【精品】孟德明畢業(yè)論文

1、摘要本文以智能家居中的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為研究對(duì)象，根據(jù)智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)的特點(diǎn)和目前智能家居系統(tǒng)中存在的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于zigbee無(wú)線 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)可對(duì)物理環(huán)境信 息進(jìn)行采集，然后將采集到的物理信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的方式發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的控 制中心節(jié)點(diǎn)，控制中心節(jié)點(diǎn)再通過(guò)串口線將數(shù)據(jù)按照規(guī)定的格式發(fā)往管理中 心。為了讓用戶能夠操作本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并顯示環(huán)境信息，本文在管理中心上設(shè)計(jì) 了用戶操作界面，完成數(shù)據(jù)的顯示與對(duì)數(shù)據(jù)采集的操作。關(guān)鍵詞：zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 環(huán)境監(jiān)測(cè) 智能家居abstractbased on the environmental m

2、onitoring system in intelligent home furnishing as the research object, according to the characteristics of intelligent home furnishing environment monitoring system and intelligent home furnishing system at the disadvantages, this paper designs a kind of intelligent home furnishing environment moni

3、toring system based on zigbee wireless network technology in this system, the sensor nodes to collect physical environment information, and send data to the physical information transmitted through wireless network to the control center of the nodes in the network, the control center node via the se

4、rial line will be in accordance with the provisions of the format of data sent to the management center. in order to allow the user to operate the system and display the environmental information, this paper design the user interface in the management center, to display the operation and the data ac

5、quisition data.keywords: zigbee.wireless sensor networks,smart home,environmental monitoringb 錄摘要iabstractii第1章緒論-1 -1.1研究背景-1-1.2目前現(xiàn)狀-2-1.3木文主要研究-2-第 2 章 zigbee 技術(shù)-4 -2.1 zigbee技術(shù)介紹-4-2.2 zigbee 技術(shù)特點(diǎn)-4-2.3 zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)-5-2.4 ieee802.15.4 協(xié)議分析-6 -2.4.1物理層(phy)2.4.2介質(zhì)訪問(wèn)控制層(mac)-8-2.4.3 csma/ca工作

6、機(jī)制2.5 zigbee協(xié)議介紹與分析-9-2.5.1網(wǎng)絡(luò)層(nwk)92.5.2 應(yīng)用層(app) 11 -本章小結(jié)12 -第3章 家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-13-3.1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)-13-3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-13-3.3系統(tǒng)功能定義-14-3.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求-17-本章小結(jié)-17 -第4章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)-18-4.1 zigbee 硬件選型-18 -4.2節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)-19-4.2.1中心控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)-19-4.2.2路由器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)-25-4.2.3傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)-25-木章小結(jié)-31 -第5章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)-33-5.1設(shè)計(jì)思路-33-5.2控制中心節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)-33 -5.2.1路由器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)

7、計(jì)-38-5.2.2傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)-39-5.3用戶操作界面設(shè)計(jì)-45-5.3.1用戶界而開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹-46-5.3.2界面的各功能設(shè)計(jì)-46-5.3.3用戶操作界面-49 -木章小結(jié)-49 -第6章系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試-50-6zigbee網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試-50-6.2測(cè)試分析總結(jié)-51 -第7章總結(jié)與展望-52-7.1工作總結(jié)-52-7.2工作展望-53 -參考文獻(xiàn)-55 -致謝-57 -第1章緒論1.1研究背景自人類誕生以來(lái)，人們都一直致力于自身生活與居住條件的提高與改善。 隨著人類進(jìn)入信息時(shí)代，計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)都得到 了迅猛的發(fā)展與提高，人們也對(duì)居住環(huán)境提出了更高的

8、要求，希望自己居住在 一個(gè)生活現(xiàn)代化，居住環(huán)境安全化、舒適化的生活空間。在這種理念的驅(qū)動(dòng)下, 智能家居（smart home）的圖11概念也就應(yīng)運(yùn)而生。人們希望通過(guò)這種技術(shù)將 家庭中各種與信息相關(guān)的通訊設(shè)備、家用屯器和家庭安防等裝置連接到一個(gè)家 庭智能化系統(tǒng)上進(jìn)行集中或異地監(jiān)視、控制和管理，保持這些家庭設(shè)施與住宅 環(huán)境的和諧與協(xié)調(diào)一致，從而滿足用戶對(duì)居住環(huán)境的需求。智能家居系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)如圖11所示。圖11智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖為了提供用戶全面、可靠的環(huán)境信息，本文以智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng) 為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭居住環(huán)境的實(shí)吋監(jiān)測(cè)。從圖11 口j看出，環(huán)境監(jiān)測(cè)子 系統(tǒng)是智能家居系統(tǒng)中其必不可少的一部

9、分。通過(guò)該系統(tǒng)，用戶可以實(shí)時(shí)獲知 居住環(huán)境的信息,如:溫濕度、光線明暗程度、有害氣體濃度、火災(zāi)信息等。同 時(shí)，該系智能化控制。例如，當(dāng)采集到的溫度信息高于用戶設(shè)定的適宜值時(shí)，智 能家屆系統(tǒng)控制管理中心（以下簡(jiǎn)稱:管理中心）將控制空調(diào)設(shè)備運(yùn)行，降統(tǒng)還可 將采集到的環(huán)境信息作為其他家庭設(shè)備運(yùn)行時(shí)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的低室內(nèi)溫 度;又如，當(dāng)濕度值偏低時(shí)，管理中心將啟動(dòng)加濕器進(jìn)行工作，增加室內(nèi)濕度。因 此，智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)功能的重要組成部分與基本 條件，是提供用戶安全、舒適、便捷生活的重要手段。設(shè)計(jì)好環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng) 對(duì)于構(gòu)建智能家居系統(tǒng)和提高用戶的生活環(huán)境質(zhì)量具有重要的意義。1.

