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无线传感器网络协调器的设计

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发表于 2017-4-17 00:48:54  | 显示全部楼层 | 阅读模式

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1 概 述

  无线通信的方式有多样,与蓝牙、Wi-Fi、GSM移动通信方式相比,ZigBee联盟制定的ZigBee方式具有功耗低、数据传输可靠、兼容性好、实现成本低以及组网方便的优点,非常适合低速率传输的无线传感器网络。ZigBee联盟成立于2001年,2002年Invensys公司、三菱电气公司、摩托罗拉公司以及飞利浦半导体公司加盟,现在正迅速发展壮大。该联盟在基于IEEE 802.15.4的PHY层、MAC层及数据链路层之上,研究开发适合无线传感器网络的其他高层协议。

  物理层的2个标准是2.4 GHz和868/915 MHz,都基于直接序列扩频DSSS(Direct Sequence Spread Spec-trum)技术,使用相同的物理层数据包格式。2.4 GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段,有助于ZigBee设备的推广和生产成本的降低。它的物理层通过采用16相高阶调制技术能够提供250 kb/s的传输速率,有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期,从而更加省电。

  ZigBee联盟定义了两种物理设备类型:全功能设备FFD(Full Function Device)和精简功能设备RFD(Re-duced Function Device)。ZigBee网络的星型拓扑结构通常由1个FFD和若干RFD组成。FFD充当网络协调器功能,其他设备只与协调器通信,由协调器决定处理要做的事情。如果某个终端设备需要传输数据到另一个终端设备,它会把数据发送给协调器,然后由协调器将数据转发到目标接收器终端设备。通过FFD接力传送,网络又可以扩展成其他拓扑结构。

  随着ZigBee的研究发展,2005年,各大芯片制造商纷纷推出了符合ZigBee标准的收发模块和通信套件,但是目前只有挪威Chip-con公司(CC2420/CC2430和CC2500/CC2550等)、美国Freescale Semiconductor公司(MC13192和MC13193)、美国CompXs公司(ML7065)和美国Ember公司(EM2420)四个原始设备生产商(OEM)的ZigBee套件符合联盟规定的标准。2007年德州仪器(TI)宣布推出ZigBee协议栈(Z-Stack)的免费下载版本。

  2 设计与调试

  2.1 研究目标

  网络协调器的主要功能是协调建立网络,其他功能还包括:传输网络信标、管理网络节点及存储网络节点信息,并且提供关联节点之间的路由信息;此外,网络协调器要存储一些基本信息,如节点数据设备、数据转发表及设备关联表等。

  问题是,目前ZigBee协议主要在低端8位或16位单片机上实现。对于网络协调器节点而言,其数据处理能力不强,且限于自身的硬件资源,很少能实现良好的人机交互界面。对功能要求较高的ZigBee协调器,这种构架很难满足应用的需求。而基于PC机的网络协调器节点,不但体积大、价格高而且功耗大,对于传输率不大的传感器网络来说十分浪费资源,所以开发基于ARM系列嵌入式芯片为核心微处理器的网络协调器是很有必要的。实验基于星型结构,在实现RFD功能的基础上,开发基于ARM9嵌入式的网络协调器,提供3.5英寸TFTLCD触摸屏作为人机交互,显示其他各节点的工作状况、测试参数情况,为日后高级应用提供平台。

  2.2 协调器硬件结构

  本设计射频芯片选用挪威Chipcon公司的CC2420(2.4 GHz,支持250 kb/s数据传输率)。微处理器采用S3C2440嵌入式工业级芯片。

  2.3 协调器软件结构

  采用嵌入式Linux操作系统,在TI公司ZigBee协议栈基础上,在原Bootloader、Kernel上修改文件系统,添加GUI应用程序,并修改系统启动脚本使应用程序在系统启动时自运行。网络协调器的实现过程中使用多线程技术,串口数据收发、GUI显示与按钮响应、ZigBee节点掉线检测3个线程并发,提高系统响应速度。

  2.4 系统数据流程

  MAC帧格式由以下基本部分组成:

  ①MAC层头帧(MAC Header,MHR),包含帧控制域、序列号和地址信息;

  ②MAC净载荷(长度可变),包含的信息指定了帧的类型;

  ③MAC层帧尾(MAC footer,MFR),包含了一个帧校验序列。

  其中,MHR有固定的顺序,并不是所有的帧都包含地址域。

  2.5 系统ZigBee帧格式的定义与分析

  在RFD的设计中,ZigBee设备采用16位短地址,负载来自光敏电阻的采样电压值,为2字节,FCS由CC2420自动校验。所以,本设计中使用的帧长度为15字节。定义ZigBee帧的数据格式如下:

  将RFD节点和PC通过串口连接起来,通过串口调试助手可以观察到类似下列格式的帧:

  41 88 0A 01 OO 01 OO 00 OO 00 00 E2 03 F9 EB

  前2字节(88 41)为帧控制域,第3字节(OA)为帧序列号,4~5字节(00 01)为目的地址的PAN ID,6~7字节为目的地址(00 01),8~9字节(00 00)为源地址的PAN ID,10~11字节(00 00)为源地址,12~13字节(03E2)为负载,14~15字节(F9 EB)为校验位。

  2.6 协调器的数据流程和软件流程

  通过天线接收RFD传输过来的数据帧,经过CC2420自动校验。若无误则经过解码、译码,然后经过SPI接口送往ATmega128L,再经过串口UART1送往S3C2440,经数据处理后显示于相应的LCD触摸屏上。

  3 实验结果

  当有两个RFD进入网络协调器的监测范围,LCD中便显示两个绿色小球,以及相应的地址、数据等信息。同理,当移开或停止RFD工作,两个绿色小球便同时从LCD中消失。

  4 总结

  本设计参考TI公司的ZigBee协议栈,在完成RFD功能后加入ARM9芯片及外围电路扩展成为无线传感器网络协调器。此协调器功能丰富:LED可指示工作状态,处理器可提高运算速度,LCD可人机交互,网口可连接Internet。所以不但可提升网络的整体性能,还为日后应用提供了基础。传感器网络的应用前景非常广阔,能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、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领域。随着传感器网络的深入研究和广泛应用,传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。2WLW-爱物联网-做中国最好的物联网论坛!

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天啊.

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发表于 2017-8-14 22:34:11  | 显示全部楼层
围观 围观 沙发在哪里!!!

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发表于 2017-8-18 22:49:34  | 显示全部楼层
LZ敢整点更有创意的不?兄弟们等着围观捏~

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万一火了呢?

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发表于 2017-8-26 20:29:39  | 显示全部楼层
路过 帮顶 嘿嘿

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发表于 2017-9-22 23:07:12  | 显示全部楼层
小伙伴们在哪里~

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