论文研究-基于ZigBee的无线传感器网络数显汇聚节点设计 .pdf

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基于ZigBee的无线传感器网络数显汇聚节点设计,李晓初,李杰,Zigbee无线传感器网络(WSN)以其低成本低功耗的优势成为了目前研究的热点,但其监控端大都离不开PC机,使网络调试不便。文章介绍了Z
山国科技论义在线 http://www.paper.edu.cn 功能护展模坎使用了 Philips公司基于ARM7TDMI内核的32位单片机LPC2210以及ICD 液晶屏驱动搾制器R61505U。基于 ARMZTDMI-S内核的LPC2210具有32位高端RISC单 片机的大部分特性,如:多达76个的GPIO口线,功能齐全的各种接口(SC,PC),4BANK 的外部存储器接口等。数显汇聚节点中LCD控制器与LPC2210之间通过32位总线方式相 连,总共占用MCU的40条引脚线。一般MCU难以提供40多个GPIO给外设,这也是使 用32位ARM处哩器的便利之处。 R61505U是一款26万色240x320点TF'彩色液晶屏的控制驱动IC。它向用户提供了 70余条控制指令,对引脚1O方向配置、电源管理、RAM读写、γ控制、屏内窗凵控制、 面板图像控制、部分图像显示、面板接口方式控制等内容进行非常灵活的设置。R61505U 液晶屏控制器使用32位外部总线方式连接至LPC220外部存储器的BANK2部分,占用地 址范用为0x8200000x82 FFFFFF。220只有16KB片内SRAM,没有片内ROM,所以要 对存储器进行扩展,片外ROM存储器使用16位宽,2MB容量的SST39VF160,片外SRAM 存儐器为512KB容量的IS61IV25616AL。通过垗线选择ROM、RAM所在的存储器BANK 组,如ROM占用BANK0,此时其地址范围为0x80000080 FFFFFF,RAM占用BANK1, 其地址范围为0x8100000x81HFF,此种设计是为了调试程序的方便,程序代码写入 SRAM中运行要比在 FLASH中快,所以调试程序时一般选用外部RAM调试。但当数显汇 聚节点脱机运行时代码必须要固化到 FLASH ROM中,而要使LPC2210从外部引导,程序 代码则必须起始于0x800000址,即BANK0所占地址起始处。 工作原理 从传感数据传输路径来看,数显汇聚节点L作杋制概括如下:汇聚节点上电初始化后通 过网络内的节点发现机制,逐步建立起以汇聚节点(FFD设各)为中心,树状连接终端节 点RHD的星型网络;RHD通过RF模块向周围空间发射包含传感数据(如数显汇聚节点涉 及的温湿度数据)的射频信号,信号被汇聚节点捕获后,由MC13192进行输入射频信号的 解调,解调后的数据具有zigBεe网络数据包的封裝格式,此数椐包再经过数据段提取,就 被还原为最初的传感数据;之后传感数据将被送往显示系统。MC9S08将传感数据以字节为 单位通过串口发送至LPC2210,当LPC2210接收完所有字节后,便按照预先规定的传感数 据格式提取相应数值,并进行数制转换、字符化等操作,之后调用字库,査找字符对应的点 阵图像,使用颜色渲染此点阵图后再用18位RGB位图格式送往LCD显示。 因此,MC13192的数据收发以及LCD显示屏的驱动原理成为传感器数据从电波到字符 再到位图整条通路中的关键。 的数据收发 MC13192有数据分组及数据流两种数据传递方式,T作在数据分组模式时,数据作为 整个分组进行处玶,并在整个分组接收完毕后通过中断告知MCU;工作在数据流模式时,以 字为单位接收数据并通过中断告知MCU 图2所小是MC13192的数据帧结构,薮据组最大长度为125 Bytes,MC13192在数 据组前添加了4 bytes的引导序列( Preamble),1byte的帧开始定界符(SFD),以及一个帧长 度指示符(FLI),并计算出2 bytes的帧校验序列(FCS)添加在数据组之后。 山国科技论义在线 http://www.paper.edu.cn 4byte Byte 1 byte 125 bytes max bytes 引导序列定界符长度指示 数据组 帧校验 Preamble SFD Payload Data 图2MC13192数捱帧结构 接收数据时,MCI3192将无线射频输入通过两级下变频转化为中频同相正交( In phase and Quadrature,I&Q)信号,然后基于一个指定的时间间隔上合成的基带能量进行空闲信道 评什( Clcar( Channel asscssment,CCA),并由数字终端执行片上差分检测,再由相关器分离 出直接序列扩频(①SS)偏置四相相移键控( O-QPSK)信号,最后判决出符号和信息分组, 检测数据 发送数据过程是接收过程的逆操作。MC13192先将待发送原始数据转换成IEEE802.15. 4的物珄层规定的分组格式,并经过扩频、上变频处理将其调制到发送频率。