zigbee智能家居設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、 . 獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特別加以引用標(biāo)注之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，沒(méi)有偽造數(shù)據(jù)的行為。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者簽名：簽字日期：年月日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）使用授權(quán)書(shū)本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用論文的規(guī)定。同意學(xué)校保留并向有關(guān)管理部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)城市建設(shè)學(xué)院可以將本論文的全部或部分容編入有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本論文。（的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者簽名：

2、指導(dǎo)教師簽名：簽字日期：年月日簽字日期：年月日摘 要近年來(lái)人們對(duì)生活環(huán)境智能、舒適、安全要求越來(lái)越高，并伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，智能家居便應(yīng)運(yùn)而生。然而隨著智能家居的發(fā)展，所需要環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變?cè)絹?lái)越多，這就需要一種安裝便捷，實(shí)用并且價(jià)格合適產(chǎn)品出現(xiàn)。有線傳感器系統(tǒng)需要大量的布線，安裝費(fèi)用高的同時(shí)維護(hù)也很不方便，并且在一些建筑物中無(wú)法布線。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，zigbee漸漸走入人們的視野。Zigbee低功耗、低成本、低速率的短距離的優(yōu)點(diǎn)。Zigbee組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有維護(hù)成本低、組網(wǎng)靈活、部署方便的特點(diǎn)，仿佛是為了無(wú)線智能家具而生的。將zigbee技術(shù)與智能家具結(jié)合有很好的應(yīng)用前

3、景?；诖吮疚倪x擇了zigbee無(wú)線通信技術(shù)來(lái)組件無(wú)線智能家具網(wǎng)絡(luò)。本文組織結(jié)構(gòu)如下：首先，分析了智能家居的發(fā)展、以與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，結(jié)合智能樓宇的特點(diǎn)，討論了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能家居中應(yīng)用的優(yōu)越性。然后介紹zigbee技術(shù)，深入研究ZigBee 協(xié)議各個(gè)通信協(xié)議層的結(jié)構(gòu)與功能，在此基礎(chǔ)上，選擇采用ZigBee 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ蛯?shí)現(xiàn)智能樓宇傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。然后介紹本設(shè)計(jì)采用的硬件，硬件采用無(wú)線龍ZigBee開(kāi)發(fā)套件。ZigBee網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采用低功耗微控制器CC2530，節(jié)點(diǎn)采用96X16液晶顯示，USB接口，電池供電，具有經(jīng)濟(jì)、高效、方便、快捷、可視性、并可重復(fù)使用。軟件方面，根

4、據(jù)Zigbee聯(lián)盟制定的標(biāo)準(zhǔn)，利用儀器(TI)推出業(yè)界領(lǐng)先的ZigBee協(xié)議棧(Z-Stack)。Z-Stack裝載在一個(gè)基于IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境的工程里。經(jīng)測(cè)試，本文的無(wú)線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸可靠，通訊距離滿足需求；節(jié)點(diǎn)能量消耗少、估算電池使用壽命長(zhǎng)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了能長(zhǎng)時(shí)間工作的智能樓宇環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有智能化、低成本、低功耗的特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)ZigBee 的其它擴(kuò)展應(yīng)用具有參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測(cè)，智能樓宇，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，ZigBee，CC2530ABSTRACTIn recent years,pepole more and more like aliving environment moresmart,

5、comfortable,safety andaccompanied bythedevelopmentofcomputer technology,communication technology, intelligent home have come into being.Withthedevelopmentofthe intelligent home, however, the requiredenvironmentalmonitoring databecomemore and more, which requires aneasy to install, practical, andthe

6、price is rightproduct.Wiredsensor systemrequires a lot ofwiring,installation costs, while maintenanceis also very convenient, andinsome buildingscannotbewiring.Withthedevelopment of Internet of Things, thezigbeegettingintopeople's vision. Zigbee is low power, low cost, low-rateshort-range.Zigbee

7、wirelesssensor networkshavetomaintainalow cost, flexible networking, and easily deployable, as if borntowireless smartfurniture. Zigbee technologyand intelligentfurniturecombined witha good application prospect. Then,this article selectzigbee wirelesscommunicationtechnologytothecomponents ofwireless

8、 smartfurniturenetwork. Thepaper is organizedas follows:First of all, thisi article describe thedevelopmentofthesmart home, as well as thedevelopmentofwireless sensor networks. Then combined with thecharacteristicsofintelligent buildings,to discusstheadvantagesofawireless sensor networkapplicationsi

9、nthesmart home. And thenintroducethezigbee technology, in-depth studyofthe structure andfunctionofeachcommunication protocol layeroftheZigBee protocol, andon this basis, select the ZigBeestarnetwork topologymodelofintelligent buildingsensor network system.Then describes thehardwareused in this desig

10、n. Harware use wirelessLong ZigBee development kit.Wireless sensor nodesina ZigBee networkusinglow-powermicro-controller CC2530nodes ,using96X16LCD, USB, battery-powered. This kits is economic, efficient, convenient, fast, visibility,andcanbereused. Software, according to thestandardsdevelopedbytheZ

11、igbee Alliance, TexasInstruments(TI)introducedtheindustry-leadingZigBee protocol stack(Z-Stack). Z-StackisloadedinaworksbasedontheIARdevelopment environment.Been tested, this design and implementationofintelligent buildingenvironmentmonitoring system hasreliabledata transmissionofthewirelessnodes, t

12、hecommunication distanceto meet the demand; nodeenergy consumption is low , batterycan work long hours. This system has intelligent, low-cost, low powerconsumption characteristics.ZigBeeexpansionapplicationhasareference valueKey words：environmental monitoring, intelligent buildings, wireless sensor

13、networks, ZigBee, CC2530目錄本科畢業(yè)論文1基于zigbee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)1XXXXXXX學(xué)院1ABSTRACT4第一章緒論61.1 課題研究背景61.2智能家居的國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀61.3基于zigbee的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的起源與發(fā)展71.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和智能家居結(jié)合的必要性91.5論文組織結(jié)構(gòu)10第二章 zigbee技術(shù)介紹122.1 短距離無(wú)線通信技術(shù)對(duì)比122.1.1 zigbee的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)122.2.2短距離無(wú)線技術(shù)對(duì)比122.1.2藍(lán)牙132.1.4 IrDA1321.5 Zigbee132.1.6 ZigBee 技術(shù)抗干擾特性分析142.1.7 小結(jié)152.2拓

