基于无线传输的数据采集系统设计.doc
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1、摘要本文介绍了无线传输网络技术的概念,从无线传输网络技术的体系结构、网络协议、节点技术出发,归纳了无线传输网络技术的基本特点。基于无线传输节点设计原则及选用微型数字温度传感器DS1820和单片机AT89S51组成数据采集系统,用集成的无线传输技术模块(本设计选用ZigBee集成模块)作为无线传输部分,给出了无线传输网络的通用结构,系统硬件及软件的设计方案和具体实现。最后进行实验环节,实验结果表明本文设计的无线传输网络可以实现温度信息的采集及无线传输。关键词无线传输网络;IEEE 802.15.4;ZigBee协议;DS1820;AT89S51单片机AbstractThis dissertati
2、on describes the concept of WSN. System structure, node technology and protocols of networks of wireless sensor networks are explored as the research work of the beginning. The characteristics and analyze of the protocols of data link layer and network layer are carried out. Then, the protocol struc
3、ture and characteristics of the wireless communication protocol are introduced in detail. It was proposed that basic on the principle of wireless communication protocol and miracle digital temperature communication DS1820 and AT89S51. The solution and practical sensor network basics on the principle
4、 of design. The solution and practical implementation of hardware structure and software of the system is provided, a good consideration of the fact of hardware and software was outlined. At last, the experimental results show that the system can realize wireless communication between the sensor nod
5、es. Key wordsWireless sensor network (WSN);IEEE802.15.4;ZigBee protocol; DS1820;AT89S51目 录1.引言11.1无线传感器的概述11.1.1基于蓝牙技术是我传感器网络11.1.2基于ZigBee技术的传感器网络11.1.3ZigBee与蓝牙的比较12.选用ZIGBEE集成模块的无线传输数据采集系统总体设计22.1系统设计总体方案23.硬件电路的设计33.1芯片CC2430简介33.1.1CC2430的功能特性43.2硬件应用电路设计43.3RFD节点电路53.4温度传感器的构建63.4.1DS1820的工作原理
6、64.基于无线传输温湿度数据采集系统软件的设计84.1系统程序设计84.2协议栈104.3网络节点的软件设计114.4各功能部件的程序流程及程序134.4.1液晶驱动C51程序134.4.2主程序145.系统调试155.1系统开发环境及设备155.2调试步骤155.2.1进入调试155.2.2窗口管理155.2.3查看源文件语句165.2.4查看变量165.2.5设置并监控断点165.2.6在反汇编模式中调试175.2.7完整运行程序176.总结17致谢18附录.211.引言1.1无线传感器的概述 无线传输网络是由许多独立的无线传输网络节点通过无线电波互相通信而构成的无线通信网络1。无线传输网
7、络在配置上分为“点到点”和“主从”两种。1.1.1基于蓝牙技术的无线传输网络蓝牙技术主要面向网络中各类数据及语音设备(如PC拨号网络、笔记本电 脑、数码相机、移动电话和高品质耳机等),通过无线方式将它们连成一个微微网(Piconet),它是实现语音和数据无线传输的开放性规范,是一种低成本、短距离的无线连接技术。其无线收发器是很小的一块芯片,大约有9mm9mm,可方便地嵌入到便携式设备中,从而增加设备的通信选择性。蓝牙技术实现了设备的无连接工作,提供了接入数据网的功能,并且具有外围设备接口,可以组成一个特定的小网。1.1.2基于ZigBee技术的无线传输网络ZigBee是一种近距离、低复杂度、低
