[碩士論文精品]zigbee無線定位跟蹤系統(tǒng)的研究與設(shè)計

武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要本文目標(biāo)為實現(xiàn)一個基于ZIGBEE無線定位跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計，以ZIGBEE技術(shù)和無線定位技術(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計與開發(fā)。重點實現(xiàn)三個功能，一為節(jié)點間數(shù)據(jù)的傳輸，二為無線網(wǎng)絡(luò)的自組織，三為網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)節(jié)點的定位。文章在介紹了課題的內(nèi)容和背景后，提出了系統(tǒng)的架構(gòu)，即實現(xiàn)方式，包括芯片的對比與選擇，硬件以及軟件的實現(xiàn)方式。信息的采集方式上，引入了USB接口，除了PC機外，也可方便連接到具有USBOTG功能的手持設(shè)備上，極大地擴展了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。在軟件方面，采用分層、模塊化的實現(xiàn)方式，提高了軟件的可移植性和軟件管理的方便性。在硬件的詳細(xì)實現(xiàn)上，對比了當(dāng)前市場上支持IEEE802154協(xié)議的主流解決方案，從集成度、成本、軟硬件資源以及兼容性上進(jìn)行了全方面對比，最終選擇CC2430和CC2431作為本系統(tǒng)的節(jié)點主控芯片。設(shè)計天線時，在分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所需天線特點的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)最終采用單極天線，并研究了單極天線的性能及優(yōu)缺點。網(wǎng)關(guān)引入USB接口時采用USB從芯片CY7C68013，并通過通用編程接口與節(jié)點主芯片通信。給出了PCB設(shè)計所要遵循的規(guī)則，最后說明了硬件系統(tǒng)的調(diào)試流程及方法。在軟件的詳細(xì)實現(xiàn)上，從物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)該層四個層面分析了ZIGBEE無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，以及TI的ZIGBEE2006編程框架的使用方法。分析了串口與USB通信的實現(xiàn)流程和編程方法，特別是USB接口，給出了應(yīng)該程序給無線節(jié)點發(fā)送命令和數(shù)據(jù)的方法。最后進(jìn)行了無線定位算法的分析與實現(xiàn)，介紹了無線定位的基本原理和當(dāng)前世界上常用的定位算法，并詳細(xì)說明了在CC2431的基礎(chǔ)上實現(xiàn)基于RSSI的無線定位流程。最后是總結(jié)與展望，任何技術(shù)都是不斷向前發(fā)展的，本文所設(shè)計的系統(tǒng)在性能也有很多可以提高的地方，在硬件設(shè)備的功耗上、信道帶寬上，定位的方法、精度和速度上，網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)形式上，接口的豐富程度上等。關(guān)鍵詞ZIGBEE，無線定位，USB，CC2431武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文ABSTRACTTHEPAPERISTODESIGNANDIMPLEMENTAWIRELESSLOCATIONANDTRACKINGSYSTEM，INWHICHHARDWAREANDSOFTWAREAREALLRESEARCHEDANDDESIGNED，BASEDONTHETECHNOLOGYOFZIGBEEANDWIRELESSLOCATIONTHREEPOINTSTHESYSTEMSHOULDBEGET，ONEISDATATRANSFERAMONGNODE，SECONDPOINTISSELFESTABLISHMENTOFNETWORK,ANDTHEWIRELESS10CATIONFUNCTIONOVERALLTHENETWORKAFTERINTRODUCETHECONTENTANDBACKGROUNDOFTHEPAPER,THEARCHITECTUREISBROUGHTFORWARD，INCLUDINGCOMPARINGANDSELECTIONOFIC，IMPLEMENTMETHODOFHARDWAREANDSOFTWAREINCOLLECTINGINFORMATION，USBPORTISINTRODUCED，BESIDEPC，ANYPORTABLEDEVICETHATHAVEUSBOTGFUNCTIONCANBECONNECTEDTOTHEGATENODE，WHICHGREATLYEXTENDTHESCOPEOFAPPLICATIONFORSOFTWAREDESIGN，LAYEREDANDMODULEMETHODISUSED，THATMAKESTHESOFTWAREEASIERTOMIGRATEANDMANAGEWHENCOMETODETAILIMPLEMENTATIONOFHARDWARE，AFTERCOMPARINGMOSTSOLUTIONSINTHEMARKETTHATSUPPORTIEEE802154，F(xiàn)ROMINTEGRATION，COST，SOURCEOFHARDWAREANDSOFTWARE，ASWELL鶴COMPATIBILITYFINALLYCC2430ANDCC2431ARECHOSENASMAINNODEICMONOPOLEANTENNAISUSEDAFTERANALYZINGTHEFEATURESOFANTENNANEEDEDBYWIRELESSSENSORNETWORKS，ANDTHENANALYZEDTHEPERFORMANCE，ADVANTAGESANDDISADVANTAGESUSECY7C68013TOSUPPORTUSBPON，WHICHCOMMUNICATES謝TLLNODEICTHROUGHGPIETHERULESAREGIVENWHENGETPCBPROCESS，ANDFINALLYINTRODUCETHEFLOWANDMETHODOFDEBUGGINGHARDWARESYSTEMWHENCOMETODETAILIMPLEMENTATIONOFSOFTWARE，ZIGBEEPROTOCOLSTACKANDUSAGEOFI“ISZIGBEE2006PROGRAMMODELAREANALYZEDUARTANDUSBCOMMUNICATIONMETHODANDPROGRAMINTERFACEAREINTRODUCED，ESPECIALLYUSBPORT,METHODOFHOWTOSENDDATAANDCOMMANDTOWIRELESSNODEISGIVENTHENGETTHEPOINTOFHOWTOANALYZEANDIMPLEMENTWIRELESSLOCATIONALGORITHM，INTRODUCETHEFOUNDATIONPRINCIPLEOFLOCATIONANDCOMMONLOCATIONALGORITHM，ANDTHEFLOWOFLOCATIONUSINGCC2431SUMMARYANDPROSPECTISTHELASTITEMOFTHEPAPERANYTECHNOLOGYISALWAYS武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文GOINGFORWARD，THEPERFORMANCEOFTHESYSTEMDESIGNINTHEPAPERCANDEFINITELYBEPROMOTED，SUCHASMETHODOFLOCATION，LOCATIONPRECISIONANDSPEED，ASWELLASNETWORKARCHITECTUREANDDIVERSITYOFCOMMUNICATIONPORTKEYWORDSZIGBEE，WIRELESSLOCATION，USB，CC2431III獨創(chuàng)性聲明本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得武漢理工大學(xué)或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。