本科学生毕业设计
基于Zigbee的无线传感器网络平台的
设计
院系名称：
专业班级：
学生姓名：
指导教师：
职称：讲师
黑龙江工程学院
二○一二年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
Wireless Sensor Network Based on Zigbee Platform Design
Candidate：
Specialty：Measurement & Control Technology
and Instrumentation
Class：
Supervisor：Lecturer Zhang Peng
Heilongjiang Institute of Technology
2012-06·Harbin
摘要
在当今信息化时代，各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件——传感器，已经被应用到各个应用领域。对于普通的传感器而言，它在功能上有很多局限性，如数据采集系统处理数率较低、数据传输量少、可靠性与稳定性低、低的分辨率与低信噪比。而无线智能传感器带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。
本设计采用Zigbee技术对无线传感器模块进行了自组网，在成熟的温湿度传感器的基础上，完成了各个无线传感器节点以及与主节点之间的相互通信，提出了无线传感器网络的解决方案。设计中采用Zigbee无线模块为传感器的应用和维护提供便利条件。各个节点采用电池供电，使传感器的体积变小，应用起来更加小巧灵活。根据ZigBee/IEEE802.15.4协议标准，把低功耗、低成本作为主要目标，可在数千个微小的传感器之间实现相互协调通信，而采用Zigbee芯片内部集成的低功耗增强型8051微控制器，使对传感器的通信和控制变的更加灵活。
关键字：无线传感器网络；网络节点；Zigbee技术；8051微控制器；Zigbee无线模块
ABSTRACT
In today's information age, information perception, acquisition, conversion, transmission and processing of functional devices -- sensor, has been applied to various fields of application. For ordinary sensors, its function has many limitations, such as data acquisition system treatment rate is low, the volume of data transmission, reliability and stability is low, low resolution and low signal to noise ratio.Wireless intelligent sensor with microprocessor, with the collection, processing, the ability to exchange information, is integrated sensors and microprocessor combination.
This design uses the Zigbee technology on wireless sensor module to the ad hoc network, in the maturation of the temperature and humidity sensor based on, completed each wireless sensor node and the communication between the master node is proposed for wireless sensor network solutions.Design using Zigbee wireless module for sensor applications and maintenance of facilities.Each node uses a battery to supply power, so that the sensor is smaller, more compact and flexible application.According to the ZigBee/IEEE802.15.4 protocol standard, low power, low cost as the main target, on thousands of tiny sensors to realize mutual coordination between communication, and uses the Zigbee chip integrated low power enhanced 8051 micro controller, the communication of the sensor and control become more flexible.
Key words: Wireless sensor network; Net work node; Zigbee technology; 8051 microcontroller;Zigbee wireless module
第1章引言
1.1概述
在当今信息化时代，各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件——传感器，已经成为各个应用领域，对于普通的传感器而言，它在功能上有很多局限性，如数据采集系统处理数率较低、数据传输量少、可靠性与稳定性低、低的分辨率与低信噪比。而无线智能传感器已经应用于各个领域，它带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。与一般传感器相比，无线智能传感器具有以下三个优点：通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的编程自动化能力；功能多样化。
ZigBee/IEEE802.15.4标准把低功耗、低成本作为主要目标，可在数千个微小的传感器之间实现相互协调通信。目前，基于该技术的无线传感器网络的研究和开发得到越来越多的关注。无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，通过它来实现无线传输是无线传感网络的新突破。
1.2 无线传感器网络的发展
目前，无线传感器网络已经引起了世界各国工商界、学术界的极大关注。美国军方方面有C4KISR计划、Smart Sensor Web、灵巧传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统CEC等。美国Dust Networks和Crossbow Technologies等公司的“智能尘埃、Mote”已进入测试使用阶段。麻省理工学院开始研究超低能源无线传感器网络的问题，试图解决超低能源无限传感器系统的方法学和技术问题。EIIker Oyman和Cem Ersoy，提出了关于涉及多个数据汇集点的问题，其中提及影响相关多个数据汇集点与无限传感器网络生命周期的原因在于数据汇集点所摆放的位置与数据汇集点的数量，其中利用K-mean算法找出最佳的数据汇集点数量与位置摆放来作为延长无限传感器网络的生命周期的算法依据。
康奈尔大学，南加州大学先后提出了新的通信协议，包括谈判类协议、定向发布类协议、能源敏感协议、多路径类协议、传播路由协议和相应的系统软件，针对能耗问题进行了专门的优化，使得无限传感器网络的生存时间也能得到有效的延长。在感
知数据查询处理的研究方面，南加州大学研究了传感器网络上的聚集函数的计算方法，提出了节能元的计算聚集的树构造算法。我国也开展了这一领域的研究工作，如无限传感器节点的硬件设计、操作系统、网络路由技术、节能技术、覆盖控制技术等。哈尔滨工业大学和黑龙江大学在传感器数据管理系统方面开展了研究工作，提出了以数据为中心的传感器网络的数据模型、一系列的能源有效的感知数据操作算法和感知数据查询处理技术，并研制了一个传感器网络数据管理系统。
麻省理工学院提出的WSN定位方法可以分为距离相关（range-based）定位算法和距离无关（range-free）定位算法两大类。距离相关定位算法通常利用测距技术得到节点间距离，再利用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法计算出未知节点的位置。常用的测距技术包括接收信号强度（RSSI）技术、信号传输时间（TOA）技术、信号到达时间差（TDOA）技术和信号到达角度（AOA）技术。距离无关定位算法利用节点间的连通情况来估测自己的位置。其中一部分距离无关算法采用集中式计算模式，再用优化方法来提高定位精度，如凸规划算法和MDS—MAP算法，但是集中计算方式需要网络中有中心节点支持，会导致中心节点通信量大，能量耗尽快，网络瘫痪。绝大多数距离无关定位算法采取分布式计算模式，扩展性好，通信量小。Behnke等人提出了质心定位算法和加权质心定位算法，根据ZigBee/IEEE802.15.4传感器网络发射接收距离或连接质量为每一个接收坐标分配不同的权重。Behnke和Timmermann通过使用连接质量的归一化值推广了WCL机制。Schuhmann推导了室内发射接收距离的指数逆相关的固定参数集和对应于与WCL的权重。这些方法假设接收机与发射机的距离不是很远，发射接收距离至少有一个接收器是提前预知的。
