1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計方案緒論1.1 課題背景無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一門新興的，跨學(xué)科的技術(shù)， 已經(jīng)引起了國外相關(guān)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，被列為全球未來三大高科技產(chǎn)業(yè)之一，其發(fā)展速度驚人， 并有著廣闊的前景。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、 分布式信息處理技術(shù)以及無線通信技術(shù)等多個領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)之間能夠?qū)懽鞯膶崟r監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域的各種客觀環(huán)境或監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)信息，并對這些信息進(jìn)行處理，有選擇性的將有用信息傳輸給需要這些信息的用戶。另一個方面，近幾年人們提出了物聯(lián)網(wǎng)（ Internet of Things,IOT【 1】）的概念，它可以認(rèn)為是“物物相

2、連的互聯(lián)網(wǎng)” ，通過把感應(yīng)器、處理器和無線通信模塊等設(shè)備嵌入到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、建筑、電器等各種物體中， 使它們相互連接， 構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)，它被稱為是繼計算機(jī)技術(shù)、 互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮， 由物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成智慧地球。 智慧地球的基礎(chǔ)是需要世界更全面的互聯(lián)互通和更深入的智能化，它涉及幾乎所有的行業(yè)并賦予人們能力去越來越智慧地解決問題。 國際上有多個國家和地區(qū)已經(jīng)啟動了相應(yīng)的研究計劃，如我國的“感知中國”概念、日本的U-Japan 計劃、國的 U-Korea 計劃、美國的“智慧地球”等，而歐洲智能系統(tǒng)集成技術(shù)平臺（ EPoSS）在 Internet of Things in

3、2020中分析預(yù)測，未來物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將經(jīng)歷四個階段： 2010 年之前 RFID被廣泛應(yīng)用于物流、零售和制藥領(lǐng)域，20102015年物體互聯(lián)， 20152020年物體進(jìn)入半智能化， 2020 年之后物體進(jìn)入全智能化。 這些技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用， 都為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了良好的外部環(huán)境， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將形成巨大的、 全新的制造、 運(yùn)營產(chǎn)業(yè)。美國總統(tǒng)信息科技顧問委員會的報告指出，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是 21 世紀(jì)最具有科技重要性和經(jīng)濟(jì)前途的九大領(lǐng)域之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是信息感知和采集技術(shù)的一場革命，作為一個嶄新的研究領(lǐng)域在基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用兩個方面向科技工作人員提出了大量的挑戰(zhàn)性研究課題。 在此背景

4、下，本文主要研究的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計。1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)【2 】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ Wireless Sensor Network， WSN ）是一種全新的信息獲取平臺，能夠?qū)崟r監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域的各種監(jiān)測對象的信息， 并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以實現(xiàn)復(fù)雜的指定圍的目標(biāo)檢測與跟蹤。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（如圖 1-1 ）。圖 1-1典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量功能相同或不同的無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成， 每一個傳感器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集某塊 ( 傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換器 ) 、處理器模塊 ( 微處理器 ) 、通信模塊 ( 無線收發(fā)器 ) 和供電模塊 ( 電池、 DC/DC能

5、量轉(zhuǎn)換器 ) 等組成 ( 如圖 1-2) 。數(shù)據(jù)采集模塊處理器模塊通信模塊供電模塊圖 1-2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集，并將其傳給處理器單元； 處理器模塊接收來自數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)并將其傳給通信模塊的接收端；通信模塊分為接收模塊和發(fā)送模塊， 發(fā)送模塊將從處理器接收的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)模塊，完成通信；通電模塊為整個節(jié)點(diǎn)的各個模塊正常工作提供所需的能量。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)【 3】：(1) 能量資源有限網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由電池供電， 而電池的容量是有限的， 這就決定了可用的能量石有限的，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般應(yīng)用在環(huán)境比較惡劣的地方， 有的地方人類有甚至不能到達(dá)， 這些特殊性

6、決定了在應(yīng)用的過程中不能及時地更換電池， 無法給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充能量，因此，需要高效地使用能量來最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期。(2) 硬件資源有限傳感器節(jié)點(diǎn)是一種微型嵌入式設(shè)備，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中會部署很多傳感器節(jié)點(diǎn)，要高效地使用能量就需要各節(jié)點(diǎn)具有低功耗、 低成本的特點(diǎn)。 由于能量有限， 所能攜帶的處理器也有限， 處理能力相對較弱， 導(dǎo)致計算能力和存儲能力有限。 在硬件設(shè)備受限的條件下，傳感器要完成正常的工作，如數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、管理、處理等，就要優(yōu)化設(shè)計以實現(xiàn)硬件的協(xié)調(diào)工作。(3) 大規(guī)模性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性包括兩個方面： 一個方面是傳感器節(jié)點(diǎn)通常分布在很大的地理區(qū)域， 在這些區(qū)域需要部署許多

