基于smartsnail开发板的温湿度传感器

基于smartsnail开发板的温湿度传感器摘 要无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感器节点密集布设在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自治测控网络系统。大量传感器节点通过相互之间的分工协作，可实时感知、监测和采集分布区域内的监测对象或周围环境的信息。无线传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求，前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。随着传感器网络技术的逐步发展，它的应用也越来越广泛,无线传感器网络也被要求有更小功耗，更低成本，以及更方便使用的性能，在这种情况下，smartsnail技术应运而生。smartsnail技术是一种短距离无线双向通信技术，该技术拥有协议简单、功耗低、组网能力强、网络容量大、时延短、安全、可靠及成本低等优点，具有路径选择、自动连结网络及自我恢复等功能。预计将在消费类电子设备、家庭智能化、工控、医用设备控制、农业自动化等领域获得广泛应用。本文首先介绍了无线传感器网络的基础知识和研究现状；然后深入分析了smartsnail协议，给出了各层的功能；之后，设计了smartsnail节点模块和温湿度传感模块，并在此硬件基础上设计了具有基本功能的smartsnail协议栈，同时提出了一种基于smartsnail的组网算法，通过扫描信道、建立网络和建立节点间的关联三个步骤构建了一个简单的网络层，实现了无线传感器组网功能；在此基础上本文设计一个小型的温度湿度监控网络系统；最后，对论文进行总结，提出今后的研究工作方向。关键字：smartsnail；温湿度传感器；无线通信；无线温湿度传感器系统AbstractWireless sensor networks (Wireless Sensor Network, WSN) is composed of a large number of ubiquitous，tiny sensor nodes have the ability to communicate with the intensive computing laid in the monitored area unattended constituted able to complete the assigned tasks independently according to the environment smart autonomy and control network system. A large number of sensor nodes through the division of labor between them, real-time sensing, monitoring and gathering information on the distribution area of the object or the surrounding environment. Wireless sensor networks and traditional networks have distinct technical requirements , the former data-centric , the latter for the purpose of transferring data . With the gradual development of sensor network technology, its applications are increasingly widespread , wireless sensor networks are also required to have a smaller power consumption, cost, and performance is more convenient to use, in this case , smartsnail technology to be shipped born.Smartsnail technology is a short -range wireless two-way communication technology that has the protocol is simple , low power consumption, strong networking capabilities, network capacity, time is short , safe, reliable and low cost, with a path selection, automatic link networks and self-recovery capabilities. It is expected to be widely used in consumer electronic devices, intelligent home , industrial , medical equipment control , automation , and other fields