基于SI4432的无线通讯系统设计.docx
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基于SI4432的无线通讯系统设计
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本科生毕业论文（设计）
题目基于SI4432的无线通讯系统设计
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摘要
随着现代社会信息科学与技术的高速发展，普通的传感器技术已经无法满足人们对信息获取的需要，智能化的无线传感器网络越来越受到众多人的青睐和瞩目。
无线传感器网络是一种特殊的无线自组网，它由许多个无线传感器网络节点构成，它综合了传感器、嵌入式计算、网络、无线通信及分布式信息处理等先进技术。
无线传感器网络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，并对这些信息进行处理，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。
考虑到对于无线传感器网络，网络节点数据传输的可靠性和能量的效率仍是有待进一步得以改善的重点。
本文设计一个基于MSP430F149低功耗单片机控制和Si4432无线收发的无线通讯系统。
论文首先详细介绍了无线传感器网络，然后提出了无线通讯系统设计的方案和验证。
接着详细介绍了节点电路设计、硬件制作和调试。
对于MAC协议，提出了一套设计方案，在实验环境下，可以实现节点之间基本通信。
关键词：
无线通信网络，传感器节点，MAC协议，Si4432
Abstract
Withthemagicdevelopmentofinformationscienceandtechnology，traditionalsensortechniquesareabletomeetpeople’sdemandofinformation.Moreandmorepeoplearepayingattentiontotheintelligentnetwork.Wirelesssensornetworks（WSN）areaspecialkindofadhocnetworks，whichconsistsofmanywirelesssensornetworknodes.WSNareadvancedintegrationofsensortechniques，nestedcomputationtechniques，networktechniques，wirelesscommunicationtechniquesanddistributedcomputationtechniques.Wirelesssensornetworkscancollectreal-timenetworkmonitoringanddistributionofvarioustestobjectswithintheregioninformation，andinformationprocessing，andtheinformationsenttothegatewaynode，inordertoachievethespecifiedrangeofcomplextargetdetectionandtracking.
ConsideringtheWSN，thenetworknodedatatransmissionreliabilityandenergyefficiencyisstillthefocustobefurtherimproved.AWSNplatformisdesignedinthispaper，whichbasedonlowpowerMSP431F149microcontrollerandSi4432transceiver.ThispaperdetailedtheWSN，thenproposedthedesignandverificationofthewirelesscommunicationsystem，thenintroducesthenodecircuitdesign，productionanddebuggingofthehardware.FortheMediumAccessControl（MAC），weproposedmyowndesign，andcanachievethebasiccommunicationofthenodesundertheexperimentalenvironment.
Keywords:
WirelessSensorNetwork，Sensornode，MACprotocol，Si4432
