资源描述
摘 要 随着人们对低速率无线个人域网的应用需求越来越大， 术在近年来得到了快速的发展。由于 术具有低功耗、成本低、低速率、近距离和网络容量大等特点，使得其得到了广泛的应用，具有十分广阔的研究前景。 我们利用 无线传送数据的功能，将其作为数据远程传送模块。 温度传感器测得的温度数据或者光照传感器测得数据按时发回到主机接收端。在主机端我们对数据进行分析处理。主机端可以带有显示，报警等功能。 本文主要涉及 具有完整功能的全功能设备 的功能设计。方案中使用 控制芯片和 线模块搭建了一个基于 术的 功能模块，该模块通过行精确的定时，并且采用无线数传模块与上位机通信。 网络中充当中心节点和协调器的作用，负责向终端节点查询温度的信息，然后反馈给计算机，达到无线测温的目的。 关键词 :无线 数据传送 ， 全功能模块（ 照，温度 1 is at a on is in as it It We of or is to at on We in of a is FD is to a 2 目 录 目 录 . 2 前言 . 4 第 1 章 本论 . 5 题背景 . 5 内外研究现状 . 5 题研究的目的和意义 . 6 文研究的主要内容 . 6 第 2 章 议及其网络结构 . 7 络结构概述 . 7 议体系结构 . 7 络拓扑结构 . 10 作模式 . 11 议 . 11 议标准 . 11 辑设备类型 . 11 个简单的无线数据通信时的一般步骤 . 11 点类型 . 11 第 3 章 系统硬件电路的实现 . 12 案实现总框图 . 12 硬件资源清单 . 12 统的总体结构 . 13 片 . 13 用 . 14 入式无线通信模块 . 15 外围电路 . 16 介 . 16 振 连接电路设计 . 17 时电路设计 . 17 位电路设计 . 18 示电路设计 . 19 C 机接口电路 . 19 信 . 19 线数传模块 . 19 第 4 章 系统软件的实现 . 20 流程图 . 20 立工程 . 20 程序模块分析 . 20 始化子程序段 . 20 部中断子程序 . 21 行中断 1 子程 序 . 22 行中断 2 子程序 . 23 统软件对功耗的影响 . 23 3 第 5 章 系统性能测试 . 25 信距离测试 . 25 第 6 章 结论与展望 . 27 论 . 27 望 . 27 致谢 . 28 参考文献 . 29 附录 A 温网络中 块的原理图 . 30 4 前言 随着物联网无线通信技术的发展，无线通信、无线控制、无线组网和移动连接等走进我们生活，其原理主要运用 术实现。 单片机 具有很强大 的功能拓展， 我们可以运用其特性进行物联网无线通信设计， 我们的生活 ，信息可以进行通信交流，进而可以实现智能控制 。这些新技术必将具有强大生命力和广阔的市场前景。 很多领域由于物联网都实现智能化的革命。 森林树木生长状况的检测对于消除森林安全隐患有很重要的意义。通过本装置对林木外部生长质量检测。在一些森林保护工作中运用 这种技术手段有很大进步。我们通过监测信息对很多状况可以预测防预。运用无线 术，我们就可以解决问题，同时，林木生长过程全程监测与生长要素控制可以市林木更加安全健康。 运用信息技术，可以解决林木生长中的一些问题。为了使供应商能够提供最低可能功耗的设备， 电气及电子工程师学会 ) 定义了两种不同类型的设备：一种是完整功能设备 ( 另一种是 简化功能设备 ( 1 本设计在 议的基础上，提出了 设计方案，完成了硬件电路的设计和程序的编写，最后完成对整个网络进行测试和数据分析。 以下是本文的主要工作以及论文的组织结构。 第一章 :绪论。主要阐述该课题研究的背景和国内外的现状及意义，并说明了本文具体设计 的内容。 第二章 :介绍 议及其网络拓扑结构 。 接着给出了 议的相关概念，并介绍了 络的拓扑结构和节点工作模式。 第三章 :硬件设计。主要描 述了利用 片机解决 方案，包括 块、 外围电路以及 示电路的设计。 第四章 :软件设计。 包含 程序，其中包括流程图的绘制以及各子程序的分析。 第五章：系统性能测试。本章主要对硬件电路在实际应用中的性能测试进行分析，进一步说明本设计的不足和优点。 第六章：结论与展望。 5 第 1 章 本 论 当问我 什么的时候？我会回答：单片机 +无线模块。例如一块 要一片 行。其功能强大、组网方式千变万化。无线传输的属性中我们可以看到 应用范围是低速率远距离的。这造就了 功耗信息传输的优势，网上经常谈到两节普通的 5 号干电池可以使用 6 个月到 2 年的时间，免去充电和更换电池的麻烦。在军事、国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都可以发挥很大作用，可以做到智能化检测。 2 应用领域很广。随着技术日益成熟以及价格的下降， 大多领域取代原始的无线模块是毋庸置疑的。