毕业论文基于zigbee的温度监控系统课件

洛阳理工学院毕业设计（论文） I 基于 zigbee 的温度监控系统 摘 要 近年来，随着计算机技术、网络技术与无线通信技术的高速发展和广泛应用， 无线通讯网络成为一个在国际上备受关注的前沿热点的研究领域。目前各种无线 技术百花争艳，竞争非常的激烈，无线生活即将到来。 从手机通信用的 GPRS,到短距离用的蓝牙，电脑无线上网用过的 Wi-Fi，各 种无线通信技术已经遍布我们的生活中，然而从 2004 年 IEEE 制定出一种新的无 线通信协议后，这似乎又预示着一种新的革命，虽然他的速度不是想象中的那么 迅速，但是这种苗头已经悄悄地成长起来。他就是备受人们关注的 zigbee 协议。 本文在各种无线通信中选取一种最具竞争力的蓝牙技术与 zigbee 技术对比， 在对比出双方优越性之后我们选取了 zigbee 协议作为我们毕业设计。本毕业设计 主要利用 zigbee 网络监控各种生产车间各个地点的温度值，然后通过 zigbee 网络 传递到监控室，上位机能够实时的显示各个监控点对应的温度，并且可以设置对 个不同监控点的报警温度，温度超过报警值时上位机可以视觉报警，在现场监控 点可以声音报警，并且可以随意增加监控点，随意移动监控点，传输数据安全稳 定可靠，采用电池供电，操作非常方便，避免了繁琐的拉线等操作。 最后通过温度采集实验对系统进行了测试，结果表明，系统运行稳，效果良 好。 关键词：无线网络，zigbee，cc2530，温度监控 洛阳理工学院毕业设计（论文） II WIRELESS DATA MONITORING SYSTEM BASED ON ZIGBEE TECHNOLOGY ABSTRACT In recent years, along with the computer technology, network technology and wireless communication technology high speed development and the widespread application, wireless communication network as a international attention on the leading edge of the hot fields of study. At present various wireless technology flowers bloom and the competition is very fierce, wireless life is coming. Mobile communication from the GPRS, to short the use of bluetooth, computer wireless Internet use Wi-Fi, all kinds of wireless communication technology has already spread our life, however, from 2004 IEEE worked out a new wireless communication protocol, this seems to and indicates a new revolution, although his speed is not imagination of so rapidly, but this kind of symptom had quietly grow up. He is much attention of the zigbee agreement. This paper in all kinds of wireless communication select one of the most competitive bluetooth technology and zigbee contrast technology, in contrast to the both sides after advantages we chose the zigbee agreement as our graduation design. The graduation design, the main use of zigbee network monitor all production workshop every location value, and then through the zigbee network transmission to monitoring room, PC can real-time show each employ the corresponding temperature, and can set the alarm for a different monitory point temperature, temperature over alarm value PC can visual alarm, who can voice call the police at the scene, and can be increased at will employ, move monitory point, transmits data security is stable and