本科毕业设计基于ZigBee的无线采集系统的设计

1、吉 林 农 业 大 学本 科 毕 业 设 计论文题目： 基于zigbee的无线采集系统的设计 学生姓名： 专业年级：电子信息科学与技术专业 指导教师： 职称 讲 师 2008年06月03日目 录题 目i摘要及关键词i1 前言11.1 课题的提出11.2 方案论证与比较11.3 zigbee技术的广阔应用前景11.4 zigbee技术特点21.5 zigbee技术概述22 zigbee协议栈结构和原理32.1 zigbee协议栈概述32.2 ieee802.15.4通信层52.2.1物理层phy52.2.2 介质接入控制子层mac72.3 zigbee网络层82.4 zigbee应用层102.4

2、.1 应用层概述102.4.2 zigbee应用支持子层112.4.3 zigbee profile112.4.4 zigbee设备对象zdo113 系统硬件部分介绍123.1 总体框图123.2 各功能模块硬件介绍123.2.1 无线收发模块介绍123.2.1.1 cc2430主要特征外设123.2.1.2 cc2430无线收发143.2.2 数据采集模块介绍143.2.3 显示模块介绍164 软件设计164.1 数据发送、接收164.1.1 建立网络164.1.2 允许加入网络184.1.3 加入网络方式194.1.4 数据发送244.1.5 数据接收254.2 温度采集264.3 显示部

3、分285 调试295.1 硬件调试295.2 软件调试296 总结29参考文献29致 谢30附录一：系统硬件电路图31附录二：软件流程图32附录三：程序清单33基于zigbee的无线采集系统学 生 专 业：电子信息科学与技术指导教师：摘 要：随着无线通信技术的发展，我们的生活越来越离不开无线技术。无线通信技术给我们的生活带来了很多方便。zigbee就是一个新兴的无线通信技术，其最大的优势是功耗低。本论文就是基于zigbee技术做的无线温度采集系统。将无线通信技术用到农业领域，使得土壤温度的采集方便而及时。温度传感器用了tc77，其采集的温度精确，而且成本低。显示模块则用了oled，即使显示采集

4、出的温度。整个软件部分用c程序编写，思路清晰。经过一些修改后，可以投入到实际应用中。关键词： 无线通信；zigbee；温度传感器；oled显示the wireless collects system use zigbeename：xie chen major：electronics information science and technologytutor：gong heabstract: along with the wireless communication technologys development, our life cannot leave the wireless tec

5、hnology more and more. the wireless communication technology has brought conveniently for ours life. zigbee is an emerging wireless communication technology, its biggest superiority is the power loss is low. the present paper is the wireless temperature gathering system which does based on the zigbe

6、e technology. uses the agricultural domain the wireless communication technology, causes the soil temperature gathering to be convenient and to be prompt. the temperature sensor has used tc77, its gathering temperature is precise, moreover the cost is low. the display module has used oled, even if d

7、emonstrated gathers temperature. the entire software part uses the c programming, the mentality to be clear. after some revisions, may invest into the practical application.key words: wireless communication; zigbee; temperature sensor; oled monitor1 前言1.1 课题的提出目前，土壤参数的采集普遍还是用人为采集。就是在一天中分不同的时段，对土壤的各项

8、参数进行人为测量。这样浪费了大量的人力和物力，而且采集的数据也不及时。当然，现在也新出现的一些智能采集，但是这种采集数据也需要人为的控制或者需要很长数据传输线。这就存在很多不方便的因素。于是我们现在就需要一种技术，能对土壤的各项参数能够进行无线采集。这样首先，省去了人为采集的麻烦，而且还不再需要长长的传输线，为数据的传输带来了便捷。1.2 方案论证与比较无线传输部分方案论证。方案一：红外技术。为短距离，点对点直线数据传输，保密性强；传输速率高。但是通信距离短，通信过程中不能移动，遇到障碍物通信中断。所以不适合次系统。 方案二：蓝牙技术。是一种短距离、低成本的无线传输应用技术。比较红外技术它通信

9、更方便，而且稳定1。 方案三：zigbee技术。一种新兴的短距离、低速率无线网络技术。最大的特点就是低功耗。一节电池就可以维持6个月到数年的工作时间。 比较方案二和三，考虑温度采集是一个长期的过程，而且要大批量来更换电池是个较为麻烦的过程。所以，zigbee技术功耗低的特点就很适合来做田间的温度采集。 综上所以选择了zigbee来做无线传输部分。 温度采集部分方案论证。 方案一：用cc2430芯片中集成的温度传感器，来采集温度。但是其温度的测量值不精确，也不稳定。 方案二：用外接的温度传感器tc77。测量温度精确，成本低。综合考虑采用方案二。 显示部分方案论证。 由于，实验板自身带有oled显

