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無線傳感器實(shí)習(xí)報(bào)告
題目： 基于NRF24L01的智能家居設(shè)計(jì)
姓 名： 學(xué)號： 院（系）： 自動化學(xué)院 專業(yè)： 測控技術(shù)與儀器
摘 要 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)數(shù)據(jù)采集和軍事等大規(guī)模領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，隨著自動控制、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和芯片小型化的發(fā)展，小規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會越來越多的走進(jìn)人們的日常生活。作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種小規(guī)模應(yīng)用，智能家居引起了人們的廣泛關(guān)注和研究，本文以智能家居為應(yīng)用平臺，設(shè)計(jì)了一種小規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，稱之為無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有良好的穩(wěn)定性、可靠性和實(shí)時性，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制以及安全防護(hù)等智能家居的基本功能。 無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)主要包括無線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)和路由協(xié)議的軟件設(shè)計(jì)兩部分。其中無線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)采用了2.4Ghz的無線通信芯片nRF24L01 和高性價比8位微控制器stm8s003，傳感器采用通用型空氣質(zhì)量傳感器MQ-135采集室內(nèi)空氣質(zhì)量，火焰?zhèn)鞲衅?strong>YS-17檢測室內(nèi)是否發(fā)生火災(zāi)，溫濕度傳感器DH11檢測室內(nèi)溫濕度，光敏傳感器3DU5檢測室內(nèi)光強(qiáng)，HC-SR501檢測人員進(jìn)入，可控硅BAT138控制用電器的開斷，串口轉(zhuǎn)WiFi模塊ESP8266用于將協(xié)調(diào)器采集的信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
Abstract Wireless sensor network technology in environmental monitoring, industrial data acquisition and military large-scale field has wide application, along with the automatic control, the development of network technology and chip miniaturization, small-scale wireless sensor network technology will be more and more into People's Daily life. As a small sensor network applications, smart homes has attracted wide attention and research, based on smart home application platform, we design a small-scale wireless sensor network (WSN), called local wireless sensor networks, the network has good stability, reliability and real-time performance, which can realize data acquisition, remote control and safety protection etc. The basic function of smart home. Local area wireless sensor network design mainly includes the wireless sensor node hardware design and software design of two parts of the routing protocol. Including the design of wireless sensor nodes using the 2.4 Ghz wireless communication chip nRF24L01 and cost-effective 8-bit microcontroller stm8s003, sensor adopts universal air quality sensor MQ - 135 acquisition of indoor air quality, YS - 17 flame sensor detects whether indoor fire DH11 detection of temperature and humidity of indoor temperature and humidity, light sensor 3 du5 testing indoor light intensity, HC - SR501 inspection personnel to enter, SCR BAT138 control with electric open circuit, a serial port turn ESP8266 WiFi module is used for the transmission of the coordinator to collect the information to the network, realize remote monitoring。 Key words: the Internet of things intelligent household nRF24L01 local area wireless sensor network 目 錄 第一章 緒論 1 1.1 研究背景和意義 1 1.1.1 物聯(lián)網(wǎng)概述 1 1.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 1 1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀 2 1.2.1 情報(bào)偵察 2 1.2.2物種監(jiān)測 3 1.2.3全球變暖預(yù)警 3 1.3論文的主要工作及結(jié)構(gòu) 3 第二章 無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)基礎(chǔ) 4 2.1 短距離無線通信技術(shù) 5 2.1.1藍(lán)牙技術(shù) 5 2.1.2Wi-Fi 技術(shù)（IEEE802.11b） 5 2.1.3zigbee 技術(shù)(IEEE802.15.4) 6 2.1.4UWB 無線通信技術(shù) 7 2.1.5RFID 技術(shù) 7 2.2 路由協(xié)議 8 2.2.1 平面路由 8 2.2.2 層次路由 11 2.2.3分析比較.....................................................................................13 3.1 應(yīng)用平臺...............................................................................................14 3.2 系統(tǒng)功能...............................................................................................16 3.2.1 數(shù)據(jù)采集....................................................................................16 3.2.2遠(yuǎn)程監(jiān)控.....................................................................................16 3.2.3 安全防護(hù)....................................................................................17 3.3硬件設(shè)計(jì)思想........................................................................................17 3.4本章小結(jié)................................................................................................18 4.1無線通信模塊........................................................................................19 4.1.1 NRF24L01的簡介......................................................................19 4.1.2 引腳功能及描述 20 4.1.3 工作模式....................................................................................21 4.1.4工作原理 22 4.1.5配置字..........................................................................................22 4.2處理器模塊...........................................................................................23 4.2.1 STM8S003簡介..........................................................................23 4.2.2 STM8S003引腳功能描述..........................................................24 4.2.3 工作原理.....................................................................................25 4.3 數(shù)據(jù)采集于輸出模塊............................................................................26 4.3.1 DH11溫濕度模塊........................................................................27 4.3.2 空氣質(zhì)量傳感器MQ136............................................................28 4.3.3 