10、2目前現(xiàn)狀隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和我們生活質(zhì)量的提高，智能家居的智能化要求也是愈來(lái) 愈高，智能家居亦成了近幾年來(lái)學(xué)者們的一個(gè)研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)有的智能家居產(chǎn)品 大部分是以有線網(wǎng)絡(luò)做為家庭的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，冇線網(wǎng)絡(luò)布線麻煩，終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量多 而需要數(shù)量龐人的電纜,而無(wú)線通訊技術(shù)能很好的解決以上問(wèn)題。國(guó)際上的家 庭智能化系統(tǒng)已經(jīng)形成集中以有線為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)包括有美國(guó)的x-lo和 cebus歐洲的eib、仃本的hbs等。目前,國(guó)內(nèi)的這些智能家居系統(tǒng)還處于萌 芽的階段。近些年來(lái)在各個(gè)大公司和媒體的大力宣傳下,我國(guó)的家居環(huán)境監(jiān)測(cè) 行業(yè)開(kāi)始起步，已經(jīng)有一些前瞻性很強(qiáng)的公司在從事此類系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。另外，國(guó) 內(nèi)亦有些電器廠家也在市場(chǎng)上

11、推出了自主的智能家居系統(tǒng)，類似的系統(tǒng)在家居 環(huán)境的監(jiān)測(cè)中均可以實(shí)現(xiàn)各種功能。雖然現(xiàn)在的各種有線技術(shù)亦能夠?qū)Νh(huán)境信 息進(jìn)行監(jiān)測(cè)與處理，讓各種監(jiān)測(cè)設(shè)備之間進(jìn)行連接通信。但當(dāng)采用有線技術(shù)方 案吋,根據(jù)智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，它存在一些缺點(diǎn)，如下面幾項(xiàng)所示：(1) 系統(tǒng)布線麻煩。采用有線技術(shù)時(shí)，對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別進(jìn)行布線將是一份 復(fù)雜龐大的工作，特別是當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)量較多時(shí)更是如此，又容易破壞家 庭之前裝修的完整性。(2) 安裝與維護(hù)成本高。在安裝系統(tǒng)吋，需要安裝大量的線纜,家居裝修建材 等，特別是當(dāng)用戶要需要壇加節(jié)點(diǎn)以增加系統(tǒng)功能時(shí)，更是要重新對(duì)其進(jìn)行布 線。1.3本文主要研究隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科

12、技的迅猛發(fā)展，人們的生活水準(zhǔn)越來(lái)提高，日常家居的環(huán) 境更受到了人們的關(guān)注。近年來(lái)隨著家庭裝修時(shí)工業(yè)板材及其他冇毒氣體釋放 源的使用，室內(nèi)的環(huán)境不容樂(lè)觀。這就要求有各種有害氣體監(jiān)測(cè)功能的家居環(huán) 境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介入，為我們營(yíng)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(cè)出空氣中溫濕度、一氧化碳、光照強(qiáng)度等的 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使用基于zigbee短距無(wú)線通訊技術(shù)，壞境信息采集模塊與顯示 終端實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，省去了傳統(tǒng)布線的麻煩。主要研究了 zigbee協(xié)議中各個(gè)部 分的組成和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并對(duì)各層中的重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的分析。本文以無(wú)線 傳感網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以zigbee技術(shù)紐帶，詳細(xì)

13、設(shè)計(jì)出的家居壞境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的幾 種節(jié)點(diǎn)-路由器節(jié)點(diǎn)，控制中心，和傳感器節(jié)點(diǎn)。在路由器節(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(duì)不同的壞境信息，設(shè)計(jì)出了不同的傳感模塊。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)的了解到家庭中壞境參數(shù)的信息。第2章zigbee技術(shù)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(wú)線通信技術(shù)。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

14、 中組成龐大的網(wǎng)絡(luò)。2.1 zigbee技術(shù)介紹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的名字主要來(lái)源于蜜蜂通過(guò)跳zigbee形狀的舞蹈來(lái) 傳遞所發(fā)現(xiàn)的食物的位置、距離和方向等信息,一只一只的傳遞下去，此種技術(shù) 與蜜蜂的這種通信方式相類似。zigbee聯(lián)盟則于2001年成立，而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(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn),zigbee聯(lián)盟負(fù)責(zé) 開(kāi)發(fā)網(wǎng)

15、絡(luò)層及以上的協(xié)議。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，單個(gè)zigbee無(wú)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)、建盤(pán)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)口 j以比藍(lán)牙做地更好,人們更希果能在無(wú)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。2.2 zigbee技術(shù)特點(diǎn)zigbee網(wǎng)絡(luò)采用的是無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，與蜜蜂的通信類似，網(wǎng)絡(luò)

16、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(wú)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。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(wú)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), 好多公司均己在二零零三年正式推出自己的zigbee芯片，競(jìng)爭(zhēng)較大，近年來(lái)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(shì)；另夕卜，因?yàn)?zigbee技術(shù)的速率

