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功能模块分离的无线传感器网络节点设计

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第10卷 第4期 信 息 与 电 子 工 程 VO1.10,NO.4 2012年8月 INFORMATION AND ELECTRONIC ENGINEERING Aug.,2012 文章编号:1672-2892(2012)04—0441—05 功能模块分离的无线传感器网络节点设计 曹广华 ,赵子滨 ,张晓川 ,刘雅姑 f1.东北石油大学电气信息_1 程学院,黑龙江大庆16331 8;2.大庆油田有限责任公司采油工程研究院,黑龙汀犬庆163000 3.大庆师范学院计算机科学与信息技术学院,黑龙江大庆163000) 摘 要:不同ZigBee联盟成员开发应用层框架通常运行于各自指定的微处理器芯片上。由于 各联盟成员的ZigBee技术细节不同,导致设计和使用及日常维护ZigBee网络时会发生兼容性问题。 为此提出了一种将ZigBee节点上测控部分和通信部分分离为独立模块的思想,可以使ZigBee节点 的开发和维护更加灵活和便捷。设计以Microchip的开源ZigBee协议栈和PIC18F4620单片机为实 验平台,研究开发了测控和通信两模块间的控制协议,并完成了实际测试试验。实验结果表明, 功能模块分离式的设计能充分发挥测控部分的硬件资源优势,减少对协议栈单片机的资源占用, 提高了网络节点的兼容性和日常维护和升级的便利性。 关键词:无线传感器网络;ZigBee协议;模块化;PIC18F4620单片机;Microchip公司 中图分类号:TN926;TP212 文献标识码:A Design of function—modules separated node in wireless sensor network CAO Guang.hua ,ZHAO Zi.bin 。ZHANG Xiao.chuan ,LIU Ya.zhe (1.School of Electrical and Information Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing Heilongjiang 163318,China; 2.Production Engineering Research Institute of Daqing Oilfield Company Ltd.,Daqing Heilongjiang 163000,China; 3.Department of Computer Science and Technology,Daqing Normal College,Daqing Heilongjiang 163000.China1 Abstract:Usually different member of the ZigBee Alliance develops diferent application layer framework which runs on the specified Micro Control Units(MCU).This may give rise to compatibility problems frequently happening in the design,application and routine maintenance in ZigBee network, because the technical details of each member are different.A new idea iS proposed.which separates the measurement and control module fram communication module in a ZigBee node.and makes it easy and convenient to develop and maintain ZigBee node.Based on the open source ZigBee stack of microchip and the experimental platform of PIC 1 8F4620 microcontroller,contro1.protocol between the two modules iS developed and tested.Testing results indicate that the design of separated function modules can make full use of hardware resources of measurement and eontrol module,reduce the resource consumption of ZigBee—Stack MCU,and can improve the compatibility and routine maintenance of the netwark node. Key words:wireless sensor network;ZigBee;modularize;PIC 1 8F4620;Microchip 1 ZigBee协议栈的运行特点 1.1 Microchip开源ZigBee协议栈的运行特点 ZigBee协议栈中的应用框架为驻扎在ZigBee设备中的应用对象提供活动环境…。在Microchip的ZigBee开 源协议栈中体现出,协议栈的激活是通过对原语参数的修改并执行相应的原语实现的,网络开发者可以有针对性 地应用原语来使用指定的端点(EndPoint) ̄H特定的程序流程 。原语的执行是自动、连锁的,之所以功能不同仅 仅源于使用了不同的原语及原语参数。原语的使用具有一定的规律性,且数量不是很多,因此在应用中,将通信 模块分离出来是可能的[31。 1.2 ZigBee网络节点的模块化原理 无线传感器网络节点在硬件上可分为:通信部分和测控部分。