光敏傳感器3DU5.......................................................................29 4.3.4 可控硅BAT138...........................................................................30 4.3.5 WIFI入網(wǎng)模塊.............................................................................32 4.4本章小結(jié)..................................................................................................33 第五章 小試牛刀................................................................................................33 5.1實(shí)驗(yàn)效果圖 33 5.2節(jié)點(diǎn)分析................................................................................................34 5.2.1 SINK節(jié)點(diǎn)...................................................................................34 5.2.2 路由節(jié)點(diǎn)....................................................................................34 5.2.3 傳感器節(jié)點(diǎn)................................................................................35 5.3 總結(jié).......................................................................................................35
致謝......................................................................................................................35 參考文獻(xiàn).............................................................................................................36 第一章 緒論 1.1 研究背景和意義 1.1.1 物聯(lián)網(wǎng)概述 早在1999 年，物聯(lián)網(wǎng)的概念就被提出，它的定義是：按照約定的協(xié)議（目前還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)），把信息感應(yīng)設(shè)備（紅外傳感器、激光掃描器、射頻識別、溫濕度傳感器、繼電器、定位系統(tǒng)等）與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)智能化識別、跟蹤、定位、監(jiān)控、管理以及安全防護(hù)的一種網(wǎng)絡(luò)。簡而言之，物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。近年來，各國紛紛提出自己的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略。2008 年底，IBM 公司提出了“智慧地球”的概念，該戰(zhàn)略的目標(biāo)是：利用傳感器網(wǎng)絡(luò)把各種物體整合起來，借助于運(yùn)算速度高達(dá)千萬億次的超級計(jì)算機(jī)以及當(dāng)今比較熱門的云計(jì)算技術(shù)，人們可以更加精細(xì)動態(tài)的管理生產(chǎn)和生活，從而達(dá)到“智慧”的狀態(tài)。我國的“物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)緊扣世界科技發(fā)展的節(jié)奏，研發(fā)階段處于世界先進(jìn)水平，并成為傳感網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)制定的主要國家之一 1.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Networks）是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)之一，單從網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而言，WSN 是一種特殊的Ad-hoc 網(wǎng)絡(luò)。在一定區(qū)域內(nèi)，放置大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)按照一定規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，這樣的網(wǎng)絡(luò)就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。通過傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們能夠直接的感知客觀世界，從而極大的延展了人類認(rèn)識世界的能力。傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和用戶端，圖1-1 為其示意圖。隨機(jī)部署在一定環(huán)境區(qū)域中的眾多傳感器節(jié)點(diǎn)，按照一定的路由協(xié)議建立網(wǎng)絡(luò)，并將傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)通過該網(wǎng)絡(luò)傳輸網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過外網(wǎng)傳輸?shù)接脩舳�，人們通過 用戶端對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理。
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1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀
無線傳感器節(jié)點(diǎn)體積小、成本低，可以大規(guī)模布置，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可廣泛應(yīng)用于情報(bào)偵察、物種監(jiān)測、全球變暖預(yù)警等規(guī)模較大的領(lǐng)域。 1.2.1 情報(bào)偵察 隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，未來戰(zhàn)場的情報(bào)搜集手段是這樣的：先進(jìn)的無人機(jī)在戰(zhàn)場區(qū)域上空拋灑大量傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)并自動組網(wǎng)，豐富翔實(shí)的戰(zhàn)場情報(bào)數(shù)據(jù)就能通過傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送給指揮部。例如，地震波傳感器可以探測敵方重型戰(zhàn)車的距離和數(shù)量，特殊氣體傳感器可用來探測戰(zhàn)場有無毒氣，具有定位功能的傳感器網(wǎng)絡(luò)可以為導(dǎo)彈提供精確制導(dǎo)等等。諸如此類的應(yīng)用可以為未來的戰(zhàn)場偵察模式帶來革命性的變化。 1.2.2物種監(jiān)測 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為生物科學(xué)研究提供了很大的方便。例如，為了研究四川臥龍大熊貓的生活習(xí)性，可以在自然保護(hù)區(qū)內(nèi)大量布置帶有影像采集功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，利用無線的方式傳送大熊貓活動的影像，這樣既排除了人為驚擾也避免了潛伏觀測的危險(xiǎn)性；又如，光線較暗且不宜放置體積較大監(jiān)測儀器的鳥巢內(nèi)，可以安放體積較小的紅外傳感器節(jié)點(diǎn)來對其監(jiān)測；此外，還可以用溫度、濕度，壓力和海拔高度等傳感器來采集生物的生存環(huán)境指標(biāo)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用可以改變生物研究的固有手段，使科學(xué)研究在無人值守的情況下就能得到精細(xì)化的進(jìn)行。 1.2.3全球變暖預(yù)警 當(dāng)今，溫室氣體的排放加速了全球氣候的變暖，有記錄顯示：在過去四五十年里，北極冰厚度已經(jīng)下降了40%。這是一個可怕的數(shù)字，任由其發(fā)展下去，冰山融化導(dǎo)致的海平面上升的后果將會是災(zāi)難性的。為了更好地了解地球氣候的變化，可以用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)測冰山的狀態(tài)：溫度，高度，壓力，位置變化等，以此來推斷全球氣候的變化，指導(dǎo)人們進(jìn)行環(huán)境的保護(hù)、降低碳排放、新能源的開發(fā)和應(yīng)用。挪威科學(xué)家已經(jīng)開始了類似的研究。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們對于生活舒適性和便利性要求的提高，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸走進(jìn)普通家庭的日常生活，而日常生活場合不需要維持大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，小規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就能滿足日常需要，我們稱這種小規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)。本文將小規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入家居住宅之中，提出了一種以智能家居為應(yīng)用平臺的無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)，通過該網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制和安全防護(hù)等功能。
1.3論文的主要工作及結(jié)構(gòu)
本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入日常生活的應(yīng)用之中，提出了一種應(yīng)用于智能家居的無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)。首先，以無線通信芯片nRF24L01 和微控制器芯片STM8S003為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了無線傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器采用通用型空氣質(zhì)量傳感器MQ-135采集室內(nèi)空氣質(zhì)量，火焰?zhèn)鞲衅?strong>YS-17檢測室內(nèi)是否發(fā)生火災(zāi)，溫濕度傳感器DH11檢測室內(nèi)溫濕度，光敏傳感器3DU5檢測室內(nèi)光強(qiáng)，HC-SR501檢測人員進(jìn)入，可控硅BAT138控制用電器的開斷，串口轉(zhuǎn)WiFi模塊ESP8266用于將協(xié)調(diào)器采集的信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控；其次，對兩種經(jīng)典的層次路由協(xié)議（LEACH 路由和PEGASIS路由）進(jìn)行融合和改進(jìn)，提出了一種應(yīng)用于智能家居的鏈簇路由協(xié)議。
