[【毕业设计】基于zigbee的环境监控系统设计

毕业设计题目基于ZIGBEE的环境监控系统设计学生焦艳学号20110311102院（系）职业教育师范学院专业电子信息工程指导教师李颀2015年06月02日基于ZIGBEE的环境监控系统设计摘要无线传感器网络是当今国际备受关注的前沿热点领域，被评为未来高科技的三大产业之一。无线传感器网络是由大量分布的不同规格和功能的具有感知、计算和通信能力的微型传感器节点通过自组织的方式构成的一个以数据为中心的无线网络。大量传感器节点通过相互之间的分工协作，可实时感知、监测和采集分布区域内的监测对象或周围环境的信息。IEEE组织和ZIGBEE联盟提出的IEEEZIGBEE技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，十分适合担当组织无线传感器网络的重任，有着极其重要的研究价值。本设计分析了ZIGBEE技术的基本理论，以及ZIGBEE技术的三种组网方式，结合国内目前已有的传感器技术，设计了用于环境监测的无线传感器网络系统方案。系统由传感器节点、路由节点、协调器和上位机监测平台组成。传感器采集网络由分布在写字楼中的传感器节点组成，采集温湿度、光照强度度等环境变量信息；每个传感器节点均可作为无线网络的节点，又可单独作为传感器测量系统；路由节点负责转发数据，增加该节点可扩展无线传输距离；协调器负责接收各个传感器节点发送的数据，并送到上位机显示、分析和存储。本设计完成了环境监测的小型ZIGBEE网络的搭建，实现了环境参数的连续检测，传感器测量数据准确可靠。对ZIGBEE技术有了进一步的认识，对环境监测研究也做出了相应的贡献。关键词ZIGBEE,DELPHI，温湿度传感器，光照传感器ENVIRONMENTALMONITORINGSYSTEMBASEDONZIGBEEABSTRACTNOWADAYS,WIRELESSSENSORNETWORKSATTRACTSMOREANDMOREATTENTIONSINTHEFRONTEDGETECHNOLOGY,WHICHISAPPRAISEDASONEOFTHETHREEFUTUREHIGHTECHINDUSTRIESWIRELESSSENSORNETWORKWSNISSHORTRANGEWIRELESSNETWORKCONSISITINGOFDENSELYDEPLOYEDLARGENUMBEROFSENSORNODESWITHDIFFERENTSPECSANDFUNCTIONEACHSENSORNODEHASABILITYOFAPPERECEIVING,COMPUTINGANDCOMMUNICATING,THEYFORMANETWORKTHROUGHADHOCMODETHESENSORNODEPERIODICALLYCOLLECTSENVIRONMENTDATAANDSENDSPROCESSEDDATAORINFORMATIONTOSINKSENSORNETWORKCANAPPERCEIVE,INSPECTANDGATHERTHEINFORMATIONOFAGIVENOBJECTORENVIORMENTTHROUGHWIRELESSCOMMUNICATIONBETWEENEACHNODEZIGBEETECHNOLOGY,PROPOSEDBYIEEEORGANIZATIONANDZIGBEEALLIANCE,WITHTHECHARACTERSOFLOWCOMPLICATION,LOWPOWER,LOWDATARATE,ANDLOWCCOST,ISSUITABLETOTAKEONTHETASKOFBUILDINGTHEWIRELESSSENSORNETWORKSTHUSZIGBEEHASANEXTREMELYIMPORTANTWORTHFORREASERCHTHISPAPERANALYSEDTHEBASICTHEORYOFZIGBEETECHNOLOGYANDTHEBUILDINGOFZIGBEENETWORKS,COMBINEDWITHDOMESTICSENSORTECHNOLOGYCURRENTLY,THEWIRELESSSENSORNETWORKSYSTEMFORENVIRONMENTALMONITORINGISMADETHESYSTEMISCOMPOSEDOFSENSORNODES,ROUTINGNODES,CENTRALNODEANDTHEHOSTCOMPUTERMONITORINGTHEPLATFORMTHESENSORNETWORKISCONSISTEDOFSENSORNODESLOCATEDINTHEOFFICES,THENETWORKISUSEDTOGATHERENVIRONMENTALVARIABLESINCLUDINGTEMPERATURE,HUMIDITYANDSTRENGTHOFILLUMINATION,ETC；EACHSENSORNODECANBEUSEDNOTONLYASAWIRELESSNETWORKNODE,BUTALSOASASEPARATESENSORSYSTEM；ROUTINGNODESARERESPONSIBLEFORTRANSMITTINGDATA,THENODESCANGREATLYINCREASETHEDISTANCEOFWIRELESSTRANSMISSION；THECENTRALNODERECEIVESALLDATASSENTBYSENSORNODE,FORANALYSISESANDSTORAGESALLDATASWEHAVECOMPLETEDASMALLZIGBEENETWORKSTRUCTURES,REALIZEDDETECTINGTHEENVIRONMENTALPARAMETERSCONTINUOUSLY,THEMEASUREMENTRESULTSOFSENSORSAREACCURATEANDRELIABLETHEREFOR,WEHAVEABETTERUNDERSTANDINGOFZIGBEE,ANDENVIRONMENTALMONITORINGHASALSOMADEACORRESPONDINGCONTRIBUTIONKEYWORDSZIGBEE,DELPHI,TEMPERATUREANDHUMIDITYSENSOR,LIGHTSENSOR目录摘要IABSTRACTII1绪论111课题背景及意义1111课题背景1112研究意义112国内外发展与现状213研究内容32ZIGBEE协议选择与介绍521无线通信技术的选择5211蓝牙技术5212WIFI技术5213IRDA技术6214NFC技术6215ZIGBEE技术7216UWB技术822ZIGBEE介绍9221ZIGBEE无线通信技术的特点9222ZIGBEE无线通信技术的典型应用领域10223协调器11224路由器11225终端节点1223ZIGBEE网络拓扑结构12231星型网12232簇状网13233网状网1424ZIGBEE网络初始化14241初始化物理层14242MAC层15243应用层163基于ZIGBEE的环境监控系统设计方案174硬件设计1841主控芯片的选择18411CC2530主要功能说明20412CC2530芯片介绍2142温湿度传感器的介绍2343光照度传感器的介绍2544供电模块265软件设计2751主程序处理流程2752启动代码2853ZIGBEE模块的接口设计2954终端节点的软件设计306总结3261结论3262展望32致谢34参考文献35附录基于ZIGBEE的环境监控系统原理图37附录CC2530应用电路图图38附录基于CC2530的DHT11温度传感器度驱动程序391绪论11课题背景及意义111课题背景近年来，随着无线传感器网络技术的迅猛发展，以及人们对于环境保护和环境监督提出的更高要求，越来越多的企业和机构都致力于在环境监测系统中应用无线传感器网络技术的研究。通过在监测区域内布署大量的廉价微型传感器节点，经由无线通信方式形成一个多跳的网络系统，从而实现网络覆盖区域内感知对象的信息的采集量化、处理融合和传输应用与传统的环境监测手段相比，使用传感器网络进行环境监测有三个显著的优势一是网络的自组性提供了廉价而且快速部署网络的可能；二是现场采集的数据可通过中间节点进行路由传送，在不增加功耗和成本的前提下，可将系统性能提高一个数量级。三是网络的健壮性、抗毁性满足了某些特定应用的需求。基于无线传感器网络的环境监测系统适合于在煤矿、油田安全监测，温室环境监测、环保部门的大气监测、突发性环境事故的预测及分析、特殊污染企业的监测，生物群种的生态环境监测以及家庭、办公室及商场空气质量监测等领域应用。利用无线传感器网络实现环境监测的应用领域一般具有以下特点A无人环境、环境恶劣或超远距离情况下信息的采集和传送，保证系统工业级品质安全可靠。B生物群种对于外来因素非常敏感，人类直接进行的生态环境监控可能反而会破坏环境的完整性，包括影响生态环境中种群的习性和分布等。C需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备相对比较多，但仅仅用于监测或控制。D系统实施、运行费用要低，无需铺设大量电缆，支持临时性安装，系统易于扩展和更新。E具有数据存储和归档能力，能够使大量的传感数据存储到后台或远程数据库，并能够进行离线的数据挖掘，数据分析也是系统实现中非常重要的一个方面。112研究意义近年来人们对健康储物意识逐步加强，不断加大对改良储室环境的科技投入，但目前还是主要使用化学药剂来防治虫、霉，以确保所需储物的储存安全。但由于长期单一或不当的使用化学药剂，不但在杀虫不彻底时使害虫的抗药性不断增加，而且对物品、环境造成污染，危害生产质量或人类健康。由于在一定的温度、湿度下，可以抑制虫、霉菌的生长；在一定的光照度以下，可以对储物起到良好的保存作用。故在本设计中，采取控制储物室的温度、湿度以及光照度来储存物品。然而为保证储物室的环境能稳定在一定的范围内，需要温度、湿度以及光照度控制终端和各种、各位置的传感器进行协调工作。所以，考虑这一点，本设计中就用到了ZIGBEE无线通讯技术。通过ZIGBEE，实现自动化控制数据传输，从而实现传感器与温控、光控等终端以及传感器与传感器之间的的协调工作，使储物室的环境形成一定要求的平衡。随着21世纪社会经济的迅速发展，人们对能够随时随地提供信息服务的移动计算和宽带无线通信的需求越来越迫切。无处不在的网络终端，以人为本、个性化、智能化的移动计算，以及方便快捷的无线接入和无线互连等新概念和新产品，已逐渐融入人们的工作领域和日常生活。如今短距离无线通信技术发展突飞猛进，其应用日新月异。ZIGBEE是其中一种具有代表性的短距离无线通信标准。ZIGBEE具有很广阔的应用前景。ZIGBEE技术将主要嵌入在消费型电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控制装置、电脑外设、医用传感器、玩具和游戏机等设备中，支持小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域中的应用，同时还支持地理定位功能。ZIGBEE具有很广阔的应用前景。12国内外发展与现状无线传感器网络是由大量节点组成的面向任务的分布式网络，它综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信、分布式信息处理等多领域技术，通过各类微型传感器实时采集信息，由嵌入式微处理器对信息进行加工处理，并通过无线通信网络将信息传送至远程用户。