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1、停车场无线传感器网络系统设计内容摘要：近年来,由于我国经济迅速发展,机动车的年均增长量都超过了10%,大量的小汽车进入家庭,近几年大中小城市的机动车年增长率超过15%,深圳、上海、北京、天津等大城市超过20%，有些城市甚至超过30%。这种发展趋势，给城市的停车带来了很大的困难。停车问题也成为了世界大中城市经济发展的一个通病。而随着传感器技术的日益成熟,无线传感器网络在越来越多领域得到了广泛的关注和应用。由于无线传感器网络系统行为具有异构性,传统无线传感器网络系统模型设计建模侧重从无线传感器网络系统中单个子系统行为建模仿真。近来,一种新的设计方法学-系统级设计方法学被引入无线传感器网络的建模仿真
2、方法学中,系统级设计方法学将无线传感器网络看作一个完整的系统,以嵌入式系统的观点将无线传感器网络系统分成各个系统行为独立的模块进行统一建模,弥补了传统无线传感器网络系统单一建模的缺点,因此研究无线传感器网络系统级设计方法学,在异构环境下对无线传感器网络系统进行建模仿真具有重要的理论和实际意义。利用无线传感器网络日益成熟的技术来解决现实生活中的问题，停车场的停车难问题需要合理化、规模化，利用无线传感器真正地解决“哪里有停车位，哪里有车停”的问题就是本次设计的目的。关键词：停车场；无线传感器；网络系统1 导言无线传感器网络（wireless sensor network WSN）是由部署在监测区域
3、内大量的廉价微型传感器组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知，采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器网络的三要素是传感器、观察者和感知对象。传感器由电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件这几部分构成。观察者是传感器网络的用户，是感知信息的接受和应用者。观察者可以是人，也可以是计算机或其他设备。感知对象是观察者感兴趣的监测目标，可以是湿度、温度、光、压力等。无线传感器网络将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识
4、世界的能力。1.1 研究背景及意义无线传感器网络通常包括传感器节点（sensor node）、汇聚节点（sink node）和管理节点。如图1-1所示，大量传感器节点随机部署在监测区域（sensor field）内部或附近，这一过程可以通过飞行器撒播、人工埋置和火箭弹射等方式完成。撒放后的传感器节点进入到自检启动的唤醒状态,在簇首节点的引领下，建立起路由拓扑，之后传感器节点采集并记录周围感兴趣的环境信息，沿着之前建立好的路由拓扑路径逐跳进行传输，在传输过程中数据可能被多个节点处理，经过单跳或者路由多跳后传输到汇聚节点，汇聚节点通过串口将数据传送到网关节点进行集中处理。近年来,由于我国经济迅速发
5、展,机动车的年均增长量都超过了10%,大量的小汽车进入家庭,近几年大中小城市的机动车年增长率超过15%,深圳、上海、北京、天津等大城市超过20%，有些城市甚至超过30%。这种发展趋势，给城市的停车带来了很大的困难。停车问题也成为了世界大中城市经济发展的一个通病。无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。利用无线传感器网络日益成熟的技术来解决现实生活中的问题，停车场的停车难问题需要合理化、规模化，利用无线传感器真正地解决“哪里有停
6、车位，哪里有车停”的问题就是本次设计的目的。1.2 无线传感器应用领域、特点及研究现状1.2.1 无线传感器应用领域1.2.1.1 无线传感器的概念无线传感器网络（wireless sensor network WSN）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知，采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。1.2.1.2 无线传感器应用领域由于无线传感器网络的特殊性，其应用领域与普通通信网络有着显著的区别，主要包括以下几类：(1)军事应用军事应用是无线传感器网络技术的主要应用领域，由于传感器网络具有可快速部署、
