【正文】 要以通信模塊為主，一方面與終端節(jié)點(diǎn)通過無(wú)線通信，另一方面通過 485[9]或者 CAN 總線或者 ZigBee 無(wú)線與其它協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)通信，所有的協(xié)調(diào)器中還有一個(gè)要通過 RS232 與上位計(jì)算機(jī)通信。本系統(tǒng)中采用的 SIM900A 模塊，其內(nèi)部嵌入了 TCP/IP 協(xié)議棧、信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 24 UDP 協(xié)議棧、 PAP 協(xié)議等，通過 AT 指令即可控制其建立 TCP 或者 UDP 協(xié)議連接，與公網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行通信，由于內(nèi)置了協(xié)議棧、所以連接建立和維護(hù)的過程不需要二外干預(yù)，均由模塊自動(dòng)完成，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、降低了開發(fā)難度[8]。是對(duì)傳統(tǒng)的 GSM 業(yè)務(wù)的升級(jí)和延續(xù)， GPRS采用了分組交換方式而不是傳統(tǒng)的電路交換方式、并且使用的是一些不固定的空閑信道、所以影響用戶通話功能、數(shù)據(jù)采用包（ Packet）的方式進(jìn)行傳輸、通過SGSN GPRS 服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)和 GGSN GPRS 網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)的配合實(shí)現(xiàn)分組數(shù)據(jù)的傳輸。本系統(tǒng)中采用 供電的MAX3485 芯片作為收發(fā)器，通過 IO 口控制收發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。由于采用半雙工方式工作，任何時(shí)候網(wǎng)絡(luò)中只有一點(diǎn)可以發(fā)送數(shù)據(jù)、所以一般都是采用一主多從的方式，由主站發(fā)起通信、從站應(yīng)答。 485 總線模塊： 485 總線是一種非常經(jīng)典和常見的總線技術(shù)，與本系統(tǒng)中采用的另一種現(xiàn)場(chǎng)總線 CAN 相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的特點(diǎn)。 CAN 總線模塊： CAN 是一種非常常用的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，具有抗各種環(huán)境下的電磁干擾、較高的數(shù)據(jù)傳輸速率、支持大量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)、自動(dòng)錯(cuò)誤檢測(cè)、優(yōu)先級(jí)和總線仲裁等優(yōu)良特性，非常適合在各種強(qiáng)干擾場(chǎng)合進(jìn)行分布式控制和數(shù)據(jù)傳輸。 功能鍵盤模塊： 2*2 矩陣鍵盤，在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上，該鍵盤作為功能鍵盤，實(shí)現(xiàn)菜單上翻、下翻、確定、返回主菜單等功能。 液晶模塊： 使用 1602 液晶顯示屏，此屏自帶西文字庫(kù)和驅(qū)動(dòng)芯片，可以通過并行方式與主控制器連接。 電源模塊： 由于協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上含有較多的集成 IC，并且其工作電壓相差加大，無(wú)法兼容，故采用不同電壓分別進(jìn)行供電，主控制芯片 STC12LE5A60SMAX348 CC2530(CC2430)等芯片采用的是 ，使用 AMS1117 線性穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓后提供； CAN 總線、液晶屏 1602 等部分使用的是 5V 供電，采用 AMS1117 線性穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓后輸出； GPRS 模塊 SIM900A 采用的是 供電，并且對(duì)電源要求非常高，在模塊進(jìn)行射頻數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)會(huì)由突發(fā)的大電流（可達(dá) 2A）通過，很容易由于供電不足造成模塊自動(dòng)關(guān)機(jī)或者通信中斷，在信號(hào)較弱的場(chǎng)合下，芯片會(huì)增強(qiáng)射頻部分的發(fā)射功率，此時(shí)也會(huì)有較大電流通過。所以最好可以采用主電源供電。所以協(xié)調(diào)器的一個(gè)重要作用就是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 22 數(shù)據(jù)匯聚層 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì) 協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)中處于中層。本系統(tǒng)中手持設(shè)備顯示部分使用的是 12864 液晶屏，該屏自帶中文字庫(kù)，可以方便的顯示文字信息，并且具有繪圖模式，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的菜單功能，在該手 持設(shè)備中我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)易的菜單，供用戶選擇調(diào)用相應(yīng)的功能，以及查看相關(guān)信息。 