簽名丞壘日期墨絲Z互學(xué)位論文使用授權(quán)書本人完全了解武漢理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)武漢理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存或匯編本學(xué)位論文。同時授權(quán)經(jīng)武漢理工大學(xué)認(rèn)可的國家有關(guān)機構(gòu)或論文數(shù)據(jù)庫使用或收錄本學(xué)位論文，并向社會公眾提供信息服務(wù)。研究生簽名求魚導(dǎo)師期沁F夕廠?！旧錆h理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章引言11目的、背景和意義通過研究，了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，路由算法，定位算法，和通信協(xié)議。熟悉現(xiàn)有市場上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺及開發(fā)資源，多重參考并進(jìn)行優(yōu)化，開發(fā)出符合要求的無線定位跟蹤系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在數(shù)字家庭、無線控制、無線定位、無線通信、無線組網(wǎng)以及移動連接等方面都有著巨大的應(yīng)用前景。如無線定位，在大型停車場的汽車管理，幼兒園的孩童管理，監(jiān)獄的犯人管理等，都有方便而潛力巨大的應(yīng)用【LJ。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要用來監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)部署區(qū)域中各種環(huán)境參數(shù)，如溫度，濕度，聲強，壓力，光照，物體的運動速度或加速度，化學(xué)物質(zhì)的濃度等，不同的特性可能需要不同的傳感器，但對這些傳感數(shù)據(jù)在不知道具體位置信息的情況下，往往是沒有意義的數(shù)據(jù)。也就是說，傳感器節(jié)點的位置信息在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的諸多應(yīng)該領(lǐng)域中扮演著十分重要的角色。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的許多應(yīng)用場合諸如水文，火災(zāi)，潮汐，生態(tài)學(xué)研究，飛行器設(shè)計等課題中，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息收集和處理，傳感節(jié)點主要發(fā)回所處位置的物理信息數(shù)據(jù)，如溫度，濕度，水位，風(fēng)速，壓力等，這些數(shù)據(jù)必須和位置信息相捆綁才有意義甚至有時需要傳感器只是發(fā)回位置信劇2】【31。傳感器節(jié)點有可能是用飛機等工具隨機地部署到監(jiān)測區(qū)域中的，因此無法事先確定節(jié)點都部署后的位置，只能在部署完成后采用一定的定位方法進(jìn)行定位。目前最廣泛的定位系統(tǒng)當(dāng)屬全球定位系統(tǒng)GPS，因此獲得節(jié)點位置的是直接想法就是利用GPS來實現(xiàn)。但由于其在價格，功耗，適用范圍以及體積等方面的制約使得很難完全應(yīng)用于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。此處在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)應(yīng)用中，GPS會由于接收不到衛(wèi)星信號而失效。特別是在戰(zhàn)爭環(huán)境下，GPS衛(wèi)星系統(tǒng)很可能被損壞，軍方還可以局部區(qū)域內(nèi)增加GPS干擾信號，使敵方利用GPS時定位精度嚴(yán)重降低，無法用于軍事行動。此外，在機器人研究領(lǐng)域，也有不少關(guān)于定位的研究，但所提出的一些算法一般不用關(guān)心計算復(fù)雜度問題，同時也有相應(yīng)的硬件設(shè)備支持，所以也不適合于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文除此以外，節(jié)點位置信息還可以為其他協(xié)議層的設(shè)計提供幫助。在應(yīng)用層上，節(jié)點位置信息對基于位置選擇服務(wù)的應(yīng)用不可或缺。在通過匯聚多個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)獲得能量保護(hù)方面，位置信息也非常重要。在網(wǎng)絡(luò)層，位置信息與傳輸距離的結(jié)合，使得基于地理位置的路由算法成為可能。研究表明，基于位置信息的路由策略能夠更加有效地能過多跳在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳播信息，這些典型協(xié)議包括NICULESCU提出的TBF路由算法，HE提出的SPEED實時通信協(xié)議和XU提出的能量有效路由方法。由此，如何確實無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的位置信息稱之為“節(jié)點定位”成為了必須解決的關(guān)鍵問題之一。所謂節(jié)點定位，即通過一定的技術(shù)，方法和手段獲取無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的絕對或相對的位置信息的過程。由于節(jié)點硬件配置低，能量、計算存儲和通信能力有限，因此對節(jié)點定位提出了較大的挑戰(zhàn)。12無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起源于20世紀(jì)90年代末期。最早開始啟動傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的是美國國防部和各軍事部門，美國陸軍在2001年就提出了“靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信計劃，近期又確立了“無人值守地面?zhèn)鞲衅魅喉椖?，美國海軍最近也確立了“傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)“研究項目。近年來，英特爾公司、微軟公司等信息工業(yè)界巨頭也開始了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的工作，將其列為新型的計算發(fā)展規(guī)劃中。美國所有著名院校幾乎都設(shè)立了研究小組從事傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面的研究，德國、加拿大、英國、芬蘭和意大利等國家的研究機構(gòu)也都逐漸投入到傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究中。