7、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，利用无线传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控、战区的实时监控、目标的定位、战场评估、核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能。(2)大型设备的监控在一些大型设备中，需要对一些关键部件的技术参数进行监控，以掌握设备的运行情况。在不便于安装有线传感器的情况下，无线传感器网络可以作为一个可选的通信手段。(3)环境观测应用于环境监测的传感器网络，一般具有部署简单、便宜、长期不需更换电池、无需派人现场维护的优点。通过密集的节点布置，可以观察到微观的环境因素，为环境研究和环境监测提供了崭新的途径。传感器网络研究在环境监测领域已经有很多的实例。这些应用实例包括：对海岛鸟
8、类生活规律的观测；气象现象的观测和天气预报；森林火警；生物群落的微观观测等。洪灾的预警：通过在水坝、山区中关键地点合理地布置一些水压、土壤湿度等传感器，可以在洪灾到来之前发布预警信息，从而及时排除险情或者减少损失。(4)医疗护理病变器官观察：通过在人体器官中植入一些微型传感器，随时观测器官的生理状态，可以发现器官的功能恶化，及时采取治疗措施从而挽救病人生命。但是推广这种想法前，还需要突破许多技术瓶颈，这些医疗传感器必须非常安全；工作能源要从人体自动获取；系统稳定、基本不需维修。(5)其它方面的应用传感器网络还可以用于空间探索。借助于航天器在外星体撒播一些传感器网络节点，可以对星球表面进行长时间
9、的检测。这种方式成本很低，节点体积小，相互之间可以通信，也可以和地面站通信。NASA的JPL（Jet Propulsion Laboratory）实验室研制的Sensor Webs就是为将来的火星探测进行技术准备。该系统已在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目中实施测试和完善。再以我国西气东输及输油管道建设为例，由于这些管道在很多地方都要穿越大片荒无人烟的地区，这些地区的管道监控一直都是一道难题，传统的人力巡查几乎是不可能的事情，而现有监控产品，往往复杂而且昂贵。智能传感器的成熟产品布置在管道上将可以实时地监控管道的情况。一旦有破损或恶意破坏都能在控制中心实时了解到。如果智能传感器成熟，仅西气东
10、输这样的一个工程就可以节省上亿元的资金。电力监控方面同样如此，因为电能一旦送出就无法保存，所以电力管理部门一般都会要求下级部门每月层层上报地区用电要求，并根据需求配送。但是使用人工报表的方式根本无法准确统计这项数据，国内有些地方供电局就常常因为数据误差太大而遭上级部门罚款。加州大学伯克利分校的研究员称，如果美国加州将这种产品应用于电力使用状况监控，电力调控中心每年将可以节省7亿8亿的资金。1.2.2 无线传感器的特点目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、Ad hoc网络等，与这些网络相比，无线传感器网络具有以下特点：（1）网络规模大传感器网络中，在监测区域通常需要部署大量传感
11、器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。此外传感器网络可以分布在很广泛的地理区域，感知的范围也很大。通过不同空间视角获得更加全面的信息，通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求。大量冗余节点的存在，也使得系统具有很强的容错性能。（2）网络的自组织能力由于在被监测区域，传感器随机的部署在区域内，传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道。比如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或者随意放置到人不可达到或危险的区域。在这样的情况下，就要求传感器节点具有自组织的能力，并且能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制
