无线传感节点设计.docx

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无线传感节点设计

武汉理工大学毕业设计（论文）

基于CC2430的无线传感节点设计

学院（系）：

信息学院

专业班级：

信息专业1003班

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

本学位论文属于1、保密囗，在年解密后适用本授权书

2、不保密囗。

（请在以上相应方框内打“√”）

作者签名：

年月日

导师签名：

年月日

摘要

本论文以ZigBee无线传感器网络节点为研究对象，针对终端节点的特点，对主要的关键技术进行研究。

首先，本文从无线传感器网络通用终端节点的设计需求入手，硬件上着重介绍了无线传感器通用终端节点的硬件设计方案。

其次，本文完成了无线传感器网络终端节点的软件设计方案，实现了软件部分的数据采集、能量检测、无线通信的运行和调试。

根据程序的流程图实现了无线通信模式。

以功能、成本等为系统设计原则，选择CC2430无线微控制器模块，设计了网络节点的硬件平台;分析了ZigBee协议的架构和各层规范，在此基础上基于ZigBee协议栈，设计了网络协调器和终端节点的应用程序，实现了环境数据的采集。

设计的网络系统具有成本低、体积小的特点，测试结果表明，网络支持网状拓扑结构，可以快速组网，顺利读取环境的温度、湿度等数据信息，可用于环境检测领域。

关键词：

无线传感器网络，ZigBee协议栈，节点

Abstract

ThispapertakestheZigBeeWirelessSensorNetworkNodeastheresearchsubject,focusingonthecharacteristicsoftheterminalnode.Thereaserchofthemaintechnologyisshowninthispaper.

Firstly，therequirementsofthedesignofthewirelesssensornetworkispresentinthispaper.Accordingtothedesignindex,itintroducesthedesignschemeofhardware.Secondly,wecompletedthesoftwaredesignofwirelesssensornetworkterminalnodestoachieveasoftwarepartofthedatacollection,energydetection,wirelesscommunications.Weaccordstheprogramflowcharttoachieveawirelesscommunicationmode.

FunctionandimplementationcostareservedasSystemdesignprinciplesforselectingCC2430moduleasthemainparttodesignnodehardwareinthenetwork.ThearchitectureandcriteriaofZigBeeprotocolareanalyzed,atthebaseofwhichsoftwareincludescoordinatorandenddeviceprogramsaredesignedbasedonZigBeeprotocoltocollectenvironmentaldata.

Therealizednetworkhastheadvantagessuchaslowimplementationcostandsmallscale.TestsresultsindicatethattheWirelessSensorNetworkiscompatiblewithmeshtopology.Parameterssuchastemperature,humidityarecollectedafterthenetworkworks.Thenetworkcanbeappliedinfieldssuchasenvironmentcontrolandmonitoring.

Keywords：

WirelessSensorNetwork,ZigBeeprotocol,Node

第1章绪论

无线传感器网络是由大量微型传感器节点通过无线自组织方式构成的网络。

无线传感器网络通常应用于军事、监控、应急、环境监测等领域，其终端的希望和要求集中在低能耗、低成本避免交互应答等方面。

基于无限传感器网络的终端要求，Zigbee协议应用而生。

1.1选题背景及研究意义

随着传感技术、计算机技术、无线通信技术的飞速发展，具备数据采集、计算存储和无线通信的传感器被广泛应用在军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域中，无线传感器网络技术得到了广泛研究。

无线传感器网络就是由大量的静止或移动的微型传感器节点组成的以无线通信方式进行信息检测的自组织网络系统，节点和节点之间通过形式多样的传感器感知所在周边环境的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度、方向等众多我们感兴趣的物理现象，并通过无线通信传送信息，并最终把这些信息发送给网络所有者的，以达到能随时收集和处理信息的目的，因此传感器节点的设计成为了无线传感器网络研究的重点之一。

目前无线传感器网络节点设计需要考虑的问题很多，比如硬件设计、软件设计、低功耗设计、无线通信模块设计、节点的信号完整性分析等。

节点的设计对整个无线传感器网络系统至关重要。

节点的硬件成本和能耗要低，并且需要有足够的数据处理及存储能力，为了应用于不同场合，它还要有较强的适应性和自我组织能力。

采用功能强大的射频芯片CC2430作为核心管理芯片，能较好地完成数据采集、分析、传输等多个功能。

与此同时，节点对无线传感器网络中的网络协议的期望是用简洁的协议栈支持无线传感器网络的有效运行，接入灵活方便；利用广播信息，避免交互应答；简化的协议层次、简练的信令方式；节省的系统开销等。

