杭州电子科技大学-无线组网-低功耗无线网络的设计.docx

无线组网技术低功耗无线网络的设计院系：电子信息学院1.引言1.1 概述信息技术的不断进步使越来越多的随身电子设备和信息家电出现在人们的日常生活中。这些设备给人们的生活带来便利，但凌乱的线缆和频繁的插拔也造成了诸多的使用不便。为了摆脱物理连接上的限制，使各种设备能够自由地互联、随时随地地接入网络，人们不断探索新的短距离无线通信技术。常见的短距离无线通信技术包括红外、Wi-Fi、蓝牙、UWB和ZigBee等，它们的技术特点各有不同，但尚没有一种技术可以满足所有的应用需求。其中，蓝牙和ZigBee都是针对低功耗应用提出的无线通信协议。但到目前为止，它们还难以支持电池供电的设备工作数年，低功耗性能不尽如意。本设计应用MSP430系列低功耗处理芯片和CC2520射频信号收发芯片这两种芯片，通过其外围电路的设计，并使用ZigBee来编写通讯协议，实现无线传感器网络节点的低功耗。做到在特殊环境下的温度采集，以及信号在个节点之间的传播。无线传感器及其网络的关键技术1.2.L无线传感器网络的特点无线传感器网络与传统AdhOC网络相比有一些独有的特点，正是由于这些特点使得无线传感器网络存在很多新问题，提出了很多新的挑战。无线传感器网络的主要有五个特点：(1)无线传感器网络的节点数量大、密度高。由于无线传感器网络节点的微型化，每个节点的通信和传感半径很有限，一般为十几米范围之内，而且为了节能，传感器节点大局部时间处于睡眠状态，所以往往通过铺设大量的传感器节点来保证网络质量。无线传感器网络的节点数量和密度都要比AdhoC网络高几个数量级，可能到达每平方米上百个节点的密度，甚至多到无法为单个节点分配统一的物理地址。这会带来一系列问题，如信号冲突、信息的有效传送路径的选择、大量节点之间如何协同工作等。(2无线传感器网络的节点有一定的故障率。由于无线传感器网络可能工作在恶劣的外界环境之中，网络中的节点可能会由于各种不可预料的原因而失效，为了保证网络的正常工作，要求无线传感器网络必须设计成具有一定的容错能力，允许传感器节点具有一定的故障率。(3无线传感器网络节点在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制。由于传感器节点微型化，节点的电池能量有限，而且由于物理限制难以给节点更换电池，所以传感器节点的电池能量限制是整个无线传感器网络设计最关键的约束之一，它直接决定了网络的工作寿命。另一方面，传感器节点的计算和存储能力有限，使得其不能进行复杂的计算，传统Imemet网络上成熟的协议和算法对无线传感器网络而方开销太大，难以使用，必须重新设计简单有效的协议及算法。(4)无线传感器网络的拓扑结构变化很快。由于无线传感器网络自身的特点，传感器节点在工作和睡眠状态之间切换以及传感器节点随时可能由于各种原因发生故障而失效，或者有新的传感器节点补充进来以提高网络的质量，这些特点都使得无线传感器网络的拓扑结构变化很快，这对网络各种算法(如路由算法和链路质量控制协议等)的有效性提出了挑战。此外，如果节点具备移动能力，也有可能带来网络的拓扑变化。(5)以数据为中心(DataCentric)o在无线传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而且是不会去关心具体某个节点的观测数据，比方说人们可能希望知道“检测区域的东北角上的温度是多少”,而不会关心”节点8所探测到的温度值是多少”。这就是无线传感器网络的以数据为中心的特点。而传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来的，以数据为中心的特点要求无线传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效的组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。122.无线传感器网络节点的体系结构传感器网络节点一般由四个局部组成：传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块组成)、以及电源局部此外，可以选择的其它功能单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。