基于ZigBee技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大連海事大學(xué)┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊畢業(yè)論文二○一四年六月基于ZigBee技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)班級：通信工程2班姓名：羅景元指導(dǎo)教師：譚克俊信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院摘要近年來隨著無線通信、計(jì)算機(jī)傳感技術(shù)的飛速開展和融合，無線傳感網(wǎng)技術(shù)〔WSN〕應(yīng)運(yùn)而生，而Zigbee以其低本錢、低數(shù)據(jù)速率、超低功耗的特點(diǎn)滿足了當(dāng)前無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用與普及。本論文研究課題是基于Zigbee的無線溫度采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以應(yīng)用到智能家居領(lǐng)域從而節(jié)省人力和能源，具有非常廣闊的應(yīng)用前景和研究價(jià)值。文章首先介紹了Zigbee技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過介紹無線溫度采集系統(tǒng)的根本原理，制定系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。進(jìn)而完成了對控制模塊、終端節(jié)點(diǎn)相關(guān)軟硬件的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立了一個(gè)主節(jié)點(diǎn)與多個(gè)從節(jié)點(diǎn)搭建的自組網(wǎng)，來實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。通過數(shù)字溫度傳感器SHT11采集溫度數(shù)據(jù)，在Zigbee終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)設(shè)定好的路由協(xié)議多跳上傳至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將收集到的溫度數(shù)據(jù)處理由串口線路傳給上位PC機(jī)，在PC機(jī)上的串口終端上實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測收集到的數(shù)據(jù)。最后對傳感器模塊硬件電路、無線收發(fā)模塊硬件電路以及整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了測試，結(jié)果顯示系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，驗(yàn)證了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性。關(guān)鍵詞：無線通信；無線傳感網(wǎng)；ZigBee；溫度采集ABSTRACTInrecentyears,withtherapiddevelopmentofwirelesscommunications,computersensingtechnologyandthefusion,wirelesssensornetworktechnology(WSN)arisesatthehistoricmoment.knownforitslowcost,thecharacteristicsofthelowdatarate,lowpowerconsumptionZigbeesatisfythecurrentapplicationsofwirelesssensornetworktechnologyandpopularization.ThisthesisresearchtopicisbasedontheZigbeewirelesstemperatureacquisitionsystem,Thesystemcanbeappliedtothefieldofintelligenthouseholdsavingmanpowerandenergy.ithasverybroadapplicationprospectsandresearchvalue.ThispaperintroducestheZigbeetechnologyandthenetworktopology,Throughtheintroductionofthebasicprincipleofwirelesstemperatureacquisitionsystem,thesystemoveralldesignscheme,Thencompletedthecontrolmodule,terminalnoderelatedhardwareandsoftwaredesign.SystemUSESthestarnetworktopologystructure,setupamasternodeandmultipleslavenodessetupad-hocnetwork,torealizewirelessdatatransmission.ThroughdigitaltemperaturesensorSHT11temperaturedatacollectedinZigbeeterminalnodesaccordingtosetgoodroutingprotocoljumpuploadedtothecoordinatornode,ThecoordinatornodewillbecollectedbythetemperaturedataprocessingbyaseriallinetotheupperPC,anddisplayedinrealtimeonPCserialportterminalmonitoringdatacollected.Attheendofthesensormodule,wirelesstransceivermodulehardwarecircuitandthewholesystemistested,theresultsshowthatthesystemrunsstably,verifythefeasibilityofthesystemdesign.KEYWORDS:wirelesscommunication;Wirelesssensornetwork；ZigBee；temperatureacquisition目錄TOC\o"1-4"\h\u21525第1章緒論1284361.1課題背景與意義136831.2無線溫度采集的現(xiàn)狀與未來展望139721.3論文的主要研究內(nèi)容27973第2章Zigbee技術(shù)4262752.1Zigbee技術(shù)簡介4242472.1.1Zigbee是什么4137612.1.2Zigbee的優(yōu)勢4128022.1.3Zigbee的主要特性5152532.2Zigbee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)5236872.3ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)7221722.3.1星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)7204322.3.2樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)8295152.3.3Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)8192682.4IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)9279222.4.1物理層標(biāo)準(zhǔn)10306352.4.2MAC層標(biāo)準(zhǔn)1169第3章溫度采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)13173963.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)1372613.2硬件設(shè)計(jì)14135553.2.1系統(tǒng)硬件平臺(tái)148496ZigBee通信模塊15102823.2.3通信模塊電路設(shè)計(jì)16100083.3溫濕度數(shù)據(jù)采集原理18189193.4溫濕度傳感器SHT101912576第4章溫度采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)21166944.1系統(tǒng)軟件平臺(tái)概述21249974.2Z-Stack2007協(xié)議棧軟件22267424.2.1Z-Stack軟件架構(gòu)22197384.2.2Z-Stack軟件流程24244734.3程序設(shè)計(jì)259164第5章總結(jié)2927985參考文獻(xiàn)3029397致謝32基于Zigbee技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)第1章緒論1.1課題背景與意義在過去20年里，互聯(lián)網(wǎng)〔Internet〕極大地方便和改變了我們的生活。就我們所熟知的幾種短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)有：WIFI〔無線寬帶接入〕、Bluetooth〔藍(lán)牙〕、ZigBee等無線技術(shù)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都有它在特定領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。