10、示屏。使用方便，显示清楚。所以显示部分直接采用oled来做。1.3 zigbee技术的广阔应用前景首先，来介绍一下这个系统的核心部分zigbee技术。zigbee是一种新兴的短距离，低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它被称作为“homerf life 或“firefly无线技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们之间的通信效率非常高 。最后，这些数据就可以进入计算机用于分析或是被另外一个无线技术收集。zigbee技

11、术在2004年就被列为当今世界发展最快、市场前景最广阔的十大最新技术之一。zigbee技术的出发点是希望能发展一种易布建的低成本无线网络，同时其低耗电性将使产品的电池维持6个月到数年的工作时间。在产品发展的初期，将以工业或企业市场的感应式网路为主，提供感应识别、灯光与安全控制等功能，再逐渐将目前市场拓展至家庭中的应用。zigbee填补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。随着正式版本协议的公布，更多的注意力和研发力将转移到应用的设计和实现、互联互通测试以及市场推广等方面。有理由相信在不远的将来，将有越来越多的zigbee功能的设备进入我们

12、的生活，并将极大的改善我们的生活方式和体验。1.4 zigbee技术特点zigbee技术主要包括了这么几方面的特点。首先是省电，两节五号电池即可实现长达6个月到2年的使用时间。其次是可靠，它采用了碰撞避免机制，同时为需要固定宽带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zigbee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。接着是时延短，zigbee针对时延敏感的应用作了优化，通信时和从休眠状态激活的时延都非常短。同时，zigbee网络容量大，它可支持多达65 000个节点。最后zigbee提供了数据完整性检查和检权

13、功能，加密算发采用通用的aes-128，64位的出厂编号和支持aes-128加密，大大提高了安全性和保密性。1.5 zigbee技术概述zigbee栈体系结构由一组称为层的块儿组成。每个层为上层执行指定一套服务：数据实体提供数据传输服务，管理实体提供所有其他服务。每个服务实体通过一个服务接入点（sap）为上层提供一个接口，每个sap支持一些服务原语来完成必须的功能。zigbee栈体系结构，是基于标准开放网络互联（osi）七层协议模型，但是仅仅定义这些层在市场空间里完成相应的功能。ieee802.15.4-2003标准定义了较低的两层：物理（phy）层和媒体接入控制（mac）子层。zigbee联

14、盟通过提供网络层和应用层结构，构造这个基础。它包括应用支持层，zigbee设备对象和制造商定义的应用对象。ieee802.15.4-2003 mac子层控制使用csma-ca机制接入到无线信道。它的职责可能也包括传输信标帧，同步和提供可靠传输机制。zigbee nwk层的责任应该包括加入和离开一个网络所用到的机制、应用帧安全机制和它们的目的地路由帧机制。另外，在两个设备中路由的发现和维护被移交到nwk层。一跳领居的发现和储存相关的信息也在nwk层里完成。zigbee协调器的nwk层负责建立一个新的网络，在适当时，分配地址到新的相关设备。zigbee应用层包括aps应用框架（af）、zdo和制造

15、商定义的应用对象。aps子层的责任包括维护绑定表，绑定表主要根据设备之间的服务和它们的需求使它们相互匹配，同时在它们之间转发消息。zdo负责定义设备在网络中的角色（例如是zigbee协调器或是终端设备），发现设备和决定它们提供哪种应用服务，发起和/或响应绑定要求，在网络设备之间建立安全关联。zdo也负责发现网络上的设备并且决定它们提供哪些应用服务。zigbee网络层（nwk）支持星形、树形和网状网拓扑结构。在星形拓扑结构里，网络由一个单独设备zigbee协调器控制。zigbee协调器负责发起和维护网络上的设备和所有的其他设备，如众所周知的直接和zigbee协调器通信的终端设备。在网状网和树形拓

16、扑里，zigbee协调器发起网络并负责选择确定的关键网络参数，但是可能通过使用zigbee路由器扩展网络。在树形网络里，路由器使用一个等级寻路策略移动数据和控制通过网络的消息。树形网络可能使用信标定向通信，网状网允许全对等的通信。网状网中的zigbee路由器不应发出规则的ieee802.15.4-2003信标2。2 zigbee协议栈结构和原理2.1 zigbee协议栈概述zigbee协议栈由一组子层构成。每层为其上层提供一组特定服务：一个数据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部其他服务。每个服务实体通过一个服务接入点（sap）为其上层提供服务接口，并且每个sap提供了一系列的基本服务指