我国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。国内的一些科研单位和大学，如中国科学院自动化所、软件所及清华大学、哈尔滨工业大学从2002年开始在时间同步与定位、传感器数据管理系统方面开展了研究工作。重庆大学也在同一时间开始研究嵌入式无线传感器网络节点、可重构技术、无线传感器中的定位等技术。2004年，中国国家自然科学基金委员会将一项无线传感器网络项目（面上传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论）列为重点研究项目；2005年，将无线传感器网络基础理论和关键技术列入计划；2006年，将水下移动传感器网络的关键技术列为重点研究项目。国家发改委下一代互联网（CNGI）示范工程中，也部署了无线传感器网络相关的课题。2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术定义了3个前沿方向，其中2个与无线传感器网络的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。
SINK NODE
传感器节点 传感器汇接节点 1.3无线传感器网络研究方法
1.3.1 ZigBee 网络设备及网络拓补
ZigBee 网络中可同时存在两种不同类型的设备，一种是具有完整功能的设备（FFD ），一种是简化功能的设备（RFD ）。在网络中，FFD 通常有3种工作状态：作为个人区域网络的协调器（PAN ）；作为路由器；作为一个终端设备。一个FFD 可以同时和多个RFD 或多个其他的FFD 通信，而对于RFD ，它只能和一个FFD 进行通信，故只能作为终端设备。
ZigBee 协调器，即ZigBee 的个域网协调器，是网络建立的起点，负责网络的初始化，确定个域网标识符和网络工作的物理通道，并统筹短地址的分配。ZigBee 协调器必须是全功能设备，并且一个网络只有一个协调器。ZigBee 路由器是一个全功能设备，类似于定义的协调器，在接入网路后，它能获得一定的16位短地址空间。在其通信范围内，它能允许其他节点加入或者离开网络，分配及收回短地址，路由和转发数据。ZigBee 终端设备，既可以是全功能设备，也可以是简化功能设备，它只能与其父节点通信，从其父节点处获得网络标识符、短地址等相关信息。
ZigBee 网络由FFD 和RFD 组成，网络有两种拓扑结构：星型拓扑结构和对等拓扑结构。具体拓扑结构如图1.1所示。星型拓扑网络是由一个PAN 协调器的中央控制器和多个从设备组成，主协调器必须是一个FFD 设备，从设备既可以是FFD 也可以RFD ；对等网络拓扑结构也存在协调器，该网络不同于星型拓扑结构, 在该拓扑结构中任何设备只要在其通信范围之内，就可以和其他设备进行通信。
图1.1 WSN 网络拓补结构 1.3.2 ZigBee 协议栈
根据ZigBee 联盟公布的ZigBee 技术标准，各个芯片生产厂家都公布了基于自己+ 数据处理中心
产品ZigBee协议栈。有TI公司、A VR公司、Microchip公司等，其中TI公司及Microchip 公司开发了源代码开放的ZigBee协议栈。本文介绍Microchip公司基于ZigBee2006标准的ZigBee协议栈。
ZigBee协议栈采用分层结构，每一层都为其上一层提供一套明确的服务：数据实体提供数据传输服务，管理实体则提供其他所有的服务。每个服务实体都通过服务接入点为上层提供一个界面，每个服务接入点都支持一定数量的服务原语来实现所需功能。ZigBee协议栈中，各层间数据的传输通过帧来实现，在PAN网络结构中定义了4种帧结构：信标帧、数据帧、确认帧及命令帧。不管是那种传输帧，发送时都是自协议栈高层向底层传输，从产生层向下每个协议层都为其增加自己的帧头和帧尾。接收时都是自底层向高层传输，从物理层向上依次去掉每个协议层的帧头和帧尾。
1.3.3无线网络组网机制
新的网络首先由协调器设备建立，启动时协调器搜索附近其他协调器，如果没有发现协调器，它就通过发送NLME NETWORK FORMA T ION. confirm原语启动一个新的网络建立过程。当建立网络过程开始后，协调器网络层将首先请求MAC层对协议所规定的通道，或由物理层所默认的有效通道进行能量检测扫描设备网络层发送扫描类型参数设置为能量检测扫描MLME_SCAN. request原语到MAC层进行通道能量检测扫描。扫描结果通过MLME_SCAN. confirm原语返回。当网络层管理实体收到成功的能量检测扫描结果后，将以递增的方式对所测量的能量值进行通道排序，并且抛弃那些能量值超出了可允许能量水平的通道，选择可允许能量水平的通道有待处理。此后网络层管理实体发送MLME_SCAN. request原语执行主动扫描, 搜索所有的Zigbee 设备。为了决定用于建立一个新网络的最佳通道，网络层管理实体将检查PAN描述符确保所给定的个域网标识符不会与所选择的通道的现有标识符参数产生冲突，如果冲突那么可能从给定的通道中选择另外一个通道。如果找到了适当的通道，则将为这个新网络选择一个PAN 标识符。一旦选定了PAN标识符，将选择一个等于0x0000的16位网络地址, 并且设置MAC层的地址PIB属性, 将其设置为该值。分配地址后，将通过MAC层发出MLME_START. request原语开始运行新的个域网，NLME NETWO RK FORMAT ION. confirm原语返回网络已经形成的确认。
通过NLME_PERMIT_JOINING. request原语允许其他设备与网络连接，该原语允许Zigbee协调器或路由器上层设定其MAC层连接允许标志，在一定期间内允许其他设备同网络连接。仅仅只有Zigbee协调器或路由器才能企图允许设备与网络连接，如果终端节点设备的网络层管理实体收到该原语时，则返回状态为INV ALID REQU EST 的NLME_PERMIT_JOINING. Confirm原语NLME_PERMIT_JOINING. request原语激
发网络层向MAC层发送MLME_SET. request原语完成MAC层若干属性设置，MAC 层通过MLME_SET. confirm返回结果，网络层NLME_PERMIT_JOINING. Confirm返回设置结果，允许设备同网络连接。
1.4本设计的主要内容
在成熟的温湿度采集系统的基础上，基于ZigBee无线网络及其通信协议，实现数据传输，用ZigBee芯片内集成增强型51微控制器对网络节点进行数据的传输控制，使每个网络节点之间以及它们与主节点之间完成良好的通信，能够完成对网络内各个节点的实时监测。
（1）通过研究无线传感网络测试平台和工具，提出一整套面向无线传感网络的仿真、测试、监控的理论，形成无线传感网络的测试和监控的理论框架，并应用到实际的网络性能测试和网络管理中。
（2）通过该课题的研究和实践，掌握新一代无线传感节点系统的设计理论与方法。包括新型软硬件体系结构、有效的低耗节能及实时并发模型、可靠的安全机制，信号感知和片上系统的设计理论与方法，协同数字信号处理的数据特征提取理论模型和对等网络虚拟测量方法。
（3）实现200米以内的无障碍物传输，供电采用电池；具有温度、湿度显示功能，温度测量范围：0-50℃，测量精度0.5℃；湿度测量范围1~99%RH，测量精度：2%RH；实现点对点通讯，并且能够组成传感网络，各节点之间主从节点之间能够通讯，并具有报警功能。
第2章方案论证
2.1 总体方案设计
在成熟的温湿度采集系统的基础上。基于ZigBee无线网络，实现数据传输的方案主要有三种：第一种是MCU和RF收发器分离的双芯片方案，Zigbee协议栈在MCU 上运行；第二种是集成RF和MCU的单晶片方案；第三种是Zigbee协处理器和MCU 的单晶片方案。
第一种方案是MCU和RF收发器分离的双芯片方案，每个网络节点模块主要由传感器、MCU、RF收发器组成；通过传感器采集回来温湿度的电参量送MCU处理，然后将处理后的数据通过RF收发器发送出去。这一方案实现起来成本较高，而且MCU 与RF收发器之间的数据传送较不稳定，在有噪声的环境中易收到干扰，而加上滤波电路又使系统中数据不精确，所以这一方案不适合用于无线传感器网络的设计。
第二种方案是Zigbee协处理器在MCU上运行，Zigbee协议栈框架很大，对单片机的要求也比较高，目前市售MCU成本较低的芯片存储器都不是很大，且没有为运行Zigbee协议栈的专门的MCU，况且增加MCU会无形中的增加了成本，给设计带来了不便，所以也不采用这一方案。
本设计平台采用上面提到的第三种方案，ZigBee协处理器和MCU的单晶片方案，实现单片机和Zigbee芯片形成很好的相互通讯关系，并且通过发射模块的MCU外围传感器器件采集回来温湿度电参量通过MCU处理，然后通过与Zigbee集成芯片之间的通讯协议将数据发送出去；同时，接收的MCU与Zigbee集成芯片也必须形成良好的通讯关系并且能够实现上电就处在接收数据状态，由MCU将收到的数据送到数码管显示，这些环节的是实时进行控制的；从而通过MCU与Zigbee协处理器之间的通讯以及Zigbee收发芯片之间的通讯实现了无线传感器网络平台的构建，在这其中有几部分是极其应该注意的，例如，构建该平台首先要做的就是进行硬件仿真，将硬件中的各种问题通过仿真环节基本全部解决，第二步就是软件的编写与仿真，通过IAR编译软件在开发板模块上进行仿真。
对于传感器网络节点上挂的温湿度传感器实时采集的信息，采用Chipcon公司生产的Zigbee芯片及内部集成的增强型8051微控制器对其进行控制，实现例如温湿度等信息的实时检测，采用温湿度传感器挂接到每个网络节点上来实现对空间中各个环境区域的检测，Zigbee芯片的功耗做到尽可能低，每个节点采用电池供电，主节点上
采用LCD 或上传至上位机实时显示并实现对每个节点的控制，实现报警功能等。 结合以上几点，每个网络节点的结构如图1.2所示。
图1.2 网络节点结构示意图 2.2 硬件系统方案论证
2.2.1 Zigbee 芯片的选择
CC2430/CC2431是Chipcon 公司推出的用来实现嵌入式ZigBee 应用的片上系统。它支持2.4GHz IEEE802.15.4/ZigBee 协议。CC2420和CC2430都是TI 的第一代Zigbee 芯片，CC2420只是一个收发器，不带处理功能，CC2430/CC2431具有CC2420 RF 接收器以及增强性能的8051 MCU 、8KB RAM 等，其增强的8051MCU 核的性能是工业标准8051 核性能的8倍。本设计采用Zigbee2430芯片，提高了处理数据的速度及稳定性。