7、傳感器節(jié)點(diǎn)； 另一個方面， 在一定的比較小的空間分布大量傳感器節(jié)點(diǎn)，因此傳感器的分布比較密集。這種大規(guī)模性的優(yōu)點(diǎn)是：由于可以通過許多空間視角觀察傳感器網(wǎng)絡(luò)， 因此獲得的信息具有更大的信噪比； 大量冗余節(jié)點(diǎn)的存在，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有特別強(qiáng)的容錯性； 增大了監(jiān)測區(qū)域的覆蓋，可以減少盲區(qū)；通過利用分布式算法處理大量信息可以降低對單個傳感器節(jié)點(diǎn)精度的要求。(4) 自組織性在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中， 傳感器節(jié)點(diǎn)往往被安置在沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方， 通常是通過飛機(jī)播撒到未知區(qū)域， 其位置不能預(yù)先精確設(shè)定， 節(jié)點(diǎn)之間的相互鄰居關(guān)系也不知道，這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織的能力。 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)播撒后， 傳感器節(jié)點(diǎn)能自動進(jìn)行

8、配置和管理， 利用拓?fù)錂C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議形成多跳路由的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)， 這種網(wǎng)絡(luò)能自動轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)(5) 多跳路由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳輸距離一般為幾十到幾百米， 通信距離非常有限， 節(jié)點(diǎn)只能和它相鄰的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信， 由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積較大， 因此需要采用多跳路由的方式進(jìn)行通信。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)沒有專門的路由設(shè)備， 多條路由的功能由普通的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來完成。 由于每個傳感器節(jié)點(diǎn)都或多或少的受到外界環(huán)境的影響， 路由可能會隨時發(fā)生變化，因此會導(dǎo)致通信中斷。為了滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信能力，需要對網(wǎng)絡(luò)設(shè)計多條路由機(jī)制。(6) 網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性強(qiáng)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作的過程中， 部分節(jié)點(diǎn)會附著于物體表面，

9、因此節(jié)點(diǎn)會隨處移動。因為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量有限， 當(dāng)電能耗盡時， 無線傳感器節(jié)點(diǎn)會出現(xiàn)故障或失效；由于外界環(huán)境的不斷變化， 可能會造成通信鏈路的中斷并可能使帶寬發(fā)生變化；有時由于實際的需要， 可能會在網(wǎng)絡(luò)中加入新的節(jié)點(diǎn)， 這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)這種變化。(7) 可靠性傳感器網(wǎng)絡(luò)通常分布在環(huán)境特別惡劣甚至是人類不能到達(dá)的區(qū)域， 有可能工作在露天環(huán)境，一般是通過飛機(jī)播撒隨機(jī)部署， 這些都要求傳感器節(jié)點(diǎn)必須非常堅固， 不易損壞，能適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境， 否則就會造成通信的中斷； 魚油監(jiān)測環(huán)境的特殊性以及傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目非常龐大，因此不能“人工”照顧到?jīng)]一個傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)一般維護(hù)起來比較困難

10、甚至不可維護(hù)， 這就需要傳感器網(wǎng)絡(luò)具有較好的魯棒性和容錯性；由于傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事方面等一些需要的場所有所應(yīng)用， 因此要防止監(jiān)測到的數(shù)據(jù)被他人盜取或得到別人偽造的數(shù)據(jù)， 由于應(yīng)用的特殊性， 這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)具有良好的性和安全性。1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，因此，在應(yīng)用領(lǐng)域上也與傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)具有明顯的區(qū)別，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用領(lǐng)域 【4 】有 :(1) 軍事領(lǐng)域軍事領(lǐng)域是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)最主要的應(yīng)用領(lǐng)域， 也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)誕生的領(lǐng)域。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有快速部署、 自組織、隱蔽性強(qiáng)及高抗毀能力等點(diǎn)，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)對敵軍兵力和裝備的監(jiān)控

11、、 戰(zhàn)區(qū)的實時監(jiān)控、 目標(biāo)的定位、戰(zhàn)場評估、核攻擊和生物化學(xué)攻擊的監(jiān)測和搜索等功能。 目前國際上有很多機(jī)構(gòu)的課題都是以戰(zhàn)場需求為背景開展的。 比如，美軍開展的 C4KISR計劃、Smart Sensor Web、靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信、無人值守地面?zhèn)鞲衅魅骸鞲衅鹘M網(wǎng)系統(tǒng)、網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng) CEC等等。在軍事領(lǐng)域應(yīng)用方面，該項技術(shù)的遠(yuǎn)景目標(biāo)是: 利用飛機(jī)或火炮等發(fā)射裝置，將大量廉價傳感器節(jié)點(diǎn)按照一定的密度布放在監(jiān)測區(qū)域，對周邊的各種參數(shù)，如溫濕度、聲音、磁場、紅外線等各種信息進(jìn)行采集， 然后由傳感器自身構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)關(guān)、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星等信道，傳回信息中心。(2) 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物的優(yōu)

12、質(zhì)高產(chǎn)對國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大。在這些方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有卓越的技術(shù)優(yōu)勢。 它可用來監(jiān)視農(nóng)作物灌溉情況、 土壤空氣變更、牲畜和家禽的環(huán)境狀況以及大面積地表監(jiān)測。一個典型的監(jiān)測系統(tǒng)是由環(huán)境監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、 Sink 節(jié)點(diǎn)、通信網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)控中心軟件構(gòu)成。在實際部署時， 可以根據(jù)需要， 在待測區(qū)域安放不同功能的傳感器節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)，搜集需要的客觀環(huán)境信息。(3) 環(huán)境觀測應(yīng)用于環(huán)境觀測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)， 一般具有部署簡單、 便宜、長期不需要更換電池、無需派人現(xiàn)場維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。 通過密集的節(jié)點(diǎn)布置， 可以觀察到微觀的環(huán)境因素，為環(huán)境研究和環(huán)境監(jiān)測提供一條嶄新的途徑。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境觀測領(lǐng)域已經(jīng)有很多的應(yīng)用

