畢業(yè)設(shè)計(jì)--基于zigbee技術(shù)的智能樓宇監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　基于ZigBee技術(shù)的智能樓宇監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　2013年6月 日</p><p>　院 別計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院</p><p>　專業(yè)名稱通信工程</p><p>　班級(jí)學(xué)號(hào)</p>

2、<p>　學(xué)生姓名</p><p>　指導(dǎo)教師</p><p>　　基于ZigBee技術(shù)的智能樓宇監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　當(dāng)今智能建筑發(fā)展迅速，功能不斷豐富，需要越來(lái)越多的傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境的監(jiān)測(cè)。有線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布線量大、安裝和維護(hù)費(fèi)用高

3、、可靠性差，并且在一些特殊的建筑物中無(wú)法布線，已經(jīng)不能滿足需要。無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有成本低、部署方便、網(wǎng)絡(luò)可靠性高等特點(diǎn)，相對(duì)于有線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在樓宇內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測(cè)方面具有更好的應(yīng)用前景，正逐步走向?qū)嵱谩?ZigBee是一種低功耗、短距離、低速率的無(wú)線通信新技術(shù)，用ZigBee來(lái)組建智能樓宇環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，解決了傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不易擴(kuò)展、布線難、成本高等問(wèn)題，為人們提供一個(gè)更為智能、舒適、安全的工作生活環(huán)境。 本論

4、文討論的是基于ZigBee技術(shù)的智能樓宇管理系統(tǒng)，分析了傳統(tǒng)有線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點(diǎn)，比較了目前流行的幾種短距離無(wú)線通信技術(shù)，討論了智能樓宇的特點(diǎn)，在深入研究 ZigBee 協(xié)議各個(gè)通信協(xié)議層的結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ)上，選擇采用 ZigBee 樹型網(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)。 本文使用TI公司的單芯片 CC2430設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)。采用模塊化設(shè)計(jì)，將無(wú)線傳輸模塊與數(shù)據(jù)采集模塊分開設(shè)計(jì)，以方便系統(tǒng)調(diào)試和擴(kuò)展。終端節(jié)點(diǎn)<

5、;/p><p>　　關(guān)鍵詞：智能樓宇，ZigBee，環(huán)境監(jiān)測(cè)</p><p>　　The Design of Intelligent Building Environmental Monitoring System based on ZigBee Technology</p><p><b>　　Abstract</b></p>&l

6、t;p>　　Nowadays, intelligent buildings is developing rapidly, its increasing functions require more and more sensors for environmental monitoring. Monitoring system building with wired sensor network has a poor reliabi

7、lity, a large number of wiring, and a high cost, and can not wiring in some places. It can no longer meet the needs. Compared to wired sensor networks, the wireless sensor monitoring network system has low costs, easy in

8、stallation, and high probability of reliability, It has a better pros</p><p>　　Key Words: Intelligent Building, ZigBee, Environmental Monitoring </p><p><b>　　目 錄</b></p>&l

9、t;p>　　1 緒 論..........................................................,1</p><p>　　1.1 引言............................................................1</p><p>　　1.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能樓宇中的應(yīng)用.........

10、.......................1</p><p>　　2 ZigBee技術(shù).........................................................3</p><p>　　2.1 ZigBee的發(fā)展概況...............................................4</p><p&

11、gt;　　2.2 ZigBee協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)...........................................4</p><p>　　2.3 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)...............................................5</p><p>　　2.4 ZigBee協(xié)議分析...............................

12、..................6</p><p>　　3 智能樓宇監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).........................................7</p><p>　　3.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)...............................................7</p><p>　　3.2 RF模塊電路設(shè)計(jì)..

13、..............................................9</p><p>　　3.2.1 天線.....................................................10</p><p>　　3.2.2 晶振時(shí)鐘電路.............................................11</

14、p><p>　　3.2.3 傳感器模塊設(shè)計(jì)...........................................11</p><p>　　3.3 安防模塊設(shè)計(jì)..................................................12</p><p>　　3.3.1 火災(zāi)條件檢測(cè)模塊......................

15、...................12</p><p>　　3.4 環(huán)境模塊設(shè)計(jì)..................................................12</p><p>　　3.4.1 光強(qiáng)度采集傳感器節(jié)點(diǎn).....................................12</p><p>　　3.4.2 溫度傳感器節(jié)點(diǎn)

16、...........................................13</p><p>　　3.5 輔助電路設(shè)計(jì)..................................................14</p><p>　　3.5.1 電源和穩(wěn)壓電路模塊.......................................14</p>

17、<p>　　3.5.2 復(fù)位模塊.................................................15</p><p>　　3.5.3 串口電路.................................................16</p><p>　　4 智能樓宇監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)........................

18、.................17 </p><p>　　4.1 ZigBee無(wú)線軟件開發(fā)平臺(tái)........................................17</p><p>　　4.1.1 EW集成開發(fā)環(huán)境.........................................17</p><p>　　4.1.2 C51RF-3-

19、ZDS 仿真器......................................18</p><p>　　4.2 ZigBee協(xié)議棧.................................................18</p><p>　　4.3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)............................................19<

20、/p><p>　　4.4 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)..............................................21</p><p>　　5 結(jié) 論...........................................................23</p><p>　　6 致 謝................

21、...........................................24</p><p>　　7 參考文獻(xiàn)...........................................................25</p><p><b>　　1緒論</b></p><p><b>　　1.1引言&l

22、t;/b></p><p>　　樓宇環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由各類相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)構(gòu)成，主要包括環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)（溫度、照明）、火災(zāi)防范系統(tǒng)等。系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)需要獲得大量環(huán)境數(shù)據(jù)作為監(jiān)控基礎(chǔ)，現(xiàn)階段這些數(shù)據(jù)主要依靠各種功能的傳感器獲得。隨著環(huán)境功能的增多，所欲的傳感器數(shù)量也急劇增加。使用有線傳感器組成的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可靠性差、不易擴(kuò)展、布線量大、安裝和維護(hù)費(fèi)用高，并且在某些建筑物中的某些地方無(wú)法布線。而無(wú)線傳感器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)具有通信

23、可靠、費(fèi)用低、安裝和維護(hù)方便、節(jié)點(diǎn)功耗低等優(yōu)勢(shì)，相對(duì)于有線傳感器網(wǎng)絡(luò)，樓宇內(nèi)的環(huán)境監(jiān)控方面具有更好的應(yīng)用前景。ZigBee是一種價(jià)格低廉的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通信技術(shù)，適用于樓宇環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的條件要求。</p><p>　　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。</p><p>　　