第一章绪论
1.1无线传感器网络发展背景
随着现代微电子技术、微机电系、片上系统SoC、纳米材料、无线通信技术、信号处理技术、计算机网络技术等的进步以及互联网的迅猛发展，传统的传感器信息获取技术从独立的单一化模式相集成化、微型化，进而向智能化、网络化方向发展[1]，由这些微型传感器构成的无线传感器网络引起了人们的极大关注。
这种无线传感网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，并传送到需要这些信息的用户。
无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）是一种无线自组织网络，兴起于上世纪90年代，可以应用于国家安全、环境监测、交通管理、现代物流、仓储管理、医疗监护、智能家居等非常广泛的领域，具有巨大的应用前景。
无线传感器网络技术迅速得到了学术界和工业界以及各国政府的重视，成为信息技术的一个新的研究热点。
随着越来越广泛的深入研究和应用，无线传感器网络将深远地影响我们的生活。
1.2无线传感器网络体系结构
1.2.1无线传感器网络结构
无线传感器网络系统通常包括传感器节点（sensornode）、汇聚节点（sinknode）和管理节点。
大量传感器节点随机部署在监测区域（sensorfield）内部或附近，通过自组织方式构成无线网络，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。
传感器网络结构如图1-1所示。
传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电，目前传感器节点的软硬件技术是传感器网络研究的重点。
汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。
图1-1无线传感器网络结构图
1.2.2无线传感器节点结构
无线传感器网络是一种独立出现的计算机网络，它的基本组成单位是节点，每个节点集成有传感器数据采集单元、数据处理单元和通信传送单元模块，节点的作用就是感知数据、处理数据和传送数据。
一个无线传感器节点一般由五个主要部分组成[2]，如图1-2所示。
图1-2无线传感器节点的主要硬件组成
（1）控制器：
控制器处理所有的相关数据，可以执行任意代码。
（2）存储器：
有的存储器存储数据和中间节点。
通常，程序和数据使用不同类型的存储器。
（3）传感器和执行器：
他们是与外围设备的真正接口，可以观测或控制环境的物理参数。
（4）通信：
为了将节点连网，一个实现在无线通道上发送和接收消息的设备。
（5）电源：
通常情况下，采用的是电池供电的方式。
有时，通过提取环能源实现电池的自充电。
1.2.3无线传感器网络协议栈
无线传感器网络的通信协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，如图1-3所示，与互联网协议栈的五层协议相对应[3]。
另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。
这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。
图1-3无线网络协议栈
（1）物理层
它着眼于信号的调制，发送与接收。
物理层的主要工作是负责频段的选择，信号的调制以及数据的加密等等。
对于距离较远的无线通信来说，从实现的复杂性和能量的消耗来考虑，代价都是很高的。
（2）数据链路层
它用于解决信道的多路传输问题。
数据链路层的工作集中在数据流的多路技术，数据帧的监测，介质的访问和错误控制，它保证了无线传感器网络中点到点或一点到多点的可靠连接。
（3）网络层
它关心的是对传输层提供的数据进行路由。
大量的传感器节点散布在监测区域中，需要设计一套路由协议来供采集数据的传感器节点和基站节点之间的通信使用。
（4）传输层
它用于维护传感器网络中的数据流，是保证通信服务质量的重要部分。
结合无线传感器网络协议栈图来进行分析：
当传感器网络需要与其他类型的网络连接时，例如基站节点与任务管理节点之间的连接就可以采用传统的TCP或者UDP协议。
但是在传感器网络的内部是不能采用这些传统协议的，这是因为传感器节点的能源和内存资源都非常有限，它需要一套代价较小的协议。
（5）应用层
根据应用的具体要求的不同，不同的应用程序可以添加到应用层中，它包括一系列基于监测任务的应用软件。
由于传感器节点的计算能力、存储能力、通信能量以及携带的能量都十分有限，每个节点只能获取局部网络的拓扑信息，其上运行的网络协议也不能太复杂。
