基于ZigBee技術(shù)的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、基于ZigBee技術(shù)的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘 要：環(huán)境是人們賴以生存的必要條件，隨著現(xiàn)代化信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和提高，人們對自己的生活環(huán)境有了更高的要求，希望自己的生活環(huán)境健康、舒適。近些年，特別是人類在信息技術(shù)上的快速發(fā)展，使得各種無線通信技術(shù)有了前所未有的突破，無線技術(shù)在智能家居上的應(yīng)用將越來越廣泛。因此，本文利用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)出了這種無線家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)（即終端節(jié)點(diǎn)）可以選擇溫度、濕度、亮度等傳感器，并且可以根據(jù)需求添加或減少傳感器節(jié)點(diǎn)。所以本文無線網(wǎng)絡(luò)終端模塊選用的CC2530芯片為平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。此芯片內(nèi)置8051內(nèi)核的單片機(jī)內(nèi)核，

2、并有一定的內(nèi)存空間，故只要加上些少許外圍電路就可以實(shí)現(xiàn)功能，無需再加單片機(jī)。在數(shù)據(jù)接收端（即協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)）收到的數(shù)據(jù)處理傳送到PC機(jī)上顯示。為了讓用戶方便監(jiān)測數(shù)據(jù)，本文在PC機(jī)上設(shè)計(jì)了顯示界面，讓人們更加方便操作及監(jiān)測數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)運(yùn)行可靠，能正確獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。關(guān)鍵詞：ZigBee;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);環(huán)境監(jiān)測;智能家居Design and Realization of Household Environment Monitoring System Based on ZigBee 

3、;TechnologyAbstract：Environment is a necessary condition for survival. With the rapid development and improvement of modern information technology, people have higher requirements for their living environment. They hope they live healthily and comfortably. During recent years, especially the quick d

4、evelopment of information technology which enables all kinds of wireless communication technology to improve unprecedentedly. So,the thesis utilizes ZigBee technology to exploit and design the wireless home environmental monitoring system. In the system, the sensor node(as well as terminal node) can

5、 choose temperature, humidity, brightness etc. Therefore, the wireless network terminal module of the thesis choose the CC2530 chip as the platform for realizing receiving and sending of the information data. The chip has a single chip with 8051 core and has certain memory space. Thus, it can realiz

6、e its function by adding a little peripheral circuit without extra single chip. The received data processing in the data receiving terminal(that is coordinator node) send to PC for peoples real-time monitoring. The thesis designed the display interface in PC for peoples operation and data monitoring

7、 conveniently. The system works reliably which can obtain correct environmental data and realize real time monitoring.Keywords： ZigBee;Wireless sensor networks; environmental monitoring; smart home目錄前言1第1章 緒論21.1 本文的研究背景21.2 智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn)21.3 本文主要研究內(nèi)容31.4 開發(fā)工具及開發(fā)環(huán)境的介紹31.4.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境介紹41.4.2 上位機(jī)軟件開發(fā)環(huán)

8、境介紹5第2章 ZigBee技術(shù)的概述72.1 ZigBee技術(shù)的概念72.2 ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)82.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)82.4 ZigBee的協(xié)議分析102.4.1 網(wǎng)絡(luò)層（NWK）102.4.2 應(yīng)用層（APP）112.5 本章小結(jié)12第3章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)133.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)133.2 系統(tǒng)功能定義133.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求153.4 本章小結(jié)15第4章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)164.1 ZigBee硬件選型164.2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)184.3 本章小結(jié)21第5章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)225.1 軟件部分總體介紹225.1.1 軟件設(shè)計(jì)整體流程225.1.2 協(xié)調(diào)器的自動(dòng)組

9、網(wǎng)流程225.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)255.3 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)275.4 本章小結(jié)28第6章 上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)及測試296.1 上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)296.2 軟件測試306.3 本章小結(jié)32結(jié)束語33參考文獻(xiàn)34致謝35前言自人類誕生以來，人們一直都在努力改善和提高著自己的生活和居住條件。隨著工業(yè)革命和信息技術(shù)革命的成功，進(jìn)入21世紀(jì)后，人類的各種技術(shù)包括通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、控制理論、互聯(lián)網(wǎng)等都有了很大的發(fā)展，另外，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也使我們都希望居住在一個(gè)舒適的家居環(huán)境中，只有這樣我們的生活才會(huì)更好，身體才會(huì)健康。由于人們又了這種想法，由此智能家居(Smart Home)1系統(tǒng)也就越來越多的被人們所

10、重視了。研究人員希望能通過這種新的技術(shù)將家居中各種智能化的設(shè)備、家用電器和家庭安防設(shè)備等整合一個(gè)智能化的系統(tǒng)上進(jìn)行資源共享、分析、控制和管理這些設(shè)備，控制這些設(shè)備來對家居中的環(huán)境參數(shù)符合人們舒適居住使用的要求，營造一個(gè)良好的環(huán)境2，從而可使用戶能夠居住在一個(gè)更高要求的環(huán)境中。本文研究設(shè)計(jì)了一種智能家居環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對家庭環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)時(shí)為用戶提供可靠并且全面的環(huán)境信息。智能家居系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的部分就是本文所研究的環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，人們可以獲得實(shí)時(shí)的居住環(huán)境信息，如溫度和濕度、各種有害氣體的濃度、光照強(qiáng)度、火災(zāi)信息等。同時(shí)，此系統(tǒng)中傳感器所得到的環(huán)境參數(shù)可以為其它家居設(shè)

11、備做決策參考，最終由智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對家庭環(huán)境的智能調(diào)節(jié)，比如，當(dāng)測量到的光照強(qiáng)度高于用戶設(shè)定的一定值的時(shí)候，系統(tǒng)就將啟動(dòng)自動(dòng)窗簾系統(tǒng)的馬達(dá)，自動(dòng)將窗簾關(guān)到一定程度，以降低室內(nèi)的光強(qiáng)度，適合居??；又如，當(dāng)溫度值偏低時(shí)，系統(tǒng)就將啟動(dòng)空調(diào)設(shè)備進(jìn)行工作，來增高室內(nèi)溫度。因此，智能家居系統(tǒng)為用戶提供了安全、舒適、便捷生活的環(huán)境，從而使環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)成為了智能家居系統(tǒng)的一個(gè)非常重要關(guān)鍵部分與基本環(huán)節(jié)，能否擁有一個(gè)好的智能家居系統(tǒng)的關(guān)鍵在于能否設(shè)計(jì)出好環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)，這對改善人們生活環(huán)境的舒適度具有非常重要的意義。第1章 緒論1.1 本文的研究背景隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和工業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)整合水平

