術在機械振動信號監(jiān)測中應用研究

Zigbee技術在機械振動信號監(jiān)測中的應用研摘如今Zigbee技術在機械振動信號監(jiān)測中的應用研摘如今伴隨著Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，該技術在控制領域的應用越來越引起了人們的普遍關注。Zigbee作為一種嶄新2．4G無線局域網(wǎng)通訊技術，具有低復雜度，低速率，低功耗和低成特點。本文將微機電系統(tǒng)(MEMS)技術與Zigbee技術相融合初步實現(xiàn)了一套專用于機械振動信號監(jiān)測和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)南当疚氖紫群喴榻B了MEMS技術和Zigbee技術的特點之上，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)絡層的功能，構建了基于Zigbee技術的多跳無線傳感器網(wǎng)絡，可靠地把分析。此外，為了進一步降低網(wǎng)絡的整體功耗，本文在Zigbee網(wǎng)絡中節(jié)點中還使用自適應加權融合算法對網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，減少Zigbee網(wǎng)絡節(jié)點之間嚴格的時間同步是網(wǎng)絡保持低功耗特性的條件，本文提出并實現(xiàn)了一種改進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計的基礎上給出了系統(tǒng)的性能測試結果，證明了該達到了基本的設計要求，為今后將Zigbee技術進一步應用在工業(yè)領關鍵詞：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 所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨進行研究工作所取得的成果。除本人鄭重聲明 所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內容外，本論文要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到明的法律結果由本人承擔彥作者簽名日期學位論文作者完全了解北京化工大學有關保留和使用學位論文以允許采用影印、縮印或其它復制手段保存、匯編學位論保密論文注釋：本學位論量商加t，7年歲月多cJ留作者簽名日期導師簽名 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，有的甚至可以達到2KHz?。出現(xiàn)故障的設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。如果能對機械振動加速度幅度大小進行實時測量就能很好的把握設備的工作狀態(tài)，從而對出現(xiàn)振動異常的設備進行故障檢測，及時排除設備的故障隱患，具有很大的實用意義。由于機械設備振動加速度頻率變化范圍較大，同時設備現(xiàn)場往往不允許物理布線進行有線數(shù)據(jù)傳輸，如果使用傳統(tǒng)無線通訊技術如藍牙對數(shù)據(jù)進行無線傳輸?shù)脑挘捎谄渫ㄓ嵕嚯x短，功耗高等缺陷，使得技術本身并不適合工業(yè)控制領域的應用，而且在工業(yè)現(xiàn)場尤其是石油化工領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)絡中節(jié)點的射頻發(fā)送功率有所限制，這樣難免又進一步降低了節(jié)點間無線通訊距離，所以對于機械振ADI公司的ADXL210E加速度傳感器采用MEMS技術船1，可以測量的振動加速度幅度用該傳感器對機械振動臺的振動加速度大小進行測量，與此同時考慮到Zigbee是一種嶄新的專注于低復雜度、低速率、低功耗和低成本的近程無線網(wǎng)絡通信技術，非常適合應用于布線和電源供給困難或人員不能達到的區(qū)域和一些臨時場合，所以本文采用Zigbee技術對加速度計采集的數(shù)據(jù)信號進行無線傳輸，最終匯聚到PC網(wǎng)關中進行數(shù)據(jù)分析。Zigbee網(wǎng)絡可以由在數(shù)千個微小的節(jié)點之間相互協(xié)調實現(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)絡數(shù)據(jù)傳輸可靠性很強。此外節(jié)點的射頻發(fā)射功率很小，滿足大多數(shù)應用環(huán)境中的防爆要求，所以MEMS技術簡北京化工人學碩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機械光學器件、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、環(huán)MES特ADMEMS動電容器組成。在加速度的作用下，多晶體硅結構會產(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技術簡Z無線傳感器網(wǎng)絡是由大量的傳感器節(jié)點采用無線自組織方式構成的網(wǎng)絡，長期以來，無線通訊市場一直存在。自從“藍牙”(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、低復雜度、低功耗、低Zigbee網(wǎng)絡的協(xié)議棧由一系列分層結構組成，每一層為上一層提供服務。完整的Zigbee協(xié)議套件由高層應用規(guī)范、應用會聚層、網(wǎng)絡層、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)議負責物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標準，采用SA／機制提供了一種經(jīng)濟、高效、低速率(250kbps)、工作在2．4GHz和868／928MHz的無線通訊技術。Zigbee聯(lián)盟在此基礎上制定了網(wǎng)絡層和應用層協(xié)議，其中網(wǎng)絡層主要并保持設備間的路由，存儲鄰居信息，給新的關聯(lián)設備分配地址等。此外Zigbee還定義了應用層和安全方面的規(guī)范，使得來自不同廠商的設備可以相互對話。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)絡中的設備分為全功能設備(FFD)和簡化功能設備(RFD)?。稱為主設備，它承擔網(wǎng)絡協(xié)調者的功能，可與網(wǎng)絡中任何其它類型的設備進行通訊，它DF設備，作為終端節(jié)點，其相互之間不能通訊，它們只負責采集傳感器數(shù)據(jù)并通過射頻芯RFFF行FFD網(wǎng)關上，上傳到PC機進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。