通信綜合實驗系統(tǒng)實驗一

第一章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)概述-170-.--通信綜合實驗系統(tǒng)主編：黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院通信工程專業(yè)實驗室.--目錄第二章OURS-WSN-IOTS物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實驗系統(tǒng)-第一章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)概述隨著微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanismSystem,MEMS)、片上系統(tǒng)（SOC，SystemonChip）、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，孕育出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks,WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。很多人都認(rèn)為，這項技術(shù)的重要性可與因特網(wǎng)相媲美：正如因特網(wǎng)使得計算機能夠訪問各種數(shù)字信息而可以不管其保存在什么地方，傳感器網(wǎng)絡(luò)將能擴展人們與現(xiàn)實世界進行遠程交互的能力。它甚至被人稱為一種全新類型的計算機系統(tǒng)，這就是因為它區(qū)別于過去硬件的可到處散布的特點以及集體分析能力。然而從很多方面來說，現(xiàn)在的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就如同遠在1970年的因特網(wǎng)，那時因特網(wǎng)僅僅連接了不到200所大學(xué)和軍事實驗室，并且研究者還在試驗各種通訊協(xié)議和尋址方案。而現(xiàn)在，大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)只連接了不到100個節(jié)點，更多的節(jié)點以及通訊線路會使其變得十分復(fù)雜難纏而無法正常工作。另外一個原因是單個傳感器節(jié)點的價格目前還并不低廉，而且電池壽命在最好的情況下也只能維持幾個月。不過這些問題并不是不可逾越的，一些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品已經(jīng)上市，并且具備引人入勝的功能的新產(chǎn)品也會在幾年之內(nèi)出現(xiàn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象?；贛EMS的微傳感技術(shù)和無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。這些潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為:軍事、航空、反恐、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。【網(wǎng)絡(luò)協(xié)議】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多采用五層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層?！局饕猛尽侩m然無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，由于技術(shù)等方面的制約還有待時日，但是最近幾年，隨著計算成本的下降以及微處理器體積越來越小，已經(jīng)為數(shù)不少的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開始投入使用。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要集中在以下領(lǐng)域：1.環(huán)境的監(jiān)測和保護2醫(yī)療護理3軍事領(lǐng)域4其他用途無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還被應(yīng)用于其他一些領(lǐng)域。比如一些危險的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過它來實施安全監(jiān)測。也可以用在交通領(lǐng)域作為車輛監(jiān)控的有力工具。目前，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)開發(fā)出多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其實這些節(jié)點的組成部分是類似的，只是其應(yīng)用背景不同，對節(jié)點性能的要求也不盡相同，因此所采用的硬件組件有很大差異。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最多的是ZigBee和普通射頻芯片。ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，完整的協(xié)議棧只有32KB，可以嵌入各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。以上特點決定ZigBee技術(shù)非常適合應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。目前市場上常見的支持ZigBee協(xié)議的芯片制造商有Chipcon公司和Freescale半導(dǎo)體公司，F(xiàn)igure8公司還專門開發(fā)了ZigBee協(xié)議棧。