12、的不斷發(fā)展，對監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)接口的開放性以及數(shù)據(jù)鏈接的安全性的要求越來越高，有線控制網(wǎng)絡(luò)的局限性也越來越突出，無線的優(yōu)勢也越來越明顯。其中ZigBee短程無線網(wǎng)技術(shù)以其數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡易靈活、設(shè)備成本低、電池壽命長等優(yōu)勢，在工業(yè)控制領(lǐng)域中展現(xiàn)了深厚的發(fā)展?jié)摿?。將設(shè)備數(shù)據(jù)采集之后再通過無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸是ZigBee技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中的一種應(yīng)用，這種新興的技術(shù)必將給工廠現(xiàn)代化注入新的活力。傳統(tǒng)的工業(yè)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)傳輸一般以工業(yè)控制總線作為介質(zhì)，以致大都局限于本地的近距離范圍之內(nèi)應(yīng)用。隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，企業(yè)及機(jī)構(gòu)的管理規(guī)模不斷擴(kuò)大，其需要管理與控制的對

13、象更趨多樣性，甚至具有流動(dòng)性，分布的范圍也涉及到不同的地域。為了對這些分散的對象進(jìn)行有效的集中管理，對遠(yuǎn)程及移動(dòng)數(shù)據(jù)采集與控制的需求也就日益迫切3-4。ZigBee技術(shù)填補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空白，其使用的便捷性是該技術(shù)成功的關(guān)鍵，它適用于短距離小范圍的基于無線通信的控制領(lǐng)域，必將在工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用5。數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)相對成熟，將它重新構(gòu)建于ZigBee網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)之上，將成熟技術(shù)的穩(wěn)定性和新技術(shù)的便捷性充分結(jié)合起來，這種結(jié)合對于工業(yè)現(xiàn)場十分必要。減少了在某些場所有線網(wǎng)絡(luò)布線以及工人人工采集數(shù)據(jù)的不便，同時(shí)可以方便的于各種傳感器搭配用于不同的場合6。 1.2 智能家

14、居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn)無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)擁有全面、可靠的環(huán)境信息采集分析能力。為了實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息監(jiān)測的精確性、全面性并且方便使用，本文的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具有以下各種特點(diǎn)：(1) 多對象監(jiān)測環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)需要檢測多種環(huán)境信息，如：溫度、濕度、有害氣體濃度、光照強(qiáng)度等。這樣才能為用戶提供全面的環(huán)境信息參考。(2) 多點(diǎn)監(jiān)測需要對同一環(huán)境參數(shù)在不同地點(diǎn)和不同時(shí)間分別進(jìn)行測量，這是因?yàn)榄h(huán)境中各種環(huán)境信息不同的時(shí)間和空間上分布不具有均勻性，由此實(shí)現(xiàn)監(jiān)測的全面性和高精度性，甚至有時(shí)需要對同一環(huán)境參數(shù)在多點(diǎn)進(jìn)行測量。(3) 系統(tǒng)靈活當(dāng)有新的環(huán)境參數(shù)被要求測量時(shí)，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性要求靈活，方便增加節(jié)點(diǎn)，以降低成本。1.3

15、 本文主要研究內(nèi)容隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技的迅猛發(fā)展，人們的生活水準(zhǔn)越來提高，日常家居的環(huán)境更受到了人們的關(guān)注。近年來隨著家庭裝修時(shí)工業(yè)板材及其他有毒氣體釋放源的使用，室內(nèi)的環(huán)境不容樂觀。這就要求有各種有害氣體監(jiān)測功能的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)介入，為我們營造一個(gè)安全健康的家居環(huán)境。此課題旨在設(shè)計(jì)出一款能夠快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確連續(xù)地測出空氣中溫濕度、一氧化碳、光照強(qiáng)度等的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，使用基于ZigBee 短距無線通訊技術(shù)，環(huán)境信息采集模塊與顯示終端實(shí)現(xiàn)無線通信，省去了傳統(tǒng)布線的麻煩。根據(jù)以上介紹，本文的主要研究如下：(1)ZigBee協(xié)議的介紹。主要介紹了ZigBee協(xié)議中各個(gè)部分的組成和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并對各層中

16、的重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的分析；(2)本文以無線傳感網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以ZigBee技術(shù)紐帶，詳細(xì)設(shè)計(jì)出的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的兩種節(jié)點(diǎn)-協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（控制中心）和傳感器節(jié)點(diǎn)。在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中，本文實(shí)現(xiàn)了電源、串口通信、PCB天線等主要電路的設(shè)計(jì)；而在傳感器節(jié)點(diǎn)中，由于其與協(xié)調(diào)器類似，故僅針對不同的環(huán)境信息，設(shè)計(jì)出了不同的傳感模塊；(3)本論文還設(shè)計(jì)了串口調(diào)試操作界面，可以方便用戶的調(diào)試和使用，由此用戶就可以實(shí)時(shí)的了解到家庭中個(gè)中環(huán)境信息的參數(shù)。1.4 開發(fā)工具及開發(fā)環(huán)境的介紹1.4.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境介紹IAR Embedded Workbench(簡稱 EW)的C/C+交叉編譯器和調(diào)試器是目前為止是業(yè)界

17、較易使用和較完整的的專業(yè)嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具。EW 對不同的微處理器提供了統(tǒng)一的直觀用戶界面。EW 今天已經(jīng)可以支持35種以上的8位/16位/32位的各種微處理器結(jié)構(gòu)。EW包括：嵌入式C/C+優(yōu)化編譯器，編輯器，連接定位器，匯編器，庫管理員，C-SPY 調(diào)試器中和項(xiàng)目管理器。使用IAR的編譯器可以得到較緊湊簡介的代碼，從而節(jié)省硬件資源，最終得以最大限度地降低產(chǎn)品的成本，從而以提高產(chǎn)品的競爭力。EW8051 目前是IAR公司發(fā)展較快的產(chǎn)品，EW8051 已經(jīng)發(fā)展到了8系列版本，并且在同類產(chǎn)品中具有明顯價(jià)格優(yōu)勢。其編譯器可以對一些SOC 芯片進(jìn)行專門的優(yōu)化. 如Atmel,TI,ST,Philips