13、實例了，包括 : 對海島鳥類生活規(guī)律的觀測 : 氣象現(xiàn)象的觀測和天氣預(yù)報 ; 森林火警 ; 生物群落的微觀觀測 ; 洪災(zāi)預(yù)警等。(4) 建筑領(lǐng)域在建筑領(lǐng)域，各類大型工程的安全施工及監(jiān)控是建筑設(shè)計單位長期關(guān)注的問題，比如三峽工程、海底電纜、奧運(yùn)場館等。采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以讓大樓、橋梁和其它建筑物能夠自身感覺并意識到它們自己的狀況， 使得安裝了傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能建筑自動告訴管理部門它們的狀態(tài)信息， 從而讓管理部門按照優(yōu)先級進(jìn)行定期的維修工作。(5) 醫(yī)療監(jiān)護(hù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)測人體生理數(shù)據(jù)、 老年人健康狀況、 醫(yī)院藥品管理以及遠(yuǎn)程醫(yī)療等方面同樣可以發(fā)揮出色的作用。 在病人身上安置體溫采集、

14、呼吸、血壓等監(jiān)測傳感器，醫(yī)生便可以遠(yuǎn)程了解病人的情況。 利用傳感器網(wǎng)絡(luò)長時間地收集人的生理數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在研制新藥品的過程中也非常有用。美國 Intel 公司目前正在研制家庭護(hù)理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是美國“應(yīng)對老齡化社會技術(shù)項目”的一個環(huán)境。根據(jù)演示，該系統(tǒng)在鞋、家具、以及家用電器等設(shè)備上嵌入傳感器， 幫助老年人及患者、 殘障人士獨(dú)立地進(jìn)行家庭生活， 并在必要時由醫(yī)務(wù)人員、社會工作者進(jìn)行幫助。1.4本文主要容以及文章結(jié)構(gòu)本文將從無線傳感器的硬件特性分析和通信協(xié)議的構(gòu)想， 硬件電路的設(shè)計， 簡單MAC協(xié)議和路由協(xié)議的設(shè)計、軟硬件調(diào)試及相關(guān)結(jié)果介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計。本文的容安排如下

15、：第一章是緒論部分；第二章是硬件設(shè)計方案；第三章是軟件設(shè)計方案；第四章是調(diào)試及調(diào)試結(jié)果；最后將得出結(jié)論。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計如上介紹無線傳感器節(jié)點(diǎn)的基本組成包括數(shù)據(jù)采集模塊( 傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換器 ) 、數(shù)據(jù)處理和控制模塊 ( 微處理器、存儲器 ) 、通信模塊 ( 無線收發(fā)器 ) 和供電模塊 ( 電池、DC/DC能量轉(zhuǎn)換器 ) 。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)處理和控制模塊負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲和處理本地采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)； 通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信， 交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；供電模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需要的能量， 通常采用

16、微型電池， 下不做詳細(xì)介紹。2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)處理和控制模塊數(shù)據(jù)處理單元是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心，和其他單元一起完成數(shù)據(jù)的采集、處理和收發(fā)。從處理器的角度看，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基本可以分為兩類：一類采用以ARM處理器為代表的高端處理器。該類節(jié)點(diǎn)的能量消耗比采用微控制器大很多，但是其處理能力也強(qiáng)很多， 適合圖像等高數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)的應(yīng)用， 也適合作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。 另一類是以采用單片機(jī)為代表的節(jié)點(diǎn)。 該類節(jié)點(diǎn)的處理能力較弱， 但是能量消耗功率也很小。本課題的設(shè)計要求比較低，采用能耗較小的單片機(jī)是合適的。本課題選擇AT89C51，其是一種帶4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Prog

17、rammable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8位微處理器， 俗稱單片機(jī)。另外其良好的適應(yīng)性和強(qiáng)大的功能能滿足本設(shè)計的需要。通信模塊通信模塊主要是指無線收發(fā)器，在選擇無線收發(fā)芯片時應(yīng)考慮需要以下幾點(diǎn)因素：功耗、發(fā)射功率、接收靈敏度、收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量、芯片成本、數(shù)據(jù)傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼等。本課題選擇315 無線收發(fā)模塊。315 無線收發(fā)模塊由發(fā)射模塊和接收模塊組成，由于其工作頻率為315MHz，故取名 315 收發(fā)模塊。315 無線發(fā)射模塊的主要參數(shù)及特點(diǎn)如下：（ 1）通訊方式：調(diào)幅 AM（ 2）工作頻率： 315MHZ