举个最简单的例子，终端节点和协调器的最大通讯距离为200 米，我们在 200 米的地方加入 1 个点作 为路由器，那么终端就可以通过路由器转发，也就是说通讯距离可达 400 米。而且新节点加入现有网络极为方便。我们姑且可以先把成普通的无线模块应用。 开发无线传感器网络所采用的协议取决于网络具体的应用范围。 议是为家庭控制、安全系统、建筑自动化等方面设计的传感器网络协议。本文将会分析 议的结构并基于 议实现一种温度传感器网络。平台是 007 片是 司的 题背景 随着社会的发展，人们对通信技术的要 求日益提高，无线通信技术在其中扮演着越来越重要的角色。各种短距离无线传输技术层出不穷：蓝牙 ( 线 。其中蓝牙 ( 最受产业界关注的三种标准。对于工业控制、家庭自动化和遥测遥感领域 。 术专注于低成本，低功耗和低速率的无线通信市场，该协议标准与其他几种无线通讯标准相比 。 3具有如下特点： 响应速度较快 节点间的物理传输范围一般介于 10之间，在增加 射功率后，亦可增加到 1米。 4 内外研究现状 传感器网络系统是当今前沿性的热点研究方向之一，有着巨大的科学意义和应用前景，被认为是将对 21 世纪产生巨大影响力的高技术之一。 国外的一些著名大学，如加州大学洛杉矶分校、康奈尔大学、麻省理工学院和加州大学伯克利分校等也先后开展了传感器网络方面的研究工作。加州大学洛杉矶分校在生态监控方面研究了小气候传感器和视频传感器网络技术，在地震监控和响应结构方面研究了数据通信控制器 和网络时间同步、传感器可靠部署、宽带地震网络、结构检测的无线地震监控网络。 5 在国内传感器网络系统方面的研究 发展比较迅速 。在环境监测、生态保护、交通、工业控制等方面，传感器网络可以为我们及时准确的提供全方位的监测手段和监测信息。 6 题研究的目的和意义 温度感应和监测技术在社会生产生活各个方面都有广泛应用，如医疗护理、环保、科研等。 目前，此项设计的意义在于对无线测温的 实用性机很强 。对无线传感器网络节点的体系结构及各个模块的能量消耗情况进行了初步的分析，提出了无线传感器网络节点构架设计的系统方式， 确定 动的协调方式的架构设计。 络具有低成本、低功耗、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全及免执照频段等特点。适合采用 络来实现 。 一个可由多达 65000 个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每个 络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的 75m 到几百米甚至几公里，另外整个络还可以实现与现有的其它的各种网络例如工业以太网等的连接。 6 络主要应用在工业控制 (例如矿井监控系统 )，汽车 控制 (例如轮胎压力监测系统 )、农业控制 (例如精确耕种监控网络 )、 医学领域 (例如血压、体温和心跳监视网络 )、 家庭智能控制 (例如照明、水电气计量及报警 )、 消费类电子设备的遥控装置以及 设的无线连接等领域。 7 文研究的主要内容 本文主要研究基于 无线测温网络中的 块设计，本课题选用的是实现基于 理器和 频芯片的实用的、低成本的且可以灵活扩展的 在此基础上移植 议栈，组建 络，实现 与 节点间的信息交互。 本次设计的 内容是无线测温网络中的 块，要求基于 术组网，担任网络协调者，形成网络，让其它的 结，具备控制器的功能，可提供信息双向传输。 主要 对组网的方式，控制效率 分析设计 。完成模块的硬软件设计，硬件体系结构图和软件 代码 。 8 7 第 2 章 议及其网络结构 络结构概述 利用 术组建的是一种低数据传输速率的无线个域网（ 网络的基本成员成为 “设备（ ”。网络中的设备按照功能的不同分为两类：具有完整功能的全功能设备（ 只具有部分功能的精简功能设备（ 能非常简单，可以用最低端的 现，在网络了只能作为不需发送大量数据的终端设备，只能和某个特定的 行通信。而 以作为个域网的主协调器、协调器，也可以作为终端设备实用。在一个网络里至少需要一个主协调器。 在有些覆盖范围较大的场合，可以组建树簇型 络，通过路由器实现多跳的数据 传输，作为路由器的必须是 9 议体系结构 8 看了 体系结构，联想到 P 的体系结构，觉得似乎每个协议都是由 图可以看出 义了物理层和 ，而 盟定义了网络层、应用层技术规范，每一层为其上层提供特定的服务：即由数据服务实体提供数据传输服务；管理实体提供所有的其他管理服务。每个服务实体通过相应的服务接入点 (其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。各层介绍 : 物理层（ 物理层定义了物理无线信道和 层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管 理服务。 物理层数据服务从无线物理信道上收发数据。 