由于這種多跳網(wǎng)絡是一種冗余路由網(wǎng)絡，，HI¨0#7☆*())RL圖lo絲丁Zigbee的無線網(wǎng)絡拓Figl-2TopologygraphforZigbeewirlesssensorzigboet技術主要特點和應用北京化T大學碩：}：學位論北京化T大學碩：}：學位論增加到(5)網(wǎng)絡容量大：網(wǎng)絡可容納65000SMACA的功能，信息在整個Zigbee網(wǎng)絡中通過自動路由的方式進行傳輸，從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃?。Zigbee技術的目標就是針對工業(yè)，家庭自動化，遙測遙控，汽車自動化、農業(yè)自動化和醫(yī)療護理等領域的應用，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用。另外它還可以對局部區(qū)域內移動目標例如城市中的車輛進行定位。通常，符合如下條件之一的應用，就可以考慮采用Zigbee技術做無線數(shù)據(jù)傳輸口gbee技術的發(fā)展歷史和現(xiàn)1．54飛利浦半導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準。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準。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版本的標準，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應用開發(fā)都是基于該版本。體系結構的逐步穩(wěn)定，實用節(jié)點開發(fā)正從大學逐漸轉向公司，幾乎全部著名半導體公司都參與了芯片和軟件開發(fā)平臺的設計生產(chǎn)。目前國外公司已經(jīng)完成了對該項技術的產(chǎn)品化，比如美國的CROSSBOW品。國內研發(fā)起步稍晚，1998年上海微系統(tǒng)與信息技術研究所開始跟蹤研究，中科院電子所、計算機所、沈陽自動化所和清華、科大、哈工大等大學都進行各有側重的研究。國內如寧波中科集成電路設計中心也提供了一些硬件產(chǎn)品，但軟件產(chǎn)品的性能遠遠達不到國外產(chǎn)品的性能。這些國內外公司的硬件產(chǎn)品大都采用8此不能進行復雜的信號處理，并且其功能也比較單一要想把這些產(chǎn)品應用在機械控制領域的狀態(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容及大1．0．1在系統(tǒng)設計期間，本文主要完成了對整個網(wǎng)絡中各種節(jié)點的硬件電路原理圖設計、端節(jié)點和網(wǎng)關子板的PCB電路板設計、節(jié)點應用程序設計、網(wǎng)關以太網(wǎng)控制器底層Linux驅動程序設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轉換器ADS8344E對機械振動進行信號采集和數(shù)據(jù)轉換。使用Mega28單片機和T86R20片構建無線傳感器網(wǎng)絡通訊平臺，參照現(xiàn)有的Zigbee網(wǎng)絡層協(xié)議棧舊1，對Zigbee網(wǎng)絡的初始生成，子節(jié)點加入網(wǎng)絡，Zigbee網(wǎng)絡地址分配機制以及基于路由成本的Zigbee網(wǎng)絡路由平衡混合算法進行分析，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)點應用程序進行編程，實現(xiàn)Zigbee網(wǎng)絡層部分功能，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5北京化-T大學碩：卜學位論PXA271為核北京化-T大學碩：卜學位論PXA271為核心CPU入式硬件開發(fā)平臺的構建，并在上面實現(xiàn)Bootloader和Linux2．6內核的移植，其中主要包括0／10Mbps自適應以太網(wǎng)口驅動程序的編寫。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)絡數(shù)據(jù)包進行有效數(shù)據(jù)解析和壓縮存儲，同時通過(4)使用改進的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)絡組網(wǎng)性能進行測試，其中包括對整個網(wǎng)絡丟包率和網(wǎng)絡中節(jié)點的時間同步精度進行測試，分析結論并提出改進方案。(6)使用Labview編寫上層主機監(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)關上傳PC1．6．2論文結第二章給出了系統(tǒng)總體設計方案，對系統(tǒng)的軟硬件組成和各部分功能進行描述。第三章介紹了網(wǎng)絡節(jié)點的硬件結構設計，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)絡協(xié)議棧，實現(xiàn)協(xié)議棧網(wǎng)絡層部分功能移植，在本系統(tǒng)的硬件平臺上構建多跳Zigbee無線網(wǎng)絡進行可靠數(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)絡的組網(wǎng)性能和振動信號的采集進行測試。對節(jié)點FTSP時間同步算法的性能和誤差進行分析，補償了節(jié)點上晶振時鐘漂移對同步精度的影響，此外還對網(wǎng)關自適應以太網(wǎng)口的性能進行測試和分析。6第市振動信口監(jiān)測系統(tǒng)總體設計A第市振動信口監(jiān)測系統(tǒng)總體設計A第二章振動信號監(jiān)測系統(tǒng)總體設計方本文使用EMS技術與zibee技術相融合，設計并初步實現(xiàn)了一款專用于工業(yè)領域的機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)設計主要分成硬件設計-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行16位采樣，同時使用EPROM校準并將校準后的數(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)絡層協(xié)議棧lzgeAT86R230射頻芯片構建的低速率lgbe網(wǎng)絡，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號進行實時波形傳輸時，16位ADC構建的數(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行實時波形傳輸，并在PC機端不失真地恢復原振動信號。北京化r丁大學碩十學位論文NesC嚼例㈣H嚼H盎M巫№圈骨困少無線網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)通訊量，降低了整個網(wǎng)絡的功耗。