18、。除了EW MCS-51標(biāo)準(zhǔn)版外，IAR 公司還專門為ARM、MP430等微處理器開發(fā)出專門的版本，方便了不同客戶的需求。IAR System是嵌入式領(lǐng)域唯一能夠提供這種解決方案的公司。EW支持35種以上的8位/16位/32位的微處理器結(jié)構(gòu)。它配合TI公司的仿真器可以直接將程序下載到CC2530中7。IAR Embedded Workbench集成的編譯器主要產(chǎn)品特征： 完全兼容標(biāo)準(zhǔn)C語言。 內(nèi)建對應(yīng)芯片的程序速度和大小優(yōu)化器。 高效PRO Mable 代碼。 目標(biāo)特性擴(kuò)充。 瓶頸性能分析。 高效浮點(diǎn)支持。 便捷的中斷處理和模擬。 工程中相對路徑支持。 版本控制和擴(kuò)展工具支持良好。 內(nèi)存模式選

19、擇。本文使用的是IAR EW 8.10的版本的軟件，其與Windows XP系統(tǒng)的兼容性很好，在國內(nèi)研究CC2X30系列芯片的人應(yīng)用此軟件較多。圖1-1為IAR Embedded Workbench 8.10的軟件界面。圖1-1 IAR軟件界面1.4.2 上位機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境介紹Qt是一個(gè)跨平臺(tái)的C+圖形用戶界面庫，有挪威TrollTech公司開發(fā)，目前包括Qt/X11、基于Framebuffer的Qt/Embedded、快速開發(fā)工具Qt Designer以及國際化工具Qt Linguist等。人們所熟知的Linux下面的KDE環(huán)境就是基于Qt開發(fā)而成的。Qt支持Unix和Linux系統(tǒng)以及Wi

20、ndows系統(tǒng)。Qt的主要特點(diǎn)有：面向?qū)ο螅苋菀讛U(kuò)展，并且允許真正的組件編程；Qt對各個(gè)模塊進(jìn)行了良好的封裝，使各模塊可重用性較好；優(yōu)良的跨平臺(tái)特性，使用Qt類編寫的程序可以實(shí)現(xiàn)“一次編碼，到處編譯”，極大的降低了跨平臺(tái)開發(fā)的難度；構(gòu)件支持，對于對象間通信Qt沒有采用函數(shù)回調(diào)的方法，而是采用了一種全新并且可選的被稱為“信號(hào)與槽”的對象間通信機(jī)制，通過一個(gè)對象信號(hào)的發(fā)射，另一個(gè)槽函數(shù)的響應(yīng)，使各個(gè)對象之間的通信安全而且高效。Qt的這些特點(diǎn)使它非常適合于真正的構(gòu)件編程，同時(shí)使各個(gè)組件之間的協(xié)同工作變得十分簡單，并且Qt是直接基于Xlib的，不依賴Motif工具包，所以它的執(zhí)行效率比一般的基于平臺(tái)

21、的代碼的執(zhí)行效率要高。圖1-2為Qt的軟件界面圖1-2 Qt軟件界面第2章 ZigBee技術(shù)的概述2.1 ZigBee技術(shù)的概念ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議，根據(jù)此協(xié)議的規(guī)定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的一種名叫Zig的舞蹈，由于通過持續(xù)不斷地跳這種舞蹈來實(shí)現(xiàn)對新發(fā)現(xiàn)的食物或其他信息的傳遞，換句話說蜜蜂是依靠這樣的通信方式來實(shí)現(xiàn)了一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，而每個(gè)個(gè)體則是網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。這樣做的好處是不需要專門的通信蜜蜂，通過信息接力就完成了整個(gè)通信，從而實(shí)現(xiàn)了蜜蜂的低成本、低數(shù)據(jù)速率、自組織、低功耗、近距離、低復(fù)雜度等的

22、信息傳遞方式。受蜜蜂的這種特殊的通信方式的啟發(fā)，ZigBee技術(shù)的研究也主要是在低速率、低功耗通信領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，亦可以低成本地嵌入各種設(shè)備中組成龐大的網(wǎng)絡(luò)?？偠灾甖igBee技術(shù)就是一種低功耗，低成本的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)8。ZigBee 技術(shù)主要用于低數(shù)據(jù)傳輸速率并且傳輸距離要求不是很遠(yuǎn)的各種通信設(shè)備之間。ZigBee聯(lián)盟則于2001年成立，而在2002年下半年，Invensys、Mitsubishi、Motorola以及Philips四大半導(dǎo)體公司共同宣布加盟ZigBee技術(shù)聯(lián)盟，以研發(fā)名為“ZigBee”的新一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)，而在2006年作為中國通信行業(yè)龍頭的華為公司亦加入了此聯(lián)盟。截至

23、目前，該聯(lián)盟大約已有約27家成員企業(yè)，所有這些公司都參加了負(fù)責(zé)開發(fā)ZigBee協(xié)議物理層（PHY）和媒體控制層（MAC）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.15.4工作組。ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)開發(fā)網(wǎng)絡(luò)層及以上的協(xié)議。ZigBee協(xié)議則比藍(lán)牙技術(shù)、高速率個(gè)人區(qū)域網(wǎng)或 802.11x無線局域網(wǎng)等技術(shù)更簡單而實(shí)用。ZigBee使用的是2.4GHz波段，采用了跳頻技術(shù)，這和藍(lán)牙技術(shù)相似，可以說是同族兄弟了。但相比之下 ZigBee協(xié)議比藍(lán)牙更簡單、速率更慢、功率及費(fèi)用也更低。ZigBee的基本速率是250kb/s，而若當(dāng)其速率降到28kb/s時(shí)，傳輸半徑可擴(kuò)大到134米，并可得到更低的功耗和更高的可靠性。此外

24、，單個(gè)ZigBee無線模塊就可與254個(gè)節(jié)點(diǎn)互聯(lián)，若網(wǎng)絡(luò)中加入路由節(jié)點(diǎn)，則網(wǎng)絡(luò)最大承載量可支持65535個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備互聯(lián)。由于它的低延遲和低功耗性能優(yōu)越性，所以在支持鼠標(biāo)、鍵盤等電腦周邊產(chǎn)品和家庭自動(dòng)化儀器等低速率應(yīng)用時(shí)可以比藍(lán)牙做地更好，人們更希望能在無線玩具、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、工業(yè)監(jiān)控和安全系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域拓展ZigBee的應(yīng)用9。2.2 ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用的是無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，與蜜蜂的通信類似，網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)間通信以一跳或多跳的形式自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)則以ZigBee協(xié)議為基礎(chǔ)進(jìn)行通信，與各種傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)相比，其主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面:(1) 網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性好。

