无线的传感器的网络的及应用的实训书Word文档下载推荐.docx

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在传感器技术和计算机技术取得突破性进展之后，一种名叫无线传感器网络的通信系统跃然而出，它以其低成本、低功耗、对等通信等三大优势渐渐成为新兴通信技术中的一大热点。

现如今，无线传感器网络被认为21世纪最具有影响力的改变世界的10大技术之一。

伴随着传感器技术本身不断地在发展、深化和交叉，从原先单一的敏感元件发展到混合集成传感器、智能传感器等，真正朝着无所不在的信息获取技术方向迈进，无线传感器网络技术异军突起，包括在国防安全、工农业领域各种控制、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领域都体现了重要的科研价值和实用价值，具有十分广阔的应用前景。

于是乎，深化研究无线传感网络、为无线传感器网络寻找一种具备成本低廉，节约功耗而有组网能力较强的无线网络协议的需求变得十分迫切，也是当今通信科技发展的主题。

1.CC2530射频模块介绍

CC2530内部的模拟无线电模块是由其RF内核（RF_core）部分控制，RF内核在CC2530的8051微处理器和无线电之间提供一个接口，它可以发出命令、读取状态和自动对无线电事件排序。

CC2530RF内核的有限状态机（简称FSM）子模块控制射频收发器的状态、发送和接收FIFO，以及大部分动态受控的模拟信号，比如模拟模块的上电/掉电。

FSM用于为事件提供正确的顺序（比如在使能接收器之前执行一个FS校准）。

而且，它为来自解调器的输入帧提供分步处理：

读帧长度、计算收到的字节数、检查FCS、最后成功接收帧后，可选择性地处理自动传输ACK帧等。

在执行发送射频是时执行类似的操作，包括在传输前执行一个可选的CCA，并在接收一个ACK帧的传输结束后自动回到RX。

最后，FSM控制在调制器/解调器和RAM的TXFIFO/RXFIFO之间传输数据。

图8-1为CC2530的射频控制模块

图8-1CC2530RF控制模块

（1）调制器（Modulator）把原始数据转换为I/Q信号发送到发送器DAC。

数据遵守IEEE802.15.4标准。

（2）、解调器（Demod）负责从收到的信号中检索无线数据，解调器幅度受自动增益控制器（AGC）控制。

AGC调整模拟LAN的增益，使接收器的信号幅度保持恒定。

（4）、帧过滤和源匹支持RF内核中FSM的所有操作，同时实现IEEE802.15.4所定义的帧过滤和源地址匹配；

（5）、频率合成器（FS）为RF信号产生载波。

（6）、命令选通处理器（CSP）处理CPU发出的所有命令。

该命令选通处理器还包括一个24字节程序存储器；

这样选通处理器不需要微处理器干预的情况下自动执行CSMA-CA算法。

（7）、CC2530的无线电RAM包括发送数据FIFO（TXFIFO）和接收数据FIFO（RXFIFO），每个FIFO都是128字节。

另外，无线电RAM为帧过滤和源匹配存储参数余留了128字节。

（8）、CC2530包括一个用于无线电事件定时计算的MAC定时器（定时器2），以捕获输入数据包的时间戳。

同时，MAC定时器甚至在睡眠模式下也保持定时器计数。

1.12802.15.4帧格式

IEEE802.15.4的帧格式如图8-2所示

图8-2IEEE802.15.4帧格式示意图

1、PHY层

（1）、同步头：

同步头（SHR）包括帧引导序列，接下来是帧开始界定符（SFD）。

在IEEE802.15.4规范中，帧引导序列定义为四个字节的0x00。

SFD是一个字节，设置为0xA7。

（2）、PHY头：

PHY头只包括帧长度域。

帧长度域定义了MAC协议数据单元（MACprotocoldataunit，简称MPDU）中的字节数。

注意长度域的值不包括长度域本身。

但是它包括帧检查序列（FCS），即使这是由硬件自动插入的。

帧长度域是7位长，最大值是127。

长度域的最高位保留，总是设置为0。

（3）、PHY服务数据单元：

PHY服务数据单元包括MAC协议数据单元（MPDU）。

MAC层负责产生/解释MPDU，CC2530的无线电有内置的支持可以处理一些MPDU子域。

1.2MAC层

MAC帧格式主要是指MAC协议数据单元（MPDU）的格式，主要包括MAC帧头（MHR），MAC负载和MAC帧尾（MFR）。

帧头由帧控制，帧序列码和地址域组成，MAC层负载长度可变，具体内容由帧类型决定。

MAC帧尾（帧校验）是帧头和负载数据的16位循环冗余校验（CRC）序列。

具体见表8-1

表8-1MAC帧的通用格式

字节：

2

1

0/2

1/2/8

0/2/8

可变

帧控制

序列号

目的PAN标识符

目的地址

源PAN标识符

源地址

净荷

帧校验

地址域

MAC帧头（MHR）

MAC帧负载

MAC帧尾

1.3CC2530射频发送模式

1、发送控制

CC2530的射频模块有许多内置的功能，用于帧处理和报告状态。

这些功能很容易地精确控制输出帧的时序。