17、令来完成相应的功能。zigbee协议栈的体系结构如图2.1所示。它虽然是基于标准的7层开放式系统互联（osi）模型，但仅对那些涉及zigbee层予以定义。ieee802.15.4-2003标准定义了最下面两层：物理层（phy）和介质接入控制子层（mac）。zigbee联盟提供了网络层和应用层（apl）框架的设计。其中，应用层的框架包括了应用支持子层（aps）、zigbee设备对象（zdo）及由制造商制定的应用对象。相比于常见的无线通信标准，zigbee协议套件紧凑而简单，具体实现的要求很低。以下是zigbee协议套件的最低需求估计：硬件需要8位处理器，如80c51；软件需要32kb rom，最

18、小软件需要4kb的rom，如果cc2430芯片具有8051内核的、内存从32kb至128kb的zigbee无线单片机：网络主节点需要更多的ram以容纳网络所有节点的设备信息、数据包转发表、设备关联表以及与安全有关的密钥存储等。图2.1 zigbee体系结构模型fig. 2.1 zigbee system structure modleieee802.15.4-2003工作在工业、科学、医疗（ism）频段，定义了两个工作频段，即2.4ghz频段和868/915mhz频段。在ieee802.15.4-2003中，总共分配了27个具有3种速率的信道；2.4ghz频段有16个速率为250kb/s的信道

19、；915mhz频段有10个40kb/s的信道；868mhz频段有1个20kb/s的信道。这些信道的中心频率按如下定义（k为信道数）fc = 868.3mhz (k=0)fc = 906mhz+2(k-1)mhz (k=1,2,10)fc = 2405mhz+5(k-1)mhz (k=11,12,26)一个ieee802.15.4可以根据ism频段、可用性、拥挤情况和数据速率在27个信道中选择一个工作信道。从能量和成本效率来看，不同的数据数率能为不同的应用提供较好的选择。来自ieee802.15.4物理层协议数据单元的二进制数据被依次（按数据从低到高）组成4位二进制数据符号。每种数据符号（对应1

20、6状态组中的一组）被映射成32位伪噪声码片（chip)，以便于传输。然后，这个连续的伪噪声chip序列被调制（采用最小键控制方式）到载波上，即采用半正弦脉冲波形的偏移正交相移键控制（oqpsk)调制方式。868/915mhz频段物理层使用简单的直接序列扩频（dsss）方法，每个ppdu数据传输位被最大长度为15的chip序列所扩展（即被多组+1、-1构成的m-序列编码），然后使用二进制相移键控技术调制这个扩展的位元序列。不同的数据传输率适合于不同的场合。ieee802.15.4mac层提供两种服务：mac层数据服务和mac层管理服务。管理服务通过mac层管理实体（mlme）服务接入点（sap）

21、访问高层。mac层数据服务使mac层协议数据单元（mpdu）的收发可以通过物理层数据服务。ieee802.15.4mac层的特征有信标管理、信道接入机制、保证时隙（gts）管理、帧确认、确认帧传输以及节点接入与分离。zigbee的网络层主要用于zigbee网络的组网连接、数据管理以及网络安全等。而应用层主要为zigbee技术的实际应用提供一些应用框架模型等，以便于对zigbee技术的开发应用。在不同场合，其开发应用框架不同。低速率的无线个域网允许使用超帧结构。超帧的格式由传感器网络的协调器定义。超帧被分为16个大小相等的时隙，由协调器发送，如图2.2所示。每个超帧之间由网络信标间隔。信标帧在超

22、帧的第一个时隙被传输。如果协调器不想使用超帧结构，它将会停止信标的传输。信标可用来使接入的设备同步，区分个域网，描述超帧结构。任何想要在竞争接入时段（cap）通信的设备都要使用有时隙的载波听多址接入-冲突避免（csma-ca）。所有的传输要在下一个信标到来之前结束。图2.2 无gts的超帧结构fig. 2.2 no gts super structure超帧结构有活跃和非活跃两部分。在非活跃部分，协调器将不和网络联系，进入低能模式。对于低延迟应用或需要特殊宽带的应用，网络协调器将为它贡献出超帧的活跃部分。这部分叫做gts。gts由无竞争时段（cfp）组成，它总是紧跟着cap，在活跃的超帧尾部，

23、如图2.3所示。网络协调器可以分配7个gts，每个gts可以占用1个以上的时隙。而cap有充足的时间留给基于竞争的接入网络设备或想加入网络的设备。所有基于竞争的传输都要在cfp开始前结束，同样gts的传输也要确保在下一个gts开始前结束。图2.3 有gts的超帧结构fig. 2.3 have gts super structure2.2 ieee802.15.4通信层ieee802.15.4标准定义了最下面两层：物理层（phy）和介质接入控制子层（mac）。而zigbee直接使用了ieee802.15.4所定义的物理层和介质接入控制子层。2.2.1 物理层phyzigbee的通信频率由物理层来

