基于ZigBee自组网络系统的设计11最终版

1、 学校代码 10126 学号 011610324 分 类 号 密级 本科毕业论文（设计） 基于ZigBee自组网络系统的设计 学院、系 电子信息工程系 专业名称 电子信息科学与技术 年 级 2011 学生姓名 指导教师 李树华 2015年 5 月 9日基于ZigBee自组网络系统的设计摘要ZigBee是近几年兴起的的一种短距离通信技术，它的成本低，用途广，相对与互联网成本高且主要用于人与人之间通信交流，ZigBee网络适用的通信对象很多，并不局限于人类之间的交流，所以可以与互联网很好的互补，具有很大的潜力和市场前景。ZigBee有专门的协议标准，而且耗能很低，通信质量很高。在ZigBee技术中

2、，网状网是一种应用前景广阔的网络，因为它的覆盖面较广，而且配置简单，路由的方式也比较灵活，所以ZigBee自组网中，网状网是一种很好的选择。 本文中，主要介绍了基于ZigBee技术的网络，此外，还介绍了这种新技术的特点，使用的协议以及组成部分，背景知识以及在我国ZigBee技术的应用状况， 然后介绍了ZigBee网络的拓扑结构和节点设备，并研究了ZigBee网络的组网过程。本设计在完成过程中使用的硬件核心是CC2530芯片，利用CC2530的I/O端口输出功能实现了LED灯的自动闪烁，设计并完成了由两种网络设备组成的简单传输网络，最后使用该网络完成了光照采集显示实验。关键词：ZigBee，Zi

3、gBee网络，CC2530ZigBee Design System Based on Ad Hoc Network AbstractZigBee is the rise in recent years of a short-range communications technology, its low cost, versatile, relatively high cost and the Internet is mainly used for communication exchanges between people, Many ZigBee network suitable comm

4、unication object is not limited to exchanges between human beings, it can be a good complement to the Internet , it has great potential and market prospects. ZigBee has a special protocol standards, and low energy consumption, high communication quality. In the ZigBee technology, the mesh network is

5、 a promising network applications, because its coverage is wide, and the configuration is simple, the way the route is also more flexible, so ZigBee ad hoc networks, mesh networks is a good choice.In this article, introduces the ZigBee-based network, in addition, also introduced this feature new tec

6、hnology, as well as part of the protocol used, background knowledge and applications of ZigBee technology in our country, then it introduces ZigBee network topology and node equipment, and study the process of networking ZigBee network. The core of the design of the hardware used in the process is c

7、omplete chip CC2530, CC2530 use of I/O port output feature enables automatic blinking LED lights, designed and completed the simple transmission network consisting of two network devices, and finally use the network We completed the acquisition display illumination experiments.Keyword：ZigBee, ZigBee

8、 network,CC2530目录1 绪论11.1 ZigBee研究的背景及意义11.2 ZigBee在国内应用现状及前景12 ZigBee技术及协议规范32.1 ZigBee技术简介32.2 ZigBee协议栈32.2.1认识ZigBee协议栈32.2.2 ZigBee网络中设备43 ZigBee网络组网方案63.1 ZigBee网络拓扑63.2 ZigBee组网流程64 ZigBee网络的系统设计84.1 ZigBee网络的硬件设计84.1.1 ZigBee无线模块94.1.2 电源电路94.1.3 串口电路104.2 开发平台（IAR）简介114.3 LED小灯闪烁实例124.4光照采集

9、实验145 总结15参考文献1616 内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 页 1 绪论1.1 ZigBee研究的背景及意义如今，ZigBee、蓝牙、Wi-Fi、无线USB等无线近距离通讯技术在工业和人们日常生活中发挥着越来越重要的作用，而且相互之间竞争激烈。但相对于其他技术的功耗高和成本高等问题，成本低功耗低等诸多优势的ZigBee技术，在激烈的竞争中脱颖而出。 随着通信、数字以及微电子技术的不断发展，ZigBee技术凭借其体积小，成本小，功耗低的等优点，其研究、发展、应用都引起了人们的关注与重视。ZigBee技术在要求数据的交换量较小，交换信息设备成本低，功耗较低，传输速率不高，需要大量设备