这在IEEE802.15.4/ZigBee®

系统中是非常重要的，因为这类系统有严格的时序要求。

●开始帧传输操作方式：

（1）、STXON命令

执行STXON命令时，将终止正在传输的操作，SAMPLED_CCA不更新；

（2）、STXONCCA命令：

在CCA信号为高。

STXONCCA命令将中止正在进行的发送/接收，强制一个TX校准，然后再传输。

同时更新SAMPLED_CCA信号。

●终止帧传输操作方式：

执行STXON命令时，将终止正在传输操作，进入RX调整

（2）、STXOFF命令

执行STXOFF命令时，将终止正在进行的接收/发送，使FSM进入空闲状态（IDLE状态）；

2、发送时序

STXON命令或STXONCCA命令执行后192us开始传输帧的引导序列，返回到接收模式，也需要延迟同样的时间。

当进入空闲或接收模式时，调制器将信号送到DAC、发送SFD信号以及射频FSM转换到IDLE状态，都有2us的延迟。

3、发送FIFO的访问方式

CC2530芯片具有128字节的发送FIFO（TXFIFO），该缓冲每次只能完整地保存一帧数据。

只要缓冲的数据不产生下溢，在执行发送命令（STXON或STXONCCA）执行前或执行后都可以对数据帧进行缓冲到FIFO中。

图8-3为发送射频数据时需要写入发送缓冲的数据。

AUTOCRC=0

LEN

LEN-2字节

FCS（2字节）

忽略

AUTOCRC=1

图8-3需要写入到发送缓冲数据

CC2530有两种方式将数据写入到发送FIFO缓冲：

（1）、写到RFD寄存

（2）、直接写FIFO缓冲

发送帧缓冲（FIFO）位于存储器0x6080-0x60FF共128个存储单元。

通过使能FRMCTRL1.IGNORE_TX_UNDERF位，可以直接写到无线电存储器的RAM区域。

建议使用写RFD寄存器将数据写到发送FIFO中，写入到发送FIFO中的字节数保存在TXFIFOCNT寄存器中。

如果FIFO在传输期间被清空就发生TX下溢错误，可以使用SFLUSHTX命令手动清空发送FIFO。

4、重传方式

为了支持简单的帧重传，CC2530无线电数据在传输过程中不会删除发送FIFO的内容。

成功发送一个帧后，FIFO的内容保持不变。

要重传同一个帧，只需重新执行STXON或STXONCCA命令启动重传。

只有数据包已经被完全发送才可以重传一个数据包，即数据包不能中止，然后再重传。

如果传输一个不同的帧，就写新的帧到发送FIFO。

发送FIFO在实际写发生之前自动清除。

5、帧处理过程

CC2530射频在发送数据帧过程中执行以下帧产生操作：

收到的帧

帧引导序列

SFD

MHR

MAC负载

FCS

（1）

（2）

（3）

（1）产生并自动传输PNY层同步头，它包括帧引导序列和SFD

（2）传输帧长度域指定的字节数LEN

（3）计算并自动传输FCS（可以禁用）

推荐写发送长度域方法：

在将MAC头和MAC负载写入发送FIFO后，接着写发送长度域，然后让CC2530的射频处理其余部分。

注意：

即使CC2530射频自动处理FCS字节，发送长度域必须包括这两个FCS字节。

当发送了SFD，调制器开始从发送FIFO中读数据。

它期望找到帧长度域，然后是MAC头和MAC负载。

帧长度域用于确定要发送多少个字节。

当帧的SFD域发送后就产生SFD中断。

当成功发送一个完整的帧，产生TX_FRM_DONE中断。

1.4CC2530射频接收模式

1、接收控制

CC2530的射频接收器分别根据SRXON和SRFOFF命令进行开启和关闭，或使用RXENABLE寄存器。

接收命令提供一个硬开启/关闭机制，而RXENABLE操作提供一个软开启/关闭机制。

●开启接收器操作：

（1）SRXON命令

执行SRXON命令后，RXENABLE[7]置1，终止正在进行的接收/发送操作，强制转换到接收模式。

（2）SRXON命令（当FRMCTRL1.SET_RXENMASK_ON_TX使能）

执行SRXON命令后，RXENABLE[6]置1，发送完成之后使能接收操作。

（3）通过写RXMASKSET寄存器（将与RXENABLE进行或运算）使RXENABLE!

=0x00

不终止正在进行的接收/发送操作；

●关闭接收器操作：

（1）、SRXOFF命令

清除RXENABLE[7：

0]，通过强制转换进入空闲状态（IDLE），终止正在进行的接收/发送操作；

（2）通过写RXMASKCLR寄存器（将与RXENABLE进行与运算）使RXENABLE=0x00

一旦接收完毕，射频返回空闲状态（IDLE）

2、接收时序

在使能接收192us后可进入接收操作。

从接收一帧再次进入接收模式同样需要192us的延迟。

3、接收帧处理过程

CC2530射频集成了IEEE802.15.4-2003和-2006中RX硬件方面要求的关键部分。

降低了CPU干预，简化了处理帧接收的软件，且以最小的延迟给出结果。

CC2530在接收一个帧期间，执行以下帧处理步骤

（2）（3）

（4）

发送的确认帧

（5）