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，它只負責轉發(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行數(shù)據(jù)包中繼轉發(fā)，可以大大拓展了端節(jié)點與網(wǎng)關之間的通訊距離。北京化r丁大學碩十學位論文NesC嚼例㈣H嚼H盎M巫№圈骨困少無線網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)通訊量，降低了整個網(wǎng)絡的功耗。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，它只負責轉發(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行數(shù)據(jù)包中繼轉發(fā)，可以大大拓展了端節(jié)點與網(wǎng)關之間的通訊距離。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)關和PC主機的總體Fig．2-3Theoveralldesignofthegatewayand此外，通過Xscale處理器的USBHOST口和SD卡接口可以大大擴展網(wǎng)關的數(shù)據(jù)存儲空間，存儲空間最大支持4GB，使得網(wǎng)關如果是處在野外沒有PC機與之相連接時候可以將無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)暫存到網(wǎng)關外擴的USB存儲介質和SD卡中，方便日后有PC機與之相連接時，網(wǎng)關可以將先前采集到并存于外存的數(shù)據(jù)上傳到PC機進行后續(xù)數(shù)據(jù)分析。網(wǎng)關同時作為整個網(wǎng)絡的協(xié)調者，它也負責偵聽PC機下發(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)關軟件總體設計流程圖F蟾．2-4Theflowchartof∞fhⅣaredesignforthe如圖2．3，PC機使用Crossobow公司的Xserve中間件對上傳的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)解壓PC機端本設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)點硬件結構第三章系統(tǒng)節(jié)點硬件3．1贏無線射數(shù)第三章系統(tǒng)節(jié)點硬件結構第三章系統(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單片機相連接，主要負責采集加速度信號并進行數(shù)據(jù)轉換。圖3-2數(shù)據(jù)采集板硬件連接圖Fig．3-2Hardwarconnectiondiagramofdataacquisition北京化．丁大學碩十學位論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．丁大學碩十學位論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加速度計應用diagramFi93-3如表3．1當采用模擬電壓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噪聲的影響就會更嚴重，所以實際使用時應對其帶寬設置進行權衡。本數(shù)據(jù)采集板e和C，兩個電容值都設置為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系，其中偏置電壓Vo。表示加速度為0時所對應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系，其中偏置電壓Vo。表示加速度為0時所對應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行ADC數(shù)據(jù)轉換，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范圍的模擬電壓進行數(shù)據(jù)采集，而為了降低功耗和成本，網(wǎng)絡中所有節(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進行邏輯電平轉換，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。該電平轉換器提供雙向8通道電平轉換，如圖3．2本設計芯片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，其中使用單片機的PC5輸出管腳控制電源模塊的開啟和關閉，通過將FB管腳接地使得AXl797芯片輸出預置的5V電壓。圖3_4電源部分原Fig．3-4Schematicdiagram北京化工大學碩．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，其中使用單片機的PC5輸出管腳控制電源模塊的開啟和關閉，通過將FB管腳接地使得AXl797芯片輸出預置的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)點信息設置和射頻數(shù)據(jù)傳輸四部分構成。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)點硬件結構如前所述，ADxL第三章系統(tǒng)節(jié)點硬件結構如前所述，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行校準，使用已知的重力加速度值(g取9．8)24LC64中，以便在實際應用中對所測量的加速度值進行數(shù)據(jù)校準。是一個8K'8(64Kbit)大小的串行EEPROM，它通過12C接口與單片機相連接，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存ADXL2101JtJ速度計的偏置電壓校正信息，彌補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轉換器D8344對ADL210輸出的雙軸模擬加速度數(shù)據(jù)進行采集，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N2．5KHz。本設計在端節(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)，總容量為528KB，其中2個264B靜態(tài)隨機存儲器用作數(shù)據(jù)緩沖器，當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)重復頁編程，每一次以先擦除后(3)網(wǎng)絡端節(jié)點信息設址。