基于ZigBee技术的智能楼宇监测系统的设计

1、PAGE 毕业设计（论文）基于ZigBee技术的智能楼宇监测系统的设计院 别计算机与通信工程学院专业名称通信工程班级学号4090808学生姓名刘鹏宇指导教师白秋果2013年6月 日 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 PAGE V 页基于ZigBee技术的智能楼宇监测系统的设计摘要摘 要当今智能建筑发展迅速，功能不断丰富，需要越来越多的传感器实现环境的监测。有线传感器网络组成的监测系统布线量大、安装和维护费用高、可靠性差，并且在一些特殊的建筑物中无法布线，已经不能满足需要。无线传感器监测网络系统具有成本低、部署方便、网络可靠性高等特点，相对于有线传感器网络，在楼宇内的环境监测方面具有更好的

2、应用前景，正逐步走向实用。 ZigBee是一种低功耗、短距离、低速率的无线通信新技术，用ZigBee来组建智能楼宇环境监测网络，解决了传统有线网络系统不易扩展、布线难、成本高等问题，为人们提供一个更为智能、舒适、安全的工作生活环境。 本论文讨论的是基于ZigBee技术的智能楼宇管理系统，分析了传统有线传感器网络的优缺点，比较了目前流行的几种短距离无线通信技术，讨论了智能楼宇的特点，在深入研究 ZigBee 协议各个通信协议层的结构与功能的基础上，选择采用 ZigBee 树型网络拓扑模型实现智能楼宇传感器网络系统。 本文使用TI公司的单芯片 CC2430设计并实现了该系统。采用模块化设计，将无线

3、传输模块与数据采集模块分开设计，以方便系统调试和扩展。终端节点通过对温度、光线强度、烟雾进行检测，以达到对突发火灾的即时发现、即时报警，减少财产损失的目的，还可以掌握楼宇中各个房间的温度情况，合理供暖，节约能源。软件方面，根据 ZigBee联盟制定的标准，利用TI公司提供的开源协议栈Z-Stack，在此基础上根据系统具体需求移植和修改协议栈代码，编写了相关应用程序。节点采用阈值触发和休眠机制以节能。该系统实现了树型拓扑网络，具有自动组网，设备动态入网等功能。 经测试，本文的无线节点数据传输可靠，通讯距离满足需求；节点能量消耗少、估算电池使用寿命长，设计实现了能长时间工作的智能楼宇环境监测系统，

4、具有智能化、低成本、低功耗的特点，同时对ZigBee的其它扩展应用具有参考价值。关键词：智能楼宇，ZigBee，环境监测The Design of Intelligent Building Environmental Monitoring System based on ZigBee Technology Author：Liu Pengyu Tutor：Bai QiuguoAbstractNowadays, intelligent buildings is developing rapidly, its increasing functions require more and more se

5、nsors for environmental monitoring. Monitoring system building with wired sensor network has a poor reliability, a large number of wiring, and a high cost, and can not wiring in some places. It can no longer meet the needs. Compared to wired sensor networks, the wireless sensor monitoring network sy

6、stem has low costs, easy installation, and high probability of reliability, It has a better prospect of using in intelligent building environmental monitoring. ZigBee is a new generation of wireless communication technology which has many features such as low power、low rate、short-range and high reli

7、ability and so on. So the design develops a way to build intelligent building environmental monitoring system with ZigBee for providing a more intelligent, more comfortable and more security environment. This paper discusses Intelligent Building Management System based on ZigBee. Under the precondit

8、ion of the application in intelligent building service, this paper firstly analyzes and compares the advantages and disadvantages between traditional wire network and several popular related short-ranged wireless technology standards, and thinks that ZigBee is more suitable for intelligent building

9、system. After deeply analyzing the ZigBee standard including the structure and function of each communication protocol layers, cluster net topology has been chosen to construct the monitoring system. This design uses TI s single-chip CC2430 to realize the function of this system. In order to simplif