reliable, Finally through the temperature gathering experiment on the system test, the result shows that, on the operation of the system, and the result is good. KEY WORDS: wireless network，zigbee，cc2530，Temperature monitoring 洛阳理工学院毕业设计（论文） III 目 录 前 言.1 第 1 章 zigbee 概述 5 1.1 zigbee 的概念.5 1.2 zigbee 的优势.6 1.3zigbee 的发展前景及应用9 1.3.1 zigbee 的发展前景.9 1.3.2 zigbee 的应用.12 第 2 章 系统总体设计.14 2.1 系统总体方案.14 2.1.1 常用的网络拓扑结构.14 2.1.2 网络拓扑结构的选择.16 2.2 芯片的选择17 2.3 协议栈的介绍.17 第 3 章 系统硬件电路设计.19 3.1 硬件部分总体介绍19 3.2 电源部分设计.20 3.3 显示部分的设计.21 3.4 按键部分设计.22 3.5 温度采集与报警设计.24 3.5.1 温度采集电路24 3.5.2 报警电路24 3.6 其余电路的设计.25 3.6.1 串口调试电路的设计.25 3.6.2 状态指示灯电路的设计.26 第 4 章 系统软件的设计.27 4.1 软件部分总体介绍27 4.1.1 软件设计整体流程.27 4.1.2 网络通道和 PAN ID 的选择28 洛阳理工学院毕业设计（论文） IV 4.2 开发环境的介绍.29 4.3 协调器的软件设计34 4.3 路由的软件设计35 4.3 终端节点的软件设计36 第 5 章 上位机设计.38 第 5 章 测试结果.40 结 论.42 谢 辞.43 参考文献.44 附 录.45 硬件原理图.45 部分代码.46 外文资料翻译.56 洛阳理工学院毕业设计（论文） 1 前 言 一、 选题背景和意义 随着计算机软硬件技术、网络技术和工业综合自动化系统整合水平的不断发 展，对监控数据传输的实时性、数据接口的开放性以及数据链接的安全性的要求 越来越高，有线控制网络的局限性也越来越突出。 本课题的主要来源于工业控制中，虽对数据的实时性要求不高但距离控制终 端较远:同时需要及时的对其状态进行监测，反映故障，但生产现场环境复杂，这 些情况都导致了布线不方便，且升级维护费用昂贵，同时这些情况的实时数量都 不大，使用一种低速低功耗的无线网络就可以很好的解决这些问题. 在工业控制环境下的短距离无线网络技术己成为近年来业界的研究热点之一 ，基于 Bluetooth (IEEE802.15.1), Wi-Fi (IEEE802.11)和 ZigBee(IEEE802.15.4)等 协议的无线网络技术相继问世。其中 ZigBee 短程无线网技术以其数据传输安全 可靠、组网简易灵活、设备成本低、电池寿命长等优势，在工业控制领域中展现 了深厚的发展潜力1。 ZigBee 是一种近年来才兴起的无线网络通信技术标准。它出现的时间较短， 2004 年底才由 ZigBee 联盟发布了 1.0 版本规范，尚未进入大规模的商业化生产 和应用;但是，它的上升势头十分明显，已有 Chipcon、Freescale、CompXs、Emb er 四家公司在 2005 年 4 月通过了 ZigBee 联盟对其产品所作的测试和兼容性验证 。预计从今年开始，基于 ZigBee 的无线通信产品和应用会迅速得到普及和高速 发展2-4。 将设备数据采集之后再通过无线 ZigBee 网络进行传输是 ZigBee 技术在工业 现场环境中的一种应用，这种新兴的技术必将给工厂现代化注入新的活力。 传统的工业数据采集与控制系统，其数据传输一般以工业控制总线作为介质 ，以致大都局限于本地的近距离范围之内应用。随着国民经济发展，企业及机构 的管理规模不断扩大，其需要管理与控制的对象更趋多样性，甚至具有流动性， 分布的范围也涉及到不同的地域。为了对这些分散的对象进行有效的集中管理， 对远程及移动数据采集与控制的需求也就日益迫切5-6。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 2 ZigBee 技术填补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空白，其使用的 便捷性是该技术成功的关键，它适用于短距离小范围的基于无线通信的控制领域 ，必将在工业自动化等领域得到广泛的应用7。 数据采集技术已经相对成熟，将它重新构建于 ZigBee 网络平台之上，将成 熟技术的稳定性和新技术的便捷性充分结合起来，这种结合对于工业现场十分必 要。减少了在某些场所有线网络布线以及工人人工采集数据的不便，同时可以方 便的于各种传感器搭配用于不同的场合8。 二、 无线采集系统的研究现状 无线采集系统是新一代的无线采集系统，具有非常广泛的应用前景。其发展 和应用将会给人们的生活和生产的各个领域带来深远的影响。各国都非常重视无 线网络的发展，IEEE 正在努力推动无线网络的应用和发展。 目前众多的无线网络技术中，ZigBee 技术作为一种新兴的无线网络技术，在 工业控制、消费电子等领域以及科研开发中得到了关注和使用，显示出其强劲的 应用势头。