端節(jié)點使用8位撥碼開關來設置節(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總線設備地址為Oll，而24LC64使用的12C001。通過PCF8574接口轉換，Megal28可以讀取8位撥碼開關的狀態(tài)。節(jié)點上電時北京化工人學碩上學位論圖3_6北京化工人學碩上學位論圖3_6Megal28的12C總線連接設備原Fig．3-6Thedevices12Cinterface如圖3．5，DS2401增強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構成的兩個射頻節(jié)點之間進行可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ嵕嚯x可達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)字直接序列擴頻DSSS和O—QPSK調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上利用Zigbee現(xiàn)有的網(wǎng)絡層協(xié)議棧組建多跳路由網(wǎng)絡，大大擴展了網(wǎng)絡節(jié)點之間的通訊距離，使其特別適合于工業(yè)控制和防爆領域的應用。該芯片與單片機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(主設備輸出從設備輸SPI數(shù)據(jù)線(主設備輸入從設備輸SPI時鐘輸入RF230時鐘信號輸出，可給單片機提供1．16MHz參考時RF230中斷請求信號輸SLPRF230休眠／蘇醒狀態(tài)轉換控制輸入信端節(jié)點的MCU使用的是ATMEL公司的Megal28AVR單片機，該MCU擁有128KB系統(tǒng)可編程Flash和16MHz的最大工作頻率，可以達到端節(jié)點的控制性能需求。單片機與RF230的硬件接口連接如圖3．5所示，RF230內部包含一個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換，當P7輸出為高時，F(xiàn)30R3由本無線射頻模塊構建的網(wǎng)絡節(jié)點在進行可靠數(shù)據(jù)傳輸時，直接通訊距離可以達至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Nsoo米，為了擴展節(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大學北京化．T大學碩：}：學位論圖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，其最佳差分負載是100歐姆，而本設計使用的是單端50歐姆RF天線，需要使用Balun不平衡變壓器進行50歐姆阻抗匹配。UPG2214是一個模擬單刀雙擲開關，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，使得RF230發(fā)送信號經(jīng)過PA2423進行功率放大之后再通過天線進行射頻發(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到70mA。加了功放的好處就是，一樣的通訊覆蓋距離，網(wǎng)絡如果使用加功放的節(jié)點方案，網(wǎng)絡節(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)絡的可靠性會增強。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)絡時間同步誤差是會隨著3．2第=章系統(tǒng)節(jié)點硬件結構數(shù)A阿關子板圈3-8Brig．3-SDaughterandmain3第=章系統(tǒng)節(jié)點硬件結構數(shù)A阿關子板圈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)關的PXA271CPU為了降低功耗．芯片本身設計時就必須使用的是北京化丁大學碩：}：學位北京化丁大學碩：}：學位論LAN91C11l是SMSC公司為嵌入式系統(tǒng)應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方式遠程調試網(wǎng)關節(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硬件結構圖。PXA271處理器是基于ARMV5TE的構架，采用7／8級超級流水線的高端CPU，其工作主頻可以達到625MHZ，其內部集成了256KB的SR第三圖3．10MavelXsalePA271處理器作為主控CP硬件結構圖。PXA271處理器是基于ARMV5TE的構架，采用7／8級超級流水線的高端CPU，其工作主頻可以達到625MHZ，其內部集成了256KB的SRAM、32MB的SDRAM和32MB的Flash，SDRAM的時鐘速率可以達到104MHZFlash速率可以達到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PCB布線難度，這是本系統(tǒng)選擇該處理器作為網(wǎng)關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內部默認設置，讓其通道A工作在串行UAT模式下，實現(xiàn)USB轉串口功能，該芯片可以直接由主機USB口供電，F(xiàn)TDI公司提供各種主流操作系統(tǒng)下的FT2232設備驅動，這樣我們就可以在主機使用該驅動虛擬出來的串口與PX271的STD．UART口相連接，可以很方便地調試和加載Linux驅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轉串口設備硬圖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構的目的是統(tǒng)一系統(tǒng)無線射頻gal2通過UARTP21北京化．T3．2．3網(wǎng)關節(jié)北京化．T3．2．3網(wǎng)關節(jié)點的外存PXA271上面集成了通用串行總線(USB)的主機口和從接口，都遵行USBl．1規(guī)范。USB是差分信號，在布線時應遵循差分線布線規(guī)則，另外USB主機口需要DA9030動態(tài)對外提供5V電壓，在USB設備接入瞬間，USB設備上的電源濾波電容會汲取較大電流，會對5V網(wǎng)絡造成瞬間的壓降，因此USB主機口使用TPS2015作為過流保護芯片。如圖3．12，UB主機接口電路還使用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)點硬件結構CD：卡監(jiān)測引腳。當有卡插入時，該引腳對地短路。本文使用PXA271的出的4．