25、其設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)自己組織性能使網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)在無需人工干預(yù)的情況下自己組網(wǎng)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，當(dāng)添加或去除網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，其余節(jié)點(diǎn)可以自行尋找其他節(jié)點(diǎn)替代中轉(zhuǎn)信息，具有較強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)自愈能力。(2) 成本低。由于ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)有二十多家，他們的研發(fā)實(shí)力都很強(qiáng)，好多公司均已在2003年正式推出自己的ZigBee芯片，競爭較大，近年來應(yīng)用于主機(jī)端的芯片成本將會(huì)比藍(lán)牙等模塊更具價(jià)格上的優(yōu)勢；另外，因?yàn)閆igBee技術(shù)的速率要求低，協(xié)議內(nèi)容簡單，從而節(jié)省了開發(fā)的成本，目前常州市場CC2XX0等芯片的零售價(jià)格在2030元之間不等。(3) 功耗低。它的超低功耗也使得在應(yīng)用中三節(jié)1.5v干電池即可使用6個(gè)月至

26、2年的時(shí)間，這也是ZigBee的最大的一個(gè)優(yōu)勢。(4) 網(wǎng)絡(luò)容量大。每個(gè)ZigBee設(shè)備可以與另外254臺(tái)節(jié)點(diǎn)設(shè)備相連接，而加入路由節(jié)點(diǎn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可容納多達(dá)65，000多個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。(5) 數(shù)據(jù)傳輸速率低。只有10kb/s250kb/s，符合本設(shè)計(jì)需求。(6) 工作頻段靈活。使用的頻段中2.4GHz全世界通用，歐洲使用868MHz，美國則使用915MHz頻段，但這些均是免申請頻段，可以直接使用。(7) 網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間短?；顒?dòng)設(shè)備信道接入延時(shí)和休眠激活延時(shí)均僅為15ms，而搜索設(shè)備延時(shí)時(shí)間達(dá)到10。2.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)根據(jù)ZigBee聯(lián)盟所設(shè)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，按功能

27、分其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備劃分為三種：ZigBee協(xié)調(diào)器(ZigBee Coordinator)，ZigBee路由器(ZigBee Router)，Zig,Bee終端設(shè)備(ZigBee End Device)。他們的功能分別如下：(1) ZigBee協(xié)調(diào)器(ZigBee Coordinator)：它是個(gè)全功能的設(shè)備，包含所有的網(wǎng)絡(luò)功能，是3種設(shè)備中功能最全面亦最復(fù)雜的一種，特點(diǎn)是計(jì)算能力強(qiáng)、存儲(chǔ)量大。它的作用是發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立并且管理一個(gè)網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)信息并且不斷地接收下級(jí)節(jié)點(diǎn)所發(fā)來的信息。(2) ZigBee路由器(ZigBee Router)：它也是全功能設(shè)備在加入網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器就會(huì)分配給它

28、一定量的十六位地址空間，再由其分別分配給下級(jí)節(jié)點(diǎn)使用，方便每個(gè)節(jié)點(diǎn)接入或離開網(wǎng)絡(luò)，具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及路由之功能。(3) ZigBee終端設(shè)備(ZigBee End Device)：其一般的簡化的功能設(shè)備。只能自己的與上一級(jí)如協(xié)調(diào)器或路由器之間通信，包括獲取網(wǎng)絡(luò)地址等。 在ZigBee協(xié)議規(guī)范中，組網(wǎng)時(shí)有三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可供選擇：星型結(jié)構(gòu)(Star)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇樹型結(jié)構(gòu)(ClusterTree)，圖2-1所示。星狀（start）網(wǎng)狀（Mesh）  簇狀（Cluster）   協(xié)調(diào)器路由器終端設(shè)備圖2-1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖在星狀

29、結(jié)構(gòu)中無論是路由器或終端設(shè)備都是直接與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，而ZigBee協(xié)調(diào)器則負(fù)責(zé)運(yùn)作與維護(hù)著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)；在簇狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)初始化和建立網(wǎng)絡(luò)的操作，而路由器則對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展，終端設(shè)備的信息由路由器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),只不過在簇狀結(jié)構(gòu)中終端間的信息交換只能通過一級(jí)級(jí)向上傳遞到協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器將信息分發(fā)下去11。2.4 ZigBee的協(xié)議分析2.4.1 網(wǎng)絡(luò)層（NWK）ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是確保ZigBee的MAC層(IEEE 802.15.4)正常工作，同時(shí)定義了一些必須的函數(shù)，并且為應(yīng)用層提供適合的服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個(gè)必須的功能服務(wù)實(shí)體來向應(yīng)用層提供服務(wù)接口，它們分別是管理

30、服務(wù)實(shí)體和數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體。通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)（NLDE-SAP），網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)實(shí)體（NLDE）得以提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體(NLME)與之不同，它是通過網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)它體服務(wù)接入點(diǎn)(NLME-SAP)來提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)的。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體則是利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體完成一些網(wǎng)絡(luò)的管理工作，并且網(wǎng)絡(luò)信息庫(NIB)理是網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體完成的。 1、網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體（NLDE） 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體為數(shù)據(jù)提供服務(wù)，在兩個(gè)或多的設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送任務(wù)時(shí)，則是按照應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)的格式進(jìn)行傳送的，并且所有的這些設(shè)備必須是在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，即要求在同一個(gè)個(gè)域網(wǎng)中。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體提供的服務(wù)如下

31、三項(xiàng)：(1) 指定拓?fù)鋫鬏斅酚?，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體發(fā)送一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元到一個(gè)合適的接受設(shè)備，此設(shè)備可能是一個(gè)在通信鏈路中的中間通信設(shè)備，也可能是最終的目的通信設(shè)備。(2) 生成網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)：通過增加一個(gè)適當(dāng)?shù)膮f(xié)議頭，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體從應(yīng)用支持層協(xié)議數(shù)據(jù)單元中生成網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元。(3) 安全：確保通信的機(jī)密性和真實(shí)性。 2、網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體（NLME）絡(luò)層管理實(shí)體允許應(yīng)用與堆棧相互作用，并且提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體提供了以下的幾種服務(wù)：(1) 配置一個(gè)新的設(shè)備：設(shè)備應(yīng)具有足夠的堆棧來保證其正常工作的需要，并且滿足配置的需要。配置選項(xiàng)包括對連接一個(gè)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或一

