無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

第13章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)13.1概述13.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet的互聯(lián)13.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)13.1概述

13.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究與應(yīng)用狀況

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起步于20世紀(jì)90年代末期。從21世紀(jì)開始，傳感器網(wǎng)絡(luò)引起了學(xué)術(shù)界、軍事界和工業(yè)界的極大關(guān)注，美國和歐洲相繼啟動(dòng)了許多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究計(jì)劃。特別是美國通過國家自然基金委、國防部等多種渠道投入巨資支持傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，它對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提出了新的挑戰(zhàn)，主要的要求有：低能耗、低成本、通用性、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、安全、?shí)時(shí)性、以數(shù)據(jù)為中心等。

1998年，UCLA和Rockwell研究中心在DARPA支持下進(jìn)行的WINS(WirelessIntegratedSensorNetwork)是傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的開端，其主要目的是為嵌入儀器、設(shè)備以及環(huán)境中的傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和處理器構(gòu)建一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提供訪問Internet的能力。之后，又相繼出現(xiàn)了一些新的演示系統(tǒng)，比如SmartDust，它主要強(qiáng)調(diào)利用MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)微型化的傳感器節(jié)點(diǎn)，總體積約100立方毫米的節(jié)點(diǎn)完全有可能像塵埃一樣懸浮在空氣中。加州大學(xué)伯克利分校的MacroMotes在形如硬幣大小的節(jié)點(diǎn)中配置了溫度、濕度、壓力、磁場等多種傳感器，在車輛跟蹤、動(dòng)物學(xué)家關(guān)于水鳥活動(dòng)的研究中應(yīng)用非常成功。

NASA的JPL(JetPropulsionLab)實(shí)驗(yàn)室研制的Sensorwebs是為將來的火星探測進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備的。2000年，美國國防部把SmartSensorweb定為國防部科學(xué)技術(shù)五個(gè)尖端領(lǐng)域之一。SmartSensorweb

的基本思想是在整個(gè)作戰(zhàn)空間中放置大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，來收集、傳遞信息，

并且將信息匯集到融合點(diǎn)，在那里綜合成一張圖片，并分發(fā)給需要該信息的作戰(zhàn)者。

在民用方面，Intel、Crossbow、Freescale、Ember等美國公司，以及歐洲的一些公司如Philips、Siemens、Ericsson、Chipcon等也紛紛設(shè)立或啟動(dòng)相應(yīng)的行動(dòng)計(jì)劃。美國的很多大學(xué)都已開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。加州大學(xué)伯克利分校研制的傳感器系統(tǒng)Mica、Mica2、Mica2Dot已被廣泛地用于低能耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)；麻省理工學(xué)院(MassachusetsInstituteofTechnology)致力于基礎(chǔ)知識的信號處理技術(shù)；哈佛大學(xué)(HarvardUniversity)研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的理論基礎(chǔ)等。美國的很多大學(xué)都已開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。加州大學(xué)伯克利分校研制的傳感器系統(tǒng)Mica、Mica2、Mica2Dot已被廣泛地用于低能耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)；麻省理工學(xué)院(MassachusetsInstituteofTechnology)致力于基礎(chǔ)知識的信號處理技術(shù)；哈佛大學(xué)(HarvardUniversity)研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的理論基礎(chǔ)等。

特別是進(jìn)入21世紀(jì)后，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問題有了許多新穎的解決方案，但是，這個(gè)領(lǐng)域從總體上來說尚屬于起步階段，目前還有許多問題亟待解決。隨著傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，以大量的具有微處理能力的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)逐漸成為研究熱點(diǎn)問題。與傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)AdHoc網(wǎng)絡(luò)相比，WSN的自組織性、動(dòng)態(tài)性、可靠性和以數(shù)據(jù)為中心等特點(diǎn)，使其可以應(yīng)用到人員無法到達(dá)的地方，比如戰(zhàn)場、沙漠等。因此，可以斷定未來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將有更為廣泛的前景。3.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

目前無線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化組織IEEE802.15工作組已完成了以下標(biāo)準(zhǔn)的制定：

中速無線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.1——藍(lán)牙；

高速無線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.3——超寬帶(UWB)；低速無線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4。低速無線個(gè)域網(wǎng)主要為電源能力受限的、吞吐量要求較低的無線應(yīng)用提供簡單的低成本網(wǎng)絡(luò)連接，主要目標(biāo)是以簡單靈活的協(xié)議構(gòu)建一種安裝布置合理、數(shù)據(jù)傳輸可靠、設(shè)備成本極低、能量消耗較小的短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)。

低速無線個(gè)域網(wǎng)符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)于低能耗、低成本、通用性、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、安全、?shí)時(shí)性、以數(shù)據(jù)為中心等要求，因此目前研究、應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層及MAC層協(xié)議多采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)?；贗EEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議主要有2001年9月成立的ZigBee聯(lián)盟提出的ZigBee協(xié)議棧及適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的嵌入式微型IPv6協(xié)議棧。其中，ZigBee協(xié)議

以其低成本、不同廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品可兼容等特點(diǎn)得到廣泛的研究與應(yīng)用。13.1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet的互聯(lián)

