无线温度传感器协议研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.8MB 87 页 15积分
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i
摘 要
无线传感器网络的研究兴起于二十世纪九十年代，是计算机技术、通信技术
和传感器网络技术相结合的产物，是互联网领域研究的热点之一。目前国内外很
多大学已经开展了相关的研究和开发。同时，传感器及其数据采集电路正朝着无
线化、微型化、低功耗方向发展。本论文采用温度采集系统与短距离无线通信技
术构建一个小型无线温度传感器网络系统，并对其 MAC 层协议进行了研究。
本论文首先介绍了目前比较流行的短距离无线通信技术，并选择了以无线射
频芯片为核心的微功率短距离无线通信技术；其次根据系统功能以及设计要求，
确定整个无线温度传感器网络系统的方案，完成了系统的硬件和软件设计，并组
成了实际的通信系统。本文在硬件方面构建温度传感器节点和汇聚节点，构成网
络的硬件平台；在软件方面，在研究了现有的各种无线通信 MAC 协议的基础上，
结合系统需要，设计基于时分复用的无线传感网络 MAC 协议，实现传感器节点
与汇聚节点通信、通信时隙根据传感器节点数目变化的动态分配以及传感器节点
进入网络和脱离网络的检测、报警。同时，重点考虑了无线传感器网络的低功耗
要求，通过处理器模块的低功耗模式和无线通信模块的待机模式的使用，以及对
应的软件设计等方法，尽可能地降低传感器节点的功耗，延长其使用寿命。最后，
对系统进行了调试，系统测试温度的误差在 0.2 摄氏度以内，室内传输距离为 40
米，室外传输距离大于 100 米。
关键词：无线传感器网络 MAC 协议 短距离无线通信 低功耗
ii
ABSTRACT
The research of Wireless Sensor Network(WSN) started in the 90s of the 20th
century.As a result of the combination of computer technology ，communication
technology and sensor technology ，WSN is a hotspot of the researches of
networks.Related researches and exploitations have appeared in overseas and domestic
universities.At the same time, the sensor circuit and data measurement circuit are
developing oriented to wireless, small and low-power.Using temperature measurement
and short-range wireless communication technologies ,we design a small wireless
sensor network of temperature and research the protocol of MAC in the paper.
Firstly, the paper introduces some popular short-range wireless communication
techniques. And the low-power short-range wireless communication technique based
on wireless RF chip is choosed. Sencondly ，according to the system function and
technology requirement, the author put forward the scheme of the short-range wireless
senson network system; finished the corresponding design including software and
firmware, and formed the actual communication system too.As for hardware,sensor
nodes and a sink node of the WSN are designed.As for software,a MAC protocol for
WSN based on Time Division Multiple Access is designed,so as to realize the
communication of the sink node and sensor nodes,the dynamic distribution of time
slots according to the number of the sensor nodes and the detection and warning when
a node join or disengage the network.Low Power Cost,an important point in designing
WSN,is considered with emphasis in this paper.According to making use of the Low
Power Mode (LPM) of the standby mode of the wireless communication module and
designing related software,the power cost of the sensor nodes is reduced as much as
possible,as a result of which,the lives of the sensor nodes are extended.Lastly,by
debugging the system,it can be finded that the error of the system is in 0.2 Celsiur
scale , the outdoor transmitting distance is more than 100m and the indoor transmitting
distance is 40m approximately.