Max232 電平轉(zhuǎn)換電路： 由于 TTL 與 RS232 電平不兼容，為了實(shí)現(xiàn)程序的下載以及通信，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，這里采用了 MAX232 電平轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。 AT23C02 EEPROM： 具有掉電不失數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采用 IIC 總線與主控芯片連接，由于 STC89C52RC 本身沒有硬件 IIC 接口，所以可以通過軟件模擬 IIC的時(shí)序來進(jìn)行讀寫。 DS1302 實(shí)時(shí)時(shí)鐘： 本芯片主要為手持節(jié)點(diǎn)提供時(shí)間日期支持。由于主控制器 STC89C52RC 的中斷數(shù)量有限，但掃描方式連接鍵盤消耗資源過大、實(shí)時(shí)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(gè)按鍵按下時(shí)都產(chǎn)生中斷，在中斷程序中通過掃描來識(shí)別按鍵，既可以實(shí)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。本方案中為了節(jié)約 IO 口，采用了串行方案連接，只需要 3 根數(shù)據(jù)線 (CLK,DATA,RS)，由于手持設(shè)備一般采用電池供電，為了延長(zhǎng)電池壽命，增加了液晶的背光控制功能，能夠在空閑時(shí)自動(dòng)關(guān)閉液晶的背光燈，詳見電路圖。 無(wú)線模塊： 由一個(gè) CC2430 芯片和一個(gè)單端天線構(gòu)成，為了增強(qiáng)靈敏度，在天線端加裝一個(gè) SMA 增益天線，無(wú)線模塊與主控制器 STC89C52RC 間采用串口進(jìn)行通信。另外一個(gè)重要的作用就是安裝節(jié)點(diǎn)時(shí)，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始配置，因?yàn)榭紤]到靈活性，不可能將所有信息都寫入 Flash 中，有部分信息只有在使用時(shí)才能確定，比如使用地點(diǎn)，通過手持設(shè)備對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置，可以很方便的實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)位置屬性的調(diào)整，方便了日常管理。當(dāng)發(fā)出指令改變某個(gè)部件當(dāng)前狀態(tài)時(shí)，由于指令在網(wǎng)絡(luò)中有延遲，同時(shí)由于指令可能執(zhí)行失敗，最終該部件的狀態(tài)需要通過查詢得知，而不是直接切換，從而保證上位 機(jī)軟件與實(shí)際狀態(tài)的一致性。如果當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目超過了 12 個(gè)，則以分組的方式顯示，可以在各組之間切換。初步界面如圖 34 所示 。系統(tǒng)提示信息記錄和瀏覽。其次是報(bào)警功能，可以在預(yù)先設(shè)置上下限溫度值的情況下，當(dāng)溫濕度出現(xiàn)在正常范圍之外時(shí)，進(jìn)行報(bào)警，提醒用戶采取應(yīng)對(duì)措施 ， 如圖 33 所示 。本模塊功能尚未實(shí)現(xiàn)，正在構(gòu)建中。 圖 32上位機(jī)軟件截圖 1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D模塊 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可視化?？梢蕴砑有掠脩簦梢孕薷挠脩魧傩?。 用戶管理模塊 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)用戶的管理功能，包括用戶身份驗(yàn)證，增加用戶，刪除用戶，修改密碼，權(quán)限管理，用戶列表查看等。 數(shù)據(jù)感知層 (各 類數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)） 數(shù)據(jù)匯聚層 （協(xié)調(diào)器，網(wǎng)關(guān)） 控制表示層 (PC 機(jī)監(jiān)控軟件，手持控制設(shè)備，手機(jī)等 ) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 控制表示層 . PC 端監(jiān)控軟件設(shè)計(jì) 概述 PC 端監(jiān)控軟件在 Visual C++ 環(huán)境下開發(fā)，共分 5 個(gè)主要功能模塊。 數(shù)據(jù)匯聚層： 這一層在整個(gè)系統(tǒng)中起到承上啟下的作用，它將底層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收匯總，并且進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的預(yù)處理，之后向上層傳輸；由于通往上層的出口有限，所以在這一過程中，還需要對(duì)本層不同節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼和轉(zhuǎn)發(fā)。