24、1.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能樓宇中的應(yīng)用</p><p>　　隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)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)成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外研究的一大熱點(diǎn)。</p><p>　　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 </p><p>　　控制、

25、監(jiān)視、計(jì)算等功能。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)引起了全世界范圍的廣泛關(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。 最早出現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）應(yīng)用要追溯到20世紀(jì)70年代的一些應(yīng)用，當(dāng)時(shí)，正值冷戰(zhàn)時(shí)期的美國(guó)在海底戰(zhàn)爭(zhēng)中為了進(jìn)一步研究反潛戰(zhàn)，每年花1000萬(wàn)美元開發(fā)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)為空軍開發(fā)了空中預(yù)警

26、及控制系統(tǒng) 。這些最早的傳感器網(wǎng)絡(luò)都是把單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)的信息采用分級(jí)處理結(jié)構(gòu)加以傳遞并進(jìn)行處理，功能簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且花費(fèi)巨大。美國(guó)軍方開始無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究。 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)。美國(guó)國(guó)家自然基金委員會(huì)也開設(shè)了大量與其相關(guān)的項(xiàng)目，并于2003年制定了WSN 研究計(jì)劃，每年撥款3400萬(wàn)美元支持相關(guān)研究項(xiàng)目，并在加州大學(xué)洛杉磯分校成立了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中心。2005年對(duì)網(wǎng)

27、絡(luò)技術(shù)和系統(tǒng)的研究計(jì)劃中，主要研究下一代高可靠、安全的可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)、可編程的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及傳感器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)特性，資助金</p><p>　　日本總務(wù)省在2004年3月成立了“泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)”調(diào)查研究會(huì)。韓國(guó)信息通信部制訂了信息技術(shù)“839”戰(zhàn)略，其中“3 ”是指IT產(chǎn)業(yè)的三大基礎(chǔ)設(shè)施，即寬帶融合網(wǎng)絡(luò)、泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)、下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。 </p><p>　　歐盟第6個(gè)框架計(jì)劃將“信息社會(huì)技術(shù)”

28、作為優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域之一。其中多處涉及對(duì) WSN的研究，啟動(dòng)了EYES等研究計(jì)劃。 </p><p>　　企業(yè)界，歐盟的 Philips、Siemens 、Ericsson、ZMD、France Telecom、Chipcon 等公司； 日本的NEC 、OKI、Sky2leynetworks、世康、歐姆龍等公司都開展了 WSN 的研究。1999 年 9 月，美國(guó)著名雜志《商業(yè)周刊》(Business W eek)將

29、其列為21世紀(jì)最重要的 21 項(xiàng)技術(shù)之一。 自此以后，WSN 便受到了越來(lái)越多網(wǎng)絡(luò)研究者的關(guān)注。D.Estrin預(yù)見性地指出：WSN是21世紀(jì)人類信息研究領(lǐng)域所面臨的主要挑戰(zhàn)之一。美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)于2003年制定了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計(jì)劃，投資3400萬(wàn)美元支持相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究。</p><p>　　進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著無(wú)線通信技術(shù)、微芯片制造等技術(shù)的進(jìn)步，WSN的研究在多種應(yīng)用方面取得了重大進(jìn)展。2002年1

30、0月24日，美國(guó)英特爾公司發(fā)布了“基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計(jì)算發(fā)展規(guī)劃”。美國(guó)Intel公司投資的 Crossbow Technology 將加州大學(xué)伯克利分校的科研成果商業(yè)化，并負(fù)責(zé)制造和營(yíng)銷。其Mica系列節(jié)點(diǎn)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，這些平臺(tái)在軟硬件上都是公開的，所以成為研究傳感器網(wǎng)絡(luò)最主要的試驗(yàn)平臺(tái)。2004 年《IEEE Spectrum 》雜志發(fā)表一期專集：傳感器的國(guó)度，論述 WSN的發(fā)展和可能的廣泛應(yīng)用。德國(guó)某研究機(jī)構(gòu)正在利用傳

31、感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為足球裁判研制一套輔助系統(tǒng)，以減小足球比賽中越位和進(jìn)球的誤判率。日本、英國(guó)、意大利、巴西等國(guó)家也對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出了極大的興趣，紛紛展開了該領(lǐng)域的研究工作。</p><p>　　國(guó)內(nèi)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)院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與

32、發(fā)展中心，旨在引領(lǐng)中科院WSN的相關(guān)工作；2002年，清華大學(xué)、北京大學(xué)、南京大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校的研究機(jī)構(gòu)都開始了傳感器網(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，上海市科學(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)及協(xié)調(diào)控制理論)列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目，2005 年

33、，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)示范工程中，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</p><p>　　總體上國(guó)內(nèi)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

34、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)內(nèi)自行研制的無(wú)線智能傳感節(jié)點(diǎn)較少，都是購(gòu)買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)內(nèi)外無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀可見，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。</p><p>　　2 ZigBee技術(shù)</p><p>　　2.

35、1 ZigBee發(fā)展概況</p><p>　　ZigBee 是由ZigBee聯(lián)盟開發(fā)的一種低成本、低功耗、雙向近距離無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)提供了一種互連互通的平臺(tái)。ZigBee 協(xié)議包括兩部分的內(nèi)容：其一是IEEE其一是IEEE發(fā)布的IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)；其二是由ZigBee聯(lián)盟發(fā)布的ZigBee規(guī)范。</p><p>　　其寓意為蜜蜂(Bee)通過(guò)zigzag的路徑形狀

36、在發(fā)現(xiàn)花粉后進(jìn)行交換的動(dòng)作，實(shí)際上指的是一種簡(jiǎn)捷的交換信息的方式。ZigBee 技術(shù)自問(wèn)世以來(lái)就倍受青睞，各大芯片公司都推出了自己的解決方案在硬件方面、軟件方面以及開發(fā)平臺(tái)上都取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。</p><p>　　ZigBee 主要用于短距離的無(wú)線連接，在這方面具有如下諸多優(yōu)點(diǎn)： 1）數(shù)據(jù)傳輸速率低：ZigBee 專注于低速率傳輸應(yīng)用，速率控制在 10KB/s~250KB/s； 2 ）功耗低：在使用電池供電

