大且傳輸速率高。目前，支持它的軟硬件技術(shù)都很成熟，在小型移動設(shè)備 (如 PDA、手機(jī) )上被廣泛使用。 lrDA 的宗旨是制訂以合理的代價實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，以推動紅外通信技術(shù)的發(fā)展。 WiFi 規(guī)定了協(xié)議的物理 (PHY)層和媒體接入控制 (MAC)層，并依賴 TCP/IP 作為網(wǎng)絡(luò)層。 的最初規(guī)范是在 1997 年提出，主要目的是提供 WLAN 接入，是目前 WLAN 的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。多個 Pico 間也可互連形成散射網(wǎng)(Scatter)，在不需要用戶干預(yù)的情況下，可通過相應(yīng)的控制軟件建立連接，進(jìn)而傳輸數(shù)據(jù)。各種信息化的移動便攜設(shè)備通過無線的連接方式實現(xiàn)資源共享。 目前，國內(nèi)已經(jīng)開始有部分城市開始使用基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的產(chǎn)品，如濟(jì)南市的基于 ZigBee 的路燈照明控制系統(tǒng)。 2020 年 ,中國科學(xué)院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，在無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)方向上陸續(xù)部署了若干重大研究項目，初步建立了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究平臺，在無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器端機(jī)、移動機(jī)站和應(yīng)用系統(tǒng)等方面取得很大進(jìn)展。以 ZigBee 為例， TI 公司不僅開發(fā)了基于 ZigBee2020 協(xié)議的協(xié)議棧軟件，還開發(fā)了 TI 自有的 SimplicTI 以及 TIMAC 等軟件協(xié)議棧，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)和應(yīng)用更為容易， MicroChip 公司也稱開發(fā)過 ZigBee協(xié)議棧，目前 ST 意法半導(dǎo)體公司也推出了一些可以與其 CortexM0 系列低功耗處理器配套的 ZigBee 收發(fā)器芯片等。麻省理工學(xué)院已經(jīng)開始研究用于超低能耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方法和技術(shù)。美國的加州大學(xué)伯克利分校、加州大學(xué)洛杉磯分校、麻省理工學(xué)院、康奈爾大學(xué)等 高校已經(jīng)進(jìn)行了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 7 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點，涉及多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，所需要研究的內(nèi)容包括通信、組網(wǎng)、管理、分布式信息處理等許多方面。因此，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)具有較好的擴(kuò)展性。 (3)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點集成多種類型的傳感器，使得同時采集多個事件特征數(shù)據(jù)成為可能。具有以下優(yōu)點。 CAN。在實際生產(chǎn)生活的很多領(lǐng)域中，各種無線數(shù)據(jù)傳輸 技術(shù)已經(jīng)開始普及應(yīng)用。本設(shè)計正是在這樣一種背景下，探討和研究實現(xiàn)利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（基于 ZigBee 技術(shù)）來實現(xiàn)對棉田等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用一些如 CAN 或者 485 之類的現(xiàn)場總線來進(jìn)行集中傳輸，同時引入了 GPRS 模塊，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有了與 Inter 中的計算機(jī)節(jié)點進(jìn)行交互通信的能力，還可以通過 B/S 模式的信息管理系統(tǒng)或者手機(jī)短信等方式與用戶進(jìn)行交互。 RS485。 (1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織特性使得信息獲取系統(tǒng)的組建不需要額外的硬件支持，微型化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點更易 安裝，不需要進(jìn)行架設(shè)和復(fù)雜布線。因此可綜合利用直接方法與間接方法的優(yōu)勢，同時完成 對宏觀異常事件和微觀異常事件的準(zhǔn)確、及時檢測，