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 第三章、 詳細(xì)方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)抽象層次結(jié)構(gòu) 整個(gè)系統(tǒng)劃分為三層，最上層為控制表示層，中間為數(shù)據(jù)匯聚層，最底下為數(shù)據(jù)感知層 ，如 圖 31 所 示 。 網(wǎng)關(guān)根據(jù)是否需要向上層傳輸數(shù)據(jù)而稍有區(qū)別，不需要上傳數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)，不需要具備 GPRS 模塊，只需要收集無(wú)線傳感器的數(shù)據(jù)，并且將其傳輸給向上層傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)，而需要向上層傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)相當(dāng)于一個(gè)對(duì)外的出口，所以其必須能夠與上位計(jì)算機(jī)通信，比如通過串口、或者通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)建立 TCP 連接，進(jìn)行連接。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，確定初始參數(shù)，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)鏈路向上傳輸數(shù)據(jù)。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，傳感器模塊使用半導(dǎo)體工藝的數(shù)字溫濕度傳感器，采用電池供電。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 總體 實(shí)施路線和方案 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。由于這是一款功能完備的片上系統(tǒng)芯片，所以它只需要很少的外圍器件即可工作，降低了復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這款芯片是從 CC2420 無(wú)線收發(fā)器的基礎(chǔ)上演變而來，在 CC2420 的基礎(chǔ)上， CC2430 加入了一個(gè)高速 51 兼容內(nèi)核 ,加入了片上 128KB Flash， 8KB SRAM 其中 4KB 可以在在極低功耗模式下保持?jǐn)?shù)據(jù)，擁有四個(gè)定時(shí)器，雙 USART,DMA 控制器，支持 18 個(gè)中斷源，有 6 種中斷優(yōu)先級(jí)。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 應(yīng)用接口子層：主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)上，具體包括設(shè)備發(fā)現(xiàn)，業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)，安全與鑒權(quán)，多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚。 網(wǎng)絡(luò)層：建立新的網(wǎng)絡(luò)，處理節(jié)點(diǎn)的進(jìn)入和離開網(wǎng)絡(luò)。 MAC 子層功能包括：設(shè)備之間無(wú)線鏈路的建立、維護(hù)和結(jié)束，確認(rèn)模式的幀傳送與接收，信號(hào)接入控制，幀校檢等。 子層支持多種 LLC標(biāo)準(zhǔn)。 IEEE MAC 層的特征有信標(biāo)管理、信道接入機(jī)制、 保證時(shí)隙 (GTS)管理、幀確認(rèn)、確認(rèn)幀傳輸、節(jié)點(diǎn)接入和分離。數(shù)據(jù)服務(wù)使 MAC 層協(xié)議數(shù)據(jù)單元的收發(fā)可以通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)。物理層的主要功能包括：激活和休眠射頻收發(fā)器，信道能量檢測(cè)，信道接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示，空閑信道評(píng)估，收發(fā)數(shù)據(jù)。 ZigBee 協(xié)議棧層次結(jié)構(gòu)主要由應(yīng)用層、應(yīng)用接口、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路 層和物理層組成，如圖 22 所示 ： 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 圖 22 ZigBee協(xié)議棧層次結(jié)構(gòu) 物理層：采用 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum 直接序列擴(kuò)頻 )技術(shù)，可提供 27個(gè)信道用于數(shù)據(jù)收發(fā)。 低功耗特性。 應(yīng)用軟件開發(fā)和完備的協(xié)議棧支持。目前 隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出， ZigBee 技術(shù)有進(jìn)一步普及的趨勢(shì)。