國際上對傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究雖然己取得一些初步性的成果，但仍然處于起步階段。近年來，我國各研究機構(gòu)也開始積極開展傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作，取得了初步性的進(jìn)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其獲取信息精度高、部署靈活性強、可靠性高、經(jīng)濟性好等特點，在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、工農(nóng)業(yè)控制與監(jiān)視、智能家居、復(fù)雜機械監(jiān)控、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、機場的監(jiān)測與管理、以及空間探索等諸多領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。它被列為21世紀(jì)最有影響的21項技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一，并被稱為全球未來的三大高科技產(chǎn)業(yè)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心支撐技術(shù)包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂?，?jié)點定位，時間同步以及網(wǎng)內(nèi)信息的處理。其中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點定位對無線傳2武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文感器網(wǎng)絡(luò)的影響尤為重大。目前對于通過物理測量獲得節(jié)點之間距離或角度信息的定位算法，它的定位結(jié)果的精度在一定程度上依賴于物理測量本身的精度。幾種常見的測量技術(shù)包括到達(dá)時間TOA，TIMEOFARRIVAL，表達(dá)時間差TDOA,TIMEDIFFERENCEOFARRIVAL，到達(dá)角AO氣ANGLEOFARRIVAL，接收信號強度指示RSSI，RECEIVEDSIGNALSTRENGTHINDICATION等。1到達(dá)時間TOA，TIMEOFARRIVAL。在已知信號傳播速度的前提下，根據(jù)信號在兩個目標(biāo)之間來回傳播的時間就可以估計出發(fā)送者和接收都之間的距離。TOA方法具有較高的測量精度，不過要求能夠比較精度的獲得發(fā)送都與接收都的響應(yīng)和處理延遲，這種要求在距離較短時顯得尤為重要。使用TOA技術(shù)最典型的定位系統(tǒng)是GPS。由于節(jié)點的硬件尺寸、價格和功耗限制，使用TOA技術(shù)的定位方案不多。但隨著超寬帶技術(shù)的發(fā)展和其在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，使用TOA技術(shù)具有一定的前景。2表達(dá)時間差TDOA，TIMEDIFFERENCEOFARRIVAL。發(fā)送同時發(fā)送兩種不同的信號，一般采用射頻信號和超聲波信號，根據(jù)接收都接收到此兩種信號的時間差，進(jìn)而將其轉(zhuǎn)化為距離。TDOA的測量精度一般要優(yōu)于TOA，在無線傳感器網(wǎng)的研究中使用的較多。但是它要求節(jié)點同時具備接收兩種不同信號的能力，而且超聲波的傳播距離是非常有限的。3到達(dá)角AOAANGLEOFARRIVAL。利用陣列天線或多個超聲波接收器，得到信號到達(dá)的多個方向?；贏TA的定位，最大的缺點是對硬件的要求較高，而且像陣列天線或多個接收器實現(xiàn)和維護(hù)的代價也相當(dāng)高，外界環(huán)境以及非視線路徑對其影響也較大。4接收信號強度指示RSSI，RECEIVEDSIGNALSTRENGTHINDICATION。這種方法是基于電磁波的發(fā)射和接收功率。發(fā)射功率是已知的，在接收端測量接收功率，計算傳播損耗，使用經(jīng)驗或理念的信號傳播模型將傳播損耗轉(zhuǎn)化為實際距離。這項技術(shù)主要使用RF信號，使用這種方法的優(yōu)點是實現(xiàn)比較簡單，成本較低，缺點是受環(huán)境溫度，多徑效應(yīng)，NLOS等因素的影響較大。13本文的研究內(nèi)容本文主題為基于ZIGBEE無線定位跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，包括硬件的設(shè)計與實現(xiàn)和軟件的設(shè)計與實現(xiàn)。硬件設(shè)計包括硬件平臺的架設(shè)，無線芯片的選擇，網(wǎng)關(guān)芯片的選擇，原理圖設(shè)計及驗證，PCB設(shè)計等。軟件設(shè)計包括無線傳感器武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文網(wǎng)絡(luò)中常用的定位方法研究，基于ZIGBEE的定位跟蹤系統(tǒng)軟件的架構(gòu)，ZIGBEE協(xié)議的分析等。本文將USB接口集成到系統(tǒng)中，系統(tǒng)節(jié)點可方便連接到PC機或者具有USBOTG接口的手持設(shè)備上，大大提高了系統(tǒng)了應(yīng)用范圍。14文章組織結(jié)構(gòu)本文在分析了ZIGBEE無線傳感器理論的基礎(chǔ)上，提出基于ZIGBEE無線定位跟蹤系統(tǒng)的架構(gòu)，根據(jù)架構(gòu)設(shè)計符合要求的硬件和軟件平臺。第一章為引言，介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及定位方法的研究現(xiàn)狀。對文章的背景意義及文章結(jié)構(gòu)作了介紹。第二章系統(tǒng)架構(gòu)。包括硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)。硬件架構(gòu)包括硬件平臺的架設(shè)，無線芯片的選擇，網(wǎng)關(guān)芯片的選擇，原理圖及PCB設(shè)計。軟件架構(gòu)包括系統(tǒng)所使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，無線定位算法，USB通信等。第三章硬件設(shè)計。給出了硬件實現(xiàn)的詳細(xì)設(shè)計。天線的分析與實現(xiàn)。原理圖設(shè)計和PCB設(shè)計。硬件系統(tǒng)調(diào)試流程和方法。第四章軟件設(shè)計。本章對節(jié)點的軟件系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。包括硬件抽象，ZIGBEE協(xié)議棧的分析和實現(xiàn)，串口與USB接口的編程實現(xiàn)，和無線定位算法的分析與實現(xiàn)。第五章為總結(jié)與展望。介紹了此系統(tǒng)在性能還可以改進(jìn)的地方。最后是結(jié)論。4武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第2章定位跟蹤系統(tǒng)的架構(gòu)21系統(tǒng)架構(gòu)提出本文研究的系統(tǒng)為無線定位跟蹤系統(tǒng)，系統(tǒng)實現(xiàn)的功能有1自組織網(wǎng)絡(luò)。2數(shù)據(jù)的傳輸。3節(jié)點的定位。根據(jù)系統(tǒng)功能可將系統(tǒng)劃分為三種節(jié)點的組合，分別為1參考節(jié)點。2移動節(jié)點。3網(wǎng)關(guān)節(jié)點。如圖2一L所示II。7。