在国防安全、工农业领域各种控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和实用价值，具有十分广阔的应用前景。无线传感器网络技术作为信息科学技术领域的前沿性技术，已经引起了学术界和工业界的广泛关注。国外的许多大学和研究机构纷纷投入大量研发力量从事无线传感器网络软硬件系统的研究工作。最具代表性的是美国加州大学伯克利分校和因特尔公司联合成立的“智能尘埃”实验室，它的目标是为美国军方提供能够在一立方毫米的体积内自治地完成感知和通信功能的设备原型系统，也就是无线传感器网络节点的研制。这项工作从1998年开始到2001年结束，受到了美国国防预先研究计划局的支持。在随后的几年里，加州大学伯克利分校有多个实验室开始了关于无线传感器网络及其相关的工作，如NESTNETWORKEMBEDDEDSYSTEMSTECHNOLOGY、WEBSWIRELESSEMBEDDEDSYSTEM、BARWANBAYAREARESEARCHWILRELESSACCESSNETWORK、BWRCBERKELEYWIRELESSRESEARCHCENTER等实验室，从不同的角度对无线传感器网络进行了大量具有开创性的研究。美国其它大学也在无线传感器网络方面开展了大量研究工作。如加州大学洛杉矶分校的CENSCENTERFOREMBEDDEDNETWORKEDSENSING实验室、WINSWIRELESSINTEGRATEDNETWORKSENSORS实验室、NESLNETWORKEDANDEMBEDDEDSYSTEMSLABORATORY实验室、LECS实验室、IRL等。另外麻省理工学院MIT从事着极低功耗的无线传感器网络方面的研究，被业界广泛关注的SPINSENSORPROTOCOLSFORINFORMATIONVIANEGOTIATION协议也是出自MIT；奥本大学从事了大量关于自组网传感器网络方面的研究，并完成了一些实验系统的研制；宾汉顿大学计算机系统研究实验室在移动自组网络协议、传感器网络系统的应用层设计等方面作了很多研究工作；州立克利夫兰大学的移动计算实验室在基于IP的移动网络和自组织网络方面结合无线传感器网络技术进行了研究。另外，贝利亚桑那大学的无线网络研究实验室、莱斯大学多媒体通信实验室的无线个人局域网工作组、斯坦福大学的无线传感器网络实验室、新泽西州立大学的无线传感器网络实验室、南加州大学的RESLTHEROBOTICEMBEDDEDSYSTEMSLABORATORY实验室、西密西根大学的无线传感器网络实验室。此外新加坡国立大学的无线传感器网络实验室等也有关于无线传感器网络方面的研究。传感器网络在生态环境监测方面的应用非常典型。美国加州大学伯克利分校计算机系INTEL实验室和大西洋学院THECOLLEGEOFTHEATLANTIC，COA联合开展了一个利用传感器网络监控海岛生态环境的项目。该研究组在大鸭岛GREATDUCKISLAND上部署了由43个传感器节点组成的传感器网络，节点上安装有多种传感器以监测海岛上不同类型的数据。如使用光敏传感器、数字温湿度传感器和压力传感器监测海燕地下巢穴的微观环境，使用低能耗的被动红外传感器监测巢穴的使用情况。我国现代意义的无线传感网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，1999年首次正式出现于中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动化领域研究报告中，作为该领域提出的五个重大项目之一。随着知识创新工程试点工作的深入，2001年中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，引领院内的相关工作，并通过该中心在无线传感网络的方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，参加单位包括上海微系统所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、软件所等十余个研究所，初步建立传感网络系统研究平台，在无线智能传感网络通信技术、微型传感器、传感器节点、簇点和应用系统等方面取得很大的进展。近几年来，国家发改委、科技部、信息产业部等均启动了在无线传感器网络及自组织网络领域的研发项目。国家中长期科学和技术发展规划纲要20062020年将“传感器网络及智能信息处理”作为未来信息产业及现代服务业的重点方向。由于受到了学术界及产业界的普遍关注，无线传感器网络技术正以前所未有的速度发展着。国内的许多高校也掀起了无线传感器网络的研究热潮。清华大学、中国科技大学、浙江大学、华中科技大学、天津大学、南开大学、北京邮电大学、东北大学、西北工业大学、西南交通大学、沈阳理工大学和上海交通大学等单位纷纷开展了有关无线传感器网络方面的基础研究工作。一些企业如中兴通讯公司等单位也加入无线传感器网络研究的行列。13研究内容由于有线监测系统自身的局限性及各类环境的复杂性，季节、室内活动、噪声、辐射、固体废物等各类待采集的环境参数都无法进行有效监测。本文提出的环境监测系统基于无线传感器网络，在采集地散布无线传感器节点，这些节点通过自组织方式构成无线网络实时监控各类环境参数。这种无线传感网络避免了布线的繁琐，同时设备具有体积小，可重复利用，便于安放等优点。无线环境监测系统设计包括两个部分，第一部分为环境监测网络，由众多无线传感器节点分布在某环境内，采集各种环境变量信息，并通过ZIGBEE无线通讯协议把数据发送到数据汇聚中心的协调器上；第二部分为上位机显示软件，通过主控芯片CC2530传送温湿度、光照度参数，从而对环境条件进行相应的补充和调整，使其达到符合要求的储物环境。