37、的情況下，設(shè)備可以運(yùn)行數(shù)月至數(shù)年； 3 ）時(shí)延短：ZigBee 技術(shù)專門針對(duì)時(shí)延做了優(yōu)化，如搜索設(shè)備時(shí)延只有 30ms ； </p><p>　　4 ）網(wǎng)絡(luò)容量大：ZigBee 網(wǎng)絡(luò)能夠包含的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)，理論上達(dá)到了65535 ；在實(shí)際應(yīng)用中，能夠支持?jǐn)?shù)百至上千個(gè)節(jié)點(diǎn)；</p><p>　　5 ）可靠性高：物理層(PHY)采用了直接序列展頻技術(shù)，使用化整為零方式，將一個(gè)訊號(hào)分為多個(gè)訊號(hào)，

38、再經(jīng)由編碼方式傳送訊號(hào)避免干擾，媒體訪問(wèn)控制層(MAC)沿用 802.11 系列標(biāo)準(zhǔn)中的 CSMA/CA 方式，避免數(shù)據(jù)傳輸碰撞，并提高系統(tǒng)兼容性； </p><p>　　6 ）成本低：ZigBee 協(xié)議免收專利費(fèi)，極大降低了開發(fā)成本。 </p><p>　　2.2 ZigBee 協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　ZigBee 協(xié)議使用 IEEE 802.1

39、5.4 標(biāo)準(zhǔn)作為介質(zhì)訪問(wèn)層 （MAC ）和物理層 （PHY ）的規(guī)范。IEEE 802.15.4 總共定義了 3 個(gè)工作頻帶：2.4GHz，915MHz，868MHz。每個(gè)頻帶提供固定數(shù)量的信道。例如，2.4GHz 頻帶總共提供 16 個(gè)信道 （信道 11-26 ）、9l5MHz 頻帶提 10個(gè)信道 （信道 1- 10），而 868MHz 頻帶提供 1 個(gè)信道 （信道 0 ）。IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)于 低速無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)

40、(Low-rate Wireless Personal Area Network)，把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點(diǎn)目標(biāo)，旨在為個(gè)人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速互連提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)定義的 LR-WPAN 網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)： </p><p>　　1）在不同的載波頻率下實(shí)現(xiàn) 20kbps 、40kbps 和 250kbps 三

41、種不同的傳輸速率； </p><p>　　2）支持星型、簇型和網(wǎng)絡(luò)型三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 3）有 16 位和 64 位兩種地址格式。64 位地址是全球唯一的擴(kuò)展地址，而 16 位地址是網(wǎng)內(nèi)通信短地址； </p><p>　　4）支持沖突避免的載波多路偵聽技術(shù)</p><p>　　5）支持確認(rèn)的(ACK)機(jī)制，保證傳輸?shù)目煽啃浴?lt;/p><p>　

42、　IEEE 802.15.4MAC 數(shù)據(jù)包的最大長(zhǎng)度為 127 字節(jié)。每個(gè)數(shù)據(jù)包都由頭字節(jié)和 16 位 CRC值組成。16 位 CRC 值驗(yàn)證幀的完整性。此外，IEEE 802.15.4 還可以選擇使用應(yīng)答數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。使用這種方法，所有 ACK 標(biāo)識(shí)位置 1 的幀均會(huì)被它們的接收器應(yīng)答。這就可以確定幀實(shí)際上己經(jīng)被傳遞了。如果發(fā)送幀的時(shí)候置位了 ACK 標(biāo)識(shí)位，但是在一定的超時(shí)期限內(nèi)沒(méi)有收到應(yīng)答，發(fā)送器將重復(fù)進(jìn)行固定次數(shù)的發(fā)送，如仍無(wú)應(yīng)

43、答就宣布發(fā)生錯(cuò)誤。非常重要的是接收到應(yīng)答僅僅表示幀被 MAC 層正確接收，而不表示幀被正確處理。接收節(jié)點(diǎn)的 MAC 層可能正確地接收并應(yīng)答了一個(gè)幀，但是由于缺乏處理資源，該幀可能被上層丟棄。因此，很多上層和應(yīng)用程序要求其他的應(yīng)答響應(yīng)。</p><p>　　2.3 ZigBee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu) ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，是建立在 ZigBee 協(xié)議棧的基礎(chǔ)上的。ZigBee 協(xié)議棧是建立在OSI （Open S

44、ystem Interconnect, 開放系統(tǒng)互聯(lián)）基本參考模型的基礎(chǔ)上的，是 OSI 七層模型的精簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò)模型。IEEE 802.15.4 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。</p><p>　　I

45、EEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)低速無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)，由 IEEE802 標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定并在 2003年公布的。該標(biāo)準(zhǔn)只定義了物理層和媒體訪問(wèn)控制層的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范，并沒(méi)有對(duì)其他的層作出規(guī)定。但這些規(guī)定不局限在物理層和 MAC 層的協(xié)議功能和相互作用，還包括最低的硬件要求，如接收機(jī)的靈敏度和發(fā)射器輸出功率等。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)使用 IEEE802.15.4的物理層和MAC 層協(xié)議作為 ZigBe

46、e 協(xié)議棧的一部分，并自己定義了網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和安全協(xié)議，因此任何 ZigBee 設(shè)備和 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)都是兼容的。</p><p>　　2.4 ZigBee 協(xié)議分析</p><p>　　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務(wù)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)。</p>

47、<p>　　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：</p><p>　　1）啟動(dòng)和關(guān)閉無(wú)線收發(fā)器； </p><p>　　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)估所選信道的頻帶內(nèi)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)； </p><p>　　5）生成LQI，來(lái)指示收到的數(shù)

48、據(jù)包的質(zhì)量； 6）清除信道評(píng)估。</p><p>　　MAC 層協(xié)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)。</p><p>　　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）； </p><p>　　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)； <

49、/p><p>　　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； </p><p>　　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)程，但使用的安全級(jí)別是由上層協(xié)議規(guī)定的。 </p><p>　　網(wǎng)絡(luò)層提供數(shù)據(jù)和管理兩種服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層有自己的參數(shù)和常量，所有的常量都以 nwkc 開頭，所有的參數(shù)都以nwk 開頭并存

50、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)行讀寫操作。</p><p>　　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)