10、y the debugging and expansion of this system, the hardware design of this paper is a modular one, thus the system includes wireless transmission module and sensor node module. The sensor node module include temperature sensor, light strengths sensor and smoke senser. In this case, we can detect the

11、unexpected fire and set off the fire alarm immediately, and minimize the fire damage. We can also monitoring every single rooms temperature of the whole building , and distribute the heating energy reasonably. ZigBee protocol is researched and reduced ZigBee protocol stack is modified and planted ba

12、sed on the standards defined by ZigBee Alliance. The energy-saving is achieved by mechanisms of threshold-values trigger and node sleeping. The design realizes the ZigBee cluster-style network, which has lots of functions such as automatically forming network and dynamically joining the network. Fin

13、al hardware test of this system shows that these ZigBee modules have stabilized communication which can meet the needs. The test results indicate that depend ing on low-power nodes this system can meet the requirement of a long time stable working monitoring network system, which is intelligent and

14、costs low, consumes low power. Hope it is helpful for other application Key Words: Intelligent Building, ZigBee, Environmental Monitoring 目 录1 绪 论,11.1 引言1 1.2 无线传感器网络在智能楼宇中的应用12 ZigBee技术3 2.1 ZigBee的发展概况4 2.2 ZigBee协议的体系结构4 2.3 ZigBee协议栈结构5 2.4 ZigBee协议分析63 智能楼宇监测系统的硬件设计7 3.1 系统总体方案设计7 3.2 RF模块电路设计

15、9 3.2.1 天线10 3.2.2 晶振时钟电路11 3.2.3 传感器模块设计11 3.3 安防模块设计12 3.3.1 火灾条件检测模块12 3.4 环境模块设计12 3.4.1 光强度采集传感器节点12 3.4.2 温度传感器节点13 3.5 辅助电路设计14 3.5.1 电源和稳压电路模块14 3.5.2 复位模块15 3.5.3 串口电路164 智能楼宇监测系统的软件设计17 4.1 ZigBee无线软件开发平台174.1.1 EW集成开发环境17 4.1.2 C51RF-3-ZDS 仿真器18 4.2 ZigBee协议栈18 4.3 网络协调器程序设计19 4.4 网络节点程序设

16、计215 结 论236 致 谢247 参考文献25 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 PAGE 26 页1绪论1.1引言楼宇环境监控系统由各类相对独立的子系统构成，主要包括环境监控系统（温度、照明）、火灾防范系统等。系统功能的实现需要获得大量环境数据作为监控基础，现阶段这些数据主要依靠各种功能的传感器获得。随着环境功能的增多，所欲的传感器数量也急剧增加。使用有线传感器组成的监控网络可靠性差、不易扩展、布线量大、安装和维护费用高，并且在某些建筑物中的某些地方无法布线。而无线传感器监控网络具有通信可靠、费用低、安装和维护方便、节点功耗低等优势，相对于有线传感器网络，楼宇内的环境监控方面具有更

17、好的应用前景。ZigBee是一种价格低廉的，低功耗的近距离无线组网通信技术，适用于楼宇环境监控系统设计的条件要求。无线传感器网络系统研究有着巨大的科学意义和应用前景，已经成为当今前沿性的热点研究方向之一，必将成为对21世纪产生巨大影响力的高新技术之一。1.2 无线传感器网络在智能楼宇中的应用随着通信技术、计算机网络技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，无线传感器网络成为当今国内外研究的一大热点。无线传感器网络是由大量的，具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构 成的自组织分布网络系统，能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并具有 控制、监视、计算等功能。无线传感器网络的出现引起了全