14、撲結(jié)構(gòu)152.3zigbee協(xié)議分析162.3.1物理層協(xié)議規(guī)172.3.2 MAC 層協(xié)議規(guī)182.3.3 網(wǎng)絡(luò)層192.3.4應(yīng)用層協(xié)議規(guī)20第三章硬件設(shè)計(jì)223.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案223.2 核心部件的設(shè)計(jì)要求223.2.1 處理器模塊223.2.2 無(wú)線通信模塊233.2.3 傳感器模塊233.2.4 外圍模塊243.2.5 小結(jié)243.3硬件電路設(shè)計(jì)243.3.1 CC2530簡(jiǎn)介243.3.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)263.4.1溫度傳感器模塊30第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)334.1 ZigBee無(wú)線軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)334.1.1 Z-Stack簡(jiǎn)介33第 一 章 緒論1.1 課題研究背景物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)

15、算機(jī)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的另一個(gè)的技術(shù)革命，備受各國(guó)家研究機(jī)構(gòu)關(guān)注?；ヂ?lián)網(wǎng)無(wú)處不在，智能家居，智能交通，環(huán)境監(jiān)測(cè)，政府的工作，物流，快遞，酒店管理，醫(yī)療保健都有廣泛的應(yīng)用。只要在日常的事物中配置的RFID標(biāo)簽，便可實(shí)現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)通，形成一個(gè)龐大的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)的存在使得即使在千里之外，仍然可以很容易的得到物品的信息。隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出與相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，隨著人們對(duì)生活的更加舒適、安全、便利、環(huán)保得要求提高，智能家居系統(tǒng)成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一個(gè)具體領(lǐng)域便成為必然發(fā)展趨勢(shì)。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在住宅集成智能建筑、網(wǎng)絡(luò)通信、環(huán)境監(jiān)測(cè)、家電燈光的家庭自動(dòng)化系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)需要的各種信息技術(shù)和手段，結(jié)合

16、數(shù)字化社區(qū)和互聯(lián)網(wǎng)可以發(fā)揮最好的功能就是生命系。在國(guó)的智能家居物聯(lián)網(wǎng)的概念尚未提出之前，已經(jīng)將近十年，但智能家居行業(yè)的發(fā)展是非常曲折，規(guī)模仍然是有限的。事情推大力宣傳和媒體企業(yè)，社會(huì)上的智能家居的關(guān)注已經(jīng)達(dá)到前所未有的高度。從傳統(tǒng)的家庭不同，智能家居是住宅平臺(tái)，綜合布線技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，安全技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，音頻和視頻技術(shù)，和相關(guān)設(shè)施的家居生活一體化，建立高效的住宅設(shè)施的日常事務(wù)家庭管理系統(tǒng)，提高家庭安全，方便，舒適，美觀，環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。物聯(lián)網(wǎng)需要各種信息技術(shù)和手段，結(jié)合數(shù)字化社區(qū)和互聯(lián)網(wǎng)，才能發(fā)揮處物聯(lián)網(wǎng)生活的最佳功能。在物聯(lián)網(wǎng)的概念還未提出之前，智能家居在國(guó)已經(jīng)有了近十年的歷史，

17、但是智能家居行業(yè)的發(fā)展十分曲折，規(guī)模仍然有限?，F(xiàn)在由于政府對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的極力推崇和媒體商家的大力宣傳，社會(huì)各界對(duì)智能家居的關(guān)注達(dá)到了前所未有的高度。與傳統(tǒng)家居不同的是，智能家居是指以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)，將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日常事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性， 并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。智能家居管理系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)需要獲得大量環(huán)境數(shù)據(jù)作為調(diào)控基礎(chǔ)，這些數(shù)據(jù)主要依靠各種類型的傳感器獲得。隨著環(huán)境監(jiān)測(cè)功能的增多，所需的傳感器也越來(lái)越多。使用有線傳感器組成的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)布線量大、安裝和維護(hù)費(fèi)用高、

18、不易擴(kuò)展，并且在部分建筑物的部分位置難以布線。而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有成本低、安裝和維護(hù)方便快捷、運(yùn)作和更新費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息3-6，適合應(yīng)用于樓宇的環(huán)境監(jiān)測(cè)，正逐步走向?qū)嵱谩?.2智能家居的國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀智能家居是以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、 智能家居-系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案安全防技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。智能家居概念的起源很早，但一直未有具體的建筑案例出現(xiàn)，直到1984年美國(guó)聯(lián)合科技公司（United Te

19、chno1ogies Building System）將建筑設(shè)備信息化、整合化概念應(yīng)用于美國(guó)康乃迪克州（Conneticut)哈特佛市（Hartford）的CityPlaceBuilding時(shí)，才出現(xiàn)了首棟的“智能型建筑”，從此也揭開(kāi)了全世界爭(zhēng)相建造智能家居的序幕又稱智能住宅，在國(guó)外常用Smart Home表示。自從世界上第一幢智能建筑1984年在美國(guó)出現(xiàn)后，美國(guó)、加拿大、歐洲、澳大利亞和東南亞等經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家先后提出了各種智能家居的方案。智能家居在美國(guó)、德國(guó)、新加坡、日本等國(guó)都有廣泛應(yīng)用。1998年5月新加坡舉辦的“98亞洲家庭電器與電子消費(fèi)品國(guó)際展覽會(huì)”上，通過(guò)在場(chǎng)模擬“未來(lái)之家”，推