7國、0圖2I無線定位跟蹤系統(tǒng)架構(gòu)其中參考節(jié)點用于接收移動節(jié)點的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的路由，其羋標(biāo)屜已經(jīng)知的。移動節(jié)點即待定位的節(jié)點，其坐標(biāo)是未知的。網(wǎng)關(guān)節(jié)點為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所有信息的信宿，可以是手持移動設(shè)備，也可咀是PC機。武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文參考節(jié)點隨機分布在環(huán)境中，并有各種傳感器，隨時監(jiān)測當(dāng)時的環(huán)境參數(shù)，當(dāng)移動節(jié)點移動到參考節(jié)點的射頻有效范圍內(nèi)時，可通過多個節(jié)點配合實現(xiàn)定位?？蓞⒖脊?jié)點環(huán)境在工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)車間，參考節(jié)點監(jiān)測各種機器設(shè)備的實時參數(shù)。并通過網(wǎng)絡(luò)將參數(shù)傳到目的節(jié)點。網(wǎng)關(guān)節(jié)點用于匯總車間里各節(jié)點傳來的各種參數(shù)，以監(jiān)控生產(chǎn)狀況。移動節(jié)點可安裝在工人身上，也可安裝在機器人身上，當(dāng)某一參考節(jié)點監(jiān)測到的參數(shù)超出正常范圍時，可通知最近的工人或機器人到此參考節(jié)點進(jìn)行相應(yīng)處理。以機器人為例，機器人安有可定位裝置及視頻采集和傳輸裝置，既可以自身定位，同時可將機器人所在的環(huán)境視頻發(fā)到目的點，遠(yuǎn)程目的點的設(shè)備可通過顯示器看到機器人所在環(huán)境視頻，并可對機器人進(jìn)行機械控制。22芯片選擇根據(jù)定位跟蹤系統(tǒng)功能，也可將系統(tǒng)劃分為四個主模塊，1傳感器模塊。2MCU模塊。3無線收發(fā)模塊。4網(wǎng)關(guān)模塊其中，傳感器模塊依賴于不同應(yīng)用，不同的應(yīng)用場景可能有不同的傳感器。MCU模塊用于數(shù)據(jù)的計算和系統(tǒng)的控制。無線收發(fā)模塊則用于數(shù)據(jù)的傳輸。網(wǎng)關(guān)模塊用于收集數(shù)據(jù)并傳送到PC機或手持設(shè)備上【4】。221節(jié)點主芯片目前市場上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案大都支持IEEE802154標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上可實現(xiàn)ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)的架設(shè)。主要的ZIGBEE芯片提供商24GHZ有TICHIPCON、EMBER、JENNIC、FREESCALE、MICROCHIP四家。ZIGBEE技術(shù)提供方式有三種RFMCU例如TICC24205。MSP430、FREESCLAEMCL3XXGT60、MICROCHIPMJ2440PICMCU。單芯片集成SOC如TICC2430CC2431805L內(nèi)核61、FREESCALEMCL321X、EM250。6武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文單芯片內(nèi)置ZIGBEE協(xié)議棧外掛芯片厄NNICSOCEEPROM、EMBER260MCU。從MCU方面看，CC2430CC2431采用加強型8051F處理器，其他四家公司都是采用自己的微處理器。從開發(fā)難易程序上看，采用8051處理器較方便，因8051微處理器誕生30多年，目前在國內(nèi)最為普及。參考資料和開發(fā)工具都非常豐富。從ZIGBEE協(xié)議棧的支持程度看，目前TI提供CC2430CC2431ZIGBEE2006協(xié)議棧，全套協(xié)議棧原來報價10萬人民幣，目前已經(jīng)開放免費下載，雖然開放下載的協(xié)議棧是庫文件，但是全功能，包括網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞娜δ軈f(xié)議棧。組成傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點可能有成千上萬個，所以最終成本是必須要考慮的因素。CC2430CC2431是全部方案中，唯一一個包括FLASH存儲器MCUZIGBEERF全集成，真正的單芯片解決方案。而JENNIC的“單片機”只有ROM只讀存儲器，芯片內(nèi)部沒有存放用戶程序的地方，系統(tǒng)必須要外加一個EEPROM，全部程序必須存儲在外部的EEPROM中。綜上所述，本系統(tǒng)將選用CC2430CC2431R7】作為節(jié)點主控芯片。CC2430芯片射頻部分沿用了CC2420芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了ZIGBEE射頻I心前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8位MCU8051，具有高達(dá)128KB可編程閃存和8KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC、幾個定時器TIMER、AESL28協(xié)同處理器、看門狗定時器WATCHDOGLLTIMER、32KHZ晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路POWERONRESET、掉電檢測電路BROWNOUTDETECTION，以及21個可編程IO引腳。CC2430芯片采用018RTRNCMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27N認(rèn)；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27MA或25MA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。CC2430芯片的主要特點如下高性能和低功耗的8051微控制器核。集成符合IEEE802154標(biāo)準(zhǔn)的24GHZ的RF無線電收發(fā)機。優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性。在休眠模式時僅09心的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)；在待機模式時少于06釁的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)。硬件支持CSMA功能。7武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文較寬的電壓范圍20“36V。數(shù)字化的RSSILQL支持和強大的DMA功能。具有電池監(jiān)測和溫度感測功能。集成了14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC。集成AES安全協(xié)處理器。帶有2個強大的支持幾組協(xié)議的USART，以及1個符合IEEE802154規(guī)范的MAC計時器，1個常規(guī)的16位計時器和2個8位計時器。強大和靈活的開發(fā)工具。CC2431是在CC2430的基礎(chǔ)上集成了MOTOROLA的基于IEEE802154標(biāo)準(zhǔn)的無線定位算定位算法硬件引擎。采用該芯片，可以實現(xiàn)025烽的定位分辨率和3米左右的定位精度，而這個定位精度已經(jīng)大大高于GPS定位的精度，定位時間小于40微秒。