10、组成网络的场合有较大优势，所以ZigBee技术被应用在越来越广阔的领域1。尤其是在近几年越来越热门的物联网领域，ZigBee技术被诸多用户应用在智能感应场景中。例如利用ZigBee模块之间可以通信的原理将ZigBee模块装入电灯中，这样开关灯时就可以实现遥控，真是还能控制灯光的强弱；还有在北京地铁9号线隧道施工过程中的考勤定位系统便采用ZigBee技术取代原来的射频识别（RFID）考勤系统；随着科技的不断发展，ZigBee技术将会像手机、计算机、互联网一样给人们生产生活休闲娱乐带来极大的变化。1.2 ZigBee在国内应用现状及前景目前国内的ZigBee技术应用到了许多地方，而且很多是我们想象

11、不到的 。例如，把ZigBee技术用于人员、车辆进出的记录，可以记录进出人员的指纹等识别数据，也可以对出入的车辆记录，再如，在交通方面，不仅通过ZigBee技术来控制路灯的亮灭，还可以查看路灯工作状态。把路灯接入ZigBee网络之后，工人们通过计算机，就能方便的地监测高速路上路灯的工作情况；随着私家车的激增，城市道路的堵车越来越严重，如果在道路沿线及车上安装ZigBee模块，司机就可以及时了解路况信息，做出最佳出行路线。在智能家居方面，可将ZigBee技术用在家中的门窗上，当主人不在家时进行安全监控，数据可通过互联网发送到主人的手机等设备上。也可在电灯、热水器、空调等家电上安装ZigBee模块

12、，这样用户就可以远程控制这些家电。在未来的几年里ZigBee技术将在军事领域，数字家庭，工业控制，现代农业，医疗设备，医学护理，智能楼宇，消费电子等领域具有极大的潜力，尤其是数字家庭和工业控制领域。在数字家庭和楼宇自动化领域，家庭智能系统以其简单明了的使用方法和廉价的安装成本得以迅速发展，成了驱动智能居家，楼宇自动化开发的主要因素。在工业领域，将ZigBee技术与传感器技术结合，可以提高产品生产数字化程度，有效减少人力的使用，从而降低产品成本。2 ZigBee技术及协议规范2.1 ZigBee技术简介ZigBee是一种可扩展的无线网络技术，其数据传输模块即ZigBee节点可扩展到数万个，他们的

13、功能与联通移动的网络基站有些类似，ZigBee节点之间的通信距离正常可达几十米，但是通过添加路由将网络扩展，其距离最多可达十几公里；此外，如果将ZigBee网络与Internet、电信网等网络结合到一起使用，将会拥有更为强大的功能。比如你能够使用Internet在呼和浩特监控鄂尔多斯市某个地方的某个ZigBee网络。ZigBee网络与电信网不同之处是功能用途方面，电信网主要用于手机通信上网，而ZigBee网络主要用途是和传感器结合在一起进行数据采集；而且，成本也有很大差别，移动基站造价昂贵，而ZigBee模块成本低廉价格便宜。ZigBee 技术的特点数据传输可靠：ZigBee技术采用的传输机制

14、，避免了数据发送时的竞争和冲突，并且发送的数据得不到回应还会重发；节点模块之间可以自主动态组网，整个ZigBee 网络中路由的方式灵活，网络自愈能力高，所以具有很强的可靠性。时延短：通常从睡眠状态转入工作模式只需15毫秒，而且数据收发时间也很短，并且从搜索到节点加入网络仅仅约30毫秒。网络容量大：网络中的节点可多达好几万个。传输速率低：只有10Kbps到250Kbps。成本低：ZigBee技术采用大大简化的通信协议，所以对硬件的要求降低，并且协议是免费协议。功耗低：ZigBee的发射功率很低，两节普通5 号电池可以维持六到二十四个月，省去了经常换电池的烦恼，减少了维护时间。安全性：采用安全性很

15、高的128k加密技术。2.2 ZigBee协议栈2.2.1认识ZigBee协议栈ZigBee协议栈包括应用层(APL)，网络层(NWK)，链路层(LLC)，IEEE802.15.4 物理层(PHY)和IEEE802.15.4媒体接入层(MAC)，如图2.1所示。由图可知，ZigBee协议栈一部分由IEEE802.15.4小组制定，一部分由ZigBee联盟完成，ZigBee联盟负责设计应用层(APL)和网络层(NWK)，其中应用层包含了应用支持子层(APS)、ZDO设备对象和应用层框架(APF)；其余各层由IEEE802.15.4小组设计2。在协议栈中每一层是其上层的服务提供者，同时也是其下层的