20、出了新加坡模式的家庭智能化系統(tǒng)。它的系統(tǒng)功能包括三表抄送功能、安防報(bào)警功能、可視對(duì)講功能、監(jiān)控中心功能、家電控制功能、有線電視接入、接入、住戶信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布線箱、寬帶網(wǎng)接入和統(tǒng)軟件配置等。這種“未來(lái)之家”家庭智能化系統(tǒng)，市場(chǎng)真正啟動(dòng)尚需時(shí)日。目前在新加坡也有近30個(gè)社區(qū)(住宅小區(qū)所5000戶的家庭采用了“家庭智能化系統(tǒng)”，美國(guó)己有近四萬(wàn)戶家庭安裝了這一類的“家庭智能化系統(tǒng)”121近幾年，在各大公司和媒體的強(qiáng)大概念宣傳攻勢(shì)下，我國(guó)智能家居行業(yè)逐漸形成，可用的、接近現(xiàn)實(shí)需求的產(chǎn)品不斷增加，集成商、開(kāi)發(fā)商以與裝修公司己經(jīng)積累了很多經(jīng)驗(yàn)。如何建立一個(gè)高效率、低成本的智能家居系統(tǒng)

21、己成為當(dāng)前社會(huì)一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。而國(guó)家政府機(jī)構(gòu)與各大信息家電生產(chǎn)廠商不失時(shí)機(jī)地開(kāi)展了中國(guó)智能家庭網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化制定工作，為中國(guó)智能家居的發(fā)展提供了一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)，指明了智能家居研究領(lǐng)域正確的發(fā)展方向。目前我國(guó)的家庭智能化系統(tǒng)還處于從無(wú)到有的初級(jí)發(fā)展階段，家庭智能化系統(tǒng)構(gòu)成形式和手段還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各大廠家也適時(shí)推出了自己的智能家居系統(tǒng)，如科龍集團(tuán)研制的“智能網(wǎng)絡(luò)家居系統(tǒng)”，海信的“智能家居控制系統(tǒng)”，清華同方的“e-Home數(shù)字家園”等，一時(shí)間國(guó)智能家居領(lǐng)域呈現(xiàn)百家爭(zhēng)鳴的局面。盡管智能家居在我國(guó)起步較晚，但大有風(fēng)行正健之勢(shì)。1.3基于zigbee的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的起源與發(fā)展隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)

22、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN Wireless Sensor Network) 成為當(dāng)今國(guó)外研究的一大熱點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的，具有無(wú)線通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的自組織分布網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并具有控制、監(jiān)視、計(jì)算等功能。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)引起了全世界圍的廣泛關(guān)注，世界各國(guó)的科研機(jī)構(gòu)和科研人員對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究投入了極大的熱情。在近年來(lái)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，技術(shù)已逐漸成熟。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)最早出現(xiàn)20 世紀(jì)70 年代的美國(guó)，那時(shí)美國(guó)正處在冷戰(zhàn)時(shí)期，為了在海底戰(zhàn)爭(zhēng)中進(jìn)一步研究反潛戰(zhàn)，每年

23、投資1000 萬(wàn)美元，開(kāi)發(fā)出了一套探測(cè)上百公里以外的引擎聲音的聲音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。除海戰(zhàn)以外，美國(guó)還相應(yīng)為空軍開(kāi)發(fā)了空中預(yù)警與控制系統(tǒng)。這些早期的傳感器網(wǎng)絡(luò)都是采用單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)的通信手段，分級(jí)處理信息，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且費(fèi)用昂貴。美國(guó)國(guó)防部遠(yuǎn)景計(jì)劃研究局已投資幾千萬(wàn)美元，幫助大學(xué)進(jìn)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研發(fā)。目前美國(guó)所有著名高?；?幾乎都有研究小組在從事WSN相關(guān)技術(shù)的研究，歐洲很多國(guó)家也加入WSN的研究工作。Zigbee 技術(shù)由于具有低能量消耗、低成本、低速率傳輸、構(gòu)建多種網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)，被很多公司重視。像TI、Microchip、Ember、OKI、NEC 等都推出基于ZigBee 的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，TI 推出了C

24、C2430 的開(kāi)發(fā)平臺(tái)、Freescale 則推出MC13192 的評(píng)測(cè)平臺(tái)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目前仍處于初步應(yīng)用階段，但已經(jīng)展示出了非凡的應(yīng)用價(jià)值，相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進(jìn)，一定會(huì)得到更大的應(yīng)用。國(guó)在傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方面的研究起步較晚，首次正式啟動(dòng)出現(xiàn)于1999 年中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程點(diǎn)領(lǐng)域方向研究的“信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告”中，該領(lǐng)域是五大重點(diǎn)項(xiàng)目之一；2001 年中國(guó)科學(xué)院依托微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，旨在引領(lǐng)中科院WSN 的相關(guān)工作；2002 年，大學(xué)、清華大學(xué)、大學(xué)、工業(yè)大學(xué)等高校的研究機(jī)構(gòu)都開(kāi)始了傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究；國(guó)家自然科學(xué)基金已經(jīng)審批了與WSN 相關(guān)的一個(gè)重點(diǎn)課

25、題和多項(xiàng)課題，2003 年國(guó)家自然科學(xué)基金作為面上項(xiàng)目資助，市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)列為2003 年度第三批重大科研攻關(guān)課題。2004 年，將一項(xiàng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目(面上傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布自治系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與協(xié)調(diào)控制理論)列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目，2005 年，將網(wǎng)絡(luò)傳感器中的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)列入計(jì)劃。2006 年將水下移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目。國(guó)家發(fā)改委下一代互聯(lián)網(wǎng)(CNGI)示工程中，也部署了WSN 相關(guān)的課題。在一份我國(guó)未來(lái)20 年預(yù)見(jiàn)技術(shù)的調(diào)查報(bào)告中，信息領(lǐng)域157 項(xiàng)技術(shù)課題中有7 項(xiàng)與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)。2006 年初發(fā)布的國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要為信息技術(shù)定義了3 個(gè)前沿方

26、向，其中2 個(gè)與WSN 的研究直接相關(guān)，即智能感知技術(shù)和自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。我國(guó)2010 年遠(yuǎn)景規(guī)劃和“十五”計(jì)劃中，將WSN 列為重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一?？傮w上國(guó)關(guān)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究還處于剛剛起步的階段，大部分工作仍是在針對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)仿真和實(shí)驗(yàn)階段，而且國(guó)自行研制的無(wú)線智能傳感節(jié)點(diǎn)較少，都是購(gòu)買(mǎi)Mote 產(chǎn)品進(jìn)行前期探索，這方面同國(guó)外的差距較大。由國(guó)外無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀可見(jiàn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究有著巨大的科學(xué)意義和應(yīng)用前景，已經(jīng)成為當(dāng)今前沿性的熱點(diǎn)研究方向之一，必將成為對(duì)21 世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的高新技術(shù)之一。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)