CC2430/CC2431 是一颗真正的系统芯片（SoC ）CMOS 解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee 为基础的2.4GHz ISM 波段应用对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHz DSSS （直接序列扩频）射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051 控制器。CC2430/CC2431 芯片延用了以往CC2420 芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee 射频（RF ）前端、存储器和微控制器。它使用1个8位MCU （8051），具有32/64/128 KB 可编程闪存和8KB 的RAM ，还包含模拟数字转换器（ADC ）、几个定时器（Timer ）、AES128 协同处理器、看门狗定时器（Watchdog Timer ）、32 kHz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（Power On Reset ）、掉电检测电路（Brown Out Detection ）以及21个可编程I/O 引脚。
2.2.2 温湿度传感器的选择
温度传感器的选择：AD810需要和高精度ADC 配合使用才能得到数据，好处是速度快编程简单，麻烦的是需要校准，电路复杂，成本高。DS30B80保证精度足够，电路简单成本低，但是编程复杂，转换速度慢。根据本设计的实际情况，采用成熟的DS18B20温度传感器。
DS18B20是美国DALLAS 半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能 Zigbee 芯片内部集成增强型8051单片机 Zigbee 芯片内部集成射频模块 温湿度传感器 电源模块
串口通信模块
温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。可以分别在93.75 ms和750 ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线界面）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。
湿度传感器的选择：本设计采用的湿度传感器是由TLC555及外围器件产生的可计数方波以及HS1101湿度传感器组成的湿度测量电路基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。可以应用于办公自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等。在需要湿度补偿的场合他也可以得到很大的应用。与其他湿度传感器相比HS1101具有全互换性在标准环境下不需校正；长时间饱和下快速脱湿；可以自动化焊接；包括波峰焊或水浸；高可靠性与长时间稳定性；专利的固态聚合物结构；可用于线性电压或频率输出回炉；快速反应时间。
2.3 本章小结
本章主要对系统总体方案进行了选取，根据实际情况确定了具体部件。这其中包括实现无线传感器网络的关键技术和方法、Zigbee芯片的选用、温湿度传感器的选取等等。
第3章硬件设计
3.1 主控制器芯片CC2430简介
CC2430是一颗真正的系统芯片（SoC）CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHzISM波段应用对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHzDSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。
CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、存储器和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有32/64/128KB 可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器（ADC）、几个定时器（Timer）、AES128协同处理器、看门狗定时（Watchdog Timer）、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（Power On Reset）、掉电检测电（Brown Out Detection）以及21个可编程I/O引脚。
1、CC2430芯片的主要特点如下
（1）高性能、低功耗的8051微控制器内核；
（2）适应2.4GHzIEEE802.15.4的RF收发器；
（3）极高的接收灵敏度和抗干扰性能；
（4）32/64/128KB闪存；
（5）8 KBSRAM，具备在各种供电方式下的数据保持能力；
（6）强大的DMA功能；
（7）只需极少的外接元件；
（8）只需一个晶体，即可满足组网需要；电流消耗小；
（9）掉电方式下，电流消耗只有0.9ｕA，外部中断或者实时钟能唤醒系统；
（10）挂起方式下，电流消耗小于0.6ｕA，外部中断能唤醒系统；
（11）硬件支持避免冲突的载波侦听多路存取（CSMACA）；
（12）电源电压范围宽（2.0～3.6 V）；
（13）支持数字化的接收信号强度指示器/链路质量指示（RssI/LQI）；
（14）具有8路输入8～14位ADC；
（15）2个支持多种串行通信协议的USART；
（16）1个IEEE 802.5.4媒体存取控制（MAC）定时器；
（17）1个通用的16位和2个8位定时器；
（18）21个通用I/O引脚，其中2个具有20mA的电流吸收或电流供给能力。
2、CC2430芯片集成的CPU的主要特性
针对协议栈，网络和应用软件的执行对MCU处理能力的要求，CC2430包含一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核，运行时钟32MHz。由于更快的执行时间和通过除去被浪费掉的总线状态的方式，使得使用标准8051指令集的CC2430增强型8051内核具有8倍的标准8051内核的性能。
CC2430包含一个DMA控制器。8K字节静态RAM，其中的4K字节是超低功耗SRAM。32k、64k或128k字节的片内Flash块提供在电路可编程非易失性存储器。
CC2430集成了4个振荡器用于系统时钟和定时操作：一个32MHz晶体振荡器，一个16MHzRC-振荡器，一个可选的32.768kHz晶体振荡器和一个可选的32.768kHzRC 振荡器。
CC2430也集成了用于用户自定义应用的外设。一个AES协处理器被集成在CC2430，以支持IEEE802.15.4 MAC安全所需的（128位关键字）AES的运行，以实现尽可能少的占用微控制器。
中断控制器为总共18个中断源提供服务，他们中的每个中断都被赋予4个中断优先级中的某一个。调试界面采用两线串行界面，该界面被用于在电路调试和外部Flash 编程。I/O控制器的职责是21个一般I/O口的灵活分配和可靠控制。
CC2430增强型8051内核使用标准8051指令集，具有8倍的标准8051内核的性能。这是因为：
（1）每个时钟周期为一个机器周期而标准8051中是12个时钟周期为一个机器周期。
（2）除去被浪费掉的总线状态的方式。
大部分单指令的执行时间为1个系统时钟周期。除了速度的提高，CC2430增加内核还增加了二个部分：另一个数据指针以及扩展18个中断源。
CC2430的8051内核的目标代码兼容标准8051的微处器。换句话说,CC2430的8051目标码与标准8051完全兼容，可以使用标准8051的汇编器和编译器进行软件开发，所有的CC2430的8051指令在目标码和功能上与同类的标准的8051产品完全等价。不管怎样讲，由于CC2430的8051内核使用不同于标准的指令时钟，所用的晶振也不尽相同，因此在编程时候与标准的8051代码略有不同，也是因为外设如定时器等不同于标准的8051。
3.1.1I/O端口线引脚功能
CC2430有21个可编程的I/O口引脚，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5个可使用的位。通过软件设定一组SFR寄存器的位和字节，可使这些引脚作为通常的I/O口或作为连接ADC、计时器或USART部件的外围设备I/O口使用。
I/O口有下面的关键特性：
（1）可设置为通常的I/O 口，也可设置为外围I/O口使用。
（2）在输入时有上拉和下拉能力。
（3）全部21个数字I/O口引脚都具有回应外部的中断能力。如果需要外部设备，可对I/O口引脚产生中断，同时外部的中断事件也能被用来唤醒休眠模式。
CC2430的引脚如图3.1所示，管脚功能表见表3.1所示。
图3.1 CC2430的引脚图
表3.1 引脚功能表
管脚名称管脚号管脚功能
DVDD 7 为（I/O）提供2.0~3.6V工作电压
A VDD_SOC 20 为模拟电路连接2.0~3.6V的电压
A VDD_RRE 23 为模拟电路连接2.0~3.6V的电压
RREG_OUT 24 为25，27~31，35~40引脚端口提供1.8V的稳定电压
A VDD_IF1 25 为接收器、波段滤波器、模拟测试模块提供1.8V电压
续表3.1引脚功能表
A VDD_CHP 27 为环状滤波器的第一部分电路和充电泵提供1.8V电压
VCO_GUARD 28 VCO屏蔽电路的报警连接端口
A VDD_VCO 29 为VCO和PLL环滤波器最后部分电路提供1.8V电压
A VDD_PRE 30 为预定标器、DIV2和LO缓冲期提供1.8V的电压
A VDD_RF1 31 为LNA、前置偏置电路和PA提供1.8V的电压
TXRX_SWITCH 33 为PA提供调整电压
A VDD_SW 35 为LNA/PA交换电路提供1.8V电压
A VDD_RF2 36 为接收和发射混频器提供1.8V电压
A VDD_IF2 37 为低通滤波器和VGA的最后部分电路提供1.8V电压
A VDD_ADC 38 为ADC和DAC的模拟电路部分提供1.8V电压
DVDD_ADC 39 为ADC的数字电路部分提供1.8V电压
A VDD_DGUARD 40 为隔离数字噪声电路连接电压
A VDD_DREG 41 向电压调节器核心提供2.0~3.6V电压
DCOUPL 42 提供1.8V的去耦电压,此电压不为外部电路所使用