8V電池充電電壓VBAT轉成穩(wěn)定的3．3V電壓VCC第三章系統(tǒng)節(jié)點硬件結構CD：卡監(jiān)測引腳。當有卡插入時，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功耗進行測量得表3．3，由表可以看出PXA271內PXA271非常適合用于資源有限的無線傳感器網(wǎng)絡。本系統(tǒng)PXA271使用100MHz內存時鐘，208MHz運行時鐘和416MHzTurbo模式時鐘，對應的CCCR0x00000161表3-Table3-3Therelationofcornfrequencyand內核電斜內核主工作10mW10mWmV／uS1．18lOnl、廠DA903動態(tài)地為PXA271內核和Io口提供各種大小電壓，從而控制PXA271內核主頻。此外，該芯片還包含19個高性能的電壓調整器、器可以動態(tài)地為PXA271的各種外設(如USBHOST口和SD北京化T大學碩：卜學位論文3．3端節(jié)點和網(wǎng)關子板的PCB電北京化T大學碩：卜學位論文3．3端節(jié)點和網(wǎng)關子板的PCB電路板設放電路板和網(wǎng)關子板的PCB電路板設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必取為相互垂直，在高頻電路布線中最好在相鄰層分別進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，接地電位將隨電流的變化而變化，導致電子設備的電壓信號不穩(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)口點礁件鲇構設3第=章系統(tǒng)口點礁件鲇構設3本系統(tǒng)端節(jié)點和網(wǎng)關子板均采用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)采集模塊相連接構成加功放的端節(jié)點。單獨繪制功放板的日的是當系統(tǒng)應用于工業(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同關圖3—1s同關子板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)各種應用。TinyOS的程序采用的是模塊化設計，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)絡上并去執(zhí)行相應的管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)絡互相傳遞，最后達到協(xié)同一致的目的。事件驅動的體系結構(Event．Driven心dlitecture)：TinyOS·Compnentd．BasdArchitcture)：TnyOS可重用的組件，一個應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?！と蝿张c事件的并行模式(TasksAndEventsConurenyModl)在對于時間要求不是很高的應用中，且任務之間是平等的，即在執(zhí)行時是按順序先后來的，而不能互相占先執(zhí)行，一般為了減少任務的運行時間，要求每一個任務都很短小，能夠使系統(tǒng)的負擔較輕。事件一般用在對于時間的要求很嚴格的應用中，而且它可以占先優(yōu)于任務和其他事件執(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北京化工大學碩．1iy的執(zhí)行北京化工大學碩．1iy的執(zhí)行效率NesCTinyOS操作系統(tǒng)、庫和服務程序都是用esC語言編寫的‘163。NeC組件式結構程序的語言，具有C的語法風格，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)絡的編程開發(fā)。NesC應用程序是由有良好定義的雙向接口的組件構建的，它定義了一個基于任務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技術網(wǎng)絡層通訊協(xié)ZigbeZibeIEE80．5．I公司提供的Zigbee網(wǎng)絡參考協(xié)議棧Zstack源代碼進行裁剪，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單片機構建無線通訊平臺，參照Zigbee現(xiàn)有的網(wǎng)絡層通訊協(xié)議?！緇引，使用原語對Zigbee網(wǎng)絡初始生成，子節(jié)點加入網(wǎng)絡，Zigbee網(wǎng)絡地址分配機制以及Zigbee網(wǎng)絡基于路由成本的路由算法進行分Zigbee網(wǎng)絡層特圖4-Zigbee網(wǎng)絡ReferenceforFig．4-第四層數(shù)據(jù)實體服務接入點(NLDE．SAP)提供數(shù)據(jù)傳輸服務，管理服務實體通過網(wǎng)絡層管理實體服務接入點(NLE．SAP)提供網(wǎng)絡管理服務哺3。這兩種服務通過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)絡層數(shù)據(jù)服務。第四層數(shù)據(jù)實體服務接入點(NLDE．SAP)提供數(shù)據(jù)傳輸服務，管理服務實體通過網(wǎng)絡層管理實體服務接入點(NLE．SAP)提供網(wǎng)絡管理服務哺3。這兩種服務通過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)絡層數(shù)據(jù)服務。表4-1網(wǎng)絡層協(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)絡層數(shù)據(jù)實體提供如下服務國個合適的設備，該設備可能是最終目的通信設備，也可能是在通信鏈路中的一個中間通信設備。(1)配置一個新的設備：為保證設備正常工作的需要，設備應具有足夠的堆棧，以滿足配置的需要。配置選項包括對一個Zigbee協(xié)調器或者連接一個現(xiàn)有網(wǎng)絡設備的初始化·連接和斷開網(wǎng)絡。具有連接或者斷開一個網(wǎng)絡的能力，以及為建立一個Zigbee網(wǎng)絡協(xié)調器或者路由器，具有要求設備同網(wǎng)絡斷開的能力。北京化工大學碩．I北京化工大學碩．I網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體服務接入點支持對等應用實體之間的應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元的傳輸。如表4—1，適當?shù)木W(wǎng)絡層協(xié)議頭，并使用網(wǎng)絡層管理實體提供鄰居設備發(fā)現(xiàn)和路由發(fā)現(xiàn)功能，為網(wǎng)絡層的數(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，各種不同的任務在不同層次上執(zhí)行，通過層的服務，完成所要執(zhí)行的任務。