（机械电子工程专业论文）基于zigbee技术的监控系统设计.pdf

，、 ，、j ： ：!。 西华大学学位论文独创性声明 j f i l lif if l rli lr lf il li ij ： y 1 7 5 0 4 7 4 ： 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：j 已讯指导教师签名： 岔叶p 7 。 日期：沙6 6 日期圳口后。易 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：j 氨 日期：冽o 、6 指导教师签名：毯妒p 今 日期卯o 多石 西华大学硕士学位论文 摘要 自从2 0 世纪9 0 年代开始，无线网络技术逐渐进入我们的工作和生活中，实现信息 的及时传递，深刻地影响着我们工作和生活的方式，使我们摆脱电线的束缚，从而能够 在移动的生活中自由地实现信息的交换。 本文首先介绍了z i g b e e 无线技术的特点与应用、m a g i c a r m 2 7 0 教学实验开发平台 的p x a 2 7 0 处理器以及嵌入式操作系统win d o w sc e 的技术特性和内核结构。然后介绍 了基于z i g b e e 技术的无线信号采集系统的硬件设计和软件设计，以及基于p x a 2 7 0 处 理器和嵌入式操作系统w in d o w sc e 的接受与显示信号的监控系统软件设计。最后提出 基于z i g b e e 无线技术和w in d o w sc e 嵌入式技术的一个比较完整监控系统的解决方案。 论文完成了基于z i g b e e 无线技术和w in d o w sc e 嵌入式技术监控系统的总体设计以 及系统的调试工作，进行了如下研究； 1 ) 研究了z i g b e e 无线技术的特点与应用，了解了z i g b e e 网络体系结构、网络 拓扑结构、以及相关无线通信协议。 2 )研究了c c 2 4 3 0 芯片的主要特点、芯片架构、主要特征外设和应用开发。设 计了一个基于c c 2 4 3 0 的无线收发模块。 3 )根据对实地的考察，结合应用实际，设计了信号采集模块和信号接收、传输 模块。 4 )研究了z j g b e e 2 0 0 6 无线通信协议及其应用实例。根据硬件设计的特点和实 际需求，设计了无线信号采集模块和无线信号接收、传输模块的软件。 5 )研究了嵌入式操作系统w i n d o w sc e 的原理和特点结合移植需要深入分析了 w i n d o w sc e 内核结构，并在基于p x a 2 7 0 的嵌入式控制器上移植了w in d o w sc e 操作系统。 6 )设计了基于p x a 2 7 0 & win d o w sc e 的接收、显示信号系统的软件设计，其主要 包括：测试点编号、电压、温度、转速等。 关键词：z i g b e e ，监控系统，p x a 2 7 0 ，w i n d o w sc e ，嵌入式技术 基于z i g b e e 技术的监控系统 a bs t r a c t w i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g yh a sg r a d u a l l ye n t e r e do u rw o r ka n dl i f es i n c e19 9 0 s a c h i e v i n gt h et i m e l yi n f o r m a t i o nd e l i v e r yh a sap r o f o u n di m p a c to nt h ew a yw ew o r ka n d l i v e ，丘o mw h i c hw ec a ng e tr i do ft h es h a c k l e so fw i r ea n dr e a l i z et h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g e f r e e l yi no u rm o b i l el i f e f i r s t l y ；t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n so fz i g b e ew i r e l e s s t e c h n o l o g y ，p r o c e s s o rp x a 2 7 0o fm a g i c a r m 2 7 0t e a c h i n ge x p e r i m e n td e v e l o p m e n tp l a t f o r m a n dt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec o r es t r u c t u r eo ft h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m w i n d o w sc e a n dt h e nt h i st h e s i si n t r o d u c e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h e w i r e l e s ss i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e m ，w h i c hi sb a s e do nz i g b e e t e c h n o l o g ya n da l s oi n t r o d u c e d t h es o f t w a r ed e s i g no fa c c e p t a n c ea n d d i s p l a ys i g n a lc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi sb a s e do n p r o c e s s o rp x a 2 7 0a n dt h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mw i n d o w sc e f i n a l l y , t h i st h e s i sp u t s f o r w a r dar e l a t i v e l yc o m p l e t es o l u t i o np r o