物理管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。 物理层功能 1)激活； 2)当前信道的能量检测； 3)接收链路服务质量信息； 4)道接入方式； 5)信道频率选择； 6)数据传输和接收。 负责处理所有的物理无线信道访问，并产生网络信号、同步信号；支持 接和分离，提供两个对等 体 之间可靠的链路。 _数据服务：保证 议数据单元在物理层数据服务中正确收发。 管理服务：维护一个存储 层协议状态相关信息的数据库。 9 功能 1）网络协调器产生信标； 2）与信标同步； 3）支持 域网 )链路的建立和断开； 4）为设备的安全性提供支持； 5）信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入 (制； 6）处理和维护保护时隙 (制； 7）在两个对等的 体之间提供一个可靠的通信链路。 网络层（ 议栈的核心部分在 网络层。网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能，支持 多种路由算法，支持星形（ 树形（ 网格（ 多种拓扑结构。 网络层功能： 1)网络发现； 2)网络形成； 3)允许设备连接； 4)路由器初始化； 5)设备同网络连接； 6)直接将设备同网络连接； 7)断开网络连接； 8)重新复位设备； 9)接收机同步； 10)信息库维护。 应用层（ 用层框架包括应用支持层 ( 备对象 (制造商所定义的应用对象。应用支持层的功能包括：维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。所谓绑定就是基于两台设备的服务和需求将它们匹配地连接起来。 备对 象的功能包括：定义设备在网络中的角色 (如 调器和终端设备 )，发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制。 备对象还负责发现网络中的设备，并且决定向他们提供何种应用服务。 用层除了提供一些必要函数 10 以及为网络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。 应用程序框架（ 运行在 议栈上的应用程序实际上就是厂商自定义的应用对象，并且遵循规范（ 行在端点 1 240 上。在 用中，提供 2 种标准服务 类型：键值对（ 报文（ 备对象（ 远程设备通过 求描述符信息，接收到这些请求时， 调用配置对象获取相应描述符值。另外， 供绑定服务。 2、 点类型三种 调者 协调者节点 a) 每个 络必须有一个 b) 初始化网络信息 . 由器 路由节点 a) 路由信息 端节点 终端节点 a) 没有路由功能 低价格 总结 : ： 议栈已经 实现了 议，用户可以使用协议栈提供的 行应用程序的开发，在开发过程中完全不必关心 议的具体实现细节，要关心的问题是：应用层的数据是使用哪些函数通过什么方式把数据发送出去或者把数据接收过来的。所以最重要的是我们要学会使用 议栈。 11 络拓扑结构 以完成很好的组网功能，可以形成星型、树型和网状网，我们选用基本的点对点通信形式，主要操作 议实现； 从设备在 组网中的功能区别 ， 络中的 功能 设备分为 三 种。第一种 终端设备，结构和功能最简单，用电池供电，大部分时间处于睡眠之中， 很大程度降低功耗， 节约电能，它们称为终端设备（ 每个终端设备中最多可以有 240 个端点，这些端点共享同一个无线收发器，但执行不同的应用任务。处于中间层次的是路由器，它们必须具备数据的存储和转发能力、路由发现能力。路由器必须是 网络结构的最顶层的是 调器。协调器的总处于工作状态，因此它必须有稳定、可靠的电源供给。协调器也必须是 图 2- 1 星状网、树状 网和网状网三种拓扑结构 11 作模式 信标模式实现了网络中所有设备的同步工作和同步休眠， 这样可以降低功耗 ， 在一些特殊场合比较有优势。 而非信标模式则只允许终端设备进行周期性休眠，协调器和所有路由器 设备必须长期处于工作状态。 特点就是远距离低功耗的无线传输设备，节点模块闲时可以进入睡眠模式，在需要传输数据时候进行唤醒，能进一步节省电量。 议 协议分为两部分， 义了 理层）和 质访问层）技术规范； 盟定义了 络层）、 用程序支持子层）、 用层）技术规范。 议栈就是将各个层定义的协议都集合在一直，以函数的形式实现，并给用户提供 用层 )，用户可以直接调用。 12 在开发一个应用时，协议较底下的层与应用是相互独立的，它们可以从第三方来获得，因此我们需要做的就只是在应用层进行相应的改动。 出的 007 协议栈也称 户通过 数就可以轻易用 议标准 议栈 建立在 802 15 4 的 和 层规范之上。它实现了网络层 (应用层 (在应用层内提供了应用支持子层 ( 备对象 (应用框架中则加入了用户自定义的应用对象。 