24、规范。zigbee对不同国家地区提供不同的工作频率范围。它所用的频率范围分别为2.4ghz和868/915mhz。因此，ieee802.15.4定义了恋歌物理层标准，分别是2.4ghz物理层和868/915mhz物理层。两个物理层都基于直接序列扩频（dsss）技术，使用相同的物理层数据包格式，其区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率不同。2.4ghz波段为全球统一、无须申请的ism频段，有助于zigbee设备的推广和生产成本的降低。2.4ghz的物理层采用16相调制技术，能够提供250kb/s的传输速率，从而提高了数据吞吐量，减小了通信时延，缩短了数据收发时间，因此更加省电。zig

25、bee使用的无线信道由表2.1确定。可以看出，zigbee使用的3个频段定义了27个物理信道，其中：868mhz频段定义了1个信道；915mhz频段附近定义了10个信道，信道间隔为2mhz；2.4ghz频段定义了16个信道，信道间隔为5mhz，较大的信道间隔有助于简化收发滤波器的设计。表2.1 zigbee无线通信的组成table 2.1 zigbee wireless correspond by letter信道编号中心频率mhz信道间隔/mhz频率上限/ mhz频率下限/ mhzk=0k=1,2,10k=11,12,26868.3906+2(k-1)2405+5(k-1)25868.692

26、8.02483.5868.0902.02400.0zigbee技术发射功率也有一定的限制，其最大的发射功率应该符合不同国家所制定的规范，通常zigbee发射功率范围为0+10dbm,通信距离范围为10m,可扩大到约300m。但现在由于技术发展要求，一般都突破了上述限制。现在zigbee模块加上放大电路点对点通信距离可达4km以上，zigbee发射功率达+20dbm。同时，ieee还规范了以下技术要求（同时使用于2.4ghz和868/915mhz）；接收信号中心频率误差最大为40ppm;发射机的最小功率为-3dbm，接收机最大输入电平-20dbm。物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从mac层

27、到物理层无线信道的接口。从图2.4可以看到，在物理层中存在有数据服务接入点和物理层管理实体服务的接入点。这两个服务接入点可提供如下服务：通过物理层数据服务接入点（pd-sap）为物理层数据提供服务；通过物理层管理实体（plme）服务的接入点（plme-sap）为物理层管理提供服务。zigbee物理层数据包由同步包头、物理层包头和物理层净荷三部分组成。同步包头由前同步码和数据包定界符组成，用于获取符号同步、扩频码同步和帧同步，也有助于粗略的频率调整。物理层包头指示净荷部分的长度，净荷部分含有mac层数据包，最大长度是127字节。如果数据包长度类型为5字节或大于8字节，那么物理层服务数据单元（ps

28、du）携带mac层的帧信息。图2.4 物理层结构模型fig. 2.4 phy stratification modelling2.2.2 介质接入控制子层macieee802系列标准把数据链路层分成逻辑链路控制子层llc和介质接入控制子层mac两个子层。llc子层在ieee802.6标准中定义，为802标准系列所共用；而mac子层协议则依赖于各自的物理层。ieee802.15.4的mac子层能支持多种llc标准，通过业务相关汇聚子层sscs协议承载ieee802.2协议中第一种类型的llc标准，同时允许其他llc标准直接使用ieee802.15.4子层的服务。llc子层的主要功能是进行数据包的

29、分段与重组，以及确保数据包按顺序传输。ieee802.15.4mac子层实现包括设备间无线链路的建立、维护与断开，确认模式的帧传送与接收，信道接入与控制，帧效验与快速自动请求重发（arq）,预留时隙管理以及广播信道管理等。mac子层处理所有物理层无线通信的接入。主要功能有：1、网络协调器产生网络信标；2、同步信标；3、支持个域网链路的建立和断开；4、为设备的安全提供支持；5、信道接入方式采用免冲动载波检测多址接入机制；6、处理和维护保护时隙机制；7、在两个对等的mac实体之间提供一个可靠的通信链路。mac子层与llc子层的接口中用于管理目的的原语仅有26条。相对于蓝牙技术的131条原语和32个

30、事件而言，ieee802.15.4mac子层的复杂度很低，不需要高速处理器，因此降低了功耗和成本。mac层在服务协议汇聚层（sscs）和物理层之间提供了一个接口。mac层包括了一个管理实体。该实体通过一个服务接口可调用mac层管理功能，它还负责维护mac固有的管理对象的数据库。从图2.5可以看到，mac层两个不同的接入点提供不同的服务：通过公共部分子层服务接入点为它提供数据服务；通过管理实体服务接入点为它提供管理服务。图2.5 mac层参考模型fig. 2.5 mac reference modle2.3 zigbee网络层zigbee堆栈是在ieee802.15.4标准的基础上建立的，而ie