p o s a lo fc o n t r o ls y s t e mb a s e do n z i g b e ew i r e l e s s t e c h n o l o g ya n dw i n d o w sc ee m b e d d e dt e c h n o l o g y t h i st h e s i sc o m p l e t e dt h eo v e r a l ld e s i g na n d d e b u g g i n go ft h i sc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi s b a s e do nz i g b e ew i r e l e s st e c h n o l o g ya n dw i n d o w sc ee m b e d d e d t e c h n o l o g y t h i sp a p e r m a i n l yc a r r i e so u tt h ef o l l o w i n gr e s e a r c h ： 1)toi n t r o d u c et h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o no fz i g b e ew i r e l e s st e c h n o l o g y , t h es t r u c t u r ea n dn e t w o r k t o p o l o g yo fz i g b e en e t w o r ks y s t e m ，a n ds o m er e l a t e d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 2 ) t o e x p l o r et h em a i nf e a t u r e s ，c h i ps t r u c t u r e ，t h em a j o rp e r i p h e r a lc h a r a c t e r i s t i c s 3 ) 4 ) 5 ) a n da p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n to fc h i pc c 2 4 3 0a n d d e s i g naw i r e l e s st r a n s c e i v e r m o d u l eb a s e do nc c 2 4 3 0 t od e s i g ns i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l e sa n ds i g n a lr e c e p t i o na n dt r a n s m i s s i o n m o d u l e sa c c o r d i n gt ot h ef i e l di n v e s t i g a t i o na n d p r a c t i c a la p p l i c a t i o n t of i n do u tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l sa n da p p l i c a t i o ne x a m p l e so f z i g b e e 2 0 0 6 a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f h a r d w a r ed e s i g na n d p r a c t i c a l r e q u i r e m e n t s ，t h ep r e s e n tr e s e a r c hd e s i g n ss o f t w a r eo ft h ew i r e l e s ss i g n a l a c q u i s i t i o nm o d u l ea n dt h ew i r e l e s ss i g n a lr e c e p t i o na n dt r a n s m i s s i o nm o d u l e s t o i n v e s t i g a t et h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f t h ee m b e d d e d o p e r a t i n g s y s t e mw i n d o w sc ea n dd e e p l ya n a l y z et h ek e r n e ls t r u c t u r eo fw i n d o w sc ea n d t r a n s p l a n tw i n d o w sc eo p e r a t i n gs y s t e mi n t ot h ee m b e d d e dc o n t r o l l e rb a s e do n p x a 2 7 0 i i m 基于z i g b e e 技术的监控系统 目录 摘 要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 典型的短距离无线数据网络技术l 1 1 1 蓝牙技术1 1 1 2 w i f i 技术：1 1 1 3 i r d a 技术。1 1 1 4 n f c 技术一2 1 1 5 u w b 技术2 1 2 z i g b e e 技术及其特点3 1 2 1 z i g b e e 技术的定义3 1 2 2 z i g b e e 技术的特点及其抗干扰性3 1 3 z i g b e e 技术发展与现状5 1 4嵌入式技术及其特点6 1 4 1 嵌入式系统的定义6 1 4 2 嵌入式技术的特点6 1 5 嵌入式技术的发展与现状一7 1 6 课题来源与研究内容8 2 总体方案设计1 0 2 1系统的总体设计1 0 2 2 系统的特点分析1 l 2 3系统的设计难点1 2 2 4 本章小结1 2 3 系统硬件设计1 3 3 1c c 2 4 3 0 射频模块的硬件设计1 3 3 1 1 z i g b e e 无线单片机c c 2 4 3 0 1 3 3 1 2 c c 2 4 3 0 周边硬件设计1 5 3 2 信号传输模块的硬件设计j 1 5 3 2 1 射频模块插座电路：1 5 西华大学硕士学位论文 3 2 2 串口电路1 6 3 2 3 电源电路一：- 。