16、服务使用者。各层通过服务接入点(SAP)紧密联系在一起。ZigBee协议比其他常见的无线通信协议简单，因此对硬件和软件的要求也比较低：如8位的8051就可满足处理要求；4kb的内存就可满足最小的软件需求，而32kb的内存可满足大多数软件需求。图2.1 ZigBee协议栈体系结构2.2.2 ZigBee网络中设备ZigBee网络中的设备根据功能要求不同分为：协调器、路由器和终端设备，三种设备中最为关键的是协调器，它是ZigBee网络的核心并且一个网络中只允许有一个，它的职责是网络的建立以及相关参数的设置，同时也负责网络的维护3。ZigBee 路由器的功能与Internet中的路由器类似，负责消息

17、的发送或转发，此外，ZigBee路由器还负责网络的扩展。ZigBee 终端设备一般用于数据的采集和发送，采集的数据会通过ZigBee网络发送到其它设备进行分析4。终端设备经常和传感器集成在一起，并且在许多应用场景中它的位置是不断变化的。按照功能是否完整ZigBee网络中的设备还可分为全功能(FFD)和半功(RFD)设备。其中全功能设备可用于协调器、路由器和终端设备，而半功能设备只能作为终端设备使用5。一个FFD设备能够与其它所有设备进行通信，而一个RFD设备只可与一个FFD 进行通信，不能直接与RFD设备通信。3 ZigBee网络组网方案3.1 ZigBee网络拓扑ZigBee协议标准中定义了

18、三种网络拓扑形式，它们分别是星形拓扑、网状拓扑和树形拓扑，如图3.1所示6。三种拓扑中，星形拓扑是最简单的拓扑，它是由协调器和一个或几个终端设备直接相连组成的，像一个星形。因为简单所以组网要求最低，适合于智能家居方面。树形拓扑也是一种应用比较广泛的拓扑结构，树形网络通过路由器来扩展和延伸，节点间信息交换主要在上下节点之间进行，不在同一颗“子树”上的节点之间通信路由路径会变长。半功能设备在树在状拓扑只能是充当“子叶”。网状网络比星型网络和树形网络要复杂，但是有许多优点，因为网状网络中的节点不论是父子节点还是非父子关系的邻居节点之间只要具有路有能力就可以进行通信，并且路由的建立和维护具有较强的自组

19、性，网络具有较强自愈能立和较高的可靠性，因此可以组成具有很大路由深度和很多网络节点的复杂网络7。在工业控制和日常应用中，ZigBee网络中的节点不是固定不变的，经常性的伴有节点的增减，尤其是终端节点，因而ZigBee网络常常是动态的，节点间通行路径和距离也经常变化，因而对网络的可靠性和维护力有了更高的要求，而网状网络的自愈能立和较高的可靠性所以自组网的建立选择网状拓扑。图3.1 ZigBee网络拓扑结构3.2 ZigBee组网流程ZigBee节点组建网络的过程如图3.2所示，首先将一个FFD节点通电激活，这个节点将作为网络的协调器，激活后它会对信道进行扫描，并对扫描中检测到的信道排序，然后选择

20、一个最佳的信道作为它的工作信道并为网络设定唯一的标识PAN ID，标识的设定标志着网络建立成功8。有时为了达到最佳通信效果，协调器节点激活后并不进行信道扫描，而是根据指定的信道进行通信。当有节点加入该网络时，它会在其通信范围内发送加入网络请求，而收到请求的父节点就会做出判断以及相应行为，若父节点允许该节点加入网络，会回复其的请求并为该节点分配一个地址，通过这个过程可以使网络越扩展越庞大复杂9。 3.2节点组网流程图4 ZigBee网络的系统设计4.1 ZigBee网络的硬件设计 在本文中，使用成都感智ZigBee 专业开发系统套件组建网络实现两个ZigBee节点之间的通信，并在一个节点上安装了

21、光敏传感器，该节点会将采集的数据发送到另一个节点并通过仿真器在计算机显示出来。在ZigBee网络中充当协调器节点的是如图4.1所示的连有仿真器的开发板。该开发板包含LCD显示器，小键盘，ZigBee 模块，可调电阻，LED和各种接口。另一个节点是如图4.2所示的ZigBee模块，该节点采用电池供电，并且安装了光敏传感器。 图4.1协调器节点图4.2 ZigBee模块4.1.1 ZigBee无线模块ZigBee 模块采用CC2530芯片作为核心部件。该芯片包含了先进的射频（RF）收发器，增强型8051MCU和8 KB的可编程闪存RAM。该CC2530有四种不同的Flash版本： CC2530F3