无线采集系统在民用方面涉及城市公共安全、公共卫生、安全生产、 智能交通、智能家居、环境监控等领域。国内从事无线传感器网络应用的大企业 目前为数不多，小型企业呈现蓬勃发展的势头。 随着科学技术的飞速发展，特别是在全球信息技术及其产业化的推动下，无 线数据采集将会趋向于网络化、智能化、安全化的方向发展。基于无线网络技术 的数据采集系统应运而生，并将成为未来数据采集系统的重要发展方向。智能采 集系统是一种综合性的、多学科的高科技技术集合，它涉及电子、机械、计算机 技术、通信技术等诸多领域。 三、 芯片的选择 TI 公司的 CC2530 系列单片机是一个 8 位的、具有精简指令集的、超低功耗 的混合型单片机，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手 段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。 我国的多数读者对 89C51 系列的单片机是很熟悉的，下面是它们之间的对比 ： 洛阳理工学院毕业设计（论文） 3 首先，89C51 单片机是 8 位单片机，其指令是采用的被称为“ CISC ”的复杂 指令集，共具有 111 条指令。而 MSP430 单片机是 16 位的单片机，采用了精简 指令集（RISC）结构，只有简洁的 27 条指令。这些内核指令均为单周期指令， 功能强，运行的速度快。 其次，89C51 单片机本身的电源电压是 5V，有两种低功耗方式：待机方式和 掉电方式。正常情况下消耗的电流为 24mA，在待机状态下，其耗电电流仍为 3m A；即使在掉电方式下，电源电压可以下降到 2V，但是为了保存内部 RAM 中的 数据，还需要提供约 50uA 的电流。而 CC2530 系列单片机在低功耗方面的优越 之处，则是 89C51 系列不可比拟的。CC2530 系列单片机的电源电压采用的是 1. 83.6V 电压。因而可使其在 1MHz 的时钟条件下运行时，芯片的电流会在 20 0400uA 左右，时钟关断模式的最低功耗只有 0.1uA。因此，CC2530 更适合应用 于使用电池供电的仪器、仪表类产品中。也正因为如此，本系统设计了了以无线 通信领域最前沿的 ZigBee 技术为平台，TI 公司的 CC2530 单片机作为无线采集 系统，以减少经常更换电池给用户带来的不便。 ZigBee 作为无线领域最前沿的通讯技术，其突出特点是信息传输安全可靠， 另外其通讯协议对外开放，便于组网，使得研发成本大大降低，因而，从技术先 进性和产品的研发成本来看，Zigbee 技术非常适合应用于门禁领域。由于 ZigBee 技术本身是一种新的系统集成技术，应用软件的开发必须同网络传输、射频技术 和底层软硬件控制技术结合在一起，使之逐渐成为无线通讯领域一个新的研究热 点。然而到目前为止，国内外基于该技术的无线采集系统为数不多，成熟化产品 更加缺乏。 目前，国内外嵌入式射频芯片中，CC2530 芯片是性能最好、功能更强的一 个。它结合了市场领先的 ZStackTM ZigBeeTM 协议软件和其他 Chipcon 公司的 软件工具，为开发出无接口、紧凑、高性能和可靠的无线网络产品提供了便利。 相信在未来几年，它的应用将会涉及到社会的更多领域。 四、课题研究内容 本课题是研究基于 ZigBee 技术的无线采集系统，主要对无线采集系统中的 Z igBee 节点(包括 MCU 和无线传输模块)的进行研究和应用。 本文主要研究了以下内容： 洛阳理工学院毕业设计（论文） 4 1.基于 ZigBee 模块(包括 MCU、无线传输模块)设计的硬件电路。 2.设计了路由器、协调器和终端的无线通信网络，实现点对点之间的无线 通讯的软件设计。 3.借助于计算机，实现将采集到的信息通过路由器、协调器和终端传输到 计算机上，并将来自计算机的信息进行整合，从而使操作人员更好的对 其进行数据分析。 五、作品的科学先进性 目前，各种无线传输技术林立，应用广泛。每个技术都有其立足的特点或基 于传输速度、距离、耗电量的特殊要求，或着眼于功能的扩充性，或符合某些单 一应用的特别要求，各种短距离无线通信技术都在争取成为市场标准。 基于 ZigBee 技术的门禁系统是以无线通信领域前沿的 ZigBee 技术为平台， 以超低功耗单片机 CC2530 为核心的无线数据系统，在可靠性、安全性、高效性 方面具有较大优势。成本低，超低功耗，操作方便，具有极强的可靠性、可扩充 性和安全保密性。适用于军队、工业监测及控制、建筑自动化、安全家居、游戏 器具、远程监控系统。该系统技术先进、性价比高、应用范围广，因而市场前景 广阔，会带来较好的经济效益和社会效益。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 5 第 1 章 zigbee 概述 1.1 zigbee 的概念 “ZigBee”是什么?从字面上猜像是一种蜜蜂。因为“ZigBee”这个词由“Zi g”和“Bee”两部分组成， “Zig”取自英文单词“zigzag” ，意思是走“之”字形 ， “bee”英文是蜜蜂的意思，所以“ZigBee”就是跳着“之”字形舞的蜜蜂。不 过，ZigBee 并非是一种蜜蜂，事实上，它与蓝牙类似是一种新兴的短距离无线通 信技术，国内也有人翻译成“紫蜂” 。 