无线传感网络课程设计

课程设计论文
目录
第一章绪论 (1)
第二章ZigBee网络节点设计 (3)
2．1、1ZigBee精简协议栈简介 (3)
2．2 、节点程序设计 (3)
2．3、发送消息 (4)
2．4、接收消息 (5)
第三章温度数据采集节点的设计 (6)
3．1 、DS18B20的测温原理 (6)
3．2 、DS18B20温度传感器的特点 (7)
3．3、DS18B20的引脚介绍 (7)
3．4、 DS18B20的使用方法 (7)
3．5、节点的温度数据采集 (9)
3．6、 cc2430核心芯片 (9)
参考文献 (10)
第一章绪论
无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是信息感知和采集的一场革命，将给人类的生活方式带来颠覆性的改变。

2003年美国《商业周刊》将无线传感器网络列入四大新技术之一，美国《技术评论》将无线传感器网络列为未来新兴十大技术之首。

无线传感器网络经过四代的发展，综合了通信技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和传感器技术，使机器具备触摸世界的皮肤，使机器具备灵魂！无线传感器网络使人们Anywhere&Anytime都能获取详实、可靠的信息，实现“无处不在的计算”梦想，它在国防军事、环境监测和医疗卫生等领域具有庞大的生命力。

无线传感器网络让Anywlan的梦想——随时随地无线——不只是一个美丽的梦，它在未来将是如此真实地存在着——在每个人的身边。

将它作为本月专题，翼望促进无线传感器网络技术的发展和普及，实现人类生活的革命。

本专题涵盖无线传感器网络研究领域的主要方向，包括无线传感器网络的通信协议、节能管理、数据管理、安全性与可靠性等。

而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。

无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是信息感知和采集的一场革命，将给人类的生活方式带来颠覆性的改变。

2003年美国《商业周刊》将无线传感器网络列入四大新技术之一，美国《技术评论》将无线传感器网络列为未来新兴十大技术之首。

无线传感器网络经过四代的发展，综合了通信技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和传感器技术，使机器具备触摸世界的皮肤，使机器具备灵魂！无线传感器网络使人们Anywhere&Anytime都能获取详实、可靠的信息，实现“无处不在的计算”梦想，它在国防军事、环境监测和医疗卫生等领域具有庞大的生命力。

无线传感器网络让Anywlan的梦想——随时随地无线——不只是一个美丽的梦，它在未来将是如此真实地存在着——在每个人的身边。

将它作为本月专题，翼望促进无线传感器网络技术的发展和普及，实现人类生活的革命。

本专题涵盖无线传感器网络研究领域的主要方向，包括无线传感器网络的通信协议、节能管理、数据管理、安全性与可靠性等。

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，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。

发达国家如美国，非常重视无线传感器网络的发展，IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，波士顿大学(Boston
Unversity)还于最近创办了传感器网络协会(Sensor Network Consortium)，期望能促进传感器联网技术开发。

除了波士顿大学，该协会还包括BP、霍尼韦尔(Honeywell)、Inetco Systems、Invensys、L-3 Communications、Millennial Net、Radianse、Sensicast Systems及Textron Systems。

美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，《商业周刊》预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中。

可以预计，无线传感器网络的广泛是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。

虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。

目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：
1 、环境的监测和保护
2 、医疗护理
3 、军事领域
第二章ZigBee网络节点设计
ZigBee可以组成星形、网状、树形的网络拓扑，可用于无线传感器网络（WSN）的组网以及其他无线应用。

ZigBee工作于2.4 GHz的免执照频段，可以容纳高达65 000个节点。

这些节点的功耗很低，单靠2节5号电池就可以维持工作6~24个月。

ZigBee协议由ZigBee联盟制定，是ZigBee的核心。

目前国外带有ZigBee协议栈的全功能开发系统的价格非常高昂，而且ZigBee/802.15.4协议栈全部只提供二进制/不可修改的目标代码库供用户使用。

ZigBee精简版协议栈代码开放，在某些应用中可以达到标准版协议栈的效果，但是费用却低很多，因此应用十分广泛。

2．1、1ZigBee精简协议栈简介
美国密西西比州立大学的Robert Reese教授出于教学、科研目的开发出一套精简版（subset）ZigBee协议栈。

标准协议栈和精简协议栈的功能对比如表1所列，可以看出，精简协议栈实现了ZigBee的主要功能。

国内一些研究机构在此精简协议上进行扩充，实现了一些其原本不具备的功能。

协议栈术语：
IEEE Address节点的8位802.15.4网络地址，也称为长地址。

Network Address节点的2位网络地址，也称短地址。

PAN个人局域网。

PAN ID个人局域网标识符。

HAL协议栈物理抽象层。

PHY协议栈物理层。

MAC协议栈媒体访问控制层。

NWK协议栈网络层。

APS协议栈应用支持层。

APL协议栈应用层。

2．2 、节点程序设计
如果节点作为协调器(coordinator)，那么需要定义LRWPAN_COORDINATOR；而如果节点作为路由器(router)则需要定义LRWPAN_ROUTER；如果两者都没有定义，将作为RFD 节点。