DVDD 47 为I/O端口提供2.0~3.6V的电压
RESET_N 10 复位引脚,低电平有效
XOSC_Q2 19 32MHz的晶振引脚2
XOSC_Q1 21 32MHz的晶振引脚1，或外部时钟输入引脚
RBIAS1 22 为参考电流提供精确的偏置电阻
RBIAS2 26 提供精确电阻，43kΩ，±1%
RF_P 32 在RX期间向LNA输入正向射频信号；在TX期间接收来自
PA的输入正向射频信号
RF_N 34 在RX期间向LNA输入负向射频信号；在TX期间接收来自
PA的输入负向射频信号。
XOSC_Q2P2_3 43 32.768kHzXOSC的2.3端口
XOSC_Q1P2_4 44 32.768kHzXOSC的2.4端口
P1_2～P1_7 1~6 I/O，具有4mA输出驱动能力
P1_0～P1_1 8~9 I/O，具有20mA输出驱动能力
P0_0 ～P0_7 11~18 I/O，具有4mA输出驱动能力
P2_4~P2_1 43~46 I/O，具有4mA输出驱动能力
3.1.2复位
CC2430有3个复位源：
（1）强置输入引脚RESET_N为低电平；
（2）上电复位；
（3）看门狗复位。
复位后的初始状况如下：I/O引脚设置为输入、上拉状态；CPU的程序计数器设置为0x0000，程序从这里开始运行；所有外部设备的寄存器初始化到它们的复位值；看门狗禁止。
3.1.3 存储器
如表3.2存储器功能表。
表3.2存储空间及功能表
存储空间名称存储空间位数功能及访问方式
代码（CODE）16位只读存储空间用于程序存储
数据（DA TA）8位可存取存储空间可以直接或间接被单个的CPU指令访问。该空
间的低128字节可以直接或间接访问，而高128
字节只能够间接访问
l6位可存取存储空间通常需要4～5个CPU指令周期访问
外部数据
（XDA TA）
特殊功能寄存
7位可存取寄存器存储空间可以被单个的CPU指令访问
器（SFR）
3.1.4 振荡器和时钟
CC2430有一个内部系统时钟。该时钟的振荡源既可以用16MHz高频RC振荡器，也可以采用32MHz晶体振荡器。时钟的控制可以由设置特殊功能寄存器的CLKCON 字节来实现。系统时钟同时也可以提供给8051所有外部设备使用。
振荡器可以选择高精度的晶体振荡器，也可以选择低成本的RC振荡器。注意，运行RF收发器，必须使用高精度的悬体振荡器。
3.1.5 无线模块
一个基于IEEE802.15.4的CC2430无线收发模块无线核心部分是一个CC2420射频收发器。CC2430的无线接收器是一个低中频的接收器。接收到的射频信号通过低噪声放大器放大而正交降频转换到中频。在中频2MHz中，当ADC模数转换时，输入/正义调相信号被过滤和放大。
CC2430的数据缓冲区通过先进先出（FIFO）的方式来接收128位数据。使用先进先出读取数据需要通过特殊功能寄存器界面。存储器与先进先出缓冲区数据移动使用DMA方式来实现。
CRC校验使用硬件实现。接收信号强度指标（RSSI）和相关值添加到帧中。在接收模式中可以用中断来使用清除通道评估（CCA）。
CC2430的发送器是基于上变频器。接收数据存放在一个接收先进先出（区别于发送先进先出）的数据缓冲区内。发送数据帧的前导符和开始符由硬件生成。通过数模转换把数字信号转换成模拟信号发送出去。
CC2430无线部分主要参数如下：
(1) 工作频带范围：2.400-2.4835GHz；
(2) 采用IEEE802.15.4规范要求的直接序列扩频方式；
(3) 数据速率达250kbps，碎片速率达2Mchip/s；
(4) 采用O-QPSK调制方式；
(5) 高接收灵敏度（-94dBm）；
(6) 抗邻频道干扰能力强（39dB）；
(7) 内部集成有VCO、LNA、PA以及电源稳压器；
(8) 采用低电压供电（2.1-3.6V）；
(9) 输出功率编程可控；
(10)IEEE802.15.4MAC硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、10bit的CRC校验、电源检测、完全自动MAC层保护（CTR，CBC-MAC，CCM）。
低中频（10w-IF）接收是CC2430的特性之一。CC2430收到的RF信号被低噪声放大器（LNA）放大，并且将收到的同相信号和正交相位信号（1/Q）降频转换为中频（IF）信号。过滤掉残余在中频（2MHz）信号中的1/Q信号后，放大中频信号。然后通过ADC数字化、自动增益控制，以及通道的过滤、解扩频（de-spreading）、符号相关（symbol correlation）和字节同步（bytesynchronization）等，所有这些都通过数字逻辑完成。检测出帧开始定界符，就产生中断。CC2430 将收到的数据缓冲存入128字节的先进先出（FIFO）接收（RX）队列。用户可以通过特殊功能寄存器来读这个RXFIFO队列。建议采用存储器直接存取（DMA）来传送存储器和FIFO之间的数据。
CC2430通过硬件校验CRC，将接收信号强度指示器（RSSI）的相关数值附加到数据帧之中；在接收模式下，通过中断提供空闲通道评估（CCA）。
CC2430的发送基于直接升频转换。数据存放在128字节的TXFIFO之中（与RXFIFO彼此分隔）。要发送的帧引导序列和帧开始定界符由硬件产生。每个符号（4 位）使用IEEE802.15.4扩展序列扩展为32位码片序列，输出到DAC之中。
经过DAC变换的信号，通过模拟低通滤波器送到90，I/Q相移升频转换混频器口无线射频（RF）信号通过功率放大器（PA）馈送到天线。
由于采用了内部发送/接收（T/R ）开关电路，天线的界面以及匹配很容易实现，RF 为差动连接。单极天线可以使用不平衡变压器。通过外接直流通路，连接引脚TXRX_SWITCH 到引脚RF_P 和引脚RF_N ，实现功率放大器和低噪声放大器的偏置。
频率合成器包括一套完整的片上电感器电容器（LC ）、电压控制振荡器（VCO ）和一个90度分相器，用来产生同相信号、正交相位信号（I/Q ）和本地振荡器（LO ）信号。在接收模式下争这些信号到达降频转换混频器；而在发送模式下，这些信号到达升频转换混频器。电压控制振荡器（VCO ）工作频率范围是4800～4966MHz 。分相I/Q 时，频率一分为二。
数字基带包括支持帧操作、地址识别、数据缓冲、CSMA-CA 选通处理器和MAC 安全等。片上稳压器提供校准的1.8V 供电。
3.1.6 IEEE 802.15.4调制方式
图3.2在模块层次上对调制和扩展功能进行了描述，每个字节分为两组符号，4位一组，低位符号首先传送。对于多字节域，也是低位字节首先传送。每个符号映射到一个超过16位的伪随机序列，即32位片码序列。片码序列以2 Mchip/s 的速率传送。对 于每个符号争首先传送低位片码C 。
图3.2 信号调制过程
调制方式为偏移正交相移键控（O-QPSK ），具有半正弦片的形状，相当于最小相位频移键控（MSK ）。每片的形状如同半个正弦波，交替在同相（I ）通道和正交相位（Q ）通道传送。每个通道占用半个片码偏移周期。
3.1.7 选通命令
CPU 使用了一系列选通命令来控制CC2430的无线操作。选通命令可以看成是单字节指令，每条命令用来控制某个无线模块的功能。这些命令可以实现使能频率合成器、使能接收模式、使能发送模式，以及其他功能。
为无线模块的功能定义的选通命令共计9条，这9条命令可以单独使用，也可以组合为简单的程序下达给无线模块。所有从CPU 到无线模块的选通命令都通过CSMA-CA 选通命令处理器（CSP ）下达。
3.1.8 FIFO 存取
TXFIFO 和RXFIFO 可以通过SFR 寄存器进行存取，写寄存器RFD 就是写TXFIFO ，传送的比特流 （最低有效位先传） 比特-符号映射 符号-片码序列 映射 偏移正交相移键控 （O-QPSK)调制 已经调制好的信号
读寄存器就是RFD就是读RXFIFO。注意，RFSTATUS FIFO和RFSTATUS FIFOP仅仅用于RXFIFO，可以通过下达选通命令SFLUSHTX清除TXFIFO，同样，也可以通过下达选通命令SFLUSHRX 清除RXFIFO。
3.1.9 DMA
在绝大多数实际应用中，推荐使用存储器直接存取（DMA）在存储器和芜线模块之间传送数据，RADIO DMA触发与无线模块有关，该触发支持DMA控制器。下列两个事件使该触发有效：
(1)当第一个数据存入RXFIFO，即当RXFIFO从空状态变成非空状态时；
(2)当数据通过SFR寄存器的RFD，从RXFIFO中读出时。
3.1.10 接收模式
在接收模式中，当帧开始定界符SFD全部收到之后，中断标志RFIF。IRQ_SFD 置1，而且发出RF中断请求。如果地址识别已经禁止或者已经获得成功，则RFSTATUS .SFD位清0。
当RXFIFO 中有数据时，RFSTATUS.FIFO置l。存放在RXFIFO中的第一小字节是收到的帧长度所在域。也就是说，当长度域写入RXFIFO时，RFSTATUS.FIFO置1，在RXFIFO变空之前，RFSTA TUS.FIFO一直置高。RF寄存器https://www.doczj.com/doc/e06646266.html,T存放当前RXFI FO中的字节的数量。
当RXFIFO中未读过的字节超过编程设置在IOCFG0。FIFOP_THR中的阈值时，RFS TATUS.FIFOP置l，而当地址识别使能时，除非收到的帧通过地址识别，否则，即使RX FIFO中的字节超过编程设置的阈值，RFSTA TUS.FIFOP也不会置1。
当收到新的包中最后一个字节时，即使RXFIFO中的字节没有超过阈值，RFSTAT US. FIFOP也会置1。一旦读出RXFIFO一个字节，RFSTATUS. FIFOP就立即清0。
当地址识别使能时，如果地址没有全部收到，则数据不能够从RXFIFO读出。这是由于如果地址识别失败，接收帧就会被CC2430自动清除。由于RFSTA TUS. FIFO只有接收帧通过地址识别才会置1，可以利用这项功能来控制数据的读出。
3.1.11 FIFO溢出
在指定的时间内，RXFIFO最多只能存放128 字节。这样，接收帧有可能划分为两种类型：一种长度为128字节；另一种长度小于1 28 字节。如果RXFIFO发生溢出，而此时RFERR中断已经使能，则产生溢出中断，并发往CPU；另外，此刻如果RFSTATUS FIFOP为1，则无线模块会将RFSTA TUS。FIFO 清0。已经在RXFIFO中的数据不会受到溢出的影响，也就是说，收到的帧可以读出。
