|
无线传感器实习报告
题目： 基于NRF24L01的智能家居设计
姓 名： 学号： 院（系）： 自动化学院 专业： 测控技术与仪器
摘 要 无线传感器网络技术在环境监测、工业数据采集和军事等大规模领域具有广泛应用，随着自动控制、网络技术和芯片小型化的发展，小规模的无线传感器网络技术将会越来越多的走进人们的日常生活。作为传感器网络的一种小规模应用，智能家居引起了人们的广泛关注和研究，本文以智能家居为应用平台，设计了一种小规模的无线传感器网络，称之为无线传感局域网络，该网络具有良好的稳定性、可靠性和实时性，可实现数据采集、远程控制以及安全防护等智能家居的基本功能。 无线传感局域网络的设计主要包括无线传感器节点的硬件设计和路由协议的软件设计两部分。其中无线传感器节点的设计采用了2.4Ghz的无线通信芯片nRF24L01 和高性价比8位微控制器stm8s003，传感器采用通用型空气质量传感器MQ-135采集室内空气质量，火焰传感器YS-17检测室内是否发生火灾，温湿度传感器DH11检测室内温湿度，光敏传感器3DU5检测室内光强，HC-SR501检测人员进入，可控硅BAT138控制用电器的开断，串口转WiFi模块ESP8266用于将协调器采集的信息传输到网络，实现远程监控。
Abstract Wireless sensor network technology in environmental monitoring, industrial data acquisition and military large-scale field has wide application, along with the automatic control, the development of network technology and chip miniaturization, small-scale wireless sensor network technology will be more and more into People's Daily life. As a small sensor network applications, smart homes has attracted wide attention and research, based on smart home application platform, we design a small-scale wireless sensor network (WSN), called local wireless sensor networks, the network has good stability, reliability and real-time performance, which can realize data acquisition, remote control and safety protection etc. The basic function of smart home. Local area wireless sensor network design mainly includes the wireless sensor node hardware design and software design of two parts of the routing protocol. Including the design of wireless sensor nodes using the 2.4 Ghz wireless communication chip nRF24L01 and cost-effective 8-bit microcontroller stm8s003, sensor adopts universal air quality sensor MQ - 135 acquisition of indoor air quality, YS - 17 flame sensor detects whether indoor fire DH11 detection of temperature and humidity of indoor temperature and humidity, light sensor 3 du5 testing indoor light intensity, HC - SR501 inspection personnel to enter, SCR BAT138 control with electric open circuit, a serial port turn ESP8266 WiFi module is used for the transmission of the coordinator to collect the information to the network, realize remote monitoring。 Key words: the Internet of things intelligent household nRF24L01 local area wireless sensor network 目 录 第一章 绪论 1 1.1 研究背景和意义 1 1.1.1 物联网概述 1 1.1.2无线传感器网络概述 1 1.2 无线传感器网络的研究现状 2 1.2.1 情报侦察 2 1.2.2物种监测 3 1.2.3全球变暖预警 3 1.3论文的主要工作及结构 3 第二章 无线传感局域网络的技术基础 4 2.1 短距离无线通信技术 5 2.1.1蓝牙技术 5 2.1.2Wi-Fi 技术（IEEE802.11b） 5 2.1.3zigbee 技术(IEEE802.15.4) 6 2.1.4UWB 无线通信技术 7 2.1.5RFID 技术 7 2.2 路由协议 8 2.2.1 平面路由 8 2.2.2 层次路由 11 2.2.3分析比较.....................................................................................13 3.1 应用平台...............................................................................................14 3.2 系统功能...............................................................................................16 3.2.1 