这只蜜蜂的来头还是要从它的历史开始说起，早在上世纪末，就已经有人在 考虑发展一种新的通信技术，用于传感控制应用(sensor and control)，这个想法 后来在 IEEE 802.15 工作组当中提出来，于是就成立了 TG4 工作组，并且制定了 规范 IEEE 802.15.4。但是 IEEE 802 的规范只专注于底层，要达到产品的互操作 和兼容，还需要定义高层的规范，于是 2002 年 ZigBee Alliance 成立，正式有了 “ZigBee”这个名词。两年之后，ZigBee 的第一个规范 ZigBee V1.0 诞生，但这 个规范推出的比较仓促，存在一些错误，并不实用。此后 ZigBee Alliance 又经过 两年的努力，推出了新的规范 ZigBee 2006，这是一个比较完善的规范。据联盟 最新的消息，今年年底将会发布更新版本的规范 ZigBee 2007，这个版本增加了 一些新的特性。 从 ZigBee 的发展历史可以看到，它和 IEEE 802.15.4 有着密切的关系，事实 上 ZigBee 的底层技术就是基于 IEEE 802.15.4 的，因此有一种说法认为 ZigBee 和 IEEE 802.15.4 是同一个东西，或者说“ZigBee”只是 IEEE 802.15.4 的名字而 已，其实这是一种误解。实际上 ZigBee 和 IEEE 802.15.4 的关系，有点类似于 W iMAX 和 IEEE 802.16，Wi-Fi 和 IEEE 802.11，Bluetooth 和 IEEE 802.15.1。 “Zig Bee”可以看作是一个商标，也可以看作是一种技术，当把它看作一种技术的时 候，它表示一种高层的技术，而物理层和 MAC 层直接引用 IEEE 802.15.4。事物 是不断的发展变化的，尤其是通信技术，可以想象将来的 ZigBee 可能不会使用 I EEE 802.15.4 定义的底层，就跟蓝牙(Bluetooth)宣布下一代底层采用 UWB 技术 一样，但是“ZigBee”这个商标以及高层的技术还会继续保留。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 6 ZigBee 不仅只是 IEEE 802.15.4 的名字，IEEE 802.15.4 仅处理低级 MAC 层和物理层协议，而 ZigBee 联盟对其网络层协议和 API 进行了标准化。IEEE 802.15.4 技术标准是 ZigBee 技术的基础，完整的 ZigBee 协议套件由应用层、网 络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由 ZigBee 联盟制定，IEEE 80 2.15.4 负责物理层和链路层标准。ZigBee 具有功耗低、成本低、网络容量大、时 延短、安全、工作频段灵活等诸多优点，无论未来几年 ZigBee 的市场占有率如 何，它的发展空间仍具有相当大的潜力。因此，对 ZigBee 无线网络的数据传输 安全进行研究具有非常重要的实践意义 1.2 zigbee 的优势 ZigBee 技术优势技术优势 ZigBee 技术在低功耗、低成本和组网能力具有无可比拟的应用优势。 网状网优势网状网优势 MESH 网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过“多级跳”的 方式来通信； Mesh 是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动 建立和维护； MESH 网络机构还可以组成极为复杂的网络，具有很大的路由深度和网络节 点规模； MESH 网络还具备自组织、自愈功能。 抗干扰性能强抗干扰性能强 ZigBee 在低信噪比的环境下 ZigBee 具有很强的抗干扰性能； ZigBee 技术在相同的环境中，ZIGBEE 抗干扰性能远远好于蓝牙和 WLAN 。 ZigBee 的抗干扰性能是蓝牙、WLAN 和 FSK 的 1000 倍。 ZIGBEE 技术的抗干扰设计 ZIGBEE 在物理层采用高处理增益的直序/频率快变 DS/FA 技术（DirectSeque nce/Frequency Agility） ； 洛阳理工学院毕业设计（论文） 7 ZIGBEE 的处理增益最大，抗干扰和抗多径时延扩展的能力也越强； ZIGB EE 具备的频率快变就是改变频率，以避开从一个已知干扰源或信号源来的影响 的能力； 实验证明 IEEE 802.15.4/ZigBee 的误码率，特别是在信噪比为 4dB 的情况下 可达到 10 -9 ；达到同样误码率，蓝牙/ 802.15.1 信噪比要达 16dB，802.11b 要 达 10dB，ZIGBEE 的抗干扰性能明显高于蓝牙和 WLAN 技术。 ZigBee 可靠链接可靠链接 ZigBee 技术 RF 物理层上的设计保证了较强的抗干扰能力和通信可靠性； ZigBee 技术在通信协议上的可靠设计，保证了较强的抗干扰能力和通信可 靠性。 ZIGBEE 和蓝牙性能比较和蓝牙性能比较 表 1-1 ZIGBEE 和蓝牙性能比较 ZIGBEE蓝牙 设备功耗低功耗，远远蓝牙 功耗 比较高 网络节点65535 个7 个 传输距离1-2000m+1-10m 设备成本低成本，高可靠成本高 应用范围采集、控制数据传 输 语音、图象传 输 ZIGBEE 和和 FSK 电台性能比较电台性能比较 表 1-2 ZIGBEE 和 FSK 电台性能比较 ZIGBEEFSK 电台 无线频段2.4G 免费频段国家非开放频段 调制方式 DSSS 扩频通信 FSK 频移键控方 式 抗干扰能力很好不如 ZIGBEE 频点串扰频点间距大，无串不同频段间可能串 洛阳理工学院毕业设计（论文） 8 扰扰 符合标准ZIGBEE、802.15. 