同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)引入一個(gè)或幾個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)作為獨(dú)立的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)并以此為接口接入互聯(lián)網(wǎng)，即把與互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IP協(xié)議的接口置于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)外部的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。這樣做比較符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流模式，易于管理，無需對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身進(jìn)行大的調(diào)整；缺點(diǎn)是會使得網(wǎng)關(guān)附近的節(jié)點(diǎn)能量消耗過快并可能會造成一定程度的信息冗余。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是：部分能量高的節(jié)點(diǎn)被賦予IP地址，作為與互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IP協(xié)議的接口。這些高能力節(jié)點(diǎn)可以完成復(fù)雜的任務(wù)，承擔(dān)更多的負(fù)荷，難點(diǎn)在于無法對節(jié)點(diǎn)的所謂“高能力”有一個(gè)明確的定義。同時(shí)，如何使得IP節(jié)點(diǎn)之間通過其它普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信也是一個(gè)技術(shù)難題。13.1.4實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

采用同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)典

型結(jié)構(gòu)如圖13-1所示，由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、服務(wù)器端的PC和客戶端的PC四大硬件環(huán)節(jié)組成，各組成環(huán)節(jié)功能如下。圖13-1遠(yuǎn)程監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖●傳感器節(jié)點(diǎn)：部署在監(jiān)測區(qū)域（A區(qū)），通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其它節(jié)點(diǎn)逐跳進(jìn)行無線傳輸，經(jīng)過多跳后達(dá)到匯聚節(jié)點(diǎn)（B區(qū)）?！駞R聚節(jié)點(diǎn)：是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的組建，再將傳感器節(jié)點(diǎn)無線傳輸進(jìn)來的信息與數(shù)據(jù)通過SCI（SerialCommunicationInterface，串行通信接口）傳送至服務(wù)器端PC?！穹?wù)器端PC：是一個(gè)位于B區(qū)的管理節(jié)點(diǎn)，也是獨(dú)立的Internet網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。在LabVIEW軟件平臺上面有兩個(gè)軟件：一是對傳感器無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測管理的軟件平臺VI，即一個(gè)監(jiān)測傳感器無線網(wǎng)絡(luò)的虛擬儀器VI；二是WebServer軟件模塊和遠(yuǎn)程面板技術(shù)(RemotePanel)，可實(shí)現(xiàn)傳感器無線網(wǎng)絡(luò)與Internet的連接。

●客戶端PC：客戶端PC上無需進(jìn)行任何軟件設(shè)計(jì)，在瀏覽器中就可調(diào)用服務(wù)器PC中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測虛擬儀器的前面板，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程異地（C區(qū)）對傳感器無線網(wǎng)絡(luò)（A區(qū)）的監(jiān)測與管理。13.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet的互聯(lián)

13.2.1基于LabVIEW虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化方法

在LabVIEW6.1以前的版本中，已經(jīng)提供了相關(guān)的虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化功能，例如TCP/IP、RemoteDataAcquisition（RDA）、InternetToolkit、VIServer、FrontPanelWebPublishing、DataSocket

等。當(dāng)然也有其他第三方公司的一些Toolkits提供了LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)功能，如AppletVIEW。NI公司在總結(jié)上述功能的基礎(chǔ)上，從LabVIEW6.1版本開始，提供了全新的WebPublishTools工具。使用該工具，用戶可以輕松地將自己的虛擬儀器（VI）發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上。用戶可以通過一個(gè)計(jì)算機(jī)（無論近端或遠(yuǎn)程）來操作另一臺不同計(jì)算機(jī)上的VI。服務(wù)器端，用戶無需特別的配置服務(wù)器程序，LabVIEW已經(jīng)提供了完整的WebServer服務(wù)器程序模塊（Web服務(wù)器），LabVIEW的遠(yuǎn)程面板（RemotePanel）技術(shù)可將服務(wù)器端運(yùn)行的VI面板嵌入HTML網(wǎng)頁，發(fā)布上網(wǎng)?？蛻舳怂璧慕M件只不過是一個(gè)IE瀏覽器以及安裝LabVIEW的運(yùn)行環(huán)境runtimeengine而已。利用LabVIEW設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)化的VI分為三個(gè)步驟。

（1）制作本地可運(yùn)行的LabVIEW程序VI。

在傳感器無線網(wǎng)絡(luò)與Internet互聯(lián)的場合，這個(gè)LabVIEWVI就是在LabVIEW環(huán)境中設(shè)計(jì)的名為“遠(yuǎn)程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺”的虛擬儀器程序。這是位于B區(qū)的傳感器無線網(wǎng)絡(luò)的管理節(jié)點(diǎn)。該監(jiān)測管理程序以LabVIEWVI的形式存于服務(wù)器端PC中。（2）配置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。

配置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是為了使本地計(jì)算機(jī)成為一臺可響應(yīng)遠(yuǎn)程用戶操作、提供本地VI響應(yīng)數(shù)據(jù)的服務(wù)器，成為一個(gè)獨(dú)立的Internet網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

配置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的內(nèi)容包括注冊WebServer，定義訪問權(quán)限，定義可訪問的VI列表三個(gè)部分。