18、世界范围的广泛关注，世界各国的科研机构和科研人员对无线传感器网络的研究投入了极大的热情。在近年来，无线传感器网络发展迅速，技术已逐渐成熟。 最早出现无线传感器网络（WSN）应用要追溯到20世纪70年代的一些应用，当时，正值冷战时期的美国在海底战争中为了进一步研究反潜战，每年花1000万美元开发了一套探测上百公里以外的引擎声音的声音监测系统，除海战以外，美国还相应为空军开发了空中预警及控制系统 。这些最早的传感器网络都是把单点对单点的信息采用分级处理结构加以传递并进行处理，功能简单，结构复杂且花费巨大。美国军方开始无线传感器网络技术的研究。 美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行

19、无线传感器网络技术的研发。美国国家自然基金委员会也开设了大量与其相关的项目，并于2003年制定了WSN 研究计划，每年拨款3400万美元支持相关研究项目，并在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心。2005年对网络技术和系统的研究计划中，主要研究下一代高可靠、安全的可扩展的网络、可编程的无线网络及传感器系统的网络特性，资助金额达 4000 万美元。 此外，美国交通部、能源部、美国国家航空航天局也相继启动了相关的研究项目。美国所有著名院校几乎都有研究小组在从事WSN相关技术的研究，加拿大、英国、德 国、芬兰、日本和意大利等国家的研究机构也加入了WSN的研究。加州大学洛杉矶分校、加州大学伯克利

20、分校、麻省理工学院、康奈尔大学、哈佛大学、卡耐基-梅隆大学等 在WSN 研究领域成绩较为突出。国际相关学术会议中对WSN的研讨增多，检索论文数目逐年以较 大幅度增加。美国的Crossbow、Dust Network、Ember、Chips、Intel、Freescale 等公司也开展了WSN的研究工作。日本总务省在2004年3月成立了“泛在传感器网络”调查研究会。韩国信息通信部制订了信息技术“839”战略，其中“3 ”是指IT产业的三大基础设施，即宽带融合网络、泛在传感器网络、下一代互联网协议。 欧盟第6个框架计划将“信息社会技术”作为优先发展领域之一。其中多处涉及对 WSN的研究，启动了EY

21、ES等研究计划。 企业界，欧盟的 Philips、Siemens 、Ericsson、ZMD、France Telecom、Chipcon 等公司； 日本的NEC 、OKI、Sky2leynetworks、世康、欧姆龙等公司都开展了 WSN 的研究。1999 年 9 月，美国著名杂志商业周刊(Business W eek)将其列为21世纪最重要的 21 项技术之一。 自此以后，WSN 便受到了越来越多网络研究者的关注。D.Estrin预见性地指出：WSN是21世纪人类信息研究领域所面临的主要挑战之一。美国自然科学基金委员会于2003年制定了传感器网络研究计划，投资3400万美元支持相关基础理论

22、的研究。进入21世纪后，随着无线通信技术、微芯片制造等技术的进步，WSN的研究在多种应用方面取得了重大进展。2002年10月24日，美国英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。美国Intel公司投资的 Crossbow Technology 将加州大学伯克利分校的科研成果商业化，并负责制造和营销。其Mica系列节点已经得到广泛的应用，这些平台在软硬件上都是公开的，所以成为研究传感器网络最主要的试验平台。2004 年IEEE Spectrum 杂志发表一期专集：传感器的国度，论述 WSN的发展和可能的广泛应用。德国某研究机构正在利用传感器网络技术为足球裁判研制一套辅助系统，以减

23、小足球比赛中越位和进球的误判率。日本、英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。国内在传感器网络系统方面的研究起步较晚，首次正式启动出现于 1999 年中国科学院知识创新工程点领域方向研究的“信息与自动化领域研究报告”中，该领域是五大重点项目之一；2001年中国科学院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，旨在引领中科院WSN的相关工作；2002年，清华大学、北京大学、南京大学、哈尔滨工业大学等高校的研究机构都开始了传感器网络系统研究；国家自然科学基金已经审批了与 WSN相关的一个重点课题和多项课题，2003 年国家自然科学基金作为面上项目资助，上

