第7章-无线传感器网络及其应用-《物联网技术与应用(第2版)》课件.ppt

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1、物联网物联网第七章第七章 无无线传感器网感器网络及及应用用本章概述：本章概述：无线无线SoCSoC片上系统片上系统CC2530CC2530概述概述CC2530CC2530芯片主要特点芯片主要特点CC2530CC2530芯片功能结构芯片功能结构8051CPU8051CPU介绍介绍CC2530CC2530的主要外部设备的主要外部设备案例应用案例应用基于物联网的交通流仿真平台基于物联网的交通流仿真平台物联网智能家庭实景系统物联网智能家庭实景系统7.1 无无线SOC片上系片上系统CC2530概述概述CC2530CC2530是是TITI（德州仪器）公司推出的用于（德州仪器）公司推出的用于2.4-GHz

2、2.4-GHz IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4、ZigBee ZigBee 和和RF4CE RF4CE 应用的一个真正的应用的一个真正的片上系统（片上系统（SoCSoC）解决方案。它能够以非常低的成本）解决方案。它能够以非常低的成本建立强大的网络节点。建立强大的网络节点。CC2530 CC2530 有四种不同的闪存版本：有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64CC2530F32/64 /128/256/128/256，分别具有，分别具有32/64/128/256KB 32/64/128/256KB 的闪存。的闪存。项项目目CC2430CC2530Features微控

3、制器增强型8051增强型8051Flash32/64/128kb32/64/128/256kb时钟损失检测无有T1信道数35封装QLP48QFN40大小7mmx6mmx引脚4840运行温度范围-40到+-40到无线电特性敏感性（dBm）-92-97最大发射功率（dBm）0(1mw)+4.5（2.82mw）最小发射功率（dBm）-3(0.50mw)-8（0.16mw）链路预算92101.5最大发射功率时的误差向量幅度11%2%表7-1 CC2530与CC2430参数比较7.2 CC2530芯片主要特点芯片主要特点CC2530CC2530芯片上整合了芯片上整合了ZigBeeZigBee射频（射频（

4、RFRF）前端、内存）前端、内存和微控制器。它使用一个和微控制器。它使用一个8 8位增强型位增强型8051MCU8051MCU，具有，具有32/64/128/256KB32/64/128/256KB可编程闪存和可编程闪存和8KB8KB的的SRAMSRAM，还包含，还包含了模拟数字转换器（了模拟数字转换器（ADCADC）和）和4 4个定时器（个定时器（TimerTimer）、）、AESAES加密解密内核、看门狗定时器（加密解密内核、看门狗定时器（WatchDog WatchDog TimerTimer）、）、32kHz32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（

5、路（Power On ResetPower On Reset）以及）以及2121个可编程个可编程I/OI/O引脚。引脚。CC2530CC2530芯片的主要特点如下：芯片的主要特点如下：RF/RF/布局布局适应适应2.4GHz IEEE 802.15.4 2.4GHz IEEE 802.15.4 的的RF RF 收发器收发器极高的接收灵敏度和抗干扰性能极高的接收灵敏度和抗干扰性能可编程的输出功率高达可编程的输出功率高达4.5 dBm 4.5 dBm 只需极少的外接元件只需极少的外接元件只需一个晶振，即可满足网状网络系统需要只需一个晶振，即可满足网状网络系统需要6mm 6mm 6mm 6mm 的的

6、QFN40 QFN40 封封装装适合适合系统配置系统配置符合世界范围的无线电频率法规：符合世界范围的无线电频率法规：ETSI EN 300 328 ETSI EN 300 328 和和EN 300440EN 300440（欧洲欧洲），），FCC CFR47 FCC CFR47 第第15 15 部分部分(美国美国)和和ARIB STD-T-66ARIB STD-T-66（日本日本）微控制器微控制器优良的性能和具有代码预取功能的低功耗优良的性能和具有代码预取功能的低功耗8051 8051 微控微控制器内核制器内核32/64/128/256KB 32/64/128/256KB 的系统内可编程闪存的系