4 国际标准 无统一标准 组网性能星型、树型、ME SH 网状网 星型、树型，一般 无路由能力 ZIGBEE 与与 WLAN 共存共存 ZIGBEE 和 WLAN 共同工作在 2.4G 的频段，利用 ZIGBEE 的#15、#20、#2 5 和#26 信道，可有效避免与 802 .11b 的信 #1、 #6、 #11 信道的相互干扰 此外，符合下列条件之一的无线通信应用都可以考虑采用ZigBee 技术：设 备间距较小；不需要很高的数据吞吐量和连续的状态更新；设备体积很小，不容 许放置较大的充电电池和电源模块；只能使用一次性电池，或无法频繁更换电池 或反复充电；需要覆盖的范围较大，网络内需要容纳的设备较多，网络主要用于 监测或控制。 ZigBee 是一项新兴的短距离无线通信技术，在协议制定时就专门针对大网络 扩充性和省电所设计19，同时，它已经被业界认同为传感器网络的基本通信组件 ，保证了 ZigBee 独立的生存空间。 由图 1-1 可知，主要的无线技术主要集中在 1Mbps 以上的速率，新的标准还 在追求更高的速率，而 ZigBee 技术恰恰是填补低速率端无线通信技术的空缺， 与其他标准在应用上几乎无交叉。在实际应用环境中，低速率、低成本的无线通 信在自动控制、无线传感器网络、家居自动化、门禁系统等诸多领域更贴近日常 生活，具有广泛的市场，因此在该设计中我们选用了 ZigBee 技术。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 9 10100a*100a*1000 ZigBee(802.15.4) 蓝牙（802.15.1） WiFi（802.11a、802.11b、802.11g） WiMax（802.16） 无线USB UWB(8025.15.3a) 1101000 480 70 154 0.020.05 速率/Mbps 图 1-1 几种无线通信技术的速率和距离比较 1.3zigbee 的发展前景及应用 1.3.1 zigbee 的发展前景 从 2005 年起开始崭露头角的 ZigBee 低功耗无线传输技术，在当时曾经引起 市场上的广泛注意。然而，几年过去，此一市场并未如当初所预期的快速成长。 尽管受限于标准制订、价格、技术未臻成熟的多项因素影响，ZigBee 技术本身的 独特性与应用领域，仍是有可让人期待的前景。在台湾地区，虽然缺乏知名大厂 的带头投入，但是近来仍是有不少业者在默默耕耘，开发各种的 ZigBee 应用， 希望能等待时机，为此一尚未起飞的市场做好准备。 ZigBee 是一种低功耗无线传输技术，其特色是网络扩充性极强，可透过连结 形成庞大的智能网络。从 2005 年被正式纳入 IEEE 802.15.4 标准规范后，2006 年起便有 Freescale、TI、ST、NEC、Ember、Jennic、Oki、Renesas 等厂商推出 相关芯片产品，而国内也有达盛电子(UBEC)投入 ZigBee 的芯片开发。 ZigBee 最吸引人的特性，就在于低功耗、低成本与网状网络(Mesh Network) 的拓朴架构，一台主机可同时对应到 6 万 4 千多个终端设备。由于 ZigBee 的市 场定位明确，主要锁定包括大楼自动化、工业、医疗及家庭自动化等领域，能够 洛阳理工学院毕业设计（论文） 10 利用这样的无线感测网络(WSN)来进行温度、湿度、灯光等环境侦测，进而拓展 在日常生活中的多种应用方式。也因此，在 ZigBee 标准刚浮上台面之初，的确 吸引了不少市场的目光。许多市场研究公司也大力看好这项技术的发展前景。 例如，在 2005 年底，市场研究公司 NSR 曾发布报告指出，首批具备 ZigBee 功能的产品将于 2006 年第一季在北美、欧洲和亚太地区展开，该机构并预估， 到 2010 年，全球将可望部署 5.8 亿个 ZigBee 组件，成长非常快速。同样地，市 调机构 In-Stat 也曾在 2005 年发布新闻指出，“五年内，ZigBee 成长将超过 200%。” 然而，从几年前的那股热潮，到现在 ZigBee 的发展似乎不如当初的预期。 就在今年初，同样也是 In-Stat，却发布了一份ZigBee 发展前景难以预料”的 报告。报告指出，虽然整体 ZigBee 节点与芯片出货量将会从 2006 年的 500 万个， 到 2011 年成长到 1.2 亿个，而且最近在自动电表领域获得了新的关注，但是由 于竞争技术多，它在家电市场得到普及的可能性低，前景未定。 尽管几经起伏，国内仍有一些业者在进行 ZigBee 相关应用的开发，先行试 探市场对于此一技术的接受度与反应，等待市场机会的到来。 已投入 ZigBee 应用开发两年多时间的世和数字科技公司，该公司技术长陈 智盛表示，投入 ZigBee 主要是因为符合其母公司世正开发公司对于智能型建筑 的需求，“我们认为对于办公室、家庭住宅的管理自动化、安全性、节能等各方 面需求，未来将会持续成长。而 ZigBee 的无线感测网络、低耗电特性，在定位、 温/湿度感测方面的应用，会有很大的商机。” 