（3）發(fā)布嵌入VI前面板的HTML網(wǎng)頁。

分兩步進(jìn)行：一是設(shè)置網(wǎng)頁參數(shù)；二是生成HTML網(wǎng)頁。所有在LabVIEW平臺上設(shè)計(jì)的VI均可以通過上述三個(gè)步驟制作成為網(wǎng)絡(luò)化VI。網(wǎng)絡(luò)化VI構(gòu)架如圖13-2所示。當(dāng)用戶在瀏覽器下鍵入HTML文件的網(wǎng)址后，便可在瀏覽器內(nèi)對VI前面板上的按鈕等輸入控件進(jìn)行操作，控制服務(wù)器端VI的運(yùn)行，觀察前面板上輸出控件的顯示，獲得VI運(yùn)行結(jié)果。圖13-2LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)化VI構(gòu)架13.2.2［示例13-1］設(shè)計(jì)“遠(yuǎn)程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

監(jiān)測平臺”虛擬儀器程序

（1）該VI經(jīng)過PC機(jī)的串口與下位機(jī)進(jìn)行通信，下達(dá)指令或接收數(shù)據(jù)，下位機(jī)為圖13-1所示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)，即協(xié)調(diào)器中的微處理器；

（2）該VI對無線網(wǎng)絡(luò)有操作功能，如“檢索網(wǎng)絡(luò)”、“發(fā)送數(shù)據(jù)”、“自動(dòng)發(fā)送”等；

（3）該VI對無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址等具有顯示功能；（4）該VI對無網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)具有顯示功能，如顯示網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)是否入網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)是否組建成功等；

（5）該VI對接收到的傳感器歷史數(shù)據(jù)與當(dāng)前數(shù)據(jù)具有顯示功能。

由五大模塊來實(shí)現(xiàn)上述要求：串口配置按鈕模塊、網(wǎng)絡(luò)操作按鈕模塊、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈模塊、串口接收數(shù)據(jù)顯示框模塊、傳感器數(shù)據(jù)顯示模塊。其前面板與流程圖分別如圖13-3、圖13-4所示。圖13-3“遠(yuǎn)程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺”VI面板圖13-4“遠(yuǎn)程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺”流程圖

1．串口配置按鈕模塊

在此模塊中使用LabVIEW中的VISAConfigureSerialPort模塊，由面板上的三個(gè)按鈕（通訊口、波特率及校驗(yàn)位）實(shí)現(xiàn)對PC機(jī)串口的配置，從而服務(wù)器端PC與下位機(jī)

即作為無線網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)器之間可通過PC串口進(jìn)行通信。

2．網(wǎng)絡(luò)操作按鈕模塊

此模塊有八個(gè)按鈕、一個(gè)Ring控件、一個(gè)Numeric控件及一個(gè)String控件，實(shí)現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作，如發(fā)送數(shù)據(jù)、自動(dòng)發(fā)送、檢索網(wǎng)絡(luò)、讀取節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)等。

3．串口接收數(shù)據(jù)顯示框模塊

在此模塊中使用String控件顯示監(jiān)測平臺通過PC機(jī)的串口接收到的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息，如網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的長短地址等。

4．網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈模塊

此模塊中包括四個(gè)指示燈，指示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，如網(wǎng)絡(luò)是否組建成功、傳感器節(jié)點(diǎn)n(=1,2,3)是否入網(wǎng)。

5．傳感器數(shù)據(jù)顯示模塊

此模塊中設(shè)置三個(gè)NumericIndicator控件分別顯示三個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)；將三個(gè)Graph控件拖入一個(gè)TabControl控件中實(shí)現(xiàn)三種傳感器歷史數(shù)據(jù)的重疊選擇顯示。在圖13-3所示前面板上，點(diǎn)擊相應(yīng)的串口配置按鈕即可完成對串口的配置。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息在串口接收數(shù)據(jù)框中顯示，若網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，則在提示信息中顯示出錯(cuò)信息。網(wǎng)絡(luò)組建成功及節(jié)點(diǎn)成功加入后會點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈。點(diǎn)擊圖中左下角的按鈕，可完成相應(yīng)的指令發(fā)送及數(shù)據(jù)接收操作。接收的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)將分別以圖形和數(shù)據(jù)的形式在右下角的圖形顯示框和數(shù)據(jù)顯示框中顯示，其中，圖形顯示框?yàn)槿齻€(gè)節(jié)點(diǎn)復(fù)用，隨著讀取數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)不同而轉(zhuǎn)換。在圖13-4所示的流程圖中，先配置串口模塊，再確定發(fā)送、接收模式，同時(shí)確定與下位機(jī)的通信協(xié)議。當(dāng)有發(fā)送或接收控制鍵動(dòng)作時(shí)，程序首先判斷是給下位機(jī)發(fā)送指令，還是接收下位機(jī)回傳的數(shù)據(jù)。若是發(fā)送指令，則判斷所發(fā)送指令是否符合格式要求，不符合則退出發(fā)送；若是接收指令則接收數(shù)據(jù)，判斷是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后再分別在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的顯示框中顯示波形和數(shù)據(jù)值。上述設(shè)計(jì)好的本地VI可進(jìn)一步向網(wǎng)上發(fā)布，成為網(wǎng)絡(luò)化VI，遠(yuǎn)方C區(qū)的使用者可調(diào)用該本地VI的前面板，就像在本地B區(qū)操作該VI前面板一樣對傳感器無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操作與管理。13.2.3［示例13-2］將本地“遠(yuǎn)程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