7、统内可编程闪存8KB RAM8KB RAM，具备在各种供电方式下的数据保持能力，具备在各种供电方式下的数据保持能力支持硬件调试支持硬件调试外设外设强大的强大的5 5 通道通道DMA DMA IEEE 802.5.4 MAC IEEE 802.5.4 MAC 定时器定时器，通用定时器（一个，通用定时器（一个1616位位定时器，一个定时器，一个8 8 位定时器）位定时器）IR IR 发生电路发生电路具有捕获功能的具有捕获功能的32kHz 32kHz 睡眠睡眠定时器定时器硬件支持硬件支持CSMA/CACSMA/CA支持精确的支持精确的数字化数字化RSSI/LQI RSSI/LQI 电池电池监视器监视

8、器和温度传感器和温度传感器具有具有8 8 路输入和可配置分辨率的路输入和可配置分辨率的12 12 位位ADC ADC AES AES 安全协处理器安全协处理器2 2 个支持多种个支持多种串行通信协议串行通信协议的强大的强大USART USART 21 21 个通用个通用I/O I/O 引脚引脚（194 194，220 220）看门狗定时器看门狗定时器7.4.1 存存储器器 8051CPU 8051CPU有有4 4个不同的存储空间。个不同的存储空间。代码（代码（CODECODE）：1616位只读存储空间，用于程序存储位只读存储空间，用于程序存储数据（数据（DATADATA）:8:8位可存取存储空

9、间，可以直接或间位可存取存储空间，可以直接或间接被单个的接被单个的CPUCPU指令访问。该空间的低指令访问。该空间的低128128字节可以字节可以直接或间接访问，而高直接或间接访问，而高128128字节只能够间接访问。字节只能够间接访问。外部数据（外部数据（XDATAXDATA）：1616位可存取存储空间，通常位可存取存储空间，通常需要需要4545个个CPUCPU指令周期来访问。指令周期来访问。特殊功能寄存器（特殊功能寄存器（SFRSFR）：7 7位可存取寄存器存储空位可存取寄存器存储空间，可以被单个的间，可以被单个的CPUCPU指令访问。指令访问。图7-3 程序存储空间及其映射 1.1.存储

10、器映射图存储器映射图 与标准的与标准的80518051存储器映射图不同之处有两个方面存储器映射图不同之处有两个方面:为了使得为了使得DMADMA控制器能够访问全部物理存储空间，控制器能够访问全部物理存储空间，全部物理存储器都映射到全部物理存储器都映射到XDATAXDATA存储空间；存储空间；代码存储器空间可以选择，因此全部物理存储器可以代码存储器空间可以选择，因此全部物理存储器可以通过使用代码存储器空间的统一映射到代码空间。通过使用代码存储器空间的统一映射到代码空间。2.2.存储器空间存储器空间外部数据存储器空间外部数据存储器空间代码存储器空间代码存储器空间数据存储器空间数据存储器空间特殊功能

11、寄存器空间特殊功能寄存器空间 3.3.数据指针数据指针CC2530CC2530有两个数据指针（有两个数据指针（DPTR0DPTR0和和DPTR1DPTR1），主要），主要用于代码和外部数据的存取。例如：用于代码和外部数据的存取。例如：MOVC A,A+DPTR MOVC A,A+DPTR MOV A,DPTR MOV A,DPTR数据指针选择位是第数据指针选择位是第0 0位。如表位。如表7-17-1所列，在数据指针所列，在数据指针中，通过设置寄存器中，通过设置寄存器DPSDPS（0 x920 x92）就可以选择哪个指）就可以选择哪个指针在指令执行时有效。两个数据指针的宽度均为两个针在指令执行时

12、有效。两个数据指针的宽度均为两个字节，存储于特殊功能寄存器中，详细描述如表字节，存储于特殊功能寄存器中，详细描述如表7-27-2所示。所示。位名称复位读/写描述7:1-0 x00R0不使用0DPS0R/W数据指针选择，用来使选中的数据指针有效0：DPTR0：DPTR1表7-1 选择数据指针位名称复位读/写描述DPH0(0 x83)-DPTR0的高位字节7:0DPH07:00R/W数据指针0，高位字节DPH0(0 x82)-DPTR0的低位字节7:0DPH07:00R/W数据指针0，低位字节DPH0(0 x85)-DPTR1的高位字节7:0DPH07:00R/W数据指针1，高位字节DPH0(0