31、ee802.15.4仅定义了协议的mac和phy层。zigbee设备应该包括ieee802.15.4phy与mac层，zigbee堆栈层、网络层（nwk）、应用层以及安全服务管理。每个zigbee设备都与一个特定模版有关，可能是公共摸版或私有摸版。这些模版定义了设备的应用环境、设备类型以及用于设备间通信的串。公共模版可以确保不同供应商的设备在相同应用领域中互操作性。设备是由模版定义的，并以应用对象的形式实现。每个应用对象通过一个端点连接到zigbee堆栈的余下部分，它们都是器件中可寻址的组件。从应用角度看，通信的本质就是端点到端点的连接。端点之间的通信是通过称之为串的数据结构实现的。这些串是应

32、用对象之间共享信息所需的全部属性的容器。在特殊应用中使用的串在摸版中定义。zigbee网络层的主要功能就是提供一些必要的函数，确保zigbee的mac层正常工作，并为应用层提供合适的服务接口。为了向应用层提供其接口，网络层提供了两个必须的功能服务实体，它们分别是数据服务实体和管理服务实体，如图2.6所示。图2.6 网络层参考模型fig. 2.6 nwk reference mode网络层数据实体通过网络层数据实体服务接入点（nlde-sap）提供数据传输服务；网络管理层实体通过网络层管理实体服务接入点提供网络管理服务。网络层管理实体利用网络层数据实体完成一些网络的管理工作，并且完成对网络信息库

33、和维护和管理。网络层通过mcps-sap和mlme-sap接口，为mac提供接口，通过nlde-sap与nlme-sap接口为应用层提供接口服务。网络层管理实体提供网络管理服务，允许应用与堆栈相互作用。网络层数据实体为数据提供服务。在两个或多个设备之间传送数据时，它将按照应用协议数据单元的格式进行传送，并且这些设备必须在同一个网络中，即同一个内部个域网中。网络协议数据单元（npdu）结构（帧结构）有一下两个基本组成部分：网络层帧报头，包含帧控制、地址和序列信息；网络层帧的可变长有效载荷，包含帧类型所指定的信息。图2.7所示为网络层通用帧结构，不是所有的帧都包含地址和序列域，但网络层的帧的报头域

34、还是按照固定的序列出现。然而，只有多播标志值是1时才存在多播（多点传送）控制域。有zigbee网络协议中定义了两种类型的网络帧，它们分别是数据帧和网络层命令帧。字节：222110/80/80/1变 长变 长帧控制目的地址源地址广播半径域广播序列号ieee目的地址ieee源地址多点传送控制源路由帧帧的有效载荷网络层帧报头网络层的有效载荷图2.7 网络层数据包（帧）格式fig. 2.7 nwk data wrap format2.4 zigbee应用层2.4.1 应用层概述zigbee栈体系包括一系列的层元件，包括ieee802.15.4 2003标准的mac层和phy层。当然也包括zigbee的

35、nwk层。每个层的元件提供相关的服务功能。aps提供了这样的接口：在nwk层和apl层之间，从zdo到供应商的应用对象的通用服务集。这服务由两个实体实现：aps数据实体（apsde）和aps管理实体(apsme)。apsed提供在同一个网络中的两个或者更多的应用实体之间的数据通信。apsme提供多种服务给应用对象。这些服务包含安全服务和绑定设备，并维护管理对象的数据库，也就是我们常说的aib。zigbee中的应用框架是为了驻扎在zigbee设备中的应用对象提供活动的环境。最多可以定义240个相对独立的应用程序对象，任何一个对象的端点编号都是1240。还有两个附加的终端节点为了apsed-sap

36、的使用：端点号0固定于zdo数据接口；另外一个端点255固定用于所有应用对象广播数据的数据接口功能；端点241254保留。应用模式是一组统一的消息。消息格式和处理方法允许开发者建立一个可以共同使用的，分布式应用程序，这些应用是使用驻扎在独立设备中的应用实体。这些应用模式允许应用程序发送命令、请求数据和处理命令与请求。串标识符可用来区分不同的串，串标识联系着数据从设备流出和向设备流入。在特殊的应用范围内，串标识符是唯一的。zigbee设备对象（zdo）描述了一个基本的功能函数。这个功能在应用对象、设备模式和aps之间提供了一个接口。zdo位于应用框架和应用支持子层之间。它满足所有在zigbee协