第一章介紹課題的背景和意義，闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀以及本論文的主要工作和具體組織結(jié)構(gòu)。 第二章介紹無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)基礎(chǔ)，主要介紹了幾種典型的短距離無線通信技術(shù)和路由協(xié)議，并對層次路由和平面路由做了比較分析。 第三章提出總體設(shè)計(jì)方案，主要介紹了無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用平臺、系統(tǒng)功能以及硬件和路由的設(shè)計(jì)思想。 第四章詳細(xì)闡述無線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了以nRF24L01 為基礎(chǔ)的無線通信模塊的設(shè)計(jì)和以STM8S003 為基礎(chǔ)的處理器模塊的設(shè)計(jì)，并介紹了傳感器模塊、輸入輸出模塊、電源模塊、WiFi 接口以及遙控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。 第五章詳細(xì)闡述了鏈簇路由協(xié)議的設(shè)計(jì)，首先分析了兩種經(jīng)典的分層路由協(xié)議；其次，詳細(xì)介紹了基于智能家居的鏈簇路由協(xié)議的設(shè)計(jì)過程，包括網(wǎng)絡(luò)模型、數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)、通信機(jī)制、路由建立和數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p> 第六章對論文進(jìn)行總結(jié)，并對后續(xù)工作做了展望。 第二章 無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)基礎(chǔ) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)涉及多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，因此需要多種關(guān)鍵技術(shù)的支撐，如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�、路由協(xié)議、時間同步、網(wǎng)絡(luò)安全、定位技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)等，本文僅對短距離無線通信技術(shù)和路由協(xié)議進(jìn)行介紹和分析。 2.1 短距離無線通信技術(shù) 隨著通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們對無線通信技術(shù)有了更多的需要，尤其是近年來“物聯(lián)網(wǎng)”概念的提出，極大的推動了短距離無線通信技術(shù)的發(fā)展。目前比較成熟的短距離無線通信技術(shù)有以下幾種：藍(lán)牙技術(shù)、無線局域網(wǎng)(Wi-Fi)、Zigbee、超寬頻(UWB)和RFID。 2.1.1藍(lán)牙技術(shù) 藍(lán)牙技術(shù)，英文名字為Bluetooth,是由愛立信等五家公司于20 世紀(jì)九十年代末開發(fā)的，該技術(shù)的目的是解決室內(nèi)短距離的無線數(shù)據(jù)通信。藍(lán)牙技術(shù)所用的頻段為2.4GHz的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率較高，能達(dá)到每秒一兆比特，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-1 所示，支持點(diǎn)對點(diǎn)通信、星型網(wǎng)絡(luò)以及混合型的網(wǎng)絡(luò)。藍(lán)牙技術(shù)在辦公場所和個人數(shù)據(jù)傳輸方面有較多使用，可以實(shí)現(xiàn)PC、傳真機(jī)、打印機(jī)、手提電腦、移動電話、無線耳機(jī)的無線連接。隨著新一代藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的推出，傳輸速率可能升高一個數(shù)量級，這種高的傳輸速率可以支持多媒體數(shù)據(jù)的傳輸業(yè)務(wù)。
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2.1.2Wi-Fi 技術(shù)（IEEE802.11b） Wi-Fi 技術(shù),中文譯為無線高保真,也是一種短距離無線通信技術(shù),它屬于802.11b標(biāo)準(zhǔn)。Wi-Fi 技術(shù)的傳輸距離要比藍(lán)牙技術(shù)遠(yuǎn)的多，藍(lán)牙的通信距離在十米左右，而Wi-Fi 的傳輸距離可以達(dá)到幾百米；另外，Wi-Fi 技術(shù)的傳輸速率也較高�；谝陨咸攸c(diǎn)，Wi-Fi 技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用，市場上的很多無線路由器就是基于Wi-Fi 技術(shù)的；賓館、餐館、圖書館等場所都有Wi-Fi 熱點(diǎn)的接入，可以方便人們通過手提電腦或者手機(jī)以及其他掌上設(shè)備通過無線的方式接入互聯(lián)網(wǎng)。由于Wi-Fi 的輻射功率比手機(jī)的功率都要低，大量Wi-Fi 熱點(diǎn)的密集放置也不會給人體帶來危害性的輻射。 2.1.3zigbee 技術(shù)(IEEE802.15.4) zigbee 技術(shù)，是一種基于短距離的無線通信技術(shù)，這種技術(shù)組網(wǎng)比較簡單、數(shù)據(jù)傳輸速率較低、能耗較小。該技術(shù)是建立在802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)之上的。這種短距離無線通信技術(shù)在對傳輸速率要求不高的場合中具有廣泛的應(yīng)用。zigbee 技術(shù)所搭建的網(wǎng)絡(luò)中具有兩種不同功能的設(shè)備，一種設(shè)備具有較全面的功能，它可以與所有的設(shè)備進(jìn)行通信；而另一種設(shè)備不能與所有的設(shè)備進(jìn)行通信，只能與相關(guān)的全功能設(shè)備通信，因此這種設(shè)備被稱為半功能設(shè)備。全功能設(shè)備用FFD 表示，半功能設(shè)備用RFD 表示。該技術(shù)定義了兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一種是點(diǎn)對點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一種是點(diǎn)對多點(diǎn)星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的通信雙方可以是全功能設(shè)備和半功能設(shè)備，也可以是全功能設(shè)備和全功能設(shè)備；點(diǎn)對多點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的通信中心是全功能設(shè)備，從設(shè)備是半功能設(shè)備也可以是其他星型網(wǎng)絡(luò)的全功能設(shè)備，如圖2-2 所示。相對來說，點(diǎn)對點(diǎn)的結(jié)構(gòu)可以通過接力的方法來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程接力傳輸，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的通信覆蓋范圍有限，所以這種結(jié)構(gòu)適用于較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，如物流和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等；星型網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于較小規(guī)模的無線通信領(lǐng)域中，如小型智能家居和PC 的外設(shè)等。
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2.1.4UWB 無線通信技術(shù) UWB——超寬帶技術(shù)，是一種短距離高速無線通信技術(shù)。該技術(shù)最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，近幾年才被批準(zhǔn)進(jìn)入民用領(lǐng)域。UWB 的特點(diǎn)就是具有極寬的帶寬，如圖2-3 所示，不同于傳統(tǒng)的正弦載波，超寬帶技術(shù)利用極短的窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，時域很窄則頻域很寬，頻率范圍可從3.1Ghz 到10.6GHz。
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2.1.5RFID 技術(shù) RFID 技術(shù)，又稱電子標(biāo)簽、無線射頻識別，是一種非接觸式的自動識別技術(shù)。它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取目標(biāo)對象的相關(guān)數(shù)據(jù)，工作過程可以無人值守，適用于多種工作環(huán)境。RFID 的基本模塊由三部分組成：標(biāo)簽、閱讀器和天線，其工作原理是這樣的：閱讀器時刻發(fā)送射頻信號，裝有電磁感應(yīng)線圈的標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器所產(chǎn)生的磁場中，會產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的能量會驅(qū)動標(biāo)簽通過天線發(fā)送出自身存儲的信息，閱讀器接 收到標(biāo)簽信息后，將其送至中央處理系統(tǒng)。
2.2 路由協(xié)議