17、要求低,協(xié)議內(nèi)容簡(jiǎn)單，從而節(jié)省了開(kāi)發(fā)的成本；(3) 功耗低。它的超低功耗也使得在應(yīng)用中兩節(jié)普通aaa干電池即可使 用6個(gè)月至2年的時(shí)間,這也是zigbee的最大的一個(gè)優(yōu)勢(shì)；(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)65000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(guó)則使用915mhz頻段，但這些均是免申請(qǐng)頻段，可以直接使用；(7) 網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間短。2.3 zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成和網(wǎng)絡(luò)

18、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)備中功能最全面最復(fù)雜的一種，特點(diǎn)是計(jì)算能力強(qiáng)、存儲(chǔ)量 大。zigbee路曲器(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

19、用，方便每 個(gè)節(jié)點(diǎn)接入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及路曲之功能。(2) zigbee終端設(shè)備(zigbee end device):其一般的簡(jiǎn)化的功能設(shè)備。只 能自己的與上一級(jí)如協(xié)調(diào)器或路曲器之間通信，包括獲取網(wǎng)絡(luò)地址等。在zigbee協(xié)議規(guī)范中,組網(wǎng)吋冇三種網(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(shù)型結(jié)構(gòu)(clustertree)。在星狀結(jié)構(gòu)中無(wú)論是路出器或終端設(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(duì)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(guò)在簇

20、狀結(jié)構(gòu)中終端間的信息交換只能通過(guò)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。2.4 ieee802.15.4 協(xié)議分析ieee 802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是基于開(kāi)放的系統(tǒng)互連模型(osi)發(fā)展出來(lái)的, 每一層在實(shí)現(xiàn)一部分通信功能的同時(shí)也向著更高的層級(jí)提供著支持等服務(wù)。ieee 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了物理(phy)層和介質(zhì)訪問(wèn)控制(mac)層，其中phy 層曲射頻收發(fā)器以及一些底層的控制模塊構(gòu)成，而mac層則為高層級(jí)訪問(wèn)物 理信道提供了點(diǎn)到點(diǎn)通信服務(wù)接口。但是mac子層以上的幾個(gè)層次，包括特 定服務(wù)的鏈路控制子層(logical link control , llc),聚合子層(se

21、rvice specific convergence sub layer,sscs )等，即zigbee標(biāo)準(zhǔn)的上層協(xié)議則不在ieee 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)所定義的范圍內(nèi)。sscs為ieee 802.15.4的mac層接入ieee 802.2標(biāo)準(zhǔn)中定義的llc子層提供聚合服務(wù)。llc子層則可以通過(guò)使用sscs 的服務(wù)接口來(lái)訪問(wèn)ieee 802.15.4網(wǎng)絡(luò)為其應(yīng)用層提供鏈路層服務(wù)。2.4.1 物理層(phy)物理層為物理層管理物理層和數(shù)據(jù)服務(wù)提供服務(wù)而定義了 mac子層和 物理無(wú)線信道之間的接口。物理層管理服務(wù)維護(hù)曲物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的一個(gè) 數(shù)據(jù)庫(kù)，物理層數(shù)據(jù)服務(wù)則是從無(wú)線物理信道上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收

22、發(fā)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)提供了以下5個(gè)方面的服務(wù)：(1) 激活或休眠射頻收發(fā)器；(2) 檢測(cè)接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示(link quality indication , lqi)；(3 )信道能量檢測(cè)(energy detect)；(4) 收發(fā)數(shù)據(jù)；(5) 空閑信道評(píng)估(clear channel assessment, cca)。信道的能量檢測(cè)主要測(cè)量目標(biāo)信道中接收信號(hào)的功率強(qiáng)度,從而為網(wǎng)絡(luò)層 提供信道選擇依據(jù)，由于這個(gè)檢測(cè)不進(jìn)行任何的解碼操作,故檢測(cè)的結(jié)果則是有 效信號(hào)功率與噪聲信號(hào)功率的和。鏈路質(zhì)量指示為應(yīng)用層或網(wǎng)絡(luò)層提供接收數(shù) 據(jù)幀時(shí)無(wú)線信號(hào)的質(zhì)量和強(qiáng)度信息，它要對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼,最后生成一個(gè)

23、信噪比 的指標(biāo)，這一點(diǎn)是與信道能量檢測(cè)不同的地方。最后得到的這個(gè)信噪比指標(biāo)是 和物理層數(shù)據(jù)單元一起上交給上層級(jí)進(jìn)行處理?？臻e信道評(píng)估(cca)則是來(lái)判斷信道是否空閑的oieee 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)則定 義了三種空閑信道評(píng)估模式，它們分別為：(1) 通過(guò)判斷無(wú)線信號(hào)的特征來(lái)評(píng)估信道空閑判斷。這主要包括載波頻 率和擴(kuò)頻信號(hào)兩種特征；(2) 判斷信號(hào)能量是否低于某一閥值，如果低于閥值則認(rèn)為是是信道空閑, 即簡(jiǎn)單地判斷信道的能量來(lái)判斷信道是否空閑；(3) 此模式是結(jié)合了上兩種模式來(lái)運(yùn)用，即同時(shí)檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)特征, 給岀信道空閑判斷。物理層定義了三個(gè)載波頻段以用于收發(fā)數(shù)據(jù)，但在這三個(gè)頻段上，在發(fā)送