同时，传感器拓扑结构动态变化，网络资源也在不断变化，这些都对网络协议提出了更高的要求。
传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络，目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。
网络层的路由协议决定监测信息的传输路径；数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信过程和工作模式。
1.3无线传感器网络特征[4]
（1）网络规模大
为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。
比如在军事应用方面，可以将无线传感器网络部署在战场上跟踪敌人的军事行动，智能化的终端可以被大量地装在宣传品、子弹或炮弹壳中，在目标地点撒落下去，形成大面积的监视网络。
（2）能源受限制
网络中每个节点的电源是有限的，网络大多工作在无人区或者对人体有伤害的恶劣环境中，更换电源几乎是不可能的事，这势必要求网络功耗要小以延长网络的寿命，而且要尽最大可能的节省电源消耗。
（3）网络自动配置
这包括自动组网、对入网的终端进行身份验证、防止非法用户入侵。
相对于那些布置在预先指定地点的传感器网络而言，无线传感器网络可以借鉴adhoc方式来配置，当然前提是要有一套合适的通信协议保证网络在无人干预情况下自动运行。
（4）网络的自动管理
在无线传感器网络中，数据处理由节点自身完成，这样做的目的是减少无线链路中传送的数据量，只有与其他节点相关的信息才在链路中传送。
以数据为中心的特性是无线传感器网络的又一个特点，由于节点不是预先计划的，而且节点位置也不是预先确定的，这样就有一些节点由于发生较多错误或者不能执行指定任务而被中止运行。
为了在网络中监视目标对象，配置冗余节点是必要的，节点之间可以通信和协作，共享数据，这样可以保证获得被监视对象比较全面的数据。
（5）与移动adhoc网络的区别
无线传感器网络作为一种分布式传感器网络，和移动adhoc网络有相似点，但又有很多不同。
一般来说，无线传感器网络的节点比典型的移动终端或手持设备有更多的资源受限要求，但对于计算的要求则是可有可无的，当需要执行计算任务时，如果通信成本比计算成本低，计算任务就被送到中心节点去执行。
1.4无线传感器网络应用
传感器节点可以连续不断地进行数据采集、事件检测、事件标识、位置监测和节点控制，传感器节点的这些特性和无线连接方式使得无线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。
传感器网络在军事领域的应用更为重要，军方可以通过飞机空投等方式在预定区域散布大量微型廉价的传感器节点，通过这些传感器节点实时监测周围环境的变化，并将监测到的数据通过卫星信道等方式发送回基地。
这样就可以方便地监控我军布防的阵地是否有敌军入侵，也可以将网络布置在敌方阵地上，以隐密的方式监控敌方阵地和敌军活动情况。
随着无线传感器网络的深人研究和广泛应用[5]，无线传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。
1.5无线传感器网络研究现状
无线传感器网络技术新起于20世纪90年代末，因其巨大的应用价值而迅速得到了军事部门、学术界、工业界广泛的关注。
最早的研究由美国的自然科学基金（NSF）、DARRA、加州大学（UniversityofCalifornia）和康奈尔大学（CornellUniversity）等机构和院校开展。
从2000年起，国际上开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道。
美国英特尔公司、微软公司等信息业巨头也开始了传感器网络方面的研究工作。
到现今为止，无线传感器网络的研究大致经过了两个阶段。
第一阶段主要偏重利用微机电系统（micro-electro-mechanismsystem，MEMS）技术设计小型化的节点设备，代表性的研究项目有WINS（Wirelessintegratednetworksensors）和SmartDust。
对于网络本身问题的关注和研究可以认为是无线传感网络研究的第二个阶段，目前正在成为无线网络研究领域的一个不小的热点。
从网络分层模型的角度分析，每一层都有需要结合无线传感网络的特点进行细致研究的问题，就已有的研究而言，主要集中在网络层和链路层。
在链路层，协议用于建立可靠的点到点或点到多点通信链路，主要由介质访问控制（MAC）组成。
1.6论文结构