27、協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。這一名稱來(lái)源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說(shuō)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、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。目前，市場(chǎng)上存在諸多無(wú)線技術(shù)，大多數(shù)的應(yīng)用目標(biāo)旨在提高所傳輸數(shù)據(jù)的速率和傳輸距離。而對(duì)于諸如工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、商業(yè)監(jiān)控、汽車電子、家庭數(shù)字控制網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用中，系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，傳輸速率低

28、，系統(tǒng)所使用的終端設(shè)備通常為采用電池供電的嵌入式設(shè)備，如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因此，這些系統(tǒng)必須要求傳輸設(shè)備具有成本低、功耗小的特點(diǎn)，針對(duì)這些特點(diǎn)和需求，由英國(guó)Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅拉公司與荷蘭飛利浦等公司在2002年共同宣布組成Zigbee技術(shù)聯(lián)盟，共同研究開(kāi)發(fā)Zigbee技術(shù)。目前該技術(shù)已吸引了上百家芯片公司、軟件開(kāi)發(fā)商、系統(tǒng)集成商等公司等的加盟，而且，這個(gè)技術(shù)聯(lián)盟還在不斷地發(fā)展壯大1.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和智能家居結(jié)合的必要性目前國(guó)智能家居控制仍多采用傳統(tǒng)控制方式，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)一般是通過(guò)有線的方式來(lái)組建的，功能需求越多安裝越復(fù)雜，它具有以下幾個(gè)弊端： 1.布線復(fù)雜，安裝

29、空間大2.電纜用量大，浪費(fèi)材料 3.系統(tǒng)功能固定，擴(kuò)展性差 4.運(yùn)行維護(hù)成本高，損耗能量 5.移動(dòng)性能差，且影響美觀 隨著Zigbee無(wú)線通訊技術(shù)的發(fā)展，智能家居行業(yè)能夠沖破這種“有線”的束縛，使民眾有望體驗(yàn)安裝簡(jiǎn)單、調(diào)試維護(hù)方便、價(jià)格合適的無(wú)線智能家居帶來(lái)的輕松、便捷的生活。隨著時(shí)間的推移，Zigbee技術(shù)將會(huì)變得越來(lái)越完善，它在智能家居的應(yīng)用也會(huì)變得越來(lái)越多，Zigbee無(wú)線智能家居將逐漸成為主流。試想一下，家居設(shè)備之間不用通過(guò)任何“線”的連接，而是通過(guò)Zigbee協(xié)議連接成一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。在家居空間，人們?cè)谌我獾胤娇梢噪S意地控制家居環(huán)境中的設(shè)備，享受智能家居帶來(lái)的愜意和輕松。新一代

30、的無(wú)線智能家居網(wǎng)絡(luò)，將以無(wú)需布線和使用相對(duì)自由，建立起人們對(duì)無(wú)線家居設(shè)備的全新體驗(yàn)和享受。它組網(wǎng)靈活，成本低廉，消除了開(kāi)槽、穿墻等繁瑣的工作程序，總體費(fèi)用低；移動(dòng)性強(qiáng)、擴(kuò)性強(qiáng)，可擺脫“線”的限制，在設(shè)定的覆蓋圍，用戶可輕松接入到家居設(shè)備網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無(wú)線家居智能家居主要具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)特征： （1）維護(hù)簡(jiǎn)單；由于沒(méi)有復(fù)雜的布線，使智能家居的系統(tǒng)維護(hù)變得非常簡(jiǎn)單，無(wú)需破壞墻面等設(shè)施就可以輕松進(jìn)行維護(hù)。 （2） 無(wú)線自動(dòng)組網(wǎng)；它能實(shí)現(xiàn)無(wú)線短距離通信傳輸，感知信息通過(guò)自組織聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息傳輸。自動(dòng)組網(wǎng)、自主修復(fù)的能力。和上一代采用315M射頻技術(shù)的智能家居系統(tǒng)相比，Zigbee可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)，免去主控機(jī)

31、和外圍設(shè)備之間的手動(dòng)對(duì)碼的麻煩，大大簡(jiǎn)化了智能家居系統(tǒng)的調(diào)試，是智能家居系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)智能化。 （3） 實(shí)現(xiàn)雙向通訊功能；Zigbee網(wǎng)絡(luò)具有雙向通訊的功能，使安防報(bào)警等需要方向通訊的模塊可以通過(guò)無(wú)線接入到智能家居系統(tǒng)，徹底擺脫布線的煩惱。 （4） 性價(jià)比高；無(wú)線家居移動(dòng)靈活、擴(kuò)性強(qiáng)，還具有低成本，低功耗的特點(diǎn)，符合“低碳生活”的綠色家居概念。（5） 安裝簡(jiǎn)易；無(wú)需復(fù)雜的布線，用一種簡(jiǎn)易的方式實(shí)現(xiàn)家庭設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)“物與物”、“人與物”之間的信息交互，進(jìn)而輕松實(shí)現(xiàn)家庭設(shè)備控制智能化。1.5 論文組織結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)要介紹了物聯(lián)網(wǎng)和智能家居的發(fā)展，以與二者結(jié)合的可能性和發(fā)展前景。介紹了基于zigbee技術(shù)的

32、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低成本、低數(shù)率、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，組網(wǎng)靈活方便，非常適合用在智能家居系統(tǒng)當(dāng)中。介紹了短距離無(wú)線技術(shù)，并將它們的優(yōu)缺點(diǎn)經(jīng)行對(duì)比，最后選擇zigbee技術(shù)應(yīng)用在智能家居系統(tǒng)當(dāng)中。介紹zigbee的三種設(shè)備以與zigbee的協(xié)議分析。第三章介紹了系統(tǒng)選用的硬件系統(tǒng)，介紹了節(jié)點(diǎn)電路，傳感器器電路、節(jié)點(diǎn)的供電電路、USB轉(zhuǎn)串口電路、擴(kuò)展接口電路等。第四章介紹了系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，介紹了協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)流程，終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)流程，介紹了燈光控制器、窗簾控制器的工作方式。第五章介紹了系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果，以與zigbee發(fā)展的前景和展望。46 / 46第2章 z