节点向网络提交请求,实际上是节点内,测控 收稿日期:2011 08—17;修回日期:2011—1l一11 442 信息与电子工程 第10卷 模块通过通信端I:1向通信模块提交网络操作请求的数据,数据中应包括“信息有效载荷”、“源端点(Source EndPoint)”、“目的端点(Target EndPoint)”和“任务标示(ProfileID)”等信息,具体情况可根据模块化规则的要求 不同而不同。 节点收到来自网络的请求,其内容可以是通信模块向测控模块请求数据,也可以是无关乎测控模块的网络操 作。在数据请求中,通过通信端口向测控模块传递信息,信息中也应包括:“事件标识符”、“信息长度”和“信 息内容”等内容。将主动发出请求的模块定义为“主动端”,接收请求的模块定义为“被动端”。两端之间的连接 可以仿照12C总线制定模块间通信控制协议。 2 控制协议 2.1帧结构与默认参数 帧,是主、被动端之间通信的基本数据单元。帧内部包含了主被动双方通信的各种信息和数据。帧的内部以 字节为单位,帧接收方按照帧所包含的信息进行操作,可以实现模块化『4】。 ZigBee协议栈操作的具体参数有几十个,但是ZigBee协议的任务种类是有限的。按节点功用不同,任务种 类有4至11条不等,包括“发送信息”、“收到信息”、“发送请求”、“收到请求”、“连入网络”、“离开网络”、“报 错”、“加入分组”和“离开分组”等。ZigBee协议栈操作具体参数恰恰与这些任务种类密切相关。 按照ZigBee中精简功能设备(Reduced Function Device,RFD)的功能将帧分为8类,由帧的第0个字节,即 “任务标识符”来区分任务种类,最后1个字节为“结束标识符”用以判断帧的有效性。下面以“发送信息”为 例描述帧结构的意义。 当要求节点向某目的地址发送 个字节数据时,帧结构为: [“任务标识符”,“目的地址高字节”,“目的地址低字节”,“目的端点”,“载荷长度n”,“信息载荷 1”,…,“信息载荷 ”,“结束标识符”1 注意,帧中应只包含必要的数据,由任务类型所确定了的参数,其默认规则为: 1)ClusterlD:0x0000; 2)ProfileID=0x0000; 3)Txoptions.Val=0; 4)源EndPoint与目的EndPoint须严格一致; 5)设置currentPrimitive=APSDE DATA request; 6)“任务标识符”与“结束标识符”须严格一致,回避使用固定的“结束标识符”。 其他类型的帧结构以此类推。 2.2帧有效性的判断与处理 当主动端向被动端发送帧时,就依照帧结构逐字节地把信息传送至被动端。由于帧内部增加了“载荷长度” 这样的字节并规定了严格的帧结构,所以帧的实际长度是可预料的,即被动端具备独立判断帧字节是否接收完成 的条件。被动端帧接收完成后随即自行检查“任务标识符”和“结束标识符”是否对应。如对应,则立即提取帧 字节并执行相应任务;如不对应则视该帧无效。此为帧有效性的判断与处理。该机制使ZigBee执行任务之前改 变或取消任务成为可能,并可以避免由于帧数据的错误而产生的死机现象。 在分析中发现,通信模块接收帧字节直至执行相应任务的时效性并不高,原因在于通信模块时常要运行协议 栈背景任务和同步原语而占用资源,只有空闲状态时才能接收来自测控模块的帧字节。可以适当精简一些背景任 务以提高执行任务的时效性。以执行信息发送任务为例,简化后帧处理的部分源代码如下: switch(Buffer[0]) f case 0x02: { if(Buffer[0]=:Buffer[5+Buffer[4]】) { unsigned char i; BUSYSTATUS=l; ~params.APSDEDATArequest.DstAddrMode=APSADDRESS1 6BIT; ——一第4期 曹广华等:功能模块分离的无线传感器网络节点设计443 params.APSDEDATA—request.DstAddress.ShortAddr.V 1]=BufV【fer[1]; params.APSDEDATArequest.DstAddress.ShortAddr.v[0] Buffer[2]; params.APSDEDATA—request.SrcEndpoint=Buffer[3]; params.APSDEDATA—request.DstEndpoint Buffer[3]; params.APSDE DATA request.Profileld.Val=MY PROFILE ID: params.APSDE DATA request.RadiusCounter=DEFAU【 RADIUS: params.APSDE DATA request.DiscoverRoute=TRUE: params.APSDE DATA request.DiscoverRoute=ROUTE DISCOVERY SUPPRESS: params.APSDE DATA request.TxOptions.Val=0: params.APSDE DATA request.TxOptions.bits.acknowledged=1: params.APSDE DATA request.ClusterId.Val:0x0000: TxBuffler[TxData++]=Buff.er[4]: for(i=O;i<Buffer[4];i++){TxBuffer[TxData++] Buffer[5+i];) ZigBeeBlockTxO: currentPrimitive=APSDE DATA request; } else BUSY STATUS=0: }break; ) 2-3帧数据丢失与应答机制 主动端向被动端传送帧字节之前应检查被动端是否处于“忙”状态,如果返回“FALSE”便改变输出引脚电 平告知被动端有“通信要求”,被动端收到通信要求后向主动端发送“接受要求”电平,主动端通过并行端口在 读写控制引脚的配合下向被动端发送帧字节 。此为控制协议引入查忙与应答机制,每发送一个字节,主动端都 等待来自被动端的确认电平,直至所有控制信息发送完毕。程序流程见图1和图2。 