32、個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器的初始化的操作。(2) 初始化一個(gè)網(wǎng)絡(luò)：使設(shè)備有能力建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)。(3) 連接和斷開網(wǎng)絡(luò)。要求設(shè)備具有斷開網(wǎng)絡(luò)的能力和具有連接一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)的能力，以建立一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器或者路由器。(4) 鄰居設(shè)備發(fā)現(xiàn)：需要具有發(fā)現(xiàn)、匯報(bào)和記錄相鄰設(shè)備信息的能力。(5) 尋址：ZigBee協(xié)調(diào)器和路由器具有分配地址給新加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備的能力。(6) 路由發(fā)現(xiàn)：具有發(fā)現(xiàn)并且記錄傳送信息的網(wǎng)絡(luò)路由的能力。(7) 接收控制：具有控制設(shè)備是否處于接收狀態(tài)的能力，即控制接收機(jī)接收信息時(shí)間的長短和什么時(shí)候來接收信息，以此來保證MAC層的正常接收和同步等。2.4.2 應(yīng)用層（APP）應(yīng)用層主要由用

33、戶根據(jù)具體的應(yīng)用進(jìn)行自我開發(fā)，用以維持節(jié)點(diǎn)的各種功能，發(fā)現(xiàn)此節(jié)點(diǎn)工作空間范圍內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的工作，再根據(jù)服務(wù)的需求為各個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)提供通信服務(wù)。ZigBee應(yīng)用層有三個(gè)不同的部分分別是：應(yīng)用支持 (Application Support Sub1ayer，簡稱APS)子層、ZigBee設(shè)備對象 (ZigBee Device Object，簡稱ZDO)和制造商定義的應(yīng)用對象。1、應(yīng)用支持子層APS層提供了這樣的接口：在NWK層和APL層間，從設(shè)備對象到供應(yīng)商的應(yīng)用對象的通用服務(wù)集。這服務(wù)由兩個(gè)實(shí)體得以實(shí)現(xiàn)：APS管理實(shí)體(APSDE)和APS數(shù)據(jù)實(shí)體APSDE。(1) APSME通過APSME服務(wù)接

34、入點(diǎn)(APSME-SAP)；(2) APSDE通過APSDE服務(wù)接入點(diǎn)(APSDE-SAP)。APSDE提供了多種服務(wù)給應(yīng)用對象，維護(hù)管理對象的數(shù)據(jù)庫，也就是我們常說的AIB，同時(shí)這些服務(wù)包括綁定設(shè)備和安全服務(wù)。APSDE則提供在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)或多個(gè)應(yīng)用實(shí)體間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的服務(wù)。2、應(yīng)用層框架為存在ZigBee設(shè)備中的應(yīng)用對象提供活動(dòng)的環(huán)境的是ZigBee中的應(yīng)用框架。其最多可以定義240個(gè)較為獨(dú)立的應(yīng)用程序?qū)ο?，任意一個(gè)對象的端點(diǎn)編號(hào)都是從1到240。另外還有兩個(gè)附加的節(jié)點(diǎn)終端為了APSDE-SAP的使用：端點(diǎn)號(hào)0專門應(yīng)用于ZDO數(shù)據(jù)接口；而另外一端的端點(diǎn)號(hào)255則專門應(yīng)用于所有應(yīng)用對象

35、廣播數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接口；最后，端點(diǎn)241-254則是要保留給有需要擴(kuò)展的時(shí)候使用的。3、ZigBee設(shè)備對象ZigBee設(shè)備對象(ZDO)，描述了一個(gè)基本的功能函數(shù)，這個(gè)函數(shù)為在應(yīng)用對象、設(shè)備profile和APS之間提供了一個(gè)接口。ZDO位于應(yīng)用支持子層和應(yīng)用框架之間，在ZigBee協(xié)議棧中應(yīng)用操作的一般需求它有所滿足。ZDO還有以下作用：(1) 初始化安全服務(wù)規(guī)范(SSS)，應(yīng)用支持子層(APS)和網(wǎng)絡(luò)層(NWK)。(2) 從終端的應(yīng)用中集合配置的信息來執(zhí)行和確定發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)管理、綁定管理，以及安全管理等作用。ZDO描述了應(yīng)用框架層的應(yīng)用對象的網(wǎng)絡(luò)功能和應(yīng)用對象的公用接口用以控制設(shè)備。在終端節(jié)點(diǎn)

36、0處, ZDO則提供了與協(xié)議棧中低一層進(jìn)行連接的接口，若接受的是數(shù)據(jù)，則通過APSME-SAP接入點(diǎn)，而若是控制信息則通過APSME-SAP的接入點(diǎn)。ZDO公用接口則在ZigBee協(xié)議棧的應(yīng)用框架中提供設(shè)備發(fā)現(xiàn)、綁定、以及安全等各種功能的地址管理服務(wù)。ZigBee設(shè)備對象的主要功能如下：(1) 初始化網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用支持子層和安全服務(wù)層；(2) 發(fā)起或響應(yīng)綁定請求；(3) 在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部發(fā)現(xiàn)設(shè)備，并且確定為此發(fā)現(xiàn)的設(shè)備提供的應(yīng)用服務(wù)種類；(4) 定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的各種角色，如，終端設(shè)備、路由器或協(xié)調(diào)器；(5) 從終端的應(yīng)用來收集各個(gè)配置信息來確定和執(zhí)行發(fā)現(xiàn)管理、網(wǎng)絡(luò)管理、安全管理和綁定管理等；(6)

37、在網(wǎng)內(nèi)各個(gè)設(shè)備之間建立起安全又可靠的關(guān)系。2.5 本章小結(jié)本章對ZigBee技術(shù)進(jìn)行了主要討論。首先對ZigBee技術(shù)進(jìn)行了概述，其次簡單介紹了ZigBee技術(shù)的各種特點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，最后對ZigBee的協(xié)議，MAC層，還有網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的各主要功能都進(jìn)行了介紹，為下面的研究工作提供了有力基礎(chǔ)。特別對最后在程序設(shè)計(jì)時(shí)起了很大的作用。第3章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本論文是基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，所以根據(jù)ZigBee技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和特點(diǎn)設(shè)計(jì)了由多傳感器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和PC組成的該系統(tǒng)。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)通過ZigBee無線技術(shù)與協(xié)調(diào)器進(jìn)行信息的交換，協(xié)調(diào)器則通過串口R