1 7 3 2 4 j t a g 电路1 7 3 2 5 信号传输模块的p c b 设计。1 8 3 3 信号采集模块的硬件设计1 9 3 3 1 温度信号采集电路1 9 3 3 2 电压信号采集电路1 9 3 3 3 电机转速信号采集电路2 0 3 3 4 编码电路2 l 3 3 5 电池供电电路：2 2 3 3 6 信号采集模块的p c b 设计j 2 2 3 4 系统主机的硬件构成：2 3 3 4 1 m a g i c a r m 2 7 0 实验箱的硬件资源。2 3 3 4 2x s e a l e 处理器p 屹7 0 简介2 6 3 4 3 m a g i e a r m 2 7 0 的电源电路2 6 3 4 4 m a g i e a r m 2 7 0 的r s 2 3 2 电路一2 7 3 4 5 m a g i c a k m 2 7 0 的显示电路2 8 3 5 本章小结2 9 4 系统软件设计3 0 4 1 z i g b e e 技术简介3 0 4 2 z i g b e e 网络结构简介。3 0 4 2 1 z i g b e e 网络体系结构3 0 4 2 2 z i g b e e 网络拓扑结构3 2 4 3w i n d o w sc e 嵌入式操作系统简介3 4 4 3 1 嵌入式操作系统简介3 4 4 3 2w i n d o w sc e 概述：。3 4 4 4 信号采集发送模块的软件设计3 6 4 4 1 信号采集发送模块的程序结构3 6 4 4 2 初始化模块部分的程序设计3 6 4 4 3 z i g b e e 无线发送子程序的设计3 7 4 4 4 采集节点编码信息并发送3 9 4 4 5 采集温度信息并发送4 0 v 基于z i g b e e 技术的监控系统 4 4 6 采集电压信息并发送4 1 4 4 7 采集电机转速信息并发送4 3 4 4 8 睡眠及唤醒4 5 4 5 信号接收传输模块的软件设计4 8 4 5 1串口部分4 8 4 5 2 z i g b e e 无线接收部分51 4 6 信号显示监控部分的软件设计5 3 4 7 本章小结5 6 5 系统调试5 7 5 1 硬件调试方法概述5 7 5 2l 螺e m b e d d e dw o r k b e n c h 编译调试器简介5 8 5 3m i c r o s o f te m b e d d e dv i s u a lc + + 4 0 集成开发环境简介5 9 5 4 系统硬件调试6 0 5 5 系统软件调试6 1 5 6 信号采集结果6 2 5 7 本章小结6 5 结论。6 6 参考文献6 8 攻读硕士学位期间发表学术论文情况。7 l 致 谢7 2 v i 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1 典型的短距离无线数据网络技术小嘲 1 1 1蓝牙技术 蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 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2 4 g h zi s m 频段，提供i i b p s 的传输速率和l o m 的传输距离。 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。 1 1 2w i fi 技术 w i _ f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线高保真) 也是一种无线通信协议，正式名称是 i e e e 8 0 2 1 l b ，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术。w i - f i 速率最高可达1 1 m b 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1 0 0m 左右。 w i f i 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1 1 m b s 的速度接入w e b 。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，w i - f i 的连接速度一般将只有几百k b 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。 1 1 3lr d a 技术 红外线数据协会i r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 成立于1 9 9 3 年。起初，采用 i r d a 标准的无线设备仅能在l m 范围内以1 1 5 2k b s 速率传输数据，很快发展到4 m b s 以及1 6 m b s 的速率。 i r d a 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 ( p a n ) 的技术。目前它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如p d a 、手机上广泛 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n f c 还可以将其它类型无线通讯( 如w i - f i 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n f c 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，n f c 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w i - f i 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n f c 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w i f i 连结容易得多。 1 1 5u w b 技术 超宽带技术u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) 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。 