第2章WSN开发环境ppt课件.ppt

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1、无线传感器网络,主讲：许毅武汉理工大学计算机学院,第2章WSN开发环境,学习目标 掌握 WSN 系统结构图。 掌握 WSN 节点设计内容。 了解 WSN 节点设计要求。 了解 WSN 节点设计模块设计内容。 了解 WSN 节点开发案例。 了解 WSN 中常见节点内容。 了解 WSN TinyOS操作系统。 了解nesC语言。 了解 LED灯闪烁实验。 掌握 WSN 实验平台的总体结构图。 掌握 WSN 实验平台中仿真器原理。 掌握 WSN 实验平台中传感器节点内容。 掌握 WSN 实验平台中路由节点内容。 了解 CC2530芯片的特点。 了解 CC2530片上内核。 了解 CC2530主要特征

2、外设。 了解 CC2530无线收发器。 掌握 CC2530开发环境IAR。,2.1 概述,无线ZigBee传感器网络主要由计算机、网关和网络节点等组成。用户可以很方便地实现传感器网络无线化、网络化、规模化的演示、观测和进行第二次开发。 （1）计算机部分、 主要完成接收网关数据和发送指令,实现可视化,形象化人机界面,方便用户操作和观察。（2）网关部分、 主要完成通过计算机进行的指令发送或接收路由节点或者传感器节点数据,并将接收到的数据发送给计算机。（3）路由节点部分、主要在网关不能和所有的传感器节点通信时,路由节点作为一种中介使网关和传感器节点通信,实现路由通信功能。（4）网络节点、主要完成对设

3、备的控制和数据的采集,如灯的控制温度、光照度数据等。,2.2WSN平台硬件设计,2.2.1系统结构图,图2-1传感器网络系统结构,简单的工作流程描述如下图2-2所示,2.2.1系统结构图（继）,图2-2工程流程,2.2.2节点设计内容与要求,1.节点的设计要求 根据应用环境的不同，传感器网络对节点的精度、传输距离、使用频段数据收发效率和功耗等提出了不同的要求，要求搭建相应的硬件系统和软件系统，使节点能够持续、可靠和有效地工作，其传感器节点的设计主要要求如下： (1)微型化。无线传感器节点在体积上应足够小,以保证对目标系统本身的特性不造成显著影响。 (2)低功耗。无线传感器网络由大量密集分布的节

4、点组成,只有低成本才有可能大量地布置在目标区域中。 (3)低成本。无线传感器网络由大量密集分布的节点组成,只有低成本才有可能大量地布置在目标区域中。 (4)稳定性和安全性。节点的各个部件应该能够在给定的外部变化范围内正常工作。 (5)扩展性和灵活性。无线传感器网络节点需要定义统一完整的外部接口,以便必要时在现有节点上直接添加新的硬件功能模块,不需要开发新的节点。,2.节点硬件设计内容 传感器节点的硬件平台结构如图2-3所示。传感器节点一般由数据处理器模块、存储模块、无线通信模块、传感模块和电源模块等五个部分组成。数据处理模块是结点的核心模块，用于完成数据处理、数据存储、执行通信协议和结点调度管

5、理等工作；存储模块主要完成存储处理器转送的数据；无线通信模块主要完成信道上发送和接收信息；传感器模块主要采集监控或观测区域内的物理信息；电源模块主要为各个功能模块提供能量。,2.2.2节点设计内容与要求(继),图2-3 传感器节点结构组成,2.2.3节点的模块化设计,1.处理器模块 处理器模块是无线传感器网络节点的核心部件，微处理器选型应满足如下四方面要求：（1）体积尽量小（2）集成度尽可能高（3）功耗低且支持休眠模式（4）运行速度快从处理器的角度来看，传感器网络结点基本可以分为三类： 第一类采用以ARM处理器为代表的高端处理器； 第二类是以采用低端微控制器为代表的结点； 第三类是数字信号处理