数据采集....................................................................................16 3.2.2远程监控.....................................................................................16 3.2.3 安全防护....................................................................................17 3.3硬件设计思想........................................................................................17 3.4本章小结................................................................................................18 4.1无线通信模块........................................................................................19 4.1.1 NRF24L01的简介......................................................................19 4.1.2 引脚功能及描述 20 4.1.3 工作模式....................................................................................21 4.1.4工作原理 22 4.1.5配置字..........................................................................................22 4.2处理器模块...........................................................................................23 4.2.1 STM8S003简介..........................................................................23 4.2.2 STM8S003引脚功能描述..........................................................24 4.2.3 工作原理.....................................................................................25 4.3 数据采集于输出模块............................................................................26 4.3.1 DH11温湿度模块........................................................................27 4.3.2 空气质量传感器MQ136............................................................28 4.3.3 光敏传感器3DU5.......................................................................29 4.3.4 可控硅BAT138...........................................................................30 4.3.5 WIFI入网模块.............................................................................32 4.4本章小结..................................................................................................33 第五章 小试牛刀................................................................................................33 5.1实验效果图 33 5.2节点分析................................................................................................34 5.2.1 SINK节点...................................................................................34 5.2.2 路由节点....................................................................................34 5.2.3 传感器节点................................................................................35 5.3 总结.......................................................................................................35