RXFIFO溢出后，需要选通命令SFLUSHRX来使能接收新数据。注意，选通命令
南京航空航天大学 硕士学位论文 基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现 姓名：耿长剑 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：王成华 20090101
南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种集成了计算机技术、通信技术、传感器技术的新型智能监控网络，已成为当前无线通信领域研究的热点。 随着生活水平的提高，环境问题开始得到人们的重视。传统的环境监测系统由于传感器成本高，部署比较困难，并且维护成本高，因此很难应用。本文以环境温度和湿度监控为应用背景，实现了一种基于无线传感器网络的监测系统。 本系统将传感器节点部署在监测区域内，通过自组网的方式构成传感器网络，每个节点采集的数据经过多跳的方式路由到汇聚节点，汇聚节点将数据经过初步处理后存储到数据中心，远程用户可以通过网络访问采集的数据。基于CC2430无线单片机设计了无线传感器网络传感器节点，主要完成了温湿度传感器SHT10的软硬件设计和部分无线通讯程序的设计。以PXA270为处理器的汇聚节点，完成了嵌入式Linux系统的构建，将Linux2.6内核剪裁移植到平台上，并且实现了JFFS2根文件系统。为了方便调试和数据的传输，还开发了网络设备驱动程序。 测试表明，各个节点能够正确的采集温度和湿度信息，并且通信良好，信号稳定。本系统易于部署，降低了开发和维护成本，并且可以通过无线通信方式获取数据或进行远程控制，使用和维护方便。 关键词：无线传感器网络，环境监测，温湿度传感器，嵌入式Linux，设备驱动
Abstract Wireless Sensor Network, a new intelligent control and monitoring network combining sensor technology with computer and communication technology, has become a hot spot in the field of wireless communication. With the improvement of living standards, people pay more attention to environmental issues. Because of the high maintenance cost and complexity of dispose, traditional environmental monitoring system is restricted in several applications. In order to surveil the temperature and humidity of the environment, a new surveillance system based on WSN is implemented in this thesis. Sensor nodes are placed in the surveillance area casually and they construct ad hoc network automatieally. Sensor nodes send the collection data to the sink node via multi-hop routing, which is determined by a specific routing protocol. Then sink node reveives data and sends it to the remoted database server, remote users can access data through Internet. The wireless sensor network node is designed based on a wireless mcu CC2430, in which we mainly design the temperature and humidity sensors’ hardware and software as well as part of the wireless communications program. Sink node's processors is PXA270, in which we construct the sink node embedded Linux System. Port the Linux2.6 core to the platform, then implement the JFFS2 root file system. In order to facilitate debugging and data transmission, the thesis also develops the network device driver. Testing showed that each node can collect the right temperature and humidity information, and the communication is stable and good. The system is easy to deploy so the development and maintenance costs is reduced, it can be obtained data through wireless communication. It's easy to use and maintain. Key Words: Wireless Sensor Network, Environment Monitoring, Temperature and Humidity Sensor, Embedded Linux, Device Drivers
物联网简介及基于ZigBee的无线传感器网络 摘要 物联网，是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，是一个全新的技术领域，给IT和通信带来了广阔的新市场。积极发展物联网技术，尽快扩展其应用领域，尽快使其投入到生产、生活中去，将具有重要意义。 ZigBee无线通信技术是一种新兴的短距离无线通信技术，具有低功耗、低速率、低时延等特性，具有强大的组网能力与超大的网络容量，可以广泛应用在消费电子品、家居与楼宇自动化、工业控制、医疗设备等领域。由于其独有的特性，ZigBee无线技术也是无线传感器网络的首选技术，具有广阔的发展前景。ZigBee协议标准采用开放系统接口(051)分层结构，其中物理层和媒体接入层由IEEE802.15.4工作小组制定，而网络层，安全层和应用框架层由ZigBee联盟制定。 本文首先从概念、技术架构、关键技术和应用领域介绍了物联网的相关知识，然后着重介绍了基于ZigBee的无线传感器网络，其中包括无线传感网简介、ZigBee技术概述和基于ZigBee的无线组网技术。 关键词：物联网；ZigBee；无线传感器网络
物联网简介 物联网概念 “物联网概念”是在“互联网概念”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络概念。其定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。 最简洁明了的定义：物联网(Internet of Things)是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化3个重要特征。 技术架构 从技术架构上来看，物联网一般可分为三层：感知层、网络层和应用层。 感知层是物联网的皮肤和五官-用于识别物体，采集信息。感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、M2M终端、传感器网关等，主要功能是识别物体、采集信息，与人体结构中皮肤和五官的作用类似。 感知层解决的是人类世界和物理世界的数据获取问题。它首先通过传感器、数码相机等设备，采集外部物理世界的数据，然后通过RFID、条码、工业现场总线、蓝牙、红外等短距离传输技术传递数据。感知层所需要的关键技术包括检测技术、短距离无线通信技术等。 网络层是物联网的神经中枢和大脑-用于传递信息和处理信息。网络层包括通信网与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心等。网络层将感知层获取的信息进行传递和处理，类似于人体结构中的神经中枢和大脑。 网络层解决的是传输和预处理感知层所获得数据的问题。这些数据可以通过移动通信网、互联网、企业内部网、各类专网、小型局域网等进行传输。特别是在三网融合后，有线电视网也能承担物联网网络层的功能，有利于物联网的加快推进。网络层所需要的关键技术包括长距离有线和无线通信技术、网络技术等。 应用层是物联网的"社会分工"-结合行业需求，实现广泛智能化。应用层是物