6、器。,2.2.3节点的模块化设计（继）,2.存储模块存储器主要包括随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM)。RAM可以分为SRAM、DRAM、SDRAM、DDRAM等几类；ROM又可分为NOR Flash、EPROM、EEPROM、PROM等几类。RAM存储速度较快，但断电后会丢失数据，一般用于保存即时信息，如传感器的即时读人信息、其他节点发送的分组数据等。程序代码一般存储于只读存储器、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM)或闪存。存储器的选择应根据具体情况决定，通常根据成本和功耗来衡量，由于RAM成本和功耗较大，在设计传感器节点时应尽量减少RAM的大小。,3.无线通信模块无线通信模块由无

7、线射频电路和天线组成，目前采用的传输介质主要包括无线电、红外、激光和超声波等，它是传感器结点中最主要的耗能模块，是传感器结点的设计重点。,2.2.3节点的模块化设计（继）,表2-3 传感器网络的常用无线通信技术,2.2.3节点的模块化设计（继）,3.无线通信模块（继）传感器网络结点常用的无线通信芯片的主要参数如表2-4所列。,表2-4 常用射频芯片的主要参数,2.2.3节点的模块化设计（继）,在无线射频电路设计中，主要考虑以下三个问题： (1)天线设计主要从有以下三个指标来衡量天线的性能。天线增益；天线效率；天线电压驻波比天线的种类主要有如下三种：内置天线由于便于携带将简单的导线天线或金属条带

8、天线作为元件，外置天线通常没有内置天线那样的尺寸限制(2)阻抗肌配(3)电磁兼容,2.2.3节点的模块化设计（继）,4.传感器模块根据实际需求可以选择具体的传感器节点实现数据采集功能。在传感器网络中，传感器的选择除了要考虑基本的灵敏度、线性范围稳定性及精确度等静态特性，还要综合功耗、可靠性、尺寸和成本等因素。5. 电源模块 电源模块作为无线传感器网络的基础模块，直接关系到传感器节点的寿命、成本和体积，因此，在设计电源时主要应考虑以下三个方面的问题。（1）能量供应（2）能量获取（3）直流-直流转换直流-直流转换器有三种类型：线性稳压开关，产生较输入电压低的电压。开关稳压器，能升高电压、降低电压或

9、翻转输入电压。充电泵，可以升压、降压或翻转输入电压，但驱动能力有限。,2.2.4传感器节点开发实例,传感器节点的设计需要经过很多步骤，其流程图如图2-4所示,图2-4传感器节点设计流程图,1. 功能分析和芯片选型,在此选择使用Atmel公司的AVR系列单片机ATMEGAl28和Chipcon公司的CC2420无线收发器。,选择了芯片之后需要对系统的总体结构进行设计，了解各个部分之间的通信方式，目前设计的节点的结构如图2-5所示。,图2-5自行设计的节点结构,2.原理图及印制板设计,原理图设计需要执行以下步骤: 确定设计图纸大小。 设置设计环境。 布放元器件。 原理图布线、布线优化。 输出报表。

10、 打印或保存文件处理器的时钟部分、处理器与无线模块的接口部分和无线收发器三部分的原理图设计。1)处理器时钟电路设计2)处理器无线模块接口设计3)无线收发器模块设计,2.2.4传感器节点开发实例（继）,3.电路板调试电路板调试的流程图如图2-8所示。,图2-8 电路板调试沉程图,2.2.5常见传感器节点,1.Mica系列节点表给出Mica系列节点的技术及性能指标。,表通信芯片的性能指标,2.2.5常见传感器节点（继）,2.Telos系列节点Telos系列节点是美国加州大学伯克利分校研究的成果，是针对Mica系列节点功耗较大 而设计的低功耗产品。作为一个低功耗、可编程、无线传输的传感器网络硬件平台

11、，Telos节点具有两个基本模块，一是处理器和无线通信平台，二是传感器平台，两者之间通过标准接口连接。处理器和无线通信平台采用待机时功耗较低的MSP430处理器和CC2420无线收发芯片 4.Sun SPOT 节点Sun公司推出了一种新型的无线传感器网络设备Sun SPOT(small programmable object technology)。它采用32位的高性能ARM 920T处理器及支持ZigBee的CC2420无线通信芯片，并开发出Squawk Java虚拟机，可以使用Java语言搭建无线传感器网络。处理器采用一款32位低功耗ARM 920T微处理器，相对于其他通用的微处理器，它具