監(jiān)測平臺”VI制作成為網(wǎng)絡(luò)化VI

1．配置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器

（1）注冊WebServer。注冊WebServer需要定義WebServer的根目錄路徑、HTTP協(xié)議端口、控制VI的時(shí)間以及WebServer的日志文件。打開LabVIEW，選擇Tools→Options，彈出LabVIEW的設(shè)置對話框，在設(shè)置對話框中選擇WebServer:Configuration，如圖13-5所示，對LabVIEW的服務(wù)器進(jìn)行設(shè)置。其中：圖13-5LabVIEW的WebServer設(shè)置面板①RootDirectory：用于輸入網(wǎng)頁和VI程序的根目錄，供Web服務(wù)器查找VI使用。例如本例中應(yīng)為D:＼RootDirectory。

②HTTPPort：Web服務(wù)器的HTTP協(xié)議端口，默認(rèn)端口為80，端口數(shù)值范圍從1到65535。③Timeout(sec)：設(shè)置網(wǎng)絡(luò)用戶控制服務(wù)器上的VI程序的時(shí)間，單位為秒，默認(rèn)時(shí)間為60秒。它是遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)上的VI面板與服務(wù)器上的VI程序的有效連接時(shí)間。每次遠(yuǎn)程用戶打開一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器頁面時(shí)，服務(wù)器開始計(jì)時(shí)，到60秒后，頁面和服務(wù)器的聯(lián)系中斷。用戶繼續(xù)操作面板時(shí)，會重新連接服務(wù)器。

④UseLogFile：使用日志記錄。該日志文件記錄遠(yuǎn)端用戶訪問的情況，便于管理人員進(jìn)行維護(hù)工作。（2）定義訪問權(quán)限。定義訪問權(quán)限是指定義一個(gè)管理操作WebServer的用戶列表，并且分別對每一個(gè)用戶做出訪問權(quán)限設(shè)置。訪問權(quán)限有三種，分別是“具備觀看和控制權(quán)限（AllowViewingandControlling）”，“只具備觀看權(quán)限(AllowViewing)”或“列為拒絕戶(DenyAccess)”。定義訪問權(quán)限列表的工作可以在“WebServer:BrowserAccess”

中設(shè)置。選擇Tools→Options→WebServer:Browser

Access，彈出如圖13-6所示面板。圖13-6定義訪問權(quán)限面板圖13-6定義訪問權(quán)限面板①BrowserAccessList：訪問列表顯示區(qū)，顯示所有已經(jīng)定義的IPAddress列表。

②AllowViewingandControlling：“具備觀看和控制權(quán)限”選擇框，如4；

③AllowViewing：“只具備觀看權(quán)限”選擇框，如4；

④DenyAccess：“列為拒絕戶”選擇框,如4。

（3）定義可訪問的VI列表。定義可訪問的VI列表是指定義一個(gè)可以被遠(yuǎn)程用戶訪問的服務(wù)器端VI列表，以及針對每個(gè)VI設(shè)定控制時(shí)間長短，防止VI被某一個(gè)使用者長時(shí)間控制，造成其他使用者無法使用。上述功能可以選擇Tools→Options→WebServer:VisibleVIs，通過如圖13-7所示面板進(jìn)行設(shè)置。圖13-7定義可訪問的VI列表的面板①VisibleVIs：可以訪問的服務(wù)器端的VI列表，默認(rèn)值是“*”，表示服務(wù)器端的所有VI均可以被網(wǎng)絡(luò)用戶訪問到。

②ControlTimeLimit(sec)：設(shè)置訪問控制時(shí)間，單位為秒，默認(rèn)值為300秒。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器被一個(gè)網(wǎng)絡(luò)用戶占用時(shí)，另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)用戶試圖訪問同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器，并向服務(wù)器提出申請，此時(shí)服務(wù)器開始計(jì)時(shí)，到300秒后，服務(wù)器將控制權(quán)交給等待中的另外一個(gè)用戶。

2．發(fā)布嵌入VI前面板的HTML網(wǎng)頁

1）設(shè)置網(wǎng)頁參數(shù)

設(shè)置網(wǎng)頁參數(shù)是指配置將要生成的網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器的頁面參數(shù)以及與本地VI進(jìn)行關(guān)聯(lián)。選擇Tools→WebPublishTool，彈出網(wǎng)頁發(fā)布對話框，如圖13-8所示。

①DocumentTitle：輸入待發(fā)布的HTML網(wǎng)頁標(biāo)題，本例為“遠(yuǎn)程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺”。②Header：在網(wǎng)頁中位于面板前面的文本，標(biāo)識前面板開始的位置，本例輸入“遠(yuǎn)程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺開始位置”。

③Footer：在網(wǎng)頁中位于面板后面的文本，標(biāo)識前面板結(jié)束的位置，本例輸入“遠(yuǎn)程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺結(jié)束位置”。

④VIName：將要發(fā)布的VI名稱，本例中本地VI程序名稱是“Remotel.vi”。圖13-8網(wǎng)頁發(fā)布對話框圖13-8網(wǎng)頁發(fā)布對話框