无线传感器节点是任意分布在被检测区域的，一般环境中采用人工埋置方法，这样可以保证节点的大体均匀分布；在危险区域或者不方便人工埋置的情况下，可以采用飞机投放，炮弹弹射等方法。当传感器节点部署完成后，所有传感器节点以自组织形式构成网络，在每个节点构建路由信息，以使每个节点都可以与网络中的其他节点通讯。在这些节点中，有少数几个节点被称为基站(BaseStation)或者Sink节点，Sink节点起网关的作用，它将传感器节点发送来的采集数据发送给观测者，发送的方式可以采用IntemeU卫星通信等；同时将观测者的控制命令发送给各个传感器节点。Sink节点必须在传感器网络的覆盖范围之内，用户的控制终端可以在任何地域范围内。1.2 基于的无线传感器网络简介及协议标准13.1ZigBee的无线传感器网络简介协议是由标准的PHY和MAC层再加上ZigBee的网络和应用支持层所组成的。其突出的特点是网络系统支持极低本钱、易实现、可靠的数据传输、短距离操作、极低功耗、各层次的平安性等。为了到达极低的设计本钱和极低的功率消耗，协议定义了两种相互配合使用的物理设备，全功能设备和消减功能设备：(1)全功能设备(FullFunctionDevice,FFD),可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协商者和普通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信；(2)消减功能设备(RedUCedFUnCIionDeViCe,RFD),只支持星型结构，不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单的与物理节点相对应，在网络需要至少一个全功能设备作为网络协商者,终端节点一般使用消减功能设备来降低系统本钱和功耗，提高电池使用寿命。另外所有设备必须使用一个64位的IEEE地址；可以使用16位短地址来减少数据包大小；寻址模式可以为网络加设备标识符的星型结构，或者源和目标标识符的点到点结构(包括了簇树和Mesh网络)两种。物理层的设计是面向低本钱和更高层次的集成需求的，对大局部较低端的实现来说，直接序列(DirectSequence)的应用使用模拟电路变得非常简单，具有更高的容错性能；MAC层的设计不但使得多种拓扑结构网络的应用变得简单，可以实现非常有效的功耗管理，而不需要在很多管理模式之间的切换。MAC层可以使用一种消减功能设备(ReducedFunctionalDevice),由于其结构简单，不需要大量的Flash>ROM和RAM等存储设备，从而保证了较长的电池寿命。MAC还进行了特别的设计,可以支持极大数目的网络节点，而不需要对它们进行包装处理；网络层的设计支持网络规模在空间上增长而不需要使用高功耗的中继器，而且网络层在较少网络负载的条件下可以支持更大数目的网络节点。基于的无线传感器网络以其突出的特点和应用前景，必将成为今后无线网络开展的一大方向。1.3.2ZigBee的无线传感器网络的协议标准1 .概述随着通信技术的迅速开展，人们提出了在自身附近儿米范围内通信的要求，这样就出现了个人区域网络(PersonalAreaNetwork,PAN)和无线个人区域网络(WirelessPersonalAreaNetwork,WPAN)的概念。WPAN网络为近距离范围内的设备建立无线连接，把几米到几十米范围内的多个设备通过无线方式连接在一起，使他们可以相互通信甚至接入LAN或者IntemeK2001年8月成立的ZigBee联盟就是一个针对WPAN网络而成立的产业联盟。该联盟致力于近距离、低复杂度、低数据速率、低本钱的无线网络技术。他们开发的技术被称为ZigBee技术，该技术希望被部署到商用电子、住宅及建筑自动化、工业设备监测、PC外设、医疗传感设备、玩具以及游戏等其他无线传感和控制领域当中。ZigBee联盟已于2005年6月27日公布了第一份ZigBee标准“ZigBeeSpecificaiionV1.0这标准定义了在物理层和标准媒体接入控制层上的网络层及支持的应用的效劳。