ZigBee开题报告重点讲义资料

毕业论文开题报告表毕业论文开题报告表 论文题目 一 选题背景和意义 在现代家居生活中 由于随着生活水平要求的不断提高 人们更加迫切希 望能够检测和控制建筑内光环境 热湿环境 人居环境 同时 家庭及生活环 境复杂造成的诸多不便 使得人们不能时刻驻留在建筑物内来确保各项设备是 否处于正常运行状态 所以将采集到的数据传输到一个既能显示又能表达的控 制器的需求就显得迫切了 这样一来人们可以轻易的获取各项设备以及周围环 境的信息 如果希望改变某一环境条件 只需要通过控制器将控制指令发送给 现场指定模块进行特定操作 然后等待反馈信息即可 但是 在大量数据产生 的同时 数据传输的问题也会随之被放大了 因为现场面积大 需要传输信息 量大 使用传统的有线数据传输方式在暂用大量资源的情况下 却不能满足实 际应用中会出现的多变的需求 而且当被测点处于运动状态 所处环境条件不 允许或者无法铺设通信电缆时 势必会出现致数据无传输 此时便需要利用无 线传输的方式进行采集数据的传输 近几年随着电子技术 传感器技术及通信技术的发展 推动了现代意义的无线 传感器网络的崛起 并且在军事 民用方面都得到了广泛的应用与成功 以 ZigBee 技术为核心的无线传感器网络以其低功耗 低速率 低成本 网络容量大 可靠性高的优势广泛应用于工业控制 现代化农业控制 数字家庭 智能楼宇 监控 小区水电抄表等领域 无线传感器网络 Wireless Sensor Network 综合 了微电子技术 嵌入式计算技术 现代网络及无线通信技术 分布式信息处理 技术等先进技术 能够协同地实时监测 感知和采集网络覆盖区域中各种环境 或监测对象的信息 并对其进行处理 处理后的信息通过无线方式发送 并以 自组多跳的网络方式传送给观察者 二 课题关键问题及难点 1 应用 IEEE802 协议自组一个无线通信网络 2 设计过程包括硬件电路设计和程序设计两大步骤 3 利用 IAR 进行软件仿真 三 调研报告 或文献综述 IEEE 802 15 4 标准作为 ZigBee 协议和众多无线传感器网络的底层标准 只定义了物理层 PHY 和数据链路层的 MAC 子层 PHY 层由射频收发器以 及底层的控制模块构成 MAC 子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服 务接口 表 1 是 IEEE802 15 4 标准主要技术特征 IEEE 802 15 4 网 络是指在个人自身操作 空间内使用无线信道并 通过 IEEE 802 15 4 标 准相互通信的一组设备 的集合 称为 LR WPAN 如图 1 所示 在这个家庭智能化网络 中 全功能器件 FFD Full Function Device 拥 有足够的存储空间来存 放路由信息并且处理能 力也较强 简化功能器 件 RFD Reduce Function Device 则内 存较小 功耗低 FFD 主要起网关作用 PAN 网络协调器是一个 FFD 设备 作 为 LR WPAN 网的主控制器 除直接参与应用之外 还要完成成员身份管理 链 路转状态信息管理以及分组转发等任务 而 RFD 是最基本的传感器节点 用来 捕获数据信息并传递给其范围内的网关节点 FFD 和 RFD 互相组合 可以共 同协调工作 不仅扩大了网络的覆盖范围 同时由于 RFD 的加入 节省了整体 功耗 虽然网络拓扑结构的形成过程属于网络层的功能 但 IEEE802 15 4 为形成各 网络拓扑结构提供了充分支持 IEEE802 15 4 定义的 LR WPAN 网络根据应 用的需要可以组织成星型网络 也可以组织成点对点网络 如图 4 所示 在星 型结构中 所有的设备都与中心设备 PAN 网络协调器通信 在这种网络中 网 络协调器一般使用持续电力系统供电 而其他设备采用电池供电 适合家庭自 动化 个人计算机的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用 与星型网络 不同 点对点网络只要彼此在对方的无线辐射范围之内 任何两个设备之间都可 以直接通信 点对点网络中也需要网络协调器 