18、（ 3）頻率穩(wěn)定度：± 75KHZ（ 4）發(fā)射功率： 500MW（ 5）靜態(tài)電流： 0.1UA（ 6）發(fā)射電流： 350MA（ 7）工作電壓： DC 312V圖 2-1 DF 數(shù)據(jù)模塊DF數(shù)據(jù)模塊（如圖 2-1 ）具有較寬的工作電壓圍 3 12V，當(dāng)電壓變化時發(fā)射頻率基本不變 , 和發(fā)射模塊配套的接收模塊無需任何調(diào)整就能穩(wěn)定地接收。當(dāng)發(fā)射電壓為3V 時，空曠地傳輸距離約2050 米，發(fā)射功率較小，當(dāng)電壓5V 時約 100200 米，當(dāng)電壓 9V 時約 300500 米，當(dāng)發(fā)射電壓為 12V 時，為最佳工作電壓， 具有較好的發(fā)射效果，發(fā)射電流約 60 毫安，空曠地傳輸距離 700800

19、 米，發(fā)射功率約 500 毫瓦。當(dāng)電壓大于 l2V 時功耗增大，有效發(fā)射功率不再明顯提高。接收模塊一般分為超再生接收和超外差接收兩種。 本節(jié)點(diǎn)的 315 無線接收模塊選用 RXB8， 是 VHF/UHF超高頻無線數(shù)據(jù)傳送超外差無線接收模塊。特點(diǎn)如下：（1）靈敏度高達(dá) -114dbm，接收距離為普通接收板的兩倍以上。（2）有合理的接收帶寬，抗干擾能力特強(qiáng)，適應(yīng)各種環(huán)境使用。（3）良好的集散輻射抑制能力，易通過各種FCC、CE檢測標(biāo)準(zhǔn)。（4）良好的屏蔽，各種安裝環(huán)境對模塊性能影響小。（5）良好的本振輻射抑制能力，可多個模塊一起工作（單發(fā)多收）且不會互相干擾，一起使用不影響接收距離。（6）采用 SW

20、A本振，性能穩(wěn)定，適用溫度圍廣。（7）省電，在 5V電源工作時，接收耗電約10mA。（8）適用于 250 450MHz各頻點(diǎn)調(diào)整容易，供貨周期短。（9）單片機(jī)直接接口，容易實現(xiàn)。（10）一致性好，體積小。（11）傳輸速率最高可達(dá) 20kbps。超外差電路是利用本地產(chǎn)生的振蕩波與輸入信號混頻， 將輸入信號頻率變換為某個預(yù)定的頻率的電路。 超外差這種方法是為了適應(yīng)遠(yuǎn)程通信對高頻率、 弱信號接收的需要，在外差原理的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。 外差方法是將輸入信號頻率變換為音頻， 這種方法是將輸入信號變換為超音頻， 所以稱之為超外差。 雖然超外差接收模塊靈敏度比超再生接收模塊低， 價格高于超再生接收模塊， 但

21、其優(yōu)點(diǎn)是頻率穩(wěn)定， 抗干擾能力好，和單片機(jī)配合時性能比較穩(wěn)定。接收模塊電路是由選頻電路、高頻放大電路、超外差檢波電路和低頻放大電路組成。 發(fā)送調(diào)制信號經(jīng)過選頻電路選頻后， 送入超外差檢波電路解調(diào)， 再由低頻放大電路放大后由輸出引腳輸出高電平。 若無信號收到， 則輸出低電平。數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊的核心部分即傳感器部分。傳感器種類很多，可以檢測溫濕度、光照、噪聲、振動、磁場、加速度等物理量，將這些環(huán)境變量轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒y量的信號。相對于常規(guī)的傳感器， 課題的設(shè)計中更多的會涉及到的是現(xiàn)成的集成設(shè)計的微型傳感器，至于傳感器的具體工作原理，我們并不關(guān)心，我們只要知道用就可以了。考慮到整個節(jié)點(diǎn)由電池供電，

22、必須選擇體積小、低功耗、外圍電路簡單的傳感器。如果是實際應(yīng)用，完全可以直接采用不需要信號調(diào)理電路的數(shù)字式傳感器，而在我們的課題設(shè)計中，則應(yīng)當(dāng)盡量不要使用數(shù)字式傳感器。本課題選用的是溫度傳感器DS18B20。DS18B20(圖 2-2) 是美國 DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后推出的增強(qiáng)型單線數(shù)字溫度傳感器【3 】。它在測溫精度、 轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、 分辨率等方面有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比， 它不僅能夠直接讀出被測溫度值，并且可以根據(jù)實際要求通過簡單的編程來讀取912 位的溫度值。本次設(shè)計之所以選用這款溫度傳感器，是因為它體積小，接

23、線簡單（單總線元件），測量精度符合要求。圖 2-2 數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20由上圖可以看出 DS18B20采用腳 PR35 封裝或 8 腳 SOIC封裝，采用 PR-35 封裝時，其各引腳功能見下表 2-1 ：表 2-1 DS18B20詳細(xì)引腳功能描述序號名稱引腳功能描述1GND地信號2I/O數(shù)據(jù)輸入 / 輸出引腳。 開漏單總線接口引腳。當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。3 VDD 可選擇的 VDD引腳。當(dāng)工作于寄生電源時，此引腳必須接地。DS18B20工作原理如下：DS18B20測溫原理如圖 2-3 所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信