24、海市科学技术委员会列为 2003 年度第三批重大科研攻关课题。2004 年，将一项无线传感器网络项目(面上传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论)列为重点研究项目，2005 年，将网络传感器中的基础理论和关键技术列入计划。2006 年将水下移动传感器网络的关键技术列为重点研究项目。国家发改委下一代互联网(CNGI)示范工程中，也部署了WSN相关的课题。在一份我国未来20 年预见技术的调查报告中，信息领域 157 项技术课题中有 7 项与传感器网络直接相关。2006 年初发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术定义了 3 个前沿方向，其中 2 个与 WSN 的研究直接相关，即智能

25、感知技术和自组织网络技术。我国2010 年远景规划和“十五”计划中，将 WSN 列为重点发展的产业之一。总体上国内关于无线传感器网络的研究还处于刚刚起步的阶段，大部分工作仍是在针对网络协议的设计仿真和实验阶段，而且国内自行研制的无线智能传感节点较少，都是购买Mote产品进行前期探索，这方面同国外的差距较大。由国内外无线传感器网络的研究现状可见，无线传感器网络系统研究有着巨大的科学意义和应用前景，已经成为当今前沿性的热点研究方向之一，必将成为对 21 世纪产生巨大影响力的高新技术之一。2 ZigBee技术2.1 ZigBee发展概况ZigBee 是由ZigBee联盟开发的一种低成本、低功耗、双向

26、近距离无线通信标准，传感器网络平台提供了一种互连互通的平台。ZigBee 协议包括两部分的内容：其一是IEEE其一是IEEE发布的IEEE 802.15.4 标准；其二是由ZigBee联盟发布的ZigBee规范。其寓意为蜜蜂(Bee)通过zigzag的路径形状在发现花粉后进行交换的动作，实际上指的是一种简捷的交换信息的方式。ZigBee 技术自问世以来就倍受青睐，各大芯片公司都推出了自己的解决方案在硬件方面、软件方面以及开发平台上都取得了长足的发展。ZigBee 主要用于短距离的无线连接，在这方面具有如下诸多优点： 1）数据传输速率低：ZigBee 专注于低速率传输应用，速率控制在 10KB/

27、s250KB/s； 2 ）功耗低：在使用电池供电的情况下，设备可以运行数月至数年； 3 ）时延短：ZigBee 技术专门针对时延做了优化，如搜索设备时延只有 30ms ； 4 ）网络容量大：ZigBee 网络能够包含的网络节点数，理论上达到了65535 ；在实际应用中，能够支持数百至上千个节点；5 ）可靠性高：物理层(PHY)采用了直接序列展频技术，使用化整为零方式，将一个讯号分为多个讯号，再经由编码方式传送讯号避免干扰，媒体访问控制层(MAC)沿用 802.11 系列标准中的 CSMA/CA 方式，避免数据传输碰撞，并提高系统兼容性； 6 ）成本低：ZigBee 协议免收专利费，极大降低了开

28、发成本。 2.2 ZigBee 协议的体系结构ZigBee 协议使用 IEEE 802.15.4 标准作为介质访问层 （MAC ）和物理层 （PHY ）的规范。IEEE 802.15.4 总共定义了 3 个工作频带：2.4GHz，915MHz，868MHz。每个频带提供固定数量的信道。例如，2.4GHz 频带总共提供 16 个信道 （信道 11-26 ）、9l5MHz 频带提 10个信道 （信道 1- 10），而 868MHz 频带提供 1 个信道 （信道 0 ）。IEEE 802.15.4 标准是针对于 低速无线个人区域网(Low-rate Wireless Personal Area Ne