2ZIGBEE协议选择与介绍21无线通信技术的选择211蓝牙技术蓝牙技术，是近几年出现的，广受业界关注的近距无线连接技术。它是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的短距离无线连接为基础，可为固定的或移动的终端设备提供廉价的接入服务。蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的近距无线接口，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，使各种设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内实现相互通信或操作。其传输频段为全球公众通用的24GHZISM频段，提供1MBPS的传输速率和10M的传输距离。蓝牙技术诞生于1994年，ERICSSON当时决定开发一种低功耗、低成本的无线接口，以建立手机及其附件间的通信。该技术还陆续获得PC行业业界巨头的支持。1998年，蓝牙技术协议由ERICSSON、IBM、INTEL、NOKIA、TOSHIBA等5家公司达成一致。蓝牙协议的标准版本为802151，由蓝牙小组SIG负责开发。802151的最初标准基于蓝牙11实现，后者已构建到现行很多蓝牙设备中。新版802151基本等同于蓝牙12标准，具备一定的QOS特性，并完整保持后向兼容性。但蓝牙技术遭遇了最大的障碍是过于昂贵。突出表现在芯片大小和价格难以下调、抗干扰能力不强、传输距离太短、信息安全问题等等。这就使得许多用户不愿意花大价钱来购买这种无线设备。因此，业内专家认为，蓝牙的市场前景取决于蓝牙价格和基于蓝牙的应用是否能达到一定的规模。212WIFI技术WIFIWIRELESSFIDELITY,无线高保真也是一种无线通信协议，正式名称是IEEE80211B，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术。WIFI速率最高可达11MB/S。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100M左右。WIFI是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区域内，就能以最高约11MB/S的速度接入WEB。但实际上，如果有多个用户同时通过一个点接入，带宽被多个用户分享，WIFI的连接速度一般将只有几百KB/S的信号不受墙壁阻隔，但在建筑物内的有效传输距离小于户外。WLAN未来最具潜力的应用将主要在SOHO、家庭无线网络以及不便安装电缆的建筑物或场所。目前这一技术的用户主要来自机场、酒店、商场等公共热点场所。WIFI技术可将WIFI与基于XML或JAVA的WEB服务融合起来，可以大幅度减少企业的成本。例如企业选择在每一层楼或每一个部门配备80211B的接入点，而不是采用电缆线把整幢建筑物连接起来。这样一来，可以节省大量铺设电缆所需花费的资金。最初的IEEE80211规范是在1997年提出的，称为80211B，主要目的是提供WLAN接入，也是目前WLAN的主要技术标准，它的工作频率也是24GHZ，与无绳电话、蓝牙等许多不需频率使用许可证的无线设备共享同一频段。随着WIFI协议新版本如80211A和80211G的先后推出，WIFI的应用将越来越广泛。速度更快的80211G使用与80211B相同的正交频分多路复用调制技术。它工作在24GHZ频段，速率达54MB/S。根据最近国际消费电子产品的发展趋势判断，80211G将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准。微软推出的桌面操作系统WINDOWSXP和嵌入式操作系统WINDOWSCE，都包含了对WIFI的支持。其中，WINDOWSCE同时还包含对WIFI的竞争对手蓝牙等其它无线通信技术的支持。由于投资80211B的费用降低，许多厂商介入这一领域。INTEL推出了集成WLAN技术的笔记本电脑芯片组，不用外接无线网卡，就可实现无线上网。213IRDA技术红外线数据协会IRDAINFRAREDDATAASSOCIATION成立于1993年。起初，采用IRDA标准的无线设备仅能在1M范围内以1152KB/S速率传输数据，很快发展到4MB/S以及16MB/S的速率。IRDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是第一个实现无线个人局域网PAN的技术。目前它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如PDA、手机上广泛使用。事实上，当今每一个出厂的PDA及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持IRDA。IRDA的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。并且还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。此外，红外线发射角度较小，传输上安全性高。IRDA的不足在于它是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其它物体阻隔，因而该技术只能用于2台非多台设备之间的连接。而蓝牙就没有此限制，且不受墙壁的阻隔。IRDA目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。