ZigBee联盟的长期目标是能够建立基于互操作平台和配置文件的可伸缩、低本钱嵌入式根底架构。在W-PAN中有三种网络角色：PAN网络协调器和设备。这三种角色在标准中分别对应ZigBee协调器、ZigBee路由器和设备°PAN网络协调器可以看作是一个PAN的网关节点(也即SINK节点它是网络建立的起点，负责PAN网络的初始化，确定PAN的ID号和PAN操作的物理信道并统筹短地址分配。协调器在参加网络之后获得一定的短地址空间。这个空间内，他有能力允许其他节点参加网络，并分配短地址，当然协调器还具备路由和数据转发的功能。PAN协调器和协调器周期发出信标帧(BeaconFrame),必须是全功能设备(FFD)。设备是整个网络的叶结点，它只能与它的父节点通信，也没有参加其他任何节点的能力。设备可以是全功能设备(FFD)或缩减功能设备(RFD)o2.协议框架标准采用分层结构。每一层为上层提供一系列特殊的效劳：数据实体提供数据传输效劳，管理实体那么提供所有其他的效劳。所有的效劳实体都通过效劳接入点(SAP)为上层提供一个接口，每个SAP都支持一定数量的效劳原语来实现所需的功能。标准堆栈架构是在OSl七层模型的根底上根据市场应用的实际需要定义的。其中，IEEE8021.5.4-2003标准定义了底层：物理层(PhysicalLayer,PHY)和媒体访问控制层(MediumAccessControlSub-Layer,MACZigBee联盟在此根底上定义了网络层(NetworkLayer,NWK),应用层(ApplicationLayer,APL)架构。其中应用层包括应用支持子层(ApplicationSupportSub-Layer,APS),应用架构(ApplicationFramework,AF),ZigBee设备对象(ZigBeeDeviceObjects,ZDO)以及用户定义应用对象。工作在工业科学医疗(ISM)频段，定义了两个物理层，分别工作在两个频段上：868915MHz和2.4GHZo其中低频段物理层覆盖了868MHZ的欧洲频段和915MHz的美国与澳大利亚等国的频段。高频段那么全球通用。IEEE802.15.4-2003MAC层采用CSMA-CA机制来控制信道接入，主要负责传输信标帧，同步以及提供可依赖的传输机制。网络层的主要职责包括提供设备用来参加网络和离开网络的机制，提供数据帧传输的平安机制和路由机制。另外，发现并保持设备间的路由，发现一跳邻居并存储潜在邻居信息也是由网络层(NWK)完成的。ZigBee协调器的NWK层还必须负责启动一个新的网络，给新的关联设备分配地址等工作。应用层包括APS,AF,ZDO以及用户定义应用对象。应用支持子层IAPS)子层负责维护绑定表，以及传输在绑定的设备间传输数据。设备绑定表用于根据设备间提供效劳的要求来匹配设备并储存相关设备信息的。ZigBee设备对象(ZDO)负责定义设备在网络中的角色如ZigBee协调器中断设备)，提出或响应绑定请求，以及建立网络设备间的平安关系。ZigBee设备对象(ZDO)还要负责网络设备的发现及判定对方提供哪类效劳。2 .整体方案2.1 本设计的结构低功耗无线传感器网络工作过程结构示意图2.2 处理器的比照和选择1、51系列单片机的特点51单片机是单片机中的一种，单片机是一块集成芯片，但不是一块实现某一个逻辑作用的芯片，而是在这块芯片当中，集成了一个计算机系统。如中央处理器(CPU)、存储器(ROM,RAM)、I/O接口、定时器/计数器、中断系统等。中央处理器是单片机的核心单元，他由运算器和控制器组成，他的主要作用是实现算术运算、逻辑运算、和控制。其特点有：有优异的性价比、集成度高、体积小、有很高的可靠性、控制作用强、扩展性能好，非常容易构成各种应用系统。2、MSP430系列芯片的特点Tl公司的MSP430系列芯片其工作电压范围为L83.6V,它具有五种节电工作模式，在不同的模式下消耗的电流在0.14(X)A,可以获得很低的功耗。从休眠到正常工作整个唤醒时间只需6us,反响速度快。它内部集成了A/D和D/A转换器。具有保持电路，具有硬件乘法器可以进行的简单的数字滤波等数据分析处理，具有60KB程序储存器和2KB数据储存器，可以保存一定数据，非常适合无线传感器网络节点。