24、號并將信號送給計數(shù)器 1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變， 所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器 2 的脈沖輸入。計數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在 55所對應(yīng)的一個基數(shù)值。 計數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0 時，溫度寄存器的值將加 1，計數(shù)器 1 的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器 1 重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器 2 計數(shù)到 0 時，停止溫度寄存器值的累加， 此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。 圖 2-3 中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性， 其輸出用于修正計數(shù)器 1 的預(yù)置值。斜率累加器預(yù)置比較低

25、溫度系數(shù)晶振計數(shù)器 1LSB預(yù)置置位 /消除加 1=0溫度寄存器高溫度系數(shù)晶振計數(shù)器 2停止=0圖 2-3 DS18B20 測溫原理圖DS18B20 的主要特性有：(1) 適應(yīng)電壓圍更寬，電壓圍： 3.0 5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電；(2) 獨(dú)特的單線接口方式， DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 DS18B20的雙向通訊；(3) DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個 DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測溫；(4) DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路；(5) 溫圍 55 12

26、5，在 -10 +85時精度為± 0.5 ；(6)可編程的分辨率為9 12 位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5 、 0.25 、0.125 和 0.0625 ，可實現(xiàn)高精度測溫；(7) 在 9 位分辨率時最多在 93.75ms 把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字， 12 位分辨率時最多在750ms把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快；(8) 測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以 " 一線總線 " 串行傳送給 CPU，同時可傳送 CRC校驗碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯能力；(9) 負(fù)壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。從以上特性可以看出， DS18B20對工作環(huán)境要求低，可以

27、在比較惡劣的環(huán)境下正常工作；接口簡單，易于進(jìn)行模塊化設(shè)計；數(shù)字輸出，精度可以達(dá)到很高的要求。另外， DS18B20還具有體積小，傳輸距離遠(yuǎn)，價格低廉等特點(diǎn)，非常適宜作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳感測量單元。另外， DS18B20還支持“一線多機(jī)”設(shè)計，可以提高測量數(shù)據(jù)的精確度。另外由于本節(jié)點(diǎn)模型的模塊化設(shè)計， 可以支持各傳感器測量單元， 包括模擬量輸出的傳感器單元， 只要在其與單片機(jī)之間加入 A/D 轉(zhuǎn)換模塊即可。 這也將是本節(jié)點(diǎn)功能擴(kuò)展的一方面 。2.2節(jié)點(diǎn)的硬件總體設(shè)計方案本文設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以STC89C51單片機(jī)為微處理芯片，控制做測量端的溫度數(shù)字傳感器DS18B20進(jìn)行測量溫度，并

28、且通過 315 無線收發(fā)模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)的傳輸，通過 MAX232串口芯片與 PC機(jī)通信。各個部分之間通過軟件控制協(xié)調(diào)工作。既然設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以STC89C51為核心，就要考慮其它元件與STC89C51的連接方式問題。首先， STC89C51的最小系統(tǒng)是必不可少的，這也將成為整個節(jié)點(diǎn)中模塊化的一部分。 其即 315 無線收發(fā)模塊和 DS18B20都是三線制模塊， 接線將會非常簡單。整體框圖如下圖 2-4 所示，硬件設(shè)計電路原理圖如圖 2-5 所示。P3.0P3.1串口通信模塊VCC GND發(fā)送模塊DataVCCGNDP1.0STC89C51接收模塊DataVCCGNDP1.1DS18

29、B20DataVCCGNDP2.1圖 2-4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電路框圖圖 2-5硬件設(shè)計方案電路原理圖2.3本節(jié)總結(jié)本章介紹了設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件部分，主要是各硬件模塊的功能特點(diǎn)，以及控制單元與無線通信模塊和測量模塊及串口通信模塊的連接方式。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1軟件設(shè)計概述本無線傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計主要有溫度傳感器DB18S20控制程序、無線通信協(xié)議程序。傳感器控制程序主要針對一線單機(jī)外接電源的傳感器連接方式編寫， 通信協(xié)議部分主要是 MAC簡化協(xié)議的設(shè)計和簡單一跳路由的設(shè)計。 本節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計的語言是用的 C51 語言編寫及用 KEIL 進(jìn)行軟件調(diào)試，通過串口下載到單片機(jī)中運(yùn)行實

30、際環(huán)境調(diào)試。3.2軟件開發(fā)工具KEIL 的簡介51 單片機(jī)開發(fā)軟件較多，但其中最好的一款莫過于公認(rèn)的keil，這里采用keil用 C 語言編寫程序。Keil C51是美國Keil Software公司出品的51 系列兼容單片機(jī)C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用C 來開發(fā)，體會更加深刻。KEIL 是德國 Keil Software 公司開發(fā)的 8051 系列單片機(jī)的軟件開發(fā)平臺，提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全 Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到

31、 Keil C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊， 容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。Keil 提供包括 C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在的完整開發(fā)方案，由以下幾部分組成： Vision IDE集成開發(fā)環(huán)境（包括工程管理器、 源程序編輯器、 程序調(diào)試器）、C51編譯器、A51匯編器、 LIB51庫管理器、BL51連接 / 定位器、 OH51目標(biāo)文件生成器以及 Monitor-51 、RTX51實時操作系統(tǒng)。軟件開發(fā)的編程語言采用C語言實現(xiàn)因為 C語言比傳統(tǒng)的匯編語言更有優(yōu)勢。通過C可實現(xiàn)模塊化編程技術(shù)， 從而可將已編制好