目前，世和已经在内湖一个 1000 多坪的社区中，建置 ZigBee 定位与门禁管 理系统，同时也将在南港软件园区第三期工程中，建置包括一氧化碳、二氧化碳、 温度、湿度的环境品质感知系统，利用 ZigBee 感测点侦测环境数据，以及其约 200K 的数据传输特性，希望能达到自动调节环境品质的目标。此外，它也与相关 业者开发智能型照护产品。 而去年才开始进行 ZigBee 模块与系统软件开发的胜浤科技，该公司项目经 理赵正义表示，“ZigBee 的应用非常多元，常常我们解释完此技术的特性，许多 客户就能提出不同的应用方式，市场对于此技术的兴趣程度，的确是在增加中。 ” 当然，他也提到，之前台湾曾有一家知名的无线通讯业者投入，但是最后却 洛阳理工学院毕业设计（论文） 11 宣告弃守。此市场由于标准仍缺乏互通性、量不够大、实际部署时的稳定度、可 靠度与耗电效能等尚需提升等多方面因素，还是有一些困难需要克服。 赵正义认为，开发 ZigBee 应用的主要核心技术是在软件，对于价格因素， 他倒是觉得目前一个感测点约 1000 元台币的价格，对某些特定的先期应用来说， 应该已经是可以接受的范围。 目前胜浤已经在某政府机构进行机房安全管制的 ZigBee 应用部署测试，赵 正义表示，不管是工业自动化、医院资产管理、自动超表、电器遥控等，目前都 有客户表示兴趣，并在接洽中。 近几年来积极在国内推广 ZigBee 应用的资策会网络多媒体研究所，其环境 感知与控制技术中心组长洪志宏表示，虽然目前整个产业尚未起来，但是国内还 是有许多公司在进行相关产品、应用的开发。他说，“虽然目前投入的厂家大都 以中小型业者为主，但仍有一些知名的家电以及网通正在默默的进行，或许要等 到时机更成熟一点，才会有更公开的动作。” 尽管如此，经过 34 年的推广，洪志宏表示，已有多家厂商技术移转了资策 会开发的 ZigBee stack，进行产品开发，不管是在社区、家庭、医疗照护等各方 面，都已经有了实际的产品推出。 举例来说，睿盛科技已经推出 ZigBee 网关器，试图拓展智能化居住空 间的商机。此外，像是泰博科技也开发出内建 ZigBee 传感器的血压计、血糖 计，希望将 ZigBee 应用在医疗照护应用上。 针对 ZigBee 市场进展的缓慢，他认为，“除了价格因素外，软件开发的门 槛高，业者缺乏自主的 stack 技术，这些都是影响 ZigBee 实际部署的原因。” 洪志宏解释说，虽然目前 ZigBee 芯片的报价大概是 4 美元左右，但是由于 数量不高，真正到应用端的 ZigBee 模块通常都要约千元台币，这样价格除非是 特定应用，否则市场难以接受。 但是，就好象是鸡生蛋蛋生鸡的问题一样，市场没有起来，模块价格自然也 掉不下来。他指出，其实就硬件技术来看，市场上的芯片都已经就绪，最大的问 题在于软件 stack 开发上的问题。“当然有些半导体业者会提供 stack，但都不 是非常完备的，业者还是得依照应用需求，自行进行修改与测试。这一部分的门 槛，是台湾导入 ZigBee 应用的最大瓶颈。” “另一方面，ZigBee 锁定的是类似大楼/工业自动化等应用，需要更专业的 洛阳理工学院毕业设计（论文） 12 系统整合(SI)厂商能够将这项技术导入到相关的应用中。但是，我们现在有芯片 方案、有模块厂商，但还没有 SI 业者能将这个产业链串起来，开发更好的应用， 将 ZigBee 产品带到客户端，这些都是目前市场上欠缺的。” 1.3.2 zigbee 的应用 上面介绍了 ZigBee 的一些技术优势，也谈到了不足之处，目前有些说法把 它跟其它他的无线技术，如 Wi-Fi、Bluetooth、RFID、NFC 等等进行类比，说某 种技术不如另一种，甚至说某种技术要取代另一种，这样的说法是片面的。作为 一种低速率的短距离无线通信技术，ZigBee 有其自身的特点，因此应该有为它量 身定做的应用，尽管在某些应用方面可能和其他技术重叠。下面就来简单看看 ZigBee 可能的一些应用，包括智能家庭、工业控制、自动抄表、医疗监护、传感 器网络应用和电信应用。 智能家庭：家里可能都有很多电器和电子设备，如电灯、电视机、冰箱、洗 衣机、电脑、空调等等，可能还有烟雾感应、报警器和摄像头等设备，以前我们 最多可能就做到点对点的控制，但如果使用了 ZigBee 技术，可以把这些电子电 器设备都联系起来，组成一个网络，甚至可以通过网关连接到 Internet，这样用 户就可以方便的在任何地方监控自己家里的情况，并且省却了在家里布线的烦恼。 工业控制：工厂环境当中有大量的传感器和控制器，可以利用 ZigBee 技术 把它们连接成一个网络进行监控，加强作业管理，降低成本。 自动抄表：抄表可能是大家比较熟悉的事情，像煤气表、电表、水表等等， 每个月或每个季度可能都要统计一下读数，报给煤气、电力或者供水公司，然后 根据读数来收费。现在在大多数地方还是使用人工的方式来进行抄表，逐家逐户 的敲门，很不方便。而 ZigBee 可以用于这个领域，利用传感器把表的读数转化 为数字信号，通过 ZigBee 网络把读数直接发送到提供煤气或水电的公司。使用 ZigBee 进行抄表还可以带来其它好处，比如煤气或水电公司可以直接把一些信息 发送给用户，或者和节能相结合，当发现能源使用过快的时候可以自动降低使用 速度。 医疗监护：电子医疗监护是最近的一个研究热点。