13、x84)-DPTR1的低位字节7:0DPH07:00R/W数据指针1，低位字节表7-2 两个数据指针的高低位字节 4.4.外部数据存储器存取外部数据存储器存取CC2530CC2530提供一个附加的特殊功能寄存器提供一个附加的特殊功能寄存器MPA GE(MPA GE(0 x93)0 x93)，详细描述见表，详细描述见表7-37-3。该寄存器在执行指令。该寄存器在执行指令“MOVX A,RiMOVX A,Ri”和和“MOVX R,AMOVX R,A”时使用。时使用。MPAGEMPAGE给出高给出高8 8位的地址，而寄存器位的地址，而寄存器RiRi给出低给出低8 8位的位的地址。地址。位名称复位读/

14、写描述7:1MPAGE7:00 x00R/W存储器页，执行MOVX指令时地址的高位字节表7-3 MPAGE选择存储器页7.4.2 特殊功能寄存器特殊功能寄存器特殊功能寄存器（特殊功能寄存器（SFRSFR）用于控制）用于控制8051CPU8051CPU核心和外核心和外部设备。一部分部设备。一部分8051CPU8051CPU核心寄存器与标准核心寄存器与标准80518051特殊特殊功能寄存器的功能相同；另一部分寄存器不同于标准功能寄存器的功能相同；另一部分寄存器不同于标准的的80518051的特殊功能寄存器。它们用作外部设备单元接的特殊功能寄存器。它们用作外部设备单元接口，以及控制口，以及控制RFR

15、F收发器。收发器。协调、合理的运行。协调、合理的运行。DMADMA控制器含有若干可编程设控制器含有若干可编程设置的置的DMADMA信道，用来实现存储器到存储器的数据传信道，用来实现存储器到存储器的数据传送。送。3.AES 3.AES（高级加密标准）协处理器（高级加密标准）协处理器 CC2530CC2530数据加密是由支持高级加密标准的协处理器数据加密是由支持高级加密标准的协处理器完成的。完成的。AESAES协处理器具有下列特性：协处理器具有下列特性：支持支持IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4的全部安全机制。的全部安全机制。ECBECB（电子编码加密）、（电子编码加密）、CBC

16、CBC（密码防护链）、（密码防护链）、CBFCBF（密码反馈）、（密码反馈）、OFBOFB（输出反馈加密）、（输出反馈加密）、CTRCTR（计数模式加密）和（计数模式加密）和CBC-MACCBC-MAC（密码防护链消息验（密码防护链消息验证代码）模式。证代码）模式。硬件支持硬件支持CCMCCM（CTR+CBC-MACCTR+CBC-MAC）模式。）模式。128128位密钥和初始化向量（位密钥和初始化向量（IVIV）/当前时间（当前时间（NonceNonce）。）。DMADMA传送触发能力。传送触发能力。7.7 案例案例应用用基于物基于物联网的交通流仿真平台网的交通流仿真平台整个整个CHD180

17、7CHD1807交通流监控系统由速度、车距、循迹等交通流监控系统由速度、车距、循迹等传感器群、车车通信节点和传感器群、车车通信节点和RFIDRFID货物信息管理芯片货物信息管理芯片以及监控终端上位机组成。在整个交通流仿真系统中，以及监控终端上位机组成。在整个交通流仿真系统中，由多个货物装载小车在规定跑道范围内完成自组网，由多个货物装载小车在规定跑道范围内完成自组网，各小车搭载的循迹、速度等传感器能够实时准确的检各小车搭载的循迹、速度等传感器能够实时准确的检测到各辆车的状态，并且能够相互通信交换数据。在测到各辆车的状态，并且能够相互通信交换数据。在自组网的基础上，各车可以将采集到的数据进行实时自