of agriculture.This paper introduces the basic knowledge and research of wireless sensor networks ; and in-depth analysis of the smartsnail protocol , given the function of each layer ; then designed smartsnail node module temperature and humidity sensor module , and is designed on the basis of this hardware the smartsnail protocol stack has the basic functions , while networking algorithm is proposed based on smartsnail , by scanning channel , networking and the establishment of three steps associated nodes to build a simple network layer , to achieve a wireless sensor network function ; on this basis, we design a small temperature and humidity monitoring network system ; Finally, the paper summarizes the proposed future research directions.Key words:smartsnail;Wireless Temperature And Humidity Seneor System;Wireless Communication目 录第1章 绪论41.1 引言41.2 无线传感器网络的研究现状21.2.1 国外现状21.2.2 国内现状21.3 无线传感器网络的特点21.4 研究内容31.5 论文结构31.6 本章小结4第2章 smartsnail协议标准介绍52.1 smartsnail技术概述52.1.1 smartsnail主要特性52.1.2 smartsnail网络拓扑结构52.1.3 smartsnail网络工作模式62.2 smartsnail协议架构62.2.1 物理层（PHY）72.2.2 媒体访问控制层（MAC）82.2.3 网络层（NWK）92.2.4 smartsnail应用层102.3 本章小结11第3章 smartsnail温湿度传感器硬件平台的设计133.1 硬件设计133.1.1 CC2530芯片介绍133.1.2 射频模块电路163.2 主控电路173.2.1 串口通信电路173.2.2 电源模块203.2.3 存储模块213.4 本章小结23第4章 无线传感器网络通信系统的软件设计244.1 系统总体构成244.2 进行开发的软件介绍244.3 程序流程图244.4 系统的实现264.4.1 通过初始化、信道扫描等措施建立网络264.4.2 传感器各节点加入网络264.5 本章小结27第5章 总结与展望28参考文献29致谢30附录3136宁夏大学新华学院本科学位论文第1章 绪论1.1 引言无线传感器网络是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感器节点密集布设在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自治测控网络系统。无线传感器网络是一种特殊的Ad-Hoc网络，与传统的网络相比，它是一种以数据为中心的自组织无线网络。根据smartsnail联盟目前的设想，根据该标准和技术生产的相关产品主要适用于：智能家居（照明控制、各类窗帘控制、家庭安防、暖气控制、内置家居控制的机顶盒、万能遥控器）、环境检测与控制、自动读表系统、烟雾传感器、医疗监控系统、大型空调系统、工业和楼宇自动化、安全监控、工业控制、传感器控制、停车计费数据传输等诸多领域。1.2 无线传感器网络的研究现状1.2.1 国外现状无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人们的生活和生产的各个领域带来深远的影响。各国都非常重视无线传感器网络的发展，美国和欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络的研究计划。1.2.2 国内现状我国现代意义的无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首次正式出现于1999年中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的“信息与自动化领域研究报告”中，作为该领域提出的五个重大项目之一【2】。1.3 无线传感器网络的特点无线传感器网络是由许许多多功能相同或不相同的无线传感器节点组成，每一个传感器节点由数据采集模块（传感器、A/D转换器）、数据处理和控制模块（微处理器、存储器）、通信模块（无线收发器）和供电模块（电池、DC/AC能量转换器）等组成,无线传感器网络的组成及使用决定了它应该具备以下多项特点：（1）低功耗无线传感器网络长期在无人值守的状态下工作，要求网络中节点的平均能耗比现有无线网络（如Bluetooth）中节点的能耗更低。