51、備； </p><p>　　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。 </p><p>　　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)，</p><p>　　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； </p&

52、gt;<p>　　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。</p><p>　　3智能樓宇監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) </p><p>　　3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的樓宇監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)采用樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?主要由協(xié)調(diào)器、少量路由器和若干個(gè)終端 節(jié)點(diǎn)組成，具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下

53、圖 3.1 所示。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，它配置較多的存儲(chǔ)空間，完成網(wǎng)絡(luò)初始化、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制等功能；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。 其余節(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)主要包括防盜監(jiān)測(cè)模塊節(jié)點(diǎn)、火災(zāi)條件監(jiān)測(cè)模塊、人體紅外監(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

54、信，但可以實(shí)現(xiàn)間接通信</p><p>　　圖3.1 ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)框圖</p><p>　　該系統(tǒng)遵循以下設(shè)計(jì)原則： </p><p>　　1）獨(dú)立組網(wǎng)。ZigBee技術(shù)采用自組織網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)具有獨(dú)立組網(wǎng)的能力，即網(wǎng)絡(luò)的布設(shè) 無(wú)需依賴于任何預(yù)先架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。作為協(xié)調(diào)器的節(jié)點(diǎn)，上電后就能夠快速、自動(dòng)地組成 一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。而節(jié)點(diǎn)上電后，會(huì)發(fā)出關(guān)聯(lián)請(qǐng)求，查

55、找網(wǎng)絡(luò)，若能收到關(guān)聯(lián)響應(yīng)，則就能 與發(fā)送關(guān)聯(lián)響應(yīng)的節(jié)點(diǎn)取得關(guān)聯(lián)，而加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)形成后，任意節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。 2）低功耗。工作模式情況下，ZigBee的傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因而信號(hào)的收發(fā)時(shí)間很短；在非工作模式，ZigBee節(jié)點(diǎn)處于休眠模式，使得ZigBee節(jié)點(diǎn)非常省電，其電池工作時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右。 3）高度擴(kuò)充性。一個(gè)ZigBee的星型網(wǎng)絡(luò)最多可以包括有255 個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)是

56、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，也即是一個(gè)MASTER設(shè)備，其余都是SLAVE設(shè)備。若是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)路由器，則整體網(wǎng)絡(luò)最多可以達(dá)到65535個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。 4）高可靠性。LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)采用CSMA-CA機(jī)制、幀確認(rèn)機(jī)制和幀校驗(yàn)機(jī)制來(lái)保證數(shù) 據(jù)傳送的魯棒性。</p><p>　　3.2 RF 模塊電路設(shè)計(jì) </p><p>　　ZigBee技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在市場(chǎng)上可應(yīng)用于ZigBee技術(shù)的無(wú)

57、線收發(fā)芯片及SOC種類非常多，因此選擇正確的RF芯片在射頻模塊的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，正確選擇可以減小開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，降低成本，更快地將產(chǎn)品推向應(yīng)用。選擇RF芯片時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn)因素： 1) 收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量。芯片外圍元件的數(shù)量直接決定產(chǎn)品成本，開發(fā)的難易程度以及是否便于調(diào)試，因此應(yīng)該選擇集成度高，所需外圍元件少的收發(fā)芯片。有些 RF 芯片雖然比較便宜，但外圍元件使用很多昂貴的元件如變?nèi)莨芤约奥暠頌V波器等；有些 RF

58、 芯片收發(fā)分別需要兩根天線，這些都會(huì)加大成本。 2) 功耗。大多數(shù)無(wú)線收發(fā)芯片是應(yīng)用在便攜式產(chǎn)品上的，因此功耗也非常重要，應(yīng)該根據(jù)需要選擇綜合功耗較小的產(chǎn)品。 3) 發(fā)射功率。在同等條件下，為了保證有效和可靠的通信，應(yīng)該選用發(fā)射功率較高的產(chǎn)品。 4) 收發(fā)芯片的封裝和管腳數(shù)。較少的管腳以及較小的封裝，有利于減少PCB面積，適合便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，也有利于開發(fā)和生產(chǎn)。 5) 配套開發(fā)平臺(tái)，以及芯片公司的技術(shù)支持；技術(shù)支持服務(wù)越好，

59、越能降低我們研發(fā)的難度。 現(xiàn)在市場(chǎng)上的 Z</p><p>　　3.2.1天線 這里特別強(qiáng)調(diào)的是天線部分的匹配電路設(shè)計(jì)，匹配電路設(shè)計(jì)的成功與否直接影響到發(fā)射距離。因?yàn)?ZigBee 工作在 2.4GHz 的頻段，需要考慮電磁兼容、天線長(zhǎng)度與放置等因素，因此需要一定的 PCB 布線經(jīng)驗(yàn)。我們采用了兩種方案，陶瓷天線和低成本的小型 PCB 環(huán)形天線，環(huán)形天線是印制在電路板上的導(dǎo)線，通過(guò)它來(lái)感應(yīng)空中電波，

60、發(fā)送接收信息。 CC2430工作于發(fā)送/接收所采用的是差分傳送方式，最佳匹配負(fù)載為（ 95 j 187 ）O ， 對(duì)阻抗的匹配應(yīng)考慮以此值在相應(yīng)的頻率上進(jìn)行調(diào)整，如果使用單端天線則需要使用平衡/非平衡轉(zhuǎn)換電路，以達(dá)到更好的收發(fā)效果，模塊中均有考慮，當(dāng)對(duì)傳輸距離要求不高時(shí)可以采用倒 F 型（IFA）PCB 天線，當(dāng)需要較高傳輸距離要求時(shí)則可采用單端天線[47] 。倒 F 型天線的具體規(guī)格尺寸如圖3.2</p><p&

61、gt;　　圖3.2 倒F天線尺寸圖</p><p>　　3.2.2晶振時(shí)鐘電路</p><p>　　CC2430工作時(shí)需要提供外加的 32M參考時(shí)鐘，作為射頻基準(zhǔn)源，其頻率穩(wěn)定度K 40ppm ，我們采用外接 32M晶振和起振電容的通用方式，在本設(shè)計(jì)中負(fù)載電容取值為 33pF，配合CC2430 內(nèi)部的振蕩器即可產(chǎn)生32M 的參考晶振信號(hào)，系統(tǒng)上電后，就可以產(chǎn)生32M 起振信號(hào)。在