37、议中应用操作的一般需要。zdo还有一下作用：初始化应用支持子层（aps）、网络层（nwk）、安全服务规范（sss）；从终端应用中集合配置信息来确定和执行发现、安全管理、网络管理以及绑定管理。zdo描述了应用框架层的应用对象和公用接口，以控制设备和应用对象的网络功能。在终端节点0，zdo提供了与协议栈中低一层相接的接口。如果是数据，则通过apsed-sap；如果是控制信息，则通过apsme-sap。在zigbee协议栈的应用框架中，zdo公用接口提供设备、发现、绑定以及安全等功能的地址管理。设备发现是zigbee设备发现其他设备过程。这有两种形式的设备发现请求；ieee地址请求和网络地址的请求。

38、ieee地址请求是单播到一个特殊的设备且假定网络地址已经知道。网络地址请求是广播且携带一个已知的ieee的地址作为负载。服务发现是一个已给设备被其他设备发现过程。服务发现通过在一个已给设备的每一个端点发送询问或通过使用一个匹配服务性质来实现。服务发现方便定义和使用各种描述来概述一个设备的能力。服务发现信息在网络中也许被隐藏。在这种情况下，设备提供的特殊服务可能不好在发现操作发生时到达。2.4.2 zigbee应用支持子层zigbee应用支持子层的功能建立在两个基础之上：一是正确运行zigbee网络层的驱动功能；二是制造商定义的应用对象所需要的功能。应用支持子层给网络层和应用层通过zigbee设

39、备对象和制造商定义的应用对象使用的一组服务提供了接口。该接口提供了zigbee设备对象和制造商定义的应用对象使用的一组服务。通过两个实体提供这些服务：数据服务和管理服务。aps数据实体通过与之连接的sap提供管理服务，并且维护一个管理实体数据库，即aps信息库。应用支持子层的数据实体向网络层提供数据服务，并且为zdo和应用对象提供服务，完成两个或多个设备之间传输应用层pdu。这些设备本身必须在同一个网络中。2.4.3 zigbee profile在zigbee网络中，两个设备之间通信的关键是统一一个profile。zigbee在两个分开的登记定义profile，这两个等级是：私人的和公开的。这

40、些等级的精确定义和标准是在zigbee联盟和在这个文件范围之外的一个管理问题。为了符合这个技术规范，profile标识符标准是唯一的。最后，对一个profile标识符的应用程序，每一个profile必须以向zigbee联盟的一个请求开始。一旦获得profile标识符，profile标识符即允许profile设计者有如下定义：设备描述；串标识符。profile标识符应用的市场空间对zigbee联盟发行profile标识符是一个关键的标准。profile需要覆盖一个足够宽的设备范围来允许互动性发生在没有过渡范围设备之间，且导致用来描述它们接口的一个串标识符的不足。相反，profile不能被定义的太

41、狭窄导致很多被个人profile标识符描述的设备导致profile标识符寻址空间的浪费，且在描述设备如何接口时产生互操作性。在zigbee联盟里的政策组将就如何定义profile而建立标准，且帮助请求者制作它们的profile标识符请求。profile标识符是在zigbee协议中的主要枚举量。每一个唯一的profile标识符定义了设备描述和串标识符的一个联合的枚举量。profile开发者的责任就是定义和分配设备描述、串标识符和在它们已分配的profile属性。2.4.4 zigbee设备对象zdozdo是使用网络和应用支持层原语执行zigbee终端设备、路由器和协调器的一个应用。zdo使用串来

42、描述它的原语。zigbee设备profile串不使用属性，且同在消息传输协议里的消息类似。在zigbee设备中使用串标识符来列举在zdo中使用的消息。zdo也使用配置属性。这些属性不属于任何族的元素。在zdo中的配置属性是由应用或栈profile设置的配置参数。虽然配置属性和zigbee设备profile都由zdo来使用，但是配置的属性和zigbee设备profile无关。zdo是应用解决方案，驻扎在zigbee协议栈中apl层和aps层之上。zdo的功能有：（1）初始化应用支持子层（aps）、网络层（nwk）、安全服务提供（ssp）以及任何其他zigbee设备而不驻扎在端点1240的终端应用

43、。（2）从终端应用中集合配置消息来确定和执行终端的功能。3 系统硬件部分介绍3.1 总体框图总体的设计分为三大模块，第一块为温度采集模块，用温度传感器来采集出温度，接zigbee的模块。第二块为无线接收发送模块，温度采集后，通过zigbee进行无线数据传输。第三部分，是显示部分，用oled显示屏来最后显示温度。 无线 发送 模块 无线 接收 模块 温度 采集 显示 模块图3.1 总体设计框图fig. 3.1 total design frame diagram3.2 各功能模块硬件介绍3.2.1 无线收发模块介绍3.2.1.1 cc2430主要特征外设cc2430芯片延用了以往cc2420芯片