2）生成HTML網(wǎng)頁

用戶設(shè)置好面板上的參數(shù)后，在圖13-8所示的面板上點(diǎn)擊“StartWebServer”按鈕，使LabVIEW的Web服務(wù)器開始運(yùn)行。若點(diǎn)擊“SavetoDisk”，則彈出的對話框如圖13-9所示。圖13-9生成HTML網(wǎng)頁

3．網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器實(shí)際操作測試

1）瀏覽網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器

本例我們設(shè)置了HTTP協(xié)議端口為8080，服務(wù)器計(jì)算機(jī)的IP地址為3，包含遠(yuǎn)程VI前面板的網(wǎng)頁名稱為“Remotel.htm”，那么用戶可以在IE瀏覽器的地址欄中輸入

3:8080/Remotel.htm，網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器在瀏覽器中應(yīng)顯示如圖13-10所示，表示本地VI已成功上網(wǎng)，已成為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器。圖13-10網(wǎng)頁上的網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器界面

2）操作網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器

（1）申請控制權(quán)。

申請控制權(quán)是指建立客戶端網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器和服務(wù)器端VI的連接。在圖13-10中，用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊網(wǎng)頁上的VI面

板區(qū)域，在彈出的對話框中選擇“RequestControlofVI”。如果控制權(quán)申請成功，則虛擬儀器面板中部會彈出“ControlGranted”對話框，然后用戶就可以對虛擬儀器進(jìn)行操作了。（2）操作網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器。操作網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器的步驟和操作本地VI一樣。

（3）釋放控制權(quán)。釋放控制權(quán)是指撤銷客戶端網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器與服務(wù)器端的連接，以便其他的網(wǎng)絡(luò)用戶使用該網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器。用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊網(wǎng)頁上的VI面板區(qū)域，在彈出的對話框中選擇“ReleaseControlofVI”，即可釋放對服務(wù)器端VI的控制權(quán)。

LabVIEW內(nèi)定可以連接的RemotePanel的數(shù)目為一個(gè)。用戶可以向NI公司訂購額外的授權(quán)以使更多的用戶端可以同時(shí)連接到WebServer端。

幾乎所有的LabVIEW程序都可以通過上述網(wǎng)絡(luò)發(fā)布過程制作成網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器，LabVIEW

和網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合給虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化提供了一條簡便快捷的道路，也給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了捷徑。

13.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

圖13-11所示是一種經(jīng)濟(jì)型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。受傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)射能力的限制，在更遠(yuǎn)距離的測試研究中心需要采集遠(yuǎn)程分布的傳感器節(jié)點(diǎn)的信息時(shí)，則可由管理節(jié)點(diǎn)與Internet相連，把無線傳輸?shù)膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)信息進(jìn)一步通過

Internet傳至世界各地。圖13-11無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)的組成環(huán)節(jié)框圖13.3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)

1．傳感器及其調(diào)理電路

應(yīng)根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所在的地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)來選擇傳感器，以適應(yīng)環(huán)境溫度變化范圍、尺寸體積等特殊要求。傳感器所配接的調(diào)理電路將傳感器輸出的變化量轉(zhuǎn)換成能與A/D轉(zhuǎn)換器相適配的0~2.5V或0~5V的電壓信號。當(dāng)處于無電網(wǎng)供電地區(qū)時(shí)，傳感器及其調(diào)理電路都應(yīng)是低功耗的。

2．?dāng)?shù)據(jù)采集及A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器系統(tǒng)

傳感器節(jié)點(diǎn)中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是低功耗的單片微處理器系統(tǒng)，可以適應(yīng)遠(yuǎn)離測試中心、偏遠(yuǎn)地區(qū)惡劣環(huán)境的工作條件。如美國德克薩斯州儀器（TI）公司生產(chǎn)的MSP430－

F149A超低功耗混合信號處理器(MixedSignalProcessor)，它內(nèi)部自帶采樣/保持器和12位A/D轉(zhuǎn)換器，可對信號進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換以及對全節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行指令控制和數(shù)據(jù)處理。

3．射頻模塊

射頻模塊接收外部無線指令并將傳感器檢測到的被測

參量數(shù)據(jù)信息無線發(fā)送出去，如TI公司的CC2420無線收發(fā)芯片。

4．電源

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中對傳感器節(jié)點(diǎn)的供電是一個(gè)極具特殊性的正處于研究熱點(diǎn)的技術(shù)問題。若節(jié)點(diǎn)處于遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，一般采用電池供電或無線射頻供電方式。13.3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)

圖13-1中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，操作PC中監(jiān)測管理軟件平臺的面板控件，在其指令下負(fù)責(zé)執(zhí)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的配置與組建，并將接收到的傳感器節(jié)點(diǎn)無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息再傳至PC機(jī)。通常協(xié)調(diào)器主要由微處理器系統(tǒng)、射頻模塊、通信接口以及電源四個(gè)部分組成，其硬件組成框圖如圖13-12所示。圖13-12無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器硬件組成框圖

1．通信接口

協(xié)調(diào)器中的通信接口負(fù)責(zé)與PC機(jī)進(jìn)行通信。一方面，當(dāng)操作PC機(jī)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺VI前面板上的相應(yīng)控件時(shí)，通信接口負(fù)責(zé)傳遞下達(dá)的相應(yīng)指令，如檢索網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送數(shù)據(jù)等；另一方面，協(xié)調(diào)器接收到傳感器節(jié)點(diǎn)無線發(fā)送的數(shù)據(jù)信息時(shí)，也將其通過通信接口上傳到PC中。

