無線傳感器網(wǎng)絡課程設計-基于Zigbee技術的無線遙控臺燈

1、安徽理工大學無線傳感器網(wǎng)絡課程設計課程設計說明書（無線傳感器網(wǎng)絡）題目：基于Zigbee技術的無線遙控臺燈院 系：計算機科學與工程學院專業(yè)班級： 物聯(lián)網(wǎng)工程13-2班 學 號： 2013303061 學生姓名： 指導教師： 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)的設計方案。該系統(tǒng)的方案利用ZigBee無線通信技術實現(xiàn)主控系統(tǒng)對終端臺燈的實時控制，具有遙控臺燈開關的功能。模擬試驗表明，本方案中所設計的系統(tǒng)操作簡單，節(jié)能效果好。ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技

2、術。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。其特點是近距離、低復雜度、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程控制領域，可以嵌入各種設備。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。關鍵詞：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技術簡介41.3 ZigBee技術特點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)設計73.1 硬件電路設計73.2 軟件設計104、總結(jié)11參考文獻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。 無線傳感器網(wǎng)絡就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(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)絡的三個要素1  。微機電系統(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的飛速發(fā)展，孕育出無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks，WSN），并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革。無線傳感器網(wǎng)絡就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡。 很多人都認為，這項技術的重要性可與因特網(wǎng)相媲美：正如因特網(wǎng)使得計算機能夠訪問各種數(shù)字信息而可以不管其保存在什么地方，傳感器網(wǎng)絡將能擴展人們與現(xiàn)實世界進行遠程交互的能力。它甚至被人稱為一種全新類型的計算機系統(tǒng)，這就是因為它區(qū)別于過去硬件的可到處散

5、布的特點以及集體分析能力。而現(xiàn)在，大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡只連接了不到100個節(jié)點，更多的節(jié)點以及通訊線路會使其變得十分復雜難纏而無法正常工作。另外一個原因是單個傳感器節(jié)點的價格目前還并不低廉，而且電池壽命在最好的情況下也只能維持幾個月。 無線傳感器網(wǎng)絡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。基于MEMS的微傳感技術和無線聯(lián)網(wǎng)技術為無線傳感器網(wǎng)絡賦予了廣闊的應用前景。這些潛在的應用領域可以歸納為:軍事、航空、反恐、防爆、救災、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領域。1.2 ZigBee技術簡介蜜蜂

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信息的方式。借此意義Zigbee作為新一代無線通訊技術的命名。在此之前ZigBee也被稱為“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”無線電技術，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，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡基站。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。 ZigBee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線

7、數(shù)傳網(wǎng)絡平臺，在整個網(wǎng)絡范圍內(nèi)，每一個ZigBee網(wǎng)絡數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡節(jié)點間的距離可以從標準的75m無限擴展。 與移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同的是，ZigBee網(wǎng)絡主要是為工業(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，價格低的特點。而移動通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，每個基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個ZigBee“基站”卻不到1000元人民幣。每個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點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行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。除此之外，每一個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點(FF

8、D)還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔網(wǎng)絡信息中轉(zhuǎn)任務的孤立的子節(jié)點(RFD)無線連接。1.3 ZigBee技術特點 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，ZigBee具有如下特點： (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設備非常省電。據(jù)

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

10、;每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。 (5)  安全： ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權和認證， 采用了AES-128的加密算法,各個應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無線傳感器模塊實時遙控臺燈的開關，方便快捷，避免浪費電能，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的處理，即在Zigbee的相應引腳產(chǎn)生高低電平來驅(qū)動繼電器的開關。 （3）憑借繼電器的開關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個按鍵，用于進行控制操作和復位。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)設計3.1 硬件電路設計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），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。在大多數(shù)的情況下，繼電器就是一個電磁鐵，這個電磁鐵的銜鐵可以閉合或斷開一個或數(shù)個接觸點。當電磁鐵的繞組中有電流通過時，銜鐵被電磁鐵吸引，因而就改變了觸點的狀態(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，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與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，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，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。在單片機系統(tǒng)中繼電器的控制一般通過一個三極管來驅(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二極管以吸收繼電器線圈斷電時產(chǎn)生的反電勢，防止干擾。上圖中AB為常開觸點，AC為常閉觸點。圖（a）中當控制信號為高電平時，繼電器常開觸點吸合（AB導通），當控制信號為低電平時，繼電器常開觸點斷開常閉觸點吸合（AC導通）。在圖（b）中控制信號極性正好與圖(a)相反，本設計就是采用這個電路。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3.3兩個獨立式按鍵RESET,S1分別接在RST和P0.4口，另外一端接地。當有一鍵按下時相應的口線的電平發(fā)生變化，單片機進行掃描確定哪個鍵按下,然后進行相應的事件處理。 圖3.3

15、按鍵電路3.1.4繼電器模塊電路3.2 軟件設計3.2.1系統(tǒng)程序設計在系統(tǒng)工作過程中，首先開啟兩個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)出相應的控制信號，例如按1次S1表示關閉臺燈，按兩次S1表示開啟臺燈，如此往復循環(huán)。3.2.2主程序流程設計 主程序開始Zigbee發(fā)射模塊Zigbee接收模塊計算發(fā)射模塊按鍵次數(shù)按鍵次數(shù)是否為基數(shù)？ 是 關閉臺燈 否 開啟臺燈 結(jié)束 4. 總結(jié)為期一個多月的課程設計就落下了帷幕，在這一個多月的的實訓中，不僅檢驗了我對所學知識的掌握程度，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。通過這次的設計，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。通過這次設計，綜合運用本專業(yè)所學習的課程的理論，設計工作的實際訓練從而提高我們的獨立的工作能力，鞏固我們所學的知識，提高了我們的獨立思考能力。在設計的過程中，我遇上了許多的問題，但是我沒有放棄，在不明白的地方，及時的查閱材料，問老師，問同學，順利地編寫程序，仿真，焊接，調(diào)試。但同時，也通過這次課程設計的機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。通過這次課程設計讓我們對所學的知識都有了更加具體的認識和理解，這對于以后的學習和研究生活有了特別的幫助。 參考文獻1 任豐原，黃海寧，林闖.無線傳感器網(wǎng)絡J.軟件學報2003，14（7）. 2 IAR Embedded Workbench 8051 HelpOL.3SmartRF Flash Programmer User ManualOL.6 高守瑋，吳燦陽.Zigbee技術實踐教程M.北京