【正文】 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 21 所示，整個傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點群、 匯聚節(jié)點（ 基站 ）、互聯(lián)網(wǎng)及遠程監(jiān)控中心 (用戶 )組成。在這個過程中，傳感器節(jié)點既充當感知節(jié)點，又充當轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的路由器。 匯聚節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對比較強，它充當傳感器網(wǎng)絡(luò)和Inter 等外部網(wǎng)絡(luò)之間的接口部件，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)中。 2． 1． 2 傳感器節(jié)點構(gòu)成 傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲能力和 通信能力相對較弱，通過能量有限的電池供電。 傳感器節(jié)點由傳感器模塊、路由協(xié)議管理模塊、系統(tǒng)控制模塊、無線收發(fā)模塊和能量控制模塊五部分組成，如圖 22 所示。 無 線 收 發(fā) 模 塊 路 由 協(xié) 議 管 理 模 塊 系 統(tǒng) 控 制 模 塊 傳 感 器 模 塊非 易 失 性 存 儲 器R A M電 源能 量 控 制 模 塊用 戶 界 面 圖 22 節(jié)點組成模塊示意圖 2． 1． 3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層 [8] 對于傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層， 研究人員提出了一個與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧相對應(yīng) 的 五層協(xié)議棧：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。 由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點體積小、能量、通信能力和運算能力都很有限，這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層設(shè)計比傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)要更加節(jié)能， 能 盡量延長節(jié)點的生存時間，目標是設(shè)計低成本、低功耗和小體積的傳感器節(jié)點 介質(zhì)訪問控制方法是否合理與高效，直接決定了傳感器節(jié)點間協(xié)調(diào)的有效性和對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，合理與高效的介質(zhì)訪問控制方法能夠有效的減少傳感器節(jié)點收發(fā)控制 性數(shù)據(jù)的比率，進而減少能量損耗。 但由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些自身特點，尤其是能耗的極度有限性，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)路由層除了高效的完成路由轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)外，還要 仔細 考慮節(jié)能問題。 傳輸層 ： 傳輸層的作用和數(shù)據(jù)鏈路層在某些方面比較類似，如兩者都有保證數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)呢熑巍Ｈ绻枰尤?Inter，也不一定需要專門開發(fā)一個 WSN 的傳輸層協(xié)議，只需將 WSN 中的路由分組封裝成 TCP 或 UDP 報文即可。如果 UDP 是建立在 WSN 網(wǎng)絡(luò)層的容錯機制和數(shù)據(jù)鏈路 層的差錯控制機制上的，則其可靠性能使有保證的。 應(yīng)用層 ： 應(yīng)用層要負責時間同步、節(jié)點定位、 QoS、移動性控制、能量管理、配置管理、安全管理和遠程管理。 而應(yīng)用層作為 WSN 的最高層次，處于一種 統(tǒng)觀全局的位置，更適合于網(wǎng)絡(luò)的配置管理、安全管理和遠程管理。 定位與時間同步子層 ： 定位與時間同步子層 既依賴于數(shù)據(jù)傳輸通道進行協(xié)作定位和時間同步協(xié)商，同時又要網(wǎng)絡(luò)協(xié)議各層提供信息支持，如：為基于時分復用的 MAC協(xié)議提供時間同步控制信息，為基于地理位置的路由協(xié)議提供節(jié)點位置信息等 。這些管理使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點移動的傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務(wù)和資源共享。