33、igbee技術(shù)介紹2.1 短距離無(wú)線通信技術(shù)對(duì)比2.1.1 zigbee的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)、家庭和樓宇的自動(dòng)化控制，將人類從有線的環(huán)境中解放出來(lái)，以取代線纜為目標(biāo)，用于無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（WPAN，Wireless Personal Area Network）圍的短距離無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)得到了迅速的發(fā)展，典型技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有藍(lán)牙（Bluetooth）、ZigBee、無(wú)線USB（WirelessUSB）、無(wú)線局域網(wǎng)Wi-Fi（IEEE 802.11b/g）等。WPAN標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.15的任務(wù)組TG4，即IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為核心的zigbee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)適用于低功耗、低速率傳輸、低成本的

34、無(wú)線傳輸和控制系統(tǒng)。國(guó)際電工協(xié)會(huì)IEEE致力于WAPN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層和媒體訪問(wèn)層的標(biāo)準(zhǔn)化工作，任務(wù)組TG1是藍(lán)牙無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)；任務(wù)組TG2是共存組，為所有工作在2.4GHz的IEEE 802.11解決共存問(wèn)題；任務(wù)組TG3是WAPN在多媒體高速率傳輸和服務(wù)品質(zhì)應(yīng)用；任務(wù)組TG4針對(duì)低俗的WAPN而制定，并成為zigbee協(xié)議的底層標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)適用于低速率數(shù)據(jù)傳輸，是zigbee、wireless和MiWi規(guī)的基礎(chǔ)，最大傳輸速率為250KBps，與目前其他成熟的無(wú)線技術(shù)比較，zigbee的缺點(diǎn)在于理論傳輸距離不到100米，但是對(duì)于家庭自動(dòng)化圍的數(shù)據(jù)采集和控制信號(hào)的傳輸來(lái)說(shuō)，綜合考

35、慮低成本、低功耗、合適的距離和速率參數(shù)，zigbee是完全可以勝任的解決方案。2.2.2短距離無(wú)線技術(shù)對(duì)比如今無(wú)線傳輸技術(shù)已日漸成熟，各種無(wú)線技術(shù)的特點(diǎn)都各有千秋，因此用戶可以根據(jù)不同的要求來(lái)選擇最適合的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。表2-1是目前主流短距離無(wú)線網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的比較：容 頻段 傳輸距離速率協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) 網(wǎng)絡(luò)大小電池壽命Bluetooth 2.4G射頻 10m1Mbps802.15.1a7較短WiFi2.4G射頻 1100m11Mbps 802.11b30 短IrDA980nm紅外 定向1m16Mbps 紅外協(xié)議2長(zhǎng)Zigbee2.4G射頻 1100m20250 K 802.15.4 255/65536最

36、長(zhǎng)由上表可知，zigbee的傳輸速率是最低的，最高速率不超過(guò)250Kbps，可見(jiàn)很適合為了家庭自動(dòng)化這類數(shù)據(jù)量較低的場(chǎng)合；電池壽命最長(zhǎng)，是通過(guò)zigbee設(shè)備大部分都處于睡眠狀態(tài)，激活工作周期很短來(lái)實(shí)現(xiàn)低功耗的；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大大超過(guò)其他短距離傳輸技術(shù)。雖然與藍(lán)牙、WiFi同處于2.4G頻段，但是并不會(huì)相互間產(chǎn)生干擾。 2.1.2藍(lán)牙藍(lán)牙技術(shù)是一種無(wú)線數(shù)據(jù)與語(yǔ)音通信的開(kāi)放性全球規(guī)，其實(shí)質(zhì)容是為固定設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備之間的通信環(huán)境建立通用的近距無(wú)線接口，將通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步結(jié)合起來(lái)，使各種設(shè)備在沒(méi)有電線或電纜相互連接的情況下，能在近距離圍實(shí)現(xiàn)相互通信或操作。其傳輸頻段為全球公眾通用的2.4GHzI

37、SM頻段，提供1Mbps的傳輸速率和10m的傳輸距離。藍(lán)牙協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)版本為802.15.1，由藍(lán)牙小組（SIG）負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)。802.15.1的最初標(biāo)準(zhǔn)基于藍(lán)牙1.1實(shí)現(xiàn)，后者已構(gòu)建到現(xiàn)行很多藍(lán)牙設(shè)備中。但藍(lán)牙技術(shù)遭遇了最大的障礙是過(guò)于昂貴，這就使得許多用戶不愿意花大價(jià)錢(qián)來(lái)購(gòu)買(mǎi)這種無(wú)線設(shè)備。2.1.3 Wi-Fi技術(shù)802.11Wi-Fi(Wireless Fidelity)即無(wú)線保真技術(shù)是另一種目前流行的技術(shù)。它使用的是2.4GHz附近的頻段。Wi-Fi基于IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g和IEEE802.11n。不僅傳輸?shù)挠行Ь嚯x很長(zhǎng)，而且速率還高達(dá)上百兆

38、，與各種802.11DSSS設(shè)備兼容。目前最新的交換機(jī)能把Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)從接近100米的通信距離擴(kuò)大到約6.5公里。另外，使用Wi-Fi的門(mén)檻較低。廠商只要在機(jī)場(chǎng)、車站、咖啡店、圖書(shū)館等人員較密集的地方設(shè)置“熱點(diǎn)”，并通過(guò)高速線路即可接入因特網(wǎng)。2.1.4 IrDAIrDA(InfraredDataAssociation)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，通信距離一般在0到1米之間，傳輸速率最快可達(dá)16Mbps，通信介質(zhì)為波長(zhǎng)900納米左右的近紅外線。其傳輸具備小角度(30度錐角以)，短距離，直線數(shù)據(jù)傳輸，性強(qiáng)，傳輸速率較高的特點(diǎn)，適于傳輸大容量的文件和多媒體數(shù)據(jù)。并且無(wú)需申請(qǐng)頻率的使用權(quán)，成本低廉