采用CC2431實現(xiàn)定位網(wǎng)絡(luò)，需要至少3個參考節(jié)點。222網(wǎng)關(guān)主芯片網(wǎng)關(guān)的功能是收集網(wǎng)絡(luò)里其它節(jié)點發(fā)過來的數(shù)據(jù)并傳送到PC機或手持設(shè)備上，以控制和監(jiān)視整個網(wǎng)絡(luò)的運行。與PC機和手持設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸方式有多種，如串口，USB，以太網(wǎng)等。串口是開發(fā)過程中必不可少的模塊，既可以用于調(diào)試程序，又可以向PC機傳回節(jié)點信息。USB接口是各種設(shè)備廣泛支持的接口，OTG技術(shù)的發(fā)展使各種手持設(shè)備上都集成了USB控制器。網(wǎng)關(guān)支持USB傳輸將大大擴展本系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，可以方便移植到各種支持USB接口的設(shè)備上，而不需要重新開發(fā)整個系統(tǒng)。本系統(tǒng)將支持USB20協(xié)議IS】，選擇CYPRESS的EZUSB解決方案CY7C680J9110L。選擇此方案原因如下集成USB20收發(fā)器、SIE串行接口引擎和增強性8051微處理器通過USB下載，支持重枚舉。具有通用可編程接口GPIF先進(jìn)的驅(qū)動程序和APL支持，方便上位機開發(fā)程序。CYPRESSSEMICONDUCTOR公司的EZUSBFX2是世界上第一款集成USB20的微處理器，它集成了USB20收發(fā)器、SIE串行接口引擎、增強的8051微控制器和可編程的外圍接口。FX2這種獨創(chuàng)性結(jié)構(gòu)可使數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到8武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文56MBYTESS，即USB20允許的最大帶寬。在FX2中，智能SIE可以硬件處理許多USBL1和USB20協(xié)議，從而減少了開發(fā)時間和確保了USB的兼容性。GPIFGENERALPROGRAMMABLEINTERFACE和主從端點FIFO8位或16位數(shù)據(jù)總線為ATA、UTOPIA、EPP、PCMCIA和DSP等提供了簡單和無縫連接接口。CY7C68013有三種封裝形式56SSOP，100TQFP和128TQFP，并集成了以下特性USB20收發(fā)器、SIE串行接口引擎和增強性8051微處理器；軟件運行8051程序從內(nèi)部RAM開始運行，可以借助下列幾種方式進(jìn)行程序裝載1通過USB下載；2從EEPROM中裝載；3通過外部存儲器設(shè)備。四個可編程BUL科INTERRI腰TISOCHRONOUS端點，可選雙、三和四級緩沖。8位或16位通用可編程接口GPIF1可以直接連接到并口，8位和16位；2可編程波形描述符和配置寄存器；3支持多個READY輸入和CONTROL輸出。集成標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核，且具有下列增強特性1可以達(dá)到48MHZ時鐘；2每條指令占四個時鐘周期；3兩個USARTS；4三個定時計數(shù)器；5擴展的中斷系統(tǒng)；6兩個數(shù)據(jù)指針。33V電源系統(tǒng)；智能串行引擎SIE；矢量USB中斷；獨立的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)供SETUP和DATA包控制傳輸；集成12C控制器，運行速度可達(dá)100或400KHZ；四個FIFO，可與ASIC和DSP等無縫連接；9武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文專門的FIFO和GPIF自動矢量中斷；23硬件架構(gòu)231參考節(jié)點如圖22所示。I傳感器ICC2430L射頻前端卜CC2431IIL電源I圖22參考節(jié)點特點有傳感器和射頻前端，隨機分布在環(huán)境中，監(jiān)測所在環(huán)境的各種參數(shù)，并可將獲得的環(huán)境數(shù)據(jù)通過無線的方式發(fā)送出去。其位置是已知的，其位置的獲得可通過事先的確定，或者節(jié)點部署后通過自定位確定其實際位置，這種節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中位置往往被部署后就固定了，可作為移動節(jié)點定位的位置參考，也作為數(shù)據(jù)的匯聚和中轉(zhuǎn)節(jié)點，即路由節(jié)點。電源通常用電池供電。232移動節(jié)點如圖23所示。移動主控設(shè)備圖23移動節(jié)點特點有傳感器和射頻前端，可監(jiān)測所在環(huán)境的各種參數(shù)，并可通過無線方式發(fā)送出去?？蛇M(jìn)行自身定位。其位置是可隨時移動的，所以在這類節(jié)點的定位也是實時的。10武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文233網(wǎng)關(guān)節(jié)點即網(wǎng)關(guān)，如圖24所示。圖24網(wǎng)關(guān)節(jié)點特點無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的最終匯聚點，節(jié)點通過串口或USB口，或其它接口與PC機或PDA相連，以獲得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)和移動節(jié)點的位置信息，可監(jiān)控?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)所在環(huán)境的某些參數(shù)，也可監(jiān)控移動節(jié)點在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的位置。E卜母卜，1HGP球CC2430CC243L廠1USBHOSTCONUOLL矗“一L一量蠹J剃SBLDID24軟件架構(gòu)圖24網(wǎng)關(guān)節(jié)點USB接口241節(jié)點軟件架構(gòu)節(jié)點軟件架構(gòu)如圖25所示圖25ZIGBEE節(jié)點軟件架構(gòu)武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文硬件的基礎(chǔ)上，要進(jìn)行硬件的抽象，將具體的硬件細(xì)節(jié)屏蔽，不同的芯片功能實現(xiàn)的方式不同，接口以及寄存器的定義也肯定不同。進(jìn)行硬件抽象的目的是為了程序的可移植性，模塊化以便于軟件工程的管理。硬件抽象層之上是操作系統(tǒng)和驅(qū)動程序。操作系統(tǒng)為ZIGBEE協(xié)議棧的運行提供了一個比較統(tǒng)一的平臺，進(jìn)一步增加了程序的可移植性。驅(qū)動程序隨著節(jié)點功能不同要進(jìn)行重新定義，如串口驅(qū)動，如本文將CC2430與USB從芯片相信，其通信程序在驅(qū)動程序的范圍內(nèi)進(jìn)行編寫。系統(tǒng)使用CC2430CC2431的另一個好處是，TI公司已為芯片提供了完備了解決方案，從基本的硬件抽象，基本驅(qū)動程序，操作系統(tǒng)到ZIGBEE協(xié)議棧等。也提供了優(yōu)秀的應(yīng)用程序編程框架，可在此框架內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)，可極大地減少了工程開發(fā)周期。