Zigbee技術(shù)在機(jī)械振動信號監(jiān)測中的應(yīng)用研摘如今Zigbee技術(shù)在機(jī)械振動信號監(jiān)測中的應(yīng)用研摘如今伴隨著Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，該技術(shù)在控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來越引起了人們的普遍關(guān)注。Zigbee作為一種嶄新2．4G無線局域網(wǎng)通訊技術(shù)，具有低復(fù)雜度，低速率，低功耗和低成特點。本文將微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)與Zigbee技術(shù)相融合初步實現(xiàn)了一套專用于機(jī)械振動信號監(jiān)測和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)南当疚氖紫群喴榻B了MEMS技術(shù)和Zigbee技術(shù)的特點之上，使用基于TinyOS操作系統(tǒng)的NesC使用通訊原語剖析了現(xiàn)有的Zigbee通訊協(xié)議，移植協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層的功能，構(gòu)建了基于Zigbee技術(shù)的多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可靠地把分析。此外，為了進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)的整體功耗，本文在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點中還使用自適應(yīng)加權(quán)融合算法對網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，減少Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間嚴(yán)格的時間同步是網(wǎng)絡(luò)保持低功耗特性的條件，本文提出并實現(xiàn)了一種改進(jìn)的泛洪時間同步算法(FTSP)用鐘漂移而產(chǎn)生的鐘漂移而產(chǎn)生的時間同步誤差，大大提高了節(jié)點間的時間同步精最后在以上設(shè)計的基礎(chǔ)上給出了系統(tǒng)的性能測試結(jié)果，證明了該達(dá)到了基本的設(shè)計要求，為今后將Zigbee技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)關(guān)鍵詞：Zigbee，RESEARCHoNAPPLICATIoNoFVIBRATIoNSIGNALMoNIToRINGSYSTEMBASEDwithofwirelessarousedconcerninthefieldofa2．4Gwirelessofandmechanicalcomplexity,lowandwirelessdatabasedonMEMSisZigbeeRESEARCHoNAPPLICATIoNoFVIBRATIoNSIGNALMoNIToRINGSYSTEMBASEDwithofwirelessarousedconcerninthefieldofa2．4Gwirelessofandmechanicalcomplexity,lowandwirelessdatabasedonMEMSisZigbeefeatureofMEMSintroducessoftwareandofgivenisconsistedofacquisitionmoteandbaseofZigbeeisusedTinyOSoperationmotes．Withoffunctionsprotocol，andexisting buildwirelessmulti—fromreliablyth．egatewayfordataprocessingandanalysis．What’Saccelerometerfurtherreducetheofnetwork，self-powerisinmotes theamountofcommunicationinthewirelessTolow-ensurethetheachievepurpose，anSynchronizationthefurtherreducetheofnetwork，self-powerisinmotes theamountofcommunicationinthewirelessTolow-ensurethetheachievepurpose，anSynchronizationtheclockdriftofofoscillatorsmotesthebaseofoftheofatheindustrialvibration，signalsynchronization本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨進(jìn)行研究工作所取得的成果。除本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)彥作者簽名日期學(xué)位論文作者完全了解北京化工大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論保密論文注釋：本學(xué)位論量商加t，7年歲月多cJ留作者簽名日期導(dǎo)師簽名 名重日期第一章緒1．1課題研究背景和意第一章緒1．1課題研究背景和意m／J2到1KHz，有的甚至可以達(dá)到2KHz?。出現(xiàn)故障的設(shè)備其振動加速度往往會表現(xiàn)出振動幅度非常大，振動頻率也會相對變高。如果能對機(jī)械振動加速度幅度大小進(jìn)行實時測量就能很好的把握設(shè)備的工作狀態(tài)，從而對出現(xiàn)振動異常的設(shè)備進(jìn)行故障檢測，及時排除設(shè)備的故障隱患，具有很大的實用意義。由于機(jī)械設(shè)備振動加速度頻率變化范圍較大，同時設(shè)備現(xiàn)場往往不允許物理布線進(jìn)行有線數(shù)據(jù)傳輸，如果使用傳統(tǒng)無線通訊技術(shù)如藍(lán)牙對數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸?shù)脑?，由于其通訊距離短，功耗高等缺陷，使得技術(shù)本身并不適合工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用，而且在工業(yè)現(xiàn)場尤其是石油化工領(lǐng)域往往還要考慮到無線射頻防爆安全問題乜3，使我們不得不對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的射頻發(fā)送功率有所限制，這樣難免又進(jìn)一步降低了節(jié)點間無線通訊距離，所以對于機(jī)械振ADI公司的ADXL210E加速度傳感器采用MEMS技術(shù)船1，可以測量的振動加速度幅度用該傳感器對機(jī)械振動臺的振動加速度大小進(jìn)行測量，與此同時考慮到Zigbee是一種嶄新的專注于低復(fù)雜度、低速率、低功耗和低成本的近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，非常適合應(yīng)用于布線和電源供給困難或人員不能達(dá)到的區(qū)域和一些臨時場合，所以本文采用Zigbee技術(shù)對加速度計采集的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行無線傳輸，最終匯聚到PC網(wǎng)關(guān)中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以由在數(shù)千個微小的節(jié)點之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信，這些節(jié)點只需要很少的能量，以接力多跳的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個節(jié)點傳到另一個節(jié)點，大大擴(kuò)展了節(jié)點間的通訊距離，使得節(jié)點問通信效率非常高，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性很強(qiáng)。此外節(jié)點的射頻發(fā)射功率很小，滿足大多數(shù)應(yīng)用環(huán)境中的防爆要求，所以MEMS技術(shù)簡北京化工人學(xué)碩J整的MMSMEMS具有低功耗、微型化、智能化、多功能、高北京化工人學(xué)碩J整的MMSMEMS具有低功耗、微型化、智能化、多功能、高集成度和適于大批量生產(chǎn)等特點，其目標(biāo)是把信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起，組成具有多功能的微型系統(tǒng)，集成于大尺寸系統(tǒng)中，從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動化、智ME8機(jī)械光學(xué)器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)MES特ADMEMS動電容器組成。在加速度的作用下，多晶體硅結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生偏移，于是就會拉動電容器的運動極板滑動使得其電容值發(fā)生變化，最終導(dǎo)致傳感器中積分電路輸出模擬電壓值的變化，利用這個原理，就可以通過差動電容檢測到加速度的變化，加速度大小與傳感器輸出電壓值成線性關(guān)系。由于ADI公司的MEMS加速度計其傳感器部分原理一般都是基于差動電容，加速度計采用差動方式之后，靈敏度可提高了一倍，相對非線性0H．5KHgbee技術(shù)簡Z無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感器節(jié)點采用無線自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，長期以來，無線通訊市場一直存在。自從“藍(lán)牙”(Bluetooth)出現(xiàn)以后，曾讓工業(yè)控制、家用自動控制、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已，但是Butooth重影響了這些廠商的使用意愿。Zigbee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低Zigbee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧由一系列分層結(jié)構(gòu)組成，每一層為上一層提供服務(wù)。完整的Zigbee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、以及數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成∞1。如圖1．1，IEEE802．15．4通訊協(xié)議負(fù)責(zé)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)，采用SA／機(jī)制提供了一種經(jīng)濟(jì)、高效、低速率(250kbps)、工作在2．4GHz和868／928MHz的無線通訊技術(shù)。Zigbee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上制定了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層協(xié)議，其中網(wǎng)絡(luò)層主要并保持設(shè)備間的路由，存儲鄰居信息，給新的關(guān)聯(lián)設(shè)備分配地址等。此外Zigbee還定義了應(yīng)用層和安全方面的規(guī)范，使得來自不同廠商的設(shè)備可以相互對話。