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图１ 基于Ｍｏｄｂｕｓ协议的无线数据传输网络
基于ｍｓｓｔａｔｅＰＡＮ协议栈的无线传感器网络设计
孙凯明１，２，石 磊２，邓广龙２，朱明清２
(1.黑龙江省科学院高技术研究院,黑龙江 哈尔滨 150090;2.黑龙江省科学院自动化所,黑龙江 哈尔滨 150090)
摘 要：本文介绍一种采用msstatePAN 协议栈和嵌入式技术开发的无线传感器网络,重点介绍了msstatePAN 协议栈下应用程序的
设计,该网络由Modbus TCP 无线基站、无线路由和无线传感器节点组成树形拓扑结构,系统传输速率可达250kbps,节点数可达上百个,节点功耗小于10mW,通过增加无线路由通信距离可达几公里,能广泛应用于精准农业、环境监测等领域。
关键词：msstatePAN;无线传感器网络;嵌入式
中图分类号:TP393.02 文献标识码:B 文章编号:1003-7241(2010)11-0058-03
The Design of Wireless Sensor Network
Based on MsstatePAN Protocol
SUN Kai-ming 1,2, SHI Lei 2, DENG Guang-long 2, ZHU Ming-qing 2
( 1. Institute of Advanced Technology of Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150090 China;
2. Institute of Automation of Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150090 China)
Abstrict: This page introduces the design of wireless sensor network, which is composed of Modbus TCP wireless basestation,
wireless routers and wireless sensor nodes with tree topology, based on msstatePAN protocol and embedded technology.The system can join up to hundreds nodes and its transmission rate is up to 250 kbps. The node’s power consumption is less 10mW. It may be widely used in many fields, e.g.precision agriculture and environmental monitoring and so on.
Key words: msstatePAN; wireless sensor network; embedded
收稿日期：２０１０－０９－１０
１ 引言
随着1999年物联网的概念的提出,与物联网的相关技术已经成为当今研究的热点,且发展非常迅速。物联网用途广泛,遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。《国家中长期科学与技术发展规划(2006-2020年)》和“新一代宽带移动无线通信网”重大专项中均将传感网列入重点研究领域[1][4]。
再者,以现场工业总线为基础的采集传输系统在系统扩展性、布线复杂度、维护方便性上都有不足之处。引进无线网络来架构整个监测系统,可发挥无线传感器网络监测技术在监测准确度和监测灵活性等方面的优势。
本文结合物联网技术和监测系统原始数据采集与传输为背景,介绍了一种基于msstatePAN 协议栈的无线传感器网络的总体结构和软件设计,它采用嵌入式实时操作系统、嵌入式TCP/IP 协议栈、msstatePAN 协议栈和低功耗硬件设计等技术,系统传输速率可达250kbps,节点数可达上百个,节点功耗小于10mW,可广泛应用于精准农业、环境监测、无人值守等领域。
２ 系统总体设计
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基于m s s t a t e P A N 协议栈的无线传感器网络由Modbus TCP 无线基站、无线路由和无线传感器节点组成,如图1所示。
无线传输部分采用msstatePAN 协议栈,各种被测参数可以通过无线节点实时地传送给无线基站,无线基站的控制数据也可回传给无线节点,众多模块互联,在距离较远的应用环境下,可以在无线基站和无线传感器节点之间设置无线路由,实现网络的拓展,免去了布线的繁琐。无线基站采用Modbus TCP 协议接口,能方便的与各种工业控制领域流行的组态软件互联,使整个系统有较强的通用性,采用嵌入式实时操作系统和嵌入式TCP/IP 协议栈技术,简化了无线基站的复杂性,同时能满足网络传输的实时性、安全性。无线数据传输节点采用低功耗的软硬件设计,使模块消耗的功率降低[3]。
３ 低功耗硬件设计
低功耗的设计是一个综合硬件技术和软件技术为一体的技术,在单片机和射频模块组成的无线传感器节点中,降低功耗能够大大的节约电能,而且还可以简化电源部分的设计。设计时主要从以下几个方面进行低功耗考虑:选型的时候就应该考虑选择低功耗的MCU;射频模块选用待机电流小、收发电流稳定的芯片;电源选用较低的输出电压,且本身消耗功率较小;降低工作频率可以有效降低电流消耗;系统工作电压降低对系统的功耗也有较明显的影响,因此在保证系统可靠工作时可以选用较低工作电压;尽量使用中断让处理器进入更深的睡眠;降低收发模块的启动时间。
ZigBee 是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,完整的协议栈只有32KB,可以嵌入各种设备中,同时支持地理定位功能,以上特点决定
ZigBee
技术非常适合应用在无线传感器网
络中。
CC2430芯片上整合了
ZigBee
RF
前端、内存、微控制器
,
应用越来越广泛。
本文设计的无线传感器网络的硬件结构如图
2
所
图２ 系统硬件
示,Modbus TCP 无线基站、无线路由和无线传感器节点均采用ARM 处理器和zigbee 模块为核心,无线基站扩展以太网接口,与上级系统相连,无线传感器节点和无线路由则扩展供电单元和传感器接口,无线传感器节点可以与各种4-20mA 输出仪表相连,增加了系统的通用性[2]。
４ 基于ｍｓｓｔａｔｅＰＡＮ协议栈的软件设计
msstatePAN 协议栈是由密西西比大学的R.Reese 教授开发的精简版ZigBe e 协议栈,基于标准C 语言编写,基本具备了ZigBee 协议标准所规定的功能,支持包括PICDEMZ 、CC2430评估板、MSP430+CC2420(Tmote)以及WIN32虚拟平台等多种开发平台。
基于msstatePAN 协议栈采用分层结构,每层内又都由有限状态机构成,无线网络由协处理器(Coord)、路由(Router)和节点(RFD)按事先分配好的固定簇头、树形拓扑结构组网,参数M a x D e p t h 、M a x C h i l d r e n 、MaxRoutersPerParent 决定了整个网络。
无线传感器节点(RFD)、无线路由(Router)和无线基站(Coord)的软件设计也采用有限状态机的设计方法。
无线基站由三个状态组成,分别是C_IDLE(空闲状态)、C_SEND(发送数据状态)、C_WAIT_SEND(等待发送完成状态)。当Coord 调用aplFormNetwork 函数组成网络就进入COORD_STATE_IDLE,等待路由和节点加入该网络,当有节点加入网络时,C o o r d 会接收到节点发送的ZEP_END_DEVICE_ANNOUNCE 消息,来更新NeighborTable 。当有监测数据上传时,Coord 通过usrRxPacketCallback()回调函数进行处理,通过串口发送给无线基站的ARM 处理器进行进一步处理。向串口发送的数据包格式为:
其中,起始标志是“DA ”或“ACK ”,分别代表监测数据帧和控制应答帧,节点号为方便系统设计,取节点长地址的后一个字节,这样要求在地址分配时要保证长地址的最后一个字节不重复。当串口接收到控制数据包时,Coord 进入C_SEND,向节点发送完控制数据包,Coord 进入C_WAIT_SEND,等协议栈处理完成后Coord 回到C_IDLE 。在处理路由和节点的ping 帧时,都是协议栈自动完成的,所以不用特别编程。
无线路由由七个状态组成,分别是R_JOIN(加入网络状态)、R _J O I N _W A I T (加入网络等待状态)、R _N O R M A L (空闲状态)
、R _P I N G (P I N G 状态)、