如果是在分组 模式,那么调制后的待发送数据分组被装入发送缓冲器( TX Buler)中,接着MCU命令 发送数据分组,在整个分组完全发送成功时MC13192以中断形式通知MCU。如果是在数 据流模式,数据包被逐字送至MC3192调制后发送,每发送完一个字便通过中断通知MCU 其已准备好发送下一数据,如此循环直到整个数据包发送完向 与 的通信 MCU与MC13192的接口由SPⅠ接口及中断请求线实现。SPI接口以主从设备的方式 工作。在SPI系统中,主设备的8位的数据寄存器,与从设备的8位数据寄存器连在一起组 成了—个分布的16位寄存器。当数据传送操仵执行时,16位的寄存器通过 SPI CLK时钟串 行移动8bi位置,数据高效地在主设备和从设备之间交换,写进主设备数据寄存器的数据发 送到从设备,写进从设备数据寄存器的数据发送到主设备6 MC3192在与MCU的引脚连接上除了标准SP接口的4条管线外,还有IRQ中断请 求线及额外的7条GPO引脚,标准SPI接口中的从机选择SSEL在MCI3192上对应CE引 脚,当CE为低时,MC13192被选定为SPI接口的从设备。GPO口是为控制片内定时器比 较器以及芯片工作在在数据流模式下的状态输出用的。SPI口传输数据时,山SPI主设各 MCU驱动 SPICLK总线时钟,主从改备均在归岺的SCLK的下降沿接收数据,在时钟的上 升沿发送数据。主进从出(MISO线由从改各MC13192驱动由MCU接收,相反的,主出从 进(MOSI数据线由MCU驱动而从设备接收 控制器( )配置方式 R61505U的初始化过程较繁琐些,主要是确定其显示位宽,行场扫措方向,使用何种 接口方式,电源管理等等。它的基本配置厅式是按向接口总线DB[17:0]写指令操作码”、“写 指令操作数这样成对的操作来完成ICDC各项功能的选择及配置的。指令操作码及指令操 作数都通过DB[17:0传输,如何区分两种类型的数据是山RS( Register Selection)引脚控制的, 当RS为低时传输的为指令操作码;RS为高时传输的是紧邻的上条指令的操作数。当LCDC 初始化完成之后就用户程序就可以使用数据总线向GRAM( Graphics RaM图形RAM)写 入显示数据 R61505U内部有个240x320x18bit大小的图形RAM,面板上240x320像素中的每 山国科技论义在线 http://www.paper.edu.cn 个像素(Piⅸxcl)都映射到GRAM中的一个18位的“半字”存储单元,像素的每个颜色分量对 应此18位“半字”中的6位,具有2^6-64阶灰阶。因此面板总共能显示的颜色数是 2^18-262,144种,在视觉上,其基本可以达到和24位真彩色相近的效果。考虑到硬件连接 及软件编程的简便,显示数据使用18位RGB位图柊式并在一次总线访问中传输18位的显 小数据。 对于般外部总线宽度只有16位的MCU来讲,次传输18位的RGB位图数据是不 行的,必须将18位数据分2次传输,传输格式为2/16或者99,即先传高2位,再传低16 位,或者先传高9位再传低9位。LPC2210的外部数据总线宽度为32位,完全可满足R61505U 次传输所有18位位图数据的位宽要求,因此在初始化完成之后向GRAM写显示数据时, 只需使用一条* LCD ADDR DISP- disp data语句即可,其中 LCD ADDR DISP是根据 LCDC至MCU的硬件连接方式确定的某个地址,如LCDC的片选CS连接至2210的nCS2 (nCS2是BANK2的片选信号线),RS连至地址线A2,则 LCD ADDR DISP的值为 0x82000004。 数显汇聚节点软件设计 数显汇聚节点软件分为汇聚节点稈序与显示模块程序设计。汇聚节点的稈序设计基于 z- Stack即 ZigBee协议栈编写。 ZigBee体系棊于oSI开放式系统互连模型的分层结构,每 层对其相邻上层提供服务接口( Service access point,SAP),这种服务杌制使得在上层看 来,其对外的方问请求是透明传输的,上层个必关心数据在底层被做了何种处理。 Z-Stack 提供了 ZigBee分层中用户应用层以下层的软件支撑,因此,用户只需按照Z- Stack的要求 编写汇聚节点应用程序。主要包括:初始化射频收发模块;接收来自 Zigbee网络内终端节 点发送的传感数据包;通过UAR凵与ARM系统的数据通信程序;而ARM显示系统主要 实现:LCD彩色显示屏初始化及驱动;图示化软件界面框架生成;通过UART口与汇聚节 点通信以接收网络传感数据。 汇聚节点与ARM系统的流稈图如下 山国科技论义在线 http://www.paper.edu.cn 川始 开始 RF模块初始化 LCDC初始化 显小屏界面框架 收到数据? 命令汇节点送数 数据存储,开昂凵中断 接收数中断 收数中断? 收取数据并存储 发送数据至串∏ 接收完毕? 是否发完? 送至LCD显示 图3汇聚节点稈序流稈图 图4LCD显示模块稈序流稈图 汇聚节点上电完全初始化后立即进入网络监听状态,等待接收 ZigBee无线网络中的数 据。