242USB通信軟件架構(gòu)USB接口是當(dāng)前市場上最為成功的接口，集成USB接口可大范圍擴展系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。本系統(tǒng)支持USB20的通信，以HID設(shè)備程現(xiàn)給主機。主機可以是PC，也可以是具有USBOTG功能的手持移動設(shè)備，如PDA，可真正實現(xiàn)移動定位，移動監(jiān)控。本系統(tǒng)所使用USB軟件架構(gòu)如圖26所示黼嘶IAPPLIEATINETWORKSGATEZ、RKCOMMANDP“DATATNMSFERD婦鯫USBMSLSIIFLD；OM_。S岬CKICLAM；LCI_；PROCESSCBW7CLASSDV酉CYLL曲|USBDII。SBDEZ,USBINITIALIZATIONC矗掣R蕊USBHOSTCUOLLADRIVL_“ACDSOFTWARE介M蜘兒IGPMCC2430CC243L1卜、廣，。同2SFADLHTS。E刎姐IUSBHO靠C州HDI1一LD_刊圖26網(wǎng)關(guān)節(jié)點的USB通信軟件架構(gòu)12武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖26為在WINDOWS下USB通信的架構(gòu)。WINDOWS應(yīng)用程序通過驅(qū)動程序向CY7C68013的端點發(fā)送數(shù)據(jù)和命令，CY7C68013進(jìn)行相應(yīng)的處理，解析命令并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)至CC2430CC2431，CC2430CC2431有數(shù)據(jù)送回主機時，可通過GPIFTLL】接口直接送入CY7C68013的端點，CY7C68013的串行接口引擎SIE自動將數(shù)據(jù)發(fā)回主機，從而主機獲得節(jié)點信息，進(jìn)而獲得ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)的信息。武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第3章定位跟蹤系統(tǒng)的硬件設(shè)計31天線選擇無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的天線【12】有其自身獨有特點，受限于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的大小，其天線也應(yīng)該做得盡可能小。因無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點量大，大量分布在環(huán)境中才能發(fā)揮其獨有的作用，成本是很敏感的問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點多是有限能源供電，對電能的消耗也很敏感，所以對天線的效率也提出了嚴(yán)格的要求。無線定位是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個非常吸引人的特點，但是定位功能建立在天線的全向性基礎(chǔ)之上，故對天線的輻射方向也提出了更高的要求。311天線的分類及性能參數(shù)天線根據(jù)不同的參數(shù)可有多種分類方法。按波長分類，有微波天線、分米波天線、短波天線、中波天線和長波天線。本系統(tǒng)所使用的天線為微波天線。按輻射方向分類，有定向天線和全向天線。本系統(tǒng)所使用的天線為全向天線。按天線極化方式不同，可分為單極天線和偶極天線。單極天線和偶極天線的輻射方式很相似，而基于成本體積的考慮，單極天線為較佳的選擇。天線的性能是由一組參數(shù)來衡量的。由互易性原理，同一個天線在發(fā)送和接收電磁波時性能是相同的，所以天線的性能參數(shù)大都建立在發(fā)射天線的基礎(chǔ)上。其主要參數(shù)有方向圖，方向系數(shù)，輸入阻抗，輻射電阻，輻射效率，頻帶寬度，品質(zhì)因子，增益，駐波比與行波系數(shù)，前后輻射比等。312單極天線單極天線是從中心饋電點處切去一半并相對于地面饋電的偶極天線。在單極天線前將先簡單討論下偶極天線，偶極天線的一些結(jié)論對單極天線的設(shè)計也有較大幫助。單極天線有如下特點，使其非常適合作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的天線。14武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文體積小相同條件下，單極天線只有偶極子天線大小的一半。制作簡單一根直導(dǎo)線即可作成一個單極天線。成本低因其制作簡單，成本自然降低，這對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點成本的降低有很大的影響。單極天線當(dāng)與水平面垂直時，其輻射圖是全向，符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對天線全向性的要求。3121偶極天線分析電荷在直導(dǎo)體里做往復(fù)加速或減速運動從而形成電磁輻射，偶極天線可抽象為兩個異性、等量且按瞬時間距上下簡諧振蕩的電荷，其變化的電場即形成電磁輻射，這就是偶極子天線的輻射原理。半波振子天線即是一種被廣泛采用的偶極天線，如圖31所示。量圖31半波振子天線半波振子天線的優(yōu)點是可以做到諧振，使其輸入阻抗的特性為純電阻的，這樣就可避免調(diào)節(jié)共軛匹配。諧振時天線長度略小于半波長，此時天線自身的損耗很小，輻射電阻也約等于輸入阻抗73F2，天線效率也接近100。偶極天線的結(jié)構(gòu)簡單，天線直徑對輸入電阻受的影響較小，而對輸入電抗影響較大，所以縮短天線長度可調(diào)節(jié)電抗。3122單極天線分析偶極天線的其中一臂變成一個平面時就形成單極天線，當(dāng)這個平面無限大到為理想導(dǎo)電平面時，利用鏡像法可以等效于相應(yīng)的偶極子天線，如圖32所示。實際上只要這個平面的徑向距離大于波長的四分之一，其作用就近似于無限大的平面了。2；，；，；。；，；，。，LIVI武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文Z，J鏡像電流說琢乜嘏77，圖32單極天線單極天線的輻射方向圖與本單極天線所對應(yīng)的偶極天線的上半部分是相同的，天線垂直于水平面放置時，它的輻射方向即是全向的，這可以很好地滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中對天線的全向性要求。此外，單極天線的電流、電荷和與其對應(yīng)的偶極天線的上半部分也是等效的，只是其端電壓只有偶極天線的一半，這是由于其輸入端的縫隙寬度只有偶極子天線的二分之一，相同的電場在一半的距離上產(chǎn)生一半的電壓。因此單極天線的輸入阻抗只有對應(yīng)偶極天線輸入阻抗的二分之一，即乙一筆手警扭礎(chǔ)另一方面，單極天線的鏡像部分并不輻射功率，因此它的輻射電阻也只有相應(yīng)偶極天線輻射電阻的一半。單極天線的長度一般為四分之一波長。313單極天線的阻抗匹配3131為什么要進(jìn)行阻抗匹配阻抗匹配是微波電子學(xué)里的一部分，主要用于傳輸線上，來達(dá)至所有高頻的微波信號皆能傳至負(fù)載點的目的，不會有信號反射回到源點，從而提升電能效益。阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵源內(nèi)部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。對于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。在純電阻電路中，當(dāng)負(fù)載電阻等于激勵源內(nèi)阻時，則輸出功率為最大，這種工作狀態(tài)稱為匹配，否則稱為失配。