Fig.1 Active—side lfow chart 图1主动端流程图 Fig.2 Passive—side flow chart 罔2被动端流程图 查忙与应答机制是保证被动端接收帧字节时减少丢失的关键机制,用以确保帧的完整,促使任务的有效执行。 虽然略微损失了时效性,但却提高了节点整体可靠性。 实际测试中发现,通信模块向测控模块发送帧字节的时效性很好,这是因为一般来说测控模块任务轻得多, 帧字节的时效性也就好得多,若测控模块帧字节的接收采用端口中断触发方式,数据则很难丢失,但时效性并不 能因此而改善_6 J。 3 功能模块的硬件设计 控制协议的有效运行需要硬件接口的支持。硬件接口具备5组信号引脚确保数据传输的实现与可靠。它们分 别是“读/写控制”、“数据端口”、“发送”、“接收”和“状态”。 测控部分的电路和通信端口的配备应根据控制协议和需要进行配备。 3.1通信模块电路 使用Microchip的ZigBee收发器和PIC单片机所设计的通信模块见图3t 。 3.2引脚功能 基于控制协议,模块处在主动端或被动端时,引脚功能和状态是不同的。表1和表2描述了主动端和被动端 的通信端口引脚 。 444 信息与电子工程 第10卷 l】}—一。ND VCC【..-----__2 EJ3 ̄4 P, ̄77 1 l 引 I j 出 上_ J Fig.3 Diagram of communication modules 图3通信模块原理图 4应用结果与结论 表1主动端引脚描述 Tablel Active—side pins descriptions 在应用开发过程中,ZigBee通信模块 和测控模块分别采用PICl8F4620一I/PT和 STC89C52RC单片机,将ZigBee协议栈 配置完成,载入自行设计的控制协议,将 PIC18F4620.I/PT的PORTD端口和RE0,RE1, RB4和RB5引脚分别连接至STC89C52RC 的P0,P2.0,P2.1,P2.2和P3.2,ADXL345 重力加速度传感器连接在P2.3,P2.4,P2.5 和P2.6上。通信协调器向该节点请求40 字节数据后成功获取振动采样数据,实 现了功能模块的分离,验证了所设计的ZigBee通信模块与不同类型单片机的兼容性。 本文设计了一种基于Microchip开源ZigBee协议栈和PIC18F4620.I/PT单片机的模块化方法,制定了模块间 控制协议,使ZigBee通信模块和测控模块物理上相互独立,又将二者在功能上统一。在遵守控制协议的前提下, 测控模块的单片机不必局限于ZigBee协议栈运行平台的要求来实现ZigBee技术,可以是8051系列、AVR系列 单片机,也可以是ARM系列嵌入式微处理器等,这样就可以按照网络开发者的需要配备系统,进而增加了网络 设计的灵活性和兼容性,从而使ZigBee技术可与其他技术结合,得到更广泛的应用。 参考文献: 【1] Microehip Technology Inc.MICROCI-IIP Stack for the ZigBee ̄Protocol Version v2.0—2.6.Oc[M].【sm.]:Microchip,2008. 【2] 王视环.基于RFID和WLAN技术的物联网应用分析[JJ.信息与电子工程,2010,8(5):603—606.(WANG Shihuan.Applications analysis of lOT based on RFID and WLAN technologies[J[.Information and Electronic Engineering,201O,8(5):603—606.) [3】 姚俊邑,傅煊.基于CC2431实现的无线传感器网络定位[JJ_信息与电子丁程,2010,8(3):257-260.(YAO Junyi,FU Xuan. Locati0n estimation based on CC243 1 RF transceiver in WSN[J].Information and Electronic Engineering,201 0,8(3): 257—260.) 【4】 李学海.PIC单片机实用教程一提高篇【M】.北京:北京航空航天大学出版辛十,2002.(LI Xuehai.PIC Microcontrollers Tutorials—Advanced[M[.Beijing:BEIHANG University Press,2002.) [5] Mierochip Technology Inc.PIC18F2525/2620/4525/4620 Data Sheet[EB/OL].(2008—05)[201 1-08一O1].http://ww1.microchip. com/downloads/en/devicedoc/39626e.pdf. [6】 Barry B Brey.Applying PIC 1 8 Microcontrollers Architecture:Pr0gramming and Interfacing using C and Assembly[M[.[s.n.]: Prentice Hall,2008. [7] Microchip Technology Inc.MRF24J40MA Datasheet【EB,0L].(2008—09)[201 1-08一o1].http://ww1.microchip.com/downloads/ en/devicedoc/70329b.pdf. 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[8] 苏成翔,房鸿瑞,洪伟.PSK信号均衡器抽头数量选取方法[J].信息与电子T程,2009,7(5):416~421. 作者简介: 裴亮锋(1 988一),男,湖北孝感人,在读硕 士研究生,主要研究方向为火控指挥和制导系 统理论与应用.email:pe…angfeng@126.corn. 陈自力(1964~),男,山西长治人,博士, 教授,主要从事无线电信道均衡和编码理论研 究工作. 

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