正是基于无线传感器网络协议的要求，Zigbee协议应运而生。

Zigbee协议是适用于无线传感器网络的通信协议，能最大限度的节省网络能耗以及成木，并且可随时接入大量的节点，具有强鲁棒性和高容错性的优点，逐渐成为了无线传感器网络的国际通用标准网络协议。

本文是基于CC2430和Zigbee协议基础的无线传感器终端节点设计。

1.2无线传感器网络国内外研究现状

无线传感器网络的研究起源于20世纪70年代，研究的重点主要放在国防项目上。

1978年，美国国防部高级研究项目局（DARPA:

TheU.S.DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）在卡耐基一梅隆大学成立了分布式传感器网络工作组，从此开始了对无线传感器网络的研究[1]。

自从二十一世纪开始，传感器网络就已经被工业界、军界和学术界极大的关注，美国和欧洲陆续开始了关于无线传感器网络的研究计划。

尤其是美国通过国防部、国家自然基金委员会等多种途径投入了大量资金鼓励传感器网络技术的研究[2]。

目前各国都非常重视无线传感网络的发展，IEEE正在努力推进无线传感网络的应用和发展，波士顿大学还于最近创办了传感器网络协会,期望能促进传感器联网技术开发。

美国《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络也加入其中。

民用方面，英特尔公司与加利福尼亚州大学伯克利分校正领导―微尘技术的研究工作。

在日本，日立制作所与Yrp泛在网络化研究所于2004年11月24日宣布开发出全球体积最小的无线传感网络终端[3]。

在旧金山，200个联网已被部署在金门大桥上，这些微尘用于确定大桥从一边到另一边的摆动距离。

国内在无线传感器网络领域的研究也已经在很多研究所和高校展开。

中科院上海微系统所在微系统和微型机电系统（MicroElectro-MechanicalSystem，简称MEMS）的技术方而有雄厚的基础，自从1998年就对无线传感器网络进行了跟踪和研究，已经通过系统集成的方式完成了一些终端节点和汇聚节点的研发。

从2002年开始，中国也己经开始部署跟无线传感器网络相关的一些课题，其中在“中国未来20年技术预见研究”中提出一些技术课题中有7项直接涉及到针对无线传感器网络的研究。

在2006年，中国发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》中，其中有两个研究课题直接是关于无线传感器网络的研究[4]。

在2008年，中国工业与信息化部也启动了“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项项目，其中专门针对传感器网络技术而设立的有6项之多，该专项的设立在应用领域中肯定会大大推进传感器网络技术发展[5]。

目前在中国，ZigBee网络的应用范围非常广泛，很多我们想象不到的地方也在使用ZigBee技术。

例如，在工业领域，ZigBee技术不仅用来控制照明灯的开关，它还有一个用途是检查高速路上照明灯的工作情况。

。

再如，ZigBee技术用于进出的控制，可以记录汽车的进出，也可以在人员进出时用于传输相关指纹来识别数据，进行身份认证。

此外，通过ZigBee网络的路由器功能，它还可以用来实时监控煤矿内各点的安全状况，防止事故的发生。

在加油站，一些客户不希望布线，他们正在考虑采用ZigBee无线技术来传输相关数据。

所以Zigbee无线通信技术的应用前景十分开阔。

从整体上来讲，国内和国外的差距不是太大，传感器网络的研究基木上都还处于起步阶段，然而对于这门新兴技术，我国应该及时开展此类的科学研究，这对于国家社会和经济的发展都具有重大的意义。

1.3研究的基本内容和方向

本文主要介绍了无线传感器网络的背景和研究现状与应用，研究并完成了无线传感器网络通用终端节点的软硬件设计，并将其应用在无人值守的数据采集系统中，进行了相关环境信息采集和监测。

基本内容包括：

1.Zigbee无线传感器网络技术的研究和分析；

2.掌握单片机硬件及软件设计技能，具备初级的嵌入式系统开发思想；

3.在传感节点开发硬件平台上，完成自组网的拓扑设计；

4.完成节点的电路测试和部分系统软件开发设计。

技术方案：

1：

采用CC2430为环境监测传感节点硬件开发平台

用于环境监测的传感器节点需要满足体积小、精度高、生命周期长的要求；选择可替换、精度高的传感器对于环境监测来说至关重要；传感器选择中的另一个重要因素是传感器的启动时间；环境监测应用的最终目标是对监测环境的数据采样和数据收集。

CC2430芯片的主要特点如下：

（1）内含高性能和低功耗的8051微控制器核；

（2）集成有符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机；（3）具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰能力，符合环境监测无线传感器网络系统的终端要求。