29、twork)，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低速互连提供统一的标准。IEEE 802.15.4 标准定义的 LR-WPAN 网络具有如下特点： 1）在不同的载波频率下实现 20kbps 、40kbps 和 250kbps 三种不同的传输速率； 2）支持星型、簇型和网络型三种拓扑结构； 3）有 16 位和 64 位两种地址格式。64 位地址是全球唯一的扩展地址，而 16 位地址是网内通信短地址； 4）支持冲突避免的载波多路侦听技术5）支持确认的(ACK)机制，保证传输的可靠性。IEEE 802.15.4MAC 数据包的最大长度为 127 字节。

30、每个数据包都由头字节和 16 位 CRC值组成。16 位 CRC 值验证帧的完整性。此外，IEEE 802.15.4 还可以选择使用应答数据传输机制。使用这种方法，所有 ACK 标识位置 1 的帧均会被它们的接收器应答。这就可以确定帧实际上己经被传递了。如果发送帧的时候置位了 ACK 标识位，但是在一定的超时期限内没有收到应答，发送器将重复进行固定次数的发送，如仍无应答就宣布发生错误。非常重要的是接收到应答仅仅表示帧被 MAC 层正确接收，而不表示帧被正确处理。接收节点的 MAC 层可能正确地接收并应答了一个帧，但是由于缺乏处理资源，该帧可能被上层丢弃。因此，很多上层和应用程序要求其他的应答响

31、应。2.3 ZigBee 协议栈结构 ZigBee 无线网络的实现，是建立在 ZigBee 协议栈的基础上的。ZigBee 协议栈是建立在OSI （Open System Interconnect, 开放系统互联）基本参考模型的基础上的，是 OSI 七层模型的精简网络模型。IEEE 802.15.4 定义了最低两层：物理层和 MAC 层，位于最低层，且与硬件相关；ZigBee 联盟在此基础上定义了网络层(NWK)和应用层(APL)，建立在 PHY 和 MAC 层之上，并且完全与硬件无关。分层的结构脉络清晰、一目了然，给设计和调试带来极大的方便。IEEE802.15.4 标准是针对低速无线个人局

32、域网，由 IEEE802 标准委员会制定并在 2003年公布的。该标准只定义了物理层和媒体访问控制层的无线网络规范，并没有对其他的层作出规定。但这些规定不局限在物理层和 MAC 层的协议功能和相互作用，还包括最低的硬件要求，如接收机的灵敏度和发射器输出功率等。ZigBee 标准使用 IEEE802.15.4的物理层和MAC 层协议作为 ZigBee 协议栈的一部分，并自己定义了网络层、应用层和安全协议，因此任何 ZigBee 设备和 IEEE 标准都是兼容的。2.4 ZigBee 协议分析物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，还提供物理层管理服务和物理层数据服务。物理层管理服务维护一

33、个由物理层相关数据组成的数据库，物理层数据服务从无线物理信道上收发数据。物理层是最接近硬件的层，可以直接控制无线收发器并通信。物理层主要负责下列事件：1）启动和关闭无线收发器； 2）选择信道频率； 3）通过物理媒体发送和接收数据； 4）进行能量检测，评估所选信道的频带内信号的能量，以确认信道是否为空，能否发送数据； 5）生成LQI，来指示收到的数据包的质量； 6）清除信道评估。MAC 层协类似于物理层，MAC 层也提供了管理服务和数据服务。MAC 层主要负责以下几项功能： 1) 生成并发送信标帧（如果该设备是一个网络协调器）； 2) 将设备与信标同步； 3) 使用 CSMA-CA 机制访问信道

34、； 4) 管理时槽保障信道访问； 5) 为两个不同设备中对等的MAC 实体提供可靠连接； 6) 支持 PAN 网络的关联和取消关联操作； 7) 提供安全支持，MAC 有自己的安全进程，但使用的安全级别是由上层协议规定的。 网络层提供数据和管理两种服务，网络层有自己的参数和常量，所有的常量都以 nwkc 开头，所有的参数都以nwk 开头并存储在网络层信息库中。应用层可以通过 NLME-GET 和 NLME-SET 原语分别对网络层参数进行读写操作。网络层的功能主要有： 1）配置一个新的设备，可将其配置为网络协调器，也可尝试加入现有的网络； 2）启动一个新的网络； 3）加入和离开网络； 4）应用网

