无线传感器网络课程设计

无线传感器网络课程设计

------远程数据采集系统设计

学生姓名：

指导教师：峰斌

专业：电子信息工程

班级：D0745

学号：

设计时间：2011年1月3日至

2011年1月20日

实验地点：新实验楼524

随着无线网络技术的飞速发展和同益普及，低速、低功耗、低成本的ZigBee 无线网络技术，己成为当前传感器网络及自动化控制领域中的一个重要研究课题。本论文对ZigBee技术进行广泛深入的分析和研究，使用ZigBee协议设计应用程序并结合硬件进行实验，主要研究工作如下：

(1)介绍了ZigBee相关概念、应用前景和研究现状、体系结构、优缺点以及网络拓扑、设备类型、ZigBee网络的基本框架、功能、特点等内容。

(2)对ZigBee网络层、应用层及ZigBee应用程序框架结构、功能进行了研究。分析了ZigBee协议栈的总体功能结构，着重讨论网络建立、路由机制、数据帧结构和数据传输模式、数据处理模式以及编程接口，展示了整个系统的应用程序编写过程。

(3)分析了ZigBee设备组成结构及硬件设计思路。在具体介绍JN5121处理器模块、电源模块、时钟模块、存储器模块以及各个接口模块的基础上给出了硬件设计的整体方案及硬件原理图。

(4)讨论了ZigBee网络与因特网的互联及数据交换方式。研究了https://www.360docs.net/doc/5a1564744.html,嵌入式操作的定制及嵌入式数据库的应用。

(5)组建基于ZigBee技术的无线数据采集系统，以JN5121单片机和数字式温湿度传感器SHT10设计出了传感器网络节点，S3C2440控制器作为ZigBee网关。传感器节点通过无线通信方式将数据发送到ZigBee网关。ZigBee网关通过以太网网络将数据传输给监测中心主机，并对实验结果进行分析。

该系统具有良好的人机交互界面和远程访问功能，良好的可移植性和扩展性，可以根据具体要求方便地在数据采集模块上进行传感器的扩充以实现更多功能。

关键词：ZigBee技术，IEEE802.15.4，无线网络，https://www.360docs.net/doc/5a1564744.html,

第一章绪论 (1)

1.1课题的背景 (1)

1.2国内外研究现状 (1)

1.3课程设计意义和目标 (2)

第二章无线传感器网络简介 (3)

2.1传感器网络体系结构 (3)

2.2无线传感器网络的特征 (6)

第三章远程数据采集系统硬件设计 (9)

3.1系统结构和工作原理 (9)

3.2硬件平台 (10)

3.3供电电路设计 (11)

第四章远程数据采集系统软件设计 (13)

4.1软件总体框架 (13)

4.2ZigBee协调器节点程序 (14)

4.3ZigBee路由器节点程序 (17)

第五章总结与展望 (20)

参考文献 (21)

第一章绪论

1.1课题的背景

当今世界通信技术迅猛发展，无线通信技术已逐步深入到社会生活的各个领域，其中无线传感器网络技术是很有前途的新兴技术之一。随着无线传感器网络支撑技术ZigBee通信协议的发布及完善，基于ZigBee无线传感器网络的研发成为近年来国内外竞相发展的一个领域。这项技术的发展有力地推动了低速率无线个人区域网LR-WPAN的发展，也将根本改变工业控制、测控、环境监测、汽车、医学等短路无线网络应用现状，具有广泛的应用价值。本论文工作正式结合ZigBee无线传感器网络节点，并实现ZigBee无线传感器星型网的基本应用，为进一步研究创建良好的基础。