2．微處理器系統(tǒng)

協(xié)調(diào)器中的微處理器是整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主控制器，是協(xié)調(diào)器的核心。

3．射頻模塊

該射頻模塊將接收傳感器節(jié)點(diǎn)無線發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)通信接口上傳至PC；另一方面，以無線傳輸方式下達(dá)PC對傳感器節(jié)點(diǎn)的操作指令。13.3.3［示例13-3］工業(yè)監(jiān)測用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

的硬件芯片與引腳連接

（1）該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖13-1所示。

（2）該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)至少有三個(gè)測量溫度（0~200℃）、分辨力為0.1℃的傳感器節(jié)點(diǎn)；

（3）測點(diǎn)分布在高溫強(qiáng)噪聲工業(yè)現(xiàn)場，要求無線信號傳輸距離達(dá)到20m；

（4）下位機(jī)(協(xié)調(diào)器)與上位機(jī)(PC)之間采用串口通信方式（SCI）。

1．傳感器及其調(diào)理電路

傳感器采用工業(yè)測溫鉑電阻Pt100，它的穩(wěn)定性好，適宜長期監(jiān)測。調(diào)理電路采用雙恒流源儀用放大器電路，如圖13-13所示。圖13-13測溫鉑電阻Pt100調(diào)理電路圖圖13-13中Rt為測溫鉑電阻Pt100；R0=100Ω為精密

電阻；I=1mA為恒流源供電電流；U為調(diào)理電路輸出電壓，且

U=K(IRt－IR0)

(13-1)

可求放大倍數(shù)K為（13-2）當(dāng)U=2.5V，I=1mA時(shí)，在0~200℃范圍內(nèi)Rt=175.86Ω,代入式（13-2）得K=32.96，可取K=30，這時(shí)最大輸出電壓Umax=2.2758V，小于2.5V，即小于A/D轉(zhuǎn)換器允許輸入的最大電壓值。

根據(jù)分辨力0.1℃與測溫上限200℃的要求，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)b需滿足≥(13-3)即b≥11均可滿足分辨力的要求。本例中單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器是12位，故滿足要求。

2．微處理器模塊

1）MSP430F149A單片機(jī)的特點(diǎn)

MSP430F149A單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：

●超低功耗；

●強(qiáng)大的處理能力；

●高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊；

●系統(tǒng)工作穩(wěn)定；

●方便高效的開發(fā)環(huán)境。

2）MSP430F149A單片機(jī)的主要性能

MSP430F149A單片機(jī)的主要性能如下。

●低電源電壓范圍：1.8~3.6V。

●超低功耗：2.5μA@4kHz，2.2V;

280μA@1kHz,

2.2V。

●

5種節(jié)電模式：等待方式1.6μA,RAM保持的節(jié)電方式0.1μA。

●從等待方式喚醒時(shí)間：6μs。

●

16位RISC結(jié)構(gòu)，125ns指令周期。

●基本時(shí)鐘模塊配置(XX時(shí)鐘搭配使用可降低單片機(jī)功耗)：高速晶體（最高8MHz）,低速晶體（32768Hz）。●

12位200kb/s的A/D轉(zhuǎn)換器，自帶采集保持，故滿足測溫分辨力0.1℃需要位數(shù)b≥11的要求。

●內(nèi)部溫度傳感器。

●具有3個(gè)捕獲/比較寄存器的16位定時(shí)器Timer_A、Timer_B。

●兩通道串行通信接口可用于異步或同步（UART/SPI）模式?！?/p>

6個(gè)8位并行口，且2個(gè)8位端口有中斷能力。

●硬件乘法器。

●多達(dá)60KBFLASH和2KBRAM。

●串行在線系統(tǒng)編程。

●保密熔絲的程序代碼保護(hù)。

3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中MSP430F149A單片機(jī)的引腳連接在傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器中，MSP430F149A的引腳連接分別如圖13-14、圖13-15所示。圖13-14傳感器節(jié)點(diǎn)中MSP430F149A單片機(jī)引腳分配圖圖13-15網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器中MSP430F149A單片機(jī)引腳分配圖（1）圖13-14與圖13-15引腳連接相同的部分有：

①時(shí)鐘電路，向單片機(jī)提供必需的時(shí)鐘信號，采用高、低雙時(shí)鐘配置模式可降低功耗。

●引腳XIN、XOUT是低速時(shí)鐘電路的接入端，采用32768Hz頻率的晶振；

●引腳XT2IN、XT2OUT是高速時(shí)鐘電路接入端，可采用的晶振頻率最高為8MHz。

②復(fù)位電路，采用上電模式向單片機(jī)最小系統(tǒng)提供正常穩(wěn)定工作必需的復(fù)位信號。

●引腳RST為復(fù)位信號接入端；④與射頻模塊的連接。

●引腳SI、SOUT、SCLK和CS是單片機(jī)與射頻模塊之間進(jìn)行SPI通信用連接腳；

●引腳P1.0~P1.6是單片機(jī)對射頻模塊進(jìn)行配置、操作，實(shí)現(xiàn)無線傳輸?shù)倪B接腳。

（2）圖13-14與圖13-15引腳連接不同的部分有：

①在圖13-14所示的傳感器節(jié)點(diǎn)中，

●引腳P6.0~P6.5是6路模擬信號輸入通道，與傳感器的模擬信號輸出端相連，其中有2路4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸入通道及4路0~2.5V電壓信號輸入通道；