39、。IrDA已被全球圍的眾多廠商采用，目前主流的軟硬件平臺(tái)均提供對(duì)它的支持。IrDA的不足在于它是一種視距傳輸，2個(gè)相互通信的設(shè)備之間必須對(duì)準(zhǔn)，中間不能被其他物體阻隔，因而只適用于2臺(tái)(非多臺(tái))設(shè)備之間的連接。21.5 Zigbee紫蜂(ZigBee)技術(shù)，新一代的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將采用802154(ZigBee)協(xié)議。ZigBee是一種供廉價(jià)的固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無(wú)線連接技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入在各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。 Zigbee技術(shù)的特點(diǎn)主要有：(1)低速率：ZigBee工作在20250kbps的較低速率，分別提供250

40、kbps(24GHz)、40kbps(915MHz1和20kbps(868MHz)I原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。(2)低時(shí)延：ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要-10s，WiFi則需要3s。 (3)低功耗、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單：設(shè)備可以在電池的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)行數(shù)月甚至數(shù)年。低功耗意味著較高的可靠性和可維護(hù)性，更適合體積小的大量日常應(yīng)用。 (4)低成本：對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，低成本意味著較低的設(shè)備費(fèi)用、安裝費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。ZigBee設(shè)備可以在標(biāo)準(zhǔn)電池供電的條件下，而不需要任何重?fù)Q電池或充電操作(低成本、易安裝)。

41、(5)網(wǎng)絡(luò)容量高：ZigBee通過(guò)使用IEEE 802154標(biāo)準(zhǔn)的PHY和MAC層，支持幾乎任意數(shù)目的設(shè)備，這對(duì)于大規(guī)模傳感器陣列和控制尤其重要。ZigBee技術(shù)的應(yīng)用圍非常廣泛，其中包括智能建筑、軍事領(lǐng)域、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、智能家居與各種監(jiān)察系統(tǒng)等。ZigBee技術(shù)彌補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無(wú)線通信市場(chǎng)的空缺，其成功的關(guān)鍵在于豐富而便捷的應(yīng)用，而不是技術(shù)本身。2.1.6 ZigBee 技術(shù)抗干擾特性分析在人們享受方便快捷的時(shí)候，這些技術(shù)的電磁兼容問(wèn)題日益凸現(xiàn)。由于這些技術(shù)均選擇了2.4GHz（2.42.483GHz）ISM 頻段，再加上無(wú)繩和微波爐等干擾源，就使得該頻段日益擁

42、擠，2.4GHz 頻段日益受到重視，原因主要有三：首先它是一個(gè)全球性的頻段，開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品具有全球通用性；其次，它整體的頻寬勝于其他ISM 頻段，這就提高了整體數(shù)據(jù)傳輸速率，允許系統(tǒng)共存；第三就是尺寸，2.4GHz無(wú)線電和天線的體積相當(dāng)小，產(chǎn)品體積也更小。雖然每一種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都進(jìn)行了必要的設(shè)計(jì)來(lái)減小干擾的影響，但是為了能讓各種設(shè)備正常運(yùn)行，對(duì)他們之間的干擾、共存分析顯然是非常重要的。ZigBee 技術(shù)的抗干擾特性主要是指抗同頻干擾，即來(lái)自共用一樣頻段的其他技術(shù)的干擾。對(duì)于同頻干擾的抵御能力是極為重要的，因?yàn)樗苯佑绊懙皆O(shè)備的性能。ZigBee在2.4GHz頻段具備強(qiáng)抗干擾能力就意味著能夠可靠地與Wi

43、-Fi、藍(lán)牙、WirelessUSB以與家用的無(wú)繩和微波爐共存。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中提供了很多機(jī)制來(lái)保證ZigBee在2.4GHz頻段和其他無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的共存能力。IEEE802.15.4物理層在碰撞避免機(jī)制（CSMA/CA）中提供空閑信道評(píng)估（CCA，Clear Channel Assessment）的能力，即如果信道被其他設(shè)備占用，允許傳輸退出而不必考慮采用的通信協(xié)議?？臻e信道評(píng)估（CCA，Clear Channel Assessment）IEEE 802.15.4 物理層在碰撞避免機(jī)制（CSMACA）中提供CCA的能力，即如果信道被其他設(shè)備占用，允許傳輸退出而不必考慮采用的通信

44、協(xié)議。DSSS ZigBee芯片數(shù)字高頻部分，采用了直接序列擴(kuò)頻（DSSS）技術(shù)，不僅能夠非常方便的實(shí)現(xiàn)802.15.4短距離無(wú)線通訊標(biāo)準(zhǔn)兼容，而且大大提高了無(wú)線通訊的可靠性。CSMA/CA即載波偵聽(tīng)多點(diǎn)接入/避免沖撞CSMA/CA（with Collision Avoidance）。一方面，載波偵聽(tīng)-查看介質(zhì)是否空閑；另一方面，避免沖撞-通過(guò)隨機(jī)的時(shí)間等待，使信號(hào)沖突發(fā)生的概率減到最小，當(dāng)介質(zhì)被偵聽(tīng)到空閑時(shí)，優(yōu)先發(fā)送。2.1.7 小結(jié)由上述分析可知Zigbee技術(shù)的出現(xiàn)仿佛是天生為無(wú)線智能家居準(zhǔn)備的。在住宅最多100米有限圍，家庭安防、燈光控制、窗簾控制、環(huán)境監(jiān)控等實(shí)用智能家居控制網(wǎng)絡(luò)非zi

45、gbee莫屬。引以為豪的低功耗，使電池的使用壽命可以達(dá)一年之久。20250Kbps的傳輸速率足夠滿足各種數(shù)據(jù)和控制信息的傳輸。較低成本味著較低的設(shè)備費(fèi)用、安裝費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。2.2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee規(guī)定義了三種類型的設(shè)備：ZigBee協(xié)調(diào)器是啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)的一種設(shè)備。協(xié)調(diào)器可以保持間接尋址用的綁定表格，支持關(guān)聯(lián)，同時(shí)還能設(shè)計(jì)信任中心和執(zhí)行其它活動(dòng)。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)正常工作以與保持同網(wǎng)絡(luò)其它設(shè)備的通信。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)只允許有一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器。ZigBee路由器是一種支持關(guān)聯(lián)的設(shè)備，能夠?qū)⑾⑥D(zhuǎn)發(fā)到其它設(shè)備。ZigBee網(wǎng)格或樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)可以有多個(gè)ZigBee路由器。ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)不

