基于复合定位的无线传感器网络层次路由协议设计与实现_硕士学位论文(编辑修改稿)

基于复合定位的无线传感器网络层次路由协议设计与实现_硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

C18 和 HiTech PICC18 编译器进行编译。 源文件会自动根据所使用的编译器进行必要的更改。 协议栈使用内部闪存程序存储器来存储可配置的 MAC 地址、网络表和绑定表。 因此，必须使用可自编程的闪存存储器单片机。 如果需要的话，可以修改非易失性存储器（ NVM）程序来支持任何其他类型的 NVM 而不使用可自编程的单片机。 Microchip ZigBee 协议栈提供了一种易于使用的不依赖于应用和 RTOS 的函数库。 该函数库是专为仅需对上层软件做极小更改就可支持多个 RF 收发器而设计的。 应用程序能容易地从一个 RF收发器移植到另一个基于复合定位的无线传感器网络层次路由协议设计与实现 12 收发器。 如有需要，能很容易地修改该协议栈以支持 其他编译器。 ZigBee 协议栈 一般 由 七个 模块组成 ，如图 2－ 3所示。 图 23 ZigBee 协议栈 典型的应用程序总是与应用层（ APL）和应用支持子层（ APS）接口。 但是，如果需要的话，也可以简单地将应用程序与其他模块接口或者根据需要对它们进行自定义。 应用层（ APL）模块提供高级协议栈管理功能。 用户应用程序使用此模块来管理协议栈功能。 APL逻辑，而 APL模块支持的 API。 用户应用程序将包含 API。 ZigBee 设备对象（ ZDO） 负责打 开和处理 EP0接口。 ZDO负责接收和处理远程设备的不同请求。 不同于其他的端点， EP0总是在启动时就被打开并假设绑定到任何发往 EP0的输入数据帧。 网络层（ NWK）负责建立和维护网络连接。 它独立处理传入数据请求、关联、解除关联和孤立通知请求。 介质访问控制层（ Medium Access Control， MAC）实现了 IEEE 规范所要求的功能。 MAC层负责同物理（ Physical， PHY）层进行交互。 为支持不同类型的 RF收发器， Microchip协议栈将不同的 PHY交互归类到不同的文件 中。 每个支持的收发器都有一个独立的文件。 物理层（ PHY）定义了无线信道和 MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。 物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。 2． 2． 2 基于 ZigBee 协议的节点设计 与实现 比较通用的传感器节点结构是由一个中央处理器模块、射频处理模块以及天线组南京航空航天大学硕士学位论文 13 成。 如 图 2－ 4 所示。 图 24 节点 硬件结构 MCU 选用 MICROCHIP 公司的 PIC18LF4620 芯片， PIC4620 单片机 主要性能 :DC－40MHZ 的时钟 输入， 10MIPS 的执行速度， 16位宽指令， 8位宽数据通道， 64K字节 Flash存储器， 4K 字节的 EEPROM, SPI 接口在线编程， JTAG 在线调试接口， 1 个 8 位定时器， 3 个 16 位定时器， 10 位 13 通道 A/D 转换模块 , 省电 休眠模式，可软件选择时钟 ，5 个双向 I/O 接口， 并行从接口 等 ，宽范围的工作电压（ － ）等。 图 2－ 5 为传感器节点主板电路的 PCB 图，图 2－ 6为主板电路布线图。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBA T i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 7 N o v 2 0 0 6 S h e e t o f F i l e : E : \ 毕业论文 \ 自绘图形 \ Z i g B e e . d d b D r a w n B y :S1S W D P S TR2470R14 . 7 KV C CY14 M h zV C C/ M C L RR34 . 7 KC10 . 1 u FC422pfC322pfO S C 2O S C 1J1P H O N E J A C K+ 9 V60321 N 5 8 1 7 C62 2 u F _ T a n tR9R E S 1C83 . 3 u F _ T a n tC 1 30 . 1 u F1 2J P 4J U M P E R1 23 45 67 89 1011 12J7H E A D E R 6 X 2R D 1R D 3R D 5R D 7R E 1R D 0R D 2R D 4R D 6R E 0V C CR E 2/ M C L RO S C 1O S C 2R C 7R C 6R B 7R B 6R B 5R B 4R B 3R B 2 R C 2R C 1R C 0R A 2R A 1R A 0R C 3R C 4R C 5R A 3R A 4R A 51 23 45 67 89 1011 1213 1415 1617 1819 2021 2223 2425 2627 28J6H E A D E R 1 4 X 2R B 1R B 0V C CC70 . 1 u FC90 . 1 u F1234J3H E A D E R 2 X 2C 1 +2C 1 4C 2 +5C 2 6119/ E N1G N D14V C C15V+3138/ I N V A L I D10F O R C E O N12F O R C E O F F16V7U5M A X 3 2 2 1 C A ER C 6R C 7C 1 10 . 1 u FC 1 00 . 1 u FV C CR41MC 1 40 . 1 u FV C CC 1 20 . 