用戶只需2I塑星窒里塑苧臣亙至垂廠面；百—用2螄聯(lián)[互I塑星窒里塑苧臣亙至垂廠面；百—用2螄聯(lián)[互4[耍?圈1-Fig．1-Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為全功能設(shè)備(FFD)和簡化功能設(shè)備(RFD)?。稱為主設(shè)備，它承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者的功能，可與網(wǎng)絡(luò)中任何其它類型的設(shè)備進(jìn)行通訊，它DF設(shè)備，作為終端節(jié)點，其相互之間不能通訊，它們只負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)并通過射頻芯RFFF行FFD網(wǎng)關(guān)上，上傳到PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。由于這種多跳網(wǎng)絡(luò)是一種冗余路由網(wǎng)絡(luò)，，HI¨0#7☆*())RL圖lo絲丁Zigbee的無線網(wǎng)絡(luò)拓Figl-2TopologygraphforZigbeewirlesssensorzigboet技術(shù)主要特點和應(yīng)用北京化T大學(xué)碩：}：學(xué)位論北京化T大學(xué)碩：}：學(xué)位論增加到(5)網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)可容納65000SMACA的功能，信息在整個Zigbee網(wǎng)絡(luò)中通過自動路由的方式進(jìn)行傳輸，從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃?。Zigbee技術(shù)的目標(biāo)就是針對工業(yè)，家庭自動化，遙測遙控，汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)療護(hù)理等領(lǐng)域的應(yīng)用，例如燈光自動化控制，傳感器的無線數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，油田，電力，礦山和物流管理等應(yīng)用。另外它還可以對局部區(qū)域內(nèi)移動目標(biāo)例如城市中的車輛進(jìn)行定位。通常，符合如下條件之一的應(yīng)用，就可以考慮采用Zigbee技術(shù)做無線數(shù)據(jù)傳輸口gbee技術(shù)的發(fā)展歷史和現(xiàn)1．54飛利浦半導(dǎo)體公司四大巨頭共同宣布，它們將加盟“Zigbee聯(lián)盟”，以研發(fā)名為‘‘zigb彬’的下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)。到目前為止，除了這四家國際知名的大公司外，該聯(lián)盟已有130多家成員企業(yè)，并在迅速發(fā)展壯大。2004年，Zigbee聯(lián)盟發(fā)布了V1．0版本的飛利浦半導(dǎo)體公司四大巨頭共同宣布，它們將加盟“Zigbee聯(lián)盟”，以研發(fā)名為‘‘zigb彬’的下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)。到目前為止，除了這四家國際知名的大公司外，該聯(lián)盟已有130多家成員企業(yè)，并在迅速發(fā)展壯大。2004年，Zigbee聯(lián)盟發(fā)布了V1．0版本的標(biāo)準(zhǔn)，它是Zigbee的第一個規(guī)范，但由于推出倉促，存在一些錯誤。2006年誕生，該協(xié)議版本比較完善，目前市面上大多數(shù)的Zigbee應(yīng)用開發(fā)都是基于該版本。體系結(jié)構(gòu)的逐步穩(wěn)定，實用節(jié)點開發(fā)正從大學(xué)逐漸轉(zhuǎn)向公司，幾乎全部著名半導(dǎo)體公司都參與了芯片和軟件開發(fā)平臺的設(shè)計生產(chǎn)。目前國外公司已經(jīng)完成了對該項技術(shù)的產(chǎn)品化，比如美國的CROSSBOW品。國內(nèi)研發(fā)起步稍晚，1998年上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所開始跟蹤研究，中科院電子所、計算機(jī)所、沈陽自動化所和清華、科大、哈工大等大學(xué)都進(jìn)行各有側(cè)重的研究。國內(nèi)如寧波中科集成電路設(shè)計中心也提供了一些硬件產(chǎn)品，但軟件產(chǎn)品的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到國外產(chǎn)品的性能。這些國內(nèi)外公司的硬件產(chǎn)品大都采用8此不能進(jìn)行復(fù)雜的信號處理，并且其功能也比較單一要想把這些產(chǎn)品應(yīng)用在機(jī)械控制領(lǐng)域的狀態(tài)檢測是有缺陷的。赫立訊、巨鐘、微智、浩迪等公司，從燈光控制順0溫(通信模塊+外接傳感器模式)等簡單產(chǎn)品入手，開始在國內(nèi)市場伸開觸角，在民用和環(huán)境監(jiān)測方面呈現(xiàn)蓄勢待發(fā)的局1．6本課題的主要研究內(nèi)容及大1．0．1在系統(tǒng)設(shè)計期間，本文主要完成了對整個網(wǎng)絡(luò)中各種節(jié)點的硬件電路原理圖設(shè)計、端節(jié)點和網(wǎng)關(guān)子板的PCB電路板設(shè)計、節(jié)點應(yīng)用程序設(shè)計、網(wǎng)關(guān)以太網(wǎng)控制器底層Linux驅(qū)動程序設(shè)計和實驗測試等工作。具體如下：(1)在端節(jié)點采用MEMS加速度傳感器ADXL210E和AD轉(zhuǎn)換器ADS8344E對機(jī)械振動進(jìn)行信號采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。使用Mega28單片機(jī)和T86R20片構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通訊平臺，參照現(xiàn)有的Zigbee網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議棧舊1，對Zigbee網(wǎng)絡(luò)的初始生成，子節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，Zigbee網(wǎng)絡(luò)地址分配機(jī)制以及基于路由成本的Zigbee網(wǎng)絡(luò)路由平衡混合算法進(jìn)行分析，在本無線通訊平臺上使用基于TinyOS操作系統(tǒng)的NesC語言對節(jié)點應(yīng)用程序進(jìn)行編程，實現(xiàn)Zigbee網(wǎng)絡(luò)層部分功能，組建多跳的Zigbee無線傳感器網(wǎng)路，可靠地把基于MES到中繼節(jié)點和網(wǎng)關(guān)5北京化-T大學(xué)碩：卜學(xué)位論PXA271為核北京化-T大學(xué)碩：卜學(xué)位論PXA271為核心CPU入式硬件開發(fā)平臺的構(gòu)建，并在上面實現(xiàn)Bootloader和Linux2．6內(nèi)核的移植，其中主要包括0／10Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)口驅(qū)動程序的編寫。在處理器上移植Cossbw公司的Xserve中間件對端節(jié)點上傳的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行有效數(shù)據(jù)解析和壓縮存儲，同時通過(4)使用改進(jìn)的FTSP振的時鐘漂移而產(chǎn)生的節(jié)點間時間同步誤差(5)在PC端直接使用Crossobow公司提供的Xserve跳網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)性能進(jìn)行測試，其中包括對整個網(wǎng)絡(luò)丟包率和網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的時間同步精度進(jìn)行測試，分析結(jié)論并提出改進(jìn)方案。(6)使用Labview編寫上層主機(jī)監(jiān)控界面，該界面通過對Xserve提供的端口的讀取，實現(xiàn)對網(wǎng)關(guān)上傳PC1．6．2論文結(jié)第二章給出了系統(tǒng)總體設(shè)計方案，對系統(tǒng)的軟硬件組成和各部分功能進(jìn)行描述。第三章介紹了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括端節(jié)點的數(shù)據(jù)采集和無線數(shù)據(jù)·使用基于TinyOS的NesC語言對端節(jié)點進(jìn)行編程，實現(xiàn)端節(jié)點的數(shù)據(jù)采集，參照現(xiàn)有的Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，實現(xiàn)協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層部分功能移植，在本系統(tǒng)的硬件平臺上構(gòu)建多跳Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可靠數(shù)據(jù)傳輸。Bootloader的移植和Linux第五章是系統(tǒng)性能測試和分析。主要是對多跳網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)性能和振動信號的采集進(jìn)行測試。對節(jié)點FTSP時間同步算法的性能和誤差進(jìn)行分析，補(bǔ)償了節(jié)點上晶振時鐘漂移對同步精度的影響，此外還對網(wǎng)關(guān)自適應(yīng)以太網(wǎng)口的性能進(jìn)行測試和分析。6第市振動信口監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計A第市振動信口監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計A第二章振動信號監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計方本文使用EMS技術(shù)與zibee技術(shù)相融合，設(shè)計并初步實現(xiàn)了一款專用于工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)械振動加速度信號測量和無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計主要分成硬件設(shè)計-1固2-1Fi92-1Thedesignofthe(1)端節(jié)點硬件上主要由數(shù)據(jù)采集板和射頻板兩部分構(gòu)成。如圖2-2所示，本文使用基于inyS操作系統(tǒng)的NesC語言對端節(jié)點數(shù)據(jù)采集和無線數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行軟件編程。數(shù)據(jù)采集板主要實現(xiàn)對MEM8加速度計輸出的雙軸模擬振動信號進(jìn)行16位采樣，同時使用EPROM校準(zhǔn)并將校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)信息暫存到外部Flash中。射頻板主要是對采集到的加速度數(shù)字信號進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。