62、調(diào)試時(shí)值得注意的是，當(dāng)系統(tǒng)第一次上電，并未開啟 CC2430 的RF 模塊， 32M 晶振并不起振，而是用內(nèi)部 16M 晶振工作。 </p><p>　　3.2.3傳感器模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)中分布著眾多功能不同的傳感器數(shù)據(jù)采集模塊，按具體功能不同主要分為環(huán)境設(shè)備 節(jié)點(diǎn)(溫度、光線強(qiáng)度等傳感器節(jié)點(diǎn))和安防設(shè)備節(jié)點(diǎn)(火災(zāi)條件監(jiān)測(cè)模塊等) 。這些傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)視周圍一定范圍內(nèi)

63、的環(huán)境，接收信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和通信。如下圖 3.3示，我們將傳感器節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)成 2 部分電路，CC2430收發(fā)模塊(上節(jié)已詳細(xì)介紹)和傳感器監(jiān)測(cè)模塊(本節(jié)具體介紹)，它們之間以排針的形式插連在一起。這樣既節(jié)約了研發(fā)階段的成本，又便于調(diào)試各個(gè)模塊，只需一個(gè) 功能完全的 CC2430 模塊就可以調(diào)試所有的傳感器監(jiān)測(cè)模塊。 </p><p>　　圖3.3傳感器節(jié)點(diǎn)模塊原理框圖 </p>&

64、lt;p><b>　　3.3安防模塊設(shè)計(jì)</b></p><p>　　在容易出現(xiàn)警情的范圍內(nèi)布置火災(zāi)條件監(jiān)測(cè)模塊節(jié)點(diǎn)。</p><p>　　3.3.1火災(zāi)條件監(jiān)測(cè)模塊</p><p>　　很多造成重大危害的火災(zāi)往往都是由微小的火源引起的，如果我們能及時(shí)監(jiān)測(cè)到微小的火源，并能及時(shí)做出相應(yīng)的處理，往往能達(dá)到“防患于未然”的效果，火災(zāi)條件監(jiān)測(cè)模

65、塊正是為了實(shí)現(xiàn)這樣的要求。如下圖3.4為火災(zāi)條件監(jiān)測(cè)模塊原理框圖，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，火源周圍的環(huán)境參數(shù)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，比如溫度、煙霧濃度都會(huì)有明顯的升高，火災(zāi)條件監(jiān)測(cè)模塊的原理正是利用溫度傳感器和煙霧傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境中的溫度及煙霧濃度的變化，以確定是否有火災(zāi)發(fā)生。當(dāng)CC2430模塊采集到這些值的變化超出我們的預(yù)設(shè)值，就會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，及時(shí)進(jìn)行報(bào)警。溫度傳感器選用 Dallas 公司的 DS18B20，操作簡(jiǎn)單，只需一個(gè) IO口就可以

66、完成對(duì)DS18B20的讀寫；煙霧傳感器選用的是集成模塊離子煙霧傳感器 SC0069，是“氣—電”型氣敏傳感器，當(dāng)有一定量煙霧進(jìn)入該傳感器時(shí)，傳感器輸出電壓會(huì)相應(yīng)發(fā)生明顯的變化。</p><p>　　圖3.4防火監(jiān)測(cè)模塊原理框圖</p><p><b>　　3.4環(huán)境模塊設(shè)計(jì)</b></p><p>　　其它設(shè)備節(jié)點(diǎn)主要是指網(wǎng)絡(luò)中的溫度、濕度以及

67、光強(qiáng)傳感器節(jié)點(diǎn)，采集環(huán)境參數(shù)。</p><p>　　3.4.1光強(qiáng)度采集傳感器節(jié)點(diǎn)</p><p>　　在對(duì)電燈的自動(dòng)控制上，我們可以先通過(guò)光強(qiáng)度采集傳感器模塊測(cè)試環(huán)境中光線強(qiáng)度， 該模塊會(huì)先對(duì)環(huán)境光強(qiáng)進(jìn)行采集，再與預(yù)設(shè)光強(qiáng)值進(jìn)行對(duì)比，若采集到的光強(qiáng)值大于預(yù)設(shè)參考值，則會(huì)自動(dòng)關(guān)閉點(diǎn)亮著的電燈，反之，則點(diǎn)亮電燈。選用低成本的光敏電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度采集傳感器節(jié)點(diǎn)。光敏電阻是一種光電導(dǎo)器件，具有光

68、電導(dǎo)效應(yīng)，即其組成材料（或器件）在受到光輻射以后，它的電導(dǎo)率會(huì)發(fā)生變化，從而引起其電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化。入射光變強(qiáng)，電阻變小；入射光變?nèi)?，電阻變大。通常，光敏電阻器都制成薄片結(jié)構(gòu)，以便吸收更多的光能。當(dāng)它愛到光的照射時(shí)，半導(dǎo)體片（光敏層）內(nèi)就激發(fā)出電子— 空穴對(duì)，參與導(dǎo)電，使電路中電流增強(qiáng)。本設(shè)計(jì)中采用 JunYe 公司硫化鎘型光敏電阻 JY5516，是一種光電導(dǎo)器件，具有光電導(dǎo)效應(yīng)，即其組成材料（或器件）在受到光輻射以后，它的電導(dǎo)率會(huì)

69、發(fā)生變化，從而引起其電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化。入射光變強(qiáng)，電阻變小；入射光變?nèi)?，電阻變大。JY5516 典型參數(shù)如表3.1</p><p>　　表3.1 JY5516 參數(shù)表</p><p>　　3.4.2溫度傳感器節(jié)點(diǎn)</p><p>　　溫度傳感器節(jié)點(diǎn)采用 Dallas 公司推出的 DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量。只需單線接口，電路簡(jiǎn)

70、單不需要外部元件，圖 3.6 DS18B20的電路原理圖。DS18B20的封裝有3腳、6腳和8腳三種方式。本次設(shè)計(jì)中選用的是 3 引腳方式（TO-92封裝），如圖 3.5所示。其中DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端，GND 為電源地，VCC 為外接供電電源輸入端（以寄生供電方式時(shí)接地）。系統(tǒng)把DQ端連接到 CC2430 的 P0.0口，通過(guò)對(duì)DS18B20的初始化，溫度轉(zhuǎn)換和讀取等指令來(lái)測(cè)量樓宇環(huán)境溫度。</p><p&