12、有 更加丰富的资源和极低的功耗,2.2.5常见传感器节点（继）,5. Gain系列节点Gain系列节点是中国科学院计算所开发的节点，是国内第一款自主开发的无线传感器网络节点，其外形图如图2-9所示。Gain系列第一版节点的处理器采用中国科学院计算机所自行开发的处理器，该处理器采用哈佛总线结构，Gain系列第一版节点的处理器采用中国科学院计算机所自行开发的处理器，该处理器采用哈佛总线结构，兼容AVR指令集。,2.3WSN的操作系统,2.3.1概述TinyOS是一个开源的嵌入式操作系统，它是由加州大学的伯利克分校开发，主要应用于无线传感器网络方面。它是一种基于组件(Component-Based)

13、的架构方式，能够快速实现各种应用。TinyOS程序采用的是模块化设计，程序核心往往都很小。一般来说，核心代码和数据大概在400B左右，能够突破传感器存储资源少的限制，使得TinyOS可以有效地运行在无线传感器网络结点上，并负责执行相应的管理工作。TinyOS的主要特点如下：采用基于组件的体系结构采用事件驱动机制，采用轻量级线程技术和基于先进先出(First In First Out，FIFO)的任务队列调度方法。采用基于事件驱动模式的主动消息通信方式，,2.3.2 nesC语言,1.nesC简介nesC是对C的扩展，它基于体现 TinyOS 的结构化概念和执行模型而设计。其基本特点如下：（1）

14、结构和内容的分离， 程序有组件（component）构成（2）根据接口（interface）的设置说明组件功能。 (3)接口有双向性: (4)组件通过接口彼此静态地相连。 (5)nesC基于由编译器生成完整程序代码的需求设计。 (6)nesC的协作模型基于一旦开始直至完成作业,并且中断源可以彼此打断作业.,2.3.2 nesC语言（继）,2.使用环境编辑 nesC主要用在 Tinyos中,TinyOS也是由nesC编写完成的。TinyOS操作系统就是为用户提供一个良好的用户接口。3.主要特性描述 由于传感器网络的自身特点,面向其的开发语言也有其相应的特点。主动消息是并行计算机中的概念。,2.3

15、.3 TinyOS组件模型,TinyOS包含了经过特殊设计的组件模型，其目标是高效率的模块化和易于构造组件型应用软件。TinyOS的组件有四个相互关联的部分：一组命令处理程序句柄，一组事件处理程序句柄，一个经过封装的私有数据帧（data frame)，一组简单的任务。,图2-9支持多跳无线通信的传感器应用程序的组件结构,2.3.4 TinyOS通信模型,TinyOS中的消息通信遵循主动消息通信模型，它是一个简单的、可扩展的、面向消息通信(messaged-based communication)的高性能通信模式，早期一般应用于并行和分布式计算机系统中。1.主动消息的设计实现2.主动消息的缓存管

16、理机制3.主动消息的显式确认消息机制,2.3.5 TinyOS事件驱动机制,事件驱动分为硬件事件驱动和软件事件驱动。硬件事件驱动也就是一个硬件发出中断，然后进入中断处理函数。而软件驱动则是通过signal关键字触发一个事件。,2.3.6调度策略,TinyOS采用比一般线程更为简单的轻量级线程技术和两层调度方式:高优先级的硬件事件句柄(HardwareEventHandlers)以及使用 FIFO 调度的低优先级的轻量级线程(task,即 TinyOS中的任务),如图2-15所示。,2.3.7能量管理机制,TinyOS采用相互关联的三个部分进行能量管理。第一,每个设备都可以通过调用自身的 Std