8、功耗、低数据速率、低成本的双向无线技术,主要适合于自动控制、传感、监控和远程控制等领域,可以嵌入各种设备中,同时支持地理定位功能。IEEE802.15.4定义了一种廉价的供固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。1.1.3ZigBee与蓝牙的比较(1)系统复杂性ZigBee的系统复杂性要远小于蓝牙的系统复杂性。ZigBee协议栈2简单,实现相对容易,需要的系统资源也较少,据估计运行ZigBee需要系统资源约28Kb;蓝牙协议栈相对复杂,需要系统资源约为250Kb。一个网络只需要一个网络协调者,其他终端设备可以是RFD,也可以是FFD。RFD的价格要比FFD便宜得多
9、,其占用系统资源仅约为4Kb,因此网络的整体成本比较低。从这一点来说,ZigBee适合有大量终端设备的网络,如传感网络、楼宇自动化等。(2)功耗ZigBee的MAC信道接入机制3有两种:无信标(Beacon)模式和有信标模式。无信标模式就是标准的ALOHACSMA-CA的信道接入机制,终端节点只在有数据要收发的时候才和网络会话,其余时间都处于休眠模式,这样平均功耗非常低。蓝牙主要采用两种方式来控制功率:自适应发射功率和调整基带链接模式。在自适应发射功率控制方式中,从属设备检测到接收信号强度指示值小于最低阈值时,从属设备可以请求主控设备增大的发射功率,反之,当RSSI大于某个规定阈值时,从属设备
10、也可以请求主控设备降低发射功率。蓝牙基带有四种链接模式:活跃(Active)、呼吸(Sniff)、保持(Hold)和休眠(Park)。通过调节基带链接模式,也可以实现节约功率的目的。活跃、呼吸、保持、休眠这四个状态消耗的平均功率逐次减小,但设备响应时间也依次增加通过从技术和应用两方面的分析与比较,可以看出:ZigBee非常适合于低功耗、低数据速率的监视、传感网络。蓝牙则适合于较高数据数率的应用,如语音和数据传输。两者之间同时又存在着竞争。比如,在计算机外设、互动玩具、家庭自动化和工业自动化等应用领域及在未来的穿戴网络中ZigBee技术有较强的竞争力。2.选用ZigBee集成模块的无线传输数据采
11、集系统总体设计2.1系统设计总体方案方案一采用模块和自己的单片机系统组合设计,这要求对单片机技术比较熟悉,当然最好是采用自己熟悉的单片机,主要工作是熟悉ZigBee AT命令集,如何通过AT命令集来操作复杂ZigBee无线网络,由于不需要分析无线协议栈代码和进行高频设计,用户可以将主要精力集中在自己的应用代码开发。 方案二:采用模块或者直接使用ZigBee芯片进行自己的ZigBee应用系统设计。因为不希望进行高频设计,可以从模块开始,直接使用TI等公司提供的ZigBee协议栈源代码和库文件,自己进行应用代码的编写,然后直接下载到模块进行调试,由于EZ-LBee这样的通用,开放,开源模块的出现,
12、使这种开发办法成为了可能。 通过对我所学知识掌握程度以及两操作系统性能及前途等方面的比较我选择方案二作为我的研究方向,同时单片机是我专业的主要课程,通过此可以巩固自己所学的知识,同时如果能够使用带有驱动源代码的模块开发系统,还可以进一步缩短上手时间。zigbee是一种相对较新的技术,这么一来,我不仅可以提高自己的自学能力,而且可以学得新知识。ZigBee无线传感器系统的功能单元结构4如图3-1所示。以ZigBee为基础构建的网络有着更大的网络容量,可以管理更多个网络终端。其中感测单元包括温度传感器与A /D转换器,用于感知和采集信息,并将其转换为数字信号。由处理单元包括嵌入式微处理器、存储器及
13、CC2430芯片,将数据转换为射频信号来进行信号的收发。图3-1ZigBee 无线传感器系统设计方案3.硬件电路的设计3.1芯片CC2430简介CC2430是一颗真正的系统芯片(SOC)CMOS解决方案5,这种方案能够提高性能并且满足2.4GHz ISM波段应用对低成本、低功耗的要求。它包括了一个高性能的2.4GHz DSSS(直接序列)射频收发器核心和一颗工业级小巧且高效的8051单片机控制器。CC2430电路原理图详见附录I所示图3-1CC2430 芯片3.1.1CC2430功能特性如下:(1) 高性能和低功耗的8051微控制器。(2) 集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的
14、RF无线收发机。(3) 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。(4) 在休眠模式时仅0.9A的流耗,外部的中断或RTC能唤醒系统。在待机模式时少于0.6A的流耗,外部的中断能唤醒系统。(5) 硬件支持CSMA/CA功能。(6) 较宽的电压范围(2.03.6V)。(7) 数字化的RSSI/LQI支持和强大的DMA功能。(8) 具有电池监测和温度感测功能。(9) 集成了14位模数转换的ADC。(10) 集成了AES安全协处理器。(11) 带有2个强大的支持几组协议的USART,以及1个符合IEEE802.15.4规范的MAC计时器,1个常规的16位计时器和2个8位计时器。(12) 强大和灵活的开发