致谢......................................................................................................................35 参考文献.............................................................................................................36 第一章 绪论 1.1 研究背景和意义 1.1.1 物联网概述 早在1999 年，物联网的概念就被提出，它的定义是：按照约定的协议（目前还没有一个统一的标准），把信息感应设备（红外传感器、激光扫描器、射频识别、温湿度传感器、继电器、定位系统等）与互联网连接起来，实现智能化识别、跟踪、定位、监控、管理以及安全防护的一种网络。简而言之，物联网就是“物物相连的互联网”。近年来，各国纷纷提出自己的物联网发展战略。2008 年底，IBM 公司提出了“智慧地球”的概念，该战略的目标是：利用传感器网络把各种物体整合起来，借助于运算速度高达千万亿次的超级计算机以及当今比较热门的云计算技术，人们可以更加精细动态的管理生产和生活，从而达到“智慧”的状态。我国的“物联网”技术紧扣世界科技发展的节奏，研发阶段处于世界先进水平，并成为传感网国际标准制定的主要国家之一 1.1.2无线传感器网络概述 无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Networks）是物联网的基础之一，单从网络技术而言，WSN 是一种特殊的Ad-hoc 网络。在一定区域内，放置大量的传感器节点，这些节点按照一定规则进行数据采集和传输，这样的网络就是无线传感器网络。通过传感器网络，人们能够直接的感知客观世界，从而极大的延展了人类认识世界的能力。传感器网络系统包括传感器节点、网关节点和用户端，图1-1 为其示意图。随机部署在一定环境区域中的众多传感器节点，按照一定的路由协议建立网络，并将传感器采集的环境数据通过该网络传输网关节点，网关节点经过外网传输到用户端，人们通过 用户端对整个网络进行配置和管理。
1.2 无线传感器网络的研究现状
无线传感器节点体积小、成本低，可以大规模布置，因此无线传感器网络可广泛应用于情报侦察、物种监测、全球变暖预警等规模较大的领域。 1.2.1 情报侦察 随着传感器网络的快速发展，未来战场的情报搜集手段是这样的：先进的无人机在战场区域上空抛洒大量传感器节点，节点随机部署在被监测区域内并自动组网，丰富翔实的战场情报数据就能通过传感器网络传送给指挥部。例如，地震波传感器可以探测敌方重型战车的距离和数量，特殊气体传感器可用来探测战场有无毒气，具有定位功能的传感器网络可以为导弹提供精确制导等等。诸如此类的应用可以为未来的战场侦察模式带来革命性的变化。 1.2.2物种监测 无线传感器网络为生物科学研究提供了很大的方便。例如，为了研究四川卧龙大熊猫的生活习性，可以在自然保护区内大量布置带有影像采集功能的传感器节点，利用无线的方式传送大熊猫活动的影像，这样既排除了人为惊扰也避免了潜伏观测的危险性；又如，光线较暗且不宜放置体积较大监测仪器的鸟巢内，可以安放体积较小的红外传感器节点来对其监测；此外，还可以用温度、湿度，压力和海拔高度等传感器来采集生物的生存环境指标。无线传感器网络的应用可以改变生物研究的固有手段，使科学研究在无人值守的情况下就能得到精细化的进行。 1.2.3全球变暖预警 当今，温室气体的排放加速了全球气候的变暖，有记录显示：在过去四五十年里，北极冰厚度已经下降了40%。这是一个可怕的数字，任由其发展下去，冰山融化导致的海平面上升的后果将会是灾难性的。为了更好地了解地球气候的变化，可以用无线传感器网络来监测冰山的状态：温度，高度，压力，位置变化等，以此来推断全球气候的变化，指导人们进行环境的保护、降低碳排放、新能源的开发和应用。挪威科学家已经开始了类似的研究。
随着科学技术的发展和人们对于生活舒适性和便利性要求的提高，无线传感器网络技术逐渐走进普通家庭的日常生活，而日常生活场合不需要维持大量的传感器节点，小规模的无线传感器网络就能满足日常需要，我们称这种小规模的无线传感器网络为无线传感局域网络。本文将小规模的无线传感器网络引入家居住宅之中，提出了一种以智能家居为应用平台的无线传感局域网络，通过该网络可以实现家居环境数据采集、远程控制和安全防护等功能。
1.3论文的主要工作及结构
本文将无线传感器网络技术引入日常生活的应用之中，提出了一种应用于智能家居的无线传感局域网络。首先，以无线通信芯片nRF24L01 和微控制器芯片STM8S003为基础设计了无线传感器节点，传感器采用通用型空气质量传感器MQ-135采集室内空气质量，火焰传感器YS-17检测室内是否发生火灾，温湿度传感器DH11检测室内温湿度，光敏传感器3DU5检测室内光强，HC-SR501检测人员进入，可控硅BAT138控制用电器的开断，串口转WiFi模块ESP8266用于将协调器采集的信息传输到网络，实现远程监控；其次，对两种经典的层次路由协议（LEACH 路由和PEGASIS路由）进行融合和改进，提出了一种应用于智能家居的链簇路由协议。
第一章介绍课题的背景和意义，阐述了无线传感器网络的研究现状以及本论文的主要工作和具体组织结构。 第二章介绍无线传感局域网络的技术基础，主要介绍了几种典型的短距离无线通信技术和路由协议，并对层次路由和平面路由做了比较分析。 第三章提出总体设计方案，主要介绍了无线传感局域网络的应用平台、系统功能以及硬件和路由的设计思想。 第四章详细阐述无线传感器节点的设计，重点介绍了以nRF24L01 为基础的无线通信模块的设计和以STM8S003 为基础的处理器模块的设计，并介绍了传感器模块、输入输出模块、电源模块、WiFi 接口以及遥控节点的设计。 第五章详细阐述了链簇路由协议的设计，首先分析了两种经典的分层路由协议；其次，详细介绍了基于智能家居的链簇路由协议的设计过程，包括网络模型、数据帧结构、通信机制、路由建立和数据传输等。 第六章对论文进行总结，并对后续工作做了展望。 第二章 无线传感局域网络的技术基础 无线传感器网络技术涉及多学科交叉的研究领域，因此需要多种关键技术的支撑，如网络拓扑、路由协议、时间同步、网络安全、定位技术、短距离无线通信技术等，本文仅对短距离无线通信技术和路由协议进行介绍和分析。 2.1 短距离无线通信技术 随着通信及网络技术的发展，人们对无线通信技术有了更多的需要，尤其是近年来“物联网”概念的提出，极大的推动了短距离无线通信技术的发展。目前比较成熟的短距离无线通信技术有以下几种：蓝牙技术、无线局域网(Wi-Fi)、Zigbee、超宽频(UWB)和RFID。 2.1.1蓝牙技术 蓝牙技术，英文名字为Bluetooth,是由爱立信等五家公司于20 世纪九十年代末开发的，该技术的目的是解决室内短距离的无线数据通信。蓝牙技术所用的频段为2.4GHz的工业、科学、医学频段，数据传输速率较高，能达到每秒一兆比特，网络拓扑结构如图2-1 所示，支持点对点通信、星型网络以及混合型的网络。蓝牙技术在办公场所和个人数据传输方面有较多使用，可以实现PC、传真机、打印机、手提电脑、移动电话、无线耳机的无线连接。随着新一代蓝牙标准的推出，传输速率可能升高一个数量级，这种高的传输速率可以支持多媒体数据的传输业务。
