信科专业综合实践报告中国矿业大学 10Word文档下载推荐.docx
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4.1.汇聚、管理节点程序设计8
4.2.传感器节点1程序设计10
4.3.传感器节点2程序设计11
4.4.通信协议设计12
5.核心代码13
6.功能简介18
7.体会与收获19
8.参考文献20
1.相关知识概述
1.1.无线传感器网络发展历史
中国物联网校企联盟认为，传感器网络的发展历程分为以下三个阶段：
传感器→无线传感器→无线传感器网络（大量微型、低成本、低功耗的传感器节点组成的多跳无线网络）
第一阶段:
最早可以追溯至越战时期使用的传统的传感器系统。
当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量，“胡志明小道”是胡志明部队向南方游击队输送物资的秘密通道，美军对其进行了狂轰滥炸，但效果不大。
后来，美军投放了2万多个“热带树”传感器。
“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。
只要对方车队经过，传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送到指挥中心，美机立即展开追杀，总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。
第二阶段:
二十世纪80年代至90年代之间。
主要是美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。
这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。
因此在1999年，商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一。
第三阶段:
21世纪开始至今，也就是9·
11事件之后。
这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。
除了应用于反恐活动以外，在其它领域更是获得了很好的应用，所以2002年美国国家重点实验室－－橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。
由于无线传感网在国际上被认为是继互联网之后的第二大网络，2003年美国《技术评论》杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一。
在现代意义上的无线传感网研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域位居世界前列的少数方向之一。
在2006年我国发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》中，为信息技术确定了三个前沿方向，其中有两项就与传感器网络直接相关，这就是智能感知和自组网技术。
当然，传感器网络的发展也是符合计算设备的演化规律。
1.2.硬件开发环境
本设计使用的是AT89S52单片机。
AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S52具有如下特点：
40个引脚，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
AT89S52封装后的引脚图如图2.6所示：
本设计中所用到的一些重要引脚功能说明：
✧P0口（39脚~32脚）：
双向8位三态I/O口，每个口可独立控制，其内部没有上拉电阻，为高阻状态，所以不能正常的输出高、低电平，因此该组I/O口在使用时务必要外接上拉电阻，一般我们选择接入10kΩ的上拉电阻；
✧P1口（1脚~8脚）：
准双向8位I/O口，每个端口可独立控制，内带上拉电阻，这种接口输出没有高阻状态，输入也不能所存，故不是真正的I/O口。
该口在作为输入使用前，要先向该口进行写1操作，然后单片机内部才可正确读出外部信号，P1.0引脚的第二功能为T2定时器/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2的外部控制端；
✧P2口（21脚~28脚）：
准双向8位I/O口，每个端口可独立控制，内带上拉电阻，与P1口相似；
✧P3口（10脚~17脚）：
准双向8位I/O口，每个端口可独立控制，内带上拉电阻。
第一功能使用时就当做普通I/O口，与P1口类似。
作为第二功能使用时，P3.0（10）用作RXD串行输入口，P3.1（11）用作TXD串行输出口,P3.2（12）用作INT0外部中断0,P3.3（13）用作INT1外部中断1,P3.4（14）用作T0定时器/计数器0外部输入端,P3.5（15）用作T1定时器/计数器1外部输入端,P3.6（16）用作WR外部数据存储器写脉冲,P3.7（17）用作RD外部数据存储器读脉冲；
✧RST（9脚）：
单片机的复位引脚。
当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机的复位初始化操作，复位后程序计数器PC=0000H,即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码，通俗的讲，就是从单片机从头开始执行程序
✧EA：
EA接高电平时，单片机读取内部程序存储器；
EA接低电平时，单片机直接读取外部ROM；
✧VCC（40脚）：
数字电路的电源，接+5V；
✧GND（20脚）：
地；
✧RESET：
复位输入引脚；
✧XTAL1（19脚）XTAL2（18脚）：
片内振荡电路的输入/出端,8052的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，需在这两个脚外接石英晶体和振荡电容，振荡电容的值一般取10p~30p；
另一种是外部时钟方式，将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。
1.3.NRF24L01无线通信模块
性能参数：
◆小体积，QFN204x4mm封装
◆宽电压工作范围，1.9V~3.6V，输入引脚可承受5V电压输入
◆
工作温度范围，-40℃～+80℃