协调器节点形成网络，然后进入一个无限循环并调用apsFSM()运行协议栈。

调用aplFormNetwork()服务后调用函数aplGetStatus()，如果返回了LRWPAN_SUCCESS则表示服务调用成功。

代码如下：
main()
{
halInit();//初始化HAL 层
evbInit();//初始化评估板
aplInit();//初始化协议栈
ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT();//开中断
aplFormNetwork();//形成网络
while(apsBusy)()) {apsFSM();}//等待完成
while(1) {apsFSM();}//运行协议栈栈}
路由器节点通过调用aplJoinNetwork()运行协议栈。

代码如下：
main()
{ halInit();//初始化HAL 层
evbInit();//初始化评估板
aplInit();//初始化协议栈
ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT();//开中断尝试接入网络直至成功
do { aplJoinNetwork(); //接入网络
while(apsBusy)()) {apsFSM();}//等待完成}
while(aplGetStatus() !=LRWPAN_SUCCESS);
while(1) {apsFSM();}//运行协议栈}
2．3、发送消息
应用程序通过调用aplSendMSG()函数发送消息包。

此函数的定义如下：aplSendMSG
(
BYTE dstMode,//目标地址的地址模式
LADDR_UNION * dstADDR, //目的地址的指针
BYTE dstEP,//目标端点(直接消息方式不用)
BYTE cluster,//簇号(仅用于直接消息)
BYTE scrEP,//消息源端点
BYTE* pload,//用户数据缓冲区指针
BYTE plen,//缓冲区字节数
BYTE tsn,//消息的事务队列数
BYTE reqack//如果非0则要求确认
)
消息从源节点的源端点发送到目标节点的目标端点。

消息分直接消息(指定了目标地址)和非直接消息(仅定义了源节点、源端点和簇，没有指定目标地址)。

端点号从1到255由应用程序设置(端点0由栈保留使用)。

消息发送以，协议栈会向父节点路由此消息。

如果收到APS的ack确认，协议栈就会将消息发送给目标端点。

2．4、接收消息
协议栈使用以下APL访问函数接收数据包。

aplGetRxDstEp()返回目的端点
aplGetRxCluster()返回簇号
aplGetRxSrcEp()返回源端点
aplGetRxSADDR()返回源端点的短地址
aplGetRxMsgLen()返回消息长度
aplGetRxMsgData()返回消息数据的指针
aplGetRxRSSI()返回收到消息的信号强度
第三章温度数据采集节点的设计
3．1 、DS18B20的测温原理
DS18B20的测温原理：低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。

计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55 ℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55 ℃所对应的一个基数值。

减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

图2中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。

图3—1 DS18B20原理图
另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很
重要。

系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。

操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数
3．2 、DS18B20温度传感器的特点
（1）、只要求一个端口即可实现通信。

（2）、在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。

（3）、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。

（4）、测量温度范围在－55。

C到＋125。

C之间。

（5）、数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。

（6）、内部有温度上、下限告警设置。

3．3、DS18B20的引脚介绍
图3-2 DS18B20详细引脚功能描述
3．4、 DS18B20的使用方法
由于DS18B20采用的是1－Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。

由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。

DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。

该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。

所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。

而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。

数据和命令的传输都是低位在先。

DS18B20的复位时序
图3-3 DS18B20 时序复位图
DS18B20的读时序
对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。

对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。

DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us 才能完成。

图3-4 DS18B20的读时序
DS18B20的写时序
对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。

对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。

图3-5 DS18B20的写时序
3．5、节点的温度数据采集
main()
{
unsigned char TH=110,TL=-20;
unsigned char w;
SCON=0x40;
TMOD=0x20;
TH1=0xFD;
TL1=0xFD;
TR1=1;
while(1)
{pt=ReadTemperature(TH,TL,0x3f);
delay(100);
covert1();
for (w=0; w<7; w++)
{SBUF=TempBuffer1[w];
while(TI==0);
delay1ms(500);
TI=0;
}}}
3．6、 cc2430核心芯片
图2-1 C C 2 4 30 芯片的典型硬件应用电路。

图3-2-2 系统模拟数据采样（1）图3-2-3 系统模拟数据采样（2）
参考文献
[1] 郁有文常健《传感器原理及工程应用》西安电子科技大学出版社 2001年
[2] 何希才《传感器及其应用电路》电子工业出版社 2001年
[3] 陈杰黄鸿《传感器与检测技术》高等教育出版社 2002年
[4] 方佩敏《新编传感器原理.应用.电路详解》电子工业出版社 1994年
[5] 贾伯年俞朴《传感器技术》东南大学出版社 1992年
[6] 栾桂冬等《传感器及其应用》西安电子科技大学出版社 2002年
[7]M. Elwenspoek, R. Wiegerink著，陶家渠等译，《Ramon Pallas-Areny》中国宇
航出版社，2003。