每一層的服務主要完成兩種功能：根據(jù)它的下層服務要求，為上層提供相應的服務；另一種是根據(jù)上層的服務要求，對它的下層提供相應的服務，在zigbee網(wǎng)絡層協(xié)議棧中各項服務由代表其特點的服務原語和參數(shù)來描述隨1。如圖4．2具有N個用戶的網(wǎng)絡中，兩個對等用戶以及它們與M原語EFig．4-2(3)Response：響應原語是第Ⅳ，用戶向它的第M層發(fā)送，用來標識用戶執(zhí)行上一(4)Confirm：確認原語是從第M層向第M務請求原語的執(zhí)行結果第p11章系統(tǒng)節(jié)點軟件結構第p11章系統(tǒng)節(jié)點軟件結構在Zigbee協(xié)議中，只有協(xié)調器(全功能器件FFD)有能力建立新的網(wǎng)絡，一個網(wǎng)絡中一般由網(wǎng)關充當網(wǎng)絡協(xié)調器。所以一個網(wǎng)絡中如果沒有網(wǎng)關，就終止網(wǎng)絡的建立，如果有，網(wǎng)關便可以進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行掃描，選擇能量損耗低一些的作為建立網(wǎng)絡的備用信道。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)絡建立；反之，則繼續(xù)進行激活掃描。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)絡建立；如果找到合適的信道，就報告給網(wǎng)絡層，由網(wǎng)絡層在合適的信道中選定使用的信道，并隨機選擇一個PANID號(一個16位的地址，是唯一的)分配給這個新建的網(wǎng)絡，再由網(wǎng)絡層隨機分配一個16位的網(wǎng)絡地址給網(wǎng)關。網(wǎng)絡層發(fā)給MAC層PANID啟動請求，收到MAC層的確認后，網(wǎng)絡便可以向應用層報告，至此新的網(wǎng)絡建立成功阻¨18¨制。網(wǎng)絡建立的流程圖如圖4．3所示圖4-Fig．4-3SetupforZigbe圯在一個Zigbee協(xié)調器(網(wǎng)關)設備建立網(wǎng)絡后，路由器設備(FFD)或者終端設備(RFD)，就可以加入?yún)f(xié)調器建立的網(wǎng)絡。加入方式有兩種，一種是通過關聯(lián)北京化丁大學碩十學位北京化丁大學碩十學位(1Fig．4_4Flowchartforchildmotesjoiningthe首先對于一個子終端設備(RFD)，只能加入一個網(wǎng)絡，因此，只有沒有加入過網(wǎng)絡的才能進行網(wǎng)絡的加入。在這些設備中，有些是曾經(jīng)加入過網(wǎng)絡，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)已達最大值，便無法批準它加入，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。對于一個新節(jié)點，它首先會掃描周圍可找到的網(wǎng)絡，尋找有可能批準自己加入網(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，那么父節(jié)點同時會分配給它一個16位的網(wǎng)絡地址，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)絡或者相鄰表中沒有了合適的父節(jié)點n引。對于子設備，首先調用NLME_NETWoRK．DISCOVElw．request描的信道，以及每個信道掃描的時間，網(wǎng)絡層收到這個原語，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，那么父節(jié)點同時會分配給它一個16位的網(wǎng)絡地址，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)絡或者相鄰表中沒有了合適的父節(jié)點n引。對于子設備，首先調用NLME_NETWoRK．DISCOVElw．request描的信道，以及每個信道掃描的時間，網(wǎng)絡層收到這個原語，將要求MAC動或主動掃描該設備的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MAC層完成了掃描，將發(fā)送MLME．SCAN．confirm原語，告知網(wǎng)絡層應用層收到該原語后，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父節(jié)點，則調用原語告知應一旦潛在的父節(jié)點確定，網(wǎng)絡層將調用MLME．ASSoCL垤E．request原語到MC層。具體設置參看協(xié)議相關部分唧，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)絡失敗，如果收到的是潛在父節(jié)點拒絕該設備加入，網(wǎng)絡層將會在相鄰表中，把該潛在父節(jié)點的潛在父節(jié)點位(potentialparentbit)設備發(fā)送二次加入請求。加入或者所有的設NLME北京化T(用來請求設備開始使用新的超幀配置)原語到MAC層。當收到了MAC層發(fā)送的MLME．START．confirm原語后，網(wǎng)絡層將發(fā)送NLME北京化T(用來請求設備開始使用新的超幀配置)原語到MAC層。當收到了MAC層發(fā)送的MLME．START．confirm原語后，網(wǎng)絡層將發(fā)送NLMESTARTROUTER．confirm原語SOCIATE．indication設備是否已經(jīng)存在其相鄰表中。如果找到存在，NLME將獲取相應的16位網(wǎng)絡地址并發(fā)送associationresponse到MAC層；如果不存在，將分配一個在這個網(wǎng)絡中唯并通過并通過MLMEASSOCIATE．respoIlse原語，告知該設備，已經(jīng)成功加入網(wǎng)絡。有子節(jié)點主動加入網(wǎng)絡，那當然同時存在子節(jié)點被動加入網(wǎng)絡。被動加入要比主joiN．request原語(目的地址部分設置成要求加入網(wǎng)絡設備的IEEE地址)，在父節(jié)點的網(wǎng)絡層判斷該子設備是否已經(jīng)加入網(wǎng)絡，如果在其相鄰表中找到了這個設備，將終止操作，并通過NLMEDIRECTJOIN．confirm原語告訴應用層，該設備已經(jīng)加入網(wǎng)絡，如果沒有找到，用層創(chuàng)建成功。如果父設備的網(wǎng)絡地址已經(jīng)分配完畢，將NLMESCAN．confirm原語返回結果。描，該步由如果掃描成功，網(wǎng)絡層將通過調用 JOIN．