35、络层安全； 5）发现和维护设备之间的路线； 6）发现单跳邻居并存储相关信息，单跳邻居是不需要通过中继服务就能直接通信的设备； 7）为加入网络的设备分配地址，ZigBee 的终端节点(RFD)无此功能。 应用层是 ZigBee 协议栈的最高层，由三部分组成：应用程序支持 (APS)子层、ZigBee 设备对象(ZDO)和应用层架构，APS 的主要功能有： 1）维持绑定表； 2）在绑定设备之间传输信息； 3）管理群地址； 4）把IEEE的64位地址映射为16位的网络地址或其逆向映射； 5）支持可靠的数据传输。3智能楼宇监测系统的硬件设计 3.1系统总体设计方案本文设计的楼宇监测网络采用树型网络拓扑

36、， 主要由协调器、少量路由器和若干个终端 节点组成，具体网络结构如下图 3.1 所示。其中协调器是网络的核心，由它主导网络的建立， 监督网络的正常运行，它配置较多的存储空间，完成网络初始化、数据采集、设备控制等功能；与 PC 机相连，通过 PC 机串口来保存和显示相应信息。 其余节点则都是功能不同的传感器节点，负责采集各种环境参数，并将采集到的数据发 送给协调器。该系统的传感器节点主要包括防盗监测模块节点、火灾条件监测模块、人体红外监测模块等，终端节点只能与协调器或路 由器进行通信，相互之间不能直接通信，但可以实现间接通信 图3.1 ZigBee 无线网络框图该系统遵循以下设计原则： 1）独立

37、组网。ZigBee技术采用自组织网络，系统具有独立组网的能力，即网络的布设 无需依赖于任何预先架构的网络设施。作为协调器的节点，上电后就能够快速、自动地组成 一个独立的网络。而节点上电后，会发出关联请求，查找网络，若能收到关联响应，则就能 与发送关联响应的节点取得关联，而加入网络。网络形成后，任意节点的故障不会影响整个网络的运行。 2）低功耗。工作模式情况下，ZigBee的传输速率低，传输数据量很小，因而信号的收发时间很短；在非工作模式，ZigBee节点处于休眠模式，使得ZigBee节点非常省电，其电池工作时间可以长达6个月到2年左右。 3）高度扩充性。一个ZigBee的星型网络最多可以包括有

38、255 个ZigBee网络节点，其中一个是网络协调器，也即是一个MASTER设备，其余都是SLAVE设备。若是通过网络路由器，则整体网络最多可以达到65535个 ZigBee 网络节点。 4）高可靠性。LR-WPAN网络采用CSMA-CA机制、帧确认机制和帧校验机制来保证数 据传送的鲁棒性。3.2 RF 模块电路设计 ZigBee技术的飞速发展，现在市场上可应用于ZigBee技术的无线收发芯片及SOC种类非常多，因此选择正确的RF芯片在射频模块的设计中至关重要，正确选择可以减小开发难度，缩短开发周期，降低成本，更快地将产品推向应用。选择RF芯片时主要考虑以下几点因素： 1) 收发芯片所需的外围

39、元件数量。芯片外围元件的数量直接决定产品成本，开发的难易程度以及是否便于调试，因此应该选择集成度高，所需外围元件少的收发芯片。有些 RF 芯片虽然比较便宜，但外围元件使用很多昂贵的元件如变容管以及声表滤波器等；有些 RF 芯片收发分别需要两根天线，这些都会加大成本。 2) 功耗。大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的，因此功耗也非常重要，应该根据需要选择综合功耗较小的产品。 3) 发射功率。在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率较高的产品。 4) 收发芯片的封装和管脚数。较少的管脚以及较小的封装，有利于减少PCB面积，适合便携式产品的设计，也有利于开发和生产。 5) 配套开