12、和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在无线传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或者其他因素造成节点失效，在这种情况，要求网络的拓扑结构能够随之动态地发生变化。无线传感器网络的自组织性要能够实现这种网络拓扑的动态变化。（3）无线传感器网络节点的通信能力有限无线传感器网络种传感器节点的传输率低、一般只有200kbps左右，通信距离短，一般只有几十到几百米。由于无线传感器网络往往部署在室外环境比较恶劣的地方，要受到高山、建筑物、障碍物等地形地貌以及其他恶劣天气等自然条件的影响。这样一方面可能造成传感器之间的通信不可靠，另一方面可能使传感器出现故障、甚至损坏。无线通信的能量消
13、耗与通信距离的关系为：E=kdn。其中参数n满足关系2n4。n的取值与很多因素有关，比如传感器节点部署贴近地面时，障碍物多干扰大，n的取值就大；天线质量对信号发射质量的影响也很大。随着通信距离的增加，能耗将急剧增加。因此应该尽量减少单跳通信距离。一般而言，传感器节点的无线通信半径在100m以内比较合适。（4）无线传感器网络节点的电源能量有限传感器节点的体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器网络应用场景比较复杂，环境一般比较恶劣，传感器部署数量多，所以传感器通过更换电池来补充能量是不太现实的。（5）无线传感器网络存储和计算能力有限无线传感器网络中的传感器节点是一种微型嵌入式设备，一般要
14、求价格低体积小功耗低，这些限制必然导致其嵌入式处理器计算能力比较弱，存储容量比较小。（6）无线传感器网络以数据为中心基于无线传感器网络的任何应用系统都离不开感知数据的管理和处理技术，传感器网络相当于分布式的网络数据库。要查询的数据分布在所有或部分节点中。传感器网络中每个传感器节点具有端节点和路由器两者的作用，传感器节点接收汇点（sink）的查询或控制命令。传感器网络数据综合处理技术是实现以数据为中心的传感器网络的核心技术，包括感知数据的提炼、压缩、存储、关联、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据决策和行为的理论和技术。传感器网络的各种实现技术必须与这些技术密切结合,融为一体。1.2.3 无线
15、传感器的研究现状无线传感器网络是目前国外研究热点。美国商业周刊认为,传感器网络是全球未来四大高技术产业之一。近几年来自组织无线传感器网络在美国国防部高级规划署(DARPA)、美国自然科学基金委员会和其它军事部门的资助下,美国科学家对无线传感器网络所涉及的各个方面进行了深入的研究。欧洲于2004年初在德国首都柏林举行了第一届“无线传感器网络论坛”,有120名微电子、机械电子和信息传输方面的专家出席论坛。从1998年以来,主要由美国国防部支持的关于无线自组传感器网络的项目屡屡在论文中出现,下面把美国国防部和大学联合研制的项目和进展情况列举如下：伯克利大学研制的灵巧尘埃（The smart dust
16、）,把传感器的大小降低到一个立方毫米,使这些传感器颗粒可以悬浮在空中,美国加利福尼亚大学洛杉矶分校研制的无线集成网络传感器(Wireless integrated network sensors),洛克维尔（Wireless sensing network Rockwell）研究中心研制的WSN无线传感器网络由。他们把复合的传感器和低档的信号处理器集成在一起,使之更灵活,功能也更强大。麻省理工学院Sea Grant Office研制的Odyssey是低价位的自制的水下工具,它的总长不超过2m,它被用于水下监测,他不需要任何的附加的发射和回收设备。国内研究机构如中科院、清华大学、国防科技大学、电
17、子科技大学、哈尔滨工业大学以及浙江大学等学术团体对传感器网络进行了跟踪研究。中国计算机学会青年计算机科技论坛（YOCSEF，CCF Young Computer Scientists&Engineers Forum）于2004年11月26在北京召开了中国第一次关于Wireless sensor network的专题报告会。讨论了Wireless sensor network技术及其在中国的发展问题。总体上无线传感器网络在中国还处在发展阶段，还没达到大规模应用的阶段。随着微机电加工技术（MEMS）、自组织的无线网络技术和低功耗通讯技术的高速发展，无线微型传感器网络的研究将进入一个全新的领域。ME