18、组网的基础上，各车可以将采集到的数据进行实时处理，然后通过单跳或者多跳的方式发送到处理，然后通过单跳或者多跳的方式发送到CoordinatorCoordinator节点，经过该节点将数据传送给监控上位节点，经过该节点将数据传送给监控上位机，上位机对数据进行处理后决定是否抬起栏杆给相机，上位机对数据进行处理后决定是否抬起栏杆给相关小车放行。关小车放行。7.7.1 7.7.1 系统总体介绍系统总体介绍图7-6 交通流仿真系统结构框图7.7.2 交通流仿真系交通流仿真系统布布设图7-7 CHD1807交通流仿真平台布设图7.7.3 系系统硬件研制硬件研制 CHD1807 CHD1807型基于物联网的

19、交通流仿真平台的硬件型基于物联网的交通流仿真平台的硬件部分主要由两部分组成，分别是：循迹小车和部分主要由两部分组成，分别是：循迹小车和RFIDRFID货物管理信息管理系统。货物管理信息管理系统。1.循迹小车研制循迹小车研制 循迹小车是循迹小车是CHD1807CHD1807型基于物联网的交通流仿真型基于物联网的交通流仿真平台中模拟交通流的主要工具。循迹小车共包括控制平台中模拟交通流的主要工具。循迹小车共包括控制模块、电源管理模块、通信模块、循迹模块、避障模模块、电源管理模块、通信模块、循迹模块、避障模块、导航模块等块、导航模块等6 6部分。部分。2.2.货物信息管理系统硬件研制货物信息管理系统硬

20、件研制 货物信息管理系统主要通过对货物信息管理系统主要通过对RFIDRFID产品进行开发，产品进行开发，定制一套专用的运输货物信息管理系统，实现对货物定制一套专用的运输货物信息管理系统，实现对货物信息的日常管理。基本功能包括：货物信息采集、存信息的日常管理。基本功能包括：货物信息采集、存储、查询、车辆放行控制、报警提示等功能。储、查询、车辆放行控制、报警提示等功能。该系统的主要硬件包括：该系统的主要硬件包括：RFIDRFID标签、标签、RFIDRFID一体机、一体机、栏杆机控制器、栏杆机等。栏杆机控制器、栏杆机等。7.7.4 系系统调试CHD1807CHD1807型基于物联网的交通流仿真系统开

21、始仿真实型基于物联网的交通流仿真系统开始仿真实验先打开四辆循迹小车，使得小车两个一组在特定轨验先打开四辆循迹小车，使得小车两个一组在特定轨道上运行，每个小车都载有道上运行，每个小车都载有RFIDRFID标签。四辆小车运标签。四辆小车运行开始后首先完成自动组网并向系统控制计算机发回行开始后首先完成自动组网并向系统控制计算机发回车辆状态信息，完成和控制中心的信息交互。当循迹车辆状态信息，完成和控制中心的信息交互。当循迹小车载着小车载着RFID RFID 标签通过标签通过RFID RFID 一体机天线下方时候，一体机天线下方时候，系统自动读取并判断标签信息是否合法。如果合法，系统自动读取并判断标签信

22、息是否合法。如果合法，则自动控制栏杆机抬起，放行车辆。如果不是合法车则自动控制栏杆机抬起，放行车辆。如果不是合法车辆则自动拦停车辆。辆则自动拦停车辆。CHD1807 CHD1807型基于物联网的交通流仿真系统控制软件型基于物联网的交通流仿真系统控制软件主要功能有以下几个方面：主要功能有以下几个方面：货物信息采集货物信息采集信息存储信息存储信息查询信息查询车辆放行控制车辆放行控制其他功能其他功能：帐户信息管理、系统参数设置、统计结果：帐户信息管理、系统参数设置、统计结果显示、列表显示等。显示、列表显示等。系统包含模块系统包含模块：登录模块、菜单模块、货物信息管理、：登录模块、菜单模块、货物信息管