溫度是日常生活中一種最根本的環(huán)境參數(shù)，自然界中幾乎所有的物理化學(xué)過程都與溫度緊密相關(guān)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中需要實(shí)時(shí)測量溫度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中離不開溫度的測量，在家庭生活中也是處處離不開溫度的采集監(jiān)控。因此研究溫度測量與采集的方法及其相關(guān)硬件設(shè)備具有重要的意義，而采集測量溫度的關(guān)鍵就是溫度傳感器。溫度傳感器，使用范圍廣，數(shù)量多，居各種傳感器之首。溫度傳感器的開展大致經(jīng)歷了以下3個(gè)階段:①傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器，②模擬集成溫度傳感器，③智能集成溫度傳感器[3].目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式，從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速開展。使用以無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為根底的應(yīng)用系統(tǒng)，進(jìn)行溫度等數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)姆绞揭呀?jīng)出現(xiàn)在社會(huì)生活生產(chǎn)的每一個(gè)方面，溫度等數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確度在影響生產(chǎn)效益的同時(shí)也逐步引起了社會(huì)各界的重視[24]。本系統(tǒng)選擇Zigbee無線通信模塊結(jié)合數(shù)字溫濕度傳感器SHT10進(jìn)行溫度的采集測量具有很好的通用型與擴(kuò)展性。1.2無線溫度采集的現(xiàn)狀與未來展望傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸三種功能。它與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)wirelesssensornetwork〔即WSN〕是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中它可以大幅降低檢查設(shè)備的本錢，同時(shí)由于可以提前發(fā)現(xiàn)問題，因此將能夠縮短停機(jī)時(shí)間，提高效率，并延長設(shè)備的使用時(shí)間[19]。盡管無線傳感器技術(shù)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)的開展和推進(jìn)，一定會(huì)得到更大的應(yīng)用。1.3論文的主要研究內(nèi)容本論文旨在開發(fā)一個(gè)基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)無線溫度采集控制系統(tǒng)。系統(tǒng)整體主要由ZigBee網(wǎng)絡(luò)組成，負(fù)責(zé)無線傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部數(shù)據(jù)的采集和傳輸。利用溫度傳感器采集來的溫度數(shù)據(jù)，通過Zigbee自組網(wǎng)技術(shù)經(jīng)由終端節(jié)點(diǎn)上傳給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)整理信息再通過串口通信上傳給上位機(jī)〔PC機(jī)〕，以此對溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控?；谏鲜黾軜?gòu)的溫度采集及控制系統(tǒng)具有如下的特點(diǎn)：首先，ZigBee作為一種新興的無線通信技術(shù)，它的組網(wǎng)靈活與低本錢等特點(diǎn)解決了傳統(tǒng)有線連接方式布線繁瑣、擴(kuò)展性和移植性差的缺點(diǎn)；其次，ZigBee技術(shù)的低功耗特點(diǎn)使采集控制節(jié)點(diǎn)可采用電池供電適于放置在一些無固定電源的監(jiān)控環(huán)境中。最后Zigbee標(biāo)準(zhǔn)有助于降低應(yīng)用本錢。和其他標(biāo)準(zhǔn)，如IEEE802.11相比，滿足Zigbee和IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的最低需求相對簡單，這同時(shí)也降低了Zigbee收發(fā)器的復(fù)雜度和本錢[16]。本論文的主要研究內(nèi)容可概括如下：學(xué)習(xí)TIZStack2007協(xié)議棧內(nèi)容，掌握CC2530模塊無線組網(wǎng)原理及過程。學(xué)習(xí)基于Zstack協(xié)議棧的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法。熟悉有關(guān)Zstack2007協(xié)議棧的具體內(nèi)容。閱讀SHTX0溫濕度傳感器芯片文檔，熟悉該傳感器的使用及時(shí)序操作。使用IAR開發(fā)環(huán)境程序設(shè)計(jì)，Zstack——1.4.0協(xié)議棧源碼例程SampleApp工程根底上，實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)及通訊。即協(xié)調(diào)器自動(dòng)組網(wǎng)，終端節(jié)點(diǎn)(附帶溫濕度傳感器)自動(dòng)入網(wǎng)，并采集溫濕度數(shù)據(jù)播送傳輸，協(xié)調(diào)器接收到信息后將溫濕度數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給PC計(jì)算機(jī)顯示。以此實(shí)現(xiàn)基于Zstack協(xié)議棧的數(shù)據(jù)無線透明傳輸。第2章Zigbee技術(shù)2.1Zigbee技術(shù)簡介2.1.1Zigbee是什么ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低本錢的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反響時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用[1]?！癦igbee〞一詞源自于蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時(shí)，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，傳遞所發(fā)現(xiàn)新食物源的位置、距離和方向等信息。可以說，是一種小的動(dòng)物通過簡捷的方式實(shí)現(xiàn)“無線〞溝通，人們借此來稱呼這種專注于低功耗、低本錢、低復(fù)雜度、低速率的近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[2]。形象的描述Zigbee：它是一種簡單的東西，其核心是多信道無線通信裝置和微控制器它們都被集成在一兩塊半導(dǎo)體芯片上，封裝在如同小指甲蓋大小的塑料制品里面。簡言之，Zigbee就是一種廉價(jià)的、低功耗的近距離無線組網(wǎng)通信技術(shù)。2.1.2Zigbee的優(yōu)勢首先，各種不同功能的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要能相互相交流、相互溝通，就需要保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的互通性，即網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化。其次各種功能的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相互間可以在任意節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行通信。這就需要管理越來越復(fù)雜的無線網(wǎng)絡(luò)，這樣一來，產(chǎn)品的局部設(shè)計(jì)被標(biāo)準(zhǔn)化，顯著減小了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工作量，有利于縮短產(chǎn)品上市周期。可以這樣說，按照Zigbee標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)出來的檢測和控制產(chǎn)品，與那些使用其他無線標(biāo)準(zhǔn)〔如Bluetooth和WiFi〕的產(chǎn)品相比，安裝更容易，功耗更低；特別是在處理遠(yuǎn)程監(jiān)測及控制系統(tǒng)中，其區(qū)別更加明顯。這種基于標(biāo)準(zhǔn)的低功率技術(shù)特別適合樓宇自動(dòng)化、成套照明、通風(fēng)及自動(dòng)調(diào)溫系統(tǒng)，降低工業(yè)控制和傳感器應(yīng)用的安裝和維護(hù)本錢。2.1.3Zigbee的主要特性1.自動(dòng)組網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)容量大。