利用MSP430系列芯片的片内资源，使节点不仅具有较完善的功能，还可化简系统硬件电路，降低功耗和体积，大大提高节点的可靠性和性价比。依据以前两种处理器的比照和分析，本设计很容易的就可以确定使用MSP430系列的芯片作为低功耗无线传感器网络节点的处理芯片2.3 信号收发芯片的选择本设计使用了Tl公司的CC2520射频信号收发芯片。该芯片专门用于企业、科学研究所与医疗部门的2.4GHZ非正式频率宽度所用。它具有当今业界最正确的选择性、共存性及优异的链路预算功能特点，其产品目标在于满足各种应用中同专有无线系统的要求，这包括工业监控、家庭与楼宇自动化、机顶盒、远程控制以及无线传感器网络。CC2520芯片能与诸如TIMSP430超低功耗MCU等微控制器以及一些额外无源组件协同工作。CC2520产品为各种应用提供了广泛的硬件支持，包括数据包处理、数据缓冲、突发传输、数据加密、数据认证、空闲通道评估、链接质量指示以及数据包计时信息等，从而降低了主机控制器上的负载。而MSP430MCU系列产品具备各种高集成度外设，如动态存储器存取(DMA)、数模转换器(DAC)和模数转换器，产品能够在实现高性能的同时，确保功耗很低，因此CC2520芯片对于基于ZigBee的应用而言是完美选择。24通讯协议的选择在前面的章节中，提到了ZigBee这种通讯协议，为什么本设计要使用ZigBee通讯协议，其选择的重点有以下几点：(1)省电：由于工作周期很短、收发信息功耗较低、并且采用了休眠模式，ZigBee技术可以确保两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时，当然不同的应用功耗是不同的；(2)可靠：采用了碰撞防止机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，防止了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方确实认信息；(3)本钱低：模块的初始本钱估计在6美元左右，很快就能降到1.5美元到2.5美元之间，且ZigBee协议是免专利费的；(4)时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms,休眠激活时延典型值是15ms,活动设备信道接入时延为15ms;(5)网络容量大：一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络；(6)平安：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AESJ28,同时各个应用可以灵活确定其平安属性。3 .硬件电路及软件设计3.1 MSP430系列芯片具体型号确实定MSP430F149单片机是该系列中典型的一款处理器，采用16位RlSC结构，丰富的寻址方式、简洁的内核指令、较高的处理速度、大量的存放器以及片内数据存储器使之具有强大的处理能力，丰富的片内外设可使整个电路变得异常简化，减少了节点的功耗和体积。另外，MSP430F149的运行环境温度范围为40+85°C,可以适应各种恶劣的环境，也非常适合于传感器网络的应用如下图，430芯片的1脚与64接3.3V的电压给芯片提供电压，与地之间并联IooUF和104的电容进行滤波，提供稳定的电压输入。8脚与9脚接一个32768的晶振，可由软件选作各个外围模块的时钟信号，-般用于低速外设。52和53脚接一个8M的晶振作为系统主时钟，主要用于CPU和系统。芯片内部有个DCO振荡器。MSP430共有3个振荡器。RST复位端低电平有效，按键按下产生低电平，芯片进行复位。MSP430最小系统电路的硬件设计3.2 CC2520射频收发芯片典型应用电路射频收发电路采用CC2520芯片构成。CC2520是德州仪器(TI)推出的2.4GHZ免授权ISM频带专用的第二代无线射频收发器，它提供了选择性/共存性和优异的链路预算，专门支持各种及其专属无线系统，适合工业监视与控制、家庭与大楼自动化、机顶盒、遥控和无线传感器网络应用。射频收发外围电路原理图如下图。在射频收发电路中，VCC_EM输入1.8V到3.8V的电源电压。CC2520典型应用电路中的不平衡变压器由两条传输线(TLINinductor)和一些分立元件组成，这种连接具有50。