在一些工业监控应用中，装备纽扣电池的传感器需要在无人值守的情况下工作几个月甚至几年。（2）低成本无线传感器网络由成千上万的节点构成，单个节点的价格将极大地影响系统的成本。为了达到降低成本的目的，需要设计对计算和存储能力要求较低的简单的网络系统和通信协议。（3）通用性无线行李标牌、集装箱定位系统等无线传感器网络的许多应用需要系统能够在世界范围内正常工作。此外，为了扩大生产规模、开拓市场，一个能在全球范围内正常运转的系统也是必要的。（4）网络拓扑传统的星形结构包含一个主结点，一个或多个从节点。在通信时，主结点与从节点可以直接通信，从节点间的通信需要依靠主节点转发。星型结构适合在一些小规模网络中使用。（5）安全在一些应用中，网络的安全是必需的。无线传感器网络系统具有严格的资源限制，需要设计低开销的通信协议，但同时也会带来严重的安全问题。一方面，入侵者可以比较容易的进行服务拒绝攻击（Denial Of Service，DOS）；另一方面，无线传感器网络系统的资源严格受限以及节点间自组织协调工作的特点使其难以实现严密的安全防护。由于低成本的限制，一些无线传感器网络系统只能采用单频率通信机制【3】。 （6）实时性实时性是需要协同工作的无线传感器网络系统的一个关键机制。如测量移动车辆速度需要计算不同传感器检测事件时间差，通过波束阵列确定声源位置节点间的时间同步。目前已提出了多个时间同步机制，其中RBS，TINY/MINI-SYNC和TPSN被认为是三个基本的同步机制。（7）智能性无线传感器网络系统通过自组织的方式来完成用户指定的任务。系统需要感知环境变化，通过节点间的协同工作来产生需要的输出。由于在工作的过程中无需人为干预，因此，网络节点这种根据感知的信息协同工作的方式体现了系统的智能性。1.4 研究内容本文的设计目标是通过一个协调器和若干个路由器和终端节点,搭建一个蔟型的smartsnail网络，其中采用的smartsnail协议软件基于smartsnailV1.0与IEEE802.15.4标准自行开发，达到测量环境温湿度的要求。本文的主要工作如下：（1）分析IEEE802.15.4和smartsnail协议，理解smartsnail技术的特性和通信原理，详细分析smartsnail协议栈构架，并能设计编写具有基本组网，数据传输等功能的协议栈。（2）根据节点的物理特性，选择合适的微处理器和无线传输芯片，组建无线传感器网络节点，包括电路连接，相应外围电路设计，射频电路设计,温湿度传感器节点的设计等。（3）测温湿度软件、仿真过程的叙述及整个网络的测试，能完成预期设定的功能并能达到预定的性能指标。1.5 论文结构本文主要研究了无线传感网络的特点、结构，分析了smartsnail协议的架构，各层规范及数据格式，在此基础上使用CC2530微控制器以及温湿度传感器等外围模块搭建节点，设计与实现了在此硬件基础之上的smartsnail协议栈，并进行了相关的测试，各章安排如下：第一章（即本章）介绍了无线传感器网络的概念、特点、国内外发展概况。第二章介绍了smartsnail协议的基本构架，分析了物理层、数据链路层、网络层及应用层的功能、规范、数据格式等。第三章设计了网络系统的硬件平台，重点进行节点的硬件设计，包括器件的选择、节点的结构设计以及硬件电路设计。第四章无线传感器网络通信系统的软件设计，实现了无线传感器网络系统的基本组网和数据采集以,包括程序的基本流程，所用函数的编写。第五章对本文进行了总结。1.6 本章小结本章主要介绍了无线传感器网络的概念、特点、国内外发展概况、同时对本文将要采用的smartsnail技术做了简要介绍，然后对本文所做的研究工作和论文结构进行了介绍。第2章 smartsnail协议标准介绍smartsnail技术是最近发展起来的一种近距离无线通信技术，以2.4Ghz为主要频段，采用扩频技术，具有低功耗、成本低、易应用等显著特点，smartsnail被业界认为是最有可能应用在智能家居、工业应用、智能交通、智能建筑、医院监护等领域的无线技术。2.1 smartsnail技术概述2.1.1 smartsnail主要特性smartsnail显著的特点就是低速率、低功耗、低成本、自配置和灵活的网络拓扑结构。（1）低功耗：在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作624个月、甚至更长。这是smartsnail的突出优势，相比较，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。（2）低成本：通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且smartsnail免协议专利费，每块芯片的价格大约为2美元。（3）低速率：smartsnail工作在20250kbps的较低速率，分别提供250kbps(2.4GHz)、40kbps（915MHz)和20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。（4）近距离：传输范围一般介于10100m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到13km，这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。