24、 數(shù)據(jù)使用的速率、信號(hào)的調(diào)制方式以及處理過(guò)程等方面存在有不同的地方。三 個(gè)頻段共為用戶提供了 27個(gè)信道(channel)o其中2.4ghz頻段提供16個(gè)信道； 915mhz的頻段提供了 10個(gè)信道,868mhz頻段則只有1個(gè)信道。在868mhz 和915mhz這兩個(gè)頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率不同，但信號(hào)處理的過(guò)程是相同的。處 理過(guò)程首先是將物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(phy protocol data unit)的二制數(shù)據(jù)差分 編碼,然后再將差分編碼后的每一位轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)度15的片序列(chip sequence),最 后bpsk調(diào)制到信道上。差分編碼是將數(shù)據(jù)的前后差分編碼所產(chǎn)生的不同的比 特進(jìn)行異或運(yùn)算；e

25、n = rn ® en-(2.1)其屮rn是要編碼的原始比特，而en則是差分編碼的結(jié)果,en-l則是上一 次差分編碼的結(jié)果。對(duì)于每個(gè)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)包,r1是第一個(gè)原始比特，計(jì)算 e1 口寸則設(shè)e0=0o羞分解碼過(guò)程則正好編碼過(guò)程相反：rn = enen - 1,對(duì)j每 個(gè)接收到的數(shù)據(jù)包，e1是第一個(gè)需要解碼的比特，計(jì)算r1時(shí)則設(shè)e0=0o差分 編碼后，緊接著就是直接序列的擴(kuò)頻，每個(gè)比特則被轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)度15的片序列。擴(kuò) 頻按一定的規(guī)律進(jìn)行，擴(kuò)頻后的序列則使用bpsk調(diào)制的方法調(diào)制到載波上。 而2.4ghz頻段的處理過(guò)程則先將ppdu的二進(jìn)制數(shù)據(jù)中的每4位轉(zhuǎn)換為一個(gè) 符號(hào)(symbol),

26、后將其分別都轉(zhuǎn)成長(zhǎng)度為三十二的片序列。在把符號(hào)轉(zhuǎn)換為片序 列時(shí)候，用符號(hào)在十六個(gè)近似正交的偽隨便噪聲序列的映射表，這個(gè)過(guò)程則是一 直接序列擴(kuò)頻的過(guò)程。于是擴(kuò)頻后，信號(hào)則通過(guò)oqpsk調(diào)制方式調(diào)制到載波 上。2.4.2介質(zhì)訪問(wèn)控制層(mac)信道接入的方式有兩種：基于競(jìng)爭(zhēng)接入和基于無(wú)競(jìng)爭(zhēng)接入。在 802.15.4mac協(xié)議中同時(shí)包含了這兩種信道接入方式。基于競(jìng)爭(zhēng)的信道接入方 式采用了 csma/ca信道競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，而對(duì)于一些有特殊要求的數(shù)據(jù)傳送,則采用 的是分配固定有保證時(shí)隙(gts)的方式接入信道。在ieee 802.15.4mac協(xié)議 定義的超幀結(jié)構(gòu)中，則包括了以上兩種信道接入的方式。所謂的超

27、幀(super frame)是由一組幀群構(gòu)成，在幀群中存在兩個(gè)部分:活躍期與非活躍期(即休眠 期)，在活躍期開(kāi)放信道接入，休眠期關(guān)閉信道,進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能耗。信道 接入開(kāi)放的活躍期由競(jìng)爭(zhēng)信道接入周期(cap-contention access period)和信道 固定分配周期(cfp-contention free period)兩個(gè)部分組成，在信道競(jìng)爭(zhēng)接入周期 中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)采用csma/ca機(jī)制共享信道，在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)周期曲網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器來(lái) 給有特定數(shù)據(jù)發(fā)送需求的節(jié)點(diǎn)分配固定時(shí)隙。在802.15.4mac協(xié)議中，通過(guò)基于競(jìng)爭(zhēng)的信道接入的方式，則大大提高了 信道的利用率，增大了網(wǎng)絡(luò)的效能，而固

28、定時(shí)隙的分配，滿足了有特殊需求和一 些重要的數(shù)據(jù)傳送。其利用周期性進(jìn)入休眠期關(guān)閉信道接入從而達(dá)到節(jié)省網(wǎng)絡(luò) 耗能的目的。超幀結(jié)構(gòu)中同時(shí)包含了以上三種不同的信道接入周期，使得信道 接入方式多樣化，這樣一來(lái)提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性。在超幀零時(shí)隙中則定義了一個(gè)信標(biāo)幀(beacon) ,beacon除了信標(biāo)的意思 外，還能作燈塔解。其實(shí)不難理解，信標(biāo)幀在整個(gè)超幀結(jié)構(gòu)中的地位就好比燈塔 的導(dǎo)航作用一樣，不僅界定了超幀的起始，通過(guò)信標(biāo)幀可以設(shè)定固定分配時(shí)隙周 期的有無(wú)及其長(zhǎng)度，這實(shí)際上決定超幀的構(gòu)架，如果不存在信道固定分配周期的 話，所有的數(shù)據(jù)傳送完全通過(guò)csma/ca競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制來(lái)接入信道。2.4.3 csma/c