Zigbee網(wǎng)絡(luò)可容納多達(dá)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)之間都可進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。網(wǎng)絡(luò)有星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在有模塊參加和撤出時(shí)，網(wǎng)絡(luò)具有自動(dòng)修復(fù)功能。2.網(wǎng)絡(luò)時(shí)延短。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。相比擬,藍(lán)牙需要3～10s、WiFi需要3s。3.模塊功耗低,通訊速率低。模塊最有較小的發(fā)送接收電流,支持多種睡眠模式,一個(gè)10AH的電池,在Zigbee水表中可使用8年.Zigbee通訊速度最高可達(dá)250Kbps,適合用于設(shè)備間的數(shù)據(jù)通訊，不太適合用于聲音、圖像的傳送。4.傳輸距離可擴(kuò)展。舉例DIGI的XBEE增強(qiáng)型模塊，相鄰模塊通訊距離可達(dá)1.6Km,有效距離范圍內(nèi)的模塊自動(dòng)組網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)可自由通訊,這樣傳輸距離得到了擴(kuò)展.5.本錢低。Zigbee模塊工作于2.4G全球免費(fèi)頻段,故只需要先期的模塊費(fèi)用,無需支付持續(xù)使用費(fèi)用.假設(shè)采用豐寶代理的DIGI公司的Zigbee模塊,那么可無需再次開發(fā),通過TTL的RX,TX便可進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送接收,大量減少了產(chǎn)品開發(fā)周期,獲得了更好的市場先機(jī).6.可靠性好,平安性高。Zigbee具有可靠的發(fā)送接收握制,可靠地保證了數(shù)據(jù)的發(fā)送接收,另Zigbee采用AES128位密鑰,保證數(shù)據(jù)發(fā)送的平安性。2.2Zigbee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)1、物理層物理層由半雙工的無線收發(fā)器及其接口組成，主要作用是激活和關(guān)閉射頻收發(fā)器；檢測信道的能量；顯示收到數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量；空閑信道評估；選擇信道頻率；數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。2、媒體訪問控制層媒體訪問控制〔MAC〕層建立了一條節(jié)點(diǎn)和與其相鄰的節(jié)點(diǎn)之間可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，共享傳輸媒體，提高通信效率。在協(xié)調(diào)器的MAC層，可以產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，同步網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)；支持Zigbee設(shè)備的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)；支持設(shè)備加密；在信道訪問方面，采用CSMA/CA信道退避算法，減少了碰撞概率；確保時(shí)隙分配〔GTS〕；支持信標(biāo)使能和非信標(biāo)使能兩種數(shù)據(jù)傳輸模式，為兩個(gè)對等的MAC實(shí)體提供可靠連接。3、網(wǎng)絡(luò)層基于底層的可靠通信，提供路由、路由發(fā)現(xiàn)、多跳、轉(zhuǎn)發(fā)的功能。Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以組成星型、簇樹型或MESH型網(wǎng)絡(luò)。對于終端節(jié)點(diǎn)而言，網(wǎng)絡(luò)層的功能只是參加和離開網(wǎng)絡(luò)；對于路由器而言，網(wǎng)絡(luò)層的功能是信息的轉(zhuǎn)發(fā)，路由發(fā)現(xiàn)，建立和維護(hù)路由表和鄰居表，以及構(gòu)造到某節(jié)點(diǎn)的路由任務(wù)；而協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)主要包括啟動(dòng)和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)正常工作，為新參加的節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址。4、應(yīng)用層應(yīng)用層包括三局部：應(yīng)用支持子層〔APS〕、Zigbee設(shè)備對象〔ZDO〕和應(yīng)用框架〔AF〕應(yīng)用支持子層的任務(wù)是提取網(wǎng)絡(luò)層的信息并將信息發(fā)送到運(yùn)行在節(jié)點(diǎn)上的不同應(yīng)用端點(diǎn)。Zigbee設(shè)備對象負(fù)責(zé)設(shè)備的所有管理工作，包括設(shè)定該設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色〔協(xié)調(diào)器、路由器或終端設(shè)備〕，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，確定這些設(shè)備能提供的功能，發(fā)起或響應(yīng)綁定請求，完成設(shè)備之間建立平安的關(guān)聯(lián)等。AF應(yīng)用框架是應(yīng)用層與APS層的接口。它負(fù)責(zé)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并為接收到的數(shù)據(jù)尋找相應(yīng)的目的端點(diǎn)。2.3ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)，可以根據(jù)實(shí)際工程需要來選擇適宜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。2.3.1星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星形拓?fù)涫亲詈唵蔚囊环N拓?fù)湫问?，他包含一個(gè)Co-ordinator〔協(xié)調(diào)者〕節(jié)點(diǎn)和一系列的EndDevice〔終端〕節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)EndDevice節(jié)點(diǎn)只能和Co-ordinator節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊?？梢詮膱D2.1發(fā)現(xiàn)，如果需要在兩個(gè)EndDevice節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通訊必須通過Co-ordinator節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的轉(zhuǎn)發(fā)。這種拓?fù)湫问降娜秉c(diǎn)是節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)路由只有唯一的一個(gè)路徑。Co-ordinator〔協(xié)調(diào)者〕有可能成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。實(shí)現(xiàn)星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳恍枰褂肸igBee的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，但是這需要開發(fā)者在應(yīng)用層作更多的工作，包括自己處理信息的轉(zhuǎn)發(fā)。圖2.1形狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2.3.2樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)樹形拓?fù)浒ㄒ粋€(gè)Co-ordinator〔協(xié)調(diào)者〕以及一系列的Router〔路由器〕和EndDevice〔終端〕節(jié)點(diǎn)。Co-ordinator連接一系列的Router和EndDevice,他的子節(jié)點(diǎn)的Router也可以連接一系列的Router和EndDevice.這樣可以重復(fù)多個(gè)層級。樹形拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)如圖2.2所示。圖2.2樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)樹形拓?fù)渲械耐ㄓ嵰?guī)那么：每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都只能和他的父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)之間通訊。