【正文】 最后，還要感謝父母對我多年的教導和養(yǎng)育之恩，他們每天的支持和厚愛是我努力學習的動力，我將以優(yōu)異的成績作為獻給他們最好的禮物。 感謝答辯組的老師在中期答辯以及成果演示的過程中，對我的設(shè)計的 不足之處給予提醒，對設(shè)計的步驟和規(guī)范方面給我以正確的引導，使我能夠很快進入狀態(tài)，圓滿完成設(shè)計任務(wù)。在大學期間，有幸得到張老師的指點，使我受益終生。 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 的指導和不懈的支持。雖然能實現(xiàn)本設(shè)計的要求，但是我認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。本文以電路圖的設(shè)計與分析、框架流程圖與程序還有畢業(yè)設(shè)計說明書，作為本設(shè)計的提交成果。通過程序流程圖對程序的工作過程進行了初步的講解和分析，使得本文對本設(shè)計程序設(shè)計方面的講解更加形象深刻。 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致程序卡死；在接收程序當中會明顯看到被注釋的部分就是當時調(diào)試的結(jié)果， 具體接收程序?qū)⒃诟戒浿薪o出。 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。 程序設(shè)計流程如圖 所示。然后在調(diào)用讀取子函數(shù)繼續(xù)讀取下一幀數(shù)據(jù)。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。讀取數(shù)據(jù)程序的的流程圖如圖 所示。如圖 圖 主程序框架結(jié)構(gòu)圖 開始 傳感器是否采集數(shù)據(jù) MCU、無線模塊休眠 MCU、無線模塊開啟 無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù) 無線模塊開啟發(fā)送模式 MCU、無線模塊休眠 無線模塊是否接收數(shù)據(jù) MCU 處理數(shù)據(jù) 無線模塊開啟發(fā)送模式 無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù) MCU、無線模塊休眠 結(jié)束 是 否 是 是 否 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 16 本設(shè)計重點在于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗，因此，在流程圖中適當?shù)谋憩F(xiàn)出 MCU 與無線模塊的休眠與啟動，是本設(shè)計的硬件低功耗的一大特點，只有在硬件應用時才會啟動，其他時間里都是出于休眠狀態(tài)。本設(shè)計的軟件程序主 要有兩方面， 首先是發(fā)射程序的設(shè)計，然后是接收程序的設(shè)計 。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 。 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。選用 DS18B20為溫度傳感器的電路十分簡潔， 9位溫度信號經(jīng)一條總線，直接傳遞給單片機進行處理（ DS18B20的 DQ 與 MSP430F2618的 ） 。 LT1073220R6536KR4R5DIN5818120uHL100uFC13BTGND3V 40mAUm1ILm2GND3SW14FB5SW26 圖 電源電路 本系統(tǒng)的溫度傳感器采用 Dallas 半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器 DS18B20。 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。 1%）電阻； C10 為偏壓器負載電容； Y3( 32 MH z)與 C1 C12 兩個負載電容一起組成外部晶體振蕩器。在射頻收發(fā)電路中， VCC _EM 輸入 1. 8 V 到 3. 8 V 電源電壓。 CC2520 是德州儀器（ T I）推出 GH z 免授權(quán) ISM 頻帶專用的第二代 ZigBee / IEEE 無線射頻收發(fā)器，提供了選擇性 /共存性和優(yōu)異的鏈路預算，專門支持各種 ZigBee / IEEE 及專屬無線系統(tǒng)，適合工業(yè)監(jiān)視與控制、家庭與大樓 自動化、機頂盒、遙控和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應用。當系統(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。 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。當然無線射頻收發(fā) 芯片 也可以 通過外圍收發(fā)電路， 接收外 部信號，通過處理 器芯片的處理再把信號發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的其他節(jié)點或者用戶終端進行收發(fā)、處理和顯示。 電路主體結(jié)構(gòu)框架圖及其工作原理 圖 主體電路結(jié)構(gòu)框架圖 首先 干 電池 電源 對 MSP430F2618 芯片 、 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器 、 CC2520MSP430F2618 DS18B20 CC2520 干電池電源 外圍收發(fā)信號電路 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 12 收發(fā)芯片 進行供電。 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。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。能同時滿足這兩個要求的 430單片機型號不多， 所以經(jīng)過查找，發(fā)現(xiàn) MSP430f2618 芯片，它有 有 64 引腳和 80引腳兩種封裝。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 11 第 3 章 硬件電路設(shè)計分析 硬件電路設(shè)計思路 經(jīng)過第 2 章的敘述已經(jīng)確定了完成本設(shè)計所需要的主要元器件，所以本章開始講述低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計的硬件電路的設(shè)計。 （ 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，同時各個應用可以靈活確定其安全屬性。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。 （ 3）成本低：模塊的初始成本估計在 6 美元左右，很快就能降到 美元到 美元之間，且 ZigBee 協(xié)議是免專利費的 。 （ 2）可靠：采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。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 的應用而言是完美選擇。 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(shè)計 10 無源組件協(xié)同 工 作。 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。 依據(jù)以前兩種處理器的對比和分析，本設(shè)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(luò)節(jié)點的處理芯片。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。從休眠到正常工作整個喚醒時間只需 6μ s，反應速度快。 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(gòu)成各種應用系統(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。因此我需要對這三方進行對比、選擇。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(luò)的其他節(jié)點或者用戶終端進行處理和顯示。 結(jié)合以上幾點，本設(shè)計的結(jié)構(gòu)如圖 所示 圖 低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作過程結(jié)構(gòu)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。 （ 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(shù)指標，例如 CC2520 的接收電流在功率 50dBm 時 為 ，可以作為備選芯片。黑龍江工程學院本科生畢業(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。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。 第二章主要介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 的 技術(shù)特點、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)相關(guān) 技術(shù)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(gòu)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)接入點、原語等基本概念以及對 低功耗 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗特點進行分析，對比現(xiàn)有的節(jié)能技術(shù) ，并提出整體的方案。 本 文的 設(shè)計安排 安排如下： 第一章為緒論。 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(luò) MAC