1、- 1 - 本科毕业设计 (论文 )文献综述 电子信息 工程 基于 TIMAC 的 CC2530 无线传感器网络节点设计 摘要 ： 无线传感器网络是一项新兴的技术，并具有广泛的应用领域。 TIMAC 协议在保持周期长度不变的基础上，根据通信流量动态的调整活动时间，用突发方式发送消息，减少了空闲侦听时间，保证了消息传输的可靠及时。因此，通过 IAR Embedded Workbench 嵌入式开发工具进行编码， 对 CC2530 实现 点对点主从温度检测 。 关键词： 无线 传感器； CC2530； ZigBee； TIMAC 1.引言 无线传感器网络（ Wireless Sensor Netw
2、orks， WSNs）是由大量的集成了传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点构成的全分布式的自组织网络 1。由于数量众多，传感器节点通常随机投放在监测区域内，并且很难更换电源。通常相邻节点间距离很短，适于采用低功率的多跳通信模式，节省功耗的同时增强了通信的隐蔽性和抗干扰性。由于 WSNs具有易扩展、自组织、分布式结构、健壮性和实时性等特点，使其在军事、建筑、农业、环境监测、医疗等领域有着传统网络无法比拟的优势 2-4。 无线传感器网络的研究具有很强大的实验科学的 特点。传统的互联网研究已经具有很长的历史，利用已有的基础化设施，为新的研究建达规模的物理试验床（如组播应用研究的Mbone）和虚拟
3、网络实验环境（如 P2P研究的 Plant Lab）相比较容易。但无线传感器网络是一种全新的网络技术，与传统的互联网差别较大，甚至网络体系结构都将截然不同，因此无线传感器网络研究看继承的资源也就十分有限，研制网络节点，搭建一定规模的实验床自然成了无线传感器网络研究初期的一个主要任务。 信道接入技术是用于建立可靠的点到点、点到多点或多点共享的通信链路技术。如何控制共享信道的接入，是数据 链路层的介质接入控制 (Medium Access Control， MAC)子层的主要任务。传统的 MAC层协议的设计目标是最大化吞吐量、最小化时延并且提供公平性。而为WSNs设计的 MAC层协议关注的是最小化
4、能耗，这就决定了它要适度地减小吞吐量和增加时延由于能量有效性是设计 WSNs网络 MAC协议首要考虑的性能指标，协议的可扩展性和适应网络拓扑变化，需要根据应用进行折中，使传统网络的 MAC协议并不适合 WSNs网络 5-10。 - 2 - 2.基于 CC2530 的 ZigBee 网络 ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络 技术，是一组基于 IEEE 802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件的技术标准。它具有功耗低、成本低、安全、工作频段灵活等优点，通过和传感器组成无线传感器 ZigBee网络，使得数据的自动采集、分析和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要
5、组成部分，其中以美国 TI公司 CC2530芯片为代表的 Zigbee SOC解决方案在国内高校企业掀起了一股 Zigbee技术应用的热潮。CC2530集成了 51单片机内核，相比于众多的 Zigbee芯片 CC2530颇受青睐 11-13。 CC2530是 TI公司针对 2 4 GHz ISM频带推出的第二代支持 ZigBee/IEEE 802 15 4协议的片上集成芯片。其内部集成了高性能射频收发器、工业标准增强型 8051MCU内核、 256 KB Flash ROM和 8 KB RAM。其主要特性：具有 2个 USART、 8位和 16位定时器、看门狗定时器、 8路输入可配置的 12位
6、 ADC、 21个 GPIO、 AES128协同处理器，硬件支持 CSMA-CA、数字化的RSSI/LQI和强大的 DMA功能，具备电池监测和温度感测功能；支持 5种工作模式，且转换时间短 7-8。 在 TIMAC中存在单向传输模式，在非对称通信方式中都会存在早睡的问题，使通过 IAR Embedded Workbench嵌入式开发工具进行编码的程序，对 cc2530进行点对点主从温度检测中大大的限制了它的吞吐量。为了解决这个问题，可以采用如文献 9中提到的通过发送 FRTS、满缓冲时设置优先权等。其中通过发送 FRTS的方法，它的基本思想是让另一个节点知道还有信息要传送给它，是我们自己阻止了
7、信息媒体的接入。满缓冲时设置优先权的方法，它是当一节点传输 /路由缓冲接近饱和时，节点将优先选择发送信息，而 不是接受信息，相当于是在网络中引入了一个限制形式的流量控制 9。 WSNS TIMAC协议所展现的问题中，对状态切换带来的能量进行量化，在协议中加入能量模型，这样，只有当射频进入睡眠节省的能量能够补偿状态切换产生的能量损耗时，才采用睡眠 监听转换机制。在由于没有采用功率控制， TIMAC对信道资源的利用没有达到最优。同时，采用功率控制能进一步降低功率时，采用在 RTS-CTS接收时加入信号强度和背景噪声的分析，在 DATA传输时采用最小发射功率的方法解决。 由于 CC2530在测量外部