40、发平台，以及芯片公司的技术支持；技术支持服务越好，越能降低我们研发的难度。 现在市场上的 ZigBee 解决方案种类很多，但归结起来就两种，一种就是 MCU+RF 芯片方案，比如，Freescale 公司推出的 MC1319X 系列射频芯片加上 HC08 系列单机的组合方案，Microchip 公司提供的 PIC 系列单片机加上 CC2420 射频芯片的方案；另外一种就是 SOC 方案，比如，TI 公司 SoC 解决方案 CC2430，Ember SOC 解决方案 EM250 等。 结合以上分析的 5 点选型标准，再考虑到智能楼宇传感器网络的低功耗、微型化的应用要求，我们最终选择了 TI 公司

41、的 SOC 解决方案 CC2430 芯片外加 CC2591 功放。众所周知，采用 SOC(System On Chip ，片上系统)可以节省整个系统的成本，提高系统的性能。ZigBee SOC另一个重要特点就是RF 收发器可以有效地与MCU 融为一体，大大简化了其外围电路的设计，这一点使得其开发大大易于使用两颗独立芯片的解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以 ZigBee 协议为基础的应用，很好满足了低成本、低功耗的要求。3.2.1天线 这里特别强调的是天线部分的匹配电路设计，匹配电路设计的成功与否直接影响到发射距离。因为 ZigBee 工作在 2.4GHz 的频段，需要考虑电磁兼容、天线

42、长度与放置等因素，因此需要一定的 PCB 布线经验。我们采用了两种方案，陶瓷天线和低成本的小型 PCB 环形天线，环形天线是印制在电路板上的导线，通过它来感应空中电波，发送接收信息。 CC2430工作于发送/接收所采用的是差分传送方式，最佳匹配负载为（ 95 j 187 ）O ， 对阻抗的匹配应考虑以此值在相应的频率上进行调整，如果使用单端天线则需要使用平衡/非平衡转换电路，以达到更好的收发效果，模块中均有考虑，当对传输距离要求不高时可以采用倒 F 型（IFA）PCB 天线，当需要较高传输距离要求时则可采用单端天线47 。倒 F 型天线的具体规格尺寸如图3.2图3.2 倒F天线尺寸图3.2.2

43、晶振时钟电路CC2430工作时需要提供外加的 32M参考时钟，作为射频基准源，其频率稳定度K 40ppm ，我们采用外接 32M晶振和起振电容的通用方式，在本设计中负载电容取值为 33pF，配合CC2430 内部的振荡器即可产生32M 的参考晶振信号，系统上电后，就可以产生32M 起振信号。在调试时值得注意的是，当系统第一次上电，并未开启 CC2430 的RF 模块， 32M 晶振并不起振，而是用内部 16M 晶振工作。 3.2.3传感器模块设计网络中分布着众多功能不同的传感器数据采集模块，按具体功能不同主要分为环境设备 节点(温度、光线强度等传感器节点)和安防设备节点(火灾条件监测模块等)

44、。这些传感器节点负责监视周围一定范围内的环境，接收信号，并进行数据处理和通信。如下图 3.3示，我们将传感器节点模块设计成 2 部分电路，CC2430收发模块(上节已详细介绍)和传感器监测模块(本节具体介绍)，它们之间以排针的形式插连在一起。这样既节约了研发阶段的成本，又便于调试各个模块，只需一个 功能完全的 CC2430 模块就可以调试所有的传感器监测模块。 图3.3传感器节点模块原理框图 3.3安防模块设计在容易出现警情的范围内布置火灾条件监测模块节点。3.3.1火灾条件监测模块很多造成重大危害的火灾往往都是由微小的火源引起的，如果我们能及时监测到微小的火源，并能及时做出相应的处理，往往能