46、支持ZigBee路由器。ZigBee終端設(shè)備可以執(zhí)行它的相關(guān)功能，并使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)到達(dá)其它需要與其通信的設(shè)備，它的存儲(chǔ)器容量要求最少，其可以實(shí)驗(yàn)ZigBee低功耗設(shè)計(jì)。上述的三種設(shè)備根據(jù)功能完整性可分為全功能(FFD)和半功能(RFD)設(shè)備。其中全功能設(shè)備可作為協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備，而半功能設(shè)備只能用于終端設(shè)備。一個(gè)全功能設(shè)備可與多個(gè)RFD設(shè)備或多個(gè)其它FFD設(shè)備通信，而一個(gè)半功能設(shè)備只能與一個(gè)FFD通信。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了消息的傳播是如何從一個(gè)節(jié)點(diǎn)路由傳輸?shù)狡渌噜徆?jié)點(diǎn)的。Zigbee支持星型、樹(shù)型、網(wǎng)絡(luò)型拓?fù)洌盒切途W(wǎng)絡(luò)是通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)向周圍鄰近節(jié)點(diǎn)傳遞消息，中心節(jié)點(diǎn)是協(xié)調(diào)器，周圍節(jié)

47、點(diǎn)是終端節(jié)點(diǎn)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)核心，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)使用一個(gè)分級(jí)路由策略在網(wǎng)絡(luò)中傳遞數(shù)據(jù)和控制信息，每一級(jí)的父節(jié)點(diǎn)是上一級(jí)的子節(jié)點(diǎn)，就像樹(shù)葉一樣繁衍，消息傳遞時(shí)先向父節(jié)點(diǎn)匯合，然后向下一級(jí)傳播；網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)與樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)不同之處在于它的某些枝葉之間可以相互連接，因此更加復(fù)雜多變。三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙缦聢D2-2所示2-2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?.3zigbee協(xié)議分析ZigBee基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4，它是IEEE無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(Personal Area Network，PAN)工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，被稱作IEEE 802.15.4(ZigBee)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee不只是802.15.4的名字，IEEE 80

48、2.15.4 定義了最低兩層：物理層和MAC 層，位于最低層，且與硬件相關(guān)；ZigBee 聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(APL)，建立在PHY 和MAC層之上，并且完全與硬件無(wú)關(guān)。分層的結(jié)構(gòu)脈絡(luò)清晰、一目了然，給設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來(lái)極大的方便。2-3ZigBee 協(xié)議?？蚣軋D2-3為ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出，ZigBee協(xié)議棧由一組子層構(gòu)成，不同層之間通過(guò)服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)進(jìn)行通信。SAP是某一特定層提供的服務(wù)，是用于下層與上層之間進(jìn)行互訪的接口。為實(shí)現(xiàn)必需的功能，每一個(gè)SAP都支持很多服務(wù)原語(yǔ)。ZigBee協(xié)議棧的大多數(shù)層有兩個(gè)接口：數(shù)據(jù)實(shí)體接口和管理實(shí)體接口。數(shù)

49、據(jù)實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)。管理實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供訪問(wèn)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的服務(wù)。2.3.1物理層協(xié)議規(guī)物理層定義了物理無(wú)線信道和 MAC 子層之間的接口，還提供物理層管理服和物理層數(shù)據(jù)服務(wù)。物理層管理服務(wù)維護(hù)一個(gè)由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫(kù)，物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無(wú)線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)。2-4物理層協(xié)議規(guī)物理層是最接近硬件的層，可以直接控制無(wú)線收發(fā)器并通信。物理層主要負(fù)責(zé)下列事件：1）啟動(dòng)和關(guān)閉無(wú)線收發(fā)器；2）選擇信道頻率；3）通過(guò)物理媒體發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；4）進(jìn)行能量檢測(cè)，評(píng)估所選信道的頻帶信號(hào)的能量，以確認(rèn)信道是否為空能否發(fā)送數(shù)據(jù)；5）生成LQI，來(lái)指示收到的數(shù)據(jù)

50、包的質(zhì)量；6）ZigBee 技術(shù)不同于其他無(wú)線技術(shù)，對(duì)于不同的國(guó)家和地區(qū)，為其提供的工作頻率圍不同，IEEE802.15.4工作在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，定義了兩個(gè)工作頻段，即2.4GHz頻段和868/915MHz頻段。在IEEE802.15.4中，總共分配了27個(gè)具有3種速率的信道：在2.4GHz頻段有16個(gè)速率為250kb/s的信道，在915MHz頻段有10個(gè)40kb/s的信道，在868MHz頻段有1個(gè)20kb/s的信道。表2-1 zigbee工作頻段信道編號(hào)中心頻率(MHz) 信道間隔(MHz)頻率上限(MHz)頻率下限(MHz)K=0 868.3 868.6 868.0 K=1,2

51、,310 906+2(k-1) 2 928.0 902.0 K=11,12,1326 2401+5(K-11) 5 2483.5 2400.0 圖2-5信道一個(gè)IEEE802.15.4可以根據(jù)ISM頻段、可用性、擁擠狀況和數(shù)據(jù)速率在27個(gè)信道中選擇一個(gè)工作信道，如圖3.3所示。從能量和成本效率來(lái)看，不同的數(shù)據(jù)速率能為不同的應(yīng)用提供較好的選擇。例如，對(duì)于有些計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備與互動(dòng)式玩具，可能需要250kb/s速率，而對(duì)于其他許多應(yīng)用，如各種傳感器、智能標(biāo)記和家用電器等，20kb/s這樣的低速率就能滿足要求。不同的數(shù)據(jù)傳輸率適用于不同的場(chǎng)合。例如：868/915MHz頻段物理層的低速率換取了較好的靈