全文分为六章，每章内容安排如下：
第一章绪论。
主要介绍了无线传感器网络发展背景、体系结构、网络特征、网络应用以及网络研究现状。
对无线传感器网络有了一个全面的把握，从而实现深层次的理解和设计无线传感器通讯系统。
第二章对无线传感器通讯系统进行了方案的论证和选择，从而设计出一套具有实验意义的基于MSP430F149控制和Si4432无线收发的模块。
第三章介绍了无线传感器通讯系统的硬件设计，详细介绍了系统的各个应用模块和主要功能。
第四章针对无线传感器通讯系统的软件设计，分析了当前比较主流的无线通讯协议，提出了两种切实可行的实验方案。
并重点介绍了自己的协议内容和可以实现的主要功能。
第五章为无线通讯系统的调试与分析，针对于课程设计过程中遇到的一些难题和疑问进行分析和解答。
第六章对本文所作研究工作进行了总结，并阐述了接下来的工作展望，为更好的完善此通讯系统提出了更好的建议，并对自己提出了更高的要求。
第二章无线通讯系统的方案论证与选择
无线传感器网络有大量相同或功能相似的传感器节点组成，节点是无线传感器系统最基本的组成单元，而节点之间必须通过通讯协议来协调工作，以实现通讯系统的正常运行。
一个无线通讯系统的设计主要包括节点设计和协议设计。
接下来分别对传感器节点和协议进行详细的分析和对比，从而选择出合适的系统设计方案。
2.1无线通讯系统节点设计
传感器节点作为无线传感器网络的基本组成部分，是检测、处理并存信息数据的硬件基础，是无线传感器协议的承载体。
节点硬件的进步是无线传感器网络发展和应用的前提条件。
如何设计出合理并且高效的无线通讯系统对于节点硬件的选择和搭建提出了比较高的要求。
2.1.1节点设计要求
在同一网络内，节点可分为普通节点、汇聚节点和信标节点等。
普通节点具有信息采集，数据转发等基本功能;汇聚节点有更强的处理、存储能力，电源供应相对充足，带有与用户通信的接口;信标节点除拥有定位单元外其他部分与普通节点相同，可以作为信标提供位置信息，完成整个网络的定位等功能。
另外，在一些特殊的应用领域可能要求节点能够移动，部分节点带有移动部件。
无线传感器系统的应用需求决定了传感器网络自身的特点，其节点设计需考虑如下因素[6]：
（1）能耗要求
传感器节点数量庞大、通常只携带能量有限的电池而且部署区域环境复杂，有些区域人员甚至无法靠近。
因此，人工更换节点的电池是不现实的。
如何降低功耗，延长网络的生命周期是设计传感器节点所面临的首要挑战。
（2）成本要求
一个传感器网络通常需要部署数以百计的节点，有些网络甚至更多。
因此，低成本的传感器节点对于无线传感器网络的实际应用具有重大的意义。
（3）稳定性和可靠性要求
稳定性要求传感器节点在外界环境变化的范围内可以正常工作。
同时，采集的数据是否全面且准确，是否可以通过网络可靠地传送到目标是衡量传感器网络性能的重要指标。
（4）传感器节点功能模块的设计
作为一个完成的系统，传感器节点各个模块的性能必须是协调高效的，各模块实现技术的选择需要根据实际系统的要求进行权衡和取舍。
2.1.2节点硬件选择
无线传感器网络规模大，节点数量多，无人值守。
这要求节点硬件体积小、便携性高、功耗低，同时又具有一定的可靠通信质量。
并且节点结构应尽量简单，以控制成本，实现规模化。
无线传感器网络是一种特殊的自组织网络，其协议栈设计比较复杂，如果能在硬件上实现对协议栈的部分支持，将具有更好的节能效果。
基于这些方面的考虑，本文以低功耗的TI公司的MSP430F149为数字核心，Si4432芯片为无线传输模块，设计了体积小、功耗低、通讯可靠、效率高的传感器节点。
本文设计的节点有两种结构，一种具有串行接口，可以通过串口与其他设备进行通信和调试，同时具有电源转换单元，使用电池供电，这种结构可以用做从节点。
另一种是主节点，采用USB转串口模块，直接与PC机进行通讯。
节点结构如图2-1。
图2-1节点硬件结构
其中数据处理单元是整个节点的核心部分，包括处理核心和存储单元，以及与编程/仿真器、外围芯片及传感器的接口[7]。
其首要功能是存储与运行无线通信协议，控制无线通信模块Si4432进行数据收发，并完成整个节点的设备控制、任务调度、数据整合与存储等多个关键任务。
传感器单元负责采集监测区域的目标信息，对信号进行滤波等操作之后送入数据处理单元，由数据处理单元进行A/D转换。
也可使用数字传感器芯片，直接输出A/D转换后的数字信号。
无线通信模块负责节点间的通信，包括数据的收发，控制信息的传递，以及向数据处理单元提供无线信道的控制信息等，该模块由高度集成的芯片Si4432和天线部分构成。
CP2102是USB到UART的桥接电路，完成USB数据和UART数据的转换