体系结构由称为层的各模块组成。每一层为其上层提供特定的服务：即由数据服务实体提供数据传输 服务；管理实体提供所有的其他管理服务。每个服务实体通过相应的服务接入点 (其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。 辑设备类型 在 络中存在三种 逻辑设备类型： 调 器 ) ， 由 器 ) 和 端设备 )。 络由一个 及多个 多个 成。 个简单的无线数据通信时的一般步骤 1、 组网 2、 发送 3、 接收 点类型 络包含三种类型的节点，即协调器 路由 终端设备 其中协调器和路由器均为全功能设备 (而终端设备选用精简功能设备 (协调器：一个 络 且仅有一个协调器，该设备负责启动网络，配置网络成员地址，维护网络，维护节点的绑定关系表等，需要最多的存储空间和计算能力； 路由器：主要实现扩 展网络及路由消息的功能。扩展网络，即作为网络中的潜在父节点，允许更多的设备接入网络。路由节点只有在树状网络和网状网络中存在； 终端设备：不具备成为父节点或路由器的能力，一般作为网络的边缘设备，负责与实际的监控对象相连，这种设备只与自己的父节点主动进行通信，工作方式为节点之间的信息通信。 13 12 第 3 章 系统硬件电路的实现 案实现总框图 本研究的核心电路是无 线 测温网络中的全功能（ 块的设计，首先需要设计出来符合 准的 路。该电路主要由三个部分组成：射频模块、 分及 外围电路和 接口电路，如 图 3示。 上 位 机 P U ( S T C 8 0 5 2 )S Z 0 5 - Z i g b e e 嵌 入式 无 线 通 信 模 块L C D 显 示 电路L E D 指 示 电 路 、 报警 电 路最 小 系 统- 1 件设计总框图 射频部分采用德州仪器公司生产的 用于 用的一个真正的片上系统（ 决方案。 外围电路部分包括：程序调试端口、指示电路、报警电路、显示电路等。其中程序调试端口是利用 口来调试和下载程序；指示电路使用发光 的状态来表示；报警电路可以选 用 鸣器报警电路；显示电路选用 液晶显示电路。 与 接口电路采用 信方式，通过 口提供调试过程中的信息并与 互交 网过程中的信息；同时，在设计 块时预留了一些端口 供灵活使用。 硬件资源清单 项目 名称 型号 说明 1 存 256M，最大发射功率 系统时钟 32M 高精度无源晶振 3 实时时钟 源晶振 4 电池 机锂电池 5 色 、绿 3 色 13 6 键盘 2 路按键 7 下载接口 8 串口接口 5 口 9 口 2 芯 10 天线接口 11 天线 状天线和 线 12 功放 高放大倍数 223 电源接口 5V 5V 转 200统的总体结构 本网络有若干个 端节点和一个 心节点 (协调器 )搭建一个星型的无线传感器网络，有终端节点上的温度传感器采集环境温度信息并由终端节点通过无线芯片发 送到中心节点，中心节点将接受到的信息及时反馈到计算机上。整体网络结构如下图 3 温 度 传 感 器温 度 传 感 器温 度 传 感 器R F - 2 统总体结构图 本课题选用的是实现基于 理器和 频芯片的实用的、低成本的且可以灵活扩展的 统，并在此基础上移植 议栈，组建 络，实现节点间的信息交互。 方案 :采用增强型 8051 单片机 制器，该产品特点是高速、 低功耗、超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051，但速度快 8。内部集成 用复位电路， 2 路 8 路高速 8 位 A/D 转换（ 300K/S），针对电机控制，强干扰场合。 采用增强型 8051 单片机 为控制处理器是本设计的最佳方案，一是该芯片能够完成本设计所有的设计要求，避免浪费；二是其特点是低电压、低功耗符合现代电子产品设计理念；三是经济方面也最为合适，价格低廉，开发成本低，性价比高，稳定好。 片 用 40 脚 装，其引脚图如下： 14 图 用 远程控制系统（需要大于 64存） 工业控制和监控 低功耗无线传感网络 医疗保健，无线设备 有一个 容无线收发器。 核控制模拟无线模块。另外，它提供了 无线设备之间的一个接口，这使得可以发出命令，读取状态，自动操作和确定无线设备事件的顺序。无线设备还包括一个数据包过滤和地址识别模块。 (3) 片典型硬件电路 片需要很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能。 下 图 3 片的一种典型硬件应用电路。 关于 选型方案，参考下图： 正如上图所示目前市场上有三种 片方案，单芯片方案、 理器 +案和 片 +含 案。 三种方案中，方案一所使用的单芯片方案是空间占用最少的，将微控制器、协议栈和射频收发前端整合到单一的芯片上，从而降低了芯片成本和功耗，成为真正意义上的 决方案，该方案的优点是利用单芯片集成电路有效地降低系统功耗；内嵌的线路可以减少甚至避免电路板信号传送时所造成的系统信号串扰；减少芯片对外引脚数，简化系统加工的复杂性；减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，加快 了数据传输和处理的速度。 