在本文無線硬件通訊平臺上，通過對zigb∞網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議棧lzgeAT86R230射頻芯片構(gòu)建的低速率lgbe網(wǎng)絡(luò)，RF30無線射頻通訊帶寬理論值為250Kbt／s，經(jīng)測試，其有效無線數(shù)據(jù)通訊帶寬為80Kit／s號進(jìn)行實時波形傳輸時，16位ADC構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集板對加速度計每軸輸出振動信號的采樣率最大可以達(dá)到25KHz，根據(jù)奈奎斯特采樣定律“1，采用本振動信號監(jiān)測系統(tǒng)可咀對80Hz-1KHz振動變化頻率的加速度信號進(jìn)行實時波形傳輸，并在PC機(jī)端不失真地恢復(fù)原振動信號。北京化r丁大學(xué)碩十學(xué)位論文NesC嚼例㈣H嚼H盎M巫№圈骨困少無線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通訊量，降低了整個網(wǎng)絡(luò)的功耗。中繼節(jié)點與端節(jié)點硬件上的差別就是只有射頻板，沒有數(shù)據(jù)采集板，它只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)融合后的數(shù)據(jù)，使用基于路由成本的多跳路由算法進(jìn)行數(shù)據(jù)包中繼轉(zhuǎn)發(fā)，可以大大拓展了端節(jié)點與網(wǎng)關(guān)之間的通訊距離。北京化r丁大學(xué)碩十學(xué)位論文NesC嚼例㈣H嚼H盎M巫№圈骨困少無線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通訊量，降低了整個網(wǎng)絡(luò)的功耗。中繼節(jié)點與端節(jié)點硬件上的差別就是只有射頻板，沒有數(shù)據(jù)采集板，它只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)融合后的數(shù)據(jù)，使用基于路由成本的多跳路由算法進(jìn)行數(shù)據(jù)包中繼轉(zhuǎn)發(fā)，可以大大拓展了端節(jié)點與網(wǎng)關(guān)之間的通訊距離。嵌入式網(wǎng)PC無線射頻模數(shù)據(jù)TinyOSWindowns嵌入式Linux操作系l運行中間外擴(kuò)存儲l硬Lebview瀆取顯示振動波形射頻芯單片以太網(wǎng)隆行xservel圖2．3網(wǎng)關(guān)和PC主機(jī)的總體Fig．2-3Theoveralldesignofthegatewayand此外，通過Xscale處理器的USBHOST口和SD卡接口可以大大擴(kuò)展網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)存儲空間，存儲空間最大支持4GB，使得網(wǎng)關(guān)如果是處在野外沒有PC機(jī)與之相連接時候可以將無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)暫存到網(wǎng)關(guān)外擴(kuò)的USB存儲介質(zhì)和SD卡中，方便日后有PC機(jī)與之相連接時，網(wǎng)關(guān)可以將先前采集到并存于外存的數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)分析。網(wǎng)關(guān)同時作為整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)者，它也負(fù)責(zé)偵聽PC機(jī)下發(fā)的各種控制命8第二章振動信號監(jiān)測系統(tǒng)總體第二章振動信號監(jiān)測系統(tǒng)總體蕊愿嘲‘瑟山屬需M磊鼾小需操作系 l重H適II堡竺．蘭I些lI2些!!墾I矧譬霉H苗警裂H彘H瓣H黼H囂鬻塞H圖2-4網(wǎng)關(guān)軟件總體設(shè)計流程圖F蟾．2-4Theflowchartof∞fhⅣaredesignforthe如圖2．3，PC機(jī)使用Crossobow公司的Xserve中間件對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解壓PC機(jī)端本設(shè)計使用編寫上層軟件監(jiān)控界面，通過對Xserve9005端口的數(shù)據(jù)讀取，將采集到的加速度數(shù)據(jù)9第三章系統(tǒng)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)第三章系統(tǒng)節(jié)點硬件3．1贏無線射數(shù)第三章系統(tǒng)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)第三章系統(tǒng)節(jié)點硬件3．1贏無線射數(shù)據(jù)采耵0天分廠——電磊鯔0≥模擬信面酊‘躉i sPI廠———]GlPio模罩篇44蚓SN奸74L锨VC4器24，M?egal28罔R射F2頻節(jié)電叟12C口轉(zhuǎn)I<1"}]8位撥碼8PC位F8并57口圖3-1端節(jié)點硬件連接框Fig．3-1Hardwareconnectiondiagramforclient3．1．1數(shù)據(jù)采電源模塊四部分組成。它通過HRS51．DF9接口與射頻板上的Megal28單片機(jī)相連接，主要負(fù)責(zé)采集加速度信號并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。圖3-2數(shù)據(jù)采集板硬件連接圖Fig．3-2Hardwarconnectiondiagramofdataacquisition北京化．丁大學(xué)碩十學(xué)位論m／s2，g為重力加速度，值取9．8。群見r和‰r分別輸出與x北京化．丁大學(xué)碩十學(xué)位論m／s2，g為重力加速度，值取9．8。群見r和‰r分別輸出與x速度大小范圍為圖3_3ADXL210加速度計應(yīng)用diagramFi93-3如表3．1當(dāng)采用模擬電壓X肼r和％，r輸出時，可以通過改變連接到兩個管腳的e和c1，兩個電容值設(shè)置ADXL210的加速度測量．3db帶寬，其帶寬越寬，ADXL210所能測量的加速度信號頻率變化范圍越廣，但是ADXL210分辨率就會越小而且加速度計所受的帶內(nèi)噪聲的影響就會更嚴(yán)重，所以實際使用時應(yīng)對其帶寬設(shè)置進(jìn)行權(quán)衡。本數(shù)據(jù)采集板e和C，兩個電容值都設(shè)置為lIlF，保證ADXL210可以測量加速度頻率變化范圍為DC到5KHz表3-Tabk3-1Therelationof-3dbmeasurementbandwidthJe-弳05mgm／s2，非線性誤差為o．2％FS(Fs代表滿量程)，噪聲密度為500昭／撕河第三如式3．1所示，加速度計ADXL210振動加速度大小與其輸出的模擬電壓成線性關(guān)系，其中偏置電壓Vo。表示加速度為0時所對應(yīng)ADXL210模擬電壓輸出值，理論值為第三如式3．1所示，加速度計ADXL210振動加速度大小與其輸出的模擬電壓成線性關(guān)系，其中偏置電壓Vo。表示加速度為0時所對應(yīng)ADXL210模擬電壓輸出值，理論值為2．5V。振動力r，；棗度大d、zt==·：：!!：!；!：!!i!；；；；i；；；!：i；!i2：；il；il；：!：；{}!：；!i{i!i!；!：；i}{{；ii；：；ii；；!}!；：i!!警???????c3-(2)ADC數(shù)據(jù)+109研／s2，在理論值為2．5V偏置電壓％，上對應(yīng)的模擬電壓輸出范圍為1．5．3．5V，本文采用TI公司的ADS8344E對ADXL210輸出的加速度模擬電壓信號進(jìn)行ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，選擇該ADC主要是因為以下幾個原因：·ADXL21·ADXL210模擬輸出電壓圪=二；孑宰‰??????????-(3．2)(3)信號調(diào)采樣參考電壓，才能對ADXL210輸出的1．5．3．5V范圍的模擬電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而為了降低功耗和成本，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的射頻部分統(tǒng)一直接使用兩節(jié)電池3V電，數(shù)據(jù)采集板和無線射頻板兩者相同的數(shù)字邏輯對應(yīng)的電平電壓不一樣，為了保證SPI口邏輯電平的正確性，需要使用SN74LVC4245進(jìn)行邏輯電平轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)從3．3V邏輯電平系統(tǒng)到5V邏輯電平系統(tǒng)的過度。該電平轉(zhuǎn)換器提供雙向8通道電平轉(zhuǎn)換，如圖3．2本設(shè)計芯片A口使用的是5V邏輯電平，B口使用的是3．3V的邏輯電平，使P0MAXl77V到59北京化工大學(xué)碩．1源模塊給數(shù)據(jù)采集板提供5V電壓，電源模塊的原理圖如圖3．4所示，其中使用單片機(jī)的PC5輸出管腳控制電源模塊的開啟和關(guān)閉，通過將FB管腳接地使得AXl797芯片輸出預(yù)置的5V電壓。圖3_4電源部分原Fig．3-4Schematicdiagram北京化工大學(xué)碩．1源模塊給數(shù)據(jù)采集板提供5V電壓，電源模塊的原理圖如圖3．4所示，其中使用單片機(jī)的PC5輸出管腳控制電源模塊的開啟和關(guān)閉，通過將FB管腳接地使得AXl797芯片輸出預(yù)置的5V電壓。圖3_4電源部分原Fig．3-4Schematicdiagramofpowersupply如圖3．5所示，端節(jié)點的無線射頻板主要由射頻模塊和射頻功放板兩部分組成，其中射頻模塊又由加速度數(shù)據(jù)校正，加速度數(shù)據(jù)存儲，網(wǎng)路端節(jié)點信息設(shè)置和射頻數(shù)據(jù)傳輸四部分構(gòu)成。射頻模塊主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集板的數(shù)字加速度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)校正和tJr矸—前瞄+盯aI提供MAc地址l1P盯P一妒．紅LED●卜——一P地f嘞，鷂一妒I_sc哺射頻蹦晶正常工作嬲i單eg黼a128魄P8懈1／Sfl一即IJ惦·●印IjII嘟．．一IM休眠所用時罄加速度量12C與8位并設(shè)置節(jié)圖3-5射頻模塊便件連接框圖Fig．3-5HardwareconnectiondiagramofRF第三章系統(tǒng)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如前所述，ADxL第三章系統(tǒng)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如前所述，ADxL210加速度計的偏置電壓理論值為2．5V，但實際中由于各個加速度計制造工藝的差異，使得偏置電壓與理論值之間會有一定得偏差，而且不同的加速度計的偏差不一致，所以這時需要對每塊數(shù)據(jù)采集板上的加速度計進(jìn)行校準(zhǔn)，使用已知的重力加速度值(g取9．8)24LC64中，以便在實際應(yīng)用中對所測量的加速度值進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。是一個8K'8(64Kbit)大小的串行EEPROM，它通過12C接口與單片機(jī)相連接，該芯片擁有32字節(jié)／頁的頁讀寫能力，本系統(tǒng)使用它以頁為單位預(yù)存ADXL2101JtJ速度計的偏置電壓校正信息，彌補(bǔ)由各個加速度計制造工藝的差異而產(chǎn)生的偏置電壓差異。(2)數(shù)據(jù)存前面介紹過基于IEEE802．15．