當(dāng)激勵源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗含有電抗成份時，為使負(fù)載得到最大功率，負(fù)載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共扼關(guān)系，即電阻成份相等，電抗成份16武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文只數(shù)值相等而符號相反。這種匹配條件稱為共扼匹配。3132阻抗匹配一般方法1利用計算機進(jìn)行仿真。這類軟件是的功能設(shè)計是通用的，而不只是用于阻抗匹配，故而用起來較難。設(shè)計者須熟悉并正確輸入眾多不同格式的數(shù)據(jù)。設(shè)計者也需有從大量的輸出結(jié)果中尋找有用數(shù)據(jù)的能力。2利用手工計算。此方法極為繁瑣，并且處理的數(shù)據(jù)多半為復(fù)數(shù)。3靠經(jīng)驗。只在本領(lǐng)域工作過多年的專家才能自由使用此法，需要非常豐富的射頻電路設(shè)計知識和經(jīng)驗。4史密斯圓圖。史密斯圓圖由很多圓周交織在一起。正確地使用它，可在不做任何計算的情況下得到一個表面上看非常復(fù)雜的系統(tǒng)匹配阻抗，而唯一要做的就是沿著圓周線讀取并跟蹤數(shù)值。史密斯圓圖是阻抗測量和匹配的重要工具，該圖同時包括阻抗圓和導(dǎo)納圓，若己知反射系數(shù)，就可以找到兩個圓周的交點從而讀取相應(yīng)的丫和X的值。圖33史密斯圓圖3133無線芯片CC24301CC2431與單極天線的阻抗匹配CC2430射頻信號的收發(fā)是采用差分方式進(jìn)行傳輸?shù)?，其最佳的差分?fù)載為武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文115J180F2。其阻抗匹配電路應(yīng)根據(jù)此數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。使用單極天線，需用不平衡阻抗轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如巴倫電路，以達(dá)到最佳收發(fā)效果。巴倫電路可由低成本的電感和電容構(gòu)成，最佳的匹配參數(shù)分布在圖33史密斯圓圖中所標(biāo)識區(qū)域，電路圖設(shè)計時各電感電容的參數(shù)可參考該區(qū)域數(shù)據(jù)適當(dāng)調(diào)整。但是，由低成本電容電感組成的巴侖匹配電路在性能容易受電路板分布參數(shù)的影響，受電路板過孔，厚度及材料的影響都比較明顯，可控性不高?？墒褂眉傻牟黄胶獾狡胶獾霓D(zhuǎn)換器，如BD2425N50200A00，使用此模塊可保證性能上優(yōu)化而并不會提高太多的成本。32硬件總體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)使用模塊化設(shè)計，根據(jù)功能，采用核心板加底板的模式，由CC2430CC2431組成核心板，設(shè)計三種不同的底板，分別為網(wǎng)關(guān)底板，固定節(jié)點底板和移動節(jié)點底板。采用模塊化設(shè)計有下優(yōu)點維護(hù)簡單，不同的模塊專注于專門的功能。擴展方便，加上不同的底板可組成更高級不同功能的模塊。降低開發(fā)成本，某一模塊設(shè)計失敗不會影響其它模塊的使用。圖34子模塊ACC2430CC2431核心板圖35子模塊B網(wǎng)關(guān)模塊底板18武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖36子模塊C只有USB接口的圖37子模塊D可作為固定網(wǎng)關(guān)模塊底板，可用于手持備上節(jié)點和移動節(jié)點模塊底板基于此四種子模塊，可實現(xiàn)無線定位跟蹤系統(tǒng)所有所需節(jié)點的組合。1移動節(jié)點。方案一子模塊A十子模塊C。此移動節(jié)點可接于具有USB主控制器的移動設(shè)備上，可實現(xiàn)自身的定位，前同時可作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點，監(jiān)控整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。如某人位于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，手持PDA，PDA接連此節(jié)點，可獲得自身當(dāng)前位置，并實時查看當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)及參數(shù)。此方案即可以作為移動節(jié)點，也可以作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點，當(dāng)然也可作為兩種節(jié)點的功能結(jié)合。方案二子模塊A子模塊D。此移動節(jié)點可植于移動的物體，可收集移動物體的參數(shù)和位置信息，并可將信息發(fā)布到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上去。2網(wǎng)關(guān)節(jié)點。方案一與移動節(jié)點方案一相同。方案二子模塊A子模塊B。此種方案可用于連接PC機，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的某處網(wǎng)絡(luò)中的某個位置所有信息。這個位置可以固定，也可以移動，只要選擇的子模塊A具有自身定位的功能，即可實現(xiàn)與方案一相同的功能。3固定點節(jié)。子模塊A與任意底板的結(jié)合都可作為固定節(jié)點使用。具體地，在電源的獲取方式上可以彈性地選擇模塊的結(jié)合。如只能由電池供電，由可以選擇與子模塊D的結(jié)合，盡可能的減少電路可獲得功耗上的減小。33無線核心板設(shè)計19武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文331電源處理按模塊來說，無線核心板子模塊A所需的電壓有兩種芯片IO電壓和射頻核心電壓。射頻核心電壓為18V，由芯片內(nèi)部的穩(wěn)壓器生成。芯片IO電壓范圍為20V到36V。子模塊A的電壓全部由底板提供，故電源電路全部放于底板之上。332晶振由于CC2430CC2431射頻工作于24GHZ，其頻率源為CC2430CC2431外接的32MHZ晶振經(jīng)PLL獲得。這就要求CC2430CC2431所使用的晶振應(yīng)有一定的頻率精度和穩(wěn)定度。其參數(shù)具體如下參數(shù)最小典型最大單位備注晶振頻率32MMHZ晶振頻率精4040PPM此精度已把老化和溫度考慮在內(nèi)。度等效串連電61660Q阻CO1197PFCC2430CC243負(fù)載電容通過軟件可CL101316PF調(diào)。建立時間212US333天線電路CC2430CC2431的天線設(shè)計是比較難的一部分。因使用單極天線，需要匹配電路實現(xiàn)天線到CC2430CC2431射頻前端的阻抗匹配，以求達(dá)到輻射效率的最大化，從這個意義上也可以減小節(jié)點的功耗。傳統(tǒng)上使用小型貼片電容，電壓以及微帶線組成，但這種方式實現(xiàn)的匹配電路受電路板材質(zhì)，過孔影響都比較大，微帶線的走線及布局在缺少儀器測試的情況下，實現(xiàn)起來很難。故本系統(tǒng)選用集成的阻抗匹配模塊BD2425N50200AOO模塊。BD2425N50200A00模塊是一種低成本，微型不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換器，可很方便地應(yīng)用于現(xiàn)代射頻芯片。