confirm原語告之應用層，加入成功如果掃描沒有成功，網(wǎng)絡層將終止操作，并告之通過調用NLMEJOIN．confirm原語第四章系統(tǒng)節(jié)點軟件結構子節(jié)點同意加入后，父節(jié)點將在MAC第四章系統(tǒng)節(jié)點軟件結構子節(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備)原語，然后其網(wǎng)絡層將查找該子設備是否為孤兒節(jié)點。如果是，則比較IEEE地址，若有匹配的，則獲取相應的16位網(wǎng)絡地址，并在MAC過MLME_ORPHAN．response原語告知子設備n引。加入網(wǎng)絡之后的節(jié)點會根據(jù)Zgee網(wǎng)關決定其網(wǎng)絡內連接的子設備的最大數(shù)目，每個子設備的地址都是由其父設備采用分布式地址分配方案分配的，但是每一個父設備所分配的網(wǎng)絡地址段都是有限的。每一個子設備都有一個連接深度，表示在采用父子關系的網(wǎng)絡中，一個傳送幀傳送到網(wǎng)關的最小跳數(shù)。網(wǎng)關的深度為O，它的子設備的深度為1，對于多跳網(wǎng)絡，其深度是大于的1，深度為D，父設備擁有子設備的最大值為C，父設備的子設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如果一個設備的Cnum(S)為0，表明它沒有接受子設備連接的能力，為一個終端設備，如果一個設備的Cnum(S)大于0，表明可以接受子設備，并且會根據(jù)子設備是否具有路由能力來向子設備分配不同的地址。父設備為其第一個路由器子設備分配一num(其中1≤，≤(CAparen為4，網(wǎng)絡的最大深度D為3，父設備的子設備中路由器的最大數(shù)目R為4，設父設備Cnu(S)42—5所示嘲。Table4-2Thedepthofnetworkandaddress北京化工人學碩．1：學位論Cnum(S產(chǎn)北京化工人學碩．1：學位論Cnum(S產(chǎn)圖4-5Fig．4-5Networkaddressallocation本系統(tǒng)Zigbee網(wǎng)絡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設備節(jié)點上電初始化加入網(wǎng)絡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)絡中，在路由選擇和維護時，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成，而鏈路成本是與路由中的每一條鏈路相關的。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期從該鏈路得到數(shù)據(jù)包的請求次數(shù)。設備利用網(wǎng)絡層信息庫的nwkReportConstantCost屬性設置為TRUE的方法，強迫設備報告鏈路成本第四章系統(tǒng)節(jié)點軟件結構翻可通過實際計算收到的信標和數(shù)據(jù)幀來進行估計，即通過觀察幀的相應序列號來檢測丟失的幀，這通常被認為是最準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)點軟件結構翻可通過實際計算收到的信標和數(shù)據(jù)幀來進行估計，即通過觀察幀的相應序列號來檢測丟失的幀，這通常被認為是最準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)生的最差的信號質量，并且信號強度在接收靈敏度之下。為255貝JJ表示信號強度在接收靈敏度之上并且由于低失真產(chǎn)生高信號質量。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和相關網(wǎng)絡地址信息，當節(jié)點需要中繼節(jié)點進行數(shù)據(jù)轉發(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)點進行進行數(shù)據(jù)轉發(fā)。當鄰居節(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)絡地址信息。加入網(wǎng)絡之后它會使用距離矢量算法優(yōu)化整個網(wǎng)絡，認為具有最小跳數(shù)的路徑是最優(yōu)路徑。按照Zigbee網(wǎng)絡層的規(guī)定，端節(jié)點與網(wǎng)關之間的跳數(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，認為跳數(shù)超過規(guī)定的目的地址是不可到達的。經(jīng)過測試，本系統(tǒng)終端節(jié)點與網(wǎng)關之間進行可靠數(shù)據(jù)傳輸時的最大跳數(shù)可以達到10跳，完全滿足網(wǎng)絡性能要求。來自上層的廣播幀，則廣播該幀。否則，如果本設備是Zigbee北京化T00216Src北京化T00216SrcANIDstPANId參數(shù)為本設備的MAC層個域網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫(PIB)中的macPANId值，用于標示接收該數(shù)據(jù)幀的節(jié)點與中繼節(jié)點處于同一個PAN內，設置源地址參數(shù)SrcAddr為MACPIB庫的macShortAddress，下一跳的目的地址參數(shù)DstAddr為本設備的子節(jié)點地址。如果數(shù)據(jù)幀目的地址不是本設備的子節(jié)點，則設備將檢查是否具有與目的地址相對應的路由表入口，如果具有相對應的路由表入口，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。若設備沒有相對應的路由表入口，則判斷是否具有路由能力，對于沒有路由選擇能力的設備，將選擇分級路由的方法沿著樹形結構傳輸該信息幀。如果設備具有路由能力，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，則設備繼續(xù)廣播該幀，并將該幀發(fā)送到本設備的上層進行處理。如果不需要廣播，則設備網(wǎng)絡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)絡層就將幀發(fā)送到本設備上層，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)點軟件結構圈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行初始化等。●ByteEEPROM：調用EEPROM24LC6qaDXL20的加速度數(shù)據(jù)進行校正?！