每接收到一个数据包,便首先通过数据包编号确定该数据包是否被接收过,如果发现是 重复接收,则丢弁。接着都通过CRC校验码对数据的止确性进行校验,如果无法通过校验, 则丢弃该数据包,如果通过校验,则存储数据以待发送至UARI凵。之后MCU打开串凵中 断并查询状态,如果有串口接收中断,表明ARM系统命令汇聚节点向其发送数据,故将之 前接收的数据包再发送到串口,并检测串口中断状态,直至所有的数据均发亢。 而ARM系统上电后首先初始化LCDC,接着显示一个网终传感数据为空的界面框架, 然后向汇聚节点发送命令令其传送已获得的 Zig bee网络数据包。之后MCU查询串口中断 状态,如果串口己收取数据,则将数据保存,并检查是否接收完毕,如果仝部接收完,则解 析数据包、转换数制、字符化后送入LCD进行显小。随着接收数据流程的不断推进,显小 界面内的数据将不断更新 由于程序设计涉及两个了系统之间的通信,因此刈方必须时刻关注串冂接收中断,因为 对于汇聚节点米说,这是ARM系统命令其发送数据包的信号,而对于ARM系统米说,收 到来自汇聚节点的数据之后也要第一时间处理,以免丢失之后的数据包。 结语 本文基于 ZigBee无线通信技术设计了使用ARM控制的 TFT-LCD模块扩展数显汇聚节 点,不仪能快速构建低成本、低功耗的无线传感器网络,还使其脱离PC而达到了网络监控 端小型化,便携化的要求。图示化的显示界面也为开发和调试WSN网络提供了很大便利, 为无线传感器网络的应用提供了很好的监控平台。而随着开发的深入,在现有系统基础上将 山国科技论义在线 http://www.paper.edu.cn 进一步增加与上位机的通信接口(如USB),触摸屏输入圹移植嵌入式实时操作系统如 μCOS,将wSN汇聚节点做成功能强人的WSN现场手持式监控终端。 参考文献 「1马祖长,孙恰宁,梅涛.无线传感器网终综述「J.通信学报.2004年4月第4期:115-117 2 IEEE Std 802. 15. 4-2003. Wireless Medium Access Control (MAC)and Physical Layer (PHY). Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANS)[S]. USA: IEEE, 2003 [3]辛颖,谢光忠,蒋亚东,基于 ZigBee协议的温度湿度无线传感器网络[.传感器与微系统,2006年第 25卷第7期:8283 4]刘瑞强,冯长安,蒋延等,基于 ZigBee的无线传感器网终[J.遥测遥控.2006年第27卷第5期:57-58 5 Freescale Semiconductor, Inc. MC13192/13193, MC9S08GT60 Reference Manual Db/ol].http://www.freescalecom2004 [6]田亚,郭爱煌.基于MC13193的 ZigBee无线传感网络设计J.现代电子技术.2006年第21期:5-7 Li Xiaochu. Li jie Tan Lan School of Opto-electric Information, University of Electronic Science and Technology of china Chengdu (610054) The Wireless Sensors Network (WSN) based on ZigBee technology has attracted a lot of researchers interest attribute to its low power consumption and low cost, excepting the inconvenient net testing since the monitoring station could always be a PC Zig Bee technology was introduced and an enhanced ZigBee sink node with ARM-controlled TFT-LCd display panel was designed in this paper. The hardware structure of interconnected module and system operation principle according to data transfer path also were described, plus the system software design Zig Bee; Wireless Sensors Network; Sink node; ARM; LCD panel 7

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