●引腳P2.0~P2.7是8路數(shù)字量輸入通道，與數(shù)字式傳感器輸出端相連。②在圖13-15所示的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器中，

●引腳RXD、TXD分別是單片機(jī)串口通信的數(shù)據(jù)接收端和發(fā)送端，是與上位機(jī)——PC串口通信的接口，用于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與PC之間進(jìn)行串口通信，通信接口電路如圖13-16

所示。圖13-16SCI通信接口電路

MAX3232兼容5V與3.3V的CMOS電平輸入，有兩個(gè)收發(fā)器，最高傳輸速度為250kb/s,滿足系統(tǒng)對SCI通信的要求。在PC向協(xié)調(diào)器發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，其輸入的電平通過MAX3232轉(zhuǎn)換為3.3V電平；在協(xié)調(diào)器向PC發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其輸入的電平通過MAX3232轉(zhuǎn)換為RS232-C通信標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電平。

RS232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會正式公布的，已經(jīng)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的一種異步串行通信標(biāo)準(zhǔn)。它的邏輯電平以公共地為對稱，其邏輯“0”電平規(guī)定在+3~+15V之間，邏輯“1”電平則在－3~－15V之間，因而它不僅要使用正負(fù)極性的雙電源，而且與傳統(tǒng)的TTL等數(shù)字電路的邏輯電平不兼容，連接時(shí)必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

3．射頻模塊

1）射頻無線收發(fā)芯片簡介

本例選用TI公司的CC2420無線收發(fā)芯片為射頻模塊的核心。CC2420是2003年底推出的符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)芯片。它基于SmartRF03技術(shù)，使用0.18μmCMOS工藝生產(chǎn)，具有很高的集成度。

CC2420是一個(gè)半雙工的RF芯片，它具有完全集成的壓控振蕩器，只需天線、16MHz晶振等非常少的外圍電路就能在2.4GHz頻段上工作。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。芯片體積小、成本低、功耗小，具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適合于工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。

2）射頻無線收發(fā)芯片CC2420的內(nèi)部功能模塊

CC2420的內(nèi)部功能模塊如圖13-17所示。CC2420用無線方式接收到射頻信號（模擬信號），首先經(jīng)過低噪聲放大器（LowNoiseAmplifier，LNA），然后正交下變頻到2MHz的中頻上，形成中頻信號的同相分量和正交分量。兩路信號經(jīng)過濾波和放大后，直接通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（AnalogtoDigitalConverter,ADC）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。后繼的處理，如自動(dòng)增益控制、最終信道選擇、解擴(kuò)以及字節(jié)同步等，都是以數(shù)字信號的形式進(jìn)行處理的。圖13-17CC2420無線收發(fā)芯片內(nèi)部功能模塊

3）無線收發(fā)芯片CC2420與微處理器接口

CC2420與微處理器之間的接口包含11個(gè)引腳，如圖13-18所示。其中，CC2420通過一個(gè)SPI接口與微處理器進(jìn)行通信，SPI接口由CSn、SI、SO及SCLK四個(gè)引腳與微處理器的P1口相連，實(shí)現(xiàn)微處理器對CC2420的片選、復(fù)位操作，并將CC2420的狀態(tài)反饋給微處理器。MSP430F149單片機(jī)內(nèi)部集成了硬件SPI控制器，可以方便地與CC2420連接。簡單的外圍電路和處理器接口，使得CC2420可方便地運(yùn)用于各種設(shè)備。

CC2420與傳感器節(jié)點(diǎn)中的微處理器相連，承擔(dān)傳感器節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器無線發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)和接收來自協(xié)調(diào)器的無線指令信息的任務(wù)。

CC2420與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器——匯聚節(jié)點(diǎn)中的微處理器相連接，承擔(dān)匯聚節(jié)點(diǎn)向傳感器節(jié)點(diǎn)無線發(fā)送指令信息和接收來自傳感器節(jié)點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)信息的任務(wù)。

4）CC2420外圍電路

CC2420內(nèi)部使用1.8V工作電壓，因而功耗很低，適合于電池供電的設(shè)備。外部數(shù)字I/O接口使用3.3V電壓，這樣可以保持和3.3V邏輯器件的兼容性。它在片上集成了一個(gè)直流穩(wěn)壓器，能夠把3.3V電壓轉(zhuǎn)換成1.8V電壓，對于只有3.3V電源的設(shè)備，不需額外的電壓轉(zhuǎn)換電路就能正常工作。圖13-18也給出了CC2420的典型外圍電路連接。圖13-18無線收發(fā)芯片與微處理器、典型外圍電路連接圖