路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，有能量高效、可擴(kuò)展性、魯棒性、快速收斂性的特點(diǎn)。按照最終形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議可分為平面路由和層次路由兩大類，以下是對這兩類路由協(xié)議的介紹和分析。 2.2.1 平面路由 在平面路由協(xié)議中，所有傳感器節(jié)點(diǎn)的地位都是平等的，不存在級別的差異，數(shù)據(jù)的傳輸平等的在各節(jié)點(diǎn)之間傳遞，該協(xié)議的組網(wǎng)簡單，網(wǎng)絡(luò)比較可靠，適用于規(guī)模較小的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。以下介紹幾種典型的平面路由協(xié)議：SPIN、DD、Rumor。 2.2.1.1 SPIN 路由算法 SPIN 協(xié)議是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路由協(xié)議，通過節(jié)點(diǎn)間的協(xié)商，融合相關(guān)性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)，從而減少了通信數(shù)據(jù)量，降低了功耗，提高了能量管理的有效性。 SPIN 使用三種報(bào)文數(shù)據(jù)：廣播數(shù)據(jù)、請求報(bào)文數(shù)據(jù)和原始采集數(shù)據(jù)。SPIN 工作流程如下：當(dāng)某節(jié)點(diǎn)感知到新事件發(fā)生時，就會向周圍的節(jié)點(diǎn)廣播包含有原始采集數(shù)據(jù)的報(bào)文，收到該報(bào)文的節(jié)點(diǎn)檢查對此數(shù)據(jù)是否感興趣，若感興趣則發(fā)送數(shù)據(jù)請求報(bào)文REQ，感知到事件的節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)請求報(bào)文后，給其發(fā)送原始采集數(shù)據(jù)；收到原始數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)再重復(fù)剛才節(jié)點(diǎn)的動作，像周圍發(fā)送廣播報(bào)文……其中已經(jīng)存儲有該原始數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)不再發(fā)送數(shù)據(jù)請求報(bào)文，流程圖如2-4 所示。其中ADV 為廣播數(shù)據(jù)，REQ 為請求發(fā)送數(shù)據(jù)，DATA 為原始采集數(shù)據(jù)。
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2.2.1.2 DD 路由算法 DD 路由協(xié)議和SPIN 協(xié)議所不同的是：SPIN 的路由從感知事件發(fā)生的節(jié)點(diǎn)發(fā)起，而DD 算法則是從需要某種數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)開始，因此它是一種基于查詢的路由機(jī)制。
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DD 算法的整個工作流程由三個階段組成，如圖2-5 所示。第一個階段，匯聚節(jié)點(diǎn)在全網(wǎng)廣播Interest 信息，這種廣播是周期性的，收到Interest 信息的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)此信息至網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)，興趣在轉(zhuǎn)發(fā)的同時建立了從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點(diǎn)的梯度場，這個階段被稱為興趣的廣播階段；梯度場建立之后，源節(jié)點(diǎn)采集到的據(jù)沿著梯度場傳遞到匯聚節(jié)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)的傳遞過程中，每條路徑的質(zhì)量都被記錄下來，其中路徑的質(zhì)量包括能耗等指標(biāo)，這些指標(biāo)被作為路徑選擇的依據(jù)，這個階段被稱為梯度建立的階段；梯度建立之后，從源節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)會有多種路徑到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)，因此匯聚節(jié)點(diǎn)會收到多個相同的數(shù)據(jù)，匯聚節(jié)點(diǎn)會根據(jù)每條路徑的質(zhì)量來選擇一條最好的傳輸路徑，以后的數(shù)據(jù)傳輸就用單條最優(yōu)路徑來完成。 2.1.1.3 Rumor 路由算法 Rumor 協(xié)議，中文譯為謠傳路由，該協(xié)議借鑒了一種幾何思想，該幾何思想是這樣的：歐式平面圖上任意兩條曲線具有很大的交叉概率。謠傳路由的開始從源節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)同時發(fā)起，感知到事件發(fā)生的源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個代理消息，該代理消息由源節(jié)點(diǎn)發(fā)送出去并經(jīng)由任意路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，與此同時匯聚節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生事件查詢信息，該查詢信息也在全網(wǎng)中以任意路徑的方式轉(zhuǎn)發(fā)，根據(jù)歐式平面圖上任意兩條曲線交叉概率很大的思想，這兩條路徑總會在某一點(diǎn)相交，當(dāng)兩條路徑相交時，源節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的路徑就建立起來了，如圖2-6 所示。歐式平面圖上任意兩條曲線的交叉幾率很大但不是一定交叉，因此該算法也存在著兩條路徑不相交的可能，如果查詢消息的路徑在較長的時間里沒有尋找到代理消息的路徑，則匯聚節(jié)點(diǎn)會采Flooding 的方式來發(fā)送查詢消息，從而加大路徑交叉的幾率。
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2.2.2 層次路由 層次路由協(xié)議是相對于平面路由協(xié)議的，層次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)一般以簇的形式存在，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分為簇頭和簇成員兩類。簇成員負(fù)責(zé)區(qū)域發(fā)生事件的采集，簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇的管理和簇成員的控制，簇頭的選舉原則根據(jù)一定的算法機(jī)制完成。典型的層次路由協(xié)議具有以下幾種： 2.2.2.1 LEACH 路由算法 LEACH 路由是最早提出的分層路由協(xié)議，是一種自適應(yīng)的分簇拓?fù)渌惴āEACH路由的基本思想是周期性的隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，其他非簇頭節(jié)點(diǎn)以就近原則加入相應(yīng)的簇頭，形成簇，簇頭節(jié)點(diǎn)直接和Sink 節(jié)點(diǎn)通信。LEACH 算法能夠保證各節(jié)點(diǎn)等概率的擔(dān)任簇頭，使得節(jié)點(diǎn)功耗相對均衡。
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簇頭選舉是LEACH 算法的關(guān)鍵問題之一，該算法采用隨機(jī)選舉簇頭的機(jī)制，首先設(shè)定一個閾值，由這個閾值來表征當(dāng)選簇頭的概率，每個節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個隨機(jī)數(shù)，如果該隨機(jī)數(shù)小于閾值則當(dāng)選為簇頭。簇頭選舉完成之后進(jìn)入簇的建立階段，非簇頭節(jié)點(diǎn)按照就近原則加入簇，這樣整個網(wǎng)絡(luò)就被分成了多個簇，成員節(jié)點(diǎn)采集信息給簇頭，簇頭經(jīng)過數(shù)據(jù)融合再將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，如圖2-7 所示。 LEACH 協(xié)議通過分簇的方法優(yōu)化了數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰亢蛿?shù)量，提高了網(wǎng)絡(luò)的生存時間，但是還存在著一些問題，如該協(xié)議無法保證簇頭節(jié)點(diǎn)能遍及整個網(wǎng)絡(luò)，即簇頭分布不均勻，很可能出現(xiàn)簇頭節(jié)點(diǎn)集中在網(wǎng)絡(luò)中某一區(qū)域的現(xiàn)象。 2.2.2.2 PEGASIS 路由算法 PEGASIS 路由算法也是一種分層路由的算法，它是LEACH 算法的一種改進(jìn)版本。LEACH 算法將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分成多個簇，每個簇是一個小規(guī)模的星形網(wǎng)絡(luò)，而PEGASIS路由算法將網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)連接成一條鏈。此外，和LEACH 算法的多簇頭機(jī)制所不同的是， 該算法只選擇一個簇頭與Sink 通信，簇首節(jié)點(diǎn)采用輪流擔(dān)任的機(jī)制，這種路由算法平衡了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，提高了網(wǎng)絡(luò)的生存時間。 其中，成鏈階段利用的是貪婪算法，即路徑尋找從距離Sink 節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)端的節(jié)點(diǎn)開始，每個節(jié)點(diǎn)都選擇距離自己最近的節(jié)點(diǎn)作為下一跳，最終把所有的節(jié)點(diǎn)都串在一條鏈上，這種策略實(shí)現(xiàn)了局部最優(yōu)。成鏈之后，在鏈中選擇一個節(jié)點(diǎn)作為簇首與匯聚節(jié)點(diǎn)通信，簇頭節(jié)點(diǎn)是輪流擔(dān)任的，動態(tài)的在鏈中游走，這種機(jī)制可以保證功耗的平衡。 PEGASIS 路由算法減少了頻繁分簇所產(chǎn)生的通信開銷，通過數(shù)據(jù)融合降低了通信數(shù)據(jù)量，相對于LEACH 算法，大大提高了網(wǎng)絡(luò)生存時間。但是該路由采用貪婪算法實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸鏈過長，因此數(shù)據(jù)鏈端數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)會有很大的延時。 2.2.2.3 TEEN 和APTEEN 路由算法 TEEN 和APTEEN 路由算法都是對LEACH 算法的改進(jìn)版本，TEEN 解決了LEACH 算法實(shí)時性不強(qiáng)的問題，APTEEN 算法融合了LEACH 算法周期性采集數(shù)據(jù)的思想和TEEN 實(shí)時采集數(shù)據(jù)的思想。 TEEN 路由算法同LEACH 一樣，將網(wǎng)絡(luò)分成一個多簇的結(jié)構(gòu)，多簇結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)形成后，簇頭節(jié)點(diǎn)向簇內(nèi)成員廣播兩個門限值。第一門限值是數(shù)據(jù)變動范圍的門限值，第二門限值是數(shù)據(jù)大小的門限值。只有被監(jiān)測數(shù)據(jù)大于第二門限值，且被監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化幅度大于第一門限值時，傳感器節(jié)點(diǎn)才向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送被監(jiān)測數(shù)據(jù)，閾值策略使得節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)變化不大時不發(fā)送數(shù)據(jù)，而有突發(fā)情況發(fā)生時則能及時發(fā)送數(shù)據(jù)，這種策略大大減少了數(shù)據(jù)的發(fā)送次數(shù)，但是不能周期性的采集數(shù)據(jù)。 APTEEN 算法改善了TEEN 算法不能周期性采集數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)，是對TEEN 算法的擴(kuò)展，APTEEN 算法結(jié)合了LEACH 算法和TEEN 算法的兩種不同策略，因此它是一種混合型的路由協(xié)議。在實(shí)現(xiàn)TEEN 算法功能的基礎(chǔ)上，APTEEN 還定義了一個計(jì)時器，計(jì)時器的門限值通過軟件配置，成功完成一次數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)后，計(jì)時器變?yōu)榱阒�，�?dāng)計(jì)時器達(dá)到門限值后，不管被監(jiān)測數(shù)據(jù)是否滿足兩個門限值，節(jié)點(diǎn)都將發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，APTEEN 不但能實(shí)現(xiàn)TEEN 算法的實(shí)時性數(shù)據(jù)采集，也能實(shí)現(xiàn)LEACH 算法的周期性數(shù)據(jù)采集。
