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判断帧的目的地址是否为自己的逻辑地址.如果相符,网络层同样将帧传向高层去处理.如果不相符,那么处理过程就同接收高层传下来帧的情况相同.ZigBee应用领域
ZigBee应用领域主要有工业控制,智能交通,汽车应用,精确农业,家庭及楼宇自动化,医学,军事应用等.
在工业领域,利用传感器和ZigBee网络,使得数据的自动采集,分析和处理变得更加容易,可以作为决策辅助系统的重要组成部分.例如危险化学成分的检测,火警的早期检测和预报,高速旋转机器的检测和维护..
在汽车上,由于很多传感器只能在飞转的车轮里或发动机中,比如轮胎压力检测系统,这就要求内置的无线通信设备使用的电池有较长的寿命(大于或等于轮胎本身的寿命),同时应该克服嘈杂的环境和金属结构对电磁波的屏蔽效应.
在精确农业上,传统农业主要使用孤立的,没有通信能力的机械设备,主要依靠人力监测作物的生长情况.采用了基于ZigBee技术的传感器网络后,农业可以逐步地转向以信息和软件为中心的生产模式,使得更多的自动化,网络化,智能化和远程控制的设备来工作.传感器可以收集包括土壤湿度,氮浓度,PH值,降水量,温度,空气湿度和气压等信息,帮助农民及早而准确地发现温度,从而有助于保持并提高作物的产量.
在家庭和楼宇自动化领域,家庭自动化系统作为电子技术的集成被得到迅速地扩张.易于进入,简单明了和低廉的成本成了应用无线技术的主要动因.未来的家庭将会有数十个支持ZigBee的芯片被安装在电灯开发,烟火监测器,抄表系统,无线报警,安保系统,厨房器械中,为实现远程控制服务.
在医学领域,将借助于ZigBee网络,准确而实时地监测病人的血压,体温和心跳等信息,从而减轻医生的工作负担,有助于医生对患者的监护和治疗.
本章小节
本章对ZigBee协议进行了研究,研究的内容主要包括协议标准,协议API以及协议中一些具体的细节,如数据传输的机制,短地址分配的机制和路由的算法等,最后还对ZigBee的应用前景和应用领域进行了分析.
无线测温系统硬件的设计与实现
总体网络架构
本网络有若干个ZigBee终端节点和一个ZigBee中心节点(协调器)搭建一个星型的无线传感器网络,有终端节点上的温度传感器采集环境温度信息并由终端节点通过无线芯片发送到中心节点,中心节点将接受到的信息及时反馈到计算机上.整体网络结构如图3.1所示,下面分别就节点的硬件组成和软件的设计与实现作详细的介绍.
节点硬件组成
虽然传统计算机现在己经应用的很广泛,且其价格在不断下降,运算速度在不断提高.但无线传感器网络的节点与传统的计算机有这着显着的差别,下面是主要的几点.
1.功耗:传统计算机如没有固定的电源供电,只能工作几个小时的时间.而在无线传感器网络中,节点通常要在仅以小型电池供电的情况下,工作数月或更长.所以在无线常感器节点的设计中,节能是至关重要的.
2.体积:传统计算机受到键盘,屏幕等配件大小的限制,其整体体积不可能大比例缩小.而无线传感器网络中的节点通常要求设计的十分小巧,这要就能被放置在任何物理环境下,能适应不同的环境要求.
3.价格:传统计算机的价格一般在数千元,而传感器网络的节点价格在其的十分之一,甚至更低.这就满足了许多需要大量数量节点的场合,而这些是计算机不可能完成[19].
无线传感器网络节点是一个微型化的嵌入式系统,构成了无线传感器网络的基础支持平台[20].目前,国内外已经出现了许多种网络节点的设计,它们在实现原理上是相似的,只是分别采用了不同的微处理器或者不同的通信或协议方式,例如采用自定义协议,IEEE802.11协议,Zigbee协议,蓝牙协议以及UWB通信方式等.典型的节点有Sensoria,WINS,SmatNeshDustmote,InteliMote以及IntelXsalenodesICTCAS/HKUST的BUDS[21][22]等.下面着重介绍本文设计的一种基于Zigbee协议的无线传感器网络节点.