22、2/64/128/256与32/64/128/256 KB的快闪记忆体。CC2530主要特点：1. 2.4GHz IEEE 802.15.4 标准的射频收发器；2. 功耗低：主动接收模式（CPU 空闲状态）：24mA；主动发送模式（CPU 空闲状态）：29mA；电源模式1（4uS 唤醒）：0.2mA；模式2（休眠）：1uA；模式3（外部中断）：0.4uA3. 增强型8051 内核，8 输入12位ADC，5通道DMA 处理器，拥有AES协处理器4. CC2530支持最新的ZigBee协议ZigBee 2007/PRO4.1.2 电源电路开发板电源电路无论是使用试验箱的提供的5V电源，还是使用US

23、B 供电，电压都会通过TPS79533低压稳压器转换为3.3V 工作电压；电源部分原理图如图4.2所示。 图4.3 电源原理图4.1.3 串口电路串口电路分为两部分，一部分RS232接口电路，该电路利用SP3223E完成电平的转换，接口电路如图4.3所示。RS232是应用广泛的异步传输标准接口，虽然传输速率低、距离近，一个接口只能接一个外设，但是价格便宜，编程容易。图4.4 RS232原理图另一部分是USB 转串口电路，其作用是将计算机的USB 口通过转换做串口使用，目的是为了方便笔记本用户使用串口调试，该电路采用FT232 芯片完成转换工作，如图4.4所示。图4.5 USB转串口电路4.2

24、开发平台（IAR）简介本论文采用的开发平台是IAR Embedded Workbench（简称EW）。IAR 采用C/C+交叉编译器和调试器，是目前世界上使用人数较多的专业嵌入式应用开发工具，可以为不同的微处理器提供效率高且可靠性高的代码，并且其效果随着编写的代码规模变大会越来越明显。IAR针对不同的芯片提供了不同的优化技术，大大提高了代码的质量，有效减少了代码的冗余，使代码可以在内存更小的处理器上运行，从而减小了开发成本。IAR Embedded Workbench 集成的编译器主要产品特征：1.完全标准C 兼容2.对不同的芯片会有不同的优化方案3.目标特性扩充4.便捷的中断处理和模拟5.内

25、存模式选择6.瓶颈性能分析4.3 LED小灯闪烁实例本例应用CC2530的I/O输出功能控制LED小灯的亮灭，实现开发板上LED红灯亮，绿灯闪烁。实验中需要设置的寄存器有P1DIR，它是P1的方向寄存器，没做其他任何设置而是使用默认值的寄存器有：P1SEL，P1INP。P1SEL 是P1的功能选择寄存器，默认功能就是输出，P1INP 是P1输入模式寄存器，不影响输出，因此不做处理。程序代码如下：#define uint unsigned int#define uchar unsigned char/定义控制灯的端口#define RLED P1_0/定义LED1为P10口控制#define Y

26、LED P1_1/定义LED2为P11口控制/函数声明void Delay(uint);/延时函数void Initial(void);/初始化P1口/*/延时*/void Delay(uint n) uint tt;for(tt = 0;tt<n;tt+);for(tt = 0;tt<n;tt+);for(tt = 0;tt<n;tt+);for(tt = 0;tt<n;tt+);for(tt = 0;tt<n;tt+);/*/初始化程序*/void Initial(void)P1DIR |= 0x03; /P10、P11定义为输出RLED = 1;YLED =

27、 1;/LED灭/*/主函数*/void main(void)Initial();/调用初始化函数RLED = 0;/LED1YLED = 0;/LED2while(1) YLED = !YLED; Delay(320000); 本例的延时程序void Delay(uint n) 通过5次0到n的空循环实现了软件约为5*n/32s的时延，本例n的初始值为320000，延时时间约为50ms，即LED2的亮灭间隔为50ms。4.4光照采集实验本实验用了两个节点组建网络，一个是用图4.1所示的开发板充当的协调器节点，另一个是用图4.2所示的ZigBee模块来作为终端设备的传感器节点。首先给协调器节点即开发板上电，上电后开发板上的ZigBee模块就会经过上文所述的建网过程建立网络，然后再打开另一个节点的电源开关给该节点上电，之后该节点会自动搜索其通信范围内的网络并申请入网，注意：如果在开发板上电之前给传感器节点上电