2.2.3 比較分析 與平面路由相比，層次路由具有以下優(yōu)點(diǎn)： ①平面路由的節(jié)點(diǎn)地位是平等的，每個節(jié)點(diǎn)都需要維持較大的路由表項(xiàng)信息，而層次路由中只需簇頭節(jié)點(diǎn)維持這些信息，其他簇成員節(jié)點(diǎn)不需要維持大量的路由和控制信息。 ②相比于平面路由，層次路由具有更好的可擴(kuò)展性，因此適合于規(guī)模較大的傳感器網(wǎng)絡(luò)。 ③平面路由的匯聚節(jié)點(diǎn)需要和網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點(diǎn)通信，因此負(fù)載較大；層次路由中的匯聚節(jié)點(diǎn)只需和簇頭節(jié)點(diǎn)通信，負(fù)載較小，因此減緩了匯聚節(jié)點(diǎn)的能量消耗。 ④層次網(wǎng)絡(luò)中的成員節(jié)點(diǎn)只需和簇頭節(jié)點(diǎn)通信，通信距離較小，避免了直接與匯聚節(jié)點(diǎn)的長距離通信。 ⑤層次路由的簇頭節(jié)點(diǎn)能將簇?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行融合，相比于平面路由，大大降低了數(shù)據(jù)傳輸量。 ⑥層次路由按照地理位置分簇，相對于平面路由優(yōu)化了傳輸路徑，從而降低了功耗，延長了網(wǎng)絡(luò)的生存時間。 經(jīng)過以上分析，本設(shè)計(jì)的無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)將采取層次路由的思想來設(shè)計(jì)路由協(xié)議。 2.3 本章小結(jié)
本章主要介紹了無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)所需要的兩種關(guān)鍵技術(shù)——短距離無線通信技術(shù)和路由協(xié)議。首先簡要分析了當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的幾種短距離無線通信技術(shù)，如藍(lán)牙技術(shù)、Zigbee 技術(shù)、超寬帶技術(shù)等，經(jīng)過對它們基本指標(biāo)的了解和分析，為下文的無線芯片的選型打下了基礎(chǔ)。其次，分析了無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)的幾種平面路由和層次路由，并對它們進(jìn)行比較分析，得出層次路由具有較多優(yōu)點(diǎn)的結(jié)論，因此本文將采用層次路由作為無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。
第3 章 無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)的總體設(shè)計(jì)方案
圖3.1（我家的平面圖） 電燈 窗簾 電視機(jī) 電風(fēng)扇 花盆 如圖3.1是我家房間布局圖，有3個房間，一個衛(wèi)生間，一個大廳，一個走廊，一個樓梯間。如下圖3.2是比爾蓋茨家的世外桃源：
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圖3.2 因?yàn)槲覀儫o法和比爾蓋茨相比，不能雇傭最優(yōu)秀的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，所以設(shè)計(jì)一套簡單耐用的智能系統(tǒng)很有必要。 本系統(tǒng)以智能家居為無線傳感器局域網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用平臺，為一個普通家庭的戶型設(shè)計(jì)，由3-8個獨(dú)立空間組成，每一個獨(dú)立空間至少有一個臨近的空間，且與鄰居空間被鋼筋混凝土材質(zhì)的墻壁阻隔。每個空間內(nèi)有3 至4 個家用電器設(shè)備，如照明、窗簾、熱水器、空調(diào)、溫濕度監(jiān)測、煙霧監(jiān)測……。 其中某一個空間放置一臺可以連接互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)，且計(jì)算機(jī)移動頻率較低，具有長時間放置在該獨(dú)立空間的可能。用戶希望通過計(jì)算機(jī)了解家居環(huán)境狀態(tài)和家電設(shè)備的工作情況，并能借助于互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對家電的遠(yuǎn)程控制。
基于以上分析，本文的無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由一臺計(jì)算機(jī)、一個Sink 節(jié)點(diǎn)、多個傳感器子節(jié)點(diǎn)組成，如圖3-2 所示。計(jì)算機(jī)是無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)的控制終端，并承擔(dān)局域網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)連接樞紐的任務(wù)，與計(jì)算機(jī)直接相連的無線傳感器節(jié)點(diǎn)為Sink 節(jié)點(diǎn)，Sink 節(jié)點(diǎn)是無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中的子節(jié)點(diǎn)通過一定的協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給Sink 節(jié)點(diǎn)， Sink 節(jié)點(diǎn)可以將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)上傳到互聯(lián)網(wǎng)；用戶的指令也可以通過計(jì)算機(jī)下達(dá)給Sink 節(jié)點(diǎn)，通過一定的協(xié)議發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的子節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。 空調(diào) 溫度 濕度 光強(qiáng) 窗簾 煙霧 熱水器 燈光 紅外人體檢測......
Sink節(jié)點(diǎn)
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WiFi NRF24L01 圖3-3 3.2系統(tǒng)功能 3.2.1數(shù)據(jù)采集 本文設(shè)計(jì)的無線傳感器局域的節(jié)點(diǎn)具有一定的開放性，可以擴(kuò)展多種類型的傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器、可見光照傳感器和煙霧傳感器等，如圖3-4 所示。傳感器所采集的環(huán)境數(shù)據(jù)通過無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)送達(dá)計(jì)算機(jī)，以圖文的形式顯示出來 ，讓用戶對居住環(huán)境狀況有一個直觀的了解，數(shù)據(jù)采集功能是應(yīng)用于智能家居的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能。
3.2.2遠(yuǎn)程控制
......................
通過互聯(lián)網(wǎng)或者移動通信，用戶可以在任何地方對家電進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，如回家半個小時之前開啟熱水器、空調(diào)等，如圖3-5 所示。諸如此類多種多樣預(yù)約式的功能，可以為人們提供更加舒適、方便、人性化的居住環(huán)境。
圖3-5 3.2.3安全防護(hù) 無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)可擴(kuò)展多種類型的防災(zāi)減災(zāi)傳感器，如時刻處于工作狀態(tài)的煙霧傳感器可以及時發(fā)現(xiàn)火情，并通過聲光報(bào)警方式告知用戶及時處理火情，從而為家居帶來安全。條件允許的情況下，可以通過擴(kuò)展監(jiān)控設(shè)備來監(jiān)控陌生人員的進(jìn)入。
3.3硬件設(shè)計(jì)思想
基于無線傳感器節(jié)點(diǎn)在續(xù)航能力、計(jì)算能力和存儲容量等方面的限制，無線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)要遵循以下思想： 集成化：智能家居網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和應(yīng)用場合要求傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)必須遵循集成化、小型化的設(shè)計(jì)原則。 低成本：傳感器節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模性和廣泛應(yīng)用要求其成本必須要低廉，設(shè)計(jì)中所選取的無線模塊和控制模塊都是性價比較高的產(chǎn)品。 低功耗：由于傳感器節(jié)點(diǎn)的續(xù)航能力有限，因此各個模塊要有極低功耗才能滿足傳感器的持續(xù)長久工作。 模塊化：智能家居傳感器節(jié)點(diǎn)模塊化設(shè)計(jì)的原則使得網(wǎng)絡(luò)具有很大的容錯性，且易于檢錯和維護(hù)，這也是目前電路設(shè)計(jì)的普遍原則。 可擴(kuò)展：傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有多種接口，這種設(shè)計(jì)可以很好的滿足設(shè)計(jì)的深入研究和改進(jìn)。 本文的硬件選型基于以上思想，無線芯片選用的是 Nordic Semiconductor 公司的nRF24L01，處理器芯片選用的是STMicroelectronics公司的產(chǎn)品STM8S003。傳感器采用空氣質(zhì)量傳感器MQ-135，火焰?zhèn)鞲衅?strong>YS-17，溫濕度傳感器DH11，光敏傳感器3DU5，紅外線檢測模塊HC-SR501，開關(guān)模塊選用可控硅BAT138，在有條件的情況下選擇攝像頭0v7670.