18、MS技术将使微型传感器变成真正的尘埃，功耗绩效；可靠的通信技术使数据准确高速地收发；成熟的无线网络路由技术使网络变得畅通无阻。1.3 研究内容与方法1.3.1 研究内容大量的传感器节点被随机散布在目标监测区域;对网络进行网络拓扑规划;在数据收集过程中，需要每个传感器采集到的有效数据及时、准确的传回K节点和基站;传感器节点采集大量的、实时数据进行压缩处理。系统提供了停车场中的总车位占用数，以及更为具体的区域信息。我们在每个入口、出口和区域过渡处安放了传感器。入口和出口处的传感器，以无线方式将入口和出口的车辆数据传输到出口岗亭的中心基站。监测区域过渡点的传感器检测车流和方向，并确定车辆是否在区域间
19、移动。传感器将数据发送到中心基站，基站将对所有的输入数据进行分析，实时提供停车场总共可用的停车位数量和每个区域的停车位数量。1.3.2 研究方法（1）采用震动传感器MTS510CA, 完成了基于MICA2DOT的无线传感器网络系统整体的设计与实现，并在基于无线传感器网络的震动监测控制系统中得到应用。（2）无线传感器网络系统采用EM78815嵌入式处理器，搭载完全兼容IEEE802.15.4标准的无线通信芯片MICA2DOT，完成网络系统设计。（3）为保证节点间通信的成功率和考虑节点的节能，提出适用于上述硬件平台的链路层协议。 （4）将上述无线网络传感器系统应用于一个简单的震动监测控制系统。在该
20、系统中，传感器节点负责采集震动数据，并通过自组织建立起来的网络对环境震动进行实时监控并反馈到控制中心。1.3.3 本论文的章节安排为了方便阅读本文，能在较短时间内对其有一个全面的认识，现将本文的体系结构介绍如下：一、 导言：概述了无线传感器网络的概念、特点、应用领域和发展现状。说明了该次设计的研究内容和研究方法，更清楚的明白了这次设计的原理和目的。 二、 硬件开发工具：介绍了本课题所研究的无线传感器网络的硬件体系结构系统规划与系统分析。包括节点和基站（汇聚节点Sink）的总体结构设计和数据流程分析。三、 无线传感器网络系统：介绍了本课题所研究的无线传感器网络系统的设计。采用网状网拓扑结构，Zi
21、gBee协议结构对各个节点进行规划，并汇集节点信息，传送到终端。四、 主要技术和系统特点：罗列出本片文章的主要技术参数以及本套系统的特点和优点。五、 结论：总结了全文并给出了应该进一步研究的问题。六、 参考文献。1.4 本章小结本章主要介绍了无线传感器网络的概念；对比其他网络系统，无线传感器网络系统突显出哪些特点；并且详细地讲解了无线传感器网络系统在各个领域的重要应用；以及无线传感器网络系统在过去的时间做出的一些贡献，和将来日益成熟的无线传感器网络系统的广泛应用。并且注释对于整片论文的规划，让读者更清楚的明白章节安排。2 硬件开发工具本系统使用了射频芯片MICA2DOT；采用基于射频芯片MIC
22、A2DOT和微处理器EM78815为核心的无线传感器网络的硬件节点。无线传感器网络节点是一个微型的嵌入式系统，一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成，如图2-1所示。图中的箭头代表数据的流向。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。2.1 节点硬件系统2.1.1传感器模块：MTS510CA传感器是由天津市思托科技有限公司生产，它适用于MICA2DOT射
23、频芯片，且能对光、麦克风、震动做出传感。无线传感器网络节点的数据采集部分可以根据不同的应用采用不同的传感器，比如温度、湿度、光、压力、烟雾等。 MTS510CA A/D转换器是高速、微控制器兼容、8位模/数转换器。由于芯片采用半闪烁转换技术和低电源电压供电及三态输出，所以具有快速转换、功耗低和易与各类微控制器接口等优点。转换时间只需1.8us，转换速率为400*103次/s。如图2-2所示： 图2.2.1 MTS310CA 图2.2.2 MDA300CA 图 2-2 传感器2.1.2处理器模块：ELAN公司生产的EM78815是一款采用RISC结构，低功耗，高速率的8片机。它的主频为3.586
24、2MHz，具有64K程序ROM，最大支持128K程序ROM；256K8片内数据ROM，最大支持2MKB；4K8数据RAM；128个8通寄存器；56个双向、三态I/O口。此外，它还有2个8位和1个16位硬件定时/计数器；可编程看门狗定时器和片上震荡器；UART、SPI接口。EM78815有三种工作模式：活动模式、空闲模式(Green mode)、睡眠模式(Sleep mode)。模式转换图2-3所示。 图2-3 处理器3个工作模式切换MCU模式说明：（1）活动模式（Normal mode）：在活动模式下，处理器工作在3.5862MHz，在几种工作下，能耗最高。（2）空闲模式（Green mode