17、Control.stop命令停止该设备;负责管理外围硬件 设备的组件将切换该设备到低功耗状态。第二,TinyOS通过提供 HPLPowerManagement组件通过检测处理器的I/O引脚和控制寄存器识别当前硬件的状态将处理器转入相应的低功耗模式。第三,TinyOS的定时器服务可以工作在大多数处理器极低功耗的省电模式下。,2.3.8 LED灯闪烁实验分析,1.原理无线传感网络实验平台设备上有D13、D14、D15、D16，4个LED灯，其中，D13和D15主要用于程序调试，可以根据具体功能进行相应更改。通过原理图可知，当CC2530的与LED相接的数字IO输出高电平时候LED点亮，输出低电平时

18、候LED熄灭，输出交替电平时候LED闪烁。在本实验中，系统启动后，D13和D15轮流点亮，点亮和变暗的间隔用for循环延时实现。LED控制电路图2-17如下： 2.相关代码,2.相关代码,BlinkM.nc文件：/*FUNCTION NAME : BlinkM.nc*FUNCTION DESCRIPTION : LED灯闪烁*FUCNTION DATE :2011/11/29*FUNCTION AUTHOR: EMDOOR*/module BlinkM uses interface Leds;uses interface Boot;implementation task void DemoLe

19、d()int i,j;while(1) for(i=0;i1000;i+)for(j=0;j500;j+);call Leds.BlueLedOn();/D14 LED亮call Leds.RedLedOff();/D15 LED亮for(i=0;i1000;i+)for(j=0;j500;j+);call Leds.BlueLedOff(); /D14LED灭call Leds.RedLedOn();/D15 LED亮/* 启动事件处理函数，在LED.nc已经关联到MainC.Boot接口系统启动后会调用此函数*/event void Boot.booted() post DemoLed()

20、;,2.相关代码（继）,BlinkC.nc文件：/*FUNCTION NAME : BlinkC.nc*FUNCTION DESCRIPTION : LED灯闪烁*FUCNTION DATE :2010/10/14*FUNCTION AUTHOR: EMDOOR*/configuration BlinkCimplementationcomponents BlinkM; /LED模块程序，用于实现LED代码components LedsC;components MainC; /TinyOS2主模块，这里用于关联系统启动 /* LED模块程序中控制LED的IO与tinyos提供* 的接口相关联*/

21、BlinkM.Leds - LedsC;/* LED模块程序的Boot接口与系统Boot接口* 关联这样系统启动时会调用LedM的Boot接口*/BlinkM.Boot - MainC.Boot;Makefile文件：COMPONENT=BlinkC#PFLAGS += -DUSE_MODULE_LED#include $(MAKERULES),3.查看实验结果 节点板上的D14（LED灯）和D15(LED灯)依次点亮、熄灭。,2.4现代WSN典型实验平台,当今市场上无线传感器网络实验种类繁多，但功能基本相同。下面以武汉创维特CVT-WSN-II无线传感器网络教学实验系统为例介绍无线传感器网络

22、典型实验平台的硬件组成。2.4.1 硬件系统的组成 VT-WSN-II无线传感器综合教学实验系统包括16种传感器模块、5种被控单元、无线射频模块。其中传感器模块包括温度、温湿度、光照、人体感应、震动、可燃气体、酒精、压力、气象气体压力、超声波测距、三轴加速度、水流量、雨滴、霍尔、磁场等，被控单元包括LED矩阵、数码管、蜂鸣器、步进电机、直流电机，网关直接采用TI公司的无线单片机CC2530作为核心处理器，硬件系统组成如图2-17所示，详细如表2-8所示。,2.4.1 硬件系统的组成(继),表2-8 CVT-WSN-II教学实验系统硬件组成序号名称规格型号数量备注1无线单片机显示网关板CVT-W

23、SNMCULCD1CC2530处理器，128*64点阵LCD屏7个功能按键，4个LED灯2通用调试母板CVT-WSN-EMK73个按键/1个AD/3个LED/1个UART，3种供电模式3Zigbee板CVT-ZIGBEE81.工作频段2.4G，信道16个2.信道带宽5M3.符合IEEE 802.15.4 标准4.内置 IEEE 802.15.4 MAC协议栈4传感器扩展板1CVT-WSNSENSOR11温度/温湿度/光照/人体感应/震动5传感器扩展板2CVT-WSNSENSOR21可燃气体/酒精/压力/气象气体压力6传感器扩展板3CVT-WSNSENSOR31超声波测距/三轴加速度7传感器扩展