44、的架构，在单个芯片上整合了zigbee射频(rf)前端、内存和微控制器。它使用1个8位mcu（8051），具有32/64/128 kb可编程闪存和8kb的ram，还包括墨/数转换器（adc）、几个定时器、aes128协同处理器、看门狗定时器、32 khz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程i/o引脚。芯片如图3.2所示。cc2430包括3个8位输入/输出端口，分别为p0、p1、p2。其中，p0和p1分别有8个引脚，p2有5个引脚，共21个数字i/o口引脚。这些引脚都可以作为通用i/o端口，同时通过独立编程还可以作为特殊功能的输入/输出，通过软件设置可以改变引脚的输入

45、/输出硬件状态配置。21个i/o引脚都可以作为外部中断源输入口，因此如果需要，外部设备可以产生中断。外部中断功能也可以唤醒休眠模式。图3.2 cc2430芯片引脚图fig. 3.2 the cc2430 chip leads feet diagram为了提高数据存取的效率，cc2430专门在内存与外设之间开辟了一条专用数据通道。这条数据通道在dma控制器硬件的控制下，直接进行数据交换而不通过8051内核，不用i/o指令。dma控制器可以把外设（如adc、射频收发器）的数据移到内存而不需要cc2430内核的干涉。这样，传输数据速度上限取决于存储器的速度。采用dma方式发送时，由dma控制器向80

46、51内核发送dma请求，内核响应dma请求，这时数据输入/输出完全由dma控制器指挥。cc2430包括4个定时器：1个一般的16位定时器和2个8位定时器，支持典型的定时/计数功能；一个16位mac定时器，用于为ieee802.15.4的csma-ca算法以及ieee802.15.4的mac层提供定时。cc2430的数据加密由一个支持先进的高级加密技术标准aes的协处理器来实现.该协处理器允许加密/解密将使用最小cpu使用率。aes安全协处理器工作在128位。组128位的数据下载到协处理器中加密，须在下一组数据送至协处理器前完成加密.每组数据送至协处理器加密前，须给协处理器一个开始指令。由于ae

47、s协处理器加密的数据都是以128位为一组的，因此当一组数据不足128位的时，必须在后面添加0后才能把数据送至协处理器加密。cc2430的adc支持14位的模/数转换，这跟一般的单片机8位adc不同。这个adc包括一个参考电压发生器、8个独立可配置通道、电压发生器和通过dma模式把转化结果写入内存的控制器。当使用adc时，p0口必须配置成adc输入作为8位adc输入；把p0相应的引脚当作adc输入使用，寄存器adccfc相应位置设置为1。否则寄存器adccfg的各为处始值是0，则不当作adc输入使用。adc完成顺序模/数转换以及把结果送至内存而不需要cpu的干涉。3.2.1.2 cc2430无线

48、收发cc2430的无线接收器是一个低中频接收器。接收到的射频信号通过低噪声放大器放大而正交降频转换到中频。在中频2mhz中，当adc模/数转换时，输入/增益调相信号被过滤和放大。cc2430的数据缓冲区通过“先进先出”的方式来接收128位数据。使用“先进先出”方式读取数据需要通过特殊功能寄存器接口。内存与先进先出缓冲区数据移动使用dma方式来实现。crc校验使用硬件实现。接受信号强度指标（rssi）和相关值添加到帧中。在接受模式中可以用中断来使用清除通道评估（cca）。cc2430的发送器是基于上变频器的。接受数据存放在一个接受先进先出的数据缓冲区内。发送数据帧的前导符和开始符由硬件生成。通过

49、数/模转化把数字信号转换成模拟信号发送出去。cc2430无线部分主要参数如下：频带范围为2.4002.4835ghz。采用ieee802.15.4规范要求的直接序列扩频方式。数据速率达250kbps，碎片速率达2mchip/s。采用o-qpsk调制方式。高接收灵敏度（-94dbm）。抗邻频道干扰能力强（39db）。内部集成有vco、lna、pa以及电源稳压器。采用低电压供电（2.13.6v）。输出功率编程可控。ieee802.15.4mac硬件可支持自动帧可是生成、同步插入与检测、10比特的crc校验、电源检测以及完全自动mac层保护（ctr、cbc-mac和ccm）。3.2.2 数据采集模块

50、介绍tc77内部含有一个13位adc，温度分辨率为0.0625lsb。在正常工作条件下，静态电流为250a(典型值)。其他设备与tc77的通信由spi串行总线或microwire兼容接口实现，该总线可用于连接多个tc77，实现多区域温度监控，配置寄存器config中的shdn位激活低功耗关断模式，此时电流消耗仅为0.1a(典型值)。tc77具有体积小巧、低装配成本和易于操作的特点，是系统热管理的理想选择。3图3.3为tc77的芯片引脚图。图3.3 tc77芯片引脚图fig. 3.3 tc77 chip pin charttc77的串行总线包括片选信号线ce、串行时钟信号线sck及串行数据信号线