Key Words ：WSN ，protocol of MAC, short-range wireless
communication, Low Power Mode
1
目 录
摘要 ................................................................................................................................... i
ABSTRACT ..................................................................................................................... ii
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 研究背景 ...........................................................................................................1
§1.2 无线通信技术的发展及研究现状 ...................................................................2
§1.3 本文主要工作 ....................................................................................................4
§1.4 论文结构安排 ...................................................................................................5
第二章 温度传感系统整体方案设计 .............................................................................6
§2.1 系统总体方案设计 ...........................................................................................6
§2.1.1 无线传感器网络体系结构 ......................................................................6
§2.1.2 无线温度传感网络方案设计 ..................................................................7
§2.2 传感器节点和汇聚节点结构 ...........................................................................8
§2.2.1 传感器节点结构 .....................................................................................8
§2.2.2 汇聚节点结构 .........................................................................................8
§2.3 系统关键技术 ...................................................................................................9
§2.3.1 功耗管理 .................................................................................................9
§2.3.2 MAC 层协议 ......................................................................................... 10
§2.4 上位监测软件方案设计 .................................................................................10
§2.5 系统的开发方法及开发工具 .........................................................................11
§2.6 本章小节 .........................................................................................................12
第三章 无线温度传感器网络的硬件设计 ...................................................................13
§3.1 无线传感器节点的设计要求 .........................................................................13
§3.1.1 低功耗 ...................................................................................................13
§3.1.2 灵活性 ...................................................................................................13
§3.1.3 鲁棒性 ...................................................................................................13
§3.2 温度传感器 .....................................................................................................14
§3.2.1 传感器技术 ...........................................................................................14
§3.2.2 温度传感器 AD590 ..............................................................................14
§3.2.3 传感器 AD590 的工作原理 .................................................................15
§3.2.3 温度传感器 AD590 的测量电路 .........................................................17
§3.3 RF 传输模块 ....................................................................................................18
§3.3.1 RF 传输模块总体结构设计 ..................................................................18
2