USB通信单元只在主节点中存在，负责与数据用户的通信，采用CP2102芯片，完成USB数据和UART数据的转换，直接实现与PC进行通信。
电源供应单元是无线传感器网络中一个非常重要的部分。
网络和节点的各方面设计都需要围绕省电这一目标来进行。
主节点采用USB电源供电，从节点使用电池供电。
2.2无线通讯系统协议设计
2.2.1主要协议介绍
无线传感器网络之所以被称为智能传感技术，取决于其组网和网络管理方式。
传感器网络的软件研究[8]具有更为重要的意义。
而组网协议是软件设计之中的核心。
（1）SMAC协议
SMAC协议是在802.11MAC协议的基础上，针对无线传感器网络能量优先考虑的特点而设计的，主要目标是减少能耗，提高良好的扩展性。
它主要采用了以下机制来避免能量的浪费：
周期性侦听/睡眠的低占空比工作方式、流量自适应侦听、串音避免以及消息分片传递。
虽然SMAC在能量节省方面做了很多工作，但仍有问题需要解决，如它忽视了无线传感器网络流量变化较大的事实，采用了固定大小的占空比，这在网络流量变化较大时，并不能达到很好的效果。
占空比设置的大小会影响到能量节省和数据延迟的大小，如何确定合适的占空比是这篇文章将要解决的问题之一。
（2）TMAC协议
TMAC协议是在SMAC的基础上提出了一种自适应调整激活期长度的算法。
其准则是：
只要有邻节点处于激活状态，本节点就不进入休眠期。
在该准则下它定义了几种延长激活期的事件，休眠状态下，节点在每个时隙的起始时刻激活，每发生一次延长激活期的事件，节点就将激活期延长一个TA时间。
反之如果在TA时问内没有发生任何一个延长激活期的事件，节点则转入休眠。
其调整激活期的目的是尽量提高激活期的利用率，在一个时隙中传输更多分组，并在没有数据收发时及时转入休眠。
然而它付出了侦听其他节点通信和时延的代价，也就是说一对节点通信时，它们的邻居都将延长激活期，但可能只有这些节点中的小部分节点需要参加数据转发。
而监听范围之外需要参加数据转发的节点无法获得延长激活期的信息，可能会提前转入休眠，也会出现由于数据转发中断带来的时延。
（3）PMAC协议
PMAC协议也是一种自适应调度协议，它引入了模式（pattern）的概念，节点可以根据自身和邻居节点的流量产生模式，并在此基础上改变自己的调度。
与SMAC相比，在负载较轻时，PMAC具有较好的节能性，而负载较大时，PMAC能获得较大的吞吐量。
2.2.2协议设计要求
合理而有效的网络协议是无线传感器网络能够有效、可靠地组网，并采集、传输目标信息的基础。
对于功耗越来越低的节点而言，主要的能量消耗集中在射频通信上，所以合理的网络通信协议也是降低功耗、延长网络使用寿命的关键。
应用于无线传感器网络的协议设计应满足以下基本要求[9]：
（1）低能耗
这是目前大部分传感器网络MAC协议设计所考虑的主要问题。
移动节点大多依靠电池提供工作所需要的能量，而且，由于应用环境的限制，电池能量通常难以进行补充，因此，在设计MAC协议时，应尽量节省工作节点的能量，减少整个系统的功耗。
（2）高度的自适应性
无线传感器网络中各个节点之间的地位是平等的，一般不存在网络的中心控制点。
传感器节点数量多，节点位置可能变化，某些节点可能毁坏或电池耗尽而不能工作，也可能有新节点加入网络。
因此，节点分布密度和网络拓扑结构在网络生存的过程中不断变化。
MAC协议也应适应网络的动态变化，具有很强的自适应性和强壮性。
（3）提高网络公平性
有效决定多个节点如何共享有限的信道资源，尽量保证节点公平占用信道是MAC协议的设计目标之一。
（4）提高网络带宽利用率和吞吐量
传感器网络的无线信道相对于有线来说，它能提供的网络带宽要低很多，无线信道的质量也差很多，移动节点获得的实际带宽也很小。
因此，MAC协议尽量提高网络的带宽利用率和吞吐量。
（5）提高网络实时性。
2.2.3协议方案选择
本系统网络结构为星形网络，不需要复杂的路由算法，各节点可以采用随机竞争或时分复用的方式共享信道，组网实现容易，网络管理和控制也简单。
我们选用的无线通讯芯片是SILICONLABS的Si4432，对于一般的自组织网络，我们可以选用其提供的软件模块EZMACPRO通讯协议。
该协议具有以下功能：
（1）EZMacPro支持种类多样的寻址模式、冲突检测、错误检测（CRC）和跳频等方式。
（2）EZMacPro被应用在可寻址节点多至255个的点-点或者主从通信网络中。
EZMacPro以状态机形式来实现，通过两个中断程序来运行。
（3）时钟中断（TimerIT）可以实现不同
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