2：

运用IAREW软件进行实现节点软件设计

本次无线传感网络节点设计的软件开发主要在IAREW平台上进行，瑞典IARSystem公司推出的IAREW软件是一种非常有效的嵌入式系统开发工具，它使用户能够充分有效地开发并管理嵌入式应用项目，其界面类似于MSVisualC++,可以在Windows平台上运行，功能十分完善。

EW包括：

嵌入式C/C++优化编译器，汇编器，连接定位器，库管理员，编辑器，项目管理器和C-SPY调试器中。

使用IAR的编译器最优化最紧凑的代码，可以节省硬件资源，最大限度地降低产品成本，提高产品竞争力。

1.4本章小结

本章主要无线传感器网络的背景和研究的意义，分析了无线传感器节点的研究技术；另外对于无线传感器网络在国内外的现状进行了描述和分析；最后确定了本设计的研究方向和基本内容。

第2章ZigBee技术

2.1ZigBee无线技术

ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其物理层和数据链路层协议为IEEE 802.15.4协议标准，网络层和安全层由ZigBee联盟制定，应用层的开发应用根据用户的应用需要，对其进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式。

  根据IEEE 802.15.4协议标准，ZigBee的工作频段分为3个频段，这3个工作频段相距较大，而且在各频段上的信道数据不同，因而，在该项技术标准中，各频段上的调制方式和传输速率不同。

它们分别为 868MHz，915MHz和2.4GHz，其中2.4GHz频段上分为16个信道，该频段为全球通用的工业、科学、医学（indus- trial，scientific and medical，ISM）频段，该频段为免付费、免申请的无线电频段，在该频段上，数据传输速率为 250Kb／s；另外两个频段为915／868MHz，其相应的信道个数分别为10个和1个，传输速率分别为40Kb／s和20Kb／s，868MHz和 915MHz无线电使用直接序列扩频技术和二进制相移键控（BPSK）调制技术。

2.4GHz无线电使用DSSS和偏移正交相移键控（O－QPSK）。

  在组网性能上，ZigBee可以构造为星形网络或者点对点对等网络，在每一个ZigBee组成的无线网络中，连接地址码分为16b短地址或者64b长地址，可容纳的最大设备个数分别为216和264个，具有较大的网络容量。

  在无线通信技术上，采用CSMA－CA方式，有效地避免了无线电载波之间的冲突，此外，为保证传输数据的可靠性，建立了完整的应答通信协议。

 ZigBee设备为低功耗设备，其发射输出为 0～3.6dBm，通信距离为30～70m，具有能量检测和链路质量指示能力，根据这些检测结果，设备可以自动调整设备的发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量。

为保证ZigBee设备之间通信数据的安全保密性，ZigBee技术采用了密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理。

ZigBee技术的目标就是针对工业，家庭自动化，遥测遥控，汽车自动化、农业自动化和医疗护理等,例如灯光自动化控制，传感器的无线数据采集和监控，油田，电力，矿山和物流管理等应用领域。

另外它还可以对局部区域内移动目标例如城市中的车辆进行定位.

5．通常，符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用ZigBee技术做无线传输：

（1）需要数据采集或监控的网点多；

（2）要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；（3）要求数据传输可性高，安全性高；（4）设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；（5）地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；（6）使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统。

（7）使用GPS效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用；　（8）电池供电；（9）地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖。

2.2ZigBee技术特点

ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915MHz（美国流行）3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加[6]。

作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点：

（1）低功耗:

由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee设备非常省电。

据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。

（2）成本低：

ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5—2.5美元,并且ZigBee协议是免专利费的。

低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

　　（3）时延短:

通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms,活动设备信道接入的时延为15ms。

因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。

　　（4）网络容量大：

一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络,而且网络组成灵活。

　　（5）可靠:

采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。

MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

如果传输过程中出现问题可以进行重发。

（6）安全：

ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。

2.3ZigBee网络拓扑结构

IEEE802.15.4和ZigBee协议中明确定义了三种拓扑结构:

星型结构（Star）、网状结构（Mesh）和簇树结构（ClusterTrec），如图2-1所示。

图2-1ZigBee网络拓扑结构

在星型网络结构中ZigBee终端设备直接与ZigBee协调器通信，终端设备间的通信则需通过协调器转发。

这是最简单的拓扑结构。

ZigBee协调器负责整个网络的控制，无其它路由节点，网络通信范围十分有限，单独使用这种拓扑结构的情况很少。

在网状网络和簇树型网络中，ZigBee协调器负责网络的建立和初始参数设定，网络都可以通过ZigBee路由器进行扩展。

但是，在簇树型网络中，路由器采用分级路由策略传送数据和控制信息，并且通常是基于信标（Beacon）的通信模式。

而在网状结构中则是完全对等的点对点通信，路由器不会定期发送信标，仅在网内设备要求时对其单播信标。

对于簇树型网络，其通信路由相对单一，骨干网络中一旦有路由节点瘫痪，则相应区域就进入通信瘫痪状态，要等待该部分网络重组后，才能恢复通信。

但是，簇树型网定期发送信标，使网内节点能做到很好的同步，便于节点定期进入体眠状态，降低功耗，延长网络寿命。

在网状网中情况则恰好相反，完全的点对点通信使路由有多种选择，提高了网络的容错性，但是不定期发送信标使网络中节点很难达到同步，必须采取别的手段来实现，如广播。

因此，网状结构与簇树结构的层次融合，必定是ZigBee网络拓扑结构的一个发展方向。

2.4ZigBee协议栈结构

ZigBee技术的协议栈结构很简单，不像诸如蓝牙和其他网络结构，这些网络结构通常分为7层，而ZigBee技术仅分为4层（如图2-2所示）。

图2-2ZigBee协议栈结构

在ZigBee技术中，PHY层和 MAC层采用IEEE 802.15.4协议标准，其中，PHY层提供了两种类型的服务：

即通过物理层管理实体接口对PHY层数据和PHY层管理提供服务。

PHY层数据服务可以通过无线物理信道发送和接收物理层协议数据单元来实现。

  PHY层的特征是启动和关闭无线收发器，能量监测，链路质量，信道选择，清除信道评估，以及通过物理介质对数据包进行发送和接收。

同样，MAC层也提供了两种类型的服务：

通过MAC层管理实体服务接人点向MAC层数据和MAC层管理提供服务。

MAC层数据服务可以通过PHY层数据服务发送和接收MAC层协议数据单元。

MAC层的具体特征是：

信标管理，信道接入，时隙管理，发送确认帧，发送连接及断开连接请求。

除此以外，MAC层为应用合适的安全机制提供一些方法。

ZigBee技术的网络／安全层主要用于ZigBee的WPAN的组网连接、数据管理以及网络安全等；应用层主要为ZigBee技术的实际应用提供一些应用框架模型等，以便对ZigBee技术进行开发应用。

2.5ZigBee技术与其他技术的比较

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。

主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置信息。

与蓝牙相比，ZigBee无线通信更简单、速率更慢、功率及费用也更低。

它的基本速率是250kb/s，当降低到28kb/s时，传输范围可扩大到134m，并获得更高的可靠性。

另外，它可与254个节点联网。

可以比蓝牙更好地支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。

人们期望能在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域拓展ZigBee的应用。

与IrDA相比，ZigBee有大的网络容量，每个ZigBee网络最多可支持255个设备，也就是说每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接。

有效范围小。

有效覆盖范围10～75m之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。

原文位置工作频段灵活。

使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为免执照频段。

根据ZigBee联盟目前的设想，ZigBee的目标市场主要有PC外设（鼠标、键盘、游戏操控杆）、消费类电子设备（TV、VCR、CD、VCD、DVD等设备上的遥控装置）、家庭内智能控制（照明、煤气计量控制及报警等）、玩具（电子宠物）、医护（监视器和传感器）、工控（监视器、传感器和自动控制设备）等非常广阔的领域[7]。

与Wi-Fi相比，ZigBee低功耗和低成本有非常大的优势，在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月以上。

这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。

因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。

目前，ZigBee技术作为无线传感器网络的主要技术，弥补了低成木、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，也越来越受人们的广泛关注。

木文主要是针对ZigBee无线传感器网络节点的软件部分设计，即围绕ZigBee技术展开的。

2.6本章小结

本章首先介绍了ZigBee无线通信技术的基本内容和特点，然后又从ZigBee协议栈的网络拓扑结构和协议栈结构进行了阐述，最后将ZigBee技术与其他通信技术进行了比较，说明ZigBee技术的优点。

第3章ZigBee无线传感节点硬件的设计与实现

3.1系统总体设计方案

本章在前两章的基础上设计了基于ZigBee无线传感器网络系统的硬件平台，重点是网络节点的硬件结构设计和电路设计。

3.1.1系统设计原则

在节点设计时，主要考虑以下几个方面：

1、要求在能够满足系统需求的条件下，将节点的硬件成本降低到足够低。

2、无线节点要具有足够