如果需要從一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，那么信息將沿著樹的路徑向上傳遞到最近的祖先節(jié)點(diǎn)然后再向下傳遞到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。這種拓?fù)浞绞降娜秉c(diǎn)就是信息只有唯一的路由通道。另外信息的路由是由協(xié)議棧層處理的，整個(gè)的路由過程對于應(yīng)用層是完全透明的。2.3.3Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Mesh拓?fù)?網(wǎng)狀拓?fù)?包含一個(gè)Co-ordinator和一系列的Router和EndDevice。這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问胶蜆湫瓮負(fù)湎嗤?；可以參考上面所提到的樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹５?，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂懈屿`活的信息路由規(guī)那么，在可能的情況下，路由節(jié)點(diǎn)之間可以直接的通訊。這種路由機(jī)制使得信息的通訊變得更有效率，而且意味這一旦一個(gè)路由路徑出現(xiàn)了問題，信息可以自動(dòng)的沿著其他的路由路徑進(jìn)行傳輸。網(wǎng)狀拓?fù)涞氖疽鈭D如圖2.3所示。圖2.3網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常在支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)上，網(wǎng)絡(luò)層會(huì)提供相應(yīng)的路由探索功能，這一特性使得網(wǎng)絡(luò)層可以找到信息傳輸?shù)淖顑?yōu)化的路徑。需要注意的是，以上所提到的特性都是由網(wǎng)絡(luò)層來實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用層不需要進(jìn)行任何的參與。MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的功能，網(wǎng)絡(luò)可以通過“多級跳〞的方式來通信；該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈功能。2.4IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)作為低速無線個(gè)域網(wǎng)〔LR—WPAN〕技術(shù)，Zigbee協(xié)議棧的物理、MAC層即是IEEE802.15.4協(xié)議。它是具有低復(fù)雜度、應(yīng)用本錢小、設(shè)備功耗低等優(yōu)勢，能在低本錢設(shè)備之間進(jìn)行低速率信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)。表2.1是IEEE802.15.4的主要協(xié)議框架。表2.1IEEE802.15.4主要協(xié)議框架應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層MAC層868/915PHY層2.4PHY層2.4.1物理層標(biāo)準(zhǔn)物理層(PHY)給出了兩種類型的效勞：管理效勞和數(shù)據(jù)效勞。物理層主要完成以下幾項(xiàng)任務(wù)：開啟和關(guān)閉無線收發(fā)信機(jī)、能量檢測〔ED〕、鏈路質(zhì)量指示〔LQI〕、空閑信道評估〔CCA〕、信道選擇、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。IEEE802.15.4物理層定義了868MHz、915MHz和2.4GHz三個(gè)頻段。在這三個(gè)頻段上物理層一共劃分了27個(gè)信道，信道編號k為0~26。2450MHz頻段上劃分了16個(gè)信道，915MHz頻段上有10個(gè)信道，868MHz頻段只有1個(gè)信道。27個(gè)信道的中心頻率和對應(yīng)的信道編號定義如公式〔2.1〕所示。(2.SEQ公式2-\*ARABIC1)其中k——信道號；Fc——頻段〔MHz〕物理層通過射頻固件和射頻硬件提供了一個(gè)從MAC層到物理層無線信道的接口。在物理層中，包含一個(gè)物理層管理實(shí)體〔PLME〕，該尸體通過點(diǎn)用物理層的管理功能函數(shù)，為物理層管理效勞提供其接口，同時(shí)，還負(fù)責(zé)維護(hù)由物理層所管理的目標(biāo)數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包含有物理層個(gè)域網(wǎng)絡(luò)的根本信息。物理層的接口結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。圖2.4物理層接口結(jié)構(gòu)2.4.2MAC層標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)鏈路層分為邏輯鏈路控制子層〔LLC〕和介質(zhì)接入控制子層〔MAC〕。MAC子層提供兩種效勞：MAC層數(shù)據(jù)效勞和MAC層管理效勞〔MACsublayermanagemententity,MLME〕。前者保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)效勞中的正確收發(fā)，后者維護(hù)一個(gè)存儲(chǔ)MAC子層協(xié)議狀態(tài)相關(guān)信息的數(shù)據(jù)庫。MAC子層主要負(fù)責(zé)以下幾項(xiàng)任務(wù)：協(xié)調(diào)器產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)；信標(biāo)同步；支持PAN關(guān)聯(lián)和解關(guān)聯(lián)；CSMA—CA信道訪問機(jī)制；處理和維護(hù)保證時(shí)隙〔GTS〕機(jī)制；在兩個(gè)對等MAC實(shí)體間提供可靠鏈路。MAC層參考模型如圖2.5所示。圖2.5MAC層參考模型MAC幀的根本組成局部如表2.2所示。(1)MAC幀頭MHR，它包含幀控制域、序列號和地址信息。(2)MAC凈載荷子域(動(dòng)態(tài)長度)，幀的類型是由包含在其內(nèi)部的信息來確定的。凈載荷子域不包含在應(yīng)答信號幀內(nèi)。(3)MAC，其中含有單個(gè)幀校驗(yàn)的序列(FCS)。表2.2MAC幀格式2byte1byte0/2/8byte0/2byte0/2/8byte0/2/8byte可變2/byte幀控制序列號目的PAN標(biāo)示符目的地址源PAN標(biāo)示符源地址幀凈載荷FCS地址域MHRMAC凈載荷MFR無線溫度采集系統(tǒng)的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)配置由單個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與N個(gè)終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，在星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的所有終端溫度采集設(shè)備都只能夠和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對應(yīng)的雙向通信，為了實(shí)現(xiàn)該功能，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)需要保存N個(gè)終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的16位網(wǎng)絡(luò)短地址，這就要求每個(gè)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)在入網(wǎng)請求得到允許以后，把16位網(wǎng)絡(luò)短地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立地址表，以滿足用戶對于特定區(qū)域采集數(shù)據(jù)的需求。低速率無線個(gè)人局域網(wǎng)的物理層和媒體接入控制協(xié)議MAC數(shù)據(jù)包最長為127個(gè)字節(jié)，所有的數(shù)據(jù)包的信息組成都是由16CRC值以及頭字節(jié)組成，在數(shù)據(jù)傳輸過程里我們設(shè)置了ACK標(biāo)志位為1的幀，以此作為應(yīng)答傳輸機(jī)制的信號幀，假設(shè)在規(guī)定時(shí)間里仍然沒有收到反響回來的應(yīng)答信號，就說明終端溫度采集節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)異常。第3章溫度采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)無線溫度采集系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)有線的溫度傳感系統(tǒng)布線繁瑣，監(jiān)測過程受限的缺點(diǎn)。而基于Zigbee的這種短距離無線通信系統(tǒng)以其低功耗、高性價(jià)比，系統(tǒng)安裝維護(hù)便捷，而且該系統(tǒng)擁有擺脫數(shù)據(jù)采集監(jiān)測過程上空間限制，可應(yīng)用到更多場合中。3.