52、敏度和較大的覆蓋面積，從而減少了覆蓋給定物理區(qū)域所需的節(jié)點(diǎn)數(shù)。2.4GHz頻段物理層的較高速率適用于較高的數(shù)據(jù)吞吐量、低延時(shí)或低作業(yè)周期的場(chǎng)合。2.3.2MAC 層協(xié)議規(guī)類似于物理層，MAC 層也提供了管理服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)。MAC 層的結(jié)構(gòu)如圖2.5 所示。圖2-6 MAC層協(xié)議MAC 層主要負(fù)責(zé)以下幾項(xiàng)功能：1) 生成并發(fā)送信標(biāo)幀（如果該設(shè)備是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器）；2) 將設(shè)備與信標(biāo)同步；3) 使用 CSMA-CA 機(jī)制訪問(wèn)信道；4) 管理時(shí)槽保障信道訪問(wèn)；5) 為兩個(gè)不同設(shè)備中對(duì)等的MAC 實(shí)體提供可靠連接；6) 支持 PAN 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)操作；7) 提供安全支持，MAC 有自己的安全進(jìn)

53、程，但使用的安全級(jí)別是由上層協(xié)議規(guī)定的。2.3.3 網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層提供數(shù)據(jù)和管理兩種服務(wù)，如圖2.6 所示。網(wǎng)絡(luò)層有自己的參數(shù)和常量所有的常量都以nwkc 開(kāi)頭，所有的參數(shù)都以nwk 開(kāi)頭并存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)層信息庫(kù)中。應(yīng)用層可以通過(guò)NLME-GET 和NLME-SET 原語(yǔ)分別對(duì)網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)層中為網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分配16 位地址，如果一個(gè)新加入的節(jié)點(diǎn)需要一個(gè)MAC 地址，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器也在網(wǎng)絡(luò)層為之分配，并保證網(wǎng)絡(luò)地址與分配給設(shè)備的16位IEEE802.15.4 的MAC 地址一樣。網(wǎng)絡(luò)層還限制了幀在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸距離，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)層的幀都帶有一個(gè)叫做半徑的參數(shù)以確定“跳”

54、數(shù)的最大值。網(wǎng)絡(luò)層的功能主要有：1）配置一個(gè)新的設(shè)備，可將其配置為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，也可嘗試加入現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)；2）啟動(dòng)一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)；3）加入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)；4）應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層安全；5）發(fā)現(xiàn)和維護(hù)設(shè)備之間的路線；6）發(fā)現(xiàn)單跳鄰居并存儲(chǔ)相關(guān)信息，單跳鄰居是不需要通過(guò)中繼服務(wù)就能直接通信的設(shè)備；7）為加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配地址，ZigBee 的終端節(jié)點(diǎn)(RFD)無(wú)此功能。2.3.4應(yīng)用層協(xié)議規(guī)應(yīng)用層是ZigBee 協(xié)議棧的最高層，由三部分組成：應(yīng)用程序支持(APS)子層、ZigBee 設(shè)備對(duì)象(ZDO)和應(yīng)用層架構(gòu)，如圖2.2 所示。APS 為網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層提供接口，如下圖2.7 所示，和其他各層類似，APS 也支持?jǐn)?shù)

55、據(jù)和管理兩種服務(wù)類型。APS 的主要功能有：1）維持綁定表；2）在綁定設(shè)備之間傳輸信息；3）管理群地址；4）把IEEE 的64 位地址映射為16 位的網(wǎng)絡(luò)地址或其逆向映射；5）支持可靠的數(shù)據(jù)傳輸。ZDO 為APS 和應(yīng)用框架提供接口，它包含所有ZigBee 協(xié)議棧的應(yīng)用函數(shù)，把ZigBee 設(shè)備配置成協(xié)調(diào)器、路由器或是終端設(shè)備就是它的功能之一。ZDO 通過(guò)原語(yǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)自身的功能，它的功能主要有：1）定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的作用，；2）發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備與其應(yīng)用；3）發(fā)出或響應(yīng)綁定要求；4）執(zhí)行與安全相關(guān)的任務(wù)。第三章 硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，主要由協(xié)調(diào)器

56、和若干個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成，具體組成網(wǎng)絡(luò)如下圖3.1所示。其中協(xié)調(diào)器是其中協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的核心，由它主導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的建立，監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。協(xié)調(diào)器應(yīng)配置較多的存儲(chǔ)空間，完成網(wǎng)絡(luò)初始化、數(shù)據(jù)采集、程序存儲(chǔ)、設(shè)備控制等功能。協(xié)調(diào)器與PC 機(jī)相連，通過(guò)PC 機(jī)串口來(lái)保存和顯示相應(yīng)信息。圖3-1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式終端節(jié)點(diǎn)則都是功能不同的傳感器節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集各種環(huán)境參數(shù)，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。該系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)主要包括光強(qiáng)度和溫濕度監(jiān)測(cè)模塊等，終端節(jié)點(diǎn)只能與協(xié)調(diào)器或路由器進(jìn)行通信，相互之間不能直接通信，但可以實(shí)現(xiàn)間接通信。3.2 核心部件的設(shè)計(jì)要求3.2.1 處理器模塊的要求在計(jì)算機(jī)家都知道處理器被稱為

57、計(jì)算機(jī)的大腦，它是整臺(tái)計(jì)算機(jī)的控制中樞系統(tǒng)，也是邏輯部分的控制核心。在本設(shè)計(jì)當(dāng)中的處理器模塊需要設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、能量計(jì)算和功能協(xié)調(diào)、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)程序的功能。在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中所以處理器的選擇至關(guān)重要的，需要綜合權(quán)衡。近些年處理器市場(chǎng)非?；钴S，但是大多不符合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用的處理器應(yīng)當(dāng)滿足以下要求（1）尺寸盡量小。處理器的尺寸往往決定了整個(gè)節(jié)點(diǎn)的尺寸，對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)節(jié)點(diǎn)要求體積足夠小，保證節(jié)點(diǎn)對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)本身的特性不會(huì)造成影響，或者造成的影響可以忽略不計(jì)。（2）集成度盡量高。選擇集成程序存儲(chǔ)器、靜態(tài)存儲(chǔ)器、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器、ADC轉(zhuǎn)換器等多種功能于一身的處理器，會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的處理器外圍電路簡(jiǎn)單簡(jiǎn)潔，使用很少的外圍擴(kuò)展原件便可以實(shí)現(xiàn)電路功能。所以一般都選擇片上系統(tǒng)(SOC)作為傳感器節(jié)點(diǎn)的處理器。且集成度高使得電路可靠性較高