3.4路由設(shè)計(jì)思想
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圖3-6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由分為平面路由和分層路由兩部分，基于第二章的分析，本設(shè)計(jì)將采用分層路由協(xié)議思想。 分層結(jié)構(gòu)的路由具有低延遲、能耗均勻、擴(kuò)展性好等特點(diǎn)，在無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)中有廣泛的應(yīng)用。LEACH 路由和PEGASIS 路由是分層路由協(xié)議的兩個典型代表，本文吸取了LEACH 算法分簇的思想和PEGASIS 算法數(shù)據(jù)傳輸鏈的思想，并對它們進(jìn)行融合和改進(jìn)，提出了一種應(yīng)用于智能家居的鏈簇路由協(xié)議，示意圖如圖3-6 所示。
3.5 本章小結(jié)
本章主要介紹了無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)的總體設(shè)計(jì)方案。首先闡述了無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用平臺為智能家居，并介紹了系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，包括數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制和安全防護(hù)；其次，描述了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)思想；最后，構(gòu)想了無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議設(shè)計(jì)，即對兩種分層協(xié)議進(jìn)行融合和改進(jìn)，提出一種應(yīng)用于智能家居的鏈簇路由協(xié)議。
第4 章無線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)
無線傳感器節(jié)點(diǎn)由四部分組成：無線通信模塊、處理器模塊、數(shù)據(jù)采集和控制輸出模塊、電源模塊，如圖4-1 所示。無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)的無線通信，收發(fā)指令信息和環(huán)境數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)采用挪威半導(dǎo)體公司的nRF24L01 無線通信模塊；處理器模塊負(fù)責(zé)整個傳感器節(jié)點(diǎn)的任務(wù)管理、路由協(xié)議、存儲和處理無線通信模塊接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)等，是傳感器節(jié)點(diǎn)的控制中樞，本設(shè)計(jì)采用STMicroelectronics 公司的STM8S003系列單片機(jī)，該單片機(jī)體積小、功耗低、速度高的特點(diǎn)能很好的適用于傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)開發(fā)；數(shù)據(jù)采集接口可以連接多種類型的傳感器，如溫度、濕度、煙霧等；控制輸出接口可以通過可控硅控制直流和交流用電器的開斷；電源管理模塊采用兩套方案：市電供電和紐扣鋰電池供電，連接到家電上的不易移動的節(jié)點(diǎn)可以用持續(xù)的市電供電，經(jīng)常移動的如遙控節(jié)點(diǎn)用體積較小的鋰紐扣電池供電，穩(wěn)壓電路采用AS1117 芯片。
4.1無線通信模塊
4.1.1 NRF24L01簡介 nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件,工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊,并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。nRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率發(fā)射時，工作電流也只有9mA;接收時，工作電流只有12.3mA，多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。nRF24L01主要特性如下： 1、GFSK調(diào)制，硬件集成OSI鏈路層； 2、具有自動應(yīng)答和自動再發(fā)射功能； 3、片內(nèi)自動生成報(bào)頭和CRC校驗(yàn)碼； 4、數(shù)據(jù)傳輸率為l Mb/s或2Mb/s； 5、SPI速率為0 Mb/s～10 Mb/s； 6、125個頻道與其他nRF24系列射頻器件相兼容； 7、QFN20引腳4 mm×4 mm封裝； 8、供電電壓為1.9 V～3.6 V； 4.1.2 引腳功能及描述 nRF24L01的封裝及引腳排列如圖所示。各引腳功能如圖4-2所示。
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圖4.2 nRF24L01封裝圖 CE：使能發(fā)射或接收； CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引腳端，微處理器可通過此引腳配置nRF24L01： IRQ：中斷標(biāo)志位； VDD：電源輸入端； VSS：電源地； XC2，XC1：晶體振蕩器引腳； VDD_PA：為功率放大器供電，輸出為1.8 V； ANT1,ANT2：天線接口； IREF：參考電流輸入； 4.1.3 工作模式 通過配置寄存器可將nRF24L01配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作模式，如表4-3所示。 表4-3 nRF24L01工作模式 | PWR_UP | PRIM_RX | CE | | | 1 | 1 | 1 | | | 1 | 0 | 1 | | | 1 | 0 | 1→0 | 停留在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完 | | 1 | 0 | 1 | | | 1 | - | 0 | | | 0 | - | - | |
待機(jī)模式1主要用于降低電流損耗，在該模式下晶體振蕩器仍然是工作的；待機(jī)模式2則是在當(dāng)FIFO寄存器為空且CE=1時進(jìn)入此模式；待機(jī)模式下，所有配置字仍然保留。在掉電模式下電流損耗最小，同時nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。 4.1.4工作原理 發(fā)射數(shù)據(jù)時，首先將nRF24L01配置為發(fā)射模式：接著把接收節(jié)點(diǎn)地址TX_ADDR和有效數(shù)據(jù)TX_PLD按照時序由SPI口寫入nRF24L01緩存區(qū)，TX_PLD必須在CSN為低時連續(xù)寫入，而TX_ADDR在發(fā)射時寫入一次即可，然后CE置為高電平并保持至少10μs，延遲130μs后發(fā)射數(shù)據(jù);若自動應(yīng)答開啟，那么nRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式，接收應(yīng)答信號（自動應(yīng)答接收地址應(yīng)該與接收節(jié)點(diǎn)地址TX_ADDR一致）。如果收到應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信成功，TX_DS置高，同時TX_PLD從TX FIFO中清除;若未收到應(yīng)答，則自動重新發(fā)射該數(shù)據(jù)(自動重發(fā)已開啟)，若重發(fā)次數(shù)(ARC)達(dá)到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中數(shù)據(jù)保留以便在次重發(fā);MAX_RT或TX_DS置高時，使IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU。最后發(fā)射成功時,若CE為低則nRF24L01進(jìn)入空閑模式1;若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入下一次發(fā)射;若發(fā)送堆棧中無數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入空閑模式2。 接收數(shù)據(jù)時,首先將nRF24L01配置為接收模式，接著延遲130μs進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。當(dāng)接收方檢測到有效的地址和CRC時，就將數(shù)據(jù)包存儲在RX FIFO中，同時中斷標(biāo)志位RX_DR置高，IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU去取數(shù)據(jù)。若此時自動應(yīng)答開啟，接收方則同時進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號。最后接收成功時，若CE變低，則nRF24L01進(jìn)入空閑模式1。在寫寄存器之前一定要進(jìn)入待機(jī)模式或掉電模式。 4.1.5配置字 SPI口為同步串行通信接口，最大傳輸速率為10 Mb/s，傳輸時先傳送低位字節(jié)，再傳送高位字節(jié)。但針對單個字節(jié)而言，要先送高位再送低位。與SPI相關(guān)的指令共有8個，使用時這些控制指令由nRF24L01的MOSI輸入。相應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息是從MISO輸出給MCU。 nRF24L0l所有的配置字都由配置寄存器定義，這些配置寄存器可通過SPI口訪問。nRF24L01 的配置寄存器共有25個，常用的配置寄存器如表4-4所示。 地址（H） |