Chipcon公司的CC2420芯片應(yīng)用較多，Toles節(jié)點和XYZ節(jié)點都是采用該芯片；Chipcon公司提供包含F(xiàn)igure8公司開發(fā)的ZigBee協(xié)議的完整開發(fā)套件。Freescale半導(dǎo)體公司提供ZigBee的2.4GHz無線傳輸芯片有MC13191、MC13192、MC13193；該公司還提供配套的開發(fā)套件。傳感器種類很多，可以檢測溫濕度、光照、噪聲、振動、磁場、加速度等物理量。-第二章通信綜合實驗系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實驗系統(tǒng)集成了多種傳感器模型以及多種無線組網(wǎng)模式，可實現(xiàn)多種物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架，面向各大高校及大專院校的專業(yè)教學(xué)及創(chuàng)新和競賽，提供了眾多實驗例程，便于學(xué)生熟悉和掌握物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成及實際應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實驗系統(tǒng)包括硬件設(shè)備、軟件資源、實驗資源三大部分。硬件設(shè)備包括微型無線傳感器、通用傳感器及被控對象、嵌入式網(wǎng)關(guān)、GPRS網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和其他配套設(shè)備。軟件資源包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件，嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件，PC數(shù)據(jù)管理與分析軟件，實驗資源包括基于控制器的基礎(chǔ)實驗、傳感器信息采集實驗、無線信號收發(fā)實驗、Zigbee網(wǎng)絡(luò)通訊實驗、及組件控制實驗等，通過對這三部分資源的充分學(xué)習(xí)，可為物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)，并能通過不同傳感器的特性，不同網(wǎng)絡(luò)的組成形式，開發(fā)出更多實用性強的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式。1、硬件設(shè)備1.1微型無線傳感器微型無線傳感器分為溫度，濕度，光電，觸力等多種傳感器。每個節(jié)點由MCU/RF部分、傳感器部分和電源管理部分組成，包括智能三項傳感節(jié)點與智能觸力傳感節(jié)點。（1）智能三項傳感節(jié)點支持溫度，濕度，光電三種傳感器，支持2.4G無線組網(wǎng)，配備按鍵輸入和LED輸出，支持電池工作，并配套電池充電功能。（2）智能觸力傳感節(jié)點支持壓力傳感器，支持2.4G無線組網(wǎng)，配備按鍵輸入和LED輸出，支持電池工作，并配套電池充電功能。1.2通用傳感器以及被控對象通用傳感器以及被控對象包括通用調(diào)試器母板，紅外模擬傳感器母板，超聲波模擬傳感器母板，酒精濃度傳感器母板，電機控制器母板等。每種母版均支持對微型無線傳感器的程序更新與調(diào)試，母板可獨立控制自身硬件，也可聯(lián)合微型無線傳感器進行聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制。通用調(diào)試器母板，超聲波模擬傳感器母板，酒精濃度傳感器母板，紅外模擬傳感器母板，電機控制器母板。1.3其他配套設(shè)備包括程序下載器，下載線，串口線，并口線，JTAG板，WSN供電器等配套設(shè)備。2、軟件資源2.1無線傳感網(wǎng)軟件無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用2.4GISM頻段，通過軟件可實現(xiàn)點對點，以及一點對多點的多形式組網(wǎng)控制。2.2系統(tǒng)機數(shù)據(jù)管理與分析軟件該軟件能在PC上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理與維護，通過數(shù)字和圖表的方式，可多方位顯示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，及控制傳感網(wǎng)上的設(shè)備，還有配套的波形存儲與分析工具。3、實驗資源實驗從無線網(wǎng)絡(luò)處理器的基本實驗，逐步進階到無線數(shù)據(jù)采集通信的高級實驗，即能滿足基礎(chǔ)的教學(xué)要求，又能加強學(xué)生的實際應(yīng)用能力。

第三章系統(tǒng)簡介在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在三種邏輯設(shè)備類型：Coordinator(協(xié)調(diào)器)，Router(路由器)和End-Device(終端設(shè)備)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個Coordinator以及多個Router和多個End_Device組成。配置。ZigBee聯(lián)盟定義了這些由棧配置組成的棧參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備必須遵循同樣的棧配置。為了促進互用性這個目標(biāo)，ZigBee聯(lián)盟為ZigBee2006規(guī)范定義了棧配置。所有遵循此棧配置的設(shè)備可以在其他開發(fā)商開發(fā)的遵循同樣棧配置的網(wǎng)絡(luò)中。第四章基于CC2430的實驗部分實驗1：無線溫濕度、光電傳感器實驗學(xué)習(xí)使用CC2430無線單片機使I/O口外接的LED燈顯示，并按規(guī)律閃爍。實驗內(nèi)容涉及軟件設(shè)計、軟件修改，硬件觀察。提供源程序，提供程序注釋。1、裝有IAR開發(fā)及調(diào)試環(huán)境的PC，串口線。