25、）：在空闲模式下，处理器工作关闭主时钟，以副时钟维持系统运转，此时的时钟频率为32.768KHz。这是通过将处理器的RA寄存器的PLLEN位清零来实现的。这种模式的能耗低于活动模式。（3）睡眠模式（Sleep mode）：在睡眠模式下，处理器主时钟和副时钟（本系统只用到主时钟）都停止工作，这种模式下，节点的能耗最低。但是EM78815不支持直接从活动模式切换到睡眠模式，必须再经过空闲模式，并且从睡眠模式到活动模式的切换，只有通过RESET操作或者开关电源，在睡眠模式下，无法响应帧的接收，所以本系统不采用该模式。MCU模式转换说明：EM78815从活动模式切换到空闲模式：在有数据发送或者接收时，
26、EM78815处于活动模式，在发送和接收完毕后，EM78815进入空闲模式。EM788150从空闲模式到活动模式：有中断产生；RESET发生；电源开关。根据上面的分析，我们应该让芯片平时工作在空闲模式，并且关闭ADC模块，只响应帧的接收，在这种情况下，能量消耗很低，电流消耗只有30uA。当无线通信模块接收到帧后，产生中断，从而从空闲模式切换到活动模式，进行数据的接收和发送，当发送完毕后，再次进入空闲模式。既节省了能量，也保证了节点的正常工作，据统计，一个传感器节点大约有20%的时间工作于活动模式，80%的时间工作于空闲模式。2.1.3 无线通信模块：射频芯片MICA2DOT是标准的低成本、低功
27、耗单片高集成度的解决方案。它工作在ISM免费频带上,工作频率为433MHZ。MICA2DOT的主要特点：（1）具有2MChips/s直接扩频序列基带调制解调和250kbps的有效数据传输速率；（2）适合简化功能装置和全功能装置操作；低电流消耗：接收19.7mA，发射17.4mA；低电源电压要求：使用内部电压调节器时2.1-3.6 V，使用外部电压调节器时1.6-2.0V；可编程输出功率；独立的128字节发射、接收数据缓冲器；（3）电池电量可监控，QLP-48封装，外形尺寸只有77mm，适合各种恶劣的环境。可以看出：该芯片具有良好的性能，尤其是它极低的电流消耗和封装尺寸，可以满足无线传感网络中节
28、点体积小、功耗小、成本低等特点，经过测试发现在本系统中，该芯片工作良好，功能比较完善。2.1.4 能量供应模块：实现节点设计的微型化，节点可采用输出电压3.6V可充电锂离子钮扣电池LIR2032供电。该类电池自放电率小于10每月，但额定容量较小，限定了节点的生存期，若以两节5号电池供电，则可维持更长的工作时间，在以网络形式工作状态下通过合理的配置节点发射极的接收、发射以及待机状态，可有效地延长节点的运用寿命。针对节点供电单元不便于更换的无线传感器网络，新的能源处理要领研究及网络系统的低功耗设计也是当前值得关注的课题。2.2 Sink节点的硬件设计无线传感器网络内的信息与外部网络或处理终端间的连
29、接须要通过Sink节点来实现，Sink节点是无线传感器网络与有线设备连接中转站，负责发送上层命令(如查询、分配ID地址等)，接收下层节点请求和数据，具有数据融合、请求仲裁和路由选择功能，是无线传感器网络中最主要的一部分。我们设计的Sink节点带有USB数据口和RS232数据口，两种数据口可以通过开关执行 切换，以方便Sink与外部网络或处理终端间的连接。仍然采用天津市思托科技有限公司推出的高度整合的SoC芯片MICA2DOT实现传感器节点的数据传输和处理功能。TTL与RS232电平转换单元选用MAX 3316芯片，该芯片在2.253.0V供电即可实现两通道双向电平转换，可直接操作MICA2DO
30、T芯片串行数据线和控制线。MICA2DOT的外围电路设计与传感器节点相同。2.3 本章小结在本章中讲解传感器节点的硬件设计，由传感器模块、处理器模块、无线传输通信模块以及能量供应模块组成，并一一列举了各个模块的组成和硬件需求，利用MTS510CA作为传感器模块，可以通过震动和光的传感，传送数据给处理器模块，而处理器模块由ELAN公司生产的EM78815处理器进行数据处理，最后通过传输设备发送信息给基站（Sink节点）完成数据的采集，汇聚，传输等一系列工作。下章节将会告诉大家无线传感器网络的系统，网络拓扑结构，网络协议栈等等。3 无线传感器网络系统对于地下停车场的管理中重要的数据信息是时刻掌握着