能量管理平臺管理傳感器節(jié)點如 何使用能源，在各個協(xié)議層都需考慮節(jié)省能量； 任務(wù)管理平臺在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務(wù)。 2． 2． 1 ZigBee 概述 [6][7] ZigBee 是 以 IEEE 規(guī)范作為介質(zhì)訪問層（ MAC）和物理層（ PHY） 協(xié)議的、專 為低速率傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。 另外 它還提供了 IEEE 定義 的 3 個工作頻帶： GHz、 915 MHz 和 868 MHz，以及一些網(wǎng)絡(luò)配置和可選的安全功能。星型網(wǎng)絡(luò)配置由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點（主設(shè)備）和一個或多個終端設(shè)備（從設(shè)備）組成。終端設(shè)備是 FFD 或簡化功能設(shè)備（ RFD）。它只實現(xiàn)了一組最少的 ZigBee 服務(wù)。如果某個終端設(shè)備需要傳輸數(shù)據(jù)到另一個終端設(shè)備，它會把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器依次將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目標接收器終端設(shè)備。由于群集和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有在多個網(wǎng)絡(luò)之間路由數(shù)據(jù)包的功能，因而被稱為多跳網(wǎng)絡(luò)，而星型網(wǎng)絡(luò)則被稱為單跳網(wǎng)絡(luò)。 一是 在沒有使能信標的網(wǎng)絡(luò)中，只要信道是空閑的，在任何時候都允許所有節(jié)點發(fā)送。協(xié)調(diào)器會定期以一個標識為信標幀的超級幀開始發(fā)送，并且希望網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點與此幀同步。超級幀可能還含有一個公共時隙，在此時隙內(nèi)所有節(jié)點競爭接入信道。源文件會自動根據(jù)所使用的編譯器進行必要的更改。因此，必須使用可自編程的閃存存儲器單片機。 Microchip ZigBee 協(xié)議棧提供了一種易于使用的不依賴于應(yīng)用和 RTOS 的函數(shù)庫。應(yīng)用程序能容易地從一個 RF收發(fā)器移植到另一個基于復合定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn) 12 收發(fā)器。 ZigBee 協(xié)議棧 一般 由 七個 模塊組成 ，如圖 2－ 3所示 。但是，如果需要的話，也可以簡單地將應(yīng)用程序與其他模塊接口或者根據(jù)需要對它們進行自定義。用戶應(yīng)用程序使用此模塊來管理協(xié)議棧功能。用戶應(yīng)用程序?qū)? API。 ZDO負責接收和處理遠程設(shè)備的不同請求。 網(wǎng)絡(luò)層（ NWK）負責建立和維護網(wǎng)絡(luò)連接。 介質(zhì)訪問控制層（ Medium Access Control， MAC）實現(xiàn)了 IEEE 規(guī)范所要求的功能。為支持不同類型的 RF收發(fā)器， Microchip協(xié)議棧將不同的 PHY交互歸類到不同的文件 中。 物理層（ PHY）定義了無線信道和 MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。 2． 2． 2 基于 ZigBee 協(xié)議的節(jié)點設(shè)計 與實現(xiàn) 比較通用的傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)是由一個中央處理器模塊、射頻處理模塊以及天線組南京航空航天大學碩士學位論文 13 成。 圖 24 節(jié)點 硬件結(jié)構(gòu) MCU 選用 MICROCHIP 公司的 PIC18LF4620 芯片， PIC4620 單片機 主要性能 :DC－40MHZ 的時鐘 輸入， 10MIPS 的執(zhí)行速度， 16位寬指令， 8位寬數(shù)據(jù)通道， 64K字節(jié) Flash存儲器， 4K 字節(jié)的 EEPROM, SPI 接口在線編程， JTAG 在線調(diào)試接口， 1 個 8 位定時器， 3 個 16 位定時器， 10 位 13 通道 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 , 省電 休眠模式，可軟件選擇時鐘 ，5 個雙向 I/O 接口， 并行從接口 等 ，寬范圍的工作電壓（ － ）等 。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBA T i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 7 N o v 2 0 0 6 S h e e t o f F i l e : E : \ 畢業(yè)論文 \ 自繪圖形 \ Z i g B e e . d d b D r a w n B y :S1S W D P S TR2470R14 . 