4通訊協(xié)議的RF230射頻芯片其有效無線數(shù)據(jù)傳輸帶寬只有8Kbit／s左右，本系統(tǒng)使用6位AD轉(zhuǎn)換器D8344對ADL210輸出的雙軸模擬加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，要想實現(xiàn)實時無線振動加速度數(shù)據(jù)波形傳輸，采樣率最大只能達(dá)N2．5KHz。本設(shè)計在端節(jié)點的射頻模塊中使用512B大小的FlashAT5DB41暫存雙軸加速度數(shù)據(jù)，可以先將采集到的數(shù)據(jù)先緩存到Fl嬲h中，這樣對每軸加速度信號采樣的采樣率可以設(shè)置為5KHz。這時使用512KB大小的Flash可至少緩存25秒的雙RF230射頻通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而在數(shù)據(jù)采集過程中RF230射頻通道可以關(guān)閉，從而降低節(jié)點的功耗并提高加速度信號采樣率，保證系統(tǒng)能監(jiān)測機(jī)械臺0—2KHz圍的振動信號。如圖3．5，AT45DB04兼容SPI模式0和模式3n們，它與Megal28通過USARTl口相連接，該Flash主存擁有2048頁(264B／頁)，總?cè)萘繛?28KB，其中2個264B靜態(tài)隨機(jī)存儲器用作數(shù)據(jù)緩沖器，當(dāng)對非易失性主存編程時允許同時接收數(shù)據(jù)，所以實際可存儲的Flash大小為512KB。本系統(tǒng)使用單循環(huán)重復(fù)頁編程，每一次以先擦除后(3)網(wǎng)絡(luò)端節(jié)點信息設(shè)址。端節(jié)點使用8位撥碼開關(guān)來設(shè)置節(jié)點號，如圖3．6，TI公司的PCF8574是一個12C8位并行口芯片，由于本系統(tǒng)單片機(jī)GPIO口資源使用比較緊張，需使用PCF8574GPIO數(shù)量。PCF8574與充24LC64--起共用Megal28的12C接情況可知，其使用的12C總線設(shè)備地址為Oll，而24LC64使用的12C001。通過PCF8574接口轉(zhuǎn)換，Megal28可以讀取8位撥碼開關(guān)的狀態(tài)。節(jié)點上電時北京化工人學(xué)碩上學(xué)位論圖3_6北京化工人學(xué)碩上學(xué)位論圖3_6Megal28的12C總線連接設(shè)備原Fig．3-6Thedevices12Cinterface如圖3．5，DS2401增強(qiáng)型硅序列號芯片是一款低成本的電子注冊碼，以最少的電接口(通常只需一個微處理器端口)提供絕對、唯一的識別功能。內(nèi)含一個工廠刻入的64位RO48RC(01)。1．ireA41．3Kbs取和寫入器件的電源可以由數(shù)據(jù)線本身產(chǎn)生，無須外部供電。本文使用它為各個節(jié)點提供唯一標(biāo)識的64比特物理MAC地址。訊協(xié)議的AT86RF230射頻芯片n¨。該芯片擁有．101dBm的接收靈敏度和最大3dBmZigbee射頻芯片，RF230芯片擁有至三倍的通訊距離，而功耗卻只有CC2430的一半，我們在北京某高爾夫球場做過實驗，由RF230構(gòu)成的兩個射頻節(jié)點之間進(jìn)行可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ嵕嚯x可達(dá)300米，丟包率不No．1％。RF230作為低功耗工作頻帶范圍為2．4GHz～2．4835GHz的射頻收發(fā)器，采用數(shù)字直接序列擴(kuò)頻DSSS和O—QPSK調(diào)制方式來提供理論上為250Kbit／s輸數(shù)率，經(jīng)過實際測量，其有效的無線數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率是80Kbit，s左右，只能專用于低速率的無線數(shù)據(jù)傳輸，但由于其低發(fā)射功率和低功耗特性，完全可以使用兩節(jié)5池進(jìn)行供電，并且其完全兼容IEEE802．15．4通訊協(xié)議，使我們可以在其基礎(chǔ)上利用Zigbee現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議棧組建多跳路由網(wǎng)絡(luò)，大大擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的通訊距離，使其特別適合于工業(yè)控制和防爆領(lǐng)域的應(yīng)用。該芯片與單片機(jī)連接的主要管腳定義如第三表3-2RF230主要管腳定義Table3-2Themainpindefinitionof第三表3-2RF230主要管腳定義Table3-2Themainpindefinitionof描SPI選擇信號SPI數(shù)據(jù)線(主設(shè)備輸出從設(shè)備輸SPI數(shù)據(jù)線(主設(shè)備輸入從設(shè)備輸SPI時鐘輸入RF230時鐘信號輸出，可給單片機(jī)提供1．16MHz參考時RF230中斷請求信號輸SLPRF230休眠／蘇醒狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制輸入信端節(jié)點的MCU使用的是ATMEL公司的Megal28AVR單片機(jī)，該MCU擁有128KB系統(tǒng)可編程Flash和16MHz的最大工作頻率，可以達(dá)到端節(jié)點的控制性能需求。單片機(jī)與RF230的硬件接口連接如圖3．5所示，RF230內(nèi)部包含一個128字節(jié)大小的雙端口SRAM用作無線收發(fā)FIFO，Megal28通過SPI接口讀／寫RF230收發(fā)緩存區(qū)數(shù)據(jù)。如圖3．5，Megal28的PD4管腳使用第二功能，用于捕獲RF230中斷請求信號，每當(dāng)端節(jié)點無線收到或者發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)時，RF230的IRQ管腳就會產(chǎn)生中RF23收發(fā)FFO中的數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)與R20之間的無線收發(fā)數(shù)據(jù)交換。20使用B7管腳控制R30休眠和正常工作模式的轉(zhuǎn)換，當(dāng)P7輸出為高時，F(xiàn)30R3由本無線射頻模塊構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在進(jìn)行可靠數(shù)據(jù)傳輸時，直接通訊距離可以達(dá)至U300米。但在某些場合，我們可能需要兩節(jié)點間的直接通訊距離可以達(dá)Nsoo米，為了擴(kuò)展節(jié)點間的通訊距離，我們使用射頻功放電路放大射頻節(jié)點的發(fā)射功耗，如圖3．7，我們使用PA2423作為射頻功放，該PA是專用于2．4G射頻芯片的功放，工作在3．3V，最大可以提供+22．5dBm的功率放大，電流損耗是125mA。通過控制加到∥r佃管腳上的模擬電壓大小，可以靈活改變PA2423功率放大倍數(shù)和功耗。本設(shè)計使用Megal28的管腳輸出1邏輯電平(3V電壓)控制PA2423產(chǎn)生最大的功率放大，這樣才能保證節(jié)點間射頻500米的北京化．T大學(xué)北京化．T大學(xué)碩：}：學(xué)位論圖3．7RF230加功放的原理框圖Fig．3-7BlockdiagramofRF230addingpower如上圖，RF230射頻信號的收發(fā)采用差分方式傳送，其最佳差分負(fù)載是100歐姆，而本設(shè)計使用的是單端50歐姆RF天線，需要使用Balun不平衡變壓器進(jìn)行50歐姆阻抗匹配。UPG2214是一個模擬單刀雙擲開關(guān)，可以工作在O．05到3．0GHz，具有低插入損耗和高的隔離度。它由Megal28的PC6管腳控制，作為RF230的TX／RX通道切換開關(guān)，使得RF230發(fā)送信號經(jīng)過PA2423進(jìn)行功率放大之后再通過天線進(jìn)行射頻發(fā)送，而從天線接收來射頻信號不經(jīng)過PA2423直接到不平衡變壓器由RF230接收。經(jīng)過實地測量，加了功法的節(jié)點之間的通訊距離可以達(dá)到將近600米，丟包率小于但是功耗是不加功法節(jié)點的將近3倍，射頻部分的功耗可以達(dá)到70mA。加了功放的好處就是，一樣的通訊覆蓋距離，網(wǎng)絡(luò)如果使用加功放的節(jié)點方案，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點使用數(shù)可以比使用不加功放的節(jié)點方案少得多。節(jié)點間的跳數(shù)減少了，這樣網(wǎng)絡(luò)的可靠性會增強(qiáng)。而且本系統(tǒng)要考慮到節(jié)點間的時間同步問題，多跳網(wǎng)絡(luò)時間同步誤差是會隨著3．2第=章系統(tǒng)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)數(shù)A阿關(guān)子板圈3-8Brig．3-SDaughterandmain3第=章系統(tǒng)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)數(shù)A阿關(guān)子板圈3-8Brig．3-SDaughterandmain3圓匾駔網(wǎng)一——1—一下——1l!嬰ul1犁劇SN74LVCA245兩LAN9甚Fig．3-圖3-9邏輯電平，而網(wǎng)關(guān)的PXA271CPU為了降低功耗．芯片本身設(shè)計時就必須使用的是北京化丁大學(xué)碩：}：學(xué)位北京化丁大學(xué)碩：}：學(xué)位論LAN91C11l是SMSC公司為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而推出的第三代快速以太網(wǎng)控制．100Bae．T／10Bae．T3-PX271位的數(shù)據(jù)線和26位的地址線以及內(nèi)存控制信號線相連接，該芯片上集成了EEPROM接EEPOMn(Ariter器一方面通過總線接口單元與外部CPU聯(lián)系，另一方面控制內(nèi)存控制單元(MMU)，8KRAMDM控DMADM之間的數(shù)據(jù)交換。以太網(wǎng)協(xié)議處理器出來的數(shù)量最終經(jīng)過10Mb／s／100Mb／s的PHYTll0S05N和J45TFTPLinux內(nèi)核鏡像zlmage及JFFS2格式的文件系統(tǒng)燒到PⅪ墟7l上，這比通過串口下載要快得多，并且可以通過Telnet方式遠(yuǎn)程調(diào)試網(wǎng)關(guān)節(jié)點，通過以太網(wǎng)口我們還可以上圖3．10PⅪ墟71Fig．3-10Periphe：ralsconnectiongraphofPXA271第三圖3．10MavelXsalePA271處理器作為主控CP硬件結(jié)構(gòu)圖。PXA271處理器是基于ARMV5TE的構(gòu)架，采用7／8級超級流水線的高端CPU，其工作主頻可以達(dá)到625MHZ，其內(nèi)部集成了256KB的SR第三圖3．10MavelXsalePA271處理器作為主控CP硬件結(jié)構(gòu)圖。PXA271處理器是基于ARMV5TE的構(gòu)架，采用7／8級超級流水線的高端CPU，其工作主頻可以達(dá)到625MHZ，其內(nèi)部集成了256KB的SRAM、32MB的SDRAM和32MB的Flash，SDRAM的時鐘速率可以達(dá)到104MHZFlash速率可以達(dá)到52MHZ，方便我們暫存數(shù)據(jù)同時由于芯片高度集成化，使得芯片片外高速信號線基本沒有，大大降低了網(wǎng)關(guān)PCB布線難度，這是本系統(tǒng)選擇該處理器作為網(wǎng)關(guān)CPU的主要原因之一。此外，PXA271義上的SOPC。