u w b 可在非常宽的带宽上传输信号，美国f c c 对u w b 的规定为：在3 1 i 0 6 g h z 频段中占用5 0 0 m h z 以上的带宽。由于u w b 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u w b 技术而构建的高速率数据收发机有着广泛的用途。 2 西华大学硕士学位论文 u w b 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( w p a n ) 。 u w b 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1 0 0m b s ) 的l a n s 或p a n s 。 u w b 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( p a n s ) 。现有的无线通 信方式，8 0 2 1 l b 和蓝牙的速率太慢，不适合传输视频数据：5 4m b s 速率的8 0 2 1 1 a 标准可以处理视频数据，但费用昂贵。而u w b 有可能在1 0m 范围内，支持高达1 1 0m b 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u w b 较适合家庭无线消费市场的需求： u w b 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项盒 无线传送到数字电视等家庭场合。当然，u w b 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。 无论你看到的或正在使用的通讯方式是什么，虽然每一种无线技术将遇到它们自身 的特殊任务，并且人们在各个地方使用不同的技术，但是它们将有可能配合工作。对于 企业来说，绕过主要的无线通信运营商可以节约可观的成本。从长远来看，企业应密切 关注各种无线通信技术的发展，选择最适合自己需要的一种标准。 1 2zig b e e 技术及其特点 1 2 1zig b e e 技术的定义 z i g b e e 技术是一种提供控制或传感器等电子元器件之间无线连接的无线通信技术。 z i g b e e 这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂( b e e ) 是靠飞翔和“嗡嗡”( z i g ) 地抖 动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构 成了群体中的通信网络。 1 2 2z i g b e e 技术的特点及其抗干扰性 z i g b e e 技术的特点包括以下几个方面卜n 羽： ( 1 ) 省电：两节五号电池即可实现长达6 个月到2 年的使用时间，免去了充电或者 频繁更换电池的麻烦。 基于z i g b e e 技术的监控系统 ( 2 ) 可靠：采用了碰撞避免机制，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；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个 z i g b e e 网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。 ( 3 ) 时延短：针对时延敏感的应用作了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都 非常短。一般从睡眠状态转入工作状态只需1 5 m s ，节点连接进入网络只需要3 0 m s 。 ( 4 ) 网络容量大：可由一个节点管理若干子节点，最多一个节点可以管理2 5 4 个子 节点。同时该节点还可由上一层网络节点管理，可支持多达6 5 5 3 5 个节点。 ( 5 ) 安全：z i g b e e 提供数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的a e s - 1 2 8 。 ( 6 ) 高保密性：6 4 位出厂编号和支持a e s - 1 2 8 加密。 ( 7 ) 低速率：数据传输速率只有2 0 2 5 0 k b s ，分为2 5 0 k b s ( 2 4 g h z ) 、 4 0 k b s ( 9 1 5 m h z ) 和2 0 k b s ( 8 6 8 z ) 的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用 需求。 ( 8 ) 低成本：因为z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且 z i g b e e 协议免收专利费。z i g b e e 网络节点模块一般在i 0 0 0 元以下，而主要使用的网络 子节点的价格可降到1 0 0 元以下。 ( 9 ) 近距离。传输范围一般介于1 0 1 0 0m 之间，在增加r f 发射功率后，亦可 增加到l 3k m 。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力， 传输距离将可以更远。 z i g b e e 技术的抗干扰性p 】： ( 1 ) 空闲信道评估( c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ，c c a ) ：判断信道是否空闲。i e e e 8 0 2 1 5 4 物理层在碰撞避免机制中提供c c a 的能力，即如果信道被其他设备占用，则 允许传输退出而不必考虑采用该信道的通信协议。 ( 2 ) 动态信道选择：z i g b e e 个人区域网( p a n ) 中的协调器。首先要扫描所有的 信道，然后确认并加入一个合适的p a n ( 不需要创建一个新的p a n ) ，减少同频段p a n 的数量，降低潜在的干扰。如果干扰源出现在重叠的信道上，协调器上层的软件要应用 信道算法选择一个新的信道。 ( 3 ) 信道算法：在网络初始化或者响应中断时，z i g b e e 设备都会先扫描一系列被 列入信道表参数中的信道，以便进行动态信道选择，按照上述空闲信道来设置信道表参 数，以便加强网络的共存性能。在严重干扰期间，z i g b e e 不改变信道，而是依靠其低占 空比、免冲突算法( 每个设备在发送数据之前侦听信道) 来减小由于传输冲突所造成的 数据丢失。 