2.1.2Wi-Fi 技术（IEEE802.11b） Wi-Fi 技术,中文译为无线高保真,也是一种短距离无线通信技术,它属于802.11b标准。Wi-Fi 技术的传输距离要比蓝牙技术远的多，蓝牙的通信距离在十米左右，而Wi-Fi 的传输距离可以达到几百米；另外，Wi-Fi 技术的传输速率也较高。基于以上特点，Wi-Fi 技术具有广泛的应用，市场上的很多无线路由器就是基于Wi-Fi 技术的；宾馆、餐馆、图书馆等场所都有Wi-Fi 热点的接入，可以方便人们通过手提电脑或者手机以及其他掌上设备通过无线的方式接入互联网。由于Wi-Fi 的辐射功率比手机的功率都要低，大量Wi-Fi 热点的密集放置也不会给人体带来危害性的辐射。 2.1.3zigbee 技术(IEEE802.15.4) zigbee 技术，是一种基于短距离的无线通信技术，这种技术组网比较简单、数据传输速率较低、能耗较小。该技术是建立在802.15.4 标准之上的。这种短距离无线通信技术在对传输速率要求不高的场合中具有广泛的应用。zigbee 技术所搭建的网络中具有两种不同功能的设备，一种设备具有较全面的功能，它可以与所有的设备进行通信；而另一种设备不能与所有的设备进行通信，只能与相关的全功能设备通信，因此这种设备被称为半功能设备。全功能设备用FFD 表示，半功能设备用RFD 表示。该技术定义了两种拓扑结构，一种是点对点的拓扑结构，一种是点对多点星型的拓扑结构。点对点拓扑结构的通信双方可以是全功能设备和半功能设备，也可以是全功能设备和全功能设备；点对多点的拓扑结构的通信中心是全功能设备，从设备是半功能设备也可以是其他星型网络的全功能设备，如图2-2 所示。相对来说，点对点的结构可以通过接力的方法来实现远程接力传输，因为节点的通信覆盖范围有限，所以这种结构适用于较为复杂的数据传输网络，如物流和无线传感器网络等；星型网络主要应用于较小规模的无线通信领域中，如小型智能家居和PC 的外设等。
2.1.4UWB 无线通信技术 UWB——超宽带技术，是一种短距离高速无线通信技术。该技术最早应用于军事领域，近几年才被批准进入民用领域。UWB 的特点就是具有极宽的带宽，如图2-3 所示，不同于传统的正弦载波，超宽带技术利用极短的窄脉冲传输数据，时域很窄则频域很宽，频率范围可从3.1Ghz 到10.6GHz。
2.1.5RFID 技术 RFID 技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种非接触式的自动识别技术。它通过射频信号自动识别目标对象并获取目标对象的相关数据，工作过程可以无人值守，适用于多种工作环境。RFID 的基本模块由三部分组成：标签、阅读器和天线，其工作原理是这样的：阅读器时刻发送射频信号，装有电磁感应线圈的标签进入阅读器所产生的磁场中，会产生相应的感应电流，感应电流的能量会驱动标签通过天线发送出自身存储的信息，阅读器接 收到标签信息后，将其送至中央处理系统。
2.2 路由协议
路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，有能量高效、可扩展性、鲁棒性、快速收敛性的特点。按照最终形成的拓扑结构，无线传感局域网络的路由协议可分为平面路由和层次路由两大类，以下是对这两类路由协议的介绍和分析。 2.2.1 平面路由 在平面路由协议中，所有传感器节点的地位都是平等的，不存在级别的差异，数据的传输平等的在各节点之间传递，该协议的组网简单，网络比较可靠，适用于规模较小的无线传感器网络。以下介绍几种典型的平面路由协议：SPIN、DD、Rumor。 2.2.1.1 SPIN 路由算法 SPIN 协议是一种以数据为中心的自适应路由协议，通过节点间的协商，融合相关性较强的数据，从而减少了通信数据量，降低了功耗，提高了能量管理的有效性。 SPIN 使用三种报文数据：广播数据、请求报文数据和原始采集数据。SPIN 工作流程如下：当某节点感知到新事件发生时，就会向周围的节点广播包含有原始采集数据的报文，收到该报文的节点检查对此数据是否感兴趣，若感兴趣则发送数据请求报文REQ，感知到事件的节点收到数据请求报文后，给其发送原始采集数据；收到原始数据的节点再重复刚才节点的动作，像周围发送广播报文……其中已经存储有该原始数据的节点不再发送数据请求报文，流程图如2-4 所示。其中ADV 为广播数据，REQ 为请求发送数据，DATA 为原始采集数据。
2.2.1.2 DD 路由算法 DD 路由协议和SPIN 协议所不同的是：SPIN 的路由从感知事件发生的节点发起，而DD 算法则是从需要某种数据的节点开始，因此它是一种基于查询的路由机制。
DD 算法的整个工作流程由三个阶段组成，如图2-5 所示。第一个阶段，汇聚节点在全网广播Interest 信息，这种广播是周期性的，收到Interest 信息的节点转发此信息至网络中的所有节点，兴趣在转发的同时建立了从数据源到汇聚节点的梯度场，这个阶段被称为兴趣的广播阶段；梯度场建立之后，源节点采集到的据沿着梯度场传递到汇聚节点，在数据的传递过程中，每条路径的质量都被记录下来，其中路径的质量包括能耗等指标，这些指标被作为路径选择的依据，这个阶段被称为梯度建立的阶段；梯度建立之后，从源节点采集的数据会有多种路径到达汇聚节点，因此汇聚节点会收到多个相同的数据，汇聚节点会根据每条路径的质量来选择一条最好的传输路径，以后的数据传输就用单条最优路径来完成。 2.1.1.3 Rumor 路由算法 Rumor 协议，中文译为谣传路由，该协议借鉴了一种几何思想，该几何思想是这样的：欧式平面图上任意两条曲线具有很大的交叉概率。谣传路由的开始从源节点和汇聚节点同时发起，感知到事件发生的源节点产生一个代理消息，该代理消息由源节点发送出去并经由任意路径进行转发，与此同时汇聚节点产生事件查询信息，该查询信息也在全网中以任意路径的方式转发，根据欧式平面图上任意两条曲线交叉概率很大的思想，这两条路径总会在某一点相交，当两条路径相交时，源节点与汇聚节点之间的路径就建立起来了，如图2-6 所示。欧式平面图上任意两条曲线的交叉几率很大但不是一定交叉，因此该算法也存在着两条路径不相交的可能，如果查询消息的路径在较长的时间里没有寻找到代理消息的路径，则汇聚节点会采Flooding 的方式来发送查询消息，从而加大路径交叉的几率。