214NFC技术NFCNEARFIELDCOMMUNICATION，近距离无线传输是由PHILIPS、NOKIA和SONY主推的一种类似于RFID非接触式射频识别的短距离无线通信技术标准。和RFID不同，NFC采用了双向的识别和连接。在20CM距离内工作于1356MHZ频率范围。NFC最初仅仅是遥控识别和网络技术的合并，但现在已发展成无线连接技术。它能快速自动地建立无线网络，为蜂窝设备、蓝牙设备、WIFI设备提供一个“虚拟连接”，使电子设备可以在短距离范围进行通讯。NFC的短距离交互大大简化了整个认证识别过程，使电子设备间互相访问更直接、更安全和更清楚，不用再听到各种电子杂音。NFC通过在单一设备上组合所有的身份识别应用和服务，帮助解决记忆多个密码的麻烦，同时也保证了数据的安全保护。有了NFC，多个设备如数码相机、PDA、机顶盒、电脑、手机等之间的无线互连，彼此交换数据或服务都将有可能实现。此外NFC还可以将其它类型无线通讯如WIFI和蓝牙“加速”，实现更快和更远距离的数据传输。每个电子设备都有自己的专用应用菜单，而NFC可以创建快速安全的连接，而无需在众多接口的菜单中进行选择。与知名的蓝牙等短距离无线通讯标准不同的是，NFC的作用距离进一步缩短且不像蓝牙那样需要有对应的加密设备。同样，构建WIFI家族无线网络需要多台具有无线网卡的电脑、打印机和其它设备。除此之外，还得有一定技术的专业人员才能胜任这一工作。而NFC被置入接入点之后，只要将其中两个靠近就可以实现交流，比配置WIFI连结容易得多。NFC有三种应用类型A设备连接，除了无线局域网，NFC也可以简化蓝牙连接。比如，手提电脑用户如果想在机场上网，他只需要走近一个WIFI热点即可实现。B实时预定，比如，海报或展览信息背后贴有特定芯片，利用含NFC协议的手机或PDA，便能取得详细信息，或是立即联机使用信用卡进行票卷购买。而且，这些芯片无需独立的能源。C移动商务，飞利浦MIFARE技术支持了世界上几个大型交通系统及在银行业为客户提供VISA卡等各种服务。索尼的FELICA非接触智能卡技术产品在中国香港及深圳、新加坡、日本的市场占有率非常高，主要应用在交通及金融机构。总而言之，这项新技术正在改写无线网络连接的游戏规则，但NFC的目标并非是完全取代蓝牙、WIFI等其他无线技术，而是在不同的场合、不同的领域起到相互补充的作用。所以如今后来居上的NFC发展态势相当迅速215ZIGBEE技术ZIGBEE主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。ZIGBEE名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZIGBEE形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。ZIGBEE联盟成立于2001年8月。2002年下半年，INVENSYS、MITSUBISHI、MOTOROLA以及PHILIPS半导体公司四大巨头共同宣布加盟ZIGBEE联盟，以研发名为ZIGBEE的下一代无线通信标准。到目前为止，该联盟大约已有27家成员企业。所有这些公司都参加了负责开发ZIGBEE物理和媒体控制层技术标准的IEEE802154工作组。ZIGBEE联盟负责制定网络层以上协议。目前，标准制订工作已完成。ZIGBEE协议比蓝牙、高速率个人区域网或80211X无线局域网更简单实用。ZIGBEE可以说是蓝牙的同族兄弟，它使用24GHZ波段，采用跳频技术。与蓝牙相比，ZIGBEE更简单、速率更慢、功率及费用也更低。它的基本速率是250KB/S，当降低到28KB/S时，传输范围可扩大到134M，并获得更高的可靠性。另外，它可与254个节点联网。可以比蓝牙更好地支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。人们期望能在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域拓展ZIGBEE的应用。ZIGBEE技术特点主要包括以下几个部分A数据传输速率低。只有10KB/S250KB/S，专注于低传输应用。B功耗低。在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月以上。这也是ZIGBEE的支持者所一直引以为豪的独特优势。C成本低。因为ZIGBEE数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本积极投入ZIGBEE开发的MOTOROLA以及PHILIPS，均已在2003年正式推出芯片，飞利浦预估，应用于主机端的芯片成本和其它终端产品的成本比蓝牙更具价格竞争力。D网络容量大。每个ZIGBEE网络最多可支持255个设备，也就是说每个ZIGBEE设备可以与另外254台设备相连接。E有效范围小。有效覆盖范围1075M之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。F工作频段灵活。使用的频段分别为24GHZ、868MHZ欧洲及915MHZ美国，均为免执照频段。根据ZIGBEE联盟目前的设想，ZIGBEE的目标市场主要有PC外设鼠标、键盘、游戏操控杆、消费类电子设备TV、VCR、CD、VCD、DVD等设备上的遥控装置、家庭内智能控制照明、煤气计量控制及报警等、玩具电子宠物、医护监视器和传感器、工控监视器、传感器和自动控制设备等非常广阔的领域。216UWB技术超宽带技术UWBULTRAWIDEBAND是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。