2、通用調(diào)試器母板，智能三項傳感節(jié)點模塊。ADC支持多達14位的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。ADC包括一個模擬多路轉(zhuǎn)換器，具有多達8個各自可配置的通道；以及一個參考電壓發(fā)生器，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過DMA寫入存儲器。還具有若干運行模式。ADC的主要特性如下：●可選的抽取率，這也設(shè)置了分辨率。●8個獨立的輸入通道，可接受單端或差分信號?！駞⒖茧妷嚎蛇x為內(nèi)部單端，外部單端，外部差分或AVDD_SOC。●產(chǎn)生中斷請求?！褶D(zhuǎn)換結(jié)束時的DMA觸發(fā)?！駵囟葌鞲衅鬏斎??！耠姵販y量功能。圖5-1ADC程序框圖實驗一溫濕度及光強度傳感器實驗一、實驗?zāi)康模?、學(xué)習(xí)使用CC2430及相應(yīng)模塊采集溫濕度信號。2、掌握針對溫濕度傳感器的編程方法。3、學(xué)習(xí)使用CC2430及相應(yīng)模塊采集光電信號。4、掌握針對光電傳感器的編程方法。二、實驗內(nèi)容：使用CC2430及相應(yīng)模塊采集外部溫濕度信號,并進行數(shù)模轉(zhuǎn)換通過串口顯示出采集的數(shù)據(jù)。三、實驗設(shè)備：1、裝有IAR開發(fā)及調(diào)試環(huán)境的PC，串口線。2、通用調(diào)試器母板，智能三項傳感節(jié)點模塊。3、CC2430/31多功能仿真器，USB線（A型轉(zhuǎn)B型）。四、實驗原理：溫濕度傳感器采用數(shù)字型高精度溫濕度傳感器SHT10。SHTxx系列單芯片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)用專利的工業(yè)COMS過程微加工技術(shù)（CMOSens.），確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實現(xiàn)無縫連接。因此，該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。原理圖如下：7.6實驗步驟:（1）啟動IAREmbeddedWorkbench，打開工程2430-r.eww；（2）連好實驗設(shè)備，改變跳線帽的設(shè)置。打開電源，將程序下載到目標(biāo)板上。注：跳線J3,J4連接為TX-2430連接TX-USB，RX-2430連接RX-USB。（3）重啟傳感節(jié)點模塊，按下仿真器復(fù)位鍵，打開串口調(diào)試工具。配置好相應(yīng)設(shè)置后。點擊“連接”。（4）啟動IAREmbeddedWorkbench，打開工程forj11-1-3avdd.eww；（5）連好實驗設(shè)備，改變跳線帽的設(shè)置。打開電源，將程序下載到目標(biāo)板上。注：跳線J3,J4連接為TX-2430連接TX-USB，RX-2430連接RX-USB。（6）打開串口調(diào)試工具。配置好相應(yīng)設(shè)置后。點擊“連接”。重啟傳感節(jié)點模塊，按下仿真器復(fù)位鍵。（7）改變不同的光電，可以觀察到顯示出的數(shù)據(jù)在不停的變化，如圖所示：（4）改變不同的溫濕度，可以觀察到顯示出的數(shù)據(jù)在不停的變化，如圖所示：七、程序框圖:7.8實驗參考程序:voidmain(){valuehumi_val,temp_val;unsignedcharerror,checksum;initUART();P1INP|=0xC0;begin=0;s_connectionreset();while(1){error=0;error+=s_measure((unsignedchar*)&humi_val.i,&checksum,5);d1=d6;d2=d7;error+=s_measure((unsignedchar*)&temp_val.i,&checksum,3);d3=d6;d4=d7;if(error!=0)s_connectionreset();else{humi_val.f=(float)humi_val.i;temp_val.f=(float)temp_val.i;humi_val.f=d1*256+d2;temp_val.f=d3*256+d4;calc_sth11(&humi_val.f,&temp_val.f);printf("temp:%5.1fChumi:%5.1f%%\n",temp_val.f,humi_val.f);//printf("t1:%xh1:%x\n",d1,d2);//printf("t2:%xh2:%x\n",d3,d4);}Wait(150);}}九、實驗總結(jié)：在本實驗中您編寫了一個相對簡單的溫濕度程序，在此基礎(chǔ)之上，您可以更改一下該程序，以熟練該實驗。（4）改變不同的光電，可以觀察到顯示出的數(shù)據(jù)在不停的變化，如圖所示：8.7程序框圖:8.8實驗參考程序:voidmain(void){chartemp[2];inti,j;//IO_DIR_PORT_PIN(2,0,IO_OUT);//SetP2_0tooutputP2SEL&=0xfe;//將P2-0端口各引腳設(shè)置為GPIO模式P2DIR|=0x01;//設(shè)置P2.0為輸出方式ctl=0;//設(shè)置P2.0為輸出0initUARTtest();//初始化串口115200InitialAD();led1=1;while(1){InitialAD();/*Waitfortheconversiontofinish*/for(i=0;i<65535;i++){for(j=0;j<65535;j++){if(ADCCON1>=0x80){break;}}if(ADCCON1>=0x80){break;}}if(ADCCON1>=0x80){led1=1;//轉(zhuǎn)換完畢指示temp[1]=ADCL;temp[0]=ADCH;temp[1]=temp[1]>>2;//temp[1]|=temp[0]<