23、理、RFIDRFID参数配置等模块。参数配置等模块。1.1.系统控制软件登陆系统控制软件登陆图7-14 控制系统登陆界面图7-18 控制系统主界面2.RFID2.RFID及栏杆机配置及栏杆机配置 进入主界面后，首先单击进入主界面后，首先单击“栏杆机控制栏杆机控制”区域的区域的按钮，如果设备连接正常，可以看到串口号列表出现按钮，如果设备连接正常，可以看到串口号列表出现两个可用串口，如图两个可用串口，如图7-197-19所示。其中一个为所示。其中一个为RFID RFID 读读写器串口、一个为栏杆机控制器串口。写器串口、一个为栏杆机控制器串口。图7-19 串口配置 对对RFID所用设备的串口所用设备

24、的串口COM3波特率等参数进波特率等参数进行设定后，点击如图行设定后，点击如图7-20所示的连接按钮。如果连所示的连接按钮。如果连接成功则会出行如图接成功则会出行如图7-21所示的信息。所示的信息。图7-20 串口参数图7-21 串口配置成功提示信息3.3.货物信息管理货物信息管理图7-22 货物信息设置界面图7-23 货物信息查询列表图7-25 货物通过记录4.4.导航模块导航模块 导航系统分为导航终端和导航系统分为导航终端和PCPC端两部分，终端通过端两部分，终端通过GPSGPS或者北斗定位模块获得目前所处的位置，然后通或者北斗定位模块获得目前所处的位置，然后通过四辆小车的组网传递至过四辆

25、小车的组网传递至PCPC机接收端，继而将定位机接收端，继而将定位信息接入信息接入GoogleEarthGoogleEarth完成定位显示功能。完成定位显示功能。CHD1807CHD1807型基于物联网的交通流仿真系统中的导型基于物联网的交通流仿真系统中的导航终端采用北斗系统收集循迹小车位置信息，该芯片航终端采用北斗系统收集循迹小车位置信息，该芯片直接安装在循迹小车上。收集到的信息经过直接安装在循迹小车上。收集到的信息经过CC2530CC2530传输至接收端控制传输至接收端控制PCPC机，机，PCPC机根据接收到的信息调机根据接收到的信息调用地图以显示循迹小车的实时位置。图用地图以显示循迹小车的

26、实时位置。图7-267-26所示为所示为PCPC机接收循迹小车位置信息的机接收循迹小车位置信息的CC2530CC2530设备，图设备，图7-277-27所示所示为循迹小车实施位置显示。为循迹小车实施位置显示。图7-26 位置接收设备图7-27 循迹小车实时位置7.8物物联网智能家庭网智能家庭实景系景系统1.家庭室内监控部分室内防盗监测：在室内布置无线节点及人体红外传感室内防盗监测：在室内布置无线节点及人体红外传感器，对于非法入侵行为进行有效监测器，对于非法入侵行为进行有效监测室内温湿度监测：在室内布置无线节点及温湿度传感室内温湿度监测：在室内布置无线节点及温湿度传感器，实时显示室内温度，湿度数

27、据及温湿度场器，实时显示室内温度，湿度数据及温湿度场室内光照度监测：在室内布置无线节点及光敏传感器，室内光照度监测：在室内布置无线节点及光敏传感器，实时监测光照强度并可根据预设程序控制窗帘开关及实时监测光照强度并可根据预设程序控制窗帘开关及灯光强度灯光强度雨滴监测：在室内布置无线节点及雨滴传感器，实时雨滴监测：在室内布置无线节点及雨滴传感器，实时监测降雨信息并可控制自动晾衣杆伸缩监测降雨信息并可控制自动晾衣杆伸缩火灾监测：在室内布置无线节点及烟雾传感器，实时火灾监测：在室内布置无线节点及烟雾传感器，实时监测家庭中可能出现的火灾并报警监测家庭中可能出现的火灾并报警可燃气体泄漏监测：在室内布置无线

28、节点及可燃气体可燃气体泄漏监测：在室内布置无线节点及可燃气体及可燃气体传感器，实时监测室内天然气，煤气泄漏及可燃气体传感器，实时监测室内天然气，煤气泄漏等情况并报警。等情况并报警。物联网网关系统：使用物联网网关系统：使用ARMARM系统作为物联网网关系系统作为物联网网关系统，接收并处理所有无线传感器网络采集的数据并进统，接收并处理所有无线传感器网络采集的数据并进行数据处理、下行控制以及与服务器的同步数据更新。行数据处理、下行控制以及与服务器的同步数据更新。2.智能家庭控制软件智能家庭控制软件智能家庭监测及控制软件（智能家庭监测及控制软件（ARMARM端）：运行在网关端）：运行在网关系统的系统的