§3.3.2 无线射频收发芯片的选定 ...................................................................19
§3.4 nRF9E5 无线射频收发电路 ........................................................................... 21
§3.4.1 nRF9E5 主控接口电路设计 ................................................................. 22
§3.4.2 自启动 EPROM 接口电路设计 ............................................................23
§3.4.3 接口装换电路设计 ...............................................................................24
§3.4.4 供电系统电路设计 ...............................................................................26
§3.5 RF 传输模块软件配置 ....................................................................................27
§3.5.1 nRF9E5 射频配置 ................................................................................. 27
§3.5.2 nRF9E5 工作模式设置 ......................................................................... 29
§3.5.3 nRF9E5 内部 SPI 设置及读写 ............................................................. 29
§3.5.4 nRF9E5 的片内 ADC 配置 ...................................................................31
§3.6 nRF9E5 无线通信流程 ................................................................................... 33
§3.7 本章小结 .........................................................................................................35
第四章 无线温度传感器网络设计 ...............................................................................37
§4.1 网络拓扑结构 .................................................................................................37
§4.2 无线传感器网络 MAC 协议 .......................................................................... 38
§4.2.1 无线传感器网络 MAC 协议设计的主要性能指标 ............................ 38
§4.2.2 MAC 协议中的能源有效性分析 ......................................................... 39
§4.2.3 基于竞争的 MAC 协议 ....................................................................... 40
§4.2.4 基于时分复用的 MAC 协议 ............................................................... 41
§4.2.5 其他类型的 MAC 协议 ....................................................................... 43
§4.2.6 MAC 协议的选择 ................................................................................. 43
§4.3 无线温度传感网络低功耗设计 ......................................................................43
§4.3.1 nRF9E5 低功耗结构 ............................................................................. 43
§4.3.2 nRF9E5 工作-休眠交替机制 ................................................................44
§4.4 无线温度传感网络软件整体框架 ..................................................................45
§4.5 无线温度传感网络 MAC 协议设计 .............................................................. 46
§4.5.1 MAC 协议的总体设计 ......................................................................... 46
§4.5.2 MAC 协议在 sink 部分的实现 .............................................................47
§4.5.3 MAC 协议在 node 部分的实现 ............................................................54
§4.6 无线温度传感网络抗干扰策略 .....................................................................57
§4.6.1 无线网络主要干扰源分析 ....................................................................57
§4.6.2 差错控制 ...............................................................................................58
3
§4.6.3 抗干扰自适应跳频通信机制 ................................................................58
§4.7 本章小结 .........................................................................................................59
第五章 无线温度传感网络系统调试 ...........................................................................60