2.1.2 smartsnail网络拓扑结构smartsnail协议主要采用了二种组网方式：星状网和网状网，网络拓扑结构如图2-1所示：图2-1 smartsnail二种拓扑结构在星状网中，以PAN协调器为中心，所有设备只能与中心设备PAN协调器进行通信，终端设备之间的通信通过PAN协调器的转发来完成，因此在星型网络的形成过程中，第一步就是建立PAN协调器。2.1.3 smartsnail网络工作模式smartsnail网络的工作模式可以分为信标（Beacon）和非信标(Non-Beacon)两种模式，信标模式实现了网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度的功耗节省，而非信标模式则只允许终端设备进行周期性休眠，协调器和所有路由设备必须长期处于工作状态。2.2 smartsnail协议架构smartsnail的协议架构是建立在IEEE802.15.4标准基础之上的，IEEE802.15.4标准规定了smartsnail的物理层（PHY）和介质访问控制层（MAC）；smartsnail联盟则定义了smartsnail协议的网络层（NWK）、应用层（APL）和安全服务规范，smartsnail协议栈的结构如图2-2所示：图2-2 smartsnail协议栈的体系结构模型图2.2.1 物理层（PHY）IEEE802.15.4物理层主要完成以下几项任务：开启和关闭无线收发信机、能量检测（ED）、链路质量指示（LQI）、信道评估（CCA）和通过物理媒体收发数据包。表2-1 IEEE802.15.4的扩频和调制参数物理层工作频率(Mhz)频道数扩频参数传输参数码片率(kchip/s)调制方式传输率（kb/s）数据符号868Mhz物理层868-868.61300三相的相位健控调制（BPSK）20二进制915Mhz物理层902-92810600二相的相移控件调制（BPSK）40二进制2.4G物理层2400-2483.5162000偏移四相相移控件调制（BPSK）25016 状态组IEEE802.15.4物理层在三个频段上共划分了27个信道，信道编号为026。2450Mhz频段上划分了16个信道，915Mhz频段有10个信道，868Mhz频段有1个信道，27个信道的中心频率和对应的信道编号定义如式（2.1）所示。 (2.1)式中k指的是信道号，Fc的单位为MHz。物理层通过射频固件和硬件提供MAC层与物理无线信道之间的接口。从概念上说，物理层还应该包括物理层管理实体（PLME），以提供调用物理层管理功能的管理服务接口；同时PLME还负责维护物理层PAN信息库（PHY PIB）。物理层参考模型如图2-3所示。图2-3 物理层参考模型物理层协议数据单元（PPDU）由三部分组成：同步头（SHR）允许接收设备同步并锁定数据流；物理层帧头（PHR）包含的是帧长信息；有效载荷部分为PSDU，其格式如表2-2所示：表2-2 PPDU格式字节数:411可变长度引导序列帧开始符帧长(7位)预留(1位)物理层服务数据单元（PSDU）同步头(SHR)物理层帧头(PHR)物理层有效载荷2.2.2 媒体访问控制层（MAC）MAC层位于NWK层和PHY层之间，主要负责以下几项任务：协调器产生网络信标、信标同步、支持PAN关联和解关联、CSMA-CA信道访问机制、处理和维护保证时隙（GTS）机制、在两个对等MAC实体间提供可靠链路。MAC层参考模型如图2-4所示：图2-4 MAC层参考模型表2-3 MAC帧格式字节数:210/20/2/80/20/2/8可变长度2帧控制帧序号目的 PAN标识码目的地址源 PAN标识码源地址帧有效载荷FCS地址信息MAC 头（MHR）MAC 有效载荷MAC 尾（MFR）2.2.3 网络层（NWK）网络层在MAC层与应用层之间提供合适的接口，通过激发MAC层的动作执行寻址和路由功能。主要任务包括：发起一个网络并且分配网络地址(PAN协调器)；向网络中添加设备或者从网络中移除设备；将消息路由到目的节点；对发送的数据进行加密；在网状网络中执行路由寻址并且储存路由表。网络层参考模型如图2-5所示：图2-5 网络层参考模型NWK帧的一般格式如表2-4所示：表2-4 网络层帧格式字节:22211可变长度帧控制目的地址源地址广播半径的一般格式如图并为应用层提供合适的服务和管理广播序列号帧负荷路由信息网络层头部网络层负荷帧控制：标识了帧的类型、所用的协议类型以及是否采取了安全措施。目的地址/源地址：此帧接收节点和发送节点的16位网络地址，其中16位网络地址在网络连接建立时已经分配好。广播半径：表示节点发信机发射信号可以被接收到的范围。广播序列号：表示广播帧的序号，随着帧的广播序号递增。帧负荷：网络层帧所承载的有用信息【6】。2.2.4 smartsnail应用层smartsnail应用层包括应用支持子层（Application Support Sublayer，APS）、应用框架，smartsnail设备对象（smartsnail Device Objects，ZDO）和 ZDO管理平台APS子层的任务是维护绑定表和在绑定设备之间传递信息。ZDO负责定义设备在网络中的角色（如smartsnail协调器或终端设备）、发现设备并决定设备所能提供的应用服务、初始化并响应绑定请求和在网络设备之间建立安全关系。