无线传感器节点的硬件组成如图2所示,微处理器采用Microchip公司的单片机PIC16F877A[23],拥有64Kbytes的FLASH容量,13个10位精度的A/D转换通道,五个双向的I/0端口.该芯片还采用了许多新的节电功能包括:交替工作模式,多重空闲模式,on-the-fly模式交换和核心模块的低功耗等.在交替工作模式下,Timerl的控制器或内部晶振将会被关闭,在程序运行期间电源可以减少百分之九十的消耗.
无线通信模块是节点的重要组成部分,选用Microchip公司的MRF24J40[24]芯片.该芯片是IEEE802.15.4兼容的RF接受机,射频工作频率选在2.4GHz上,采用数字直接序列扩频基带的调制解调器来提供250kbps的有效数据传输速率并具有较强的抗干扰性.
AD590[25]是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源,价格廉价,小尺寸应用中.温度数据从内部温度敏感元件转化而来,随时都可以转化为13位数字.
图3.2无限传感器节点的硬件组成
表3.1节点设计性能指标
性能参数名称性能参数频段2.4～2.483GHz通信协议标准IEEE802.15.4网络拓扑结构星型调制方式DSSS(O-QPSK)数据传输速率250kbps通信范围30mMCUPIC16F877ARFMRF24J40接收灵敏度-90dBm寻址方式64位IEEE,8位网络地址数据加密128—bitAES错误校验CRC-16/32信道接入方式CSMA-CA和时隙化的CSMA-CA信道数16工作温度-40～85电源3.3V功耗30mW
节点硬件设计
模块电源电路设计
稳定可靠的电源是整个系统正常工作的保证,电源的提供必须考虑到硬件系统各个模块的供电标准.本系统中Zigbee总节点控制器需要提供稳定电源的电路有PIC16F877A芯片,MRF24J40芯片等.各电路对电源的具体要求如下表所示:
表3.2ZigBee总节点控制器各模块供电需求
电路模块最小电压值典型电压值最大电压值PIC16F877A4.0V5.0V5.5VMRF24J402.4V3.3V3.6VAD5904.0V8.0V30V电源电路设计时,根据各单元模块的电源需求,采用不同的电压转换芯片将5V输入电压转换为所需要的各种电压值.现代微电子技术发展,使得我们可以选用更小,功耗更低的集成芯片来进行设计.在这里选用1117电压调整芯片.
图3.4模块电源电路
晶振与复位电路设计
晶振电路用于向PIC16F877A,MRF24J40及其他电路提供工作时钟.单片机可以使用RC振荡电路或者晶振起振,如果需要较高的工作频率可以使用内部PLL技术把频率增高,片内PLL电路兼有频率放大和信号提纯的功能,可以用较低的外部时钟信号获得较高的工作频率,以降低因高速开关时钟造成的高频噪音.PICF4620选用8MHz的外接晶振,这时的指令周期为lus.考虑到MRF24J40对指令周期和发射频率的要求,选用20MHz的外接晶振.图中的电容是系统时钟的环路滤波电容,电容选择越大晶振越稳定,同时起振时间也会延长,PIC16F877A中的环路滤波电容选择C1等于C2等于22pF,MRF24J20中的环路滤波电容选择C3等于C4等于27pF.晶振电路如下图3.5所示.
图3.5晶振电路
复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能,可以用简单的RC电路构成,也可以用相对较复杂,但功能更加完善的电路.PIC16F877A可以有多种复位方式:手动复位,上电复位,看门狗复位,欠压复位等.低压复位已经在前面的电源电路中介绍过了,下面介绍一下手动复位.当手动按下SW时芯片会在Vout端输出一个足够长时间的
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