负责实现管理链路状态信息 认 证设备身份等功能 点对点网络模式允许通过多跳路由的方式在网络中传输数 据 可以构造更复杂的网络结构 适合设备分布较广的应用 比如工业检测与控 制 货物库存跟踪和智能农业等方面 星型网络以网络协调器为中心 因此星型网络形成过程中 第一步就是建立 网络协调器 一个网络如何确定自己的网络协调器由上层决定 一种简单的策 略是 一个 FFD 设备在第一次被激活后 首先广播查询网络协调器的请求 如 果接收到回应说明网络中已经存在网络协调器 再通过一系列认证过程 设备就 成为了这个网络中的普通设备 如果没有收到回应 或者认证过程不成功 这个 FFD 设备就可以建立自己的网络 并且成为这个网络的网络协调器 网络协调 器要为网络选择一个唯一的标识符 该星型网络中的设备都是用这个标识符来 规定自己的属主关系 不同星型网络之间的设备通过设置专门的网关完成相互 通信 选择一个标识符后 网络协调器就允许其他设备加入自己的网络 并为这 些设备转发数据分组 星型网络中的两个设备如果需要互相通信 都是先把各 自的数据包发送给网络协调器 然后由网络协调器转发给对方 四 方案论证 本设计以单片机为核心 根据设计的要求我们考虑了各功能层的几种设计方 案 以求最佳方案 根据室内建筑智能环境控制器硬件系统的设计 可将本系统分为四个层次 第一个层次是网络层 它负责整个系统的通信 从而使各从节点能够与主控制 器进行数据和信息的交互 第二个层次是设备检测层 主要是由各传感器以及 通信节点组成 负责对于整个室内建筑环境的检测以及设备对于命令是否应答 第三个层次是输出控制层 通过节点接受控制要求信息 发送到主控制器进行 处理 再使相应的设备应答 第四个层次是人机接口层 通过该层次 用户能 够随时并且方便的查看室内建筑环境的状况及参数 并对家具的部分环境进行 调节 通信层设备检测层 输出控制层 人机接口层 系统图 一 通信层选择方案 方案一 采用有线通信 以金属电线和光纤作为主要介质 通过将声音 文 字信息 图像等数据转化成相关信号进行有效传输 出发点 接受点 相关协 议也就是其信息传递过程中的三要素 此外 有线通信需要依靠到导线才能进 行信号交换 经过实体介质才能实现信号的成功传输 这种方式的通信方法具 有很多优点 比如传输稳定 安全快速 抗干扰能力强等 因为周围环境对有 线通信技术的传输影响力不是很大 所以在使用有线通信设备时很少会发生故 障 且有线通信网络在进行传输和运送的时候 能够及时准确对数据进行检测 在发生故障时候能够及时得到解决和处理 除外 有线通信产生的辐射很小 对使用人员的身体健康也不会有很大的影响 我们可以将每个检测部件和执行 部件通过综合布线的方式进行统一的管理和控制 以满足人们各项需求 方案二 采用无线通信 随着通信技术的迅速发展 人们提出了在人自身附 近几米范围之内通信的需求 这样就出现了个人区域网络 personal area network PAN 和无线个人区域网络 wireless personal area network WPAN 的 概念 WPAN 网络为近距离范围内的设备建立无线连接 把几米范围内的多个 设备通过无线方式连接在一起 使它们可以相互通信甚至接入 LAN 或 Internet 而 IEEE 802 15 4 标准 是针对低速无线个人区域网络 low rate wireless personal area network LR WPAN 制定标准 该标准把低能量消耗 低 速率传输 低成本作为重点目标 旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间的 低速互连提供统一标准 基于这种标准 我们可以在每个检测部件和执行部件 处设置无线通信节点 通过使用 802 15 4 协议实现数据的交互和控制 方案比较 对于方案一 在设备极少的情况下 可以采用有线网络 有线网 络采用实体介质进行信息传输 具有较高的稳定性和抗干扰能力 此外 有线 网络在技术方面较为成熟和简单 易于开发和使用 相比于方案一 由于是在 室内家居中使用 不仅建筑面积有限 而且设备的数目较多 如果采用有线网 络 