1.2国内外研究现状

无线传感器网络的研究起步于90年代末期，从2000年起，传感器节点以及由其构成的无线传感器网络引起军世界、学术界、工业界的极大关注和普遍重视。

自20世纪90年代起，美国的很多大学和科研机构就开始了无线传感器网络的研究。加州大学伯克利分校研制的用于无线传感器网络研究的演示平台现已成为研究无线传感器网络最主要的试验平台之一、罗克韦尔技术研究中心与加州大学洛杉矶分校合作开发的无线传感器网络原型与系统已在美国一些政府机构和工程项目上进行了相关实验、哈佛大学开展了传感器网络中痛讯理论基础等研究、麻省理工学院致力于极低功耗无线传感器网络技术的研究等。无线传感器网络的研究首先在军方应用和推广，美国陆军近年来连续启动了一系列研究计划，探索无线传感器网络在未来战争中的应用。DAPAR资助的SensIT项目，通过部署在战场的多种传感器组成的自组织特性的传感器网络，使指挥员和士兵可及时了解战场形势、迅速全面地获得战场实况信息，大大提高了参战人员对战场态势的感知能力。2002年5月，美国Sandia国家实验室与美国能源部合作，共同研究能够预警以地铁、车站等公共场所目标的生化武器，并及时采取防范对策的系统，系统集有毒气体检测传感器和网络于一体，该系统的研制有效增强了公共场所抵御生化武器袭击的能力。

在国内，无线传感器网络领域的研究也在很多科研机构展开。中科院上海微系统与信息技术研究所从1998年开始就对无线传感网络进行了跟踪和研究，并完成了一些终端节点和基础的研发，中科院电子所和沈阳所也分别从传感器技术和控制技术角度入手开展研究，2004年国家自然科学基金资助浙江大学和中科

院合作开展了无线传感器网络通信协议、定位、部署和覆盖等方面的研究，中科院宁波所计算技术研究所也较早开展了无线传感器网络的研究，并于05年12月开发出了基于IEEE802.15.4协议的GAINS节点和SNAMP平台。

1.3课程设计意义和目标

随着2004年底ZigBee协议的正式颁布，关于ZigBee无线传感器网络的研究和应用在世界各地蓬勃展开，ZigBee的特点使得它在无线传感器网络领域具有非常重要的地位。目前，ZigBee技术的研究处于初期阶段。研究从节点的硬件设计、节点功能软件设计、协议研究及协议移植、计算机管理软件开发、ZigBee 星型网应用层开发等多方面同时展开。

课题的主要任务是建立ZigBee开发初级平台，为后续的无线定位、路由开发等ZigBee技术的深入研究和ZigBee产品开发奠定基础。具体就是在研究ZigBee技术及其协议栈的基础上，首先是设计与实现硬件平台，其次课题组进行ZigBee组网研究和移植Microchip公司基于PIC单片机的ZigBee协议栈MpZBee1.0-3.6到AVR单片机上，实现ZigBee协议的软件化，并进行ZigBee星型网的应用层开发和无线传感器网络管理软件ZS_WSN的设计与开发，最后使用研制的节点、开发的无线传感器网络管理软件完成ZigBee星型网的基本应用。

第二章无线传感器网络简介

2.1传感器网络体系结构

2.1.1传感器网络结构

传感器网络结构如图2-1所示，传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。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它传感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。用户通过管理节点岁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。

图2-1传感器网络节构

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。从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其它节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。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，实现两种协议栈之间的通信协议转化，同时发布管理节点的检测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以

是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。

2.1.2传感器节点结构

传感器节点有传感器模块、处理模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图2-2所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线痛信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块位传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。

图2-2传感器节点体系结构

2.1.3传感器网络协议栈

随着传感器网络的深入研究，研究人员提出了多个传感器节点上的协议栈。图2-3（a）所示是早期提出的一个协议栈，这个协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。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。各层协议和平台的功能如下：