31、车位的空闲状态,以此作为智能停车管理中的重要参考依据,通过在停车场入口处放置液晶显示屏显示停车场停车情况。当前停车场的车位的识别主要有以下技术:人工观察车位空闲状态、地感线圈感应车位空闲状态、红外线测定车位空闲状态、摄像头视频采集车位图像识别车位空闲状态等技术来完成。其中人工识别对于较小的停车场广泛采用,缺点显而易见;地感线圈识别、红外线识别技术能够自动完成车位的识别,缺点是需要构建工业网络传输数据,而且工程量相对较大。视频图像识别技术能够通过图像处理技术来完成车位的识别,具有一定的优越性,但是对于地下车库光照方面和识别效果都不很理想,而且也需要构建网络。采用ZigBee无线传感器构建无线网络
32、能够很好的解决网络布线问题,而且ZigBee具有低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高容量等特点,这些适合停车场管理技术的特点。3.1 无线网络技术比较在无线个人网(WPAN)领域,“蓝牙”一直是较为经典的技术,但由于其价格高、传输距离短等因素迟迟没能大规模应用。蓝牙的最初的目标是取代现有的PDA、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接,它的高带宽特性(1Mb/s)使它更适合于音频、视频、图像等多媒体设备以及需要经常交换大量的数据的设备,但是蓝牙存在着技术复杂、应用系统费用高、功耗高、供电电池寿命短。ZigBee的特点是低速率、低功耗、低成本等。ZigBee技术的特点如下:传输距离:可达1
33、075m,依赖功率输出和环境特性。通信时延:1530ms(典型搜索时延30ms,休眠激活时延15ms,活动接入时延15ms)寻址方式:64bit的IEEE地址,16bit的本地地址。网络容量:一个ZigBee网络可容纳255个设备,最大容量高达65000个节点。网络拓扑:星型,点对点,网状。安全机制:提供了数据完整性检查及鉴权功能,加密算法采用AES 128,同时各个应用可灵活确定采用何种安全机制。成本估算:模块初始成本约6美元,随着市场成熟,会很快降至1.52.5美元,并且ZigBee协议免专利费。耗电情况:非常低的占空比,可以小于0.1%;具有工作周期短、收发功耗低的特点。并且有休眠模式,
34、一般情况下两节5号电池可工作6个月至2年左右。3.2 ZigBee协议结构ZigBee协议结构如图1所示。 图 1 ZigBee协议栈应用层定义了各种类型的应用业务,是协议栈的最上层用户。应用程序接口负责把不同的应用映射到ZigBee网络层上,包括安全与鉴权、多个业务数据流的汇聚、设备发现和业务发现。网络层的功能包括拓扑管理、MAC管理、路由管理和安全管理。数据链路层又可分为逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层(MAC),IEEE802.15.4的LLC子层和IEEE802.2的相同,其功能包括传输可靠性保障、数据包的分段与重组、数据包的顺序传输。IEEE802.15.4 MAC子层通
35、过SSCS(Service-Spe2cific Convergence Sublayer)协议能支持多种LLC标准,其功能包括设备间无线链路的建立、维护和拆除,确认模式的帧传送与接收,信道接入控制、帧校验、预留时隙管理和广播信息管理。3.3 停车场车位ZigBee网络的构成3.3.1 ZigBee网络设备类型ZigBee定义了两种物理设备类型:全功能设备FFD(Full Function Device)和精简功能设备RFD (Reduced Function Device)。一般来说,FFD支持任何拓扑结构,可以充当网络协调器(Network Coordi2nator),能和任何设备通信;RF
36、D通常只用于星型网络拓扑结构中,不能完成网络协调器功能,且只能与FFD通信,两个RFD之间不能通信;但它们的内部电路比FFD少,只有很少或没有消耗能量的内存,因此实现相对简单,也更利于节能。3.3.2 ZigBee网络设备角色在网络层中,ZigBee定义了3种角色:第1个是网络协调器,负责网络的建立,以及网络位置的分配;第2个是路由器,主要负责找寻、建立以及修复信息包的路由路径,并负责转送信息包;第3个是终端装置,只能选择加入他人已经形成的网络,可以收发信息,但不能转发信息,不具备路由功能。通常,网络协调器和路由器由全功能装置(FFD)实现,而终端装置由简化功能装置(RFD)实现。在组网方式上