29、a工作機(jī)制zigbee網(wǎng)絡(luò)的工作方式為非信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)和信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，即對(duì)于不一樣的工作方 式采用了不同的信道接入方式。非時(shí)隙csma-ca信道接入方式:等待一個(gè)任 意的退避時(shí)間。有吋隙csma-ca信道接入方式：退避時(shí)隙與信標(biāo)傳輸?shù)钠鹗?時(shí)間對(duì)準(zhǔn)，以退避時(shí)隙為基準(zhǔn)單位。詳細(xì)如下:在非信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的工作方式下，采用 基于非時(shí)隙的csma-ca信道接入方式，采用該方式的設(shè)備則在每次發(fā)送mac 層命令或數(shù)據(jù)楨吋，需要去等待一個(gè)隨機(jī)周期，在這個(gè)隨機(jī)的周期時(shí)間之后，若 設(shè)備發(fā)現(xiàn)了信道的空閑，就會(huì)發(fā)送出mac層命令及數(shù)據(jù)楨;反之,若設(shè)備發(fā)現(xiàn)信 道正忙，即信道非空閑，則將繼續(xù)在等待隨機(jī)時(shí)長(zhǎng)的周期后,再次試著接入信道,

30、曲此循環(huán)往復(fù)。而對(duì)于確認(rèn)楨，在發(fā)送時(shí)是不采用csma-ca接入方式的，而是 在接受到數(shù)據(jù)楨后，設(shè)備無(wú)需等待直接發(fā)送確認(rèn)楨,而不管當(dāng)前的信道是否存在 著沖突，發(fā)送設(shè)備則是根據(jù)是否接收到了正確的確認(rèn)楨來(lái)判斷數(shù)據(jù)的成功發(fā)送 與否。在信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的工作方式下，采用了有時(shí)隙的csma-ca信道接入機(jī)制，這 個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，冇信標(biāo)傳輸?shù)钠鹗紩r(shí)間正好和退避時(shí)隙對(duì)準(zhǔn)。在cap期間發(fā)送數(shù)據(jù) 楨時(shí)，首先設(shè)備要鎖定下一個(gè)退避時(shí)隙的邊界位置,然后在等待隨機(jī)個(gè)退避時(shí)隙 后,若檢測(cè)到信道處于忙的狀態(tài)，則需要再等待隨機(jī)個(gè)退避時(shí)隙,再次試著接入 信道。如果信道是空閑的，則設(shè)備就會(huì)在下個(gè)空閑退避時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)。對(duì)于確 認(rèn)幀和信標(biāo)楨的發(fā)送，

31、同前一種一樣,不采用csma-ca機(jī)制。2.5 zigbee協(xié)議介紹與分析zigbee聯(lián)盟在ieee802.15.4協(xié)議基礎(chǔ)之上，規(guī)定了 zigbee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層 (network layer)與應(yīng)用層(application layer)協(xié)議規(guī)范。下面就對(duì)zigbee協(xié)議 的網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層作簡(jiǎn)要介紹。2.5.1 網(wǎng)絡(luò)層(nwk)zigbee網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是確保zigbee協(xié)議的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(lái)向應(yīng)用層提供服務(wù)接口，它們分別是管理服務(wù)實(shí)體和數(shù) 據(jù)服務(wù)實(shí)體。通過(guò)網(wǎng)

32、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(guò)網(wǎng)絡(luò)層管 理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(nlmesap)來(lái)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(kù)(nlb)的維護(hù)和管理是網(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)如下三項(xiàng)：1.

33、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)備叮能是一個(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。生成網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(npdu)；2. 通過(guò)増加一個(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，并口提供網(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(lái)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(duì)連接一個(gè)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或一個(gè)zigb

34、ee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(kāi)網(wǎng)絡(luò)。要求設(shè)備具有斷開(kāi)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(zhǎng)短和什么時(shí)候來(lái)接收信息，以此來(lái)保證mac層的正常接收和同步 等。2.5.2 應(yīng)用層(app)應(yīng)用層主要由用戶根據(jù)具體的

35、應(yīng)用進(jìn)行自我開(kāi)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 sublayer),簡(jiǎn)稱 aps 子層 zigbee 設(shè)備對(duì)象(zigbee device object,簡(jiǎn)稱zdo)和制造商定義的應(yīng)用對(duì)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(duì)象到供應(yīng)商的 應(yīng)用對(duì)象的通用服務(wù)集。這服務(wù)曲兩個(gè)實(shí)體得以實(shí)現(xiàn):aps管理實(shí)體(apsme) 和aps數(shù)據(jù)實(shí)體(apsde)o1 .apsme 通過(guò) aps

36、me 服務(wù)接入點(diǎn)(apsme-sap)；2. apsde通過(guò)apsde服務(wù)接入點(diǎn)(apsdesap)。apsme提供了多種服務(wù)給應(yīng)用對(duì)象，維護(hù)管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)，也就是我們 常說(shuō)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(duì)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(duì)象的端點(diǎn)編 號(hào)都是從1到240o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(mén)應(yīng)用于zdo數(shù)據(jù)接口;而另外一端的端點(diǎn)號(hào)255

37、則專門(mén)應(yīng)用于所 有應(yīng)用對(duì)象廣播數(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(duì)象zigbee設(shè)備對(duì)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(duì) 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：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)o從終端的應(yīng)用中集合配置的信息來(lái)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(duì)象的網(wǎng)絡(luò)功能和應(yīng)用對(duì)象的公用接口用