| |
| 功能 | 00 |
| |
| 設(shè)置24L01工作模式 | 01 |
| |
| 設(shè)置接收通道及自動應(yīng)答 | 02 |
| |
| 使能接收通道地址 | 03 |
| |
| 設(shè)置地址寬度 | 04 |
| |
| 設(shè)置自動重發(fā)數(shù)據(jù)時間和次數(shù) | 07 |
| |
| 狀態(tài)寄存器，用來判定工作狀態(tài) | 0A~0F |
| |
| 設(shè)置接收通道地址 | 10 |
| |
| 設(shè)置接收接點(diǎn)地址 | 11~16 |
| |
| 設(shè)置接收通道的有效數(shù)據(jù)寬度 |
表4-4 常用配置寄存器
4.2處理器模塊
4.2.1 STM8S003簡介 16 MHz的哈佛架構(gòu)和先進(jìn)的STM8內(nèi)核，3級流水線擴(kuò)展指令集，程序存儲器：8KB閃存。數(shù)據(jù)保留20年，在55°C100次循環(huán)后不損壞。RAM：128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器；128字節(jié)真正的數(shù)據(jù)EEPROM;耐力為100 K。復(fù)位和電源管理：2.95至5.5 V的工作電壓靈活的時鐘控制。4個主時鐘源：低功率晶體振蕩器，外部時鐘輸入，用戶可調(diào)整的16MHzRC，內(nèi)部低功耗128kHzRC帶有時鐘監(jiān)控的時鐘。安全系統(tǒng)電源管理：低功耗模式（等待，主動停止，暫停）關(guān)機(jī)單獨(dú)的外設(shè)時鐘永久性啟動，低功耗電源上電和掉電復(fù)位中斷管理Nexted中斷控制器。具有32個中斷，6向量多達(dá)27個外部中斷，高級控制定時器：16位。4CAPCOM渠道，3個互補(bǔ)輸出，死區(qū)時間插入和靈活的同步16位通用定時器，3CAPCOM通道（IC，OC或PWM）。8位預(yù)分頻器的8位基本定時器，自動喚醒定時器，窗口看門狗獨(dú)立的看門狗定時器。通信接口：LINUART時鐘輸出同步操作，智能卡，紅外線，SPI。接口多達(dá)8Mbit / s的I2C接口，最高到400Kbit/ s的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）10位，±1 LSBADC最多5個多路復(fù)用通道，掃描模式和模擬看門狗的I /O，多達(dá)28個I /O，最大32引腳封裝，包括21個高灌電流輸出強(qiáng)大的I/ O設(shè)計(jì)，避免電流注入開發(fā)，支持嵌入式單線接口模塊（SWIM）快速片上編程和非侵入性調(diào)試。內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如4-5所示：
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圖4-5 4.2.2 STM8S003引腳功能描述
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圖4-6 PA1-PA2:外部晶振輸入，可直接用芯片自帶16MHZ時鐘，可作為一般io口 使用。 PA3:定時器2 PWM通道3輸出端口，可控制開關(guān)型用電器，比如電燈，熱 水器，窗簾，花盆澆水等。 PB4-PB5：iic接口，可接iic器件，比如加速度傳感器ADX345，DS1302作 為拓展外部傳感器接口用，也可作為普通的io口，需要上拉。 PC4-PC7：SPI接口，用于本次無線傳感網(wǎng)絡(luò)載體NRF24L01(因NRF2401需 要6根控制總線，可將PA1-PA2作為控制線)的連接。 PD1：調(diào)試io口，不能用作測試接口。 PD2-PD3：模擬io口，可以作為模擬傳感器輸入端口使用，也可作為一般 通用io使用。 PD4:報(bào)警指示燈io口，可以作為通用io口使用。 PD5-PD6：串行接口，作為外置串行轉(zhuǎn)WiFi/藍(lán)牙的接口，可以將數(shù)據(jù)直接 傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)或服務(wù)器，也可以作為通用io口使用。 4.2.3工作原理 否
4.3數(shù)據(jù)采集和控制輸出模塊
4.3.1 DH11溫濕度模塊 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選則。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。 應(yīng)用領(lǐng)域: 暖通空調(diào)、測試及檢測設(shè)備、汽車、數(shù)據(jù)記錄器、消費(fèi)品、自動控制、氣象站、家電、濕度調(diào)節(jié)器、醫(yī)療、除濕器。 表4-8 DHT11傳感器信息 表4-9 傳感器性能說明 建議連接線長度短于20米時用5K上拉電阻，大于20米時根據(jù)實(shí)際情況使用合適的上拉電阻接線方式如圖4-10。
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圖4-10 4.3.2 空氣質(zhì)量傳感器MQ-135 MQ135氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在污染氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中污染氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。
MQ135氣體傳感器對氨氣、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高，對煙霧和其它有害氣體的監(jiān)測也很理想。這種傳感器可檢測多種有害氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。 MQ135氣體傳感器電路如圖4-11。
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圖4-11 MQ135氣體傳感器具體參數(shù)如圖4-12：
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圖4-12 4.3.3光敏傳感器3DU5 光敏三極管又稱光電三極管，它是一種光電轉(zhuǎn)換器件，其基本原理是光照到P-N結(jié)上時，吸收光能并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔�。�?dāng)光敏三極管加上反向電壓時，管子中的反向電流隨著光照強(qiáng)度的改變而改變，光照強(qiáng)度越大，反向電流越大，大多數(shù)都工作在這種狀態(tài)。 光敏三極管必須有一個對光敏感的PN結(jié)作為感光面，一般用集電結(jié)作為受光結(jié)，因此，光敏二極管實(shí)質(zhì)上是一種相當(dāng)于在基極和集電極之間接有光敏二極管的普通二極管。 我選擇其中光電三極管作為光強(qiáng)度檢測進(jìn)而對窗簾，燈光進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖4-13是其中一種電路圖。