CC2420需要有16MHz的參考時(shí)鐘用于250kb/s數(shù)據(jù)的收發(fā)。這個(gè)參考時(shí)鐘可以來自外部時(shí)鐘源，也可以由內(nèi)部晶體振蕩器產(chǎn)生。如果使用外部時(shí)鐘，直接從XOSC16_Q1引腳引入，XOSC16_Q2引腳保持懸空；如果使用內(nèi)部晶體振蕩器，晶體接在XOSC16_Q1和XOSC16_Q2引腳之間。CC2420要求時(shí)鐘源的精準(zhǔn)度應(yīng)該在±40×10－6以內(nèi)。

4．傳感器節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成

將圖13-13、圖13-14與圖13-18相連接即構(gòu)成圖13-11中的一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。本例要求有三個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。

5．協(xié)調(diào)器——匯聚節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成

將圖13-15與圖13-18相連接，即構(gòu)成圖13-12中的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器——匯聚節(jié)點(diǎn)。13.3.4［示例13-4］工業(yè)監(jiān)測用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

的軟件設(shè)計(jì)流程舉例

工業(yè)監(jiān)測用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件系統(tǒng)如圖13-1所示，包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、傳感器節(jié)點(diǎn)和PC三種不同的硬件，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組建的不同任務(wù)。其中傳感器節(jié)點(diǎn)分布于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、處理和通信等工作。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（ZigBee協(xié)調(diào)器）負(fù)責(zé)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建并通過SCI方式與PC進(jìn)行通信，將各節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)信息匯總到PC上，利用PC與Internet連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。因此，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)、傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)、PC（上位機(jī)）軟件設(shè)計(jì)三部分。其中PC軟件設(shè)計(jì)在13.1節(jié)中已作介紹，故本示例僅說明網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器及傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)即是實(shí)現(xiàn)基于IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及ZigBee

協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能的軟件設(shè)計(jì)過程。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與傳感器節(jié)點(diǎn)這兩種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中有不同功能，軟件設(shè)計(jì)在符合IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)上有所不同，但其軟件結(jié)構(gòu)均符合ZigBee協(xié)議棧的軟件結(jié)構(gòu)，故先介紹基本軟件結(jié)構(gòu)——ZigBee協(xié)議棧的軟件結(jié)構(gòu)。

1．ZigBee協(xié)議棧軟件結(jié)構(gòu)

ZigBee協(xié)議棧采用分層結(jié)構(gòu)，每一層為上層提供一系列特殊的服務(wù)。本文中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)均在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上編制相應(yīng)的應(yīng)用程序，以對其功能進(jìn)行相應(yīng)配置，并根據(jù)系統(tǒng)需要對ZigBee協(xié)議棧進(jìn)行相應(yīng)的裁剪，其軟件基本結(jié)構(gòu)如圖13-19所示。整個(gè)協(xié)議棧分為四個(gè)部分：硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、物理層設(shè)計(jì)、MAC層設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)。圖13-19ZigBee協(xié)議棧軟件結(jié)構(gòu)圖13-19ZigBee協(xié)議棧軟件結(jié)構(gòu)

1）硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

硬件驅(qū)動(dòng)定義了微處理器及無線傳輸模塊的功能，完成硬件初始化。

硬件的操作主要是對微處理器及CC2420片內(nèi)寄存器和RAM的讀寫，硬件驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)主要包括微處理器的SPI口驅(qū)動(dòng)、ADC驅(qū)動(dòng)、中斷驅(qū)動(dòng)、RS232驅(qū)動(dòng)等。本例中，有關(guān)硬件驅(qū)動(dòng)的簡單操作均以宏定義的形式實(shí)現(xiàn)，以提高程序的效率。在硬件驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)中，通過微處理器SPI口驅(qū)動(dòng)軟件實(shí)現(xiàn)對CC2420的操作。CC2420是無線收發(fā)模塊的核心，微處理器通過SPI接口訪問CC2420內(nèi)部寄存器和RAM存儲區(qū)。在訪問過程中，CC2420是SPI接口的從設(shè)備，接收來自處理器的時(shí)鐘信號和片選信號，并在處理器的控制下執(zhí)行輸入輸出操作。SPI接口的接收或發(fā)送都與時(shí)鐘下降沿對齊。

2）物理層軟件設(shè)計(jì)

IEEE802.15.4的物理層主要負(fù)責(zé)射頻信道的管理、信道能量檢測及數(shù)據(jù)收發(fā)等。IEEE802.15.4/ZigBee通信協(xié)議為分層協(xié)議，層與層之間是通過服務(wù)接入點(diǎn)（SAP）相連接的。每一層都可以通過本層與下一層的SAP調(diào)用下層所提供的服務(wù)，同時(shí)通過與上層的SAP為上層提供相應(yīng)服務(wù)。SAP是層與層之間的唯一接口，而具體的服務(wù)是以通信原語的形式供上層調(diào)用的。

3）MAC層設(shè)計(jì)

MAC層提供共享媒介訪問控制功能，它是多跳共享的無線廣播信道。這種信道具有空間復(fù)用特性，充分利用該特性可以提高信道利用率。因此MAC層的設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能。IEEE802.15.4MAC層定義原語操作來實(shí)現(xiàn)與物理層和網(wǎng)絡(luò)層的接口，每一個(gè)原語對應(yīng)一個(gè)程序。MAC層和物理層一樣也分為數(shù)據(jù)操作和管理信息操作。對于數(shù)據(jù)的收發(fā)，是