如上圖所示我們使用的外設(shè)接口主要是2個UART口，1個口，1個SD接口，并使用32位的數(shù)據(jù)線和26位的地址線與以太網(wǎng)控制器FT222內(nèi)部默認(rèn)設(shè)置，讓其通道A工作在串行UAT模式下，實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口功能，該芯片可以直接由主機(jī)USB口供電，F(xiàn)TDI公司提供各種主流操作系統(tǒng)下的FT2232設(shè)備驅(qū)動，這樣我們就可以在主機(jī)使用該驅(qū)動虛擬出來的串口與PX271的STD．UART口相連接，可以很方便地調(diào)試和加載Linux驅(qū)動模塊甚至可以通過Xmodem協(xié)議與PXA271實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)傳輸，在PC機(jī)端我們還可以使用超級終端與肆#豐‰盎‰卜苧甲h爿"-I守I廠—：鼉烈：f1專豐l型且堡u■_●n¨堂—一●t^¨l——《．，．k∥．。叫1||制粉E一號靠{星霉寒七鼉妄USB轉(zhuǎn)串口設(shè)備硬圖HardwareconnectiondiagramofFT2232CUSBtoserialFig．3-Mgal8RF2的射頻部分，采用與端節(jié)點的無線射頻模塊相同硬件結(jié)構(gòu)的目的是統(tǒng)一系統(tǒng)無線射頻gal2通過UARTP21北京化．T3．2．3網(wǎng)關(guān)節(jié)北京化．T3．2．3網(wǎng)關(guān)節(jié)點的外存PXA271上面集成了通用串行總線(USB)的主機(jī)口和從接口，都遵行USBl．1規(guī)范。USB是差分信號，在布線時應(yīng)遵循差分線布線規(guī)則，另外USB主機(jī)口需要DA9030動態(tài)對外提供5V電壓，在USB設(shè)備接入瞬間，USB設(shè)備上的電源濾波電容會汲取較大電流，會對5V網(wǎng)絡(luò)造成瞬間的壓降，因此USB主機(jī)口使用TPS2015作為過流保護(hù)芯片。如圖3．12，UB主機(jī)接口電路還使用SN7240芯片作為SB口瞬態(tài)抑制器，抑制差分線上的噪聲干擾。USBHost口最大支持4GB大小的U盤空間，=圖3-12 USB主機(jī)接口和SD卡接口電路Fig．3-12ThecircuitofUSBHostandSDcardinterfaceforPXA271的SD控制器接口支持MMC、SD、SDIO和SPI協(xié)議，SD控制器在不3．2，下【第三章系統(tǒng)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)CD：卡監(jiān)測引腳。當(dāng)有卡插入時，該引腳對地短路。本文使用PXA271的出的4．8V電池充電電壓VBAT轉(zhuǎn)成穩(wěn)定的3．3V電壓VCC第三章系統(tǒng)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)CD：卡監(jiān)測引腳。當(dāng)有卡插入時，該引腳對地短路。本文使用PXA271的出的4．8V電池充電電壓VBAT轉(zhuǎn)成穩(wěn)定的3．3V電壓VCCSD給SD卡供電。PXA271處理器能夠運行在低電壓(O．85V)和低頻率(13MHz)的模式。通過PA2725M耗模式，其中包括睡眠模式(O．15mw)和深度睡眠模式(O．1mw)。使用rssow公司的ACMl00功率計對PXA271功耗進(jìn)行測量得表3．3，由表可以看出PXA271內(nèi)PXA271非常適合用于資源有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)PXA271使用100MHz內(nèi)存時鐘，208MHz運行時鐘和416MHzTurbo模式時鐘，對應(yīng)的CCCR0x00000161表3-Table3-3Therelationofcornfrequencyand內(nèi)核電斜內(nèi)核主工作10mW10mWmV／uS1．18lOnl、廠DA903動態(tài)地為PXA271內(nèi)核和Io口提供各種大小電壓，從而控制PXA271內(nèi)核主頻。此外，該芯片還包含19個高性能的電壓調(diào)整器、器可以動態(tài)地為PXA271的各種外設(shè)(如USBHOST口和SD北京化T大學(xué)碩：卜學(xué)位論文3．3端節(jié)點和網(wǎng)關(guān)子板的PCB電北京化T大學(xué)碩：卜學(xué)位論文3．3端節(jié)點和網(wǎng)關(guān)子板的PCB電路板設(shè)放電路板和網(wǎng)關(guān)子板的PCB電路板設(shè)處理器之間的時鐘信號線最高頻率也只有25MHz，所以雖說網(wǎng)關(guān)子板上系統(tǒng)總線(2所謂減少引線層間交替，是指減少元件連接過程中所用的過孔。一個過孔可以帶來約的10pF分布電容，減少過孔數(shù)量能顯著提高速度。在平行信號線的反面布置大面積的地，從而大幅度的減少干擾。在相鄰的兩個層的走線方向務(wù)必取為相互垂直，在高頻電路布線中最好在相鄰層分別進(jìn)行水平和垂直布盡量加粗電源線和地線，以減少環(huán)路電阻，若接地線很細(xì)，接地電位將隨電流的變化而變化，導(dǎo)致電子設(shè)備的電壓信號不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。同時電源線和地線的走向應(yīng)和數(shù)據(jù)線傳輸方向一致，以提高抗干擾能力。將數(shù)字電路和模擬電路分開，分別供電多點接地并通過磁珠單點共地，模擬信號線周圍盡量不要有高頻數(shù)字信號線。第=章系統(tǒng)口點礁件鲇構(gòu)設(shè)3第=章系統(tǒng)口點礁件鲇構(gòu)設(shè)3本系統(tǒng)端節(jié)點和網(wǎng)關(guān)子板均采用4層CB板，使用PDS中端節(jié)點又分為數(shù)據(jù)采集模塊。射頻模塊，射頻功放電路板三部分。射頻模塊可以焊接0射頻功放電路板上并通過HRS1一D9接口與數(shù)據(jù)采集模塊相連接構(gòu)成加功放的端節(jié)點。單獨繪制功放板的日的是當(dāng)系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場時，可以對實際中的端節(jié)點是否加功放進(jìn)行取舍。其異部分PCB}車|如圉3一13端節(jié)點的數(shù)據(jù)采集扳和射頻模塊PCBacquisitionboard衄圖3—14端”點射頻功放電路PCBFi93—14PCBofRFpower圖3—1s同關(guān)圖3—1s同關(guān)子板PCBFig．3—15ThePCB第四第四章系統(tǒng)節(jié)點軟件第四第四章系統(tǒng)節(jié)點軟件Zomponet-Baed使得能夠快速實現(xiàn)各種應(yīng)用。TinyOS的程序采用的是模塊化設(shè)計，所以它的核心程序往往都很小(一般來說核心代碼和數(shù)據(jù)大概在400Bytes資源少的限制，這能夠讓TinyOS很有效地運行在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上并去執(zhí)行相應(yīng)的管TOTinyS集到的信息。TinyOS只要在控制臺發(fā)出管理信息，然后由各個節(jié)點通過無線網(wǎng)絡(luò)互相傳遞，最后達(dá)到協(xié)同一致的目的。事件驅(qū)動的體系結(jié)構(gòu)(Event．Driven心dlitecture)：TinyOS·Compnentd．BasdArchitcture)：TnyOS可重用的組件，一個應(yīng)用程序可以通過連接配置文件將各種組件連接起來，以完成它所需要的功能?！と蝿?wù)與事件的并行模式(TasksAndEventsConurenyModl)在對于時間要求不是很高的應(yīng)用中，且任務(wù)之間是平等的，即在執(zhí)行時是按順序先后來的，而不能互相占先執(zhí)行，一般為了減少任務(wù)的運行時間，要求每一個任務(wù)都很短小，能夠使系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)較輕。事件一般用在對于時間的要求很嚴(yán)格的應(yīng)用中，而且它可以占先優(yōu)于任務(wù)和其他事件執(zhí)行，它可以被一個操作的完成或是來自外部環(huán)境的事件觸發(fā)，在TinyOS北京化工大學(xué)碩．1iy的執(zhí)行北京化工大學(xué)碩．1iy的執(zhí)行效率NesCTinyOS操作系統(tǒng)、庫和服務(wù)程序都是用esC語言編寫的‘163。NeC組件式結(jié)構(gòu)程序的語言，具有C的語法風(fēng)格，但是支持TinyOS的并發(fā)模型和連接組件，主要用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的編程開發(fā)。NesC應(yīng)用程序是由有良好定義的雙向接口的組件構(gòu)建的，它定義了一個基于任務(wù)和硬件事件處理的并發(fā)模型，并能在編譯時檢測數(shù)據(jù)流組件Zigbee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)層通訊協(xié)ZigbeZibeIEE80．5．I公司提供的Zigbee網(wǎng)絡(luò)參考協(xié)議棧Zstack源代碼進(jìn)行裁剪，產(chǎn)生自己專用一套通訊協(xié)議棧。本系統(tǒng)使用AT86RF230射頻芯片和Megal28單片機(jī)構(gòu)建無線通訊平臺，參照Zigbee現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)層通訊協(xié)議棧【l引，使用原語對Zigbee網(wǎng)絡(luò)初始生成，子節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，Zigbee網(wǎng)絡(luò)地址分配機(jī)制以及Zigbee網(wǎng)絡(luò)基于路由成本的路由算法進(jìn)行分Zigbee網(wǎng)絡(luò)層特圖4-Zigbee網(wǎng)絡(luò)ReferenceforFig．4-第四層數(shù)據(jù)實體服務(wù)接入點(NLDE．SAP)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理服務(wù)實體通過網(wǎng)絡(luò)層管理實體服務(wù)接入點(NLE．SAP)提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)哺3。這兩種服務(wù)通過S．和MLME—SA為MAC層提供接口。除此之外，在NLME和NLE之間還有一個接口使得NLME可以使用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)。第四層數(shù)據(jù)實體服務(wù)接入點(NLDE．SAP)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理服務(wù)實體通過網(wǎng)絡(luò)層管理實體服務(wù)接入點(NLE．SAP)提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)哺3。這兩種服務(wù)通過S．和MLME—SA為MAC層提供接口。除此之外，在NLME和NLE之間還有一個接口使得NLME可以使用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)。表4-1網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單Table4=1PDUfornetwork 221l2源源地幀控制目目源幀的路由地地效載址的有載網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體提供如下服務(wù)國個合適的設(shè)備，該設(shè)備可能是最終目的通信設(shè)備，也可能是在通信鏈路中的一個中間通信設(shè)備。(1)配置一個新的設(shè)備：為保證設(shè)備正常工作的需要，設(shè)備應(yīng)具有足夠的堆棧，以滿足配置的需要。