32、的程序加入到新程序中；C語言可移植性好且非常普及， C編譯器幾乎適用于所有的目標(biāo)系統(tǒng)；已完成的軟件項目可以容易地轉(zhuǎn)換到其它的處理器或環(huán)境中。本節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計編寫語言為C語言 , 在 KEIL 里面編寫程序 , 并且編譯生成 .HEX文件。并且在 KEIL 里面進(jìn)行軟件調(diào)試。具體的編寫和調(diào)試步驟如下：（1）新建一個工程，在工程里面新建一個文件保存為.C 格式文件進(jìn)行編譯并生成.HEX 文件。如果編譯成功則說明所編程序沒有語法錯誤，否則要找到錯誤并改正，直到編譯成功為止。（2）編譯成功后，再進(jìn)行軟件調(diào)試，在KEIL 里面調(diào)試軟件的運(yùn)行情況，觀察P1的情況及軟件用到的相關(guān)寄存器情況。（3）延時程序的

33、測試，在調(diào)試軟件的時候，進(jìn)行C語言程序的反匯編，在反匯編程序里面的延時部分開始和結(jié)束設(shè)置斷點(diǎn)，并且把時鐘頻率設(shè)置為12MHz。運(yùn)行一次程序記錄下 SEC值，再運(yùn)行一次記錄第二次SEC值。兩次相減則得出延時時間。（4）打開反匯編窗口，對程序進(jìn)行單步運(yùn)行觀察程序運(yùn)行流程，如果按照設(shè)計要求運(yùn)行則正確，否則修改程序。如圖 3-1 所示為 keil 軟件的編程環(huán)境，版本為uVision4圖 3-1 Keil 開發(fā)環(huán)境界面3.3數(shù)據(jù)采集模塊主程序設(shè)計由于 DS18B20采用的是 1 Wire 總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對 AT89C51單片機(jī)來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我

34、們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對DS18B20芯片的訪問。主機(jī)使用時隙來讀寫DS18B20的數(shù)據(jù)位和寫命令字位。由于DS18B20是在一根I/O 線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時序要求。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。 該協(xié)議定義了幾種信號的時序： 初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)， 則在進(jìn)行寫命令后， 主機(jī)需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。i. 初始化時序基于單總線的所有傳輸過程

35、都是以初始化開始的，初始化過程由單片機(jī)發(fā)出的復(fù)位脈沖和 DS18B20的響應(yīng)的應(yīng)答脈沖組成，初始化時序如圖3-2 所示。應(yīng)答脈沖使單片機(jī)知道，總線上有1-Wire 設(shè)備，且準(zhǔn)備就緒。初始化過程如下：主機(jī)通過拉低單線480us 以上，產(chǎn)生復(fù)位脈沖，然后釋放該線，進(jìn)入Rx接收模式。 主機(jī)釋放總線時，會產(chǎn)生一個上升沿。單總線器件檢驗到上升沿后，延時 15-60us ，通過拉低總線 60-240us 來產(chǎn)生應(yīng)答脈沖， 說明器件在線。圖 3-2 初始化命令時序圖ii. 讀時序DS18B20的讀時序分為讀 0 時序和讀 1 時序兩個過程，時序如圖 3-3 所示。DS18B20的讀時隙是從主機(jī)把單總線拉低之

36、后，在 15 秒之就得釋放單總線，以讓 DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。 DS18B20在完成一個讀時序過程，至少需要 60us 才能完成，并且兩個讀時序之間至少要有 1us 的恢復(fù)時間。每個讀時隙都由主機(jī)發(fā)起，至少拉低總線 1us。在主機(jī)發(fā)起讀時隙之后， DS18B20器件才開始在總線上發(fā)送 0 或 1，若 DS18B20發(fā)送 1，則保持總線為高電平。若發(fā)送為 0，則拉低總線當(dāng)發(fā)送 0 時， DS18B20在該時隙結(jié)束后，釋放總線，由上拉電阻將總線拉回至高電平狀態(tài)。 DS18B20發(fā)出的數(shù)據(jù)，在起始時隙之后保持有效時間為 15us。因而主機(jī)在讀時隙期間，必須釋放總線。并且在時隙起始后的

37、15us 之采樣總線的狀態(tài)。圖 3-3 讀命令時序圖iii. 寫時序DS18B20的寫時序仍然分為寫 0 時序和寫 1 時序兩個過程，時序如圖 3-4 所示。 DS18B20寫 0 時序和寫 1 時序的要求不同，當(dāng)要寫 0 時序時，單總線要至少被拉低 60us，保證 DS18B20能夠在 15-60us 之間正確地采樣 I/O 總線上的 0 電平，當(dāng)要寫 1 時序時，單總線被拉低之后，在 15us 之就得釋放單總線。圖 3-4 寫命令時序圖DS18B20總共有 10 條控制命令，如下表3-1 所示：指令讀 ROM命令（ 33H）搜索 ROM命令（ F0H）匹配 ROM命令（ CCH）跳過 RO