◆工作频率范围，2.400GHz～2.525GHz
◆发射功率可选择为0dBm、-6dBm、-12dBm和-18dBm
数据传输速率支持1Mbps、2Mbps[1]
◆低功耗设计，接收时工作电流12.3mA，0dBm功率发射时11.3mA，掉电模式时仅 为900nA
◆126个通讯通道，6个数据通道，满足多点通讯和调频需要
◆增强型“ShockBurst”工作模式，硬件的CRC校验和点对多点的地址控制
◆数据包每次可传输1～32Byte的数据
◆4线SPI通讯端口，通讯速率最高可达8Mbps，适合与各种MCU连接，编程简单
◆可通过软件设置工作频率、通讯地址、传输速率和数据包长度
◆MCU可通过IRQ引脚快判断是否完成数据接收和数据发送
2.需求分析
无线传感器网络是近几年来国内外研究和应用的热门领域，它深入到我们生活的每个环节，渗透到社会的每个角落，有助于帮助人类提高认识物理世界的深度、广度、精确性、及时性，加强和密切人类与物理世界的联系，提高了人类对物理环境的远端监视和控制能力。
在今后，无线传感器网络接收的数据量将会越来越大，但是当前的使用模式对于数量庞大的数据的管理和使用能力有限。
如何进一步加快其时空数据处理和管理的能力，开发出新的模式将是非常有必要的。
所以，有必要对无线传感器网络进行更加深入的学习和理解。
另外，在课程选题时，综合考虑各选题的侧重点，并结合个人实际能力与兴趣，最终选定本题目。
一来是自己在无线网络通信方面非常薄弱，想借此机会煅炼一下；
二来本题目既包含软件部分（算法）又包含硬件部分（微型传感器网络搭建与仿真）。
既符合个人兴趣，又有一定的基础，最终课题完成后，还能给自己一个提升。
3.硬件设计
根据本实验的任务和要求，可分为以下两个部分：
✧最小系统模块；
✧无线通信模块；
3.1.最小系统模块电路设计
AT89S52只需要少量的外围辅助元件就可以正常工作。
单片机为40引脚双列直插芯片，共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），每一条I/O线都能独立地作输出或输入。
AT89S52单片机的最小系统由时钟电路、复位电路、电源几部分组成，如图3.1所示。
图3.1AT89S52最小系统
1.时钟电路
AVR单片机有以下几种系统时钟源的选择方案：
外部晶体/陶瓷振荡器、外部低频晶振、外部RC振荡器、标定的内部RC振荡器、外部时钟，这里我们选择8M外部晶体/陶瓷振荡器。
起振电路由8M晶振和两个20pF的去偶电容接地，组成单片机的起振电路，XTAL1接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，XTAL2接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出。
如图3.1所示。
2.复位电路
该方案采用上电复位，电路由一个10uF电容和1KΩ和10KΩ电阻组成，接在AT89S52的RESET端口，如图3.1所示
3.电源
本方案采用电源方案，该电源插口有三个接口，其中远离插口的是正极，靠近插口的是负极，在连接电路时只要所有的VCC接+5V，所有的GND接地就可以了，当让计算器运行时，在该插口插上电源。
3.2.无线模块电路设计
nRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。
无线收发器包括：
频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。
输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。
几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。
极低的电流消耗：
当工作在发射模式下发射功率为0dBm时电流消耗为11.3mA，接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。
图3.2无线模块电路
3.3.电路原理总图设计
图3.3电路原理总图
4.软件设计
实验中，硬件由三块带有NRF24L01无线通信模块的51单片机组成，两块模拟传感器节点，另一块模汇聚节点，由于系统小，就把管理节点也集成到汇聚节点，做成了一个两层结构。
于是，本系统的软件设计部分也就分为三大部分：
✧汇聚、管理节点程序设计；
✧传感器节点1程序设计；
✧传感器节点2程序设计；
✧通信协议设计。
4.1.汇聚、管理节点程序设计
汇聚、管理节点负责接收两个传感器节点发来的采集数据。
对于传感器节点1，有点发和主动发送。
其中点发即是主节点先请求，然后从节点把采集到的最新数据发给主节点；
主动发送是从节点在采集的新数据有较大变化时自动发送，该较大变化由阈值来比对，这里也体现出在传感器节点所做的简单数据处理。
对于传感器节点2，也有点发和主动发送，不同的是它的主动发送是，采集一次数据即发送一次，发送频率比传感器节点1要高，相应的实时性要好，同时耗能也快。
汇聚、管理节点程序流程如图4.1所示。
图4.1汇聚、管理节点程序流程图
4.2.传感器节点1程序设计
相对于汇聚、管理节点，传感器节点除了主程序外还有两个定时中断子程序，一个用来定时采集数据，一个用来完成无线通信中的定时重发。
图4.2传感器节点１主程序流程图
图4.4传感器节点１timer1程序流程图
图4.3传感器节点１timer0程序流程图
4.3.传感器节点2程序设计
两个传感器节点在功能上非常相似，只是主动发送的时机不同。
1是变化大于阈值时发送，2则是每采集一次就发送。
这一不同体现在程序上仅仅是timer0主断子程序上的不同，其他在主程序上除了身份识别码不同外全部相同，tiemr1用来定时重发的中断子程序也是相同的。
所以在此就不再累述，只给出timer0中断子程序的流程图：
图4.5 传感器节点2timer0程序流程图
4.4.通信协议设计
主
从
应答
（重发）
点发 主动发送
5.核心代码
汇聚、管理节点主程序：
unsignedchardata1=0,data2=0;
//保存数据，以待发给ＰＣ端
voidmain（void）
{
unsignedchartf=0;
unsignedcharTxBuf[20]={0};
//根节点
unsignedcharRxBuf[20]={0};