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)無線傳感器溫度采集系統(tǒng)主要由PC機(jī)、ZigBee協(xié)調(diào)器和放置在各處的溫濕度采集節(jié)點(diǎn)——ZigBee終端設(shè)備組成。協(xié)調(diào)器自動(dòng)組網(wǎng)傳感器終端節(jié)點(diǎn)自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建星形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)較為簡化，僅由一個(gè)CC2530模塊，F(xiàn)lash存儲(chǔ)和數(shù)字SHT10溫度傳感器組成，各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)被初始化為無信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備。終端設(shè)備上電復(fù)位后，便啟動(dòng)搜索指定信道上的PAN協(xié)調(diào)器，并發(fā)送連接請求，終端設(shè)備在成功入網(wǎng)后，啟動(dòng)休眠定時(shí)器，間隔10秒鐘喚醒一次，醒來后使用一種簡單的非時(shí)隙CSMA-CA，通過競爭機(jī)制取得信道使用權(quán)，通過PC機(jī)向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求數(shù)據(jù)[20]。利用模塊上的溫度傳感器模塊采集環(huán)境溫度，并上傳給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，而后立即再次進(jìn)入休眠狀態(tài)，以到達(dá)最少能耗來延長電源續(xù)航時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)搜集各溫度采集節(jié)點(diǎn)的信息，并將信息快速的通過RS232串口按事先定義好的格式上傳PC機(jī)，隨即解析并顯示出來。上位機(jī)監(jiān)控界面可以用來監(jiān)控溫度傳感器模塊的工作狀態(tài)，在監(jiān)控界面上通過讀取所有溫度采集節(jié)點(diǎn)的地址以及它們的溫度數(shù)據(jù)來預(yù)判溫度走勢。圖3.1例如了Zigbee系統(tǒng)的組網(wǎng)模式。圖3.1Zigbee系統(tǒng)傳感網(wǎng)例圖該實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的功能主要是協(xié)調(diào)器自啟動(dòng)(組網(wǎng))，節(jié)點(diǎn)設(shè)備自動(dòng)入網(wǎng)。之后兩者建立無線通訊，數(shù)據(jù)的發(fā)送主要有2種方式，一種為周期定時(shí)發(fā)送信息(本次實(shí)驗(yàn)采用該方法測試)，另一種需要通過按鍵事件觸發(fā)發(fā)送FLASH信息。由于實(shí)驗(yàn)配套ZIGBEE模塊硬件上與TI公司的ZIGBEE樣板有差異，因此本次實(shí)驗(yàn)沒有采用按鍵觸發(fā)方式。而是采用周期定時(shí)播送的方式來發(fā)送ZIGBEE節(jié)點(diǎn)端采集到的溫濕度數(shù)據(jù)。3.2硬件設(shè)計(jì)3.2.1系統(tǒng)硬件平臺(tái)無線溫度傳感網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺(tái)如圖3.2所示，由于終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)僅僅在傳感器模塊跟串口通信模塊上的差異，所以這里拿出協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊介紹該模塊上的各個(gè)主要的電路局部設(shè)計(jì)。圖3.2系統(tǒng)硬件平臺(tái)ZigBee通信模塊ZigBee通信模塊采用德州儀器〔TexasInstrument〕公司的CC2530通信芯片。CC2530是挪威Chipcon公司的一款真正符合IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的片上ZigBee產(chǎn)品。CC2530采用Chipcom公司最新的SmaitRF03技術(shù)和0.18μmCMOS工藝制造，采用7×7mmQLP48封裝。該芯片除了包括RF收發(fā)器外，還集成了加強(qiáng)型805lMCU、32/64/128kB的Flash內(nèi)存、8KB的RAM、ADC、DMA和看門狗等。CC2530工作在2.4GHz頻段，采用低電壓(2.O～3.6V)供電，且功耗很低(接收數(shù)據(jù)時(shí)為27mA，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)為25mA)、靈敏度高(-97dBm)、最大輸出為24dBm、最大傳送速率為250kb/s。CC2530的外圍元件數(shù)目很少，它使用非平衡天線，因?yàn)檫B接非平衡變壓器可使天線性能更好。CC2530無線單片機(jī)在待機(jī)時(shí)的電流消耗僅0.2μA，在32kHz晶體時(shí)鐘下運(yùn)行時(shí)的電流消耗小于1μA。因此，使用小型電池壽命可以長達(dá)10年[13]。3.2.3通信模塊電路設(shè)計(jì)由于CC2530芯片的高集成度，設(shè)計(jì)通信模塊的外圍電路時(shí)僅需少量外圍元件即可完成數(shù)據(jù)處理和傳輸功能，可顯著降低系統(tǒng)本錢。圖3.3出了CC2530芯片的外圍電路，主要由電源模塊、晶振電路、天線電路等局部組成。圖3.3CC2530芯片外圍電路在硬件設(shè)計(jì)上它采用流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期降到1個(gè)，因此指令執(zhí)行速度有很大的提高。具有64個(gè)I/O引腳,每個(gè)端口都可以配置成推挽或漏極開路輸出，可以滿足本系統(tǒng)IO口需要。該芯片除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)之外，片內(nèi)還集成了許多有用的模擬和數(shù)字外設(shè)及功能部件，如模擬多路開關(guān)、可編程增益放大器、ADC、DAC、電壓比擬器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、看門狗定時(shí)器等,支持在系統(tǒng)編程和調(diào)試等，本系統(tǒng)主控單元由單片機(jī)與CC2530共同完成數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、顯示。串口電路用于CC2530將接收到的數(shù)據(jù)傳送給上位工控機(jī)，由于上位工控機(jī)與CC2530的電平不一致，所以需要一個(gè)MAX232電平轉(zhuǎn)換電路[8]。該節(jié)點(diǎn)由無線收發(fā)器CC2530、射頻天線RF、電源模塊、晶振電路和串口電路組成。RF的輸入/輸出是高阻和差動(dòng)的，用于RF口最適宜的差動(dòng)負(fù)載是(115+j180)Ω。當(dāng)使用不平衡天線(例如單極天線)時(shí)，為了優(yōu)化性能，應(yīng)當(dāng)使用不平衡變壓器。不平衡變壓器可以運(yùn)行在使用低本錢的單獨(dú)電感器和電容器的場合。電源模塊用于CC2530的數(shù)字I/O和局部模擬I/O的供電，供電電壓為2.0～3.6V。CC2530可以同時(shí)接32MHz和32.768kHz的兩種頻率的晶振電路，以滿足不同的要求。外設(shè)與CC2530的連接非常簡單，僅需一根接口線，接口十分方便。由于每片DSl8820均有唯一的產(chǎn)品序列號，所以允許在單總線上掛接數(shù)十至上百片數(shù)字式傳感器，并可以非常方便地構(gòu)成多路溫度測量系統(tǒng)。3.3溫濕度數(shù)據(jù)采集原理溫濕度探頭直接使用IIC接口進(jìn)行控制。其電路原理圖如圖3.4所示圖3.4溫濕度傳感器硬件接口電路ZIGBEE(CC2530)模塊硬件上設(shè)計(jì)有2個(gè)LED燈，用來編程調(diào)試使用。分別連接CC2530的P1_0、P、1_1兩個(gè)IO引腳。從原理圖上可以看出，2個(gè)LED燈共陽極，當(dāng)P1_0、P1_1引腳為低電平時(shí)候，LED燈點(diǎn)亮。系統(tǒng)配套的溫濕度傳感器，與ZIGBEE模塊的J5排線相連，這樣我們可以知道，溫濕度傳感器模塊的時(shí)鐘線與ZIGBEE模塊的P0_0IO引腳相連，溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)線與P0_1IO引腳相連。因此我們需要在代碼中將相應(yīng)引腳進(jìn)行輸入輸出控制模擬該傳感器時(shí)序，來監(jiān)測溫濕度傳感器狀態(tài)。3.4溫濕度傳感器SHT10SHT10是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全標(biāo)定的數(shù)字輸出。它采用專利的CMOSens技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容性聚合體測濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上，與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無縫連接。SHT10引腳特性如下：1.VDD，GNDSHT10的供電電壓為2.4~5.5V。傳感器上電后，要等待11ms以越過“休眠〞狀態(tài)。