2.2.2 层次路由 层次路由协议是相对于平面路由协议的，层次拓扑结构的网络一般以簇的形式存在，网络中的节点分为簇头和簇成员两类。簇成员负责区域发生事件的采集，簇头节点负责簇的管理和簇成员的控制，簇头的选举原则根据一定的算法机制完成。典型的层次路由协议具有以下几种： 2.2.2.1 LEACH 路由算法 LEACH 路由是最早提出的分层路由协议，是一种自适应的分簇拓扑算法。LEACH路由的基本思想是周期性的随机选择簇头节点，其他非簇头节点以就近原则加入相应的簇头，形成簇，簇头节点直接和Sink 节点通信。LEACH 算法能够保证各节点等概率的担任簇头，使得节点功耗相对均衡。 簇头选举是LEACH 算法的关键问题之一，该算法采用随机选举簇头的机制，首先设定一个阈值，由这个阈值来表征当选簇头的概率，每个节点产生一个随机数，如果该随机数小于阈值则当选为簇头。簇头选举完成之后进入簇的建立阶段，非簇头节点按照就近原则加入簇，这样整个网络就被分成了多个簇，成员节点采集信息给簇头，簇头经过数据融合再将数据发送给汇聚节点，如图2-7 所示。 LEACH 协议通过分簇的方法优化了数据传输的能量和数量，提高了网络的生存时间，但是还存在着一些问题，如该协议无法保证簇头节点能遍及整个网络，即簇头分布不均匀，很可能出现簇头节点集中在网络中某一区域的现象。 2.2.2.2 PEGASIS 路由算法 PEGASIS 路由算法也是一种分层路由的算法，它是LEACH 算法的一种改进版本。LEACH 算法将网络中的节点分成多个簇，每个簇是一个小规模的星形网络，而PEGASIS路由算法将网络的节点连接成一条链。此外，和LEACH 算法的多簇头机制所不同的是， 该算法只选择一个簇头与Sink 通信，簇首节点采用轮流担任的机制，这种路由算法平衡了网络负载，提高了网络的生存时间。 其中，成链阶段利用的是贪婪算法，即路径寻找从距离Sink 节点最远端的节点开始，每个节点都选择距离自己最近的节点作为下一跳，最终把所有的节点都串在一条链上，这种策略实现了局部最优。成链之后，在链中选择一个节点作为簇首与汇聚节点通信，簇头节点是轮流担任的，动态的在链中游走，这种机制可以保证功耗的平衡。 PEGASIS 路由算法减少了频繁分簇所产生的通信开销，通过数据融合降低了通信数据量，相对于LEACH 算法，大大提高了网络生存时间。但是该路由采用贪婪算法实现的数据传输链过长，因此数据链端数据传输到汇聚节点会有很大的延时。 2.2.2.3 TEEN 和APTEEN 路由算法 TEEN 和APTEEN 路由算法都是对LEACH 算法的改进版本，TEEN 解决了LEACH 算法实时性不强的问题，APTEEN 算法融合了LEACH 算法周期性采集数据的思想和TEEN 实时采集数据的思想。 TEEN 路由算法同LEACH 一样，将网络分成一个多簇的结构，多簇结构的网络形成后，簇头节点向簇内成员广播两个门限值。第一门限值是数据变动范围的门限值，第二门限值是数据大小的门限值。只有被监测数据大于第二门限值，且被监测数据的变化幅度大于第一门限值时，传感器节点才向汇聚节点发送被监测数据，阈值策略使得节点在数据变化不大时不发送数据，而有突发情况发生时则能及时发送数据，这种策略大大减少了数据的发送次数，但是不能周期性的采集数据。 APTEEN 算法改善了TEEN 算法不能周期性采集数据的缺点，是对TEEN 算法的扩展，APTEEN 算法结合了LEACH 算法和TEEN 算法的两种不同策略，因此它是一种混合型的路由协议。在实现TEEN 算法功能的基础上，APTEEN 还定义了一个计时器，计时器的门限值通过软件配置，成功完成一次数据发送任务后，计时器变为零值，当计时器达到门限值后，不管被监测数据是否满足两个门限值，节点都将发送数据。因此，APTEEN 不但能实现TEEN 算法的实时性数据采集，也能实现LEACH 算法的周期性数据采集。
2.2.3 比较分析 与平面路由相比，层次路由具有以下优点： ①平面路由的节点地位是平等的，每个节点都需要维持较大的路由表项信息，而层次路由中只需簇头节点维持这些信息，其他簇成员节点不需要维持大量的路由和控制信息。 ②相比于平面路由，层次路由具有更好的可扩展性，因此适合于规模较大的传感器网络。 ③平面路由的汇聚节点需要和网络中的每一个节点通信，因此负载较大；层次路由中的汇聚节点只需和簇头节点通信，负载较小，因此减缓了汇聚节点的能量消耗。 ④层次网络中的成员节点只需和簇头节点通信，通信距离较小，避免了直接与汇聚节点的长距离通信。 ⑤层次路由的簇头节点能将簇数据进行融合，相比于平面路由，大大降低了数据传输量。 ⑥层次路由按照地理位置分簇，相对于平面路由优化了传输路径，从而降低了功耗，延长了网络的生存时间。 经过以上分析，本设计的无线传感局域网络将采取层次路由的思想来设计路由协议。 2.3 本章小结
本章主要介绍了无线传感局域网络所需要的两种关键技术——短距离无线通信技术和路由协议。首先简要分析了当前应用比较广泛的几种短距离无线通信技术，如蓝牙技术、Zigbee 技术、超宽带技术等，经过对它们基本指标的了解和分析，为下文的无线芯片的选型打下了基础。其次，分析了无线传感局域网络的几种平面路由和层次路由，并对它们进行比较分析，得出层次路由具有较多优点的结论，因此本文将采用层次路由作为无线传感局域网络的路由协议。
第3 章 无线传感局域网络的总体设计方案
图3.1（我家的平面图） 电灯 窗帘 电视机 电风扇 花盆 如图3.1是我家房间布局图，有3个房间，一个卫生间，一个大厅，一个走廊，一个楼梯间。如下图3.2是比尔盖茨家的世外桃源： 图3.2 因为我们无法和比尔盖茨相比，不能雇佣最优秀的设计团队，所以设计一套简单耐用的智能系统很有必要。 本系统以智能家居为无线传感器局域网络的应用平台，为一个普通家庭的户型设计，由3-8个独立空间组成，每一个独立空间至少有一个临近的空间，且与邻居空间被钢筋混凝土材质的墙壁阻隔。每个空间内有3 至4 个家用电器设备，如照明、窗帘、热水器、空调、温湿度监测、烟雾监测……。 其中某一个空间放置一台可以连接互联网的计算机，且计算机移动频率较低，具有长时间放置在该独立空间的可能。用户希望通过计算机了解家居环境状态和家电设备的工作情况，并能借助于互联网实现对家电的远程控制。
基于以上分析，本文的无线传感局域网络系统由一台计算机、一个Sink 节点、多个传感器子节点组成，如图3-2 所示。计算机是无线传感局域网络的控制终端，并承担局域网络与外部网络连接枢纽的任务，与计算机直接相连的无线传感器节点为Sink 节点，Sink 节点是无线传感局域网络的数据汇集节点和控制节点，网络中的子节点通过一定的协议将采集到的数据发送给Sink 节点， Sink 节点可以将这些数据发送给上位机上传到互联网；用户的指令也可以通过计算机下达给Sink 节点，通过一定的协议发送给网络中的子节点，从而实现远程控制。 空调 温度 湿度 光强 窗帘 烟雾 热水器 灯光 红外人体检测......
Sink节点
WiFi NRF24L01 图3-3 3.2系统功能 3.2.1数据采集 本文设计的无线传感器局域的节点具有一定的开放性，可以扩展多种类型的传感器，如温度传感器、湿度传感器、可见光照传感器和烟雾传感器等，如图3-4 所示。传感器所采集的环境数据通过无线传感局域网络送达计算机，以图文的形式显示出来 ，让用户对居住环境状况有一个直观的了解，数据采集功能是应用于智能家居的无线传感器网络的基本功能。
3.2.2远程控制
......................
