無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)-基于Zigbee技術(shù)的無線遙控臺燈

1、安徽理工大學(xué)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說明書（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）題目：基于Zigbee技術(shù)的無線遙控臺燈院 系：計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)班級： 物聯(lián)網(wǎng)工程13-2班 學(xué) 號： 2013303061 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2015年11月20日摘 要本文提出了一套采用無線通信協(xié)議ZigBee的智能路遙控臺燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)的方案利用ZigBee無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)主控系統(tǒng)對終端臺燈的實(shí)時(shí)控制，具有遙控臺燈開關(guān)的功能。模擬試驗(yàn)表明，本方案中所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)操作簡單，節(jié)能效果好。ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技

2、術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、高數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。關(guān)鍵詞：ZigBee；WSN；遙控臺燈；低功耗第 12 頁 共 14頁目 錄摘要11、 背景分析31.1 WSN基本概述31.2 ZigBee技術(shù)簡介41.3 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)42、 系統(tǒng)分析62.1 總體分析62.2 方案分析62.2.1

3、 ZigBee臺燈要求72.2.2 模塊方案分析73、系統(tǒng)設(shè)計(jì)73.1 硬件電路設(shè)計(jì)73.2 軟件設(shè)計(jì)104、總結(jié)11參考文獻(xiàn)121、 背景分析 1.1 WSN概述WSN是wireless sensor network的簡稱，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素1  。微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanism System，ME

4、MS）、片上系統(tǒng)（SOC，System on Chip）、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，孕育出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN），并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)帶來了信息感知的一場變革。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。 很多人都認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)的重要性可與因特網(wǎng)相媲美：正如因特網(wǎng)使得計(jì)算機(jī)能夠訪問各種數(shù)字信息而可以不管其保存在什么地方，傳感器網(wǎng)絡(luò)將能擴(kuò)展人們與現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行遠(yuǎn)程交互的能力。它甚至被人稱為一種全新類型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這就是因?yàn)樗鼌^(qū)別于過去硬件的可到處散

5、布的特點(diǎn)以及集體分析能力。而現(xiàn)在，大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)只連接了不到100個(gè)節(jié)點(diǎn)，更多的節(jié)點(diǎn)以及通訊線路會使其變得十分復(fù)雜難纏而無法正常工作。另外一個(gè)原因是單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的價(jià)格目前還并不低廉，而且電池壽命在最好的情況下也只能維持幾個(gè)月。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象?；贛EMS的微傳感技術(shù)和無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。這些潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為:軍事、航空、反恐、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。1.2 ZigBee技術(shù)簡介蜜蜂

6、在發(fā)現(xiàn)花叢后會通過一種特殊的肢體語言來告知同伴新發(fā)現(xiàn)的食物源位置等信息，這種肢體語言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之間一種簡單傳達(dá)信息的方式。借此意義Zigbee作為新一代無線通訊技術(shù)的命名。在此之前ZigBee也被稱為“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”無線電技術(shù)，統(tǒng)稱為ZigBee。簡單的說，ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴(kuò)展。 ZigBee是一個(gè)由可多到65000個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無線

7、數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴(kuò)展。 與移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同的是，ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，因而，它必須具有簡單，使用方便，工作可靠，價(jià)格低的特點(diǎn)。而移動通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，每個(gè)基站價(jià)值一般都在百萬元人民幣以上，而每個(gè)ZigBee“基站”卻不到1000元人民幣。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以作為監(jiān)控對象，例如其所連接的傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過來的數(shù)據(jù)資料。除此之外，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(FF

8、D)還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)(RFD)無線連接。1.3 ZigBee技術(shù)特點(diǎn) ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國流行)3個(gè)頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi),但可以繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee具有如下特點(diǎn)： (1)  低功耗: 由于ZigBee的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)

9、估算，ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間,這是其它無線設(shè)備望塵莫及的。 (2)  成本低： ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計(jì)很快就能降1.2.5美元, 并且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。低成本對于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。 (3)  時(shí)延短: 通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。 (4)  可靠: 采取了碰撞避免策略，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙,避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式， 

10、;每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā)。 (5)  安全： ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認(rèn)證， 采用了AES-128的加密算法,各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。2、 系統(tǒng)分析2.1 總體分析 人們可以通過手中的Zigbee無線傳感器模塊實(shí)時(shí)遙控臺燈的開關(guān)，方便快捷，避免浪費(fèi)電能，大大節(jié)約了大量電能。2.2 方案分析2.21 Zigbee臺燈要求（1）通過人們手中的便攜式無線傳感器的發(fā)射模塊的按鍵選擇發(fā)出相應(yīng)的對臺燈的控制信號。 （2）利用無線傳感器的接收

11、模塊來接收發(fā)射模塊的控制信號并作出相應(yīng)的處理，即在Zigbee的相應(yīng)引腳產(chǎn)生高低電平來驅(qū)動繼電器的開關(guān)。 （3）憑借繼電器的開關(guān)來控制臺燈供電電路的通斷，從而很好的控制臺燈的亮滅。2.22 模塊方案分析 系統(tǒng)分為發(fā)射模塊，按鍵控制模塊，接收模塊，繼電器模塊，臺燈模塊等。發(fā)射模塊采用Zigbee無線傳感器模塊，其MCU采用CC2530芯片，按鍵模塊用2個(gè)按鍵，用于進(jìn)行控制操作和復(fù)位。與發(fā)射模塊相同，接收模塊模塊同樣采用Zigbee無線傳感器模塊，繼電器模塊采用的是松樂繼電器SRD-05VDC-SL-C，利用接收模塊MCU的P1.0引腳驅(qū)動，驅(qū)動電路采用典型的三極管驅(qū)動電路，通過控制繼電