7 KV C CY14 M h zV C C/ M C L RR34 . 7 KC10 . 1 u FC422pfC322pfO S C 2O S C 1J1P H O N E J A C K+ 9 V60321 N 5 8 1 7 C62 2 u F _ T a n tR9R E S 1C83 . 3 u F _ T a n tC 1 30 . 1 u F1 2J P 4J U M P E R1 23 45 67 89 1011 12J7H E A D E R 6 X 2R D 1R D 3R D 5R D 7R E 1R D 0R D 2R D 4R D 6R E 0V C CR E 2/ M C L RO S C 1O S C 2R C 7R C 6R B 7R B 6R B 5R B 4R B 3R B 2 R C 2R C 1R C 0R A 2R A 1R A 0R C 3R C 4R C 5R A 3R A 4R A 51 23 45 67 89 1011 1213 1415 1617 1819 2021 2223 2425 2627 28J6H E A D E R 1 4 X 2R B 1R B 0V C CC70 . 1 u FC90 . 1 u F1234J3H E A D E R 2 X 2C 1 +2C 1 4C 2 +5C 2 6119/ E N1G N D14V C C15V+3138/ I N V A L I D10F O R C E O N12F O R C E O F F16V7U5M A X 3 2 2 1 C A ER C 6R C 7C 1 10 . 1 u FC 1 00 . 1 u FV C CR41MC 1 40 . 1 u FV C CC 1 20 . 1 u F162738495I S PD B 9V D D11V D D32/ M C L R1R A 02R A 13R A 24R A 35R A 46R A 57R B 033R B 134R B 235R B 336R B 437R B 538R B 639R B 740V S S12V S S31O S C 113R C 015R C 116R C 217R C 318R C 423R C 524R C 625R C 726R D 019R D 120R D 221R D 322R D 427R D 528R D 629R D 730R E 08R E 19R E 210O S C 214U4P I C 1 8 L F 4 6 2 0R E 2R E 1R E 0R D 7R D 6R D 5R D 4R D 3R D 2R D 1R D 0R C 7R C 6R C 5R C 4R C 3R C 2R C 1R C 0O S C 2O S C 1R B 7R B 6R B 5R B 4R B 3R B 2R B 1R B 0R A 5R A 4R A 3R A 2R A 1R A 0/ M C L RV C C1 23 45 67 89 1011 12J2H E A D E R 6 X 2V C CR C 2R B 0R C 5R C 3R B 2 R B 3R B 1R C 4R C 0R C 1123456J5I C D/ M C L RR B 7R B 6V C CR8470R7470R5330R6330S3S W D P S TS2S W D P S TD1LEDD2LED1 2J P 2J U M P E R1 2J P 3J U M P E RR B 4R B 5R A 0R A 1IN1O N / O F F3O U T5NC4COM2U2P O W E R 1123s 1 8 b 2 0C O N 3G N DV C C123D 1 8 B 2 0C O N 3R 1 8 B4 . 7 KV C C 圖 25 節(jié)點主板電路 PCB 圖 基于復合定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn) 14 圖 26 印刷電路板布線示意圖 無線收發(fā)處理芯片選擇 CHIPCON 的 CC2420，它的 ZigBee 開發(fā)應(yīng)用的實例比較多，同時 MICROCHIOP 公司開發(fā)了 ZigBee 開發(fā)平臺，是 ZigBee 聯(lián)盟的主席成員公司之一。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于 ZigBee 產(chǎn)品的 RF器件。 CC2420 的選擇性和敏感性指數(shù)超過了 標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。 圖 27 CC2420 典型應(yīng)用電路 南京航空航天大學碩士學位論文 15 表 21 PIC18LF與 CC2420 接口關(guān)系 溫度傳感器選擇 數(shù)字化 DS18b20 溫度傳感器 ，這 是世界上第一片支持 “ 一線總線 ” 接口的溫度傳感器 ，其主要特點有： 只占用一個端口，屬于一線制芯 片， 無需外部器件，可通過數(shù)據(jù)線供電，零待機功耗，測溫范圍廣（－ 55℃ ~＋ 125℃），溫度以 9位數(shù)字量讀出，溫度轉(zhuǎn)換時間 200ms， 具有價格低廉的特點，符合傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點價格低廉的要求。 圖 27 所示為節(jié)點中射頻器件 CC2420 電路連線示意圖，表 21 列出了 C