UWB可在非常宽的带宽上传输信号，美国FCC对UWB的规定为在31106GHZ频段中占用500MHZ以上的带宽。由于UWB可以利用低功耗、低复杂度发射/接收机实现高速数据传输，在近年来得到了迅速发展。它在非常宽的频谱范围内采用低功率脉冲传送数据而不会对常规窄带无线通信系统造成大的干扰，并可充分利用频谱资源。基于UWB技术而构建的高速率数据收发机有着广泛的用途。UWB技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，低截获能力，定位精度高等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入，非常适于建立一个高效的无线局域网或无线个域网WPAN。UWB主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。除此之外，这种新技术适用于对速率要求非常高大于100MB/S的LANS或PANS。UWB最具特色的应用将是视频消费娱乐方面的无线个人局域网PANS。现有的无线通信方式，80211B和蓝牙的速率太慢，不适合传输视频数据54MB/S速率的80211A标准可以处理视频数据，但费用昂贵。而UWB有可能在10M范围内，支持高达110MB/S的数据传输率，不需要压缩数据，可以快速、简单、经济地完成视频数据处理。具有一定相容性和高速、低成本、低功耗的优点使得UWB较适合家庭无线消费市场的需求UWB尤其适合近距离内高速传送大量多媒体数据以及可以穿透障碍物的突出优点，让很多商业公司将其看作是一种很有前途的无线通信技术，应用于诸如将视频信号从机顶盒无线传送到数字电视等家庭场合。当然，UWB未来的前途还要取决于各种无线方案的技术发展、成本、用户使用习惯和市场成熟度等多方面的因素。由于本设计监控对象为室内环境参数，比较以上6中无线通信技术，ZIGBEE联盟对IEEE802154标准网络层协议和API进行了标准化，制定了基于IEEE802154，具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。ZIGBEE联盟对ZIGBEE标准的制定IEEE802154的物理层、MAC层及数据链路层，标准已在2003年5月发布。ZIGBEE网络层、加密层及应用描述层的制定也取得了较大的进展。V10版本已经发布。其他应用领域及其相关的设备描述也会陆续发布。ZIGBEE联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄露其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。故ZIGBEE协议网所具特点最合适用于环境监控系统。22ZIGBEE介绍ZIGBEE规范根据节点设备所处的角色定义了三种网络节点类型协调器COORDINATOR、路由器ROUTER、终端设备ENDDEVICE。协调器和路由器必须是FFD，ZIGBEE终端设备可能是FFD，也可能是RFD。ZIGBEE协调器负责建立和维护网络，在每个网络中有且只有一个；路由器是中继节点，可以选路并转发数据；终端设备功能比较单一，往往只是发送和接收简单信息。221ZIGBEE无线通信技术的特点A功耗低工作模式情况下，ZIGBEE技术传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收发时间很短，其次在非工作模式时，ZIGBEE节点处于休眠模式。设备搜索时延一般为30MS，休眠激活时延为15MS，活动设备信道接入时延为15MS。由于工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，使得ZIGBEE节点非常省电，ZIGBEE节点的电池工作时间可以长达6个月N2年左右。B数据传输可靠ZIGBEE的媒体接人控制层MAC层采用TALKWHENREADY的碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需求时则立刻传送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并进行确认信息回复，若没有得到确认信息的问复就表示发生了碰撞，将再传一次，采用这种方法可以提高系统信息传输的可靠性。同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。同时ZIGBEE针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。C网络容量大低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。ZIGBEE定义了两种器件全功能器件FFD和简化功能器件RFD。对全功能器件，要求它支持所有的49个基本参数。而对简化功能器件，在最小配置时只要求它支持38个基本参数。一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话，可以按3种方式工作，分别为个域网协调器、协调器或器件。而简化功能器件只能与全功能器件通话，仅用于非常简单的应用。一个ZIGBEE的网络最多包括有255个ZIGBEE习路节点，其中一个是主控设备，其余则是从属设备。若是通过网络协调器，整个网络最多可以支持超过64000个ZIGBEE路节点，再加上各个网络协调器可互相连接，整个ZIGBEE网络节点的数目将十分可观。D兼容性ZIGBEE技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器自动建立网络，采用载波侦听冲突检NOCSMACA方式进行信道接入。为了可靠传递，还提供全握手协议。