24、板4CVT-WSNSENSOR41水流量/雨滴/霍尔/磁场8指示扩展板 CVT-WSNSEG1LED/数码管/蜂鸣器指示9控制扩展板 CVT-WSNMOTOR1直流电机/步进电机/继电器控制10RFID扩展板 CVT-WSNRFID113.56M RFID11USB供电板 CVT-WSNUSB1供电电源线一个，USB线8根2Zigbee通用仿真监视器 CC20001下载调试排线一根USB2.0下载调试线一根,无线单片机显示网关板图,1.无线单片机显示网关板,通用调试母板图,2.通用调试母板,Zigbee板图,3.ZigBee板,传感器扩展板图,将传感器进行了分类，按功能或大小，将上面的传感器组

25、合为4种传感器板。即传感器扩展板1、传感器扩展板2、传感器扩展板3、传感器扩展板4。（1）传感器扩展板1图,4.传感器扩展板,（2）传感器扩展板2图,（3）传感器扩展板3图,（4）传感器扩展板4图,（5）指示扩展板图,（6）控制扩展板图,（7）RFID扩展板图,（8） USB供电板图,（9）Zigbee仿真器图,2.4.3传感器节点,传感器节点硬件电路板如图2-19、图2-20所示，主要包括1块底板(采集板)与1块ZigBee模块组成。根据需要可增加传感器扩展板。底板型号为C51RF-WSN-DA100。传感器扩展板型号为C51RF-WSN-DA300。,图2-19传感器节点,图2-20传感器

26、底板（采集板）DA100,2.4.4路由器节点,在传感器节点不能和网关直接通信的时候，路由器节点就起到了连接网关和传感器节点通信的目的。传感器节点硬件电路在无线ZigBee传感器网络系统既可用作于普通传感节点，也可用作于无线ZigBee网络中的路由节点之用。硬件电路配置如图2-19所示。,图2-19传感器节点,2.5ZigBee硬件平台,TI 公司的CC2530是真正的系统级SoC芯片,适用于2.4GHz IEEE 802.15.4，ZigBee和RF4CE应用。CC2530包括了极好性能的一流的RF收发器，工业标准增强型8051 MCU，系统中可编程的闪存，8KB RAM，具有不同的运行模式

27、，使得它尤其适应超低功耗要求的系统，以及许多其它功能强大的特性，结合德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee 协议栈（Z-Stack），提供了一个强大和完整的ZigBee 解决方案。,2.5.1 CC2530芯片的特点,CC2530芯片方框图如图2-43所示。 内含模块大致可以分为三类：CPU 和内存相关的模块；外设、时钟和电源管理相关的模块，以及射频率相关的模块。CC2530在单个芯片上整合了8051兼容微控制器、ZigBee射频(RF)前端、内存和FLASH存储器等，还包含串行接口(UART)、模/数转换器(ADC)、多个定时器(Timer)、AESl28安全协处理器、看门狗定时器(Wat

28、chDog Timer)、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power 0n Reset)、掉电检测电路(Brown Out Detection)以及21个可编程IO口等外设接口单元。,2.5.1 CC2530芯片的特点（继）,CC2530的主要特点如下：高性能、低功耗、带程序预取功能的8051微控制器内核。 32KB/64KB/128KB或256KB的在系统可编程Flash。 8KB在所有模式都带记忆功能的RAM。 2.4GHz IEEE 802.15.4兼容RF收发器 优秀的接收灵敏度和强大的抗干扰性能力。 精确的数字接收信号强度(RSSI)指示/链路质量指示(LQI)支持。

29、 最高到4.5dBm的可编程输出功率。 集成AES安全协处理器，硬件支持的CSMA/CA功能。 具有8路输入和可配置分辨率的12位ADC。 强大的5通道DMA。 IR发生电路。,2.5.2 CC2530片上8051内核,CC2530芯片使用的8051 CPU内核是一个单周期的8051兼容内核。它有三种不同的内存访问总线（SFR，DATA 和CODE/XDATA），单周期访问SFR，DATA 和主SRAM。1.增强型8051内核2.存储空间3.特殊功能寄存器,2.5.3 CC2530主要特征外设,CC2530有21个数字I/O引脚，能被配置为通用数字I/O口或作为外设I/O信号连接到ADC、定时