APS子层参考模型如图2-6所示：图2-6 APS子层的参考模型smartsnail应用层框架是应用设备和smartsnail设备连接的环境。在应用层框架中，应用对象(Application Object)发送和接收数据通过APSDE-SAP实现，而对应用对象的控制和管理则通过ZDO公用接口来实现。APSDE-SAP提供的数据服务包括请求、确认、响应以及数据传输的指示信息。ZDO描述了应用框架层的应用对象的公用接口以及控制设备和应用对象的网络功能，提供了与协议栈中低一层相连的接口，数据信息通过APSDE-SAP相连，控制信息通过APSME-SAP相连。在smartsnail协议栈的应用框架中，ZDO公用接口提供设备发现、绑定以及安全等功能的地址管理。2.3 本章小结本章首先介绍IEEE802.15.4协议与smartsnail的关系，然后给出smartsnail协议的架构，最后根据smartsnail协议的分层结构，分别介绍了物理层、数据链路层、网络层和应用层的功能、详细结构及数据格式等内容。通过以上内容的研究，使我们对smartsnail无线个域网特点及工作机制有了比较深刻的了解，为后面的研究打下基础。第3章 smartsnail温湿度传感器硬件平台的设计本章在前面两章的基础上，设计了基于smartsnail无线传感器网络系统的硬件平台，重点是网络节点的硬件结构设计和电路设计。3.1 硬件设计节点是无线传感器网络的基本单元，是实现无线传感器网络功能的基本平台。在设计中，节点分为两种类型：中心节点与一般节点。中心节点：无线传输模块+微处理器+串口+电源。中心节点的功能为：接收周围一般节点发来的数据；将数据传给PC；根据PC发来的控制指令，对一般节点进行控制(可选)。一般节点：无线传输模块+微处理器+传感器十电源。一般节点的功能为：数据采集(由传感器完成)；获取与周围节点之间的距离；将信息发送给周围节点；转发周围节点的数据。图3-1 硬件系统框图3.1.1 CC2530芯片介绍自IEEE802.15.4标准发布后，市场上逐步生产出支持IEEE802.15.4的芯片。比如有Freescale的MCl3192、TI公司的CC2530、Ember的EM2420。综合低功耗、低成本等因素，本论文选用CC2530单片机能够满足系统需求，能充分降低成本和缩短开发周期。CC2530相对其他单片机以较低的总成本，能够建立非常强大的网络节点，并涵盖了先进的射频器的优良性能、8KB随机存储器、系统内可编程闪存以及8051CPU等强大的功能。CC2530分别具有32KB、64KB、128KB、256KB四种不同的闪存。CC2530根据需要切换不同的运行模式，具备低能耗、较强的抗干扰性、较好的接收信号能力的优点，非常适合WSN的需要。另外，CC2530芯片还集成了温度传感器。芯片CC2530有40根引脚，如图3-2所示：图3-2 CC2530引脚图其中主要引脚的功用分别是：AVDDl23456：接入23.6V的模拟电源；DVDDl2：2V3.6V数字电源连接；RF_N：RX期间负RF输入信号到LNA；RF_P是RX期间正RF输入信号到LNA；RESET_N：复位，活动到低电平；P1_0：端口1.020mA驱动能力；Pl_1：端口1.120mA驱动能力；P2_3：端口2.332.768kHz XOSC；端口2.432.768kHz XOSC；XOSC_QlQ2：32MHz晶振引脚12。CC2530模块主要可以分为几大块：CPU及内存、时钟及电源管理、外设。（1）CPU和内存中断控制器总共提供了18个中断源，分为六个中断组，每个与四个中断优先级之一相关。当设备从活动模式回到空闲模式，任一中断服务请求就被激发。一些中断还可以从睡眠模式(供电模式1-3)唤醒设备。内存仲裁器位于系统中心，因为它通过SFR总线把CPU和DMA控制器和物理存储器以及所有外设连接起来。内存仲裁器有四个内存访问点，每次访问可以映射到三个物理存储器之一：一个8KB SRAM、闪存存储器和XREGSFR寄存器。它负责执行仲裁，并确定同时访问同一个物理存储器之间的顺序。（2）时钟和电源管理数字内核和外设由一个1.8V低差稳压器供电。它提供了电源管理功能，可以实现使用同供电模式的长电池寿命的低功耗运行。（3）外设CC2530包括许多不同的外设，允许应用程序设计者开发先进的应用。调试接口执行一个专有的两线串行接口，用于内电路调试。通过这个调试接口，可以执行整个闪存存储器的擦除、控制使能哪个振荡器、停止和开始执行用户程序、执行8051内核提供的指令、设置代码断点，以及内核中全部指令的单步调试。使用这些技术，可以很好地执行内电路的调试和外部闪存的编程。设备含有闪存存储器以存储程序代码。闪存存储器可通过用户软件和调试接口编程。闪存控制器处理写入和擦除嵌入式闪存存储器。闪存控制器允许页面擦除和4字节编程。MAC定时器(定时器2)是专门为支持IEEE802.154MAC或软件中其他时槽的协议设计。定时器有一个可配置的定时器周期和一个8位溢出计数器，可以用于保持跟踪已经经过的周期数。一个16位捕获寄存器也用于记录发送一个帧开始界定符的精确时间，或传输结束的精确时间，还有一个16位输出比较寄存器可以在具体时间产生不同的选通命令(开始RX，开始TX，等等)到无线模块。随机数发生器使用一个16位LFSR来产生伪随机数，这可以被CPU读取或由选通命令处理器直接使用。例如随机数可以用作产生随机密钥，用于安全。AES加密解密内核允许用户使用带有128位密钥的AES算法加密和解密数据。