12、器的吸合來控制臺燈供電電路的通斷。3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 硬件電路設(shè)計(jì)3.1.1繼電器模塊繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。在大多數(shù)的情況下，繼電器就是一個(gè)電磁鐵，這個(gè)電磁鐵的銜鐵可以閉合或斷開一個(gè)或數(shù)個(gè)接觸點(diǎn)。當(dāng)電磁鐵的繞組中有電流通過時(shí)，銜鐵被電磁鐵吸引，因而就改變了觸點(diǎn)的狀態(tài)。繼電器一般可以分為電磁式繼電器、熱敏干簧繼電器、固態(tài)繼電器等。 電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線

13、圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點(diǎn)，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時(shí)處于斷開狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱為“常開觸點(diǎn)”；處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為“常閉觸點(diǎn)”。在單片機(jī)系統(tǒng)中繼電器的控制一般通過一個(gè)三極管來驅(qū)動，典型的驅(qū)動電路如圖3.1所示： 圖3.1：繼電器的一般驅(qū)動電路繼電

14、器電路中一般都要在繼電器的線圈兩頭加一個(gè)二極管以吸收繼電器線圈斷電時(shí)產(chǎn)生的反電勢，防止干擾。上圖中AB為常開觸點(diǎn)，AC為常閉觸點(diǎn)。圖（a）中當(dāng)控制信號為高電平時(shí)，繼電器常開觸點(diǎn)吸合（AB導(dǎo)通），當(dāng)控制信號為低電平時(shí)，繼電器常開觸點(diǎn)斷開常閉觸點(diǎn)吸合（AC導(dǎo)通）。在圖（b）中控制信號極性正好與圖(a)相反，本設(shè)計(jì)就是采用這個(gè)電路。3.1.2 cc2530核心板電路 圖3.2：cc2530核心板電路3.1.3按鍵電路如圖3.3兩個(gè)獨(dú)立式按鍵RESET,S1分別接在RST和P0.4口，另外一端接地。當(dāng)有一鍵按下時(shí)相應(yīng)的口線的電平發(fā)生變化，單片機(jī)進(jìn)行掃描確定哪個(gè)鍵按下,然后進(jìn)行相應(yīng)的事件處理。 圖3.3

15、按鍵電路3.1.4繼電器模塊電路3.2 軟件設(shè)計(jì)3.2.1系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)在系統(tǒng)工作過程中，首先開啟兩個(gè)Zigbee無線傳感器模塊的電源，然后按下發(fā)射模塊的S1鍵即可對發(fā)出相應(yīng)的控制信號，例如按1次S1表示關(guān)閉臺燈，按兩次S1表示開啟臺燈，如此往復(fù)循環(huán)。3.2.2主程序流程設(shè)計(jì) 主程序開始Zigbee發(fā)射模塊Zigbee接收模塊計(jì)算發(fā)射模塊按鍵次數(shù)按鍵次數(shù)是否為基數(shù)？ 是 關(guān)閉臺燈 否 開啟臺燈 結(jié)束 4. 總結(jié)為期一個(gè)多月的課程設(shè)計(jì)就落下了帷幕，在這一個(gè)多月的的實(shí)訓(xùn)中，不僅檢驗(yàn)了我對所學(xué)知識的掌握程度，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何去完成一件事情。通過這次的設(shè)計(jì)，讓我對Z

16、igbee無線傳感器有了很多的了解，讓我在多方面都有了一定的提高。通過這次設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用本專業(yè)所學(xué)習(xí)的課程的理論，設(shè)計(jì)工作的實(shí)際訓(xùn)練從而提高我們的獨(dú)立的工作能力，鞏固我們所學(xué)的知識，提高了我們的獨(dú)立思考能力。在設(shè)計(jì)的過程中，我遇上了許多的問題，但是我沒有放棄，在不明白的地方，及時(shí)的查閱材料，問老師，問同學(xué)，順利地編寫程序，仿真，焊接，調(diào)試。但同時(shí)，也通過這次課程設(shè)計(jì)的機(jī)會讓我意識到了自己有許多不足的地方，意識到我們還處于剛剛認(rèn)識物聯(lián)網(wǎng)大海的階段，還有很多的難題和未知的事物等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)，去研究，去探索。通過這次課程設(shè)計(jì)讓我們對所學(xué)的知識都有了更加具體的認(rèn)識和理解，這對于以后的學(xué)習(xí)和研究生活有了特別的幫助。 參考文獻(xiàn)1 任豐原，黃海寧，林闖.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)J.軟件學(xué)報(bào)2003，14（7）. 2 IAR Embedded Workbench 8051 HelpOL.3SmartRF Flash Programmer User ManualOL.6 高守瑋，吳燦陽.Zigbee技術(shù)實(shí)踐教程M.北京