30、器、或串口外设。1. 输入/输出接口2. 直接存取(DMA)控制器3. 定时器（Timer）4. 14位模/数转换器(ADC)5. 串行通信接口(USART)CC2530有2个串行接口：USART0和USART0。可以独立操作在异步UART模式或同步SPI模式。,2.5.4 CC2530无线收发器,一个基于802.15.4的CC2530无线收发器如图所示。无线核心部分是一个CC2420射频收发器。,图 CC2530无线收发器方框图,2.5.5 CC2530开发环境,CVT-WSN-II/S教学实验系统使用的软件比较多，包括CC25XX无线单片机软件集成开发环境、CC25XX芯片FLASH编程软

31、件、ZIGBEE协议分析软件、基于PC的管理分析软件等。1. IAR Embedded Workbench for 8051IAR嵌入式集成开发环境，是IAR系统公司设计用于处理器软件开发的集成软件包，包含软件编辑、编译、连接、调试等功能。2.SmartRF Flash ProgrammerSmartRF Flash Programmer用于无线单片机CC2530的程序烧写，或用于USB接口的MCU固件编程，读写IEEE地址等。 3. Zigbee协议监视分析软件(Packet Sniffer)Packet Sniffer用于802.15.4/Zigbee协议监视和分析功能。可以对本地的Zig

32、bee网络进行协议监视和分析。,4. LED自动闪烁实验分析,CC2530软件开发环境IAR Embedded Wordbench for MCS-51如何 新建一个工程，完成自己的设计和调试。有关IAR的详细说明文档可浏览IAR网站或参考 安装文件夹里的支持文档Chipcon IAR IDE usermanual_l_22.pdf。这里仅通过一个简单的 LED闪灯测试程序带领用户逐步熟悉IAR for 51工作环境。在这个测试程序中所需要的工 具和硬件是DTD243A_Demo仿真器和一个CC2430模块DTD243A。（1）CC2530的GPIO接口(2) 寄存器（3）相关电路图,4. L

33、ED自动闪烁实验分析（继）,（4）程序流程及核心代码 程序流程如图2-47所示核心代码 void main( void ) P0DIR |= 0 x01; / 设置P1.0为输出方式，复位后为普通I/O输入口 P2DIR |= 0 x01; / 设置P2.0为输出方式，复位后为普通I/O输入口 while(1) P0_0 = 0; / 点亮D2发光二极管 P2_0 = 0; / 点亮D3发光二极管 delay(); /延时子程序，延时大概400ms P0_0 = 1; / 熄灭D2发光二极管 P2_0 = 1; / 熄灭D3发光二极管 delay(); / end of main() （5）实

34、验现象发光二极管D2和D3同时点亮，一段时间后又同时熄灭，如此循环往复。,第2章 WSN开发环境2.1 概述2.2 WSN 平台硬件设计 2.2.1 系统结构图 2.2.2 节点设计内容与要求 2.2.3 节点的模块化设计 2.2.4 传感器节点开发实例 2.2.5 常见传感器节点 2.3 WSN 的操作系统 2.3.1 概述 2.3.2 nesC语言 2.3.3 TinyOS组件模型 2.3.4 TinyOS通信模型 2.3.5 TinyOS事件驱动机制 2.3.6 调度策略 2.3.7 能量管理机制 2.3.8 LED灯闪烁实验分析 2.4 现代 WSN 典型实验平台 2.4.1 硬件系统的组成 2.4.2 硬件组件介绍 2.4.3 传感器节点 2.4.4 路由器节点 2.5 ZigBee硬件平台 2.5.1 CC2530芯片的特点 2.5.2 CC2530片上8051内核 2.5.3 CC2530主要特征外设 2.5.4 CC2530无线收发器 2.5.5 CC2530开发环境 ,小结,作业,习题二,