E安全性ZIGBEE提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供了三级安全性。第一级实际是无安全方式，对于某种应用，如果安全并不重要或者上层己经提供足够的安全保护，器件就可以选择这种方式来转移数据。对于第二级安全级别，器件可以使用接入控制清单ACL来防止非法器件获取数据，在这一级不采取加密措施。第三级安全级别在数据转移中采用属于高级加密标准AES的对称密码。AES可以用来保护数据挣荷和防止攻击者冒充合法器件。F实现成本低模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1525美元，且ZIGBEE协议免专利费用。随着ZIGBEE规范的进一步完善，许多公司均在着手开发基于ZIGBEE的产品。采用ZIGBEE技术的无线网络应用领域有家庭自动化、家庭安全、工业与环境控制与医疗护理、检测环境、监测、监察保鲜食品的运输过程及保质情况等等。222ZIGBEE无线通信技术的典型应用领域A数字家庭领域可以应用于家庭的照明、温度、安全、控制等。ZIGBEE模块可安装在电视、灯泡、遥控器、儿童玩具、游戏机、门禁系统、空调系统和其它家电产品等，例如在灯泡中装置ZIGBEE模块，则人们要开灯，就不需要走到墙壁开关处，直接通过遥控便可开灯。当你打开电视机时，灯光会自动减弱；当电话铃响起时或你拿起话机准备打电话时，电视机会自动静音。通过ZIGBEE终端设备可以收集家庭各种信息，传送到中央控制设备，或是通过遥控达到远程控制的目的，提供家居生活自动化、网络化与智能化。B工业领域通过ZIGBEE络自动收集各种信息，并将信息回馈到系统进行数据处理与分析，以利工厂整体信息之掌握，例如火警的感测和通知，照明系统之感测，生产机台之流程控制等，都可由ZIGBEE网络提供相关信息，以达到工业与环境控制的目的。C农业自动化农业自动化领域的特点是需要覆盖的区域很大，因此需要由大量的ZIGBEE设备构成监控网络，通过各种传感器采集诸如土壤湿度、氮元素浓度、降水量、温度、空气湿度和气压等信息，以帮助农民及时发现问题，并且准确地确定发生问题的位置，这样农业将有可能逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备。D医学辅助控制医院罩借助于各种传感器和ZIGBEE络，能够准确而实时地监测病人的血压、体温和心率等关键信息，帮助医生做出快速的反应，特别适用于对重病和病危患者的看护和治疗。带有微型纽扣电池的自动化、无线控制的小型医疗器械将能够深入病人体内完成手术，从而在一定程度上减轻病人开刀的痛苦。还有其他许多领域能够采用ZIGBEE技术实现无线远程、自动化控制，更多的应用将有待于业界标准化维织、应用开发商以及广大用户进一步的设计和完善。223协调器协调器在运行之前需要配置相关的网络参数和设备参数，供后面使用。在加电之后，协调器首先应当扫描信道，选择合适的信道和网络标识建立网络，然后允许其它设备加入网络，到这里协调器的初始化工作结束。进入正常操作状态之后，协调器需要管理网络中的设备，包括处理它们的加入和离开；协调器需要处理来自其它设备的绑定请求，为不同设备之间的数据转发建立相关绑定信息；它还需要能够处理各种设备和服务查询请求；当然，它还需要能够发送和接收数据。224路由器路由器在加电之后，应当加入或者重新加入网络。如果是加入新网络，它需要扫描信道，选择合适的网络加入；如果是重新加入网络，它需要扫描信道查父设备。在加入网络之后，它需要配置路由器相关的属性。在进入正常操作状态之后，路由器和协调器工作方式类似。225终端节点终端节点在加电后首先也应当加入或者重加入络。在进入正常操作状态之后，终端设备往往只能简单的发送和接收数据,它们并不处理网络管理等功能，大多数时间都处于休眠状态。23ZIGBEE网络拓扑结构每个ZIGBEE网络都有一个标示符，用来和其他ZIGBEE网络进行区分，该标示符是由ZIGBEE协调器在建立网络时确定的。当节点加入网络时会分配一个16位的网络地址，以后该节点就用这个网络地址和其他节点通信。ZIGBEE网络可以实现下面三种网络拓扑结构星型STAR网、树型TREE网、网状网。231星型网如图21所示，为ZIGBEE星型结构。图21ZIGBEE网络星型结构星型网是这三种网络拓扑结构中最简单的一种，在星型网络中包含一个协调器、没有路由器并且包含许多的终端节点。所有的终端节点都在协调器的通信范围之内。星型网络是一个辐射状系统，数据和网络命令都通过协调器传输。这种路由拓扑中，外围节点需要直接与协调器无线相连，某个节点的冲突或故障将会降低系统的可靠性。星型路由拓扑的最大优点是结构简单。这种简单带来的是很少有上层协议需要执行、较低的设备成本、较少的上层路由信息和管理简便。中心节点可以承担许多管理工作，如发放证书和远距离网关管理等。但是这种简单是以灵活性的牺牲为代价的。因为需要把每个终端节点放在中心节点的通信范围之内，这必然会限制无线网络的覆盖范围。并且星型拓扑很难实现高密度地扩展。集中的信息涌向中心节点，容易形成热点，导致网络拥塞、丢包、性能下降等，这取决于数据量的情况。目前为止，星型拓扑是最常见的网络配置结构，被大量应用在远程监测和控制中。这些应用不必要或难以承受一个更复杂的网络拓扑所带来的成本和网络复杂问题。232簇状网如图22所示，ZIGBEE拓扑网络树形结构图22ZIGBEE拓扑网络簇状结构树型网络中包含一个协调器、若干个路由器、若干个终端节点，为了保持网络中节点的通信畅通性，必须使网络符合下述要求每个设备或者能直接与协调器通信或者能与网络中任意一个路由器通信。树型拓扑是多个星型拓扑的集合。若干个星型拓扑连接到一起，扩展到更广阔的区域，就像树的分支一样。