51、sio，遵循spi或mi-crowire接口标准协议。在有多个tc77连接到串行时钟和串行数据信号线时，ce用于选择其中的某一个tc77器件，cs为逻辑“0”时，用于写入器件或从器件中读出数据的同步；cs为逻辑“1”时，sck被禁止。cs的下降沿启动器件间的相互通信，cs的上升沿则停止器件间的相互通信。图3.4为tc77与单片机的硬件接口电路。图3.5为tc77的数据输出时序图。图3.4 tc77与单片机硬件接口电路fig. 3.4 hardware interface electric circuit图3.5 tc77时序图 fig. 3.5 tc77 data output timing3

52、.2.3 显示模块介绍 显示模块将采用oled来实现。有机电致发光显示(oled)技术是下一代最有竞争力的平板显示技术。目前, oled的研究重点是提高器件的稳定性、发光效率和高质量动态显示的驱动技术以达到实用化的要求。本设计采用oled显示屏原因是其功耗低、亮度高、尺寸小等优点。4oled模块所用的驱动芯片为ssd1303，给出了一个专用的接口和驱动电路。液晶显示模块与cc2430芯片连接如图3.6所示。图3.6 oled模块接口电路fig. 3.6 oled interface electric circuit4 软件设计 软件设计也同样分了三部分。温度的采集，数据的无线传输以及显示。分各

53、个模块来介绍一下软件的设计思路。本章节只是分别有各个模块的设计流程和软件设计介绍。总的设计流程图见附录一说明。总的程序清单见附录二。4.1 数据发送、接收 数据的发送接收，首先要建立一个网络。只有通信双方建立了网络之后，才可以进行的数据收发5。而建立网络的过程又分为三部分。第一是建立一个新的网络，第二是看是否允许加入网络，最后子设备加入网络。网络建立后，双方设备一方开始发送，一方接受。下面详细介绍这个过程。4.1.1 建立网络设备通过nlme-network-formation.request原语来启动一个新的网络的建立过程。仅仅是具有zigbee协调器能力且当前还没有与网络连接的设备才可以尝

54、试去建立一个新的网络。如果该过程由其他设备开始，则网络层管理实体将终止改过程，并向其上层发出非法请求的报告。该步骤通过发出状态参数为invalid-request的nlme-netwoekformation.confirm原语来完成。建立网络的流程图4.1所示。当建网过程开始后，网络层将首先请求mac层对协议所规定的信道或由物理层所默认的有效信道进行能量检测扫描，以检测可能的干扰。为实现能量检测扫描，设备网络层通过发送扫描类型参数设置为能量检测扫描的mlme-scan.request原语到mac层进行信道能量检测扫描，扫描结果通过mlme-scan.confirm原语返回。当网络层管理实体收到

55、成功的能量检测扫描结果后，将以递增的方式对所测量的能量值进行信道排序，并且抛弃那些能量值超出了可允许能量水平的信道，选择可允许能量水平的信道作进一步处理。此后，网络层管理实体将通过发送mlme-scan.request原语执行主动扫描，其中该原语的scantype参数设置为主动扫描，channellist参数设置为可允许信道的列表，搜索其他的zigbee设备。为了确定用于建立一个新网络的最佳通道，网络层管理实体将检查pan描述符，并且所查找的第一个信道为网络的最小编号。如果网络层管理实体找不到适合的信道，就将终止建网过程，并且向应用层发出启动失败信息，即通过发送参数状态为startup-fai

56、lure的nlme-network-formation.confirm原语向其上层通告。如果网络层管理实体找到了合适的信道，则将为这个新网络选择一个pan标识符。设备将随机选择一个没有在已选择信道里使用。值0x3fff的pan标识符一旦网络层管理实体作出了选择，则它通过发出mlme-set.request原语将这个值写为mac层macpanid属性。如果选择不出唯一的标识符，则网络层管理实体将终止程序，并且通过发送状态参数为startup-failure的nlme-network-formation.confirm原语向上层通告。网络层管理实体一旦选择了一个pan标识符，则将选择一个等于0x0000的16位网络地址，并且设置mac层的macshortaddresspib 属性, 使其等于所选择的网络地址。一旦nwkextendedpanid的值核对pib属性的nwkextendedpanid值。如果这个值是0x0000000000000000,则这个属性以mac常量aextendedaddress初始化。一旦nwkextendedpanid的值核对，网络层管理实体即通过mlme-start.request原语给mac层开始新的pan操作。mlme-start.request原语的参数根据nlme-netw