司的 是第一种方案的典型的应用有。 15 方案二采用的是 型应用有 德州仪器 (日推出的最新 列 证网络处理器中的首款产品， 已经做好的 议栈的软件放到芯片内部，用户通过外加一个 应用程序放在外面的 样就不用花很多的时间去开发 议栈方面的软件。 够处理所有时序关键型与处理密集型 议任务，而将应用 资源占用空间释放出来用于满足其他应用要求。 够通过 口与各种 信。 方案三采用含有 F 芯片的方案，典型的应用有 种方案的优点是灵活性大，功耗相对较低。 P 1_ 71P 1_ 62P 1_ 53P 1_ 44P 1_ 35P 1_ 26D V D _ 18P 1_ 09R E S E T _ _ 011P 0_ 112 D D _ I F 125R B I A S 226A V D D _ C H O _G U A R D D _ V C D D _ P R D D _ R F 131R F _ R X _S W I T C _ D D _ S D D _ R F 236 24 30C C 24 30X T A L 232 4 115 P 3 115 P 2 122 0 6 143 A L 1329 122 P 1 122 P 4 122 0 2 156 2 18. 2 4 18. 8 3 122 n 4 15. 6 P 2 r / 23 . 2 6 电源图 3- 3 型硬件电路 入式无线通信 模块 顺舟科技 列 为实现 无线通信模块，集成了符合 议标准的射频收发器和微处理器，它具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活、性能可靠稳定等优点和特性；可实现点对点、一点对多点、多点对多点之间的设备间数据的透明传输；可组成星型、树型和蜂窝型网状网络结构。 列无线通信模块数据接口包括： 平收发接口、标准串口 据接口，可以实现数据的广播方式发送、按照目标地址发送模式，除可实现一般的点对点数据通信功能外，还可实现多点之间的数据通讯，串口通信使用方法简单便利，可以大大简 短模块的嵌入匹配时间进程。 列无线通信模块分为中心协调器、路由器和终端节点，这三类设备具备不同的网络功能，中心协调器是网络的中心节点，负责网络的发起组织、网络维护和管理功能；路由器负责数据的路由中继转发，终端节点只进行本节点数据的发送和接收。中心协调器、 16 路由器和终端节点这三种类型的设备在硬件结构上完全一致，只是设备嵌入软件不同，只需通过跳线设置或软件配置即可实现不同的设备功能。 15 图 3- 4 列嵌入式模块典型连接图 图 3- 5 列嵌入式模块实物图 外围电路 分使用中国大陆本土宏晶科技生产的增强型 8051 单片机 特点是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051，但速度快 8。内部集成 用复位电路， 2 路 8 路高速 8 位 A/D 转换（ 300K/S），针对电机控制，强干扰场合。 介 列单片机是宏晶科技生产的单时钟 /机器周期 (1T)的单片机，是高速/低功耗 /超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051,但速度快 8。内部集成 用复位电路 ,2 路 路高速 8 位 A/D 转换 (300K/S),针对电机控制，强干扰场合。 17 振连接电路设计 片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器， 别是放大器的输入、输出端。石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器。从外部时钟源驱动器件的话， 以不接，而从 入，如图 3本设计系统中采用的是内部振荡电路连接法，如图 3示。 . 57P 1. 68P 1. 79R E S E . 312T X . 214P 3. 315P 3. 4( T 0)16P 3. 5( T 1). 529P 2. 630P 2. 731P S E . 134. 736P 0. 637P 0. 538P 0. C 12A 32S 2外部时钟 图 3- 6 内部振荡电路连接图 C Y 1 11 2 M H . 57P 1. 68P 1. 79R E S E . 312T X . 214P 3. 315P 3. 4( T 0)16P 3. 5( T 1). 529P 2. 630P 2. 731P S E . 13
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