那么必然将造成资源的浪费以及家居舒适度的下降 故综合比较我们采用 方案二来进行网络的组建 二 设备检测层选择方案 要求完成正常的 PM2 5 检测 考虑了三种方案 方案一 采用韩国 SYHITECH 公司的 DSM501 粉尘传感器 它的特点有 PWM 脉宽调制输出 采用粒子计数原理 可灵敏检测直径 1 微米以上的粒子 内置加热器可实现自动吸入空气 小尺寸重量轻 易安装使用 方案二 采用日本 SHARP 公司生产的 GP2Y1010AU0F 粉尘传感器 它的 特点有 1 小型薄型封装 46 0 30 0 17 6 毫米 2 低功耗电流 Icc 20mA 最大 3 可以通过被检测到的灰尘的存在只用一个脉冲的测光 4 使从房屋灰尘 烟雾区别 5 无铅兼容指令和 RoHS 方案三 采用英国 alphasense 公司的 OPC N2 粉尘传感器 它采用先进的 光学系统及精准地电子处理装置 提供快速精确的粒子数和粒径分布检测 同 时它的电子装置通过 SPI 接口结合软件应用 可直接在电脑或安卓手机上直观 地显示各种尺寸微颗粒物的数量及分布 使用非常简便 方案比较 三种方案的粉尘传感器都广泛应用于生产生活中并且价格相差 不大 但方案一的 DSM501 粉尘传感器具有体积小 重量轻 便于安装 保养简 单 可以长期保持传感器的特性 非常适宜家居生活的使用 故采用方案一 三 输出控制层选择方案 硬件方案 本设计方案是通过是以 TI 公司的 CC2530 为控制核心的射频节 点 以一个节点作为主节点将各从节点所获得的信息在主节点进行汇总后 再 下发到各个节点 其整体硬件系统图如下 主控制模块 从节点 从节点 从节点 PM2 5 照度 显示屏 按键以及其他 百叶窗 报警 背景音乐 控制主模块部分 STM32CC2530 LCD 液晶显 示屏 按键 UART 无线网络 主模块部分以 STM32 为核心 CC2530 将汇集的信息通过 UART 的方式 发送给 STM32 核心板 STM32 将各项参数以及时间显示在 LCD 液晶屏上 通 过按键触发中断的方式来选择不同的情景模式 并将情景模式的各项参数发送 给各个设备 PM2 5 检测部分 CC2530 PM2 5 传 感器 音频驱动蜂鸣器 无线协议 该部分中 CC2530 通过传感器测量空气中 PM2 5 的含量 如果大于设定 的标准值 则马上开始报警 直到 PM2 5 的数值下降到设定值 并将该数值发 送给主控制器 照度反馈控制模块 CC2530 照度传感器 电机及其 驱动 百叶窗 无线协议 该模块通过照度传感器将室内环境的照度值与设定值进行比较 根据需要 改变环境的照度 同时将照度值发送给主控制模块 音乐点播与控制模块 CC2530 MP3 芯片 喇叭 存储卡 按键 无线协议 该模块使用 N9200 N9200 是一个提供串口的 MP3 芯片 完美的集成了 MP3 WMV 的硬解码 同时软件支持 TF 卡驱动 支持电脑直接更新 spi flash 的内容 支持 FAT16 FAT32 文件系统 通过简单的 UART 串口指令或一线 串口指令即可完成播放指定的音乐 以及如何播放音乐等功能 外加存储卡 让用户能够更大范围的选择音乐的类型 此外运用按键和无线网络 能够实现 近端和远端的音乐控制 四 人机接口层选择方案 方案一 LCD 液晶显示屏 LCD 的构造是在两片平行的玻璃当中放置液 态的晶体 两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线 透过通电与否来控制 杆状水晶分子改变方向 将光线折射出来产生画面 LCD 第一个特点是必须将 液晶灌入两个列有细槽的平面之间才能正常工作 LCD 的第二个特点是它依赖 极化滤光片和光线本身 自然光线是朝四面八方随机发散的 极化滤光片实际 是一系列越来越细的平行线 方案二 OLED 液晶显示屏 有机发光显示技术由非常薄的有机材料涂层 和玻璃基板构成 当有电荷通过时这些有机材料就会发光 OLED 为自发光材 料 不需用到背光板 同时视角广 画质均匀 反应速度快 较易彩色化 用 简单驱动电路即可达到发光 制程简单 可制作成挠曲式面板 符合轻薄短小 的原则 应用范围属于中