基于无线传感器网络的桥梁安全检测系统 摘要 根据桥梁监测无线传感器网络技术的桥梁安全监测系统，以实现方案的安全参数的需要；对整个系统的结构和工作原理的节点集、分簇和关键技术，虽然近年来在无线传感器网络中，已经证明了其潜在的提供连续结构响应数据进行定量评估结构健康，许多重要的问题，包括网络寿命可靠性和稳定性、损伤检测技术，例如拥塞控制进行了讨论。 关键词：桥梁安全监测；无线传感器网络的总体结构；关键技术 1 阻断 随着交通运输业的不断发展，桥梁安全问题受到越来越多人的关注。对于桥梁的建设与运行规律，而特设的桥梁检测的工作情况，起到一定作用，但是一座桥的信息通常是一个孤立的片面性，这是由于主观和客观因素，一些桥梁安全参数复杂多变[1]。某些问题使用传统的监测方法难以发现桥梁存在的安全风险。因此长期实时监测，预报和评估桥梁的安全局势，目前在中国乃至全世界是一个亟待解决的重要问题。 桥梁安全监测系统的设计方案，即通过长期实时桥跨的压力、变形等参数及测试，分析结构的动力特性参数和结构的评价科关键控制安全性和可靠性，以及问题的发现并及时维修，从而确保了桥的安全和长期耐久性。 近年来，桥梁安全监测技术已成为一个多学科的应用，它是在结构工程的传感器技术、计算机技术、网络通讯技术以及道路交通等基础上引入现代科技手段，已成为这一领域中科学和技术研究的重点。 无线传感器网络技术，在桥梁的安全监测系统方案的实现上，具有一定的参考价值。 无线传感器网络（WSN）是一种新兴的网络科学技术是大量的传感器节点，通过自组织无线通信，信息的相互传输，对一个具体的完成特定功能的智能功能的协调的专用网络。它是传感器技术的一个结合，通过集成的嵌入式微传感器实时监控各类计算机技术、网络和无线通信技术、布式信息处理技术、传感以及无线发送收集到的环境或各种信息监测和多跳网络传输到用户终端[2]。在军事、工业和农业，环境监测，健康，智能交通，安全，以及空间探索等领域无线传感器网络具有广泛应用前景和巨大的价值。 一个典型的无线传感器网络，通常包括传感器节点，网关和服务器，如图1
1武警部队监控平台架构介绍与设计 1.1监控系统的系统结构 基站监控系统的结构组成如上图所示，主要由三个大的部分构成，分别是监控中心、监控站点、监控单元。整个系统从资金、功能以及方便维护性出发，我们采用了干点加节点方式的监控方法。 监控中心（SC）：SC的定义是指整个系统的中心枢纽点，控制整个分监控站，主要的功能是起管理作用和数据处理作用。一般只在市级包括（地、州）设置相应的监控中心，位置一般在武警部队的交换中心机房内或者指挥中心大楼内。 区域监控中心（SS）：又称分点监控站，主要是分散在各个更低等级的区县，主要功能是监控自己所负责辖区的所有基站。对于固话网络，区域监控中心的管辖范围为一个县/区；移动通信网络由于其组网不同于固话本地网，则相对弱化了这一级。区域监控中心SS的机房内的设备配置与SC的差不多，但是不同的是功能不同以及SS的等级低于SC,SS的功能主要是维护设备和监控。 监控单元（SU）：是整个监控系统中等级最低的单元了，它的功能就是监控并且起供电，传输等等作用，主要由SM和其他供电设备由若干监控模块、辅助设备构成。SU侧集成有无线传感网络微设备，比如定位设备或者光感，温感设备等等。 监控模块（SM）：SM是监控单元的组成部分之一，主要作用监控信息的采集功能以及传输，提供相应的通信接口，完成相关信息的上传于接收。
2监控系统的分级管理结构及监控中心功能 基站监控系统的组网分级如果从管理上来看，主要采用两级结构：CSC集中监控中心和现场监控单元。CSC主要设置在运营商的枢纽大楼，主要功能为数据处理，管理远程监控单元，对告警信息进行分类统计，可实现告警查询和存储的功能。一般管理员可以在CSC实现中心调度的功能，并将告警信息进行分发。而FSU一般针对具体的某一个基站，具体作用于如何采集数据参数并进行传输。CSC集中监控中心的需要对FSU采集的数据参数进行报表统计和分析，自动生产图表并为我们的客户提供直观，方便的可视化操作，为维护工作提供依据，维护管理者可以根据大量的分析数据和报表进行快速反应，以最快的速度发现网络的故障点和优先处理点，将人力资源使用在刀刃上。监控中心CSC系统的功能中，还有维护管理类，具体描述如下： 1）实时报警功能 该系统的报警功能是指发现机房里的各种故障后，通过声音，短信，主界面显示的方式及时的上报给操作者。当机房内的动力环境，空调，烟感，人体红外等等发生变量后，这些数据通过基站监控终端上传到BTS再到BSC。最后由数据库进行分类整理后存储到SQLSEVRER2000中。下面介绍主要的几种报警方式： 2)声音报警 基站发生告警后，系统采集后，会用声卡对不一样的告警类别发出对应的语音提示。比如：声音的设置有几种，主要是以鸣叫的长短来区分的。为便于引起现场维护人员的重视紧急告警可设置为长鸣，不重要的告警故障设置为短鸣。这样一来可以用声音区分故障的等级，比方某地市的中心交换机房内相关告警声音设置，它的开关电源柜当平均电流达到40AH的时候，提示声音设置为长鸣，并立即发生短信告警工单。如果在夜晚机房无人值守的情况下：
无线传感器网络的应用与影响因素分析 摘要：无线传感器网络在信息传输、采集、处理方面的能力非常强。最初，由于军事方面的需要，无线传感网络不断发展，传感器网络技术不断进步，其应用的范围也日益广泛，已从军事防御领域扩展以及普及到社会生活的各个方面。本文全面描述了无线传感器网络的发展过程、研究领域的现状和影响传感器应用的若干因素。关键词：无线传感器网络；传感器节点；限制因素 applications of wireless sensor networks and influencing factors analysis liu peng (college of computer science,yangtze university,jingzhou434023,china) abstract:wireless sensor networks in the transmission of informa- tion,collecting,processing capacity is very strong.initially,due to the needs of the military aspects of wireless sensor networks,the continuous development of sensor network technology continues to progress its increasingly wide range of applications,from military defense field to expand and spread to various aspects of social life.a comprehensive description of the development
无线传感网期末作业 ZigBee在智能家居领域的应用与前景 学院： 姓名： 2015.01.01
ZigBee无线传感网在智能家居领域中的应用前景分析 一、应用背景 智能家居的概念最早由美国、加拿大、欧洲、澳大利亚以及东南亚等经济比较发达的国家提出。世界上第一幢智能建筑于1984年在美国康涅狄格州出现，当时只是对一座旧式大楼进行了一定改造，采用计算机对大楼内的空调、电梯、照明灯设备进行监测和控制，并提供语音通信、电子邮件和情报资料灯方面的信息服务。而后涌现了各种不同的解决方案，涉及到生活的方方面面。 1998年5月新加坡举办的“98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过在场内模拟“未来之家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。它的系统功能包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和统软件配置等。 国内智能家居的控制系统产品十分繁多，由于入行门槛不高，技术水平要求较低，中国产生了数百个互不兼容的标准，直接导致了国内行业竞争激烈，标准不统一带来实际应用的的麻烦。而2005年以后，智能家居的野蛮成长和恶性竞争，给智能家居行业带来了极大的负面影响。导致实际使用效果差，产品可靠性、安全性缺乏。不少媒体对智能家居提出了质疑，一般民众也逐渐丧失了信心。 但是智慧家居是今后家居领域发展的必然趋势，虽然市场推广才刚刚开始，但行业的竞争已经很激烈，光是宁波就有不下5家企业专门从事这方面开发。面对中国庞大的需求市场，预计该行业将以年均19.8%的速率增长，在2015年产值达1240亿元。 二、技术分析 智能家居不同于数据通信网络，其要求低速率低成本的控制手段。其仅需要设备的互联和控制，故应该考虑以下特点： 1.低成本家庭控制网络中控制的对象主要是大量的家电和传感器终端节点，这种较大规模的网络需要一个低成本的节点组网技术。 2.标准化需要各个家居组成部件之间互相通信，标准化的工作非常重要。 3.跨平台使用环境是一个家居环境，整个系统中有着形形色色的平。
一、课题研究目的 针对目前中国的交叉路口多，车流量大，交通混乱的现象研究一种控制交通信号灯的基于无线传感器的智能交通系统。 二、课题背景 随着经济的快速发展，生活方式变得更加快捷，城市的道路也逐渐变得纵横交错，快捷方便的交通在人们生活中占有及其重要的位置，而交通安全问题则是重中之重。据世界卫生组织统计，全世界每年死于道路交通事故的人数约有120 万，另有数100 万人受伤。中国拥有全世界1. 9 %的汽车，引发的交通事故占了全球的15 % ，已经成为交通事故最多发的国家。2000 年后全国每年的交通事故死亡人数约在10 万人，受伤人数约50万，其中60 %以上是行人、乘客和骑自行车者。中国每年由于汽车安全方面所受到的损失约为5180 亿(人民币)，死亡率为9 人/ 万·车，因此，有效地解决交通安全问题成为摆在人们面前一个棘手的问题。 在中国，城市的道路纵横交错，形成很多交叉口，相交道路的各种车辆和行人都要在交叉口处汇集通过。而目前的交通情况是人车混行现象严重，非机动车的数量较大，路口混乱。由于车辆和过街行人之间、车辆和车辆之间、特别是非机动车和机动车之间的干扰，不仅会阻滞交通，而且还容易发生交通事故。根据调查数据统计，我国发生在交叉口的交通事故约占道路交通事故的1/ 3，在所有交通事故类型中居首位，对交叉口交通安全影响最大的是冲突点问题，其在很大程度上是由于信号灯配时不合理(如黄灯时间太短,驾驶员来不及反应)，以及驾驶员不遵循交通信号灯，抢绿灯末或红灯头所引发交通流运行的不够稳定。随着我国经济的快速发展，私家车也越来越多，交通控制还是延续原有的定时控制，在车辆增加的基础上，这种控制弊端也越来越多的体现出来，造成了十字交叉路口的交通拥堵和秩序混乱，严重的影响了人们的出行。智能交通中的信号灯控制显示出了越来越多的重要性。国外已经率先开展了智能交通方面的研究。 美国VII系统(vehicle infrastructure integration)，利用车辆与车辆、车辆与路边装置的信息交流实现某些功能，从而提高交通的安全和效率。其功能主要有提供天气信息、路面状况、交叉口防碰撞、电子收费等。目前发展的重点主要集中在2个应用上: ①以车辆为基础; ②以路边装置为基础。欧洲主要是CVIS 系统(cooperative vehicle infrastructure system)。它有60 多个合作者，由布鲁塞尔的ERTICO 组织统筹，从2006 年2 月开始到2010年6月，工作期为4年。其目标是开发出集硬件和软件于一体的综合交流平台，这个平台能运用到车辆和路边装置提高交通管理效率，其中车辆不仅仅局限于私人小汽车，还包括公共交通和商业运输。日本主要的系统是UTMS 21 ( universal traffic management system for the 21st century , UTMS 21)。是以ITS 为基础的综合系统概念,由NPA (National Police Agency) 等5个相关部门和机构共同开发的，是继20 世纪90 年代初UTMS 系统以来的第2代交通管理系统，DSSS是UTMS21中保障安全的核心项目，用于提高车辆与过街行人的安全。因此，从国外的交通控制的发展趋势可以看出，现代的交通控制向着智能化的方向发展，大多采用计算机技术、自动化控制技术和无线传感器网络系统，使车辆行驶和道路导航实现智能化，从而缓解道路交通拥堵，减少交通事故，改善道路交通环境，节约交通能源，减轻驾驶疲劳等功能，最终实现安全、舒适、快速、经济的交通环境。