1 u F162738495I S PD B 9V D D11V D D32/ M C L R1R A 02R A 13R A 24R A 35R A 46R A 57R B 033R B 134R B 235R B 336R B 437R B 538R B 639R B 740V S S12V S S31O S C 113R C 015R C 116R C 217R C 318R C 423R C 524R C 625R C 726R D 019R D 120R D 221R D 322R D 427R D 528R D 629R D 730R E 08R E 19R E 210O S C 214U4P I C 1 8 L F 4 6 2 0R E 2R E 1R E 0R D 7R D 6R D 5R D 4R D 3R D 2R D 1R D 0R C 7R C 6R C 5R C 4R C 3R C 2R C 1R C 0O S C 2O S C 1R B 7R B 6R B 5R B 4R B 3R B 2R B 1R B 0R A 5R A 4R A 3R A 2R A 1R A 0/ M C L RV C C1 23 45 67 89 1011 12J2H E A D E R 6 X 2V C CR C 2R B 0R C 5R C 3R B 2 R B 3R B 1R C 4R C 0R C 1123456J5I C D/ M C L RR B 7R B 6V C CR8470R7470R5330R6330S3S W D P S TS2S W D P S TD1LEDD2LED1 2J P 2J U M P E R1 2J P 3J U M P E RR B 4R B 5R A 0R A 1IN1O N / O F F3O U T5NC4COM2U2P O W E R 1123s 1 8 b 2 0C O N 3G N DV C C123D 1 8 B 2 0C O N 3R 1 8 B4 . 7 KV C C 图 25 节点主板电路 PCB 图 基于复合定位的无线传感器网络层次路由协议设计与实现 14 图 26 印刷电路板布线示意图 无线收发处理芯片选择 CHIPCON 的 CC2420，它的 ZigBee 开发应用的实例比较多，同时 MICROCHIOP 公司开发了 ZigBee 开发平台，是 ZigBee 联盟的主席成员公司之一。 CC2420 的 主要性能特点 ： 它是 ChipCon 公司推 出的首款符合 标准的射频收发器。 该器件包括众多额外功能，是第一款适用于 ZigBee 产品的 RF器件。 它基于 ChipCon 公司的 Smart RF03 技术，以 工艺制成 只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。 CC2420 的选择性和敏感性指数超过了 标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。 利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达 250kbps， 可以实现多点对多点的快速组网 该芯片采用 SPI 通信接口，射频输出的功率可调，具有接收信号强度监测器输出接口，可方便用在基于接收信号强度的算法 (比如定位 )中信号强度的获得。 图 27 CC2420 典型应用电路 南京航空航天大学硕士学位论文 15 表 21 PIC18LF与 CC2420 接口关系 温度传感器选择 数字化 DS18b20 温度传感器 ，这 是世界上第一片支持 “ 一线总线 ” 接口的温度传感器 ，其主要特点有： 只占用一个端口，属于一线制芯 片， 无需外部器件，可通过数据线供电，零待机功耗，测温范围广（－ 55℃ ~＋ 125℃），温度以 9位数字量读出，温度转换时间 200ms， 具有价格低廉的特点，符合传感器网络节点价格低廉的要求。 一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络。 图 27 所示为节点中射频器件 CC2420 电路连线示意图，表 21 列出了 CC2420 与主板电路的接口连接关系。 DS18b20P I C 1 8 L F 4 6 2 0R D 0V D D+ 5 VG N D 图 28 DS18b20与 PIC18F4620 连线示意图 图 28 所示为 DS18b20 与 PIC18F4620 连线示意图。 基于复合定位的无线传感器网络层次路由协议设计与实现 16 图 2－ 9所示为带温度传感器的节点实物图样。 图 29 节点实物图 2． 2． 3 节点间通信的实现 由于制作的节点数量有限，本节通过对 五个传感器节点 进行通连实验 来验证 节点间建立数据链路的 执行效果，因为没有为节点配置超声波接收装置， 采用 人工方式为每个节 点确定了具体位置。 图 2－ 10至图 2－ 12是部分 实验结果图， 通过对图中数据进行分析可以 看出， 节点间数据链咱 的建立 是可行的。 通信帧各字段代表的意义如表 2－ 2所示： 时间 延迟 帧长 度 帧类 型 是否加密 后继包标识 应答 节点 号 目的地址句柄 目的地 址 源节点 句柄 源地址 数据类型 信号接收强度 信号质量 循环校验 T dT Len Type Encr Pnd Ack Seq DstPAN DstAdd SrcPAN SrcAdd Type RSSI LQI FCS . …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. 表 22 通信帧字段说明 图 2－ 10（见下页） 所示为 各节点向上传送节点信息 过程 的部分截图 ， 从图中可以看出节点地址为 796F、 4A30 以及 3A58 的孤儿节点（ Orphan Notification） 在广播一个查找上级节点信息后（目的地址为 FFFF），地址为 6C18 的节点向它们分别发出了响应信息，之后，孤儿节点就与 6C18 节点发送请求建立数据链路的信号 (Association Request),并报告自己的节点信息（如： RFD（简化功能设备）类型，即叶节点，采用电池供电等），节点 6C18 继续向上传送寻找更高一级节点，直至汇聚节点 (基站 )。