4 西华大学硕士学位论文 ( 4 ) 直序扩频技术( d s s s ) 和频率快变f a ：直接序列扩频技术具有一定的抗干扰 效果，在其他条件相同情况下传输距离要大于跳频技术( 发射功率为o d b m 的情况下， b l u e t o o t h 有l o m 作用范围，而z i g b e e 在室内能达到3 卜5 0 m 作用范围) 。所谓频率 快变是改变频率、以避开一个已知干扰源或信号源的影响。 ( 5 ) 应答重传和帧缓存：z i g b e e 的m a c 层和应用层( a p s 部分) 具有自动请求重传 a r q 和帧缓存功能。当传送数据帧给设备时，如果接收设各处于忙或者休眠状态而不能 接收该帧，那么网络的主协调设备就暂时缓存该帧，直到接收端接收该帧。 虽然调制方式很简单，但z i g b e e 在2 4 g h zi s m 频段表现出了很好的抗干扰性能， 非常适合于低功耗、低数据传输的应用场合。 1 3z ig b e e 技术发展与现状卜随1 ( 1 ) 1 9 9 9 年，蓝牙技术开始走向应用，但因芯片价格高，厂商支持力度不够，传输 距离限制以及抗干扰能力差等问题而发展缓慢。低功耗、低成本的无线网络需求使 z i g b e e 应运而生。z i g b e e 一词来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通 过条z i g z a g 形状的舞蹈来传递新发现和食物源的位置、距离与方向等信息。 ( 2 ) 2 0 0 0 年的1 2 月，i e e e ( 美国电子和电气工程师协会) 成立了i e e e8 0 2 1 5 4 工作组，致力于开发一种可应用在固定、便携或移动设备上的，低成本、低功耗的低速 率无线连接技术。 ( 3 ) 2 0 0 1 年8 月，美国h o n e y w e l l 等公司发起成立了z i g b e e 联盟，他们提出的z i g b e e 技术被确认为i e e e8 0 2 1 5 4 标准。 一 ( 4 ) 2 0 0 2 年，摩托罗拉，飞利浦和三菱等企业加盟z i g b e e 联盟，0 6 年中国的华为 公司也加入了该联盟，现联盟内有1 8 0 多个成员企业，包括软件供应商、系统集成商和 终端产品商。 ( 5 ) 2 0 0 3 年，i e e e8 0 2 1 5 4 标准获得通过，并在2 0 0 4 年1 2 月推出了z i g b e e 技术 规范1 o 版本。， ( 6 ) 2 0 0 4 年，z i g b e e 2 0 0 4 版无线网络通信协议被推出。 ( 7 ) 2 0 0 6 年，z i g b e e 2 0 0 6 版无线网络通信协议被推出。 ( 8 ) 2 0 0 7 年，z i g b e e p r o 版无线网络通信协议被推出。 z i g b e e 技术主要应用在短距离范围内以及数据传输速率不高的各种电子设备之间， 因此非常适用于家电和小型电子设备的无线控制指令传输。其典型的传输数据类型有周 期性数据( 如传感器) ，间歇性数据( 如照明控制) 和重复低反应时间数据( 如鼠标) 。 其目标功能是自动化控制，它采用跳频技术，使用的频段分别为2 4 g h z ( i s m ) 、 测，低功耗、低成本的z i g b e e 技术将在未来两年内得到快速增长，2 0 0 5 年全球z i g b e e 器件的出货量将达到1 0 0 万个，2 0 0 6 年底将超过8 0 0 0 万个，2 0 0 8 年将超过1 5 亿个。 这一预言正在从z i g b e e 联盟及其成员近期的一系列活动和进展中得到验证。在标准林 立的短距离无线通信领域，z i g b e e 的快速发展可以说是有些令人始料不及的，从2 0 0 4 年底标准确立，到2 0 0 5 年底相关芯片及终端设备总共卖出1 5 0 0 亿美元，应该说比被业 界“炒”了多年的蓝牙、w i - f i 进展都要快。 z i g b e e 技术在z i g b e e 联盟和i e e e 8 0 2 1 5 4 的推动下，结合其他无线技术，可以实 现无所不在的网络。它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的 运用价值，在未来其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。由于各 方面的制约，z i g b e e 技术的大规模商业应用还有待时日，但已经展示出了非凡的应用价 值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。但是，我们还应该清楚 的认识到，基于z i g b e e 技术的无线网络才刚刚开始发展，它的技术、应用都还远谈不 上成熟，国内企业应该抓住商机，加大投入力度，推动整个行业的发展。 1 4 嵌入式技术及其特点 1 4 1 嵌入式系统的定义n 铂 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，且软硬件可裁剪，适用于应用 系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入 式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用 于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 1 4 2 嵌入式技术的特点n 町q 捌 从嵌入式系统的构成上看，嵌入式系统是集软硬件于一体的、可独立工作的计算机 系统：从外观上看，嵌入式系统像是一个”可编程”的电子、器件”；从功能上看，它是对 宿主对象进行控制，使其具有、智能”的控制器。从应用的角度看，嵌入式系统与通用 计算机系统相比，有如下一些特点1 ： 6 西华大学硕士学位论文 ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式c p u 与通用型的最大不同就是嵌入 式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度 高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入 式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在 同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争 力。 ( 3 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步 进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 ( 4 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体 应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、 不断创新的知识集成系统。 ( 5 ) 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对 其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 簟 ( 6 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯 片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 1 5 嵌入式技术的发展与现状【2 3 】。 2 7 】 嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史了，嵌入式技术也历经了几个发展阶 段。进入9 0 年代后，以计算机和软件为核心的数字化技术取得了迅猛发展，不仅广泛 渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且深入到家电、娱乐、艺术、社会 文化等各个领域，掀起了一场数字化技术革命。多媒体技术与i n t e r n e t 的应用迅速普 及，消费电子( c o n s u m p t i v ee l e c t r o n ) ，计算机( c o m p u t e r ) ，通信( c o m m u n i c a t i o n ) ，3 c 一体化趋势日趋明显，嵌入式技术再度成为一个研究热点。综观嵌入式技术的发展，大 致经历了以下4 个阶段射： 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、伺服、 指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一 般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。 这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较 小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格很低，以前在国内工业领 域应用较为普遍，但是已经远远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业控 制和新兴的信息家电等领域的需求。 7 基于z i g b e e 技术的监控系统 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。这一阶段 的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统具 定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好；系统主要用来控制系 载以及监控应用程序运行。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是： 嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、 效率高，并且具有高度的模块化和扩展性：具备文件和目录管理、设备支持、多任务、 网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口( a p i ) ，开发应 用程序简单：嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以基于i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。 目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展以及i n t e r n e t 技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与i n t e r n e t 的结合将代 表着嵌入式技术的真正未来。 嵌入式系统工业是专用计算机工业，其目的就是要把一切变得更简单、更方便、更 普遍、更适用：通用计算机的发展变为功能电脑，普遍进入社会，嵌入式计算机发展的目 标是专用电脑，实现“普遍化计算”，因此可以称嵌入式智能芯片是构成未来世界的“数字 基因”。正如我国资深嵌入式系统专家一沈绪榜院士的预言，“未来十年将会产生头大小、 具有超过一亿次运算能力的嵌入式智能芯片”，将为我们提供无限的创造空间。总之“嵌 入式微控制器或者说单片机好象是一个黑洞，会把当今很多技术和成果吸引进来。中国 应当注意发展智力密集型产业”n 朝。 1 6 课题来源与研究内容 本课题来源于四j i l 省重点学科项目子题目。 基于z i g b e e 技术、嵌入式技术的监控系统的一个重要优势就是其无线性、低成本 性、灵活性。z i g b e e 技术可以实现无线、低成本性。嵌入式系统可以按照其具体的应用 场合量身定做，而且能实现的功能也更加多样化，展现灵活性。 本文首先介绍了z i g b e e 无线技术的特点与应用、m a g i c a r m 2 7 0 教学实验开发平台的 p x a 2 7 0 处理器以及嵌入式操作系统w i n d o w sc e 的技术特性和内核结构。然后介绍了基 于z i g b e e 技术的无线信号采集系统的硬件设计和软件设计，以及基于p x a 2 7 0 处理器和 嵌入式操作系统w i n d o w sc e 的接受与显示信号的监控系统软件设计。最后提出基于 z i g b e e 无线技术和w i n d o w sc e 嵌入式技术的一个比较完整监控系统的解决方案，给出 该监控系统的整个设计方案以及具体设计了该方案中各个组成部分。 8 西华大学硕士学位论文 论文完成了基于z i g b e e 无线技术和w i n d o w sc e 嵌入式技术监控系统的总体设计以 及系