imeSyncC：實現(xiàn)改進FTSP時間同步算法，用于多跳zigb∞~ⅡlopseIld接口進行多絡端節(jié)點應用程序流程圖如圖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RF230接收到網(wǎng)關下發(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RF230接收到網(wǎng)關下發(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)丑習匝Ⅱ工[匝衛(wèi)工Ⅱ習二臣正惰)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對雙軸加速度進行采集，所以A2．A0為000／001。當ADC的DIN管腳收到A2．A0數(shù)據(jù)之后就立即開始數(shù)據(jù)轉換，轉換時間為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)轉換，當采集完規(guī)定點數(shù)的數(shù)據(jù)后，端節(jié)點在ByteEEPROM中讀取EEPROM中的標定值對采集到的數(shù)據(jù)進行校準，MCU把校準完的數(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，北京化工人學碩：I地選E生命令章北京化工人學碩：I地選E生命令章送8個否關項主送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內部控制寄存器的形式；通過設置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置低關閉RF23，同時設置Megal28的MCU控制器MCUCR，使其工作在空閑休眠模式?jīng)啊?。當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鎖相就轉變RF230使其工作在BUS鄴模式北京化丁大學碩=b學位論北京化丁大學碩=b學位論4．4中繼節(jié)點數(shù)據(jù)融數(shù)據(jù)融合技術是指利用計算機對按時序獲得的若干觀測信息，在一定準則下加以自動分析、綜合，以完成所需的決策和評估任務而進行的信息處理技術。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術通過一定的融合算法將來自多個信息源的信息進行合并，以產(chǎn)生更準確的信息，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)關發(fā)送。本文采用自適應融合算法對多個端節(jié)點數(shù)據(jù)進行融化。自適應加權融合算法就每個端節(jié)點上的傳感器對應不同的權重值，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的方式找到其對應的最優(yōu)權重值，使融合后的值x優(yōu)，如下圖第四圖4-14自適應加權Fi94-14Fusionmodeladaptiveweighted假設n第四圖4-14自適應加權Fi94-14Fusionmodeladaptiveweighted假設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，各傳感器的加權因子分別為形，％?．．形，融合處理后的值和加權因子的關系應滿足以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的加權因子是：=1／(《善旁∥l’2'．．?塒此時的最小均方誤仃血2=1／∑《??????????．．(4-北京化工人學碩．1(4—9)就可以使均方誤差最小，且此北京化工人學碩．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。當盯2最小時所對應的最優(yōu)加權因子％仍應滿足式(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)加權因子w，p，《一般是未知的，可以根設現(xiàn)有兩個不同的傳感器P、q，其測量值分別是一、‘，對應的觀測誤是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，與X也互不相關，且零均值，因此t、■的互得到t的自相關系數(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做相關運算，則可以得p；q=1，2，．．?刀)，從而對于％(七)可進一步用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，進而可以估計個傳感器的方差％2按照以上公式，自適應加權法的計算步驟是盼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)點軟件結構第四章系統(tǒng)節(jié)點軟件結構圖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)關節(jié)點嵌入式平臺軟件設在PXA271中我們運行的是Linux操作系統(tǒng)，使用的是2．6．20內核，實現(xiàn)內核和iff2格式文件系統(tǒng)在由圖39硬件構成平臺上的移植，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)存儲設備被映射到這個預先安排的地址上。在系統(tǒng)加電后，CPU首先執(zhí)行BootLoader程序北京化T大學顧：卜學位論文圖4-17Boofloadcr啟動過程Fig．4-17Startup北京化T大學顧：卜學位論文圖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，關閉CPU內部指令／數(shù)據(jù)Cache，復制階段2代碼到內存中，設置堆棧指針，跳轉到階段2代碼的C入口點等任務。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內核已經(jīng)集成了USBHost，USBClent，GPI，SP口，SD卡，MTD設備和UART串行口的驅動支持啪1，所以我們對于圖3．10所示的硬件系統(tǒng)Lnux內核的移植，只需編寫LAN91C11lLinux的網(wǎng)絡系統(tǒng)主要是基于BSDUNIX的socketbuIf)進行數(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設備接口層定義的 l網(wǎng)絡設備接口數(shù)據(jù)結構r數(shù)d據(jù)sta包發(fā)xm送itOII!塾堡壘2)ll設備圳胍I設備媒網(wǎng)絡物理設備圖4-19“蝌9lClll網(wǎng)絡功能Fig．4-19NetworkfunctionalstructureofLAN91CI1北京化工人學碩．1中斷、發(fā)送超時、獲取網(wǎng)絡狀態(tài)、設置物理地址等函北京化工人學碩．1中斷、發(fā)送超時、獲取網(wǎng)絡狀態(tài)、設置物理地址等函請。在把