38、 以控制設(shè)備。在終端節(jié)點(diǎn)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(guò)接入點(diǎn)，而若是控制信息則通過(guò)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(duì)象的主要功能如下：初始化網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用支持子層和安全服務(wù)層；發(fā)起或響應(yīng)綁定請(qǐng)求；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；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；從終端的應(yīng)用來(lái)收集各個(gè)配置信息來(lái)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；在網(wǎng)內(nèi)各個(gè)設(shè)備之間建立起安全又可靠的

39、關(guān)系。本章小結(jié)本章對(duì)zigbee技術(shù)進(jìn)行了主要討論。首先對(duì)zigbee技術(shù)進(jìn)行綜述，其次 分別簡(jiǎn)單地介紹了 zigbee技術(shù)的各種特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涔?jié),最后對(duì)zigbee的 phy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(duì)最后在程序設(shè)計(jì)時(shí)起很大的作用。第3章家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)本文的家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過(guò)對(duì)傳感器技術(shù)、zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì) 算機(jī)等技術(shù)的綜合運(yùn)用，得以實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而間接地為用戶創(chuàng) 造一個(gè)健康的，舒適適宜的居住環(huán)境。3.1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)在基于zigbee技術(shù)的家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集終端包括溫度傳感器

40、, 濕度傳感器和煙霧傳感器等。其中溫度傳感器可測(cè)量室內(nèi)溫度，將測(cè)量的溫度 發(fā)送給mcu,mcu將數(shù)據(jù)通過(guò)spi總線傳遞給無(wú)線收發(fā)芯片，無(wú)線收發(fā)芯片將 數(shù)據(jù)以無(wú)線的方式發(fā)送給數(shù)據(jù)接收端。濕度傳感器類似。數(shù)據(jù)接收端接到數(shù)據(jù) 后曲mcu處理數(shù)據(jù):如果溫度，濕度正常，液晶顯示該溫度和濕度;如果溫度值 超過(guò)指定范圍長(zhǎng)達(dá)某個(gè)設(shè)定時(shí)間長(zhǎng)度,報(bào)警。且液晶顯示該溫度，濕度類似。實(shí) 時(shí)吋鐘顯示數(shù)據(jù)采集的時(shí)間。(1) 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集 端由傳感器。mcu和無(wú)線收發(fā)芯片組成。mcu與無(wú)線收發(fā)芯片通過(guò)spi總線 連接，二者構(gòu)成無(wú)線傳輸模塊數(shù)據(jù)接收端采用相同的無(wú)線收發(fā)模塊，并利

41、用 rs232與pc機(jī)通訊。其功能相當(dāng)于一個(gè)接入點(diǎn)，一方面將主機(jī)向數(shù)據(jù)采集端發(fā) 送的控制信號(hào)以無(wú)線的方式發(fā)射出去，另一方面接受采集數(shù)據(jù)并上傳給pc 機(jī)。(2) 軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的軟件由c語(yǔ)言編寫(xiě)，主要包括數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接 收端的程序。其包括初始化程序，發(fā)射程序和接受程序。初始化程序主要是對(duì) 單片機(jī)、無(wú)線收發(fā)芯片、spi等進(jìn)行處理;發(fā)射程序?qū)⒔⒑玫臄?shù)據(jù)包通過(guò)單片 機(jī)送至無(wú)線收發(fā)芯片輸出;接受程序完成數(shù)據(jù)的接受并進(jìn)行處理。3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本論文是基于zigbee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)壞境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，故根據(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)

42、點(diǎn)通過(guò)zigbee無(wú)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(guò)串口與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所示圖3-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由圖3-1可知，木系統(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(duì)pc端的 數(shù)據(jù)通信。當(dāng)然在實(shí)踐過(guò)程中可以根據(jù)家庭居住環(huán)境的大小和所需監(jiān)測(cè)的內(nèi)容, 來(lái)增加或減少傳感器節(jié)點(diǎn)，而只需做小許改動(dòng)即可。當(dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)域較大時(shí),可用增 加傳感器節(jié)點(diǎn)的方法來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)的連通性，相反區(qū)域較小吋可以根據(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。3.3系統(tǒng)功能定義為了實(shí)現(xiàn)基于zigbee技術(shù)的家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)

43、計(jì)，現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的各種 功能作出以下定義：1 管理屮心(pc)：實(shí)吋顯示家庭屮各種的環(huán)境信息，并且用戶可通過(guò)pc實(shí) 現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)屮各個(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(zhǎng)短；2. 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)：組建并初始化zigbee無(wú)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，同吋與管理屮心(pc)進(jìn)行通信；3. 傳感器節(jié)點(diǎn):對(duì)周圍環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)吋采集,并通過(guò)zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí) 吋將環(huán)境信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)既可通過(guò)用戶對(duì)其設(shè)置的周期長(zhǎng)短自 動(dòng)進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的采集,也可以在用戶的指令下采集數(shù)據(jù)。木文設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系

44、統(tǒng)主要檢測(cè)家庭環(huán)境屮以下一些環(huán)境參數(shù)以實(shí)現(xiàn) 對(duì)環(huán)境信息的全面監(jiān)測(cè),從而為用戶的準(zhǔn)確決策提供參考。下面對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行如下介紹如表31、3-2：(1) 溫度人體對(duì)溫度的變化甚為皺感，在環(huán)境溫度高于35攝氏度后,每增加一度對(duì) 人體的負(fù)面影響都是幾何級(jí)的增加,故此系統(tǒng)中最重要亦是最基本的就是環(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(guò)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(duì)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