这一内核能够支持IEEE802.15.4MAC安全、smartsnail网络层和应用层要求的AES操作。一个内置的看门狗允许CC2530在固件挂起的情况下复位自身。当看门狗定时器由软件使能，它必须定期清除；否则，当它超时就复位它就复位设备。或者它可以配置用作一个通用32kHz定时器【8】。CC2530内置温度传感器为模拟温度传感器，测量内置温度传感器温度计算方法。如表3-1所示：表3-1 CC2530温度传感器的运算方法参数测试条件最小 典型 最大单位在25输出使用集成ADC测量，（使用内部带隙基准电压参考和最大分辨率）148012位ADC温度系数4.5/10电压系数1/0.1V未校准的初始精度10使用1点校准的精度(整个温度范围)5使能对的电流消耗(不包括ADC电流)0.5mA3.1.2 射频模块电路通过把CC2530射频芯片、电感、电阻、晶振、电容和天线集成在一起组成射频模块电路，如图3-3所示：图3-3 CC2530射频模块电路图射频模块在发送信号时，通过设定频率、模式等参数给CC2530芯片，CC2530芯片自身带有AD转换功能，把用户输入的数字信号转换成模拟信号最终通过天线发出【9】,而射频模块在接收信号时，天线会按照事先设定好的频率接收节点反馈的模拟信号，通过芯片模数转换后传递给用户。（1）射频模块CC2530与主控电路的连接。射频模块通过CC2530的P1_O7、PO_07、P2_02以及RESET_N、VDD、GND等22个引脚和主控电路连接起来，能够使射频模块获得3V电源，并且能够实现射频模块的收发信号传送到主控电路上。如图3-4所示：图3-4 与主控电路连接的CC2530引脚示意图（2）无线传感器网络各节点问实现互联，需要通过天线收发信号。天线(antenna)是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波，或者进行相反的变换。（3）晶振电路。晶振电路的目的是给单片机正常工作提供稳定的时钟信号。射频模块有32MHz和32.768kHz晶振。32MHz晶振电路包括一个32MHz振荡器X1和两个27pF负载电容（C17和C18）。32.768kHz晶振电路包括一个32.768kHz晶振X2和两个15pF负载电容（C19和C20），用于要求非常低的睡眠电流消耗和精确唤醒时问的应用。3.2 主控电路3.2.1 串口通信电路串行通信接口主要实现与外部设备之间的数据传输，是嵌入式开发不可或缺的。串口通信模块主要包括MAX3221芯片、电容。串口电路如图3-5所示：图3-5 RS232串口接口电路图从图中可以看出，采用的是最常用的串口RS-232接口。它可以实现PC和芯片之间的通信，由于用户能够通过PC实时地观测数据，非常方便用户进行调试和分析【12】。RS-232接口有9根针脚，如图3-6所示，其完整接法是2和3交叉、4和6交叉、7和8交叉、5直连。它能够传送基本的数据，也能够用于控制调制解调器。本文用到的引脚是：RXD、TXD、GND、RTS、CTS。图3-6 RS232接口表3-2 RS232针脚定义针脚信号定义作用1DCD载波检测此引脚主要用于Modem通知计算机其处于在线状态，即Modem检测到拨号音，处于在线状态。2RXD接收数据此引脚主要用于接收外部设备送来的数据3TXD发送数据此引脚主要将计算机的数据发送给外部设备4DTR数据终端准备好当此引脚高电平时，通知Modem可以进行数据传输，计算机已经准备好5GND信号地此引脚用于接地6DSR数据准备好此引脚高电平时，通知计算机Modem已经准备好，可以进行数据通讯了7RTS请求发送此脚由计算机来控制，用以通知Modem马上传送数据至计算机；否则，Modem将收到的数据暂时放入缓冲区中8CTS清除发送此脚由Modem控制，用以通知计算机将欲传的数据送至Modem9RI振铃提示Modem通知计算机有呼叫进来，是否接听呼叫由计算机决定此外，我们还可以采用RS485总线来设计串口通信，其接法如下：1接4；2接3；3接2；4接1；5接5；6接9；7接8；8接7，其通信模块主要包括。串口电路如图3-7所示：图3-7 RS485串口部分电路图RS485针脚定义如下所示：脚为DATA+，脚为DATA+，脚为GND。RS-485通信建议一定要接地线，因为RS-485通信要求通信双方的地电位差小于1V。即：半双工通信接3根线（+A、-B、地），全双工通信接5根线（+发、-发 、+收、-收、地）。为了安全起见，建议通信机器的外壳接大地【13】。3.2.2 电源模块电源模块由LMl117低压差线性调压器、二极管和电阻电容组成，如3-8图所示：图3-8 电源模块原理图LMl117是一个低压差电压调节器，可输出800mA电流。由于单片机和射频模块需要的电压都是3.3V，而电源供电是5V，因此需要LMlll7进行电压转换，把电压从5V转换成模块需要的3.3V。3.2.3 存储模块存储模块主要是FLASH存储器。FLASH存储器用于存储系统运行所需的程序和重要数据，即使掉电程序和数据都不会丢失。当系统启动时，CPU首先从FLASH读取启动代码。设计中采用的FLASH为SST39VF320，其存储容量为32Mbit，工作电压为2.7V3.6V，16位数据宽度。它所需引脚为A24:0、D15:0、NRST0、NRD、NWE0、SYSNRST，电路图如3-9所示：图3-9 FLASH连接图3.3 PCB版原理图节点主要通过其上的CC2530射频芯片、电感、电阻、晶振、电容和天线集成在一起实现信号的收发模块，如图3-3所示。