71、gt;　　圖3.5 DS18B20 的 TO-92 封裝圖</p><p>　　圖3.6 DS18B20 的電路原理圖</p><p><b>　　3.5輔助電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　輔助電路不實(shí)現(xiàn)具體的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收等的通信和處理功能，但卻是維持板子的正常工作必不可少的部分。</p><p>　　3.5

72、.1電源和穩(wěn)壓電路模塊 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用兩種方式供電：一是通過(guò)外部的直流穩(wěn)壓電源 （AC-DC Adaptor）供電， 供電電源為 5V 直流電源；二是通過(guò) PC 機(jī)的 USB 接口電源提供 5V 直流電源；節(jié)點(diǎn)采用第三種方式，即通過(guò)兩節(jié) 5 號(hào)電池串聯(lián)，提供 3V 直流電壓給板子供電。 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的電源部分，采用雙接入方式，既可使用外部直流穩(wěn)壓電源，又可使用 USB 接口提供電源。電源模塊如圖3.7示。</p><

73、;p>　　圖3.7路由器電源模塊原理圖</p><p>　　由上圖可知，直流電源插座通過(guò)二極管連接到電源開關(guān)，另一路5V電源來(lái)自于PC 機(jī)USB接口，也通過(guò)二極管連接到開關(guān)，這樣解決了雙電源接入的沖突問(wèn)題。電源開關(guān)連接后，5V直流電壓首先通過(guò)發(fā)光二級(jí)管LED1 ，指示電源導(dǎo)通。然后經(jīng)過(guò)濾波電容到達(dá) LDO（Low Drop Out Linear Voltage Regulators，低壓降線性穩(wěn)壓器）芯片

74、 TPS79933 ，LDO將5V的直流電壓轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的3.3V直流電壓輸出，給整個(gè)的板子供電。LDO 芯片 TPS79933的輸入端IN接一個(gè)0.1uF的電容，能夠提高瞬態(tài)響應(yīng)和噪聲抑制，輸出端OUT接有一個(gè)0.1uF的電容用于維持輸出電壓的穩(wěn)定性，4腳NR端的 0.01uF電容則對(duì)于濾除電源中的噪聲具有重要的作用。節(jié)點(diǎn)的電源部分則比較簡(jiǎn)單，直接采用兩節(jié)5號(hào)電池供電。</p><p><b>　　3

75、.5.2復(fù)位模塊</b></p><p>　　協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)都有復(fù)位電路。此處有兩種復(fù)位方式：一是用專門的復(fù)位芯片，本系統(tǒng)采樣MAX6326-22[48]低功耗的復(fù)位芯片，芯片工作電流為0.5uA，符合系統(tǒng)低功耗的特性，用了復(fù)位芯片，節(jié)點(diǎn)每次上電后，就會(huì)復(fù)位；二是按鍵復(fù)位，按下SW1鍵，復(fù)位電路就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平。復(fù)位電路產(chǎn)生的低電平輸入到CC2430 的一個(gè)復(fù)位引腳，執(zhí)行一系列的硬件初始化操作

76、。復(fù)位操作包括： 1）I/O 引腳配置為輸入上拉； 2）CPU程序指針賦值為0x0000并且程序從此地址開始執(zhí)行； 3）所有的外設(shè)寄存器初始化為復(fù)位值； 4）看門狗定時(shí)器禁止。 復(fù)位模塊如圖 3.8所示</p><p><b>　　圖3.8復(fù)位模塊</b></p><p><b>　　3.5.3串口電路</b></p>&

77、lt;p>　　協(xié)調(diào)器和PC機(jī)通信使用串口通信。PC機(jī)通過(guò)串口向協(xié)調(diào)器發(fā)送控制信息，協(xié)調(diào)器向PC通過(guò)串口反饋?zhàn)约旱臓顟B(tài)。因?yàn)镃C2430支持串口 UART （Universal Asynchronous Receiver Transmitter）功能，所以可以使用串口和 PC 機(jī)實(shí)現(xiàn)交互通信。由于CC2430 使用的是 TTL 電平，它是以電平的高低來(lái)表示邏輯狀態(tài)，而串行通信中一般使用

78、的是RS-232 通信協(xié)議，它用正負(fù)電壓來(lái)表示邏輯狀態(tài)，二者的電平不同，需要外接接口進(jìn)行電平匹配。串口模塊的電路如圖 3.9所示。</p><p>　　圖3.9串口模塊電路</p><p>　　串口模塊電路主要是SP3232ECY電平轉(zhuǎn)換芯片和 DB9F 插座組成。SP3232ECY 工作電源為3V到5.5V，這里采用3.3V，T1OUT引腳是RS-232驅(qū)動(dòng)輸出，R1IN引腳是RS-23

79、2接收輸入，R1OUT是TTL/CMOS輸出，T1IN是TTL/CMOS是輸入。而 DB9 硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候，只是使用到了3根最主要的線：一根地線，一根數(shù)據(jù)輸入，一根數(shù)據(jù)輸出，對(duì)應(yīng)圖中的5，3，2號(hào)線。</p><p>　　4 智能樓宇監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)基于 ZigBee 的智能樓宇監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。整個(gè)系統(tǒng)的軟件開發(fā)是建立在 TI 公司 Z-Stc

80、ak 的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。本章節(jié)首先介紹了 TI 公司推出的Z-stack 的開發(fā)環(huán)境及其協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)；在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計(jì)以及傳感器節(jié)點(diǎn)的控制程序和無(wú)線收發(fā)程序。</p><p>　　4.1 ZigBee 無(wú)線軟件開發(fā)平臺(tái)</p><p>　　4.1.1 EW 集成開發(fā)環(huán)境</p><p>　　本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)選用的開發(fā)平臺(tái)是 IAR 集成開發(fā)平臺(tái)。

81、IAR Embedded orkbench(簡(jiǎn)稱EW)的 C/C++交叉編譯器和調(diào)試器是當(dāng)今世界最完整的和最容易使用的專業(yè)嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具。EW 對(duì)不同的微處理器提供了一樣直觀的用戶界面。EW 今天已經(jīng)支持 35 種以上的 8 位、16 位、32 位 ARM 的微處理器結(jié)構(gòu)。 EW包括嵌入式 C/C++優(yōu)化編譯器、匯編器、連接定位器、庫(kù)管理員、編輯器、項(xiàng)目管理器和 C-SPY 調(diào)試器。使用 IAR 的編譯器能生成最優(yōu)化、最