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 技術(shù)方案比較 圖 21各種短距離無(wú)線通信技術(shù)的比較 如圖 21 所示，對(duì)比各技術(shù)及 綜合 考慮 各種因素之后，我們決定采用 ZigBee技術(shù)作為本系統(tǒng)的無(wú)線傳輸技術(shù)，主要原因有以下幾點(diǎn)： 成本低、功耗低、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全可靠。 完整的 ZigBee 協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī) 范、應(yīng)用接口層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。 MAC 層可以采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息； 成本低 ：模塊的初始成本估計(jì)在 6 美元左右，很快就能 降到 美元到 美元之間，且 ZigBee 協(xié)議免專利費(fèi) . 時(shí)延短 ：針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。 ZigBee 技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有： 可靠 ：由于工作周期很短、收發(fā)信息功耗較低、并且采用了休眠模式， ZigBee技術(shù)可以確保用兩節(jié)五號(hào)電池支持節(jié)點(diǎn)工作長(zhǎng)達(dá) 6 個(gè)月到 2 年左右的時(shí)間。而且，一臺(tái)ZigBee 設(shè)備可以連接多達(dá) 254 個(gè)其他 ZigBee 設(shè)備。實(shí)際的傳輸距離依據(jù)發(fā)射功率的大小和應(yīng)用模式而定。 ZigBee 作為一種無(wú)線連接新規(guī)格，可工作在 (全球開放頻段 )868MHz(歐洲 )和 915MHz(美國(guó) )這三個(gè)頻段上，并在這 三個(gè)頻段上分別具有250kbps、 20kbps和 40kbps的最高理論數(shù)據(jù)傳輸速率。 ZigBee 技術(shù) ZigBee 一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時(shí)，通過跳 Zigzag 形舞蹈來告知同伴，達(dá)到交換信息的目的，是一種通過簡(jiǎn)捷方式實(shí)現(xiàn)“無(wú)線”溝通的方式。根據(jù)最新的美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC)的定義，超寬頻系統(tǒng)的中心頻率高于 ，并具有至少 500MHz 的 10dB 頻寬。 80 年代后期， UWB 技術(shù)開始被稱為無(wú)載波或脈沖無(wú)線電，美國(guó)國(guó)防部在 1989 年首次使用“超寬頻”這個(gè)詞。它具有移動(dòng)通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡(jiǎn)單易用、成本低廉、不需申請(qǐng)頻段及技術(shù)比較成熟的特點(diǎn)，但 IrDA 用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上的最大問題在于只能在 2 臺(tái)設(shè)備之間連接，并且存在有視距角度等問題。紅外無(wú)線通信技術(shù)由于 其價(jià)格低廉，使用方便，解決了有線連接的許多不便，因而受到了家電設(shè)備廠商、電腦外圍設(shè)備商、以及通信設(shè)備廠商的高度重視，并吸引了大量資金來進(jìn)行相關(guān)的研究與開發(fā)。 IrDA 標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線設(shè)備傳輸速率已從 逐步發(fā)展到 4Mbps、 16Mbps。 IrDA 技術(shù) lrDA[即紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)，全稱 The Infrared Data Association，是 1993年 6 月成立的一個(gè)國(guó)際性非營(yíng)利組織，專門制訂和推進(jìn)能共同使用的低成本紅外數(shù)據(jù)互連的世界標(biāo)準(zhǔn)，目前在全球擁有 160 個(gè)會(huì)員，參與的廠商包括計(jì)算機(jī)、通信硬件、通信軟件及電話公司等。 WiFi 技術(shù)能讓無(wú)線用戶得到以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能及速率，且可無(wú)縫地將多種 LAN 技術(shù)集成起來，形成一種能最大限度地滿足用戶需求的網(wǎng)絡(luò)，具有部署方便、通信可靠、抗干擾能力強(qiáng)、成本低、靈活性好、移動(dòng)性強(qiáng)、吞吐量高等特點(diǎn)。 WiFi 技術(shù)的工作頻率為 ，最高傳輸率能達(dá)到 llMbps。 流行的幾個(gè)版本包括：“ a” (波段為 ，帶寬為54Mbps)、“ b” (波段為 ，帶寬為 11Mbps)和“ g” (波段為 ，帶寬為 22Mbps)。 WiFi()技術(shù) WiFi (Wireless Fidelity,線高保真 )一種無(wú)線通信協(xié)議 。 為對(duì)語(yǔ)音和特定網(wǎng)絡(luò)提供支持，藍(lán)牙需要協(xié)議棧提供 250kB 的系統(tǒng)開銷，從而增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。在其范圍內(nèi)，設(shè)備相互間可自動(dòng) 使用無(wú)線的方式連成一個(gè)微微網(wǎng) (Pico)，進(jìn)行聯(lián)絡(luò)與確認(rèn)。藍(lán)牙