通过互联网或者移动通信，用户可以在任何地方对家电进行远程控制，如回家半个小时之前开启热水器、空调等，如图3-5 所示。诸如此类多种多样预约式的功能，可以为人们提供更加舒适、方便、人性化的居住环境。
图3-5 3.2.3安全防护 无线传感局域网络的数据采集节点可扩展多种类型的防灾减灾传感器，如时刻处于工作状态的烟雾传感器可以及时发现火情，并通过声光报警方式告知用户及时处理火情，从而为家居带来安全。条件允许的情况下，可以通过扩展监控设备来监控陌生人员的进入。
3.3硬件设计思想
基于无线传感器节点在续航能力、计算能力和存储容量等方面的限制，无线传感器节点的硬件设计要遵循以下思想： 集成化：智能家居网络的特点和应用场合要求传感器节点的设计必须遵循集成化、小型化的设计原则。 低成本：传感器节点的大规模性和广泛应用要求其成本必须要低廉，设计中所选取的无线模块和控制模块都是性价比较高的产品。 低功耗：由于传感器节点的续航能力有限，因此各个模块要有极低功耗才能满足传感器的持续长久工作。 模块化：智能家居传感器节点模块化设计的原则使得网络具有很大的容错性，且易于检错和维护，这也是目前电路设计的普遍原则。 可扩展：传感器节点设计有多种接口，这种设计可以很好的满足设计的深入研究和改进。 本文的硬件选型基于以上思想，无线芯片选用的是 Nordic Semiconductor 公司的nRF24L01，处理器芯片选用的是STMicroelectronics公司的产品STM8S003。传感器采用空气质量传感器MQ-135，火焰传感器YS-17，温湿度传感器DH11，光敏传感器3DU5，红外线检测模块HC-SR501，开关模块选用可控硅BAT138，在有条件的情况下选择摄像头0v7670.
3.4路由设计思想
图3-6 无线传感器网络的路由分为平面路由和分层路由两部分，基于第二章的分析，本设计将采用分层路由协议思想。 分层结构的路由具有低延迟、能耗均匀、扩展性好等特点，在无线传感局域网络中有广泛的应用。LEACH 路由和PEGASIS 路由是分层路由协议的两个典型代表，本文吸取了LEACH 算法分簇的思想和PEGASIS 算法数据传输链的思想，并对它们进行融合和改进，提出了一种应用于智能家居的链簇路由协议，示意图如图3-6 所示。
3.5 本章小结
本章主要介绍了无线传感局域网络的总体设计方案。首先阐述了无线传感局域网络的应用平台为智能家居，并介绍了系统所要实现的功能，包括数据采集、远程控制和安全防护；其次，描述了网络节点的硬件设计思想；最后，构想了无线传感局域网络的路由协议设计，即对两种分层协议进行融合和改进，提出一种应用于智能家居的链簇路由协议。
第4 章无线传感器节点的设计
无线传感器节点由四部分组成：无线通信模块、处理器模块、数据采集和控制输出模块、电源模块，如图4-1 所示。无线通信模块负责与其他节点的无线通信，收发指令信息和环境数据，本设计采用挪威半导体公司的nRF24L01 无线通信模块；处理器模块负责整个传感器节点的任务管理、路由协议、存储和处理无线通信模块接收和发送的数据等，是传感器节点的控制中枢，本设计采用STMicroelectronics 公司的STM8S003系列单片机，该单片机体积小、功耗低、速度高的特点能很好的适用于传感器节点的设计开发；数据采集接口可以连接多种类型的传感器，如温度、湿度、烟雾等；控制输出接口可以通过可控硅控制直流和交流用电器的开断；电源管理模块采用两套方案：市电供电和纽扣锂电池供电，连接到家电上的不易移动的节点可以用持续的市电供电，经常移动的如遥控节点用体积较小的锂纽扣电池供电，稳压电路采用AS1117 芯片。
4.1无线通信模块
4.1.1 NRF24L01简介 nRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。nRF24L01主要特性如下： 1、GFSK调制，硬件集成OSI链路层； 2、具有自动应答和自动再发射功能； 3、片内自动生成报头和CRC校验码； 4、数据传输率为l Mb/s或2Mb/s； 5、SPI速率为0 Mb/s～10 Mb/s； 6、125个频道与其他nRF24系列射频器件相兼容； 7、QFN20引脚4 mm×4 mm封装； 8、供电电压为1.9 V～3.6 V； 4.1.2 引脚功能及描述 nRF24L01的封装及引脚排列如图所示。各引脚功能如图4-2所示。
图4.2 nRF24L01封装图 CE：使能发射或接收； CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置nRF24L01： IRQ：中断标志位； VDD：电源输入端； VSS：电源地； XC2，XC1：晶体振荡器引脚； VDD_PA：为功率放大器供电，输出为1.8 V； ANT1,ANT2：天线接口； IREF：参考电流输入； 4.1.3 工作模式 通过配置寄存器可将nRF24L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如表4-3所示。 表4-3 nRF24L01工作模式 | PWR_UP | PRIM_RX | CE | | | 1 | 1 | 1 | | | 1 | 0 | 1 | | | 1 | 0 | 1→0 | | | 1 | 0 | 1 | | | 1 | - | 0 | | | 0 | - | - | |
待机模式1主要用于降低电流损耗，在该模式下晶体振荡器仍然是工作的；待机模式2则是在当FIFO寄存器为空且CE=1时进入此模式；待机模式下，所有配置字仍然保留。在掉电模式下电流损耗最小，同时nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。 4.1.4工作原理 发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式：接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据;若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TX FIFO中清除;若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC)达到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中数据保留以便在次重发;MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。