配置選項包括對一個Zigbee協(xié)調(diào)器或者連接一個現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的初始化·連接和斷開網(wǎng)絡(luò)。具有連接或者斷開一個網(wǎng)絡(luò)的能力，以及為建立一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或者路由器，具有要求設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)斷開的能力。北京化工大學(xué)碩．I北京化工大學(xué)碩．I網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體服務(wù)接入點支持對等應(yīng)用實體之間的應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元的傳輸。如表4—1，適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)層協(xié)議頭，并使用網(wǎng)絡(luò)層管理實體提供鄰居設(shè)備發(fā)現(xiàn)和路由發(fā)現(xiàn)功能，為網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包添加路由信息，找到最佳路徑的父節(jié)點地址附在網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元中。其中幀包頭包括幀控制、地址、序列信息和路由地址信息，有效載荷部分主要包在節(jié)點工作時，各種不同的任務(wù)在不同層次上執(zhí)行，通過層的服務(wù)，完成所要執(zhí)行的任務(wù)。每一層的服務(wù)主要完成兩種功能：根據(jù)它的下層服務(wù)要求，為上層提供相應(yīng)的服務(wù)；另一種是根據(jù)上層的服務(wù)要求，對它的下層提供相應(yīng)的服務(wù)，在zigbee網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議棧中各項服務(wù)由代表其特點的服務(wù)原語和參數(shù)來描述隨1。如圖4．2具有N個用戶的網(wǎng)絡(luò)中，兩個對等用戶以及它們與M原語EFig．4-2(3)Response：響應(yīng)原語是第Ⅳ，用戶向它的第M層發(fā)送，用來標(biāo)識用戶執(zhí)行上一(4)Confirm：確認(rèn)原語是從第M層向第M務(wù)請求原語的執(zhí)行結(jié)果第p11章系統(tǒng)節(jié)點軟件結(jié)構(gòu)第p11章系統(tǒng)節(jié)點軟件結(jié)構(gòu)在Zigbee協(xié)議中，只有協(xié)調(diào)器(全功能器件FFD)有能力建立新的網(wǎng)絡(luò)，一個網(wǎng)絡(luò)中一般由網(wǎng)關(guān)充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。所以一個網(wǎng)絡(luò)中如果沒有網(wǎng)關(guān)，就終止網(wǎng)絡(luò)的建立，如果有，網(wǎng)關(guān)便可以進(jìn)行下一步的能量掃描。能量掃描由MAC完成，能量掃描是對所有信道進(jìn)行掃描，選擇能量損耗低一些的作為建立網(wǎng)絡(luò)的備用信道。能量損耗是指某信道通信量的多少，也就是信道的繁忙程度。如果沒有發(fā)現(xiàn)可用信道，則終止網(wǎng)絡(luò)建立；反之，則繼續(xù)進(jìn)行激活掃描。激活掃描是對能量發(fā)現(xiàn)掃描中發(fā)現(xiàn)的信道進(jìn)行掃描，目的是檢測此信道是否已被激活，只有被激活的信道才可用。在激活掃描中，如果沒有發(fā)現(xiàn)合適的信道，則終止網(wǎng)絡(luò)建立；如果找到合適的信道，就報告給網(wǎng)絡(luò)層，由網(wǎng)絡(luò)層在合適的信道中選定使用的信道，并隨機(jī)選擇一個PANID號(一個16位的地址，是唯一的)分配給這個新建的網(wǎng)絡(luò)，再由網(wǎng)絡(luò)層隨機(jī)分配一個16位的網(wǎng)絡(luò)地址給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)絡(luò)層發(fā)給MAC層PANID啟動請求，收到MAC層的確認(rèn)后，網(wǎng)絡(luò)便可以向應(yīng)用層報告，至此新的網(wǎng)絡(luò)建立成功阻¨18¨制。網(wǎng)絡(luò)建立的流程圖如圖4．3所示圖4-Fig．4-3SetupforZigbe圯在一個Zigbee協(xié)調(diào)器(網(wǎng)關(guān))設(shè)備建立網(wǎng)絡(luò)后，路由器設(shè)備(FFD)或者終端設(shè)備(RFD)，就可以加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)。加入方式有兩種，一種是通過關(guān)聯(lián)北京化丁大學(xué)碩十學(xué)位北京化丁大學(xué)碩十學(xué)位(1Fig．4_4Flowchartforchildmotesjoiningthe首先對于一個子終端設(shè)備(RFD)，只能加入一個網(wǎng)絡(luò)，因此，只有沒有加入過網(wǎng)絡(luò)的才能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的加入。在這些設(shè)備中，有些是曾經(jīng)加入過網(wǎng)絡(luò)，但是卻與它的父節(jié)點喪失聯(lián)系，這樣的被稱為孤節(jié)點。在它的相鄰表中存有原父節(jié)點的信息，它可以直接給原父節(jié)點發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的請求信息。如果原父節(jié)點有能力加入它，就直接告知它以前被分配的網(wǎng)絡(luò)地址，它便入網(wǎng)成功；如果此時它的原父節(jié)點的子節(jié)點數(shù)已達(dá)最大值，便無法批準(zhǔn)它加入，那么它只能以新節(jié)點的身份重新尋找父節(jié)點請求加入網(wǎng)絡(luò)。對于一個新節(jié)點，它首先會掃描周圍可找到的網(wǎng)絡(luò)，尋找有可能批準(zhǔn)自己加入網(wǎng)可以存八個鄰居節(jié)點的資料信息，存入相鄰表的父節(jié)點的資料包括Zigbee協(xié)議的版本、堆棧的規(guī)范、PANID和加入的信息。在相鄰表中所有的父節(jié)點中選擇一個深度最小的即離網(wǎng)關(guān)跳數(shù)最少的節(jié)點，并對其發(fā)出請求信息，如果出現(xiàn)相同最小深度的兩第網(wǎng)的父節(jié)點信息，那么入網(wǎng)失敗，終止此過程。如果發(fā)出的請求被批準(zhǔn)，那么父節(jié)點同時會分配給它一個16位的網(wǎng)絡(luò)地址，此時入網(wǎng)成功，子節(jié)點可以開始通信。如果請求失敗，那么重新查找相鄰表，繼續(xù)發(fā)送請求信息，直到加入網(wǎng)絡(luò)或者相鄰表中沒有了合適的父節(jié)點n引。對于子設(shè)備，首先調(diào)用NLME_NETWoRK．DISCOVElw．request描的信道，以及每個信道掃描的時間，網(wǎng)絡(luò)層收到這個原語，將要求MAC第網(wǎng)的父節(jié)點信息，那么入網(wǎng)失敗，終止此過程。如果發(fā)出的請求被批準(zhǔn)，那么父節(jié)點同時會分配給它一個16位的網(wǎng)絡(luò)地址，此時入網(wǎng)成功，子節(jié)點可以開始通信。如果請求失敗，那么重新查找相鄰表，繼續(xù)發(fā)送請求信息，直到加入網(wǎng)絡(luò)或者相鄰表中沒有了合適的父節(jié)點n引。對于子設(shè)備，首先調(diào)用NLME_NETWoRK．DISCOVElw．request描的信道，以及每個信道掃描的時間，網(wǎng)絡(luò)層收到這個原語，將要求MAC動或主動掃描該設(shè)備的MAC層，該Beacon幀包含了發(fā)送該幀的地址信息，以及是否允許其他息到相鄰表(neighbortable當(dāng)MAC層完成了掃描，將發(fā)送MLME．SCAN．confirm原語，告知網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用層收到該原語后，將根據(jù)情況，重新要求掃描，或者從相鄰表中選擇所發(fā)現(xiàn)NME．OINrequst∞)來實現(xiàn)此操作非常容易。如果在相鄰表中找不到合適的準(zhǔn)父節(jié)點，則調(diào)用原語告知應(yīng)一旦潛在的父節(jié)點確定，網(wǎng)絡(luò)層將調(diào)用MLME．ASSoCL垤E．request原語到MC層。具體設(shè)置參看協(xié)議相關(guān)部分唧，連接狀態(tài)將通MLME．ASSOCIATE．confirm原語反饋。如果試圖加入不成功，MAC層通過MLME．ASSOCIATE．confirm原層加入網(wǎng)絡(luò)失敗，如果收到的是潛在父節(jié)點拒絕該設(shè)備加入，網(wǎng)絡(luò)層將會在相鄰表中，把該潛在父節(jié)點的潛在父節(jié)點位(potentialparentbit)設(shè)備發(fā)送二次加入請求。加入或者所有的設(shè)NLME北京化T(用來請求設(shè)備開始使用新的超幀配置)原語到MAC層。當(dāng)收到了MAC層發(fā)送的MLME．START．confirm原語后，網(wǎng)絡(luò)層將發(fā)送NLME北京化T(用來請求設(shè)備開始使用新的超幀配置)原語到MAC層。當(dāng)收到了MAC層發(fā)送的MLME．START．confirm原語后，網(wǎng)絡(luò)層將發(fā)送NLMESTARTROUTER．confirm原語SOCIATE．indication設(shè)備是否已經(jīng)存在其相鄰表中。如果找到存在，NLME將獲取相應(yīng)的16位網(wǎng)絡(luò)地址并發(fā)送associationresponse到MAC層；如果不存在，將分配一個在這個網(wǎng)絡(luò)中唯并通過并通過MLMEASSOCIATE．respoIlse原語，告知該設(shè)備，已經(jīng)成功加入網(wǎng)絡(luò)。有子節(jié)點主動加入網(wǎng)絡(luò)，那當(dāng)然同時存在子節(jié)點被動加入網(wǎng)絡(luò)。被動加入要比主joiN．request原語(目的地址部分設(shè)置成要求加入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的IEEE地址)，在父節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)層判斷該子設(shè)備是否已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)，如果在其相鄰表中找到了這個設(shè)備，將終止操作，并通過NLMEDIRECTJOIN．confirm原語告訴應(yīng)用層，該設(shè)備已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)，如果沒有找到，用層創(chuàng)建成功。如果父設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址已經(jīng)分配完畢，將NLMESCAN．confirm原語返回結(jié)果。描，該步由如果掃描成功，網(wǎng)絡(luò)層將通過調(diào)用 JOIN．confirm原語告之應(yīng)用層，加入成功如果掃描沒有成功，網(wǎng)絡(luò)層將終止操作，并告之通過調(diào)用NLMEJOIN．