init_NRF24L01（）;
StartUART（）;
Delay（6000）;
P2=0xfe;
SetRX_Mode（）;
while
（1）
{
if（KEY1==0）
{
TxBuf[0]=0x01;
//选择1号
TxBuf[1]=0x00;
//命令标志，数据的标志是0x01,应答信号的标志是0x07
tf=3;
//LED=0;
//R_S_Byte（（char）（data1））;
}
if（KEY2==0）
//TxBuf[0]=0x02;
//选择2号
//TxBuf[1]=0x00;
//命令标志，数据的标志是0x01
//tf=3;
Print（data1,data2）;
if（tf>
=1）
{
LED=0;
nRF24L01_TxPacket（TxBuf）;
//发送TxBuf 中的数据
tf--;
Delay（1000）;
SPI_RW_Reg（WRITE_REG+STATUS,0XFF）;
//清除状态标志
SPI_RW_Reg（FLUSH_TX,0xff）;
//清除TXFIFO寄存器
if（tf==0）
{
TxBuf[0]=0xff;
TxBuf[1]=0xff;
TxBuf[2]=0xff;
TxBuf[3]=0xff;
}
LED=1;
//**************************************************************************************SetRX_Mode（）;
nRF24L01_RxPacket（RxBuf）;
if（RxBuf[0]==0xA1）
{
LED2=0;
tf=3;
//返回应答信号
TxBuf[0]=0x01;
TxBuf[3]=0x05;
P0=duan[（int）（RxBuf[2]）%10];
data1=RxBuf[2];
//保存数据，以待发给ＰＣ端
//Print（data1,data2）;
//发送到ＰＣ端
Delay（1000）;
LED2=1;
elseif（RxBuf[0]==0xA2）
TxBuf[0]=0x02;
P0=duan[（int）（RxBuf[2]）%16];
//if（data2!
=RxBuf[2]）
//{
data2=RxBuf[2];
//}
RxBuf[0]=0xff;
RxBuf[1]=0xff;
RxBuf[2]=0xff;
}
传感器节点1主程序：
inttemp=10,pretemp=10;
//模拟温度值
unsignedchartf=0,ack_flag=0;
unsignedcharTxBuf[20]={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15};
unsignedcharRxBuf[20]={0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};
unsignedchari,t=0;
//定时器初始化
IE=0x8A;
TMOD=0x11;
TL0=（65536-60000）%256;
TH0=（65536-60000）/256;
TL1=（65536-60000）%256;
TH1=（65536-60000）/256;
TR0=0;
//先关闭定时器
TR1=0;
TR0=1;
if（tf==1）
tf=0;
//**************************************************************************************
if（RxBuf[0]==0x01）//号码验证
LED=0;
//P0=duan[（int）（RxBuf[3]）];
if（RxBuf[1]==0x00）//看出是发送请求命令----
TxBuf[0]=0xA1;
//TxBuf[1]=0xff;
TxBuf[2]=temp;
tf=1;
//前去发送
ack_flag=1;
//并等待应答信号
TR1=1;
//开启延时重发
elseif（RxBuf[3]==0x05）//0x11 代表应答信号-----
ack_flag=0;
//清零
TR1=0;
//关闭重发延时
LED2=0;
传感器1节点 timer0中断程序
voidtime_0（）interrupt1//定时模拟读取温度值
staticintj=0;
if（++j>
100）
j=0;
pretemp=temp;
temp=25+rand（）%11;
P0=duan[temp%10];
//温度显示
//if（temp-pretemp>
=5||pretemp-temp>
=5）//温度前后变化大于等于5度，则自动发送
//{
TxBuf[0]=0xA1;
TxBuf[2]=temp;
tf=1;
ack_flag=1;
TR1=1;
//}
传感器2节点 timer0中断程序
temp=rand（）%16;
P0=duan[temp];
//检测一次温度，就发送一次
TxBuf[0]=0xA2;
TxBuf[2]=temp;
tf=1;
ack_flag=1;
TR1=1;
//开启重发延时
6.功能简介
传感器网络系统通常包括传感器节点EndDevice、汇聚节点Router和管理节点Coordinator。
大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。
传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。
用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。
传感器节点
处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过小容量电池供电。
从网络功能上看，每个传感器节点除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合，并与其他节点协作完成一些特定任务。
汇聚节点
汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它是连接传感器网络与Inter
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