38、M命令（ CCH）報警搜索ROM命令（ ECH）指令溫度轉(zhuǎn)換（ 44H）讀暫存器（ BEH）寫暫存器（ 4EH）復(fù)制暫存器（48EH）讀 EEPROM（ B8H）表 3-1 ROM 操作命令說明讀 DS18B20的序行號識別總線上各器件的編碼用于多個 DS18B20的定位此命令執(zhí)行后，存儲器操作將針對總線上所有操作僅溫度超限的器件對此命令做出響應(yīng)RAM操作命令說明啟動溫度轉(zhuǎn)換讀全部暫存器容寫暫存器第2， 3 和 4 個字節(jié)的數(shù)據(jù)將暫存器中的TH，TL 和配置寄存器容復(fù)制到EEPROM中將 TH， TL 和配置寄存器容從 EEPROM中回讀至?xí)捍嫫魉杂梢陨显矸治鲋浖绦蚓唧w的過程如下：第

39、一步使 DS18B20復(fù)位。(1) 單片機(jī)對 DS18B20置一個 480 至 960 微秒的復(fù)位低電平；(2) 置一個 15 至 60 微秒的等待高電平；(3) 單片機(jī)設(shè)置 480 微秒的延時，等待 DS18B20發(fā)出信號。第二步寫入 SKIP ROM指令 CCH。第三步寫入溫度轉(zhuǎn)換指令 44H，DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換。第四部使 DS18B20復(fù)位，同第一步。第五步寫入 SKIP ROM命令。第六部寫入讀寄存器命令 BEH。第七部讀寄存器低位數(shù)據(jù)。第八步讀寄存器高位數(shù)據(jù)。這樣 DS18B20感應(yīng)到的溫度就被單片機(jī)讀出來， 參照表 3-2 可以查出實際的溫度7 。表 3-2代碼與溫度的對應(yīng)

40、圖溫度數(shù)字輸出 ( 二進(jìn)制 )數(shù)字輸出 ( 十六進(jìn)制 )+1250000 0111 1101 0000B07D0H+850000 0101 0101 0000B0550H+25.06250000 0001 0101 0001B0191H+10.1250000 0000 1010 0010B00A2H+0.50000 0000 0000 1000B0008H00000 0000 0000 0000B0000H-0.51111 1111 1111 1000BFFF8H-10.1251111 1111 0101 1110BFF5EH-25.06251111 1110 0110 1111BFF6FH-

41、551111 1100 1001 0000BFC90H綜上 DS18B20的工作流程圖如圖 3-5 以及 DS18B20在一線單機(jī)，外接電源供電情況下的一個測量過程的完整程序流程圖如圖 3-6 。開始返回初始化NDS18B20讀取溫度值是否存在Y存儲操作命令ROM 操作命令Y圖 3-5 DS18B20 工作流程圖開始初始化關(guān)中斷寫跳過 ROM 指令 CCH寫溫度轉(zhuǎn)換指令44H延時寫跳過 ROM 指令 CCH寫讀寄存器指令BEH讀數(shù)據(jù)低八位讀數(shù)據(jù)高八位返回圖 3-6 DS18B20 主程序流程圖3.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由有多個傳感器節(jié)點(diǎn)組成， 這

42、些節(jié)點(diǎn)通常分布在條件比較惡劣的地方，節(jié)點(diǎn)以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)， 通過多跳路由以無線通信的方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳到 sink 節(jié)點(diǎn)，最終借助長距離或臨時建立的 sink 鏈路將整個區(qū)域的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理中心進(jìn)行集中處理。 如果無線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模太大， 可以采用聚類分層的管理模式，典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，如圖 3-7 所示圖 3-7無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理平臺、應(yīng)用支撐平臺三部分組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議機(jī)構(gòu)參考了現(xiàn)有的通用網(wǎng)絡(luò)的TCP/IP 和 OSI模型的結(jié)構(gòu)，又包含了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特有的能量管理、移動性管理和任務(wù)管理3個層面。其整個

43、模型主要包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層、能量管理平面、移動性管理平面、 任務(wù)管理平面 8 個部分組成，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次結(jié)構(gòu)如圖 3-8 所示應(yīng)用層移任傳輸層能務(wù)動量管性理管管網(wǎng)絡(luò)層理理數(shù)據(jù)鏈路層物理層圖 3-8無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次結(jié)構(gòu)圖其中分層網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層五部分組成 .1. 物理層：負(fù)責(zé)信號的調(diào)制和數(shù)據(jù)的收發(fā)，所采用的傳輸介質(zhì)主要有無線電、紅外線、光波等。 WSN推薦使用免許可證頻段（ ISM）。物理層的設(shè)計既有不利因素，例如傳播損耗因子較大， 也有有利的方面， 例如高密度部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有分集特性，可以用來克服陰影效應(yīng)

44、和路徑損耗。2. 數(shù)據(jù)鏈路層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀監(jiān)測、媒體接入和差錯控制。其中，媒體接入?yún)f(xié)議保證可靠的點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)通信； 差錯控制則保證源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息可以完整無誤地到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。3. 網(wǎng)絡(luò)層：負(fù)責(zé)路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，由于大多數(shù)節(jié)點(diǎn)無法直接與網(wǎng)關(guān)通信，因此需要通過中間節(jié)點(diǎn)以多跳路由的方式將數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)。而這就需要在WSN節(jié)點(diǎn)與接收器節(jié)點(diǎn)之間多跳的無線路由協(xié)議。4. 傳輸層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制， 主要通過匯聚節(jié)點(diǎn)采集傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，并使用衛(wèi)星、移動通信網(wǎng)絡(luò)、 Internet 或者其他的鏈路與外部網(wǎng)絡(luò)通信，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分。5. 應(yīng)用層：由各種面向應(yīng)用的軟件系統(tǒng)構(gòu)成。主要研