最后发射成功时,若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1;若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。 接收数据时,首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RX FIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。在写寄存器之前一定要进入待机模式或掉电模式。 4.1.5配置字 SPI口为同步串行通信接口，最大传输速率为10 Mb/s，传输时先传送低位字节，再传送高位字节。但针对单个字节而言，要先送高位再送低位。与SPI相关的指令共有8个，使用时这些控制指令由nRF24L01的MOSI输入。相应的状态和数据信息是从MISO输出给MCU。 nRF24L0l所有的配置字都由配置寄存器定义，这些配置寄存器可通过SPI口访问。nRF24L01 的配置寄存器共有25个，常用的配置寄存器如表4-4所示。 地址（H） |
| |
| 功能 | 00 |
| |
| 设置24L01工作模式 | 01 |
| |
| 设置接收通道及自动应答 | 02 |
| |
| 使能接收通道地址 | 03 |
| |
| 设置地址宽度 | 04 |
| |
| 设置自动重发数据时间和次数 | 07 |
| |
| 状态寄存器，用来判定工作状态 | 0A~0F |
| |
| 设置接收通道地址 | 10 |
| |
| 设置接收接点地址 | 11~16 |
| |
| 设置接收通道的有效数据宽度 |
表4-4 常用配置寄存器
4.2处理器模块
4.2.1 STM8S003简介 16 MHz的哈佛架构和先进的STM8内核，3级流水线扩展指令集，程序存储器：8KB闪存。数据保留20年，在55°C100次循环后不损坏。RAM：128字节数据存储器；128字节真正的数据EEPROM;耐力为100 K。复位和电源管理：2.95至5.5 V的工作电压灵活的时钟控制。4个主时钟源：低功率晶体振荡器，外部时钟输入，用户可调整的16MHzRC，内部低功耗128kHzRC带有时钟监控的时钟。安全系统电源管理：低功耗模式（等待，主动停止，暂停）关机单独的外设时钟永久性启动，低功耗电源上电和掉电复位中断管理Nexted中断控制器。具有32个中断，6向量多达27个外部中断，高级控制定时器：16位。4CAPCOM渠道，3个互补输出，死区时间插入和灵活的同步16位通用定时器，3CAPCOM通道（IC，OC或PWM）。8位预分频器的8位基本定时器，自动唤醒定时器，窗口看门狗独立的看门狗定时器。通信接口：LINUART时钟输出同步操作，智能卡，红外线，SPI。接口多达8Mbit / s的I2C接口，最高到400Kbit/ s的模拟到数字转换器（ADC）10位，±1 LSBADC最多5个多路复用通道，扫描模式和模拟看门狗的I /O，多达28个I /O，最大32引脚封装，包括21个高灌电流输出强大的I/ O设计，避免电流注入开发，支持嵌入式单线接口模块（SWIM）快速片上编程和非侵入性调试。内部结构图如4-5所示： 图4-5 4.2.2 STM8S003引脚功能描述
图4-6 PA1-PA2:外部晶振输入，可直接用芯片自带16MHZ时钟，可作为一般io口 使用。 PA3:定时器2 PWM通道3输出端口，可控制开关型用电器，比如电灯，热 水器，窗帘，花盆浇水等。 PB4-PB5：iic接口，可接iic器件，比如加速度传感器ADX345，DS1302作 为拓展外部传感器接口用，也可作为普通的io口，需要上拉。 PC4-PC7：SPI接口，用于本次无线传感网络载体NRF24L01(因NRF2401需 要6根控制总线，可将PA1-PA2作为控制线)的连接。 PD1：调试io口，不能用作测试接口。 PD2-PD3：模拟io口，可以作为模拟传感器输入端口使用，也可作为一般 通用io使用。 PD4:报警指示灯io口，可以作为通用io口使用。 PD5-PD6：串行接口，作为外置串行转WiFi/蓝牙的接口，可以将数据直接 传输到互联网或服务器，也可以作为通用io口使用。 4.2.3工作原理 否
4.3数据采集和控制输出模块
4.3.1 DH11温湿度模块 DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为4针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。 应用领域: 暖通空调、测试及检测设备、汽车、数据记录器、消费品、自动控制、气象站、家电、湿度调节器、医疗、除湿器。 表4-8 DHT11传感器信息 表4-9 传感器性能说明 建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻，大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻接线方式如图4-10。 图4-10 4.3.2 空气质量传感器MQ-135 MQ135气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在污染气体时，传感器的电导率随空气中污染气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