相比傳統(tǒng)的分立元件組成的不平衡轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器，武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文其性能較高且適合于大批量生產(chǎn)。此轉(zhuǎn)換器可將單端信號連接到雙端接口上去。在2400MHZ至2500MHZ時，其性能如下，可方便用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點設(shè)計中。RFPSWLLICHRFN蛐DSCQ2IOSC_Q134節(jié)點設(shè)計1141341節(jié)點電源圖38單極天線匹配電路本系統(tǒng)中，有三種獲取電源的形式，分別為電池。USB總線。外接直流電源。固定節(jié)點的電源一般取于電池，因其位置固定，通常部署后不再對其進(jìn)行維護(hù)。移動節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點可能由三種形式的任意一種或幾種同時供電。當(dāng)多種電源同時對節(jié)點供電時，要對其進(jìn)行處理，防止電流倒灌入電池或低電壓電路。常用的方法為串入肖特基二極管，肖特基二極管的特點為單向?qū)ㄐ?，?dǎo)通壓降只有03V。子模塊B和C，為網(wǎng)關(guān)底板，因其只與上位機相連，故只從USB總線取電。圖39穩(wěn)壓電路子模塊D，由電池和外接直流電源供電。電源正極接入點串入肖特基二極管，21熊裟嬲武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文以防止電流倒灌，當(dāng)使用外接電源供電時，使用低成本AMSLLL7作為穩(wěn)壓器，獲得33V電壓。電路如下圖所示。342串口電路圖310電池與外接電源供電電路實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)，主要通過串121和USB口收集。串口是傳統(tǒng)的PC接口，電路及程序?qū)崿F(xiàn)簡單。CC2430CC2431已經(jīng)集成了高性能的串口通信邏輯，但其輸出是CMOS電平，與PC機的串行口電平不匹配，需要有一個電平轉(zhuǎn)換電路對這兩種電平進(jìn)行匹配。常用的芯片為MAX3232。其電路圖如下J5113圖311串口電平轉(zhuǎn)換電路343USB接口電路USB接口廣泛應(yīng)用，故系統(tǒng)支持USB接口是非常重要且實用的。武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文344網(wǎng)關(guān)節(jié)點電路圖圖312USB接口電路圖313無線核心板原理圖武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文35PCB設(shè)計圖314網(wǎng)關(guān)底板原理圖系統(tǒng)大多電路工作于60MHZ以下，為降低成本，采用兩層板設(shè)計。對于工作于高頻部分的電路，則通過限制電路板的厚度和傳輸線的寬度以及線與線之間的距離，以達(dá)到控制傳輸線的阻抗的目的，通過大面積敷銅來達(dá)到控制電磁泄露的效果【15J。元件布局時，遵循以下原則電源處理電源引腳上的去耦電容要盡可能地靠近電源引腳。電源走線的寬度要盡量寬，一般寬度要達(dá)到信號走線寬度的兩倍以上。低頻信號走線處理走線間距盡量符合3W原則。3W原則是走線邊沿之間的距離應(yīng)該大于或者等于兩倍的走線寬度，也就是說，兩條走線中心之間的距離應(yīng)該大于或者等于3倍的走線寬度。武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文所有走線應(yīng)避免90度的拐角，而盡量走45度拐角。高頻信號走線的處理【161本系統(tǒng)中，有兩個高頻信號要處理USB信號走線。應(yīng)該滿足以下原則由于USB信號線是模擬差分信號，兩信號線的長度應(yīng)該盡量相等，相關(guān)長度不大于3毫米。USB信號線反層作敷銅到地處理作為信號線的參考面，參考面不能有斷裂，以達(dá)到信號完整性要求以及阻抗控制的要求。USB信號線不應(yīng)該有過孔。USB信號線與其它信號線的距離應(yīng)大于10毫米，可能的話用地線包裹。USB接頭外殼要接地處理。CC2430天線信號線由于CC2430天線工作于24GHZ，工作頻率非常高。其天線相關(guān)的信號走線應(yīng)該考慮以下幾點天線離CC2430芯片的射頻引腳要盡可能近。天線信號走線區(qū)域用地平面包裹，反面敷銅。天線信號走線與其它信號走線之間的距離盡可能遠(yuǎn)。走線過孔盡可能少，使用小型貼片元件，以減少電磁干擾。36硬件系統(tǒng)調(diào)試好的硬件平臺為系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了良好的基礎(chǔ)，可為軟件人員提供良好的編程接口，能夠在軟件的移植，擴展上提供靈活的支持。本系統(tǒng)調(diào)試的目的為驗證硬件平臺的完整性。驗證硬件平臺的功能完整性。調(diào)試的項目有子模塊A的電路完整性。子模塊A的外設(shè)工作情況。無線收發(fā)功能。天線的全向性。USB接口通信。武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文串口通信子模塊A和底板模塊的通信。37調(diào)試流程及方法電路焊接的過程中，應(yīng)該先焊接電源。電源系統(tǒng)焊接好后用萬用表測試電源系統(tǒng)是否符合要求。1子模塊A的電路完整性。電源系統(tǒng)通過后焊接CC2430最小系統(tǒng)，晶振，仿真接口，通用IO端口控制的LED等。然后通電，在編譯上通過仿真器抓取芯片。若抓取芯片不成功，則檢查最小系統(tǒng)連接是否正確，焊接是否牢靠，芯片電源引腳電壓是否正確。抓取芯片成功后下載固件程序，通過仿真器監(jiān)視程序運行，也可通過編寫程序控制LED。若通過說明模塊A的最小系統(tǒng)是完整的。2子模塊A的外設(shè)工作情況。子模塊A的外設(shè)有串口，ADC，通用IO口等。首先調(diào)試串口，因串口簡單又有豐富的例程，調(diào)試容易出現(xiàn)的問題都易于排除。同時，串口調(diào)通后可打印信息到超級終端上，幫助其它模塊的調(diào)試。如ADC外設(shè)的調(diào)試，用一可調(diào)電阻器分壓送入ADC輸入口，程序不斷讀取ADC值并打印值到串口，可通過對比電壓值與ADC采樣值。若不正確，可能由以下原因引起參考電壓不正確。ADC模塊設(shè)置不正確。3無線收發(fā)功能。為方便調(diào)試，并定位可能出現(xiàn)的錯誤。事先準(zhǔn)備兩個可通信CC2431或CC2430模塊。其中一個收數(shù)據(jù)，其中一個發(fā)數(shù)據(jù)，確保其鏈路的暢通。首先調(diào)試接收功能，因空間已經(jīng)有信號存在，并可通過好的模塊監(jiān)測信號。接收調(diào)試通后再調(diào)試發(fā)送功能。4天線的全向性。此項測量基于前面測試通過。在空曠地帶，設(shè)置一節(jié)點A以某一功率發(fā)射電磁波，設(shè)置節(jié)點B接收A發(fā)出的電磁波并測量接收功率。以節(jié)點A中心，在某個半徑上移動B接點，B接點發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點并通過串口向PC打印特定點的接收功率。在不同半徑上重復(fù)測量。連接具有相同值的點，即可得到天線的全向性圖。武漢理丁大學(xué)碩士學(xué)位論文第4章定位跟蹤系統(tǒng)的軟件設(shè)計41硬件抽象411硬件抽象的目的如圖41硬件抽象在軟件設(shè)計架構(gòu)中的位置所示。嫌F。糸氅一；齷RFR圈圈奠_“”圖41硬件抽象在軟件設(shè)計架構(gòu)中的位置通過硬件抽象，將