8、环境温度，将受到许多外界温 度因素的影响。在相同环境下，每个模块输出的数字量是不相同的，要经过误差补偿处理才可进行应用。 CC2530温度传感器的误差来源主要有以下 3种： （ 1）由内部参考电压波动和温度传感器环境和个体工艺不同引起的误差； - 3 - （ 2）由增益不同引起的增益误差； （ 3）工作时消耗功率不同所导致的不同自热效应引起的误差。 以上 3种误差 ,自然效应所引起的误差是最主要的误差，其中系统误差又是影响自然误差最主要的因素，所以减少模块的功耗，尽量使其处于低功耗状态，是减少自然效应误差的最主要办法 10-13。 3.CC2530 的开发环境 嵌入式 IAR Embedded
9、 Workbench是一个非常有效的集成开发环境（ IDE），他使用户充分有效的开发并管理嵌入式应用工程。作为一个开发平台，他具备任何用户每天的工作地方所想要的特性，它提供一个框架，任何可用的工具都可以完整的嵌入其中，并为用户提供一个易学和具有最大量代码继承能力的开发环境，提高了用户的工作效率，在入门方面浅学易懂。 正因 CC2530与 IAR Embedded Workbench开发环境可以无缝的连接，所以在系统的开发环境中采用 IAR Embedded Workbench嵌入，对 CC2530上进行点对点主从温度检测应用的仿真，很方便的从仿真中理解、分析适用于 CC2530的 TIMAC通
10、信协议的内容、通信流程和工作机制。 虽然 TIMAC协议面临着能量受限、实时性、分布式算法、灵活性、各性能间的平衡等技术问题，但是由于 WSNs具有易扩展、自组织、分布式结构、健壮性和实时性等特点，使其在某些领域有着比传统的网络无法比拟的优势，展现了它的优越性，在诸多的技术问题中又以如何有效的延长网络的生命周期为研究的核心问题。 参考文献： 1任丰原，黄海宁， 林闯 .无线传感器网络 J.软件学报 ,2003， 14（ 7） :1282-1291. 2吴光荣，章剑雄 .基于 cc2430 的无线传感器网络的实现 J.现代电子技术， 2008， 12：21-124. 3David C. Stee
11、re, Antonio Baptista, Dylan McNamee, Calton Pu, Jonathan Walpole. Research Challenges in Environmental Observation and Forecasting systemsC. Proceedings of the 6th ACM/IEEE MobiCOM, 2000: 292-299. 4郑增威，吴朝晖，金水祥 .无线传感器网络及其应用 J.计算机科学， 2003,30(10)：138-140. 5曾鹏，于海斌，梁英，尚志军，王忠锋 .分布式无线传感器网络体系结构及应用支撑技术研究 J.信
12、息与控制， 2004， 33（ 3）： 307-313. - 4 - 6丛秋波 .2.4GHz RF 解决方案用于低功耗无线网络系统开发 J.电子设计技术 , 2009,11(7)： 4-15. 7宋杰 .无线传感器网络节点设计及 Delphi 监控软件开发 D.天津：河北大学学位论文 , 2010. 8杨德斌，伍俊，阳建宏 .无线数字传感器网络节点 J.仪表技术与传感器， 2007， 21(9)：1-53. 9周丽敏，田斌，廖婷 .无线传感器网络 T-MAC 协议的研究 J.传感器与微系统， 2007,25（ 6）： 36-38. 10石为人，冯会伟，唐云建 .一种无线传感器网络 MAC 层
13、协议设计与实现 J.计算机科学，2009， 7,36（ 7）： 60-67. 11李文仲 ,段朝玉 .ZigBee2006 无线网络与无 线定位实战 M.北京： 北京航空航天大学出版社 ,2008,1. 12Ran Peng,Sun Mao-heng.Zou Tou-min,ZigBee Routing Selection Strategy Based on Data Services and Energy-balanced ZigBee RountingC.Proceedings of the 2006 IEEE Asia-Pacific Conference on Services Computing(APSCC06),Dec,2006. 13Kwang Koog Lee,Seong Hoon Kim,Yong Soon Choi,Hong Seong Park.A Mesh routing Protocol using Cluster Label in the ZigBee NetworkC.Mobil Adhoc and Sensor Sysetems(MASS).2006 IEEE International Conference on,Oct. 2006.