29、WINCEWINCE平台上，带有平台上，带有WINCEWINCE版本的版本的SQLSQL数据数据库，用来对于智能家庭系统进行控制，数据监测以及库，用来对于智能家庭系统进行控制，数据监测以及数据处理。数据处理。智能家庭监测及控制软件（智能家庭监测及控制软件（PCPC端）：运行在网关系端）：运行在网关系统的统的WINCEWINCE平台上，带有平台上，带有WINCEWINCE版本的版本的SQLSQL数据库，数据库，用来对于智能家庭系统进行控制，数据监测以及数据用来对于智能家庭系统进行控制，数据监测以及数据处理。处理。智能家庭监测及控制软件（手机端）：运行在手机系智能家庭监测及控制软件（手机端）：运行

30、在手机系统上，可使用手机接收智能家庭系统中的报警短信，统上，可使用手机接收智能家庭系统中的报警短信，阅览家庭监测数据以及远程控制智能家庭中电器运行。阅览家庭监测数据以及远程控制智能家庭中电器运行。智能家庭系统服务器端：运行在智能家庭系统服务器端：运行在PCPC上，带有上，带有SQLSQL数据数据库，可与网关系统进行数据同步，并可进行数据库，可与网关系统进行数据同步，并可进行数据 同步，并可进行数据管理，数据查询，节点管理，日同步，并可进行数据管理，数据查询，节点管理，日志查询等志查询等WebSeverWebSever：用于支持各类移动设备远程阅览智能家庭：用于支持各类移动设备远程阅览智能家庭系

31、统监测数据，实时查询家庭中环境以及电器运行状系统监测数据，实时查询家庭中环境以及电器运行状态。态。7.29（a）智能家庭系统显示界面 7.29（b）智能家庭系统控制软件7.29（c）智能家庭系统服务器端节点管理 7.29（d）智能家庭系统服务器端操作日志管理 4.4.家庭内电器智能化控制家庭内电器智能化控制智能冰箱智能冰箱监控屏幕监控屏幕电动雨蓬控制系统电动雨蓬控制系统智能灯光调节系统智能灯光调节系统自动报警系统自动报警系统远程报警系统远程报警系统自动窗帘自动窗帘智能电源系统智能电源系统智能通风系统智能通风系统智能空调系统智能空调系统带有无线控制节点的强电控制模块 带有无线节点控制的电动雨蓬图

32、7.30 家庭内电器智能化控制网关系统及在家庭电视上数据显示7.9 本章小本章小结本章详细介绍了基于本章详细介绍了基于ZigBeeZigBee协议的协议的CC2530CC2530芯片的结构芯片的结构和特点等相关内容和知识，使读者对无线传感器网络和特点等相关内容和知识，使读者对无线传感器网络的具体应用有了更深一层的理解和认识。另外，本章的具体应用有了更深一层的理解和认识。另外，本章还详细介绍了还详细介绍了CHD1807CHD1807型基于物联网的交通流仿真型基于物联网的交通流仿真实验平台系统及物联网智能家庭实景系统，通过对本实验平台系统及物联网智能家庭实景系统，通过对本书作者研发的实验系统的了解，可以加深理解物联网书作者研发的实验系统的了解，可以加深理解物联网基础理论，初步掌握物联网基础知识，为更深入的学基础理论，初步掌握物联网基础知识，为更深入的学习物联网知识打下基础。该系统是对无线传感器网络习物联网知识打下基础。该系统是对无线传感器网络技术的具体应用，也是物联网技术在教学中的体现。技术的具体应用，也是物联网技术在教学中的体现。通过该系统的学习，读者能够对通过该系统的学习，读者能够对CC2530CC2530芯片及无线芯片及无线传感器网络技术有更深入和透彻的学习。传感器网络技术有更深入和透彻的学习。