45、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(cè)量的準(zhǔn)確度。表3-1 sht11性能參數(shù)表參數(shù)條件最小典型值最人單位濕度0.50.030.03%rh81212bit重復(fù)性±0.1%rh互換性完全可互換非線性度原始數(shù)據(jù)士 3%rh線性化«1%rh范圍0100%rh響應(yīng)時(shí)間l/c(63%)緩流空氣4s遲滯土 1%rh氏期穩(wěn)定性典型值<0.5%rh/yr溫度分辨率0.040.010.01°c0.070.020.02°f121414bit重復(fù)性±0.1°c±0.2°f范圍-40123°c-

46、40254°f響應(yīng)時(shí)間1/e (63%)530s(2) 濕度人類對(duì)濕度雖然不是特別皺感,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(guò)普通的加濕器來(lái)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(guò)濕度傳感器對(duì)濕度信息的采集,再經(jīng)由pc的 處理后，對(duì)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。濕度人類對(duì)濕度雖然不是特別皺感,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(guò)普通的加濕器來(lái)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

47、,最終也有可能不利于 環(huán)境之改善。而在本系統(tǒng)中，通過(guò)濕度傳感器對(duì)濕度信息的采集,再經(jīng)由pc的 處理后，對(duì)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籍?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(duì)家庭人員生命帶來(lái)威脅。故對(duì)一氧化碳?xì)怏w濃度監(jiān)測(cè)也是必 不可少的一部分。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)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在啟 動(dòng)報(bào)警。表3-2 co傳感器的性能參數(shù)表性能指標(biāo)數(shù)值測(cè)蜃范圍0-500ppm內(nèi)置過(guò)濾器s02和h2s過(guò)濾（可選帶氫氣補(bǔ)償<2%）尺寸0 20.

48、0x16.4mm輸出70土 15na/ppm分辨率lppm溫度范圍：20°c50°c濕度范圍：15-90%rh （非凝結(jié)）響應(yīng)時(shí)間（t90）<25s壓力范圍大氣壓±10%長(zhǎng)期漂移：<2%/每月推薦負(fù)載值：10q線性度輸出:線性使用壽命3年（4）亮度亮度的監(jiān)測(cè)可以利用分布在各個(gè)房間里的光頌傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。光敬傳感 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)絧c, 經(jīng)過(guò)處理和判斷光線強(qiáng)度，來(lái)控制窗簾的開(kāi)關(guān)或燈的開(kāi)關(guān)。當(dāng)光線過(guò)強(qiáng)時(shí)，可以 控制窗簾自動(dòng)合起，反之則可以控制其打開(kāi)或電燈打開(kāi)。當(dāng)然，本系統(tǒng)還叮以根據(jù)用戶的不同需求來(lái)增加不同的傳感

49、器監(jiān)測(cè)項(xiàng)目, 均可以實(shí)現(xiàn)。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。分別從軟皺件兩個(gè)方面來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。1、碩件要求：（1）低功耗:由于是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)很多，故只能由電池供電，故要求低 功耗以延長(zhǎng)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)謀, 則可導(dǎo)致pc判斷錯(cuò)誤，導(dǎo)致錯(cuò)謀控制。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:能根據(jù)用戶的不同需求，隨時(shí)增加或減少節(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)，町以使系統(tǒng)

50、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(wú)需改動(dòng);程序設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳輸格式要統(tǒng)一。本章小結(jié)本章主要對(duì)系統(tǒng)的總體設(shè)讓方案、各組成部分功能進(jìn)行了闡述。同時(shí)，針 對(duì)本系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的需要，對(duì)不同的環(huán)境參數(shù)做了說(shuō)明與介紹。最后，本章對(duì) 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)分別提出了設(shè)計(jì)原則，為下一步更好的實(shí)施各個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)具 冇指導(dǎo)意義。第4章硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 zigbee硬件選型在介紹整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)之前，先介紹目前市場(chǎng)上的幾款基于zigbee技 術(shù)的硬件平臺(tái)及其各自特點(diǎn)。在zigbee技術(shù)聯(lián)盟中,ti, chipcon, freescale, philips等公司都是zigbee標(biāo)準(zhǔn)制訂的先驅(qū)。在射頻收發(fā)

51、芯片方面，主要有 chipcon 公司的 cc242017,cc243018和 freescale 公司的 mc13192,mc13193 所提供的兩大解決方案。另外，還有jennic20和helicomm等公司開(kāi)發(fā)的符合 zigbee規(guī)范的芯片和模塊。(1) chipcon公司(目前已被ti公司收購(gòu))推出的cc2420,它是一款符合 ieee802.15.4規(guī)范的2.4ghz射頻芯片，用來(lái)開(kāi)發(fā)工業(yè)無(wú)線傳感及家庭組網(wǎng)等 pan網(wǎng)絡(luò)的zigbee各種產(chǎn)品。同時(shí)chipcon公司還推出了一款專門(mén)針對(duì)zigbee 技術(shù)的soc芯片cc2430,它包含一個(gè)51內(nèi)核單片機(jī)與cc2420射頻芯片。它 基于