37、,ZigBee主要采用图2所示的3种组网方式:其一为主从结构的星型网,它需要一个能负责管理和维护网络的网络协调器和不超过65535个从属装置;其二为簇状形网,它可以是扩展的单个星型网或互连多个星型网络;其三为网状网(Mesh),网络中的每一个FFD同时可作为路由器,根据AD hoc网络路由协议来优化最短和最可靠的路径。图2ZigBee网络拓扑结构3.4 ZigBee网络的形成一个ZigBee网络的形成过程是通过协调器加电后先组建网络并允许设备加入,然后终端设备节点自动加入网络,并自动形成父子关系,终端设备的网络地址由协调器按照一定的地址分配算法统一分配,为增强系统的监控和处理功能,将协调器与P
38、C机相接,并通过RS-232接口访问并控制所有终端设备节点的配置、数据采集和监控。协调器必须由FFD担任网络协调器并进行扫描搜索,发现一个未用的最佳信道来建立网络,再让其他的FFD或是RFD加入这个网络。事实上,人们可根据装置在网络中的角色和功能,预先对其编制好程序。如协调器的功能是通过扫描搜索,发现一个未用的信道来组建一个网络;路由器的功能是通过扫描搜索,发现一个激活的信道并将其连接,然后允许其他装置连接;而终端装置的功能总是试图连接到一个已存在的网络中。ZigBee设备支持两种地址类型:一种是64位IEEE地址,另一种是16位网址。64位地址在所有ZigBee设备之中是唯一,其中包含一个由
39、IEEE分配、也是全球唯一的24位制造商特定组织识别符 (OU I)。当设备加入ZigBee个域网时,它可以从允许其加入的各设备上获取16位网址。该网址在各个域网内被规定为唯一,该网址用于数据传输和数据包路由。用于路由数据包的路由表存放着各个目标设备和下一跳设备的网络地址。因此各个域网的各设备都必须有明确且唯一的网络地址,以保证数据能到达正确的设备。3.5 ZigBee网络的拓扑结构地下停车场车位布置规划如图3所示 图3停车场布置图整个ZigBee网络采用Mesh拓扑结构,在每个车位处安装终端设备RFD采集车位状态信息,在关键位置布置路由器FFD保障网络的可靠性,在管理站处安装网络协调器,进行
40、车位状态数据信息的汇总,协调器通过RS232接口连接上位机。协调器启动网络、管理网络节点、存储网络节点信息。它还能提供路由消息、安全管理和其它服务。路由器扩展网络覆盖面,在障碍周围动态路由,并且提供备份路由以防网络拥挤和设备失败。它们可以联系到协调器和其它路由器,并且支持终端节点RFD与它连接。终端节点不能传输消息,也不能连接其它子节点,它的主要任务是发送与接收消息。网状拓扑结构,也被称为点到点,是由互联的路由器和终端设备组成的一个网状结构。每个路由器通常至少通过两个路径来连接,并且可以为它的邻居转发信息。一个网状网络包含一个单一的协调器,以及多个路由器和终端设备。网状拓扑结构支持“多跳”通讯
41、,这些数据通过跳跃从一个设备到另一个设备,使用最可靠的通讯联系和最符合成本效益的路径,直到到达它的目的地。这种多跳能力也帮助提供容错功能,如果一台设备失败或经历冲突,该网络可以使用剩下的设备重新路由它自己。网状结构的优点:该拓扑结构具有高可靠性和稳定性。任何独立路由器可能变得不可用,替换路由可以被发现和使用。利用中间设备来转发数据,即网络范围可以被明显增加,使网状网络可高度扩展。仅仅是通过添加更多的路由器到网络中,可以消除弱信号和死区。3.6 本章小结本章主要介绍了基于ZigBee网络的设计，讲解了基于ZigBee的网络协议栈、停车场的网络拓扑结构以及ZigBee的网络形成，这个就是将无线传感
42、器网络节点通过ZigBee网络系统连接在了一起，让测试范围内的节点通过基站（Sink节点），再由基站通过ZigBee网络传送到控制中心，让观察者了解停车场的停车状况。还介绍了利用ZigBee的网状网的网络拓扑结构，这样就能防止一个节点损坏而导致整个系统瘫痪的情况。4 主要技术和系统特点无线传感器网络系统主要技术在于网络系统的规划，对于不同的环境采用不同的网络拓扑结构，对于一个好的网络系统结构来说是非常重要的。如对于沙漠来说，就要通过蚁群网络结构，在测试区域通过空降各个测试节点，通过无线通信进行节点汇聚，最后传送到终端系统。正如大家所知，对于沙漠的温度，湿度进行研究，不能逐一地放置节点传感器，只