输入电压是5V的直流电，而CC2530单片机的工作电压是3.3V,因此这里采用LM1117芯片来进行电压转换，如图3-9所示。图3-10 STH11连接图3.4 本章小结本章从系统需求角度、开发难度和成本角度考虑，选择了TI的处理器CC2530做为主要的控制芯片，以及瑞士Scnsirion公司的数字式温湿度传感器SHT11，设计了具有smartsnail功能的温湿度数据采集硬件节点。本章中先给出了系统硬件功能，对硬件系统中的各个硬件电路模块的设计进行了介绍和分析。在此课题的设计中只考虑了MCU、电源、复位、数据采集等主要和基本的模块，此硬件系统能够满足实现smartsnail无线通信的基本硬件要求。通过本章内容的研究，使我们对smartsnail节点的一般硬件构架有了一个详细的了解。第4章 无线传感器网络通信系统的软件设计4.1 系统总体构成通过发送指令让汇聚节点建立起无线网络，传感器节点随后加入到网络中，最终各个传感器节点和汇聚节点之间实现无线传输。CC2530芯片内有温度传感器，本课题研究监测环境的温度的应用。传感器节点把采集到温度信息处理后通过射频模块发送到汇聚节点，随后，汇聚节点通过串口连接计算机，把信息直接传递给用户。4.2 进行开发的软件介绍本文CC2530芯片程序是采用IAR Embedded Workbench软件进行开发的。IAR Embedded Workbench(简称EW)的CC+交叉编译器和调试器是目前世界上最完整、最容易使用的专业嵌入式应用丌发工具【15】。EW对不同的微处理器提供一样直观用户界面。该软件能够编译CC+和汇编语言应用程序，还能够进行嵌入式系统调试开发软件IAR包含管理器、编译器、调试器等功能，符合本文开发的需求。另外，可以通过Smart RF Flash Programmer软件，把相关指令程序下载至CC2530芯片中，实现程序的功能。4.3 程序流程图无线传感器网络中包括汇聚节点和传感器节点。汇聚节点负责建立网络(建网后充当路由角色)，传感器节点只能收发数据。在建立好网络之后，子节点，母节点不再存在，汇聚节点的建网功能完成，该节点作为网关和PC机进行通信。汇聚节点加电后组建网络，其他各节点自动发现并加入网络。图4-2 汇聚节点程序流程图图4-3 传感器节点程序流程图4.4 系统的实现4.4.1 通过初始化、信道扫描等措施建立网络需要建立的网络包含1个汇聚节点和2个传感器节点。第一步需要汇聚节点完成对串口、网络操作系统等功能程序的初始化；第二步是在2.4GHz的IEEE802.15.4频段上，通过信道扫描，在其中16条信道扫描出一条空闲的信道就能建立新的网络；最后在扫描出空闲信道后通过调用函数建立网络【16】。通过操作CLKCONCMD，SLEEPCMD，PERCFG，UOCSR，UOGCR，UOBAUD，CLKCONSTA，IENO，UODUB，ADCCONl，ADCCON3，ADCH，ADCL等寄存器来实现应用。4.4.2 传感器各节点加入网络当协调器建立网络完成后就可以开启终端传感器节点以加入网络完成组网。汇聚节点建立网络完成后，传感器节点便可以开启加入到建立好的网络。先完成节点的操作系统及串口的初始化，然后便可以通过发起加入网络请求，通过相应的函数加入网络，最后还需要把传感器节点和汇聚节点进行绑定。4.5 本章小结本章节介绍了无线传感器网络的软件设计，其主要包括：系统的总体构成；进行开发的软件介绍；程序流程图以及系统的地实现。以RAI为软件基础，建立了系统文件。软件针对各功能模块编写了相应的驱动程序和应用程序。系统很好的满足了信息的采集、传输、保存和传输的实际需求。第5章 总结与展望本本主要研究的是在短距离无线数据采集方面的无线多点温度采集系统的具体应用。本系统以CC2530作为主控芯片，以TI公司的Z-Stack协议栈为基础，并利用RS232串口标准，实现多点温度数据的采集，短距离无线传输和在上位机的观测。本文主要论述了如下几个问题：1、详细分析了无线传感器网络基本原理和其主要技术特点。重点分析了无线传感器网络smartsnail通信协议的技术特点，网络结构，路由机制等；阐述了嵌入式技术发展趋势和在无线传感网络中的应用。2、对IEEE802.15.4和smartsnail协议进行了分析。IEEE802.15.4协议主要包括物理层，MAC层，smartsnail协议包括网络层和应用层。深刻理解IEEE802.15.4和smartsnail协议是构建多点无线温度采集系统的基础。3、利用CC2530芯片搭建了无线传感监控节点硬件平台，设计了监控节点的应用程序，使用传感器对温度和湿度环境数据进行采集实现了无线数据传输。4、进行了系统的软件设计，建立了文件系统，为各功能模块编写了相应驱动程序和应用程序。最后进行了系统的组网和数据采集等相关性能的测试。此外，在本文研究的基础上，还可以进一步开展以下相关研究。l、利用复杂的网络模型，增大传输距离和网络通信容量。2、优化网络拓扑结构，降低整个无线传感网络的功耗。3、开发基于PC机的人机友好界面，进一步丰富监控的范围和功能。总之，通过对无线传感网络的深入研究，并致力于研究开发实际可行的监控硬件软件设备，完善监控的功能，将使得无线传感网络应用于环境监控领域并对人们的生产生活产生深远的影响。参考文献1 王刚. 温度无线采集的系统设计J. 