在人体身上安装很多传感 器，如测量脉搏、血压，监测健康状况，还有在人体周围环境放置一些监视器和 报警器，如在病房环境，这样可以随时对人的身体状况进行监测，一旦发生问题， 洛阳理工学院毕业设计（论文） 13 可以及时做出反应，比如通知医院的值班人员。这些传感器、监视器和报警器， 可以通过 ZigBee 技术组成一个监测的网络，由于是无线技术，传感器之间不需 要有线连接，被监护的人也可以比较自由的行动，非常方便。 传感器网络应用：传感器网络也是最近的一个研究热点，像货物跟踪、建筑 物监测、环境保护等方面都有很好的应用前景。传感器网络要求节点低成本、低 功耗，并且能够自动组网、易于维护、可靠性高。ZigBee 在组网和低功耗方面的 优势使得它成为传感器网络应用的一个很好的技术选择。 电信应用：在 2006 年初的时候，意大利电信就宣布她研发了一种集成了 ZigBee 技术的 SIM 卡，并命名为“ZSIM”5。其实这种 SIM 卡只是把 ZigBee 集 成在电信终端上的一种手段。而 ZigBee 联盟也在 2007 年 4 月发布新闻，说联盟 的成员在开发电信相关的应用6。如果 ZigBee 技术真得可以在电信领域开展起 来，那么将来用户就可以利用手机来进行移动支付，并且在热点地区可以获得一 些感兴趣的信息，如新闻、折扣信息，用户也可以通过定位服务获知自己的位置。 虽然现在的 GPS 定位服务已经做得很好，但却很难支持室内的定位，而 ZigBee 的定位功能正好弥补这一缺陷。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 14 第 2 章 系统总体设计 2.1 系统总体方案 Zigbee 的主要优势是低功耗和组网，网络的组建是 zigbee 不同于其他无线协 议的主要优势所在，一个网络的组建形式决定了整个系统能否畅通，顺利的工作， 因此选择合理的网络结构是非常重要的。 2.1.1 常用的网络拓扑结构 1星状连接 各个网络节点通过中心节点实现网络连接。星状连接方式的结构简单，它只 能组建包含较少的无线节点的无线网络。星状结构如下图 图 2-1 状结构 每个节点都只能和 协调器通讯。一个典型的星形网络构建过程是这样的： 一个被注入协调器程序（ 软件）的 FFD（ 硬件）开始工作后，开始着手构建网 络，他要做的第一件事就是要在他无线电波所覆盖到的空间区域内，先选择一个 唯一的 PAN 网络标识号这个标识号一定要是附近其他网络没用到的。 2树状连接 在星状连接方式的基础上，发展出了串状连接方式（有时也称树状连接） 。 串状连接的结构是在星状连接的基础上，增加了若干转发节点（灰色 洛阳理工学院毕业设计（论文） 15 节点） ，这些转接点之间可以相互通信。一个星状网络中的基本节点（空心节点 ）若要发送信息到另一个星状网络的基本节点上，须通过转发节点进行转发。树 状结构如下图 图 2-2 树状结构 图 1.8 也展示了 router 是如何扩展网络，甚至如何绕过障碍物的。比如 A 想和 B 说话，但是中间有墙挡的，信号强度又穿透不了，这个时候树形的网络结构就可 以通过其它 router 传递信息，并最终到达 B。我们有时把这种方式叫“多次反射 ”(multihopping)，因为信息从一个节点反射到另外一个节点，最终到达目的地。 这样就扩大了整个网络的信息覆盖面。 3网状连接 为了实现任意无线节点之间都可以传递信息的目标，在串状连接方式的基础 上又发展了网状连接方式。网状连接方式又称为点到点到点（point-to-point-topoi 洛阳理工学院毕业设计（论文） 16 nt）方式，它与传统的点到多点连接方式最大的不同是，网状连接方式中的每一 个节点都有无线微处理器，所以无需无线路由器就可以实现与另一节点之间的互 连。由于这个新的网络特征，每个无线节点不仅可以收发信息，还可以自动转发 信息到网络中的其他任意节点。 由于网状连接方式中每个节点的智能化，所以，当网络中任一节点故障时， 附近的无线节点会代替该故障的节点，继续进行信息的传输和转发，从而大大提 高了系统可靠性。同时，由于任意无线节点之间通过无线连接就如接力赛跑一样 ，信息可以通过无线节点组成的网络传输到更远的地方。 网状结构如下图 图 2-3 网状结构 2.1.2 网络拓扑结构的选择 本系统采用网状结构，通过传感器节点采集温度，并发送这些数据到中心收 集节点进行处理。当采集节点的距离太远是我们必须增加路由节点的传递采集节 点要发给中心收集节点，在采集节点与中心收集节点之间合适的位置放置几个路 由器将大大提高整个网络的稳定传输，为了简单期间，只有一个中心节点收集这 些信息，处理后通过串口送到计算机，这些信息可以在串口调试工具或超级终端 上看到。 同时要做到： 自动形成一个网络。 传感器设备必须自动加入网络，并在手工操作下完成绑定。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 17 如果传感器设备没有从中心点收到应答，那么将自动移除到该中心节点 的绑定，然后自动地发现新的中心节点绑定，从而实现各个模块的成功 绑定。 2.2 芯片的选择 zigbee 网络节点硬件设计的的核心是微处理器芯片。微处理器模块在无线收 发模块的协作下完成 zigbee 网络的建立与维护，数据采集与处理，无线数据收发 以及 zigbee2007 协议栈的正常运行3。在网络节点的硬件设计中可以根据成本与 操作可行性等因数选择不同的的设计方案，本设计选择集微处理器模块和无线收 发模块于一体的单芯片解决方案。 