?物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；

?数据链路层负责数据成帧、帧监测、媒体访问和差错控制；

?网络层主要负责路由生成与路由选择；

?传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；

?应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；

?能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量；

?移动管理平台监测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；

?任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。

图2-3传感器网络协议栈

图2-3(b)所示的协议栈细化并改进了原始模型。定位和时间同步子层在协议栈中的位置比较特殊。它们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持，如基于时分复用的MAC协议，基于地理位置的路由协议的等很多传感器网络协议都需要定位和同步信息。所以在图2-3（a）所示的各层协议中，用以优化和管理协议流程：另一部分独立在协议外层，通过各种收集和配置接口对相应机制进行配置和监控。如能量管理，在图2-3（a）中的每个协议层次中都要增加能量控制代码，并提供给配置系统进行能量分配决策；QoS管理在各协议层设计队列管理、优先级机制或者带宽预留等机制，并对特定应用的数据给予特别处理；拓扑控制利用物理层、链路层或路由层完成拓扑生成，反过来又为它们提供基础信息支持，优化MAC协议和路由协议的协议过程，提高协议效率，减少网络能量消耗；网络管理则要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协议组件的运行。

2.2无线传感器网络的特征

2.2.1与现有无线网络的区别

无线自组网是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信道流。通常节点具有持续的能量供给。

传感器网络虽然与无线自组网有相似之处，但同时也存在很大差别。传感器网络是集成了检测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大，节点分布更为密集；由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化；通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的。另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源；而传感器网络的首要设计目标是能源高效使用，这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。

2.2.2传感器节点的限制

传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在以下一些现实约束。

1.电源能量有限

传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的首要挑战。

传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。图2-4所示是Deborah Estrin在Mobim2002会议上的特邀报告中所述传感器节点各部分能量消耗的情况，从图中可知传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块。传感器节点传输信息要比执行计算时更消耗电能，传输1比特信息100m距离需要的能量大约相当于执行3000条计算指令消耗的能量。

图2-4传感器节点能量消耗情况

2.通信能力有限

无线通信的能量消耗与通信距离的关系为：

E=kd n

其中，参数n满足关系2

考虑到传感器节点的能量限制和网络覆盖区域大，传感器网络采用多跳路由的传输机制，传感器节点的无线通信带宽有限，通常仅有几百kbps的速率。由于节点能量的变化，受高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电的等自然环境的影响，无线通信性能可能经常变化，频繁出现通信中断。在这样的通信环境和节点有限通信能力的情况下，如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信需求是传感器网络面临的挑战之一。

3计算和存储能力有限

传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格功耗小，这些限制必然导致其携带的处理能力比较弱，存储器容量比较小。为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为

传感器网络设计的挑战。

2.2.3传感器网络的特点

1.大规模网络

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。传感器网络的大规模性通常包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。

2.自组织网络

在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播散大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。

3.动态性网络

传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：a环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；b环境条件变化可能造成无线链路带宽变化，甚至时断时通；c传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；d新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。

4.可靠网络

传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不已到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中。

5.应用相关的网络

不同应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别。所以传感器网络不能像Internet一样，有统一的通信协议平台。对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题，但在开发传感器网络应用中，更关心传感器网络的差异。

第三章远程数据采集系统硬件设计

3.1系统结构和工作原理

图3-1系统总体结构图

ZigBee远程数据采集系统的结构如图3-1所示，系统包括协调器、路由节点、嵌入式服务器和用户终端四大模块。路由节点包括ZigBee无线通信模块和各种传感器，负责控制整个节点的采集处理操作、路由协议、功耗管理以及任务管理，使用ZigBee协议栈与其他节点进行无线通信，交换控制消息和转发数据；协调器接收路由节点采集到的信息、并与嵌入式服务器进行通信；嵌入式服务器使用ARM9控制器S3C2440，运行https://www.360docs.net/doc/5a1564744.html,操作系统、嵌入式服务器与因特网连接；网络客户端可以使用TCP连接方式与服务器进行数据交换，各部分功能如下：