科技信息(科学教研), 2008, 16(11): 17-23.2 张文博. 基于smartsnail网络的安全监控系统关键技术研究与实现D. 郑州: 解放军信息工程大学, 2010: 21-27.3 沈建明. 基于smartsnail的温室大棚的温湿度检测系统D. 西安：西安工业大学, 2013: 9-15.4 郭豫荣. 温湿度传感器的原理及应用J. 电子元器件应用. 2012, 13(Z1): 10-12.5 高亮, 周德扬, 杨刚. 24GE比无线数据传输系统N. 北京: 北京广播学院学报, 2005-12-3:6 曾衍仁. 基于smartsnail的远程测控网络D. 广东: 广东工业大学, 2011: 45-49.7 smartsnail协议栈中文说明.8 smartsnail技术实用手册. 西安达泰电子9 李智群. 射频集成电路与系统J, 科学出版社, 2008, 23(18): 7-9.10 (美)ChristopherBowick, (美)JohnBlyer, (美)CherylAjluni. 射频电路设计J. 电子工业出版社, 2008, 15(6): 17-21.11 伍文平, 唐一禄, 段江春. 基于单片机的无线温度监测网络设计J. 电子技术. 2008(02): 10-13.12 晏立. 基于smartsnail的温湿度传感网络研究D. 上海: 上海交通大学. 2008: 17-24.13 任志建, 莫伟健, 万智萍, 基于CC2530的smartsnail7002/PRO的无线温湿度系统设计D. 广州:中山大学, 2012: 23-27.14 孙韬. 基于smartsnail的温度/湿度无线传感器网络监控系统的设计与实现D. 湖南：国防科技大学. 2010: 31-47.15 IAR使用指南. 周立功单片机有限公司.16 周枫. 基于smartsnail协议的无线温度传感器网络的设计和实现D. 南京: 南京理工大学, 2007: 15-20.致谢本人在大四的学位论文撰写过程中，始终得到了导师刘大铭教授的悉心指导，从相关课程的学习，相关资料的查询，到论文的撰写和论文成稿，都倾注了刘老师的心血。感谢刘老师在毕业论文撰写过程中对我的信任和指导，让我得到了很好的培养和锻炼。刘老师渊博的学识、谦和的为人，都给我留下了深刻的印象。刘老师对我的鼓励和帮助，将使我终生受益。再次感谢刘大铭老师所给予的帮助和提供的便利!感谢帮助、关心我的所有老师、同学们！附录温湿度传感器程序：/*/Project: SHT11 demo program (V2.0)Filename: SHT11.cProzessor: 80C51 familyCompiler: Keil Version 6.14Autor: MSTCopyrigth: (c) Sensirion AG*/#include #include ./uart/hal_uart.h#include sht11.hconst float C1=-4.0; / for 12 Bitconst float C2= 0.0405; / for 12 Bitconst float C3=-0.0000028; / for 12 Bitconst float T1=0.01; / for 14 Bit 5Vconst float T2=0.00008; / for 14 Bit 5Vvoid _nop_(void) int i; for(i=0;i0;i/=2) /shift bit for masking if (i & value) set_DATA_1(); /masking value with i , write to SENSI-BUS else set_DATA_0(); set_CLK_1(); /clk for SENSI-BUS _nop_();_nop_();_nop_(); /pulswith approx. 5 us set_CLK_0(); set_DATA_1(); /release DATA-line Sensor_DATA_IN();/改为输入模式 set_CLK_1(); /clk #9 for ack error=IS_DATA_1(); /check ack (DATA will be pulled down by SHT11) Sensor_DATA_OUT();/改为输出模式，还原 set_CLK_0(); return error; /error=1 in case of no acknowledge/ reads a byte form the Sensibus and gives an acknowledge in case of ack=1char s_read_byte(unsigned char ack)unsigned char i,val=0;set_DATA_1(); /release DATA-lineSensor_DATA_IN();/改为输入模式for (i=0x80;i0;i/=2) /shift bit for masking set_CLK_1(); /clk for SENSI-BUSif (IS_DATA_1() val=(val | i); /read bitset_CLK_0();Sensor_DATA_OUT();/还原if(ack)set_DATA_0();elseset_DATA_1();/DATA=!ack; /in cas