52、0.18um cmos工藝制成,只需極少外部元器件,11性能穩(wěn)定11功耗極低。 另外,ti公司還提供免費(fèi)的zigbee協(xié)議棧z-stack以及配套的開(kāi)發(fā)工具，方便 用戶在短期內(nèi)開(kāi)發(fā)適合于zigbee的應(yīng)用方案。(2) 飛思卡爾 zigbee-ready 芯片 mc13192, mc13192 是一款適用于 zigbee 產(chǎn)品的rf器件。mc13192只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定、功耗極低,mc13192 的選擇性和敏感性指數(shù)超過(guò)了 ieee 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求,可確保短距離通信的 冇效性和可靠性?？梢造`活的嵌入到既有的產(chǎn)品中，輕而易舉實(shí)現(xiàn)無(wú)線感測(cè)和 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的功能。(3) 美國(guó)赫立訊h

53、elicomm公司的zigbee無(wú)線收發(fā)模塊ip-linkl270, ip-linkl270是集成了射頻收發(fā)器，微控制器，數(shù)字和模擬i/o,多點(diǎn)多拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)層 功能于一體的半雙工無(wú)線通訊系列模塊。iplinkl270系列模塊內(nèi)嵌的zigbee v1.0網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議。以上的硬件平臺(tái)都適用于zigbee應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。本文主要 從對(duì)芯片及其開(kāi)發(fā)環(huán)境的熟悉程度，系統(tǒng)的集成度等方面進(jìn)行綜合考慮來(lái)選擇 駛件平臺(tái)方案，對(duì)chipcon公司的cc2430芯片的使用與操作比較熟悉，且具備 完善的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，另外cc2430卓越的性能也是本系統(tǒng)駛件選擇的重要因 素。cc2430芯片的性能如下： 較寬的電壓范圍(2.

54、0-3.6v)；高性能和低功耗的51微控制器核；在休眠模式時(shí)僅0.9a的流耗，在待機(jī)模式時(shí)少于0.6a的流耗； 在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27ma和25ma； 集成符合ieee 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4ghz的無(wú)線電收發(fā)機(jī)；優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性；數(shù)字化的rssflq1支持和強(qiáng)大的dma功能；外部的屮斷或rtc能喚醒系統(tǒng)；具有電池監(jiān)測(cè)和溫度感測(cè)功能：集成了 14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的adc；集成aes安全協(xié)處理器； 帶有2個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的usart,以及1個(gè)符合ieee 802.15.4規(guī)范 的mac計(jì)時(shí)器,1個(gè)常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器和2個(gè)8位計(jì)時(shí)器；強(qiáng)大和靈活的開(kāi)發(fā)工具。

55、4.2節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的硬件主耍由控制中心節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)以及各種傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu) 成，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集，處理和無(wú)線信號(hào)的收發(fā)。因此，本章將分別針對(duì)這三類節(jié) 點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。4.2.1中心控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)控制中心節(jié)點(diǎn)在zigbee網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的角色，主要負(fù)責(zé)zigbee 網(wǎng)絡(luò)的建立,節(jié)點(diǎn)的管理等任務(wù)。在本系統(tǒng)中，它還需耍對(duì)接受的數(shù)據(jù)的進(jìn)行處 理,以及通過(guò)rs232串口與pc機(jī)連接通信,射頻天線單元用來(lái)接收和發(fā)送電磁 波信號(hào),lcd顯示模塊用來(lái)顯示網(wǎng)絡(luò)狀況、顯示接收到的數(shù)據(jù)與指令信息，同時(shí) 可配合按鍵模塊，進(jìn)行菜單界面的顯示。圖41屮心控制結(jié)構(gòu)圖(1)電源部分設(shè)計(jì)木部分的設(shè)計(jì)采用外

56、部5v直流電源供電。由于系統(tǒng)工作電壓為3.3v,木 設(shè)計(jì)采用max687電壓轉(zhuǎn)換芯片為核心，實(shí)現(xiàn)5v,3.3v的電壓轉(zhuǎn)換。max687 為低噪聲、低壓弄、最大輸出達(dá)1a的線性穩(wěn)壓芯片，具有低于2mv的電源電 壓瞬變。當(dāng)輸出電壓低于2.96v時(shí),max687能口動(dòng)切斷輸出電壓。該部分電 路如圖43所示。其輸入電壓范圍為2.7v11v,采用pnp三極管fzt749進(jìn)行圖42電路原理圖圖43電壓轉(zhuǎn)換電路(2)時(shí)鐘部分設(shè)計(jì)cc2430芯片的時(shí)鐘部分則由兩個(gè)不同頻率部分組成，分別為：32mhz 的頻率提供給系統(tǒng)進(jìn)行正常的工作的時(shí)鐘頻率，其分別連接到cc2430的p19 和p21 口。而32.768khz則提供了系統(tǒng)在低功耗的模式下的工作頻率，以節(jié) 省能耗，它分別連接在cc2430的p44和p43 口。電路連接原理圖如圖44。圖44時(shí)鐘部分電路圖(3) 射頻天線單元設(shè)計(jì)該部分rfl天線饋線屯路和阻抗匹配電路組成。天線的電路原理圖如圖4-5 所示。圖45犬線電路圖該電路由l321、l331、l341、c341和雙2/4傳輸線組成。l321、l331、l341、c341共同應(yīng)用于阻抗的匹配,2/4傳輸線用于差分射頻信號(hào)相位同步。pf p,txrx switch,rf n 分別為 cc2430 的 4