1．协调器功能

(1)建立和维护网络；

(2)对网络节点实施监控，接收网络节点发来的数据；

(3)把采集到的数据发送给嵌入式服务器；

(4)接收来自远程客户端的数据请求。

2．路由模块功能

(1)周期性发送信标，用以显示该节点否则处于工作状态；

(2)低电压报警，如节点电压低于设定闽值则发出报警信号；

(3)利用自带的传感器进行数据采集；

(4)提供路由功能。

3．嵌入式服务器功能

(1)从串1:3接收协调器传入的数据，获取ZigBee网络采集到的数据；

(2)对串行数据进行解包分析；

(3)创建和操作嵌入式数据库：

(4)建立TCP服务器，侦听、接受客户端的连接请求，进行TCP数据交换。

4．网络客户端功能

(1)建立TCP客户端，与嵌入式服务器进行连接；

(2)访问嵌入式服务器，获取远程数据信息。

3.2硬件平台

硬件平台有两部分组成，ZigBee网络平台部分采用JN5121控制器，嵌入式平台部分采用ARM9控制器S3C2440。

3.2.1JN5121控制器结构及特性

图3-2JN5121控制器结构图

JN51121是一款兼容于IEEE802.15.4的低功耗、低成本无线微型控制器，控制器结构如图3-2所示。该芯片内置一款32位的RISC处理器，配有2.4GHz频

段的IEEE802.15.4标准的无线收发器，64kB的ROM和96kB的RAM，高度集成化的设计为无线传感器网络应用提供了多种多样的低成本解决方案。JN5121具有许多优良特性：内置的ROM存储器中集成了点对点通信与网状网通信的完整协议找；其内置的RAM存储器，可以支持网络路由和控制器功能而不需要外部扩展任何的存储空间；内置的硬件MAC地址和高度安全的AES加密算法加速器，减小了系统的功耗和处理器的负载；支持晶振休眠和系统节能功能，同时提供了对于大量的模拟和数字外设的互操作支持，可以方便地连接到用户的外部应用系统。

3.2.2JN5121硬件节点电路

以JN5121控制器为核心的ZigBee协调器和路由器硬件节点由JN5121模块、时钟电路模块、存储电路模块、模拟处理电路、通讯接口电路模块与电源处理模块共同组成，其结构如图3-3所示。

图3-3ZigBee节点结构图

3.3供电电路设计

无线传感器网络节点通常由电池供电，由于供电电池能量有限，因此对供电电路有较高的要求。为了保证硬件电路功耗低，节点均选择低功耗芯片，工作电压采用3.3V，电源使用4.2V可充电锂离子电池供电，并设计锂电池保护电路确保节点电池正常供电。

3.3.1电源管理模块

稳压电源分开关稳压电源和线性稳压电源两种类型。开关稳压电源通过控制内部晶体管工作在饱和、截止状态从而调节输出电压有效值，转换效率较高，但是外围控制电路复杂，且开关电源输出地直流上会叠加较大的波纹、产生较大的尖峰脉冲干扰，将会影响模拟电路稳定性。而线性稳压电源通过不断调整串联在输入和输出电压之间的功率晶体管来控制输出电压，虽然转换效率比较低，具有一定的压差，但其线性调整率较好、外围电路简单、体积小、成本低。因此电源管理模块采用AD公司的低压差线性稳压电源芯片ADP3338-3.3，ADP3338-3.3外围电路如图3-4所示。

图3-4ADP3338-3.3外围电路示意图

第四章远程数据采集系统软件设计

4.1软件总体框架

软件总体结构如图4-1所示，由ZIgBee网络节点程序、ZigBee网络协调器程序、远程网络客户端程序和嵌入式服务器程序四大模块组成。

ZigBee网络节点监测现场实时状态，把实时数据发送到协调器；ZigBee协调器建立和维护ZigBee网络的运行从监控节点单元接收实时状态数据，通过串口发送到嵌入式服务器；客户端程序用于远程查询信息；嵌入式服务器是系统逻辑处理核心，运行于WindowsCE5.0平台的服务器处理程序一方面从串口接收ZigBee协调器发送过来的ZigBee网络节点的信息，对接收到的数据进行逻辑处理和分析，把接收到的各节点的信息存储到SQLCE嵌入式数据库，另一方面作为TCP服务器启动侦听来自因特网网络上客户端的连接，并与客户端建立套接关系，使用TCP传输方式接收来自客户端的查询要求，从嵌入式数据库里面提取查询结果发送到客户端。