38、S-232與PC進(jìn)行相連通信。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-1所示PC協(xié)調(diào)器傳感器節(jié)點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)圖3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由圖3-1可知，本系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)的是環(huán)境信息的采集與發(fā)送，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)的是網(wǎng)絡(luò)的建立、終端節(jié)點(diǎn)管理、數(shù)據(jù)處理和對PC端的數(shù)據(jù)通信。當(dāng)然在實(shí)踐過程中可以根據(jù)家庭居住環(huán)境的大小和所需監(jiān)測的內(nèi)容，來增加或減少傳感器節(jié)點(diǎn)。當(dāng)監(jiān)測區(qū)域較大時(shí)，可用增加傳感器節(jié)點(diǎn)的方法來保證網(wǎng)絡(luò)的連通性，相反區(qū)域較小時(shí)可以根據(jù)情況減少路由器節(jié)點(diǎn)的設(shè)置以節(jié)省系統(tǒng)資源，降低成本。在本設(shè)計(jì)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，本人只是用了一個(gè)溫度傳感器做了演示。3.2 系統(tǒng)功能定義為了實(shí)現(xiàn)基于ZigBee技術(shù)的家居環(huán)境

39、監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，現(xiàn)對系統(tǒng)的各種功能作出以下定義：(1) 管理中心(PC)：實(shí)時(shí)顯示家庭中各種的環(huán)境信息，并且用戶可通過PC實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置與管理，如：管理網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)信息，發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，發(fā)送休眠指令，設(shè)置傳感器節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境信息的周期的長短；(2) 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)：組建并初始化ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，管理各傳感器節(jié)點(diǎn)終端，發(fā)送與接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與指令，同時(shí)與管理中心(PC)進(jìn)行通信；(3) 傳感器節(jié)點(diǎn)：對周圍環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)將環(huán)境信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要是獲取家庭環(huán)境中的一些環(huán)境參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境信息的全面監(jiān)控，從而為用戶的決策

40、提供有利的參考。以下是對各種參數(shù)的介紹： (1) 溫度人體對溫度的變化甚為敏感，在環(huán)境溫度高于36攝氏度后，每增加一度對人體的負(fù)面影響都是幾何級(jí)的增加，故此系統(tǒng)中最重要也是最基本的就是環(huán)境中溫度的采集。溫度傳感器可以在用戶設(shè)定的頻率下采集區(qū)域的溫度信息，并將其發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，再由協(xié)調(diào)器將處理結(jié)果數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到PC，此時(shí)，PC可按之前用戶設(shè)置好的參數(shù)和程序?qū)照{(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)溫度的控制，當(dāng)然這些是后續(xù)控制，不在本文討論范圍內(nèi)。家庭中的每個(gè)房間可以多放幾個(gè)這樣的類似節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)房間進(jìn)行多點(diǎn)的溫度信息采集，以提高溫度測量的準(zhǔn)確度。(2) 濕度人類對濕度雖然不是特別

41、敏感，但其時(shí)時(shí)刻刻亦影響著人們的健康，尤其是老年與兒童。目前人們經(jīng)常是通過普通的加濕器來調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度，此類加濕器一般只是手動(dòng)操作，這樣就存在著人為的主觀不確定性，最終也有可能不利于環(huán)境之改善。而在本系統(tǒng)中，通過濕度傳感器對濕度信息的采集，再經(jīng)由PC的處理后，對加濕器進(jìn)行控制，即可達(dá)到科學(xué)明了地控制室內(nèi)的濕度。(3) 一氧化碳?xì)怏w燃?xì)獾闹饕煞志褪且谎趸?當(dāng)燃?xì)獍l(fā)生泄漏時(shí)，空氣中一氧化碳濃度達(dá)到一定時(shí)，就會(huì)對家庭人員生命帶來威脅。故對一氧化碳?xì)怏w濃度監(jiān)測也是必不可少的一部分。當(dāng)系統(tǒng)檢測到一氧化碳?xì)怏w濃度大于用戶設(shè)定是初值時(shí)，PC會(huì)立即發(fā)送報(bào)警信號(hào)到報(bào)警裝置或者是家庭成員的手機(jī)或直接報(bào)警，PC在

42、啟動(dòng)報(bào)警裝置的同時(shí)，或可以自動(dòng)控制開窗，以達(dá)到室內(nèi)空氣流通的效果，保證家庭成員的安全。(4) 亮度亮度的監(jiān)測可以利用分布在各個(gè)房間里的光敏傳感器來實(shí)現(xiàn)。光敏傳感器可以將感知的光線強(qiáng)度信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器則將信息傳輸?shù)絇C，經(jīng)過處理和判斷光線強(qiáng)度，來控制窗簾的開關(guān)或燈的開關(guān)。當(dāng)光線過強(qiáng)時(shí)，可以控制窗簾自動(dòng)合起或電燈關(guān)閉，反之則可以控制其打開或電燈打開。當(dāng)然，本系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的不同需求增加或減少傳感器的數(shù)量，及使用不同的傳感器進(jìn)行監(jiān)測。3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求本系統(tǒng)是在家庭環(huán)境中實(shí)現(xiàn)各種功能，根據(jù)此特點(diǎn)，可以總結(jié)出以下幾種要求。分別從軟硬件兩個(gè)方面來得以實(shí)現(xiàn)。1、硬件要求(1) 低功耗：由于