82、緊湊的代碼，使用 IAR Embedded Workbench 4.10b 版，生成的代碼大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他同類編譯器生成的代碼大小，大約縮小了10%的代碼空間，從而節(jié)省硬件資源，最大限度地降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。 </p><p>　　4.1.2 C51RF-3-ZDS 仿真器</p><p>　　C51RF-3-ZDS仿真器是ZigBee系統(tǒng)開發(fā)的核心，具有在線下載、調(diào)試、仿真等

83、功能。 C51RF-3-ZDS仿真器具有以下特點(diǎn)： 1) 通過(guò) USB 接口與計(jì)算機(jī)連接，支持在線下載、調(diào)試、仿真，更加簡(jiǎn)單、快捷。 2) 高速代碼下載。C51RF-3-ZDS仿真器提供高達(dá)129kb/s的下載速度，把程序下載到CC2430的flash只需要幾秒。 3) 硬件斷點(diǎn)調(diào)試。類似JTAG的硬件斷點(diǎn)調(diào)試，可實(shí)現(xiàn)單步、變量(寄存器)觀察等全部C51源代碼水平的在線調(diào)試功能。 4) 支持IAR的C51編譯、調(diào)試圖形IDE

84、開發(fā)平臺(tái)。 </p><p>　　4.2 ZigBee 協(xié)議棧</p><p>　　TI/Chipcon 公司在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee聯(lián)盟所推出的ZigBee2006規(guī)范的基礎(chǔ)上，發(fā)布了全功能的ZigBee2006協(xié)議棧，并通過(guò)了ZigBee聯(lián)盟的認(rèn)證。該協(xié)議棧全部用C語(yǔ)言編寫，免費(fèi)提供給用戶，同時(shí)向后兼容。在協(xié)議棧內(nèi)部嵌入了一個(gè)操作系統(tǒng)，用于對(duì)任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度。

85、對(duì)于用戶而言，只需要在應(yīng)用層進(jìn)行一些設(shè)計(jì)和改動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收以及網(wǎng)絡(luò)組建功能，構(gòu)建功能完善、性能穩(wěn)定的 ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，首先在協(xié)議棧應(yīng)用層程序中添加相應(yīng)的任務(wù)，然后運(yùn)行任務(wù)即可處理。ZigBee2006協(xié)議棧的main 函數(shù)流程如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1 main 函數(shù)流程圖</p><p>　　OSAL 層初始化時(shí)，通過(guò) osal_

86、init_system 函數(shù)中的 sosalAddTasks 函數(shù)提供任務(wù)列表，向?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)中添加用戶所需要的任務(wù)。在該函數(shù)中，TI 公司已經(jīng)添加了一些任務(wù)，如硬件應(yīng)用層初始化及處理函數(shù)、網(wǎng)絡(luò)層初始化及處理函數(shù)、應(yīng)用層初始化及處理函數(shù)等。在 ZigBee2006 全功能協(xié)議棧中，網(wǎng)絡(luò)連接方式的選擇可通過(guò)在 nwk_globals.c和 nwk_globals.h 中對(duì) STACK_PROFILE_ID 的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)。STACK_P

87、ROFILE_ID 有 3 種量，分別對(duì)應(yīng)著星型拓?fù)?、網(wǎng)型拓?fù)浜蜆湫屯負(fù)渚W(wǎng)絡(luò)。 ZigBee2006 協(xié)議棧支持 5 級(jí)路由深度，每個(gè)路由器最多可連接20 個(gè)節(jié)點(diǎn)(最多包括 6 個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)，14 個(gè)終端節(jié)點(diǎn))，完全能夠滿足本設(shè)計(jì)的需要。 </p><p>　　4.3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的配置和管理，另一方面還接受各傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，將其匯合

88、整理后傳給計(jì)算機(jī)。該部分軟件主要包括設(shè)備初始化、節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)和處理等程序。程序主流程圖如圖 4.2 所示</p><p>　　圖4.2 協(xié)調(diào)器程序流程圖</p><p>　　協(xié)調(diào)器將掃描所有被 ZCD_NV_CHANLIST參數(shù)指定的通道和選擇一個(gè)最少能量的通道。如果有兩個(gè)及以上的最小能量通道，協(xié)調(diào)器就選擇在 ZB 網(wǎng)絡(luò)中存在的序號(hào)最小的通道。 協(xié)調(diào)器將選擇用 ZCD_NV_

89、PANID參數(shù)指定的網(wǎng)絡(luò) ID 。路由器和終端設(shè)備將掃描用ZCD_NV_CHANLIST配置參數(shù)制定的通道和試圖發(fā)現(xiàn)ID為 ZCD_NV_PANID參數(shù)指定的網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)中啟動(dòng)設(shè)備，協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備可以用 ZDO_StartDevice 函數(shù)啟動(dòng)，啟動(dòng)之后，設(shè)備根據(jù)自身的類型去建立或發(fā)現(xiàn)和加入網(wǎng)絡(luò)。ZDO_StartDevice 函數(shù)完整形式：</p><p>　　void ZDO_StartDevi

90、ce ( byte logicalType, devStartModes_t startMode, byte beaconOrder, byte superframeOrder );</p><p>　　4.4 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)視一定范圍內(nèi)的環(huán)境，接收信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和通信。其軟件部 分主要包括監(jiān)測(cè)模塊數(shù)據(jù)采集程序和網(wǎng)絡(luò)通信程序。節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)通

91、信功能比較簡(jiǎn)單，下圖4.3 </p><p>　　圖4.3 傳感器終端節(jié)點(diǎn)流程圖</p><p>　　為在不更換電池情況下延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)使用壽命，程序設(shè)計(jì)中采用了休眠喚醒機(jī)制和閾值觸發(fā)機(jī)制。休眠機(jī)制是降低節(jié)點(diǎn)功耗的常用手段，節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間都處于休眠狀態(tài)，此時(shí)理論功耗小于 1uA，通過(guò)定時(shí)喚醒或外部異常情況喚醒，采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行發(fā)送，發(fā)送完成，又重新進(jìn)入休眠模式。本系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)性質(zhì)使得終端節(jié)點(diǎn)可以周