图4-1系统软件总体框架

4.2ZigBee协调器节点程序

4.2.1ZigBee协调器应用程序总体框架

图4-2ZigBee协调器应用程序总体框架

协调器应用程序总体框架如图4-2所示，每个ZigBee网络必须有且只有一个协调器节点。协调器节点建立并维护网络的运行，能够自动发现其他节点要加入网络的请求，具有自动组织的功能。协调器是ZIgBee网络和嵌入式服务器之间的桥梁，吧网络节点采集的数据通过串口传给嵌入式服务器进行处理。

4.2.2ZigBee协调器应用程序功能及代码

(1)建立网络

协调器节点应用程序要调用JZS_u32InitSystem函数完成系统的初始化；调用AppColdStart函数从bootloader进入到应用程序的入口点；利用

JZA_vAppDefineTasks函数加入自己自定义的任务；利用JZA_boAppStart函数在协议栈启动之前注册自己的Endpoint，为Endpoint分配描述符；调用

JZS_vStartStack函数启动ZigBee协议栈；调用bBosRun函数启动BOS来调度任务；如有外部事件触发，用JZA_bAfMsgObject函数从别的节点接收MSG帧，网络建立的流程如图4-3所示。

图4-3ZigBee协调器建立网络流程

(2)网络数据接收及数据包解析

ZigBee协议为不同厂商的设备之间能够互相兼容和连通，定义了设备用于自我描述的一种标准机制，便于ZigBee兼容设备之间进行互相的识别和访问。简单描述符用于对网络节点上的EndPoint进行描述，通常一个网络节点设备有多个EndPoint，每个EndPoint都需要定义袭击的简单描述符，它描述了EndPoint 所定义的Profile ID，设备标识和版本，以及发送和接收其它节点发送的数据。数据接收的方式有KVP和MSG两种格式，接收数据的流程如图4-4所示。

图4-4ZigBee节点接收数据流程

接收数据之前必须正确定义简单描述符，用于定义简单描述符的函数如下：uint8afmeAddSimpleDesc(

uint8u8EndPoint,//EndPoint序号

uint16u16ProfileID,//所使用的Profile ID

uint16u16DeviceID,//设备版本；

uint8u8DeviceVersion,//标志参数；

uint8u8Flags,//输入cluster数量；

uint8*pau8nClusteCount,//输入cluster数组

uint8u8OutClusterCount,//输出cluster数量

uint8*pau8OutClusterList)//输出cluster数组。

应用程序利用回调机制接收协议栈的各种事件通知并执行相应操作程，采用MSG格式接收数据的JZA_pu8AfMsgObject回调函数如下：

PUBLIC uint8JZA_u8AfMsgObject(AF_ADDRTYPE sAfSrcAddr,uint8

u8ClusterID,

uint8u8ClusterID,

uint8u8DstEndPoint,

uint8u8LQI,

uint8*pau8AfduInd,

uint8*pu8ClusterIDRsp,

uint8*pau8AfduRsp)

协调器应用程序调用这个函数接收节点发送来的采集数据，通过解析

pau8AfduInd数据结构体各数据成员携带的数据内容获取传感器采集到数据，然后通过串口将数据提供给ARM板上的应用程序进行处理。

4.3ZigBee路由器节点程序

ZigBee网络可以有众多路由器节点，应用程序要调用JZS_u32InitSystem函数完成系统的初始化；调用AppColdStart函数进入到应用程序的入口点；利用JZA_vAppDefineTasks函数加入自己自定义的任务；利用JZA_boAppStart函数在协议栈启动之前注册自己的Endpoint，为Endpoint分配描述符；调用JZS_vStartStack函数启动ZigBee协议栈；调用bBosRun函数启动BOS来调度任务，如有外部事件触发，用JZA_vAppEventHandler函数来处理外部事件；若是传送MSG数据帧，用JZA_bAfMsgObject函数从别的节点接收MSG帧；在加入网络之后路由器除了组网功能外，还要执行数据采集的任务。

4.3.1ZigBee路由器节点应用程序总体框架

ZigBee路由器节点应用程序总体框架如图4-5所示。