设计选用 ti 公司最新 zigbee 芯片 cc2530f256，工作在 2.4ghz 频段，是符合 ieee 802.15.4 规范的真正片上系统解决方案，也是目前众多 zigbee 设备产品中表 现最为出众的微处理器之一。其主要特性如下： (1)片内集成增强型高速 8051 内核处理器，支持代码预取;256kflash 程序存储 器，支持最新 zigbee2007pro 协议;8k 数据存储器;支持硬件调试3。 (2)支持 2v-3.6v 供电区间，具有 3 种电源管理模式：唤醒模式 0.2ma、睡眠 模式 1ua、中断模式 0.4ua。包括处理器和智能片内外设在内的模块，具有超低功 耗的特点3。 (3)片内集成 5 通道 dma;mac 定时器;1 个 16 位、两个 8 位普通定时器;32khz 睡眠定时器;电源管理与片内温度传感器;8 通道 12 位 ad 转换器;看门狗等智能外 设3。高密度集成化电路节约设计成本。 (4)应用范围包括 2.4g-hz ieee 802.15.4 系统、rf4ce 远程控制系统、zigbee 网 络、家居自动化、照明系统、工业测控、低功耗 wsn 等领域。 2.3 协议栈的介绍 系统软件设计是在硬件设计的基础上进行的，良好的软件设计是实现系统功 能的重要环节，也是提高系统性能的关键所在。节点设计基于通用性及便于开发 的考虑，本设计移植了 TI 公司的 Z-Stack 协议栈，其主要特点就是其兼容性，完 全支持 IEEE 802. 15. 4/ZigBee 的 CC2530 片上系统解决方案。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 18 TI 的 Z-Stack 装载在一个基于 IAR 开发环境的工程里。强大的 IAR Embedded Workbench 除了提供编译下载功能外，还可以结合编程器进行单步跟踪 调试和监测片上寄存器、Flash 数据等。Z-Stack 根据 IEEE 802. 15.4 和 ZigBee 标 准分为以下几层：API（Application Programming Interface） ，HAL （Hardware Abstract Layer） ，MAC（Media Access Control)， NWK（Zigbee Network Layer） ， OSAL（Operating System Abstract System） ，Security，Service，ZDO（Zigbee Device Objects） 。使用 IAR 打开工程文件 SampleApp.eww 后，即可查看到整个协 议栈从 HAL 层到 APP 层的文件夹分布。该协议栈可以实现复杂的网络链接，在 协调器节点中实现对路由表和绑定表的非易失性存储，因此网络具有一定的记忆 功能。 Z-Stack 采用操作系统的思想来构建，采用事件轮循机制，当各层初始化之后， 系统进入低功耗模式，当事件发生时，唤醒系统，开始进入中断处理事件，结束 后继续进入低功耗模式。如果同时有几个事件发生，判断优先级，逐次处理事件。 这种软件构架可以极大地降级系统的功耗。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 19 第 3 章 系统硬件电路设计 3.1 硬件部分总体介绍 本设计将温度传感器采集来的数据通过 zigbee 协议传递到上位机显示，并能 够在现场实时显示采集的温度，人机交互采用按键控制，LED 灯闪烁，和数码管 指示，系统框图如下图。 图 3-1 系统硬件结构图 如上图所示核心处理芯片为 CC2530，其供电方式可以有两种选择，如果 作为中端节点可以用电池供电，如果作为协调器可以用外部电源供电，温度传感 器将检测到的温度数据传递给 CC2530，CC2530 将通过 zigbee 无线协议发送给目 标设备，CC2530 的外围设备还有键盘输入，可以控制 CC2530 人为的实现某些功 能，数码管显示可以显示当前采集的温度数据，LED 指示灯指示一些状态信息， 串口用于调试设备，如果作为协调器则用于与上位机通信。 3.2 电源部分设计 洛阳理工学院毕业设计（论文） 20 CC2530 的供电电源为 3.3V，其误差范围为0.5V。我们最常用的电源为 5V，比如普通的直流电源和电脑的 USB 借口电源都是 5V 的，所以如果给 CC2530 供电我们有两种选择。第一普通的干电池电压在 1.5V 左右，如果是新干 电池其电压范围一般都在 1.5V 以上，所以两节干电池串联起来其电压值可以达 到 3.2V 左右，实际测量中其值为就在 3.2V 左右，这个误差范围在 CC2530 电源 误差范围之内，所以用干电池供电时一种供电方式。第一我们采用稳压芯片，在 市场中最常用的 3.3V 稳压芯片为 AMS1117，如图 3-2 所示 图 3-2 AMS1117 其典型电路图如下图 图 3-3 AMS1117 典型电路 使用输入旁路电容，10uF 的钽电容适用于几乎所有的应用。输出电容如果使 用钽电容，AMS1117 要求输出电容的最小值为 10uF。 真对本设计的电源设计如下图所示 洛阳理工学院毕业设计（论文） 21 VI 3 GND1 VO 2 U1 AM S1117 BT1 BATTERY 3 2 1 6 5 4 S1 SW-DPDT 1 2 3 CON1 PO