43、是無線傳感網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)較多，所以只能由電池供電，故要求低功耗以延長使用，減少電池更換次數(shù)。(2) 安全性：本系統(tǒng)為家居環(huán)境控制系統(tǒng)做前期的數(shù)據(jù)采集，若出現(xiàn)錯(cuò)誤，則可導(dǎo)致PC判斷錯(cuò)誤，導(dǎo)致錯(cuò)誤控制。如，未發(fā)生一氧化碳泄露即報(bào)警等。故要求系統(tǒng)的安全性(3) 外觀：由于要安裝在家庭各個(gè)地點(diǎn)，故要求其盡量小巧，美觀。(4) 可擴(kuò)展：能夠根據(jù)用戶的不同需求，隨時(shí)增加或減少傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置。2、軟件要求軟件方面要求程序模塊化設(shè)計(jì)，可以使系統(tǒng)升級(jí)方便以備增加節(jié)點(diǎn)時(shí)修改其中一個(gè)模塊而其他地方無需改動(dòng)；程序設(shè)計(jì)要簡單，數(shù)據(jù)傳輸格式要統(tǒng)一。3.4 本章小結(jié)本章主要是對系統(tǒng)的總體的方案以及各個(gè)組成部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。同時(shí)，

44、對不同的環(huán)境參數(shù)做了介紹，以本系統(tǒng)對環(huán)境監(jiān)測功能的需要。最后，對系統(tǒng)的整體設(shè)別提出了設(shè)計(jì)要求，為系統(tǒng)后續(xù)的軟硬件設(shè)計(jì)提供了要求和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。第4章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)4.1 ZigBee硬件選型在介紹整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案之前，首先對目前市場上售賣的主要的幾款基于ZigBee技術(shù)的硬件平臺(tái)及其各平臺(tái)的自身特點(diǎn)進(jìn)行一一介紹。目前主要有TI/CHIPCON、EMBER(ST)、JENNIC(捷力)、FREESCALE（飛思卡爾）等幾家公司有ZigBee產(chǎn)品。TI/ CHIPCON公司發(fā)布了單芯片ZigBee解決方案CC2530的片上系統(tǒng)級(jí)芯片(SOC)，結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)

45、型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM 和許多其他強(qiáng)大的功能。由此CC2530得以廣泛應(yīng)用于工控系統(tǒng)、汽車和無線傳感網(wǎng)絡(luò)等各種領(lǐng)域；EMBER(ST)推出首款符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee單芯片方案EM250。它集成了可編程處理器、RF射頻、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及存儲(chǔ)器；JENNIC(捷力)公司的JN5121芯片則在業(yè)界屬于第一款兼容于IEEE 802.15.4的低功耗，低成本無線微型控制器；而FREESCALE（飛思卡爾）目前主推的完全兼容IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)并獲認(rèn)證ZigBee射頻芯片為MC13193。（1） TI/CHIPCONTI公司的TCC2530 是

46、用于2.4-GHzIEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM 和許多其他強(qiáng)大的功能。CC2530 有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB 的閃存。CC2530 具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短進(jìn)一步確保了低能源消耗。（2） EMBER(ST)EM250半導(dǎo)體系統(tǒng)提供

47、更長的距離和可靠的共存性，包括低功耗16位微控制器，128KB閃存，5K RAM，2.4GHz無線電和Ember公司的EmberZNet 2.1軟件。EmberZNet 2.1是ZigBee兼容的網(wǎng)絡(luò)堆棧，具有獨(dú)特的能擴(kuò)展ZigBee功能性，簡單性和性能的增強(qiáng)特性。這些特性包括支持移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，大/密的網(wǎng)絡(luò)，以及能在節(jié)點(diǎn)和授權(quán)分布式構(gòu)造間提供更加可靠無線通信的傳輸層。EM250具有用作ZigBee位標(biāo)器節(jié)點(diǎn)，全功能設(shè)備(FFD)或降功能設(shè)備(RFD)所需的資源。（3） JENNIC(捷力)JN-5139芯片是一個(gè)低功率及低價(jià)位的無線微處理器，主要針對無線感測網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品為主，JN-5139整合了32

48、-bit RISC微處理器，完全兼容2.4GHz IEEE802.15.4的送收器，192k ROM，另外，可選擇搭配RAM的容量從8KB至96KB(不同料號(hào))，也整合一些數(shù)字及模擬周邊線路，大幅降低外部零件的需求。內(nèi)建的內(nèi)存主要是用來儲(chǔ)存系統(tǒng)的軟件，包含了通訊協(xié)議堆棧，路徑表，應(yīng)用程序代碼與資料。也包含了硬件的MAC地址與AES加解密的加速器，并擁有省電與定時(shí)睡眠模式，另外還有安全碼與程序代碼加密機(jī)制。（4） FREESCALE（飛思卡爾）MC1320x是飛思卡爾公司推出的符合802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的下一代收發(fā)信機(jī)，它包括一個(gè)集成的發(fā)送/接收（T/R）開關(guān)，可以幫助降低對外部組件的需求，進(jìn)而降

49、低原料成本和系統(tǒng)總成本。該收發(fā)信機(jī)支持飛思卡爾的軟件棧選項(xiàng)、簡單MAC（SMAC）、802.15.4 MAC和全ZigBee堆棧。集成了MC9S08GT MCU和MC1320x收發(fā)信機(jī)，閃存可以在1660 KB的范圍內(nèi)選擇。MC13211提供16 KB的閃存和1 KB的RAM，非常適合采用SMAC軟件的點(diǎn)到點(diǎn)或星形網(wǎng)絡(luò)中的經(jīng)濟(jì)高效的專屬應(yīng)用。對于更大規(guī)模的聯(lián)網(wǎng)，則可以使用MC13212（具有32 KB的內(nèi)存和2 KB的RAM內(nèi)存）和IEEE 802.15.4 MAC。 此外，MC13213（帶有60 KB的內(nèi)存和4 KB的RAM）和ZigBee協(xié)議堆棧設(shè)計(jì)用于幫助設(shè)計(jì)人員開發(fā)完全可認(rèn)證的Zig

50、Bee產(chǎn)品。MC13213可以提供全面的編碼和解碼、用于基帶MCU的可編程時(shí)鐘、以4 MHz（或更高）頻率運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)4線SPI、外部低噪聲放大器和功率放大器（PA）實(shí)現(xiàn)的功能擴(kuò)展以及可編程的輸出功率。以上的硬件平臺(tái)都適用于ZigBee應(yīng)用的開發(fā)。由于任務(wù)書上和市場上應(yīng)用的稍多的芯片是CC2530，其系統(tǒng)的集成性和通用性都較好并且其集成的51微處理器內(nèi)核亦較為熟悉，另外，CC2530芯片優(yōu)性能也是本文硬件選擇的一個(gè)較為重要的因素。CC2530芯片的性能如下：l 具有USB高速下載、支持IAR集成開發(fā)環(huán)境； l 具有在線下載、調(diào)試、仿真功能； l 提供ZigBee2007/PRO/RF4CE協(xié)議棧