45、究的是各種傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的具體系統(tǒng)的開發(fā)，例如：作戰(zhàn)環(huán)境偵查與監(jiān)控系統(tǒng)，情報獲取系統(tǒng)，災(zāi)難預(yù)防系統(tǒng)等等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議方案設(shè)計針對節(jié)點(diǎn)的特性，提出了以下設(shè)計構(gòu)想：首先在硬件方面， 由于結(jié)構(gòu)簡單， 更多的注意力應(yīng)被放在如何降低干擾方面， 節(jié)點(diǎn)與外界，節(jié)點(diǎn)間，甚至節(jié)點(diǎn)自身的元件間都會出現(xiàn)干擾。 另外節(jié)能也是要考慮一個方面。節(jié)點(diǎn)硬件功能的不足往往需要相關(guān)軟件設(shè)計來彌補(bǔ)。所以針對節(jié)點(diǎn)的一些特性，選擇功能合適的軟件來對工作過程進(jìn)行控制尤為重要。 對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)， 通信協(xié)議是軟件的主要部分。 所以對于通信協(xié)議的設(shè)計決定了設(shè)計的節(jié)點(diǎn)是否能構(gòu)成一個可以投入實際應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。對于一個無線傳感

46、器網(wǎng)絡(luò)， 最重要的通信協(xié)議主要是定義在數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制 (Medium Access Control ，MAC)層的 MAC協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議。前者決定了通信的信道分配， 而后者決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆肪€。 下面詳細(xì)說明對這兩個協(xié)議的設(shè)計方案。(1) MAC 協(xié)議的設(shè)計方案在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中， 數(shù)據(jù)鏈路層的 MAC協(xié)議決定無線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點(diǎn)之間分配有限的無線通信資源，用來構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。由于315 無線收發(fā)模塊無線信道為通用315MHz單一公用信道，根據(jù)這一特點(diǎn)，本文設(shè)計了一種基于 IEEE802.11 無線局域網(wǎng) MAC協(xié)議的基本思想的一種基于競爭的MA

47、C協(xié)議。下面將對此協(xié)議進(jìn)行介紹。IEEE802.11MAC協(xié)議的基本思想可總結(jié)為：信道會被最先使用的通信單元所占有。也就是，某通信單元如果想要占用信道進(jìn)行通信，首先要對信道的使用情況進(jìn)行偵聽。如果信道空閑則進(jìn)行信息的傳輸，而如果信道被其他通信單元占用，則要等待此通信過程結(jié)束，之后再進(jìn)行自己的信息傳輸。這種通信方式非常適合單一信道的315 無線收發(fā)模塊之間的通信。 而作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 MAC協(xié)議，節(jié)點(diǎn)不可能如 PC 機(jī)一樣在等待傳輸過程中始終對無線信道的使用情況進(jìn)行偵聽， 這就要引入周期性的偵聽睡眠機(jī)制，以盡量減少節(jié)點(diǎn)自身能量的消耗。首先，需設(shè)計節(jié)點(diǎn)間的應(yīng)答模式。 本文模擬溫度采集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間

48、的通信過程， 將整個應(yīng)答過程設(shè)計為： 節(jié)點(diǎn) A 發(fā)出收集數(shù)據(jù)請求節(jié)點(diǎn) B 發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn) A 發(fā)送結(jié)束信號，每次完整的無線通信過程需要三組信號。MAC 協(xié)議運(yùn)作機(jī)制示意圖如圖 3-9 所示。其中每個數(shù)據(jù)包之間加入一定的等待時間，暫定為兩幀數(shù)據(jù)傳輸時間， 可保證傳輸可靠。 三個數(shù)據(jù)包傳輸時間加上每兩個數(shù)據(jù)包間的等待時間構(gòu)成了預(yù)約時間。 如果通信過程超過預(yù)約時間則認(rèn)為通信失敗， 兩個節(jié)點(diǎn)將放棄對無線信道的占用，由所有節(jié)點(diǎn)來競爭使用權(quán)。等待時間數(shù)據(jù)包信道使用情況節(jié)點(diǎn) A發(fā)與節(jié)點(diǎn) B 通信請求開始接收發(fā)結(jié)束信號偵聽節(jié)點(diǎn) B偵聽到通信請求發(fā)送信息接收結(jié)束信號偵聽節(jié)點(diǎn) C偵聽到結(jié)束信號發(fā)與節(jié)點(diǎn) X 通信請求偵聽偵聽圖 3-9 MAC 協(xié)議機(jī)制示意圖節(jié)點(diǎn)的偵聽睡眠周期機(jī)制的設(shè)定如下： 整個偵聽睡眠的周期設(shè)為三分之一的預(yù)約時間，將每次偵聽開始的時間設(shè)在等待時間的中間位置左右， 保證偵聽節(jié)點(diǎn)能接收到完整的幀頭， 這樣在發(fā)現(xiàn)信