43、能采用蚁群网络拓扑结构。而对于地下停车场来言，节约成本，规划网络结构则相当重要，所以采用网状网拓扑结构，这样能更精确地定位停车场的停车状况。4.1 硬件系统主要技术和参数4.1.1 传感器技术和参数MTS510CA传感器在停车场主要靠震动传感，它的转换速率为400*103次/s ，MTS510CA 的 A/D转换器是高速、微控制器兼容、8位模/数转换器。由于芯片采用半闪烁转换技术和低电源电压供电及三态输出，所以具有快速转换、功耗低和易与各类微控制器接口等优点。4.1.2 处理器技术和参数ELAN公司生产的EM78815是一款采用RISC结构，低功耗，高速率的8片机。它的主频为3.5862MHz
44、，具有64K程序ROM，最大支持128K程序ROM；256K8片内数据ROM，最大支持2MKB；4K8数据RAM；128个8通寄存器；56个双向、三态I/O口。此外，它还有2个8位和1个16位硬件定时/计数器；可编程看门狗定时器和片上震荡器；UART、SPI接口。它三态I/O口，主要为了节约节点的能量损耗，从而使得传感器节点能更长久地工作，降低了节点所需要的最低成本。4.1.3 无线通信技术和参数射频芯片MICA2DOT是标准的低成本、低功耗单片高集成度的解决方案。它工作在ISM免费频带上,工作频率为433MHZ。具有2MChips/s直接扩频序列基带调制解调和250kbps的有效数据传输速率
45、。适合简化功能装置和全功能装置操作；低电流消耗：接收19.7mA，发射17.4mA；低电源电压要求：使用内部电压调节器时2.1-3.6 V，使用外部电压调节器时1.6-2.0V；可编程输出功率；独立的128字节发射、接收数据缓冲器。电池电量可监控，QLP-48封装，外形尺寸只有77mm，适合各种恶劣的环境。4.2 传感器网络系统主要技术和特点4.2.1 传感器网络系统主要技术传感器网络系统主要技术参数：1、通信时延:1530ms(典型搜索时延30ms,休眠激活时延15ms,活动接入时延15ms)2、寻址方式:64bit的IEEE地址,16bit的本地地址。3、网络容量:一个ZigBee网络可容
46、纳255个设备,最大容量高达65000个节点。4、网络拓扑:星型,点对点,网状。本传感器网络系统采用网状网络拓扑。在网络层中,ZigBee定义了3种角色:第1个是网络协调器,负责网络的建立,以及网络位置的分配;第2个是路由器,主要负责找寻、建立以及修复信息包的路由路径,并负责转送信息包;第3个是终端装置,只能选择加入他人已经形成的网络,可以收发信息,但不能转发信息,不具备路由功能。4.2.2 传感器网络系统的特点无线传感网络用于智能停车场可以有效的节省人工，实现停车场的智能化管理。如图4-1图4-1无线传感网络用于智能停车场，主要可以实现以下三个功能：1. 安装于停车场内的传感器结点可以感知是
47、否有车停入相应车位，并把数据通过无线传感网络反馈至中央系统，便于整个停车场自动统计空闲车位的数量和位置。 2. 分布于停车场内的无线传输结点可以引导车辆进入空闲车位，并随时显示它附近的车辆运行情况，可以有效避免刮蹭等事故的发生。 3. 无线传感网络与RFID技术相结合，可以通过传感器结点感知车辆在停车场内的停留情况及停留时间，只在出口处设立一个收费结点，即可实现不停车收费。 4.3 本章小结本章主要介绍了本片论文的主要技术和技术参数，包括停车场无线传感器的网络节点设计、停车场无线传感器接收基站（Sink节点）设计、停车场无线传感器网络系统设计、实现了停车场智能化的管理，本章还概括了本次设计的技
48、术参数如：通信频率433MHZ、通信距离10100M等等。5 结论经过对于无线传感器网络系统各种资料的参考以及对于传感器节点设计资料的阅读，对于传感器节点设计有了一定了理解，对于节点设计，首先利用传感器传输是否有停车信息传输给处理器，再由处理器传输给发送端，到基站（Sink节点）接收端，汇聚节点信息传输给控制中心，传达停车场的停车信息。如图5-1 图5-1 无线传感器网络原理示意图通过对地下停车场的管理方案的研究,本文提出了一种基于ZigBee无线传感器网络的解决方案,并且讨论了无线传感器网络的建立过程中的各项技术的要点,通过把ZigBee技术应用在地下停车场管理的实际应用中,解决了停车场的管理中的一些技术问题,加快了停车场管理智能化的管理。5.1 本文所做的主要工作5.1