在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳〔VDD，GND〕之間可增加一個(gè)100nF的電容，用以去耦濾波。2.SCK用于微處理器與SHT10之間的通訊同步。由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，因而不存在最小SCK頻率。3.DATA三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。DATA在SCK時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時(shí)鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK時(shí)鐘高電平時(shí)，DATA必須保持穩(wěn)定。為防止信號沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng)DATA在低電平。需要一個(gè)外部的上拉電阻〔例如：10kΩ〕將信號提拉至高電平。上拉電阻通常已包含在微處理器的I/O電路中[26]。第4章溫度采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)軟件平臺(tái)概述本系統(tǒng)所用的開發(fā)環(huán)境是IAR7.51，采用的協(xié)議棧為TI的Z-STACK——1.4.0協(xié)議棧。Z—Stack采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建，采用事件輪詢機(jī)制，當(dāng)各層初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，喚醒系統(tǒng)，開始進(jìn)入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式，如果同時(shí)有幾個(gè)事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級，逐次處理事件。整個(gè)Z—Stack的主要工作流程，大致分為系統(tǒng)啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)初始化，OSAL初始化和啟動(dòng)[16]。進(jìn)入任務(wù)輪循幾個(gè)階段系統(tǒng)將協(xié)調(diào)器通過串口RS232和上位機(jī)〔PC機(jī)〕相連，溫度傳感器參加由數(shù)據(jù)會(huì)聚模塊組成的網(wǎng)絡(luò)后，可以將工作模式配置為靜態(tài)模式〔設(shè)置溫度傳感器采集的速率，傳感器采集溫度數(shù)據(jù)后不存儲(chǔ)直接發(fā)送給協(xié)調(diào)器然后由協(xié)調(diào)器發(fā)送給上位機(jī)〕，通過人機(jī)交互的方式可以實(shí)時(shí)對監(jiān)測區(qū)域的溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集監(jiān)測；如要溫度傳感器要進(jìn)行動(dòng)態(tài)溫度采集，經(jīng)過簡單的配置后〔溫度傳感器采集的速率，采集溫度的起始時(shí)間〕傳感器模塊即進(jìn)入動(dòng)態(tài)模式。傳感器模塊在動(dòng)態(tài)工作模式下，可以暫時(shí)脫離數(shù)據(jù)會(huì)聚模塊的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，進(jìn)行移動(dòng)的數(shù)據(jù)采集。當(dāng)采集過程結(jié)束，溫度傳感器重新回到數(shù)據(jù)會(huì)聚模塊的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，通過上位機(jī)監(jiān)控界面發(fā)送數(shù)據(jù)上傳指令，這樣存儲(chǔ)在FLASH中的時(shí)間信息〔采集溫度的起始時(shí)間，每次采集溫度的時(shí)間間隔〕和溫度數(shù)據(jù)會(huì)按時(shí)間先后上傳到上位機(jī)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能主要是協(xié)調(diào)器自啟動(dòng)(組網(wǎng))，節(jié)點(diǎn)設(shè)備自動(dòng)入網(wǎng)。之后兩者建立無線通訊，數(shù)據(jù)的發(fā)送主要有2中方式，一種為周期定時(shí)發(fā)送信息，另一種需要通過按鍵事件觸發(fā)發(fā)送FLASH信息。由于開發(fā)硬件平臺(tái)配套ZIGBEE模塊硬件上與TI公司的ZIGBEE樣板有差異，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒有采用按鍵觸發(fā)方式。而是采用周期定時(shí)播送的方式來發(fā)送ZIGBEE節(jié)點(diǎn)端采集到的溫濕度數(shù)據(jù)。4.2Z-Stack2007協(xié)議棧軟件目前TI的Z-Stack協(xié)議棧實(shí)際上已經(jīng)成為了ZIGBEE聯(lián)盟認(rèn)可并推廣的指定軟件標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)軟件的開發(fā)采用TI公司推出的與CC2530芯片配套的ZigBee2007協(xié)議棧(Z-Stack)及IAR集成開發(fā)環(huán)境對無線通信傳輸進(jìn)行設(shè)定和修改。該協(xié)議?，F(xiàn)已完全開放，我們只需要直接調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)，并在協(xié)議棧的應(yīng)用層內(nèi)根據(jù)實(shí)際要求和設(shè)計(jì)自行添加設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)代碼，即可完成CC2530的無線通信軟件設(shè)計(jì)。Z-Stack協(xié)議棧采用操作系統(tǒng)的思想，運(yùn)用事件輪詢機(jī)制，在一個(gè)基于任務(wù)優(yōu)先級的操作系統(tǒng)抽象層(OSAL)上運(yùn)行，每個(gè)任務(wù)包含的事件都有其對應(yīng)的事件編號，OSAL通過調(diào)度任務(wù)的事件號來判斷事件類型，進(jìn)而調(diào)用事件的任務(wù)處理函數(shù)，通過任務(wù)API函數(shù)將任務(wù)處理函數(shù)添加到系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)多任務(wù)機(jī)制。4.2.1Z-Stack軟件架構(gòu)協(xié)議棧定義了通信硬件和軟件在不同層次如何協(xié)調(diào)工作。在網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域，在每個(gè)協(xié)議層的實(shí)體通過對信息打包與對等實(shí)體通信。在通信的發(fā)送方，用戶需要傳遞的數(shù)據(jù)包按照從高層到低層的順序依次通過各個(gè)協(xié)議層，每一層的實(shí)體按照最初預(yù)定消息格式在數(shù)據(jù)信息中參加自己的信息，比方每一層的頭信息和校驗(yàn)等，最終抵達(dá)最低層的物理層，變成數(shù)據(jù)位流，在物理連接間傳遞。在通信的接收方數(shù)據(jù)包依次向上通過協(xié)議棧，每一層的實(shí)體能夠根據(jù)預(yù)定的格式準(zhǔn)確的提取需要在本層處理的數(shù)據(jù)信息，最終用戶應(yīng)用程序得到最終的數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行處理。在ZigBee協(xié)議棧中，PHY、MAC層位于最低層，且與硬件相關(guān)；NWK、APS,APL層以及平安層建立在PHY和MAC層之上，并且完全與硬件無關(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)試帶來極大的方便。整個(gè)Z-Stack采用分層的軟件結(jié)構(gòu)，硬件抽象層〔HAL〕提供各種硬件模塊的驅(qū)動(dòng)，包括定時(shí)器Timer，通用I/O口GPIO，通用異步收發(fā)傳輸器UART，模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC的應(yīng)用程序接口API，提供各種效勞的擴(kuò)展集。操作系統(tǒng)抽象層OSAL實(shí)現(xiàn)了一個(gè)易用的操作系統(tǒng)平臺(tái)，通過時(shí)間片輪轉(zhuǎn)函數(shù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，提供多任務(wù)處理機(jī)制。用戶可以調(diào)用OSAL提供的相關(guān)API進(jìn)行多任務(wù)編程，將自己的應(yīng)用程序作為一個(gè)獨(dú)立的任務(wù)來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)ZigBee2007標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)，Z-STACK——1.4.0協(xié)議棧文件結(jié)構(gòu)如下：HAL：硬件層目錄，包含有與硬件相關(guān)的配置和驅(qū)動(dòng)及操作函數(shù)。