§5.1 系统实物图 .....................................................................................................60
§5.2 ADC 误差分析 ................................................................................................ 60
§5.3 点对点无线通信实验 .....................................................................................61
§5.4 MAC 层协议实验 ........................................................................................... 62
§5.5 无线温度监测网络实验 .................................................................................63
§5.6 传输距离测试 .................................................................................................64
第六章 总结与展望 .......................................................................................................65
§6.1 总结 ..................................................................................................................65
§6.2 展望 ..................................................................................................................65
参考文献 .........................................................................................................................67
附录 .................................................................................................................................70
在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得成果 .................................................83
致谢 .................................................................................................................................84
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 研究背景
20 世纪 90 年代以来，随着无线通信、MEMS(Micro-Electro-Mechanical Sytem，
MEMS)、嵌入式系统及分布式信息处理等技术的快速发展，兼有感知、计算和无
线网络通信能力的微型低功耗低成本传感器，以及由其构成的无线传感器网络
(Wireless Sensor Network，WSN)代表了新一代传感器发展的新方向，成为当今研
究的热点之一。
无线传感器网络的研究采用系统发展模式，因而必须将现代的先进微电子技
术、微细加工技术、系统 SOC 芯片设计技术、纳米材料与技术、现代信息通讯技
术、计算机网络技术等融合，以实现其微型化、集成化、多功能化及系统化、网
络化，特别是实现无线传感器网络特有的超低功耗系统设计。
无线传感器网络是一种独立出现的网络，它的基本组成单位是无线传感器节
点，这些节点集成了传感器、微处理器、无线接口和电源管理四个主要模块。传
感器、微系统(MEMS)、集成电路、以及低功耗无线通信等技术的飞速发展，使
得低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器网络的大规模应用成为可能，这些
微型无线传感器是集成的光机电一体化系统，具有无线通信、数据收集和处理、
协同工作等功能。它们共同组成了无线传感器网络，导致了一种全新的信息获取
和处理模式，微型传感器节点可以随机或者特定地布置在工作环境中，通过无线
通信实现自组织，获取周围环境的信息，形成分布自治系统，相互协同完成特定
的任务。
数据监测采集是现代检测技术的基础，同时也是自动化测试中重要的组成部
分它为测试系统提供可供分析的数据[1]。
常用的监测数据采集系统有两种[2]，一种是以单片微处理器为核心的监测数
据采集系统，它的构成主要由传感器、放大器、采样保持器、模拟多路开关、A/D
转换器、微处理器及其它一些外围器件构成。第二种是基于通用微型计算机(如
PC 机)的数据采集系统。这类系统一般由计算机加数据采集卡组成，目前数据采
集卡一般基于标准总线(如工控标准总线 STD、传输位总线 BIT-BUS、CAN 总线、
PC 总线等总线系统)并带有高速 DSP[3]，通过计算机插槽与计算机相连，形成内
插式工作方式。现有的监测数据采集系统价格昂贵，并且体积较大，操作复杂。
本文通过结合无线传感器网络、监测数据系统的开发现状，提出了一种适用
于多种场合小型无线温度传感器网络检测系统的设计研究。
无线温度传感器网络协议研究
2
§1.2 无线通信技术的发展及研究现状
短距离无线通信技术已经在我们的日常生活中得到了广泛的应用，目前应用
广泛的短距离无线通信技术主要有 IEEE802.11、WLAN、蓝牙、LDA、Home-RF、
ZigBee、UWB、微功率短距离无线通信技术等[5]。与目前已经具备相当规模的无
线长距离通信网络(如蜂窝移动通信网)相比，短距离无线通信系统在基本结构、
服务范围、应用层次及通信业务(数据、话音)上，均有很大的不同。
(一) IEEE802.11[6～7]。
802.11 是个系列标准，由 5个现行有效的标准——802.11、802.11a、802.11b、
802.11b-Corl、802.11c 和5个正在发展制定中的标准 802.11e、802.11f、802.11g、
802.11h、802.11i 组成。IEEE802.11b 技术标准是无线局域网的国际标准，自发布
之日起就得到了广泛的应用，迄今为止仍是应用热点。该标准工作在 2.4GHZ 的
频段上，采用了补码键控(CCK)调制技术和直接扩频调制 (DSSS) 技术，最大传
输速率可达 11Mbit，并且可以根据情况的变化，在 11Mbit/s、5.5Mbit/s、2Mbit/s、
1Mbit/s 的不同速率之间自动切换，且在 2Mbit/s、1Mbit/s 的速率时与 802.11 兼容，
它从根本上改变了 WLAN 的设计和应用现状，扩大了 WLAN 的应用领域。现在，
大多数厂商生产的 WLAN 产品都基于 802.11 标准。
802.11a 标 准 与 802.11b 同 年 制 定 ， 它 工 作 在 5GHz 频 段 上 ， 使 用