的天线负载，在典型应用电路中还添加了一个由一条传输线和CI37、C174组成的低通滤波器，以便加强对二次谐波的抑制。这些元器件的使用，使得CC2520芯片发挥了其绝佳的精准度，让木设计更加的完美和实用3.3 数据采集模块设计该模块主要完成对环境温度数据的采集，采用的温度传感器是DALLAS公司的可组网数字温度传感器DS18B20,独特的单线接口方式使DS18B2O在与微处理器连接时仪需一条口线，即町实现微处理器与DS18B2O的双向通信，节约I/O口，测温范围为55C+125°C,固有测温分辨率为0.0625C,工作电源为3V5V直流电，测量结果以9位一12位数字量方式串行传送。在使甩中无需任何外围元件，因此，可简化节点的硬件设计，减小节点体积，提高可靠性，降低能耗。3.4 电源模块设计节点的核心控制芯片CC252O工作电压为2V3.6V,推荐工作电压3.3V,温度传感器的工作电压时3V5V。采用2节干电池供电，电源管理芯片是Tl最新的低功耗3.3V稳压芯片TPS602U,它的输入电压范围为1.8V3.6V。因此，采用2节干电池供电完全满足需要，提供2种工作模式：睡眠模式，正常模式。2种工作模式可以通过编程控制。而且具有电压自检测报警功能。3.5 软件设计流程3.5.1 主程序流程图本设计重点在于无线传感器网络的低功耗，因此，在流程图中适当的表现出MCU与无线模块的休眠与启动，是本设计的硬件低功耗的一大特点，只有在硬件应用时才会启动，其他时间里都是出于休眠状态。读取数据子程序设计读取传感器数据程序需要完成器件的初始化和当采集外部环境变量送MCU处理等功能。读取数据程序的流程图如图程序开始后，首先初始化各I/O和各外部器件。然后开始调用读传感器程序，之后通过读子函数传回的值判断是否温度数据传送完毕，开启无线传感模块和MCU。将读回并运算后的数据经ZigBee芯片RF局部发送出去。然后在调用读取子函数继续读取下一帧数据。发送子程序设计发射子程序的设计主要依靠通过ZigBee芯片内部的数据收发器将数据发射出去，发射子程序主要完成以下任务：第一，完成MCU对外围传感器的电参量的采集以及处理；第二，完成MCU与ZigBeeRF射频模块的实时通信；第三,始终使读取温度数据程序入口DS18B2O初始化采集完毕MCU、无线模块启动送给MCU处理返回是否能发射数据。程序设计流程如下图。在编写发射模块软件时，应注意读DS18B2O的速度，读DS18B2O的速度为100mS左右，这就导致发射的数据不能连续，这个问题可以通过定时器解决，设定定时器。中断在一定的时间间隔内去读DS18B20传感器，这样既减少了一定的数据延时，也使接收实时数据的效率打打提高，还有一个最重要的问题就是一个发射模块使用一个发射芯片，也就是一个单片机，怎样实现温度数据和从别的节点接收到的数据同时传送，通过具体调试，可以利用在读出的DS18B20温度数据中参加一个标志位，这样接收时候就防止了将两组数据混淆的结果。3.5.3数据接收程序接收模块的MCU主要承当以下任务是实现MCU与RF射频模块的通信，使能内部接收存放器实时进行接收。程序流程图如下图。以下是接收程序的软件流程图，这里需要注意几个问题，上面已经说到假设发射的数据的时间间隔不是一定的，那么接收到的数据的时间间隔也不是一定的，这样就使送显示的时候产生了一些问题，第一、接收到的数据频率不一定；第二、上图已经提到，接收到的数据中带标志位的温度数据在子程序中将会被无线收发模块休眠程序入口无线收发模块启动将数据写入存放器，使能发射MeU判断，而另一个数据将会直接送到发送模块发送出去，这样就导致了两个数据显示不同步；解决方法就是定时读取RF射频模块中的接收数据存放器，在定时器中断当中设置一个变量,拟定一个具体的时间间隔，定时读取，而这个时间间隔大了会导致程序卡死。幺上击；五汩米I口无线传感器网络在现在社会的应用越来越大，而且对无线传感器网络的要求也是越来越多。比方在对人来说高危险的工作区域，人们采用无线传感器网络代替人的工作，这种环境下，对网络中的节点更换电池十分的困难甚至无望，所以一旦节点能源耗尽，那么该节点就不得不退出该无线网络，这会影响无线传感器网络的工作甚至使之退出工作舞台。所以本设计以低功耗为主体，顺应了无线传感器网络的开展趋势。