confirm原語第四章系統(tǒng)節(jié)點軟件結(jié)構(gòu)子節(jié)點同意加入后，父節(jié)點將在MAC第四章系統(tǒng)節(jié)點軟件結(jié)構(gòu)子節(jié)點同意加入后，父節(jié)點將在MAC層收到MLMEORPHAN．Indication(告知上層存在一個孤點設(shè)備)原語，然后其網(wǎng)絡(luò)層將查找該子設(shè)備是否為孤兒節(jié)點。如果是，則比較IEEE地址，若有匹配的，則獲取相應(yīng)的16位網(wǎng)絡(luò)地址，并在MAC過MLME_ORPHAN．response原語告知子設(shè)備n引。加入網(wǎng)絡(luò)之后的節(jié)點會根據(jù)Zgee網(wǎng)關(guān)決定其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)連接的子設(shè)備的最大數(shù)目，每個子設(shè)備的地址都是由其父設(shè)備采用分布式地址分配方案分配的，但是每一個父設(shè)備所分配的網(wǎng)絡(luò)地址段都是有限的。每一個子設(shè)備都有一個連接深度，表示在采用父子關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)中，一個傳送幀傳送到網(wǎng)關(guān)的最小跳數(shù)。網(wǎng)關(guān)的深度為O，它的子設(shè)備的深度為1，對于多跳網(wǎng)絡(luò)，其深度是大于的1，深度為D，父設(shè)備擁有子設(shè)備的最大值為C，父設(shè)備的子設(shè)備中路由器的最大數(shù)目為j宅：，，]}?????????????．c4-={1+c一R一c事尺D一5一 )Ll—J如果一個設(shè)備的Cnum(S)為0，表明它沒有接受子設(shè)備連接的能力，為一個終端設(shè)備，如果一個設(shè)備的Cnum(S)大于0，表明可以接受子設(shè)備，并且會根據(jù)子設(shè)備是否具有路由能力來向子設(shè)備分配不同的地址。父設(shè)備為其第一個路由器子設(shè)備分配一num(其中1≤，≤(CAparen為4，網(wǎng)絡(luò)的最大深度D為3，父設(shè)備的子設(shè)備中路由器的最大數(shù)目R為4，設(shè)父設(shè)備Cnu(S)42—5所示嘲。Table4-2Thedepthofnetworkandaddress北京化工人學(xué)碩．1：學(xué)位論Cnum(S產(chǎn)北京化工人學(xué)碩．1：學(xué)位論Cnum(S產(chǎn)圖4-5Fig．4-5Networkaddressallocation本系統(tǒng)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的路由選擇使用的是平衡混合算法，它是距離矢量算法和鏈路狀態(tài)算法的綜合，Zigbee設(shè)備節(jié)點上電初始化加入網(wǎng)絡(luò)時選用的是鏈路狀態(tài)算法確保節(jié)點能第一時間加入到網(wǎng)絡(luò)中，在路由選擇和維護(hù)時，Zigbee的路由算法使用了路由成本的度量方法來比較路由的好壞。路由成本是由組成路由的鏈路成本構(gòu)成，而鏈路成本是與路由中的每一條鏈路相關(guān)的。c{P>2∑c{【Dt，Di+t】)---?????????一．(4-C{1)2№～㈨因而，路由成本為常數(shù)7，倒數(shù)，該數(shù)為每次使用該鏈路時預(yù)期從該鏈路得到數(shù)據(jù)包的請求次數(shù)。設(shè)備利用網(wǎng)絡(luò)層信息庫的nwkReportConstantCost屬性設(shè)置為TRUE的方法，強(qiáng)迫設(shè)備報告鏈路成本第四章系統(tǒng)節(jié)點軟件結(jié)構(gòu)翻可通過實際計算收到的信標(biāo)和數(shù)據(jù)幀來進(jìn)行估計，即通過觀察幀的相應(yīng)序列號來檢測丟失的幀，這通常被認(rèn)為是最準(zhǔn)確地測量接受概率的方法。但是，對于所有的方法來說，最直接和最有效的方法就是使用IEEE802第四章系統(tǒng)節(jié)點軟件結(jié)構(gòu)翻可通過實際計算收到的信標(biāo)和數(shù)據(jù)幀來進(jìn)行估計，即通過觀察幀的相應(yīng)序列號來檢測丟失的幀，這通常被認(rèn)為是最準(zhǔn)確地測量接受概率的方法。但是，對于所有的方法來說，最直接和最有效的方法就是使用IEEE802．15．4的MAC層和PHY層所提供的每一幀的LILQILQ值與Cl}如圖4．6本設(shè)計中節(jié)點使用ATMEL公司的RF230射頻芯片可以通過SPI口實時的讀取它的LQI值。LQI的取值范圍是【0，2551，占8比特，LQI為0表示由于干擾和多徑傳輸引起的信號失真所產(chǎn)生的最差的信號質(zhì)量，并且信號強(qiáng)度在接收靈敏度之下。為255貝JJ表示信號強(qiáng)度在接收靈敏度之上并且由于低失真產(chǎn)生高信號質(zhì)量。I圈刪硼咖唧m哪哐咖I啊l肌唧哪腫舢Ⅱ唧唧硼哪II咖畦砌珊I哪哪Ⅱ硼唧哪n唧H哪珊肌唧唧_珊啊麗～一～釉一圖4_6幀接收序FrameFig．4-S以lue辦本系統(tǒng)節(jié)點在無線射頻模塊的Megal28片內(nèi)Flash中建立了一張路由表，最大存放著本節(jié)點與鄰居8個節(jié)點之間的LQI和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)地址信息，當(dāng)節(jié)點需要中繼節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時，它就會從路由表中選擇LQI值最大的節(jié)點作為自己的父節(jié)點進(jìn)行進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)鄰居節(jié)點數(shù)多于8個的時候，節(jié)點路由表只會存放LQI值相對較大的8個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址信息。加入網(wǎng)絡(luò)之后它會使用距離矢量算法優(yōu)化整個網(wǎng)絡(luò)，認(rèn)為具有最小跳數(shù)的路徑是最優(yōu)路徑。按照Zigbee網(wǎng)絡(luò)層的規(guī)定，端節(jié)點與網(wǎng)關(guān)之間的跳數(shù)不能超過15節(jié)點與端節(jié)點之間的總跳數(shù)不能超過32跳，認(rèn)為跳數(shù)超過規(guī)定的目的地址是不可到達(dá)的。經(jīng)過測試，本系統(tǒng)終端節(jié)點與網(wǎng)關(guān)之間進(jìn)行可靠數(shù)據(jù)傳輸時的最大跳數(shù)可以達(dá)到10跳，完全滿足網(wǎng)絡(luò)性能要求。來自上層的廣播幀，則廣播該幀。否則，如果本設(shè)備是Zigbee北京化T00216Src北京化T00216SrcANIDstPANId參數(shù)為本設(shè)備的MAC層個域網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫(PIB)中的macPANId值，用于標(biāo)示接收該數(shù)據(jù)幀的節(jié)點與中繼節(jié)點處于同一個PAN內(nèi)，設(shè)置源地址參數(shù)SrcAddr為MACPIB庫的macShortAddress，下一跳的目的地址參數(shù)DstAddr為本設(shè)備的子節(jié)點地址。如果數(shù)據(jù)幀目的地址不是本設(shè)備的子節(jié)點，則設(shè)備將檢查是否具有與目的地址相對應(yīng)的路由表入口，如果具有相對應(yīng)的路由表入口，則根據(jù)在該入口中所找到的下一跳地址，發(fā)送該信息幀。若設(shè)備沒有相對應(yīng)的路由表入口，則判斷是否具有路由能力，對于沒有路由選擇能力的設(shè)備，將選擇分級路由的方法沿著樹形結(jié)構(gòu)傳輸該信息幀。如果設(shè)備具有路由能力，將使用基于路由成本的平衡混合算法開始路由選擇。設(shè)備接著分析接收到的是來自下層的數(shù)據(jù)幀情況。如果數(shù)據(jù)幀目的地址是廣播地址，則設(shè)備繼續(xù)廣播該幀，并將該幀發(fā)送到本設(shè)備的上層進(jìn)行處理。如果不需要廣播，則設(shè)備網(wǎng)絡(luò)層就會判斷該幀的目的地址是否是自己的邏輯地址，如果是，網(wǎng)絡(luò)層就將幀發(fā)送到本設(shè)備上層，如果不是，那么處理過程就和高層傳下來幀的情況相同。路由基本算法如圖4．7所上匝皿否為廣母圖"路由基本Fig．4-7Thebasicrouting4．3端節(jié)點軟件編第四章系統(tǒng)節(jié)點軟件第四章系統(tǒng)節(jié)點軟件結(jié)構(gòu)圈4_8Fi94-8ThecmrⅦmn衄b●Main：整個程序的運行流程。它是最先執(zhí)行的模塊，可以用來對其它組件進(jìn)行初始化等。●ByteEEPROM：調(diào)用EEPROM24LC6qaDXL20的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行校正?！imeSyncC：實現(xiàn)改進(jìn)FTSP時間同步算法，用于多跳zigb∞~ⅡlopseIld接口進(jìn)行多絡(luò)端節(jié)點應(yīng)用程序流程圖如圖4．9所示Fi94-9FlowchartFi94-9FlowchartoftheapplicationprogramfortheFIFO緩沖器字節(jié)門限置最大值第四初始完系統(tǒng)之后，端節(jié)點使用GenericCommPromiscuous的信道。當(dāng)RF230接收到網(wǎng)關(guān)下發(fā)數(shù)據(jù)包時，會把數(shù)據(jù)存入到接收緩存區(qū)RXFIFOFIFO同時觸發(fā)IRQ接收中斷，MCU在中斷程序中讀取整個幀的長度，通過幀長度和幀頭信息來判斷是否正確接收到了幀以及接收到的幀的類型，并作相應(yīng)的處理。接收目的地址，檢查它是否與本地地址相匹配，如果不匹配則第四初始完系統(tǒng)之后，端節(jié)點使用GenericCommPromiscuous的信道。當(dāng)RF230接收到網(wǎng)關(guān)下發(fā)數(shù)據(jù)包時，會把數(shù)據(jù)存入到接收緩存區(qū)RXFIFOFIFO同時觸發(fā)IRQ接收中斷，MCU在中斷程序中讀取整個幀的長度，通過幀長度和幀頭信息來判斷是否正確接收到了幀以及接收到的幀的類型，并作相應(yīng)的處理。接收目的地址，檢查它是否與本地地址相匹配，如果不匹配則丟棄整個幀。接收并保存有效載荷到接收緩存區(qū)Buffer中。接著接收兩字節(jié)的CRC信息，如果CRC校驗失敗，則丟棄先前保存的數(shù)據(jù)。囂?！??！??！甀．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一一．一．一—．．．一．．．．——．．踟絲堅：醫(yī)．一巨正衛(wèi)丑習(xí)匝Ⅱ工[匝衛(wèi)工Ⅱ習(xí)二臣正惰)瑚圖4-10ADS8344的SPI口時Fi94-10TimingdiagramofSPIinterface首先在片選信號CS低有效的情況下DCLK的上升沿，D烈輸出l高比特S表示開始數(shù)據(jù)采集，A2．A0選擇的是通道號，數(shù)據(jù)采集板使用通道0和1對雙軸加速度進(jìn)行采集，所以A2．A0為000／001。當(dāng)ADC的DIN管腳收到A2．A0數(shù)據(jù)之后就立即開始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間為f。m。ADC使用的是單端輸入，所以SGL／DIF位置1，同時PDl．