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圖4-13 4.3.4可控硅BAT138 雙向可控硅是一種功率半導(dǎo)體器件，也稱雙向晶閘管，在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，可作為功率驅(qū)動器件，由于雙向可控硅沒有反向耐壓問題，控制電路簡單，因此特別適合做交流無觸點(diǎn)開關(guān)使用。雙向可控硅接通的一般都是一些功率較大的用電器，且連接在強(qiáng)電網(wǎng)絡(luò)中，其觸發(fā)電路的抗干擾問題很重要，通常都是通過光電耦合器將單片機(jī)控制系統(tǒng)中的觸發(fā)信號加載到可控硅的控制極。為減小驅(qū)動功率和可控硅觸發(fā)時產(chǎn)生的干擾，交流電路雙向可控硅的觸發(fā)常采用過零觸發(fā)電路。過零觸發(fā)是指在電壓為零或零附近的瞬間接通。由于采用過零觸發(fā)，因此上述電路還需要正弦交流電過零檢測電路。 4.3.4.1 過零檢測電路 電路設(shè)計(jì)如圖4-14 所示，為了提高效率，使觸發(fā)脈沖與交流電壓同步，要求每隔半個交流電的周期輸出一個觸發(fā)脈沖，且觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)大于3V ，脈沖寬度應(yīng)大于20us.圖中BT 為變壓器，TPL521 - 2 為光電耦合器，起隔離作用。當(dāng)正弦交流電壓接近零時，光電耦合器的兩個發(fā)光二極管截止，三極管T1基極的偏置電阻電位使之導(dǎo)通，產(chǎn)生負(fù)脈沖信號，T1的輸出端接到單片機(jī)STM8S003 的外部中斷的輸入引腳，以引起中斷。在中斷服務(wù)子程序中使用定時器累計(jì)移相時間，然后發(fā)出雙向可控硅的同步觸發(fā)信號。過零檢測電路A、B 兩點(diǎn)電壓輸出波形如圖4-15所示。
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圖4-14
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圖4-15 4.3.4.2 過零觸發(fā)電路 電路如圖4-16 所示，圖中MOC3061 為光電耦合雙向可控硅驅(qū)動器，也屬于光電耦合器的一種，用來驅(qū)動雙向可控硅BCR 并且起到隔離的作用，R6 為觸發(fā)限流電阻，R7 為BCR 門極電阻，防止誤觸發(fā)，提高抗干擾能力。當(dāng)單片STM8S003 的外部中斷引腳輸出負(fù)脈沖信號時T2 導(dǎo)通，MOC3061 導(dǎo)通，觸發(fā)BCR 導(dǎo)通，接通交流負(fù)載。另外，若雙向可控硅接感性交流負(fù)載時，由于電源電壓超前負(fù)載電流一個相位角，因此，當(dāng)負(fù)載電流為零時，電源電壓為反向電壓，加上感性負(fù)載自感電動勢el 作用，使得雙向可控硅承受的電壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電源電壓。雖然雙向可控硅反向?qū)ǎ菀讚舸�，故必須使雙向可控硅能承受這種反向電壓。一般在雙向可控硅兩極間并聯(lián)一個RC阻容吸收電路，實(shí)現(xiàn)雙向可控硅過電壓保護(hù)，圖4-16中的C2 、R8 為RC 阻容吸收電路。
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圖4-16 4.3.5 WiFi入網(wǎng)模塊 采用WiFi入網(wǎng)模塊可以減少計(jì)算機(jī)長期開機(jī)造成的能量損耗，僅需路由器長期開機(jī)就可以將數(shù)據(jù)輸出到云端，通過網(wǎng)絡(luò)查看就知道相關(guān)的信息情況，或者通過本地內(nèi)存卡形式將數(shù)據(jù)儲存起來，因無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量不是很多，計(jì)算機(jī)僅初始化網(wǎng)絡(luò)和對這些信息進(jìn)行調(diào)度分析。 2015年物聯(lián)網(wǎng)處于爆發(fā)的一年，樂鑫的ESP8266WIFI 芯片成為強(qiáng)烈的催化劑。成功的將2014年前的40以上的WIFI成本壓縮到現(xiàn)在的10元左右。內(nèi)置WIFI前端和高性能的32位MCU，基本引爆物聯(lián)網(wǎng)市場，幾乎牽扯到電子的行業(yè)，都可以用上，比如WIFI開關(guān) 燈具 WIFI定位 電飯鍋 電冰箱 洗衣機(jī) 廚房電器 空調(diào) 空氣凈化器 等消費(fèi)類小家電與大家電，都面臨這一場技術(shù)革新，與新的用戶體驗(yàn)！幾乎勢在必行。比如一臺空調(diào)，增加了10塊錢左右的成本，但是卻能用任何智能終端比如手機(jī)平板 電腦等直接控制。 如圖4-17為ESP8266內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
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圖4-17
4.4本章小結(jié) 本章簡要介紹了無線傳感的硬件設(shè)計(jì)平臺及器件的選擇與介紹，從理論的角度思考了一種低成本高效能的無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，可以滿足一般家庭的智能家居需求。
5.1實(shí)驗(yàn)效果圖 因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件還不夠成熟，沒有做成想象的智能家居系統(tǒng)，如下3張圖是本人在宿舍拍的照片，還沒有進(jìn)行實(shí)踐檢測，只是一種想法。
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圖5-1 sink節(jié)點(diǎn) 圖5-2路由節(jié)點(diǎn)
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圖5-3傳感器節(jié)點(diǎn) 5.2節(jié)點(diǎn)分析
5.2.1 sink節(jié)點(diǎn) 如圖5-1為sink節(jié)點(diǎn)，用來收集各路由節(jié)點(diǎn)或者傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男畔�，用充電鋰電池供電。一方面協(xié)調(diào)各無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議，另一方面將采集的信息顯示在N5110上，通過串口轉(zhuǎn)WiFi模塊ESP8266將數(shù)據(jù)經(jīng)由路由器傳輸?shù)椒⻊?wù)器，通過網(wǎng)絡(luò)或者微信APP客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)的查看，對終端設(shè)備進(jìn)行控制。 5.2.2路由節(jié)點(diǎn) 如圖5-2為路由節(jié)點(diǎn)，我以小車為載體，代表可以隨處移動的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)站，模擬實(shí)際情況因物件移動而導(dǎo)致無線路由節(jié)點(diǎn)自動移動調(diào)整最佳狀態(tài)的情況。 5.2.3傳感器節(jié)點(diǎn) 圖5-3為傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)處于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的最底端，由傳感器將采集的信息傳遞給stm8s003，stm8s003將信息發(fā)送給無線收發(fā)器NRF24L01;無線傳感器節(jié)點(diǎn)也可以接受上一級節(jié)點(diǎn)的命令，執(zhí)行采集任務(wù)及控制驅(qū)動裝置（如控制可控硅進(jìn)行開關(guān)用電器），由電池或者小型鋰電池供電。 5.3總結(jié) 本章簡單介紹了本人在無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)，沒有考慮到能量損耗，路由算法及實(shí)際運(yùn)行的穩(wěn)定及保密性。希望在以后的工作和學(xué)習(xí)中能夠完善此理論。 致 謝
感謝老師給我們上了一門生動形象的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程，雖然自己還沒有完全領(lǐng)悟其中的精華奧秘，但我覺得在這學(xué)期的學(xué)習(xí)過程中，發(fā)現(xiàn)其在國民的日常生活及工業(yè)運(yùn)用中十分廣泛，被譽(yù)為未來二十一世紀(jì)最有發(fā)展?jié)摿Φ氖髮W(xué)科之一。 雖然我學(xué)的不太好，但我通過做實(shí)驗(yàn)了解無線通信的方式，雖然有些累，但學(xué)到了一點(diǎn)點(diǎn)知識，還是有些欣慰的。
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