51、； l 例程豐富，并且所有例子程序以源代碼方式提供并附實(shí)驗(yàn)手冊； l 靈活配置。根據(jù)需求可選配多種擴(kuò)展開發(fā)板； l 開發(fā)方便、快捷、簡單； l C51編程。熟悉、順手、入手快； l 具有液晶顯示。直觀、明了； l 配套提供多種傳感器(光敏/溫度/可調(diào)電阻)； l 具有多年高頻設(shè)計(jì)工程師提供專業(yè)、經(jīng)驗(yàn)豐富技術(shù)支持； l 功能強(qiáng)大的C51RF仿真器?？梢詫?shí)現(xiàn)對CC2530開發(fā)仿真調(diào)試。 l 多種擴(kuò)展板既有簡單開發(fā)按鍵、又有液晶顯示及傳感器。不但可實(shí)現(xiàn)簡單的CC2530開發(fā)，還可作于復(fù)雜的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。 l 硬件系統(tǒng)、軟件代碼程序自主設(shè)計(jì)完成保證長期技術(shù)支持。4.2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)1、協(xié)調(diào)器節(jié)

52、點(diǎn)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中主要負(fù)責(zé)的是無線網(wǎng)絡(luò)的建立和節(jié)點(diǎn)管理等各種任務(wù)。在本系統(tǒng)中它還需要對接受的數(shù)據(jù)的進(jìn)行處理，以及USB轉(zhuǎn)串口與PC進(jìn)行連接通信。它的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖4-1所示。CC2530電源天線USB串口口圖4-1 終端結(jié)構(gòu)圖 2、終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)終端節(jié)點(diǎn)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中主要負(fù)責(zé)的是將采集到的數(shù)據(jù)通過組建好的無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。它的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖4-2所示。CC2530傳感器天線電源圖4-2 終端結(jié)構(gòu)圖 其中除了信號(hào)放大及傳感器模塊之前未介紹過，其余地方均與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)同。故本節(jié)只介紹傳感器模塊。其中由于傳感器模塊有溫濕度測量，光度測量

53、，一氧化碳測量等。其原理相似，故本文只選擇溫度傳感器模塊來做敘述。(1)電源部分設(shè)計(jì)本部分的設(shè)計(jì)采用外部三節(jié)干電池對系統(tǒng)進(jìn)行供電，供電電壓為4.5V。系統(tǒng)工作電壓為33V，故需要實(shí)現(xiàn)5V到3.3V的電壓轉(zhuǎn)換。本文選用AS1117AR-3.3以實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。可充分滿足CC2530對電壓的要求。其電路如圖4-3。圖4-3 電壓轉(zhuǎn)換電路(2)debuger口部分設(shè)計(jì)電路連接原理圖如圖4-4。圖4-4 debuger部分電路圖傳感器的介紹：1. 溫度傳感器（DS18B20）本設(shè)計(jì)使用的是DS18B20數(shù)字溫度傳感器，DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵

54、吸附式，不銹鋼封裝式，型號(hào)多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。主要根據(jù)應(yīng)用場合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測溫，高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機(jī)房測溫，農(nóng)業(yè)大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。技術(shù)性能描述、獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。、測溫范圍 55+125，固有測溫誤差（注意，不是分辨率，這里之前是錯(cuò)誤的）0.5。、支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最

55、多只能并聯(lián)8個(gè)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫，如果數(shù)量過多，會(huì)使供電電源電壓過低，從而造成信號(hào)傳輸?shù)牟环€(wěn)定。、工作電源: 35V/DC （可以數(shù)據(jù)線寄生電源）。、在使用中不需要任何外圍元件。、測量結(jié)果以912位數(shù)字量方式串行傳送。、不銹鋼保護(hù)管直徑 6。、適用于DN1525, DN40DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設(shè)備測溫。、標(biāo)準(zhǔn)安裝螺紋 M10X1, M12X1.5, G1/2”任選。、PVC電纜直接出線或德式球型接線盒出線,便于與其它電器設(shè)備連接。2. 光強(qiáng)度傳感器（BH1750FIV）本文采用了數(shù)字輸出型的環(huán)境光照傳感器BH1750FIV。它是一種兩線式串行總線接口光強(qiáng)度傳感器集成電路。芯片直接內(nèi)

56、含放大器、AD轉(zhuǎn)換器、光強(qiáng)度計(jì)算電路和總線接口。它的優(yōu)點(diǎn)是輸出值無需換算，即是光強(qiáng)度值；無需其它外部元件；抑制50Hz/60Hz的光噪聲；其工作電壓在2.4V-3.6V之間，故無需電壓轉(zhuǎn)換，直接接3V的電源即可。在連接傳感器和CC2530時(shí)應(yīng)注意BH1750FIV的DIV端口，因?yàn)镈IV是總線的參考電壓終端，亦是異步重置終端。其要求是在VCC供電后DIV口必須有不少于的低電平時(shí)間，以保證ADDR,SDA,SCL口的穩(wěn)定。又因?yàn)镃C2530無總線，所以直接接在其I/O口，再應(yīng)用軟件編程來達(dá)到模擬出總線的效果。4.3 本章小結(jié)本章主要做了以下三個(gè)方面的工作：(1) 根據(jù)目前ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)

57、展現(xiàn)狀，選擇了CC2530作為本設(shè)計(jì)的開發(fā)平臺(tái)。(2) 介紹了協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)。(3) 介紹了傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)。通過上述工作，為系統(tǒng)的應(yīng)用做好了硬件準(zhǔn)備，為后續(xù)系統(tǒng)的軟件做好了準(zhǔn)備。第5章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)5.1 軟件部分總體介紹5.1.1 軟件設(shè)計(jì)整體流程本設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇樹狀結(jié)構(gòu)，樹狀結(jié)構(gòu)必須有路由的加入，但路由實(shí)在終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之間的距離超過接收不到的情況下轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的數(shù)據(jù)，而本設(shè)計(jì)只設(shè)計(jì)了近距離的數(shù)據(jù)收發(fā)，所以本設(shè)計(jì)的軟件部分設(shè)計(jì)只要對協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)在現(xiàn)場實(shí)時(shí)的顯示，并最終發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器在接收到終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的溫度數(shù)據(jù)后進(jìn)行