92、期性的工作和休眠設(shè)定成 1s 喚醒一次。閾值觸發(fā)機(jī)制是指是否發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)取決于采集到的數(shù)據(jù)與觸發(fā)門限的比較，當(dāng)采集數(shù)據(jù)超出設(shè)定閾值時(shí)節(jié)點(diǎn)才發(fā)送數(shù)據(jù)。無(wú)線通信功耗是整個(gè)節(jié)點(diǎn)功耗的重要部分，而監(jiān)測(cè)參數(shù)往往在異常情況下才有實(shí)用價(jià)值，如煙霧濃度的劇烈增加、溫度的大幅下降等。合理安排數(shù)據(jù)傳輸能有效的降低節(jié)點(diǎn)功耗。</p><p>　　傳感器終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)安放的位置，還可能成為路由節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)消息的中繼和轉(zhuǎn)發(fā)。在原有的終端節(jié)點(diǎn)功

93、能外，路由節(jié)點(diǎn)還需接受終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，起到路由作用，維持網(wǎng)絡(luò)的正常通信，所以不能定時(shí)休眠。</p><p>　　圖4.4 路由器節(jié)點(diǎn)流程示意圖</p><p>　　本系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)都是靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，位置固定，因此可以將某個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)與該節(jié)點(diǎn)位置一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，方便樓宇管理系統(tǒng)調(diào)控環(huán)境。Zigbee 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有兩種網(wǎng)絡(luò)地址：一個(gè)是 64 位的 IEEE 地址，另一個(gè)是 16 位的短地址

94、。64 位長(zhǎng)地址是全球唯一的地址，并且終身分配給設(shè)備；短地址是當(dāng)設(shè)備加入 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)時(shí)被協(xié)調(diào)器分配的。通過(guò) TI 公司提供的 Smart RF Flash Programmer 軟件修改網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的 IEEE 末三位地址，可得到 IEEE 地址與單個(gè)傳感器的對(duì)應(yīng)關(guān)系。</p><p><b>　　5 結(jié)論</b></p><p>　　本文結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和智能

95、樓宇這兩大熱點(diǎn)課題，將ZigBee 技術(shù)應(yīng)用于樓宇內(nèi)部無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的組建，解決了傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)存在的問(wèn)題和不足。系統(tǒng)采用 ZigBee 樹型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建智能樓宇傳感器網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了基于CC2430 單片機(jī)的射頻模塊，并在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展設(shè)計(jì)了溫度傳感器節(jié)點(diǎn)、光強(qiáng)度傳感器節(jié)點(diǎn)、濕度傳感器節(jié)點(diǎn)、人體紅外監(jiān)測(cè)模塊等多種傳感器節(jié)點(diǎn)，并在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)了樹型網(wǎng)絡(luò)的小型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試，采用該方案設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)周期短、性價(jià)比高、維護(hù)方便

96、、通用性和擴(kuò)展性好</p><p>　　本文的主要研究結(jié)果有以下幾個(gè)方面： 1.將 ZigBee 技術(shù)應(yīng)用于智能樓宇網(wǎng)絡(luò)，采用無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，解決了傳統(tǒng)樓宇環(huán)境監(jiān)測(cè)布線難、系統(tǒng)升級(jí)難的缺點(diǎn)，規(guī)范了網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，有效解決了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的能耗問(wèn)題，在樓宇控制行業(yè)的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用方面的研究具有前沿性和實(shí)用性。 2.分析研究了ZigBee 協(xié)議棧各層相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和功能、通信模式以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，完成了ZigBee協(xié)

97、議棧的移植、修改和無(wú)線樓宇監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相關(guān)的應(yīng)用程序。 3.利用高性價(jià)比的 CC2430 射頻芯片實(shí)現(xiàn)了該無(wú)線系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)之間的相互通信；設(shè)計(jì)了采用多種類傳感器的數(shù)據(jù)采集模塊，完成了系統(tǒng)硬件平臺(tái)的搭建，對(duì)所提出的方案進(jìn)行了驗(yàn)證。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在本科學(xué)習(xí)的這四年里，許多老師和同學(xué)在學(xué)習(xí)和生活上都給予我很大的幫助。在行

98、將畢業(yè)離別之際，在此向所有關(guān)心我、幫助我的老師、同學(xué)、朋友表示衷心的感謝。</p><p>　　首先，我要感謝我的導(dǎo)師**教授。自論文開題以來(lái)，始終得到了*秋果教授的悉心指導(dǎo)，沒(méi)有*老師從總體上的把握，論文工作不可能順利完成。*老師淵博的知識(shí)、開闊的視野、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)、執(zhí)著的敬業(yè)精神以及豐富的科研經(jīng)驗(yàn)，使我受益匪淺。整個(gè)論文都凝聚著導(dǎo)師的汗水和辛勞，課題期間多次受到導(dǎo)師從學(xué)術(shù)上和思想上的鼓勵(lì)和支持。在此，謹(jǐn)向尊敬的

99、*老師致以誠(chéng)摯的謝意。</p><p>　　其次，我要感謝同我一起奮斗、互相幫助的同學(xué)、朋友們，感謝你們?cè)趯W(xué)習(xí)上和生活上給予我的許多幫助，讓我能夠順利完成學(xué)習(xí)任務(wù)，同時(shí)收貨了寶貴的友誼。</p><p>　　最后，我要感謝我的父母和親人在學(xué)習(xí)和生活上對(duì)我的支持和關(guān)心，感謝所有關(guān)心和幫助過(guò)我的老師、同學(xué)、朋友們。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)<

100、/b></p><p>　　[1] 黃堅(jiān)，金惟偉.中小型電機(jī)產(chǎn)品近年出口情況簡(jiǎn)述[J].中小型電機(jī),2005</p><p>　　[2] 鞠海玲，苗勇等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展 [J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2005 </p><p>　　[3] 段朝玉. ZigBee 2006無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線定位實(shí)戰(zhàn)[M]. 北京: 北京航空航天出版社， 2008.</p&

101、gt;<p>　　[4] 李文仲， 段朝玉. ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)入門與實(shí)戰(zhàn)[M]. 北京: 北京航空航天出版社， 2007.</p><p>　　[5] 周怡， 凌志浩， 吳勤勤. ZigBee 無(wú)線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討[J]. 自動(dòng)化儀表， 2005， 26(6): 4-9.</p><p>　　[6] 夏少波， 許娥. 基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究[J]. 山東