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)调制技术，支持 6、9、12、18、
24、
36、
48 和54Mbit/s 的传输速率。
802.11b 与802.11a 两个标准都存在着各自的
优缺点。802.11b 的优势在于价格低廉，但速率较低(最高 11Mbit/s)；而 802.l1a
优势在于传输速率快(最高 54Mbit/s)且受干扰少，但价格相对较高。另外，802.11b
与802.11a 工作在不同的频段上，不能工作在同一接入点(AP)的网络里，因此
802.11b 与802.11a 互不兼容。
为了解决上述问题，IEE802.11 工作组开始定义新的物理层标准 802.11g。
802.11g 标准与以前的 802.11 协议标准相比有以下两个特点：在 2.4GHZ 频段
使用正交频分复用(OFDM)调制技术，使数据传输速率提高到 20Mbit/s 以上；能
够与 802.11b 的Wi-Fi 系统互相连通，共存于同一 AP 的网络里，保障了后向兼
容性，延长了 802.11b 产品的使用寿命，降低了用户的投资.
(二)蓝牙(Bluetooth)技术[8～9]
蓝牙是由爱立信、东芝、诺基亚、英特尔和国际商用机器公司等公布的一种
无线数据与语音通信的开放性全球规范，开发于上世纪 90 年代中后期。它是一种
用于短距离的、点对多点的数据和语音传输的射频规范。开发该技术的目的是以
近距离、无线为基础为固定与移动终端建立临时对等连接。蓝牙的传输距离在 lm
第一章 绪论
3
到10m 之间，增加发射功率或配置专用的放大器后可使传输距离达到 100m。
目前，蓝牙设备在无线耳机、无线键盘等领域应用较多，但其国内市场的推
广仍然十分不够，其最大障碍是成本依然很高，蓝牙模块购买价格昂贵。
(三)超宽带(UWB)技术[10～12]
超宽带 UWB(Ultra Wide Band)无线技术出现在 60 年代，其应用仅限于军事。
2002 年这项无线技术开始应用于民用通信领域，因而获得了广泛的关注。与
传统技术不同，UWB 是一种无载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳
秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽，它能够
实现无线局域网中无线接口的互联和接入，并具有低功耗、高带宽、低复杂度的
优点。
目前，英特尔公司正在进行研究和开发，以便将 UWB 集成到个人电脑芯片
组中，将其作为 10m 以内的近距离高速无线传输接口使用。英特尔将 UWB 定位
于“无线 USB 2.0”，当前 UWB 的传输速率己达到 100Mbit/s，其下一个目标是
500Mbit/s。然而，UWB 作为民用还是一项新技术，还有一些实际问题，如安全
问题、干扰问题等有待解决。
(四)红外(IrDA)技术[13～14]
IrDA(Infrared Data Association)是由红外数据协会提出并推行的一种无线通
信协议，这种通信方式通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线数
据的收发。IrDA 设备使用发光二极管发送信号，波长范围 875nm±30nm。新制
定的超高红外(VFIR)标准传输速率达到 16Mpbs，相比传统版本的 4Mbps 快了 4
倍，接收角度也由原来的 30 度扩展到 120 度。
IrDA 设备的使用不需要申请特定频率的使用执照，并且还具有体积小、功耗
低、技术成熟的优点。IrDA 数据传输速率比较高，同时由于是点对点的通信，受
到的干扰也较小，目前在成熟度和普及度上，
IrDA 是新兴的无线通信技术无法比
拟的。
但是，IrDA 的缺点也很明显。首先 IrDA 是一种视距传输技术，通信设备中
间不能有任何阻挡物，通信设备的位置也需要相对固定，不适宜用于移动数据传
输；其次，IrDA 只能实现点对点的无线通信，不能完成点对多点的无线通信；最
后，IrDA 设备的核心器件——红外 LED 容易损坏，因而设备寿命有限。
(五)低功率短距离无线通信技术
该技术一般采用单片数字信号收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成
专用或通用无线通信模块。一般射频芯片采用 FSK 调制方式，工作于 ISM 频段，
一些必要的外围模块都已经集成在芯片内部，并且提供了简单透明的数据传输协
无线温度传感器网络协议研究
4
议或使用简单的加密协议，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，
只要依据芯片提供的操作接口进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。由于
其功率小、价格低廉、开发简单快速因而在工业、民用领域得到了广泛的应用。
但数据传输速度、流量都较小，因此比较适合搭建对数据传输速度要求不高的小
型网络。目前，很多公司推出了这种类型的单片无线收发芯片，其中比较典型的
是Nordic 公司推出的 nRF 系列芯片。在对短距离无线通信的研究方面，目前国外
除了继续完善和提高短距离无线通信技术以外，对由短距离无线通信设备构成的
无线网络进行了较多的理论研究，其典型代表是对主要应用于军事的无线传感器
网络的研究。这些研究主要集中在无线网络的路由协议、介质访问协议，节点间
的同步以及数据融合技术等方面，并提出了大量针对不同应用的网络模型和通信
协议。
目前国内高校对短距离无线通信在生产和生活中的应用上研究的较多。其中
郑州大学的周勇庆、武汉科技大学的钱丽、吉林大学的尹刚、浙江大学的张辉等
分别对短距离无线通信在汽车轮胎压力实时监测、酒店无线点菜、不停车收费、
工业控制系统总线的无线传输等领域的应用进行了研究。这些研究大多着重于无
线通信功能的实现，对应用中的低功耗和抗干扰性能没有进行深入的研究。
§1.3 本文主要工作
本文以精密加工技术的发展现状为基础，结合无线通信技术、监测数据系统
开发现状，提出了一种适用于多种场合下的无线温度传感网络的监测系统的设计
研究。本设计的系统结构框图如图 1-1 所示。
本文主要研究内容如下：
在硬件设计方面，构建了一个单跳无线传感器网络，设计了传感器节点和汇
聚节点，并设计了温度信号采集模块。软件方面，主要设计了基于时分复用的无
线传感器网络 MAC 协议，实现传感器节点与汇聚节点通信、通信时隙根据传感
器节点数目变化的动态分配以及传感器节点进入网络和脱离网络的检测、报警；
同时也设计了传感器节点的 A/D 转换程序等。
整个系统实现以下功能：温度信号采集、传感器节点 A/D 转换、传感器节点
传输数据到汇聚节点以及汇聚节点将收集到的数据发送到 PC 等。本系统在器件
选择和 MAC 协议软件设计方面，重点考虑了无线传感器网络的低功耗要求，通
过处理器模块的低功耗模式和通信模块的休眠功能的使用，以及对应的软件设计
等方法，尽可能地降低传感器节点的功耗，延长其使用寿命。
摘要：

i摘要无线传感器网络的研究兴起于二十世纪九十年代，是计算机技术、通信技术和传感器网络技术相结合的产物，是互联网领域研究的热点之一。目前国内外很多大学已经开展了相关的研究和开发。同时，传感器及其数据采集电路正朝着无线化、微型化、低功耗方向发展。本论文采用温度采集系统与短距离无线通信技术构建一个小型无线温度传感器网络系统，并对其MAC层协议进行了研究。本论文首先介绍了目前比较流行的短距离无线通信技术，并选择了以无线射频芯片为核心的微功率短距离无线通信技术；其次根据系统功能以及设计要求，确定整个无线温度传感器网络系统的方案，完成了系统的硬件和软件设计，并组成了实际的通信系统。本文在硬件方面构建温度传...

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