MQ135气体传感器对氨气、硫化物、苯系蒸汽的灵敏度高，对烟雾和其它有害气体的监测也很理想。这种传感器可检测多种有害气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。 MQ135气体传感器电路如图4-11。 图4-11 MQ135气体传感器具体参数如图4-12： 图4-12 4.3.3光敏传感器3DU5 光敏三极管又称光电三极管，它是一种光电转换器件，其基本原理是光照到P-N结上时，吸收光能并转变为电能。当光敏三极管加上反向电压时，管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大，大多数都工作在这种状态。 光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏二极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通二极管。 我选择其中光电三极管作为光强度检测进而对窗帘，灯光进行调节。如图4-13是其中一种电路图。 图4-13 4.3.4可控硅BAT138 双向可控硅是一种功率半导体器件，也称双向晶闸管，在单片机控制系统中，可作为功率驱动器件，由于双向可控硅没有反向耐压问题，控制电路简单，因此特别适合做交流无触点开关使用。双向可控硅接通的一般都是一些功率较大的用电器，且连接在强电网络中，其触发电路的抗干扰问题很重要，通常都是通过光电耦合器将单片机控制系统中的触发信号加载到可控硅的控制极。为减小驱动功率和可控硅触发时产生的干扰，交流电路双向可控硅的触发常采用过零触发电路。过零触发是指在电压为零或零附近的瞬间接通。由于采用过零触发，因此上述电路还需要正弦交流电过零检测电路。 4.3.4.1 过零检测电路 电路设计如图4-14 所示，为了提高效率，使触发脉冲与交流电压同步，要求每隔半个交流电的周期输出一个触发脉冲，且触发脉冲电压应大于3V ，脉冲宽度应大于20us.图中BT 为变压器，TPL521 - 2 为光电耦合器，起隔离作用。当正弦交流电压接近零时，光电耦合器的两个发光二极管截止，三极管T1基极的偏置电阻电位使之导通，产生负脉冲信号，T1的输出端接到单片机STM8S003 的外部中断的输入引脚，以引起中断。在中断服务子程序中使用定时器累计移相时间，然后发出双向可控硅的同步触发信号。过零检测电路A、B 两点电压输出波形如图4-15所示。 图4-14 图4-15 4.3.4.2 过零触发电路 电路如图4-16 所示，图中MOC3061 为光电耦合双向可控硅驱动器，也属于光电耦合器的一种，用来驱动双向可控硅BCR 并且起到隔离的作用，R6 为触发限流电阻，R7 为BCR 门极电阻，防止误触发，提高抗干扰能力。当单片STM8S003 的外部中断引脚输出负脉冲信号时T2 导通，MOC3061 导通，触发BCR 导通，接通交流负载。另外，若双向可控硅接感性交流负载时，由于电源电压超前负载电流一个相位角，因此，当负载电流为零时，电源电压为反向电压，加上感性负载自感电动势el 作用，使得双向可控硅承受的电压值远远超过电源电压。虽然双向可控硅反向导通，但容易击穿，故必须使双向可控硅能承受这种反向电压。一般在双向可控硅两极间并联一个RC阻容吸收电路，实现双向可控硅过电压保护，图4-16中的C2 、R8 为RC 阻容吸收电路。
图4-16 4.3.5 WiFi入网模块 采用WiFi入网模块可以减少计算机长期开机造成的能量损耗，仅需路由器长期开机就可以将数据输出到云端，通过网络查看就知道相关的信息情况，或者通过本地内存卡形式将数据储存起来，因无线传感网络的数据量不是很多，计算机仅初始化网络和对这些信息进行调度分析。 2015年物联网处于爆发的一年，乐鑫的ESP8266WIFI 芯片成为强烈的催化剂。成功的将2014年前的40以上的WIFI成本压缩到现在的10元左右。内置WIFI前端和高性能的32位MCU，基本引爆物联网市场，几乎牵扯到电子的行业，都可以用上，比如WIFI开关 灯具 WIFI定位 电饭锅 电冰箱 洗衣机 厨房电器 空调 空气净化器 等消费类小家电与大家电，都面临这一场技术革新，与新的用户体验！几乎势在必行。比如一台空调，增加了10块钱左右的成本，但是却能用任何智能终端比如手机平板 电脑等直接控制。 如图4-17为ESP8266内部结构图。
图4-17
4.4本章小结 本章简要介绍了无线传感的硬件设计平台及器件的选择与介绍，从理论的角度思考了一种低成本高效能的无线传感网络设计，可以满足一般家庭的智能家居需求。
5.1实验效果图 因为实验条件还不够成熟，没有做成想象的智能家居系统，如下3张图是本人在宿舍拍的照片，还没有进行实践检测，只是一种想法。 图5-1 sink节点 图5-2路由节点 图5-3传感器节点 5.2节点分析
5.2.1 sink节点 如图5-1为sink节点，用来收集各路由节点或者传感器节点传输的信息，用充电锂电池供电。一方面协调各无线传感网络节点通信协议，另一方面将采集的信息显示在N5110上，通过串口转WiFi模块ESP8266将数据经由路由器传输到服务器，通过网络或者微信APP客户端进行数据的查看，对终端设备进行控制。 5.2.2路由节点 如图5-2为路由节点，我以小车为载体，代表可以随处移动的无线传感网络中转站，模拟实际情况因物件移动而导致无线路由节点自动移动调整最佳状态的情况。 5.2.3传感器节点 图5-3为传感器节点，传感器节点处于无线传感网络的最底端，由传感器将采集的信息传递给stm8s003，stm8s003将信息发送给无线收发器NRF24L01;无线传感器节点也可以接受上一级节点的命令，执行采集任务及控制驱动装置（如控制可控硅进行开关用电器），由电池或者小型锂电池供电。 5.3总结 本章简单介绍了本人在无线传感网络设计的基本结构，没有考虑到能量损耗，路由算法及实际运行的稳定及保密性。希望在以后的工作和学习中能够完善此理论。 致 谢
感谢老师给我们上了一门生动形象的无线传感器网络课程，虽然自己还没有完全领悟其中的精华奥秘，但我觉得在这学期的学习过程中，发现其在国民的日常生活及工业运用中十分广泛，被誉为未来二十一世纪最有发展潜力的十大学科之一。 虽然我学的不太好，但我通过做实验了解无线通信的方式，虽然有些累，但学到了一点点知识，还是有些欣慰的。
参考文献
[1]朱桂峰.基于nRF24L01的无线传感局域网络的研究与设计[D].太原：河北大学 [2]匿名.基于nrf24l01的远程温度检测系统设计[D]. [3]安信可.基于ESP8266的物联网解决方案[M].安信可官网. [4]匿名.STM8S003F3P6TR[DB] [5]邓心芳，文玉梅，李平.采用自供电无线传感网络的电线安全检测系统平 [J].传感技术学报，2014 [6]陈钰莹，付 蔚，刘谋黎.基于WSN的智能家居系统方案设计[J].物联网 技术.2012 [7]林金朝，李国军，周晓娜，周道军，蒋勇.基于动态能量管理的无线传感网络 动目标定位跟踪方法[J].通信学报.2010 [8]张宁.基于机会路由的无线传感网络分簇路由算法[D].大连：大连理工 大学.2014. [9]管海娃，骆秋琴,徐晓乐.基于无线传感网络的温室环境监控系统研究[J]. 制造业自动化报 [10]董乐.基于无线网络的智能家居系统网络节点和网关的设计与实现[D]. 天津:天津工业大学.2010.
| 