无线传感器网络简介 2007年01月06日星期六下午04:29 ［来源：仪器仪表与传感器网］ 科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带来一场信息革命。 发展历程 早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。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。 应用现状 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 随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网，以读出缅因州"大鸭岛"上的气候，用来
无线传感器网络的研究现状及发展 默认分类 2008-06-12 18:19:20 阅读910 评论0 字号：大中小 摘要：无线传感器网络(WSN>综合了传感器技术、微电子机械系统(MEMS>嵌入式计算技术．分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协作地实时感知、采集、处理和传输各种环境或监测对象的信息．具有十分广阔的应用前景，成为国内外学术界和工业界新的研究领域研究热点。本文简要介绍了无线传感器网络的网络结构、节点组成，分析了无线传感器网络的特点及其与现有网络的区别。进而介绍现有无线传感器网络中的MAC层技术、路由技术、节点技术和跨层设计等关键技术。最后展望无线传俄器网络的应用和发展并指出关键技术的进步将起到决定性的促进作用。 关键词：无线传感器网络节点 MAC层路由协议跨层设计 Abstract: Wireless sensor network (WSN> is integration of sensor techniques, Micro-Electro-Mechanical Systems, embedded computation techniques, distributed computation techniques and wireless communication technique. They can be used for sensing, collecting, processing and transferring information of monitored objects for users. As a new research area and interest hotspot of academia and industries, Wireless Sensor Network(WSN> has a wide application future. This paper briefly introduced the wireless sensor network of networks, nodes, the analysis of the characteristics of wireless sensor networks and the differences wih the existing networks. And the MAC layer technology, routing technology, joint cross-layer design technology and key technology are introduced . At last the prospects of wireless sensor network are discussed in this article. Key Words: Wireless Sensor Network, node, MAC, routing protocol, Cross-layer design 一、概述 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的发展进步，包括微电子机械系统 文章编号:1004-9037(2009)02-0254-05 基于无线传感网络的大型结构健康监测系统 尚 盈 袁慎芳 吴 键 丁建伟 李耀曾 (南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室,南京,210016) 摘要:针对大型碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,实现了基于无线传感网络的多点应变结构健康监测系统,采用自组织竞争神经网络成功判别了集中载荷模拟的损伤位置。本系统由传感采集子系统、无线传感网络子系统和终端监控子系统三部分组成。为了降低系统网络功耗及成本,提高系统的稳定性和可靠性,改善传感网络的实时性和同步性,设计了可直接配接无线传感网络节点的低功耗多通道应变传感器信号调理电路和基于无线传感网络的层次路由协议,开发了多通道应变数据采集、网络簇头转发和中继节点接收等主要软件模块。实验证明,相比于传统有线的监测方法和数据采集系统,基于无线传感网络的结构健康监测系统具有负重轻、成本低、易维护和搭建移动方便等优点。 关键词:无线传感网络;结构健康监测;层次路由协议;自组织竞争网络中图分类号:T P2;T P9 文献标识码:A 基金项目:国家“八六三”高技术研究发展计划(2007AA 032117)资助项目;国家自然科学基金(60772072,50420120133)资助项目;航空基金(20060952)资助项目。 收稿日期:2007-09-05;修订日期:2008-04-17 Large -Scale Structural Health Monitoring System Based on Wireless Sensor Networks S hang Ying ,Yuan Shenf ang ,Wu J ian ,Ding J ianw ei ,L i Yaoz eng (T he A ero nautic Key La bo rat or y o f Smart M ater ial and Str uct ur e,N anjing U niv ersit y o f Aer onautics and A str onautics,N anjing,210016,China) Abstract :Aimed at the large-scale structure and anisotropy nature o f the carbon fiber compos-ite material w ing box ,a large-scale structural health m onitoring system based on w ireless sen-sor netw orks is presented .A kind of artificial neural netw ork is designed to distinguish the damag e locatio n simulated by the co ncentrated load .The sy stem co nsists o f the sensor data ac-quisition,the w ireless sensor netw or ks,and the terminal monitoring sub-sy stem s.To im pro ve the performance o f the system ,the signal conditio ning circuit and the hierarchical routing pro -to col are designed based o n w ireless sensor netw orks ,the prog rams of data acquisition and Sink node are ex ploited.Experimental result pro ves that the system has advantag es of flexibili-ty o f deplo yment,low maintenance and deploym ent costs . Key words :w ir eless senso r netw or ks ;str uctural health monitoring ;hierarchical routing ;self -org anizing com petitive netw o rk 引 言 结构健康监测技术是采用智能材料结构的新概念,利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络,在线实时地获取与结构健康状况相关的信息(如应力、应变、温度、振动模态、波传播特性等),结 合先进的信号信息处理方法和材料结构力学建模 方法,提取特征参数,识别结构的状态,包括损伤,并对结构的不安全因素在其早期就加以控制,以消除安全隐患或控制安全隐患的进一步发展,从而实现结构健康自诊断、自修复、保证结构的安全和降低维修费用[1]。 