PD0取1l，表明ADAD，BUYgal28下降沿中斷，在中端程序中，MCU開始讀取ADC的DOUT上的16信s數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，當(dāng)采集完規(guī)定點數(shù)的數(shù)據(jù)后，端節(jié)點在ByteEEPROM中讀取EEPROM中的標(biāo)定值對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，MCU把校準(zhǔn)完的數(shù)據(jù)使用USARTl接口以先擦后寫的方式暫存到外部512KB大dxFlash中。MCU編寫AT45DB041流程如圖4．11所示，北京化工人學(xué)碩：I地選E生命令章北京化工人學(xué)碩：I地選E生命令章送8個否關(guān)項主送11個l在 位貞地熹整頁圖4-11AT45DB041FlowFi94-圖4-RF230Fig．4-12BasicoperatingmodesstateRF230的基本工作模式如圖4．12所示n11，我們可以通過如下三種方式改變R230的工作模式：使用MCU通過SPI讀寫F230內(nèi)部控制寄存器的形式；通過設(shè)置RF230第四(2)無第四(2)無線數(shù)據(jù)接使RF230處于上，為F23PLF23XNSFD，R230BUYRXRF30XEND中斷通知MCF230接收FIFO緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。如果在1／8秒蘇醒時間內(nèi)端節(jié)點沒有偵聽到網(wǎng)站中任何發(fā)給自己的數(shù)據(jù)包就將Megal2的PB置低關(guān)閉RF23，同時設(shè)置Megal28的MCU控制器MCUCR，使其工作在空閑休眠模式?jīng)啊．?dāng)Flash保存完本次數(shù)據(jù)采集總點數(shù)之后，在信道空閑時MCU從按照主存頁面讀取的方式從Flash中順序讀取128字節(jié)大小數(shù)據(jù)寫入到RF230的TXFIFO緩沖器中，并啟動射頻數(shù)據(jù)發(fā)送。流程如下：圖4-13AT45DB041讀取數(shù)據(jù)流Fig．4-時鐘到發(fā)送通道頻率上，一旦發(fā)J送PLL鎖相就轉(zhuǎn)變RF230使其工作在BUS鄴模式北京化丁大學(xué)碩=b學(xué)位論北京化丁大學(xué)碩=b學(xué)位論4．4中繼節(jié)點數(shù)據(jù)融數(shù)據(jù)融合技術(shù)是指利用計算機(jī)對按時序獲得的若干觀測信息，在一定準(zhǔn)則下加以自動分析、綜合，以完成所需的決策和評估任務(wù)而進(jìn)行的信息處理技術(shù)。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)通過一定的融合算法將來自多個信息源的信息進(jìn)行合并，以產(chǎn)生更準(zhǔn)確的信息，并根據(jù)這些信息做出可靠的決策，即根據(jù)觀測信息給出一個關(guān)于狀態(tài)的最優(yōu)估計‘23嗡1本系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合的主要對象是端節(jié)點采集到的機(jī)械臺振動加速度信息。為了保證測量數(shù)據(jù)的可靠性，同時防止端節(jié)點可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象，我們在同一臺機(jī)械臺不同位置上安放了多個端節(jié)點，端節(jié)點將采集到的加速度數(shù)據(jù)發(fā)送到中繼路由節(jié)點，路由節(jié)點將收到的多個信息源數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合成一條有用信息，再向下一個中繼節(jié)點或網(wǎng)關(guān)發(fā)送。本文采用自適應(yīng)融合算法對多個端節(jié)點數(shù)據(jù)進(jìn)行融化。自適應(yīng)加權(quán)融合算法就每個端節(jié)點上的傳感器對應(yīng)不同的權(quán)重值，在總均方誤差最小這一最優(yōu)條件下，根據(jù)各個傳感器的測量值以自適應(yīng)的方式找到其對應(yīng)的最優(yōu)權(quán)重值，使融合后的值x優(yōu)，如下圖第四圖4-14自適應(yīng)加權(quán)Fi94-14Fusionmodeladaptiveweighted假設(shè)n第四圖4-14自適應(yīng)加權(quán)Fi94-14Fusionmodeladaptiveweighted假設(shè)n個傳感器的方差分別為砰，Z?．．《，所要估計的真值為x，n個傳感器測量值分別是五，五?．．咒，它們彼此相互獨立，并且是X的無偏估計，各傳感器的加權(quán)因子分別為形，％?．．形，融合處理后的值和加權(quán)因子的關(guān)系應(yīng)滿足以x=∑％t???????????一(4—∑％一?????????????．(4-仃2=研Ⅸ一x)2】-研∑孵(x-巧)2+2∑w，E(x-x．)(x-‘)】??．(4因為五，五?。E是相互獨立的，并且是X的無偏研(—r一叉-)(x一‘)】=O(p≠q；P=1，2，?一塒；垡=l，2，??n)??????．(4—所以or2可改寫盯2=研∑孵(x-‘)2】=∑嘭《????????．(4-求極值問題，可求出總均方誤差最小時所對應(yīng)的加權(quán)因子是：=1／(《善旁∥l’2'．．?塒此時的最小均方誤仃血2=1／∑《??????????．．(4-北京化工人學(xué)碩．1(4—9)就可以使均方誤差最小，且此北京化工人學(xué)碩．1(4—9)就可以使均方誤差最小，且此時÷乞‘(后K瓦=∑％瓦(七總的均方誤：研窆孵Ⅸ一耳(后))z】+2∑n％％(x一巧(后))(x一瓦(七))???@p因為墨，五?．．置是X的無偏估計，所以石(后)，夏(后)，．．?Z(尼)也是X苫2=研Zw2(x-一x,(k))2】=il厶n∥，2。當(dāng)盯2最小時所對應(yīng)的最優(yōu)加權(quán)因子％仍應(yīng)滿足式(4-10)，可得最小均方誤差矗旬愀言旁2‰2他?????????㈣可得，每個加速度的方差《決定最優(yōu)加權(quán)因子w，p，《一般是未知的，可以根設(shè)現(xiàn)有兩個不同的傳感器P、q，其測量值分別是一、‘，對應(yīng)的觀測誤是x+Vg第四式(4．18)中％、圪為為零均值第四式(4．18)中％、圪為為零均值平穩(wěn)噪聲，則傳感器的方差是仃；=研嘭】．．．一??????????-(4-因為％、巧互不相關(guān)，與X也互不相關(guān)，且零均值，因此t、■的互得到t的自相關(guān)系數(shù)％：Rpp=研XpXp】-研x2】+研巧】---?????????．(4-啡=研哆】=Rpp一％?????????．(4-％的時間域估計值為％(七)，％的時間域估計值為％(七)，可％(后)=玄=÷[∑一(flK(f)+以(后)‘(尼)】．．．??????(4-=字％(后_1)+妻以(尼)以(后若用傳感器q(q≠P；q=l，2，．．?．，1)與傳感器P做相關(guān)運算，則可以得p；q=1，2，．．?刀)，從而對于％(七)可進(jìn)一步用Rpq(七)作為它的估％2巧(幼2擊。舞p％(”??????(4-按照每個傳感器測量值求出Rw(七)和％(七)的時間域的估計值，進(jìn)而可以估計個傳感器的方差％2按照以上公式，自適應(yīng)加權(quán)法的計算步驟是盼I．利用式(4—22)計算出采樣時刻k的《利用式(4．13)計算出每個傳感器在采樣時刻k利用式(4-10)北京化r^學(xué)傾l：q-位論表44每個傳感器對Table4-ofeveD’s即蚰l2345 9砰00015．o北京化r^學(xué)傾l：q-位論表44每個傳感器對Table4-ofeveD’s即蚰l2345 9砰00015．oO0表44每個測坫值對麻的品優(yōu)4一融礬磁0旺暇氍0睨0哌0噬暇004．5網(wǎng)關(guān)節(jié)點射頻部分軟oE《}-；黼·aH—————————二)嘲隧圓Fig．4-15ThecomponentscalledbytheCtrlcdCHLUATOMtdemd4—6，Ctlemd第四章系統(tǒng)節(jié)點軟件結(jié)構(gòu)第四章系統(tǒng)節(jié)點軟件結(jié)構(gòu)圖4．16CtrlcmdC組件rigA-16ThecomponentscalledbytheCtdcmdCHPLUARTOM是TinyOS系統(tǒng)提供的組件用于Megal28的USATRO接口與PXA271據(jù)包4．6網(wǎng)關(guān)節(jié)點嵌入式平臺軟件設(shè)在PXA271中我們運行的是Linux操作系統(tǒng)，使用的是2．6．20內(nèi)核，實現(xiàn)內(nèi)核和iff2格式文件系統(tǒng)在由圖39硬件構(gòu)成平臺上的移植，之所以選用Liux系統(tǒng)是因為Linux有如下四個特點：它具有良好的可移植性本系統(tǒng)Bootloader使用常見的U．Boot，系統(tǒng)加電或復(fù)位后，處理器從地址Ox00000000取它的第一條指令，基于PXA271處理器的嵌入式系統(tǒng)通常會有某種類型的固態(tài)存儲設(shè)備被映射到這個預(yù)先安排的地址上。在系統(tǒng)加電后，CPU首先執(zhí)行BootLoader程序北京化T大學(xué)顧：卜學(xué)位論文圖4-17Boofloadcr啟動過程Fig．4-17Startup北京化T大學(xué)顧：卜學(xué)位論文圖4-17Boofloadcr啟動過程Fig．4-17Startupprocessof階段【巧第一階段與硬件有密切關(guān)系，使用匯編寫的，主要目的是為第二階段的執(zhí)行及隨CP初始化RAM和LED，關(guān)閉CPU內(nèi)部指令／數(shù)據(jù)Cache，復(fù)制階段2代碼到內(nèi)存中，設(shè)置堆棧指針，跳轉(zhuǎn)到階段2代碼的C入口點等任務(wù)。Voidethe也·—他set(void)；／／重啟以太網(wǎng)控制器BoolBoolehtlength第四是寫入LAN91CIll0等待LAN9lCl第四是寫入LAN91CIll0等待LAN9lCl1AASending圖4-18LAN91CIll發(fā)送和接收B接收BReceivingFig．4-18FlowchartusedbyLAN91Cllltosendandreceive由于Linux2．6．20內(nèi)核已經(jīng)集成了USBHost，USBClent，GPI，SP口，SD卡，MTD設(shè)備和UART串行口的驅(qū)動支持啪1，所以我們對于圖3．10所示的硬件系統(tǒng)Lnux內(nèi)核的移植，只需編寫LAN91C11lLinux的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是基于BSDUNIX的socketbuIf)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。系統(tǒng)里支持對發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)¨。在n4．9設(shè)備接口層定義的 l網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)r數(shù)d據(jù)sta包發(fā)xm送itOII!塾堡壘2)ll設(shè)備圳胍I設(shè)備媒網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備圖4-19“蝌9lClll網(wǎng)絡(luò)功能Fig．4-19NetworkfunctionalstructureofLAN91CI1北京化工人學(xué)碩．1中斷、發(fā)送超時、獲取網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、設(shè)置物理地址等函北京化工人學(xué)碩．1中斷、發(fā)送超時、獲取網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、設(shè)置物理地址等函請。在把