15、工具。3.2硬件应用电路设计CC2430模块原理图详见附录一图3-3硬件应用电路3.3RFD节点电路该节点可以检测自己所处环境的温度,并可以扫描按键值,然后发送给主机。同时增加了串口的扩展接口,若外接一个RS-232模块,就可以把数据上传到计算机上了。图3-5节点电路原理框图3.4温度传感器的构建3.4.1DS1820的特性独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯,简单的多点分布应用,无需外部器件,可通过数据线供电;零待机功耗,测温范围-55+125,以 0.5递增。华氏器件-67+2570F,以 0.90F 递增 ,温度以 9 位数字量读出;温度数字量转换时200ms(典型值);用户可定义的非
16、易失性温度报警设置;报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度(温度报警条件)的器件;应用包括温度控制、工业系统消费品、温度计或任何热感测系统8. 图3-6DS1820 方框图图3-7DS1820封装DS1820引脚及功能:NC :空GND:接地;DQ:数据输入输出脚(单线接口,可作寄生供电);VDD:电源电压。3.4.2DS1820的工作原理DS1820测温原理9:用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期,内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。计数器被预置到对应于-55的一个值。如果计数器在门周期结束前到达 0,则温度寄存器(同样被预置到-55)的值增加,表明
17、所测温度大于-55。同时,计数器被复位到一个值,这个值由斜坡式累加器电路确定,斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。然后计数器又开始计数直到 0,如果门周期仍未结束,则将重复这一过程。斜坡式累加器10用来补偿感温振荡器的非线性,以期待在测温时获得比较高的分辨力。这是通过改变计数器对温度每增加一度所需计数的的值来实现的。因此,要想获得所需的分辨力,必须同时知道在给定温度下计数器的值和每一度的数值。DS1820 内部对此计算的结果可提供 0.5的分辨力。温度以 16bit 带符号位扩展的二进制补码形式读出。数据通过单线接口以串行方式传输。DS1820 测温范围-55+125,以 0.5递
18、增。如用于华氏温度,必须要用一个转换因子查找表。3.4.3温度检测系统原理及程序流程图温度检测系统采用寄生电源供电方式11。为保证在有效的DS1820时钟周期内,提供足够的电流,我们用一个MOSFET管和89C51的一个I/O口(P1.0)来完成对DS1820总线的上拉。当DS1820处于写存储器操作和温度A/D变换操作时,总线上必须有强的上拉,上拉开启时间最大为10s。采用寄生电源供电方式时VDD必须接地。由于单线制只有一根线,因此发送接收口必须是三态的,为了操作方便我们用89C51的P1.1口作发送口Tx,P1.2口作接收口Rx。通过试验我们发现此种方法可挂接DS1820数十片,距离可达到
19、50米,而用一个口时仅能挂接10片DS1820,距离仅为20米。同时由于读写在操作上是分开的故不存在信号竞争问题。无论是单点还是多点温度检测,在系统安装及工作之前,应将主机逐个与DS1820挂接,读出其序列号。其工作过程为:主机Tx发一个脉冲,待“0”电平大于480s后,复位DS1820,待DS1820所发响应脉冲由主机Rx接收后,主机Tx再发读ROM命令代码33H(低位在前),然后发一个脉冲(15s)并接着读取DS1820序列号的一位。用同样方法读取序列号的56位。对于图3-8系统的DS1820操作的总体流程图如图3-9所示。它分三步完成:系统通过反复操作,搜索DS1820序列号;启动所有在
20、线DS1820做温度A/D变换;逐个读出在线DS1820变换后的温度数据12。图3-8寄生电源供电的DS1820温度检测系统4.基于无线传输温湿度数据采集系统软件的设计4.1系统程序设计系统初始化主要包括节点定义和各参数初始化。ZigBee包含全功能设备FFD和精简功能设备RFD13。程序根据应用要求定义节点是FFD还是RFD,从而确定节点性质。参数初始化主要包括I/O接口和外设的初始化,自定义系统的时钟信号、工作频率、电源管理方式及ZigBee网络层和MAC层的参数,如网络地址、节点所属接口、集群等。主程序主要包括信号采集、计算处理、数据收发以及组网功能,可充分利用CC2430丰富的中断资源
21、对各种类型的事件进行排序和处理。开始定义节点属性定义始终定义节点频率定义电源模式I/O初始化外设初始化定义网络地址和参数定义节点属性、接口通道选择、开终端建立配置文件可运行主程序?进入主程序YN图4-1系统初始化图4-2系统主程序4.2协议栈协议栈14是使用C语言编写的,协议栈使用闪存程序存储器来存储可配置的MAC地址、网络表和绑定表。图4-3协议栈构架4.3网络节点的软件设计网络节点主要负责采集传感器数据并将这些数据传送给协调器(控制器),同时接收来自协调器(控制器)的数据并根据这些数据进行相关操作。网络节点上电后扫描所有信道来找到临近协调器,申请加入此网络。由于采用电池供电方式,必须要保证
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- 基于 无线 传输 数据 采集 系统 设计