无线传感网络节点具有局部信号处理的功能, 第24卷第2期2009年3月数据采集与处理Jour nal of D ata A cquisition &P ro cessing Vo l.24N o.2M a r.2009 Zigbee Wireless Sensor Network in Environmental Monitoring Applications I. ZIGBEE TECHNOLOGY Zigbee is a wireless standard based on IEEE802.15.4 that was developed to address the unique needs of most wireless sensing and control applications. Technology is low cost, low power, a low data rate, highly reliable, highly secure wireless networking protocol targeted towards automation and remote control applications. It’s depicts two key performance characteristics – wireless radio range and data transmission rate of the wireless spectrum. Comparing to other wireless networking protocols such as Bluetooth, Wi-Fi, UWB and so on, shows excellent transmission ability in lower transmission rate and highly capacity of network. A. Zigbee Framework Framework is made up of a set of blocks called layers.Each layer performs a specific set of services for the layer above. As shown in Fig.1. The IEEE 802.15.4 standard defines the two lower layers: the physical (PHY) layer and the medium access control (MAC) layer. The Alliance builds on this foundation by providing the network and security layer and the framework for the application layer. Fig.1 Framework The IEEE 802.15.4 has two PHY layers that operate in two separate frequency ranges: 868/915 MHz and 2.4GHz. Moreover, MAC sub-layer controls access to the radio channel using a CSMA-CA mechanism. Its responsibilities may also include transmitting beacon frames, synchronization, and providing a reliable transmission mechanism. B. Zigbee’s Topology The network layer supports star, tree, and mesh topologies, as shown in Fig.2. In a star topology, the network is controlled by one single device called coordinator. The coordinator 无线传感器网络技术的应用 摘要：无线传感器网络(WSN)是新兴的下一代传感器网络，在国防安全和国民经济各方面均有着广阔的应用前景。本文介绍了无线传感器网络的组成和特点，讨论了无线传感器网络在军事、瓦斯监测系统、智能家具，环境监测，农业。交通等方面的现有应用，最后提出无线传感器网络技术需要解决的问题。 关键词：无线传感器网络，军事、瓦斯监测系统、智能家具，环境监测，农业。交通。 1．无线传感器网络研究背景以及发展现状 随着半导体技术、通信技术、计算机技术的快速发展，90年代末，美国首先出现无线传感器网络（WSN）。1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年，同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。WSN是由布置在监测区域内传感器节点以无线通信方式形成一个多跳的无线自组网（Ad hoc），其目的是协作的感知，采集 和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者是WSN的三要素。将Ad hoc技术与传感器技术相结合，人们可以通过WSN感知客观世界，扩展现有网络功能和人类认识世界的能力。WSN技术现已经被广泛应用。图为WSN基本结构。 WSN经历了从智能传感器，无线智能传感器到无线传感器三个发展阶段，智能传感器将计算能力嵌入传感器中，使传感器节点具有数据采集和信息处理能力。而无线智能传感器又增加了无线通信能力，WSN将交换网络技术引入到智能传感器中使其具备交换信息和协调控制功能。 无线传感网络结构由传感器节点，汇聚节点，现场数据收集处理决策部分及分散用户接收装置组成，节点间能够通过自组织方式构成网络。传感器节点获得的数据沿着相邻节点逐跳进行传输，在传输过程中所得的数据可被多个节点处理，经多跳路由到协调节点，最后通过互联网或无线传输方式到达管理节点，用户可以对传感器网络进行决策管理、发出命令以及获得信息。无线传感器网络在农业中的运用是推进农业生产走向智能化、自动化的最可行的方法之一。近年来国际上十分关注WSN在军事，环境，农业生产等领域的发展，美国和欧洲相继启动了WSN研究计划，我国于1999年正式启动研究。国家自然科学基金委员会在2005年将网络传感器中基础理论在一篇我国20年预见技术调查报告中，信息领域157项技术课题中7项与传感器网络有直接关系，2006年初发布的《国家长期科学与技术发展 《无线传感器网络及应用》第一次作业答案 一、单项选择题。本大题共11个小题，每小题2.5 分，共27.5分。在每小题给出的选项中，只有一项是符合题目要求的。 1.下面哪种协议不属于路由协议（ C ）。 A.地理位置路由协议 B.能量感知路由协议 C.基于跳数的路由协议 D.可靠的路由协议 2.ZigBee的通信速率在2.4GHz时为（ D ）。 A.40Kbps B.20Kbps C.256 Kbps D.250kbps 3.传感器节点（ D ）范围以内的所有其它节点，称为该节点的邻居节点。 A.视线 B.跳数 C.网络 D.通信半径 4.TinyOS是一个开源的（ D ）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。 A.桌面 B.后台 C.批处理 D.嵌入式 https://www.doczj.com/doc/e06646266.html,N技术使用了哪种介质（ A ）。 A.无线电波 B.双绞线 C.光波 D.沙狼 6.传感器节点消耗能量主要消耗在（ A ）上。 A.无线通信模块 B.处理器模块 C.传感器模块 D.管理模块 7.传感器最早起于二十世纪（ B ）年代。 A.60年代 B.70年代 C.80年代 D.90年代 8.定向扩散（Directed Diffusion，DD）路由协议是一种（ B ）机制。 A.能量感知路 B.基于查询的路由 C.地理位置路由 D.可靠的路由 9.传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对方向性要求较高时，应 选择在其它方向上灵敏度（）的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越（）越好。 A A.小；小 B.小；大 C.高；高 D.高；底 10.传感器的频率响应越（），则可测的信号频率范围就越（）。C A.小；高 B.大；宽 C.高；宽 D.大；高 11.传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。理论上在此范围内，灵敏度保持 定值。传感器的线性范围越（），则它的量程就越（），并且能保证一定的测量精度。D A.小；宽 B.小；高 C.高；大 D.宽；大 二、多项选择题。本大题共29个小题，每小题2.5 分，共72.5分。在每小题给出的选项中，有一项或多项是符合题目要求的。 1.根据节点数目的多少，传感器网络的结构可以分为（AD）。 A.平面结构 B.网络结构 C.星形结构 D.分级结构 2.传感器节点消耗能量的模块包括（ACD）。 A.传感器模块 B.存储模块 C.处理器模块 D.无线通信模块 3.下面哪些属于数据融合的方法（ABD）。 A.模糊逻辑法 B.神经网络方法 C.优选法 D.综合平均法 4.目前人们采用的节能策略主要有（AC）。 A.休眠机制 B.定时发送机制 C.数据融合机制基于无线传感网络的大型结构健康监测系统_尚盈
Zigbee无线传感器网络英文文献
无线传感器网络技术的应用
2013秋川大无线传感器网络及应用第一二次作业答案
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