在今天的通信网络中，树型网络和路由模式被大量应用。树型拓扑是可以实现网络范围内“多跳“信息服务的最简单的拓扑结构。为了支持网络功能，树型结构必须实现几个关键的网络服务。首先，树型网络必须提供动态地址分配机制，这样新加入的节点才能连接到网络上并被其他已有节点所认可。其次，树型拓扑中每个节点必须根据信息的发送者和接收者做出一个最简单的路由选择，保证信息向前发送。最后，树型网络必须提供可配置的范围属性，以表明无线网络设备有多少资源来支持树型拓扑。这个范围属性包括树型结构的最大层数和允许子节点的最大个数。树型拓扑最值得注意的地方就是它保持了星型拓扑的简单性；较少的上层路由信息、较低的存储器需求，这样成本必然也较低。这种新的“多跳”能力解决了由于低功耗RF收发器所带来的覆盖范围的问题，它使得网络架构者和开发者不必采用大功率远距离的无线通信设备就可以覆盖大范围区域。然而，树型结构也不能很好的适应外部的动态环境。它的路由机制过分简单，很难根据外部多变的射频环境做出简单的调整。从图中可以看出,在信息源与目的之间，有且仅有条传输路径,任何一个节点的中断或故障将会使部分节点脱离网络。由于节点间的传输路径是通过一种预编程方式处理的，所以无论是否有其它节点在通信范围内,信息都将按照预定程序传输，因而,通信时间的潜力是很高的。树型拓扑的最佳应用是在稳定的无线电射频环境中，也可以很好地用在一些简单的低数据量如传感器的大规模集合的应用之中。如果应用需要有一定的覆盖范围，网络有一定的稳定性和扩展性，树型结构将是一个简单的选择。233网状网如图23为ZIGBEE拓扑网络网状结构图23ZIGBEE网络拓扑结构网状网它是三种网络中结构最复杂，但是灵活性、抗干扰能力最好的一种网络。与树型网络不同的是,在不同的路由器之间可能还存在许多的路由器，这些冗余的路由器不仅为终端节点提供了更多的传输路径，也增加了网络的稳定性，当然这些都是以额外增加硬件开销为代价得到的。网状网络是一个自由设计的拓扑，具有很高的适应环境的能力。网络中存在许多路由器，它们都具有重新路由选择的能力,以确保网络最大限度的鲁棒性和可靠性。网状拓扑通过广播和一系列的路由查询和维护命令来动态地升级整个网络的路由信息。ZIGBEE网状路由协议采用AODVADHOCONDEMANDDISTANCEVECTORROUTING路由算法发起消息的节点，通过查询邻近节点建立一个适当的路由路径,这个查询就像波浪一样在网络中传播，直到找到目的节点并得到应答，这个应答反向到达消息发起节点,并一路保存重要的路由数据。最终，消息发起节点得到了最新得路由信息，并以此做出路由决定。一段时间后，这个新的路由消息将会变老过期，将需要新的路由信息，以保证路由结果是基于新的信息。网状拓扑与星型、树型相比，更加复杂，其路由拓扑是动态的，不存在一个固定可知的路由模式。这样信息传输时间更加依赖瞬时网络连接质量，因而难以预计。更重要的是，即使对一个经验丰富的网络设计师来说，定性地分析网状算法也是一件极具挑战的工作。网络设计师通常在需要高度可靠、可实现的场合应用网状结构。24ZIGBEE网络初始化241初始化物理层物理层由IEEE802154标准规定，它定义了两个物理层标准，分别在868915MHZ和24GHZ频段上工作。物理层的主要作用是定义了物理信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道收发数据，物理层管理服务维护一个物理层相关数据组成的数据库。物理层提供了两个服务接入点，一个是PDSAP，其提供数据服务；另一个是PLMESAP，提供管理服务。物理层功能A收发数据。B激活和休眠射频收发器。C信道能量检钡,LJENERGYDETECT，ED。信道能量检测为网络层提供信道选择依据。它主要测量目标信道中接收信号的功率强度，由于这个检测本身不进行解码操作，所以检测结果是有效信号功率和噪声信号功率之和。D空闲信道评估CLEARCHANNELASSESSSMENT，CCA。链路质量指示为网络层或者应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量的信息，与信道能量检测不同的是，它要对信号解码，生成的是一个信噪比指标。这个信噪比指标和物理层数据单元一道提交给网络层处理。E数据链路质量指示LINKQUALITYINDICATION，LQI。空闲信道评估判断信道是否空闲。IEEE802154定义了三种空闲信道评估模式第一种，简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某一个门限值时就认为信道空闲；第二种是通过判断无线信号的特征，这个特征主要包括两个方面，即扩频信号特征和载波频率；第三种模式是前两种模式的综合，同时检测信号强度和信号特征，给出信道空闲判断。物理层帧结构物理帧的第一个字段是四个字节的前导码，收发器在接收前导码期间，会根据前导码序列的特征完成片同步和符号同步。帧起始分隔符STARTOFFRAMEDELIMITER，SFD字段长度为一个字节，其值固定为0XA7，标识一个物理帧的开始。收发器接收完前导码后只能做到数据的位同步，通过搜索SFD字段的值0XA7才能同步到字节上。帧长度FRAMELENGTH由一个字节的低7位表示，其值就是物理帧负载的长度，因此物理帧负载的长度不会超过127个字节。物理帧的负载长度可变，称之为物理服务数据单元。242MAC层在IEEE802系列标准中，OSI参考模型的数据链路层进一步划分为MAC和LLC两个子层。MAC子层使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输，而LLC在MAC子层的基础上，在设备间提供面向连接