Common目錄下為公用文件，根本與硬件無關(guān)Hal_assert.c：斷言文件，用于調(diào)試Hal_drivers.c：驅(qū)動(dòng)文件Including目錄下包含各個(gè)硬件模塊頭文件Target目錄下文件與硬件平臺(tái)相關(guān)MAC：MAC層目錄，包含了MAC層的參數(shù)配置文件及其MAC的LIB庫的函數(shù)接口文件。MAC層分高層和底層，include目錄下包括MAC層參數(shù)配置文件及其mac的lib庫函數(shù)接口文件MT：監(jiān)控調(diào)試層目錄，實(shí)現(xiàn)通過串口調(diào)試各層，與各層進(jìn)行直接交互。NWK：網(wǎng)絡(luò)層目錄，含網(wǎng)絡(luò)層配置參數(shù)文件及網(wǎng)絡(luò)層庫的函數(shù)接口文件，APS層庫的函數(shù)接口。OSAL：協(xié)議棧的操作系統(tǒng)。Profile：AF層目錄，包含AF層處理函數(shù)文件。Security：平安層目錄，平安層處理函數(shù)，比方加密函數(shù)等。Services：地址處理函數(shù)目錄，包括著地址模式的定義及地址處理函數(shù)。Tools：工程配置目錄，包括空間劃分及ZStack相關(guān)配置信息。ZDO：ZDO目錄。ZigBee設(shè)備對象，方便用戶用自定義的對象調(diào)用aps子層的效勞和nwk層的效勞。ZMac：MAC層目錄，包括MAC層參數(shù)配置及MAC層LIB庫函數(shù)回調(diào)處理函數(shù)。Zmac.c是z-stackmac導(dǎo)出層接口文件Zmac_cb.c是zmac需要調(diào)用的網(wǎng)絡(luò)層函數(shù)ZMain：主函數(shù)目錄，包括入口函數(shù)及硬件配置文件。在onboard.c包含對硬件開發(fā)平臺(tái)各類外設(shè)進(jìn)行控制的接口函數(shù)。Output：輸出文件目錄，這個(gè)EW8051IDE自動(dòng)生成的。整個(gè)協(xié)議棧采用中斷事件調(diào)用機(jī)制，任務(wù)添加函數(shù)osalTaskAdd()將各層初始化函數(shù)指針、各層事件處理函數(shù)指針以及各層任務(wù)優(yōu)先級添加到任務(wù)表，然后通過中斷添加響應(yīng)事件〔events〕。整個(gè)函數(shù)構(gòu)成消息處理機(jī)制，每個(gè)層次互不干擾互不影響。4.2.2Z-Stack軟件流程整個(gè)Z-stack的主要工作流程，大致分為系統(tǒng)啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)初始化，OSAL初始化和啟動(dòng)，進(jìn)入任務(wù)輪循幾個(gè)階段。1.系統(tǒng)初始化系統(tǒng)上電后，通過執(zhí)行ZMain文件夾中ZMain.c的intmain()函數(shù)實(shí)現(xiàn)硬件的初始化，其中包括關(guān)總中斷osal_int_disable(INTS_ALL)、初始化板上硬件設(shè)置HAL_BOARD_INIT()、初始化I/OInitBoard(OB_COLD)、初始化HAL層驅(qū)動(dòng)HalDriverInit()、初始化非易失性存儲(chǔ)器sal_nv_initNULL)、初始化MAC層ZMacInit()、分配64位地址zmain_ext_addr()、初始化操作系統(tǒng)osal_init_system()等。硬件初始化需要根據(jù)HAL文件夾中的hal_board_cfg.h文件配置存放器8051的存放器。TI官方發(fā)布Z-Stack的配置針對的是TI官方的開發(fā)板CC2530EB等，如采用其他開發(fā)板，那么需根據(jù)原理圖設(shè)計(jì)改變hal_board_cfg.h文件配置。當(dāng)順利完成上述初始化時(shí)，執(zhí)行osal_start_system()函數(shù)開始運(yùn)行OSAL系統(tǒng)。該任務(wù)調(diào)度函數(shù)按照優(yōu)先級檢測各個(gè)任務(wù)是否就緒。如果存在就緒的任務(wù)那么調(diào)用tasksArr[]中相對應(yīng)的任務(wù)處理函數(shù)去處理該事件，直到執(zhí)行完所有就緒的任務(wù)。如果任務(wù)列表中沒有就緒的任務(wù)，那么可以使處理器進(jìn)入睡眠狀態(tài)實(shí)現(xiàn)低功耗。程序流程圖4.1所示。osal_start_system()一旦執(zhí)行，那么不再返回Main()函數(shù)。圖4.1Z—Stack軟件流程圖4.3程序設(shè)計(jì)軟件方面本論文方案分析發(fā)送periodic信息〔設(shè)定定時(shí)周期〕流程：Periodic消息是通過系統(tǒng)定時(shí)器開啟并定時(shí)播送到group1出去的,因此在SampleApp_ProcessEvent事件處理函數(shù)中有如下定時(shí)器代碼：caseZDO_STATE_CHANGE://對任意狀態(tài)變化觸發(fā)ZDO_STATE_CHANGE事件SampleApp_NwkState=(devStates_t)(MSGpkt->hdr.status);if((SampleApp_NwkState==DEV_ZB_COORD)||(SampleApp_NwkState==DEV_ROUTER)||(SampleApp_NwkState==DEV_END_DEVICE)){//開始一個(gè)定時(shí)并發(fā)送周期性消息HalLedSet(HAL_LED_1,HAL_LED_MODE_ON);osal_start_timerEx(SampleApp_TaskID,SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_EVT,SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_TIMEOUT);}else{//設(shè)備沒有連接到網(wǎng)絡(luò)中}break;當(dāng)設(shè)備參加到網(wǎng)絡(luò)后，其狀態(tài)就會(huì)變化，對所有任務(wù)觸發(fā)ZDO_STATE_CHANGE事件，開啟一個(gè)定時(shí)器。當(dāng)定時(shí)時(shí)間一到，就觸發(fā)播送periodic消息事件，觸發(fā)事件SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_EVT,相應(yīng)任務(wù)為SampleApp_TaskID,于是再次調(diào)用SampleApp_ProcessEvent()處理。SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_EVT事件，該事件處理函數(shù)調(diào)用SampleApp_SendPeriodicMessage()來發(fā)送周期信息。if(events&SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_EVT){SampleApp_SendPeriodicMessage();//發(fā)送周期性消息//Setuptosendmessageagaininnormalperiod(+alittlejitter)osal_start_timerEx(SampleApp_TaskID,SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_EVT,(SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_TIMEOUT+(osal_rand()&0x00FF)));return(events^SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_EVT);//返回未加工事件}因此我們只需要在節(jié)點(diǎn)模塊端的SampleApp_SendPeriodicMessage函數(shù)中，參加溫濕度采集后的數(shù)據(jù)，并通過AF_DataRequest()函數(shù)接口發(fā)送出去，即可實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的無線發(fā)送功能。當(dāng)然同樣需要在協(xié)調(diào)器模塊端的SampleApp_MessageMSGCB()接收數(shù)據(jù)事件處理函數(shù)中，將捕獲的溫濕度數(shù)據(jù)處理后，以字符串的形式通過串口顯示在PC機(jī)的終端中。關(guān)于無線數(shù)據(jù)〔溫濕度〕傳輸關(guān)鍵代碼分析：{chartemp_buf[7];charhumi_buf[7];chari;charbuf[14];floathumi,temp;if(GetHumiAndTemp(&humi,&temp)==0){sprintf(humi_buf,(char*)"%f",humi);sprintf(temp_buf,(char*)"%f",temp);for(i=0;i<7;i++){buf[i]=temp_buf[i];buf[i+7]=humi_buf[i];}AF_DataRequest(&SampleApp_Periodic_DstAddr,&SampleApp_epDesc,SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID,14,(unsignedchar*)buf,&SampleApp_TransID,AF_DISCV_ROUTE,AF_DEFAULT_RADIUS);//傳輸數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器}}這個(gè)函數(shù)是終端溫濕度采集節(jié)點(diǎn)要完成的功能，通過上面對周期事件的分析，可以知道這個(gè)函數(shù)是會(huì)被周期調(diào)用的，在這里面完成溫濕度的采集工作，再通過AF_DataRequest()將采集值周期發(fā)送給協(xié)調(diào)器。SampleApp_ProcessEvent()函數(shù)為應(yīng)用層事件處理函數(shù)，當(dāng)接收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)〔即發(fā)生AF_INCOMING_MSG_CMD事件〕時(shí)，會(huì)調(diào)用SampleApp_MessageMSGCB(MSGpkt);處理函數(shù)，現(xiàn)在來分析這個(gè)函數(shù)voidSampleApp_MessageMSGCB(afIncomingMSGPacket_t*pkt){uint16flashTime;unsignedchar*buf;switch(pkt->clusterId)//數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換{caseSAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID:buf=pkt->cmd.Data;HalUARTWrite(0,"\r\nTemp:",7);HalUARTWrite(0,buf,7);HalUARTWrite(0,"Humi:",10);HalUARTWrite(0,buf+7,7);break;caseSAMPLEAPP_FLASH_CLUSTERID:flashTime=BUILD_UINT16(pkt->cmd.Data[1],pkt->cmd.Data[2]);HalLedBlink(HAL_LED_4,4,50,(flashTime/4));break;}}這個(gè)函數(shù)是協(xié)調(diào)器要完成的工作，對終端溫濕度采集節(jié)點(diǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后發(fā)給串口終端。第5章總結(jié)ZigBee作為一種新興的無線通信技術(shù)，結(jié)合監(jiān)測和自動(dòng)控制技術(shù)，在各個(gè)行業(yè)正得到越來越多的應(yīng)用。本論文在研究ZigBee無線通信技術(shù)的根底上，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)和Internet的溫度采集及控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)的一個(gè)明顯優(yōu)勢是免去了傳統(tǒng)溫度測控系統(tǒng)中錯(cuò)綜復(fù)雜的布線，提高了溫度采集終端布網(wǎng)的靈活性。本論文的主要研究內(nèi)容和特色包括以下幾個(gè)方面：1.學(xué)習(xí)和掌握并完成溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的軟件工具與硬件平臺(tái)的操作。2.在學(xué)習(xí)和研究Zigbee2007通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的根底上，總體規(guī)劃了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。3.對可移動(dòng)的無線溫度采集系統(tǒng)硬件的搭建。首先對系統(tǒng)硬件做總體設(shè)計(jì)、選型，然后分別對數(shù)據(jù)會(huì)聚模塊〔協(xié)調(diào)器〕、路由器、溫度采集模塊〔終端節(jié)點(diǎn)〕的硬件結(jié)構(gòu)和工作方式做了較為細(xì)致的闡述。4.利用系統(tǒng)軟件IAR開發(fā)平臺(tái)，對硬件設(shè)備進(jìn)行調(diào)試并燒寫，實(shí)現(xiàn)該溫度采集系統(tǒng)的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)[1]ShahinFarahani.ZigBeeWirelessNetworksandTransceivers[J]．BEIHANGUNIVERSITYPRESS,2023.8:1-19.[2]瞿雷，劉勝德，胡咸斌.Zigbee技術(shù)及應(yīng)用[J]．北京航空航天出版社，2007.9:15-87.[3]王雪.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)[M],北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007:212[4]孫利民，李建中，陳渝等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005[5]顧瑞紅，張宏科.基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用[J],網(wǎng)絡(luò)通信世界,2005.[6]ZigBeeAlliance,ZigBeeDeviceObjects,Version1.OO,ZigBeeDocument03265r10,December14th,2004[7]吳榮耀,章劍雄.基于ZigBee技術(shù)的無線智能照明系統(tǒng)[J],現(xiàn)代電子技術(shù),2023(14).[8]ZigBeeAlliance,ZigBeeApplicationProfile,HomeControl,Lighting,Version1.00,ZigBeeDocument03540r6,December14th,2004.[9]IEEEStandardsStyleManual,publishedanddistributedinMay2000andrevisedonSeptember20,2001[10]JennicZigBeeApplicationFrameworkAPIReferenceManual(JN-RM-2023),March30th,200718),March30th,2007.[11]Jennic802.15.4StackAPIReferenceManual(JN-RM-2002),Jenuary10th2007[12]楊暉，楊晨陽．基于IEEE802.15.4的傳感器網(wǎng)絡(luò)性能研究[J]．信號處理,2005,4A(8),444-447[13]李文仲，段朝玉．Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2007[14]李剛，陳俊杰，葛文濤.一種改良的ZigBee網(wǎng)絡(luò)Cluster—Tree路由算法[J].測控技術(shù)，2023,28(9)：52-55[15]高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程:基于CC2430/31的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2023[16]唐思超.嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn):基于IAREmbeddedWorkbench[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2023[17]郭世富,馬樹元,吳平東等.基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程家庭監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2006,32(6):28-30[18]徐小濤，吳延林.無線個(gè)域網(wǎng)〔WPAN〕技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2023.5[19]崔遜學(xué)，趙湛等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)域應(yīng)用與設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2023.5[20]李文學(xué)，基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的溫度采集及控制系統(tǒng)研究[D].無錫：江南大學(xué)碩士論文，2023[21]蔣挺,趙成林.紫蜂技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社.2006:24~237.[22]李運(yùn)鵬,徐昌彪.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議的研究[J].電信快報(bào).2023(4):23-25.[23]Y.G.Xiang,D.W.Hui,L.Hua.AStudyofCantileverBeamVibrationWirelessTransmissionSystem[C].TheTwelfthEastAsia-PacificConferenceonStructuralEngineeringandConstruction.2023:1300-1306.[24]李彬,李業(yè)德,程海濤.低功耗無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)〔自然科學(xué)版〕.2023,23(2):83-87.[25]周武斌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