45、达到“防患于未然”的效果，火灾条件监测模块正是为了实现这样的要求。如下图3.4为火灾条件监测模块原理框图，当火灾发生时，火源周围的环境参数会发生相应的变化，比如温度、烟雾浓度都会有明显的升高，火灾条件监测模块的原理正是利用温度传感器和烟雾传感器监测环境中的温度及烟雾浓度的变化，以确定是否有火灾发生。当CC2430模块采集到这些值的变化超出我们的预设值，就会将数据发送到协调器，及时进行报警。温度传感器选用 Dallas 公司的 DS18B20，操作简单，只需一个 IO口就可以完成对DS18B20的读写；烟雾传感器选用的是集成模块离子烟雾传感器 SC0069，是“气电”型气敏传感器，当有一定量烟雾

46、进入该传感器时，传感器输出电压会相应发生明显的变化。图3.4防火监测模块原理框图3.4环境模块设计其它设备节点主要是指网络中的温度、湿度以及光强传感器节点，采集环境参数。3.4.1光强度采集传感器节点在对电灯的自动控制上，我们可以先通过光强度采集传感器模块测试环境中光线强度， 该模块会先对环境光强进行采集，再与预设光强值进行对比，若采集到的光强值大于预设参考值，则会自动关闭点亮着的电灯，反之，则点亮电灯。选用低成本的光敏电阻来实现光强度采集传感器节点。光敏电阻是一种光电导器件，具有光电导效应，即其组成材料（或器件）在受到光辐射以后，它的电导率会发生变化，从而引起其电阻值发生相应的变化。入射光变

47、强，电阻变小；入射光变弱，电阻变大。通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它爱到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子 空穴对，参与导电，使电路中电流增强。本设计中采用 JunYe 公司硫化镉型光敏电阻 JY5516，是一种光电导器件，具有光电导效应，即其组成材料（或器件）在受到光辐射以后，它的电导率会发生变化，从而引起其电阻值发生相应的变化。入射光变强，电阻变小；入射光变弱，电阻变大。JY5516 典型参数如表3.1表3.1 JY5516 参数表3.4.2温度传感器节点温度传感器节点采用 Dallas 公司推出的 DS18B20 数字式温度传感器，适合于恶劣环境的现场温

48、度测量。只需单线接口，电路简单不需要外部元件，图 3.6 DS18B20的电路原理图。DS18B20的封装有3脚、6脚和8脚三种方式。本次设计中选用的是 3 引脚方式（TO-92封装），如图 3.5所示。其中DQ为数字信号输入/输出端，GND 为电源地，VCC 为外接供电电源输入端（以寄生供电方式时接地）。系统把DQ端连接到 CC2430 的 P0.0口，通过对DS18B20的初始化，温度转换和读取等指令来测量楼宇环境温度。图3.5 DS18B20 的 TO-92 封装图图3.6 DS18B20 的电路原理图3.5辅助电路设计辅助电路不实现具体的数据发送和接收等的通信和处理功能，但却是维持板子

49、的正常工作必不可少的部分。3.5.1电源和稳压电路模块 协调器节点采用两种方式供电：一是通过外部的直流稳压电源 （AC-DC Adaptor）供电， 供电电源为 5V 直流电源；二是通过 PC 机的 USB 接口电源提供 5V 直流电源；节点采用第三种方式，即通过两节 5 号电池串联，提供 3V 直流电压给板子供电。 协调器节点的电源部分，采用双接入方式，既可使用外部直流稳压电源，又可使用 USB 接口提供电源。电源模块如图3.7示。图3.7路由器电源模块原理图由上图可知，直流电源插座通过二极管连接到电源开关，另一路5V电源来自于PC 机USB接口，也通过二极管连接到开关，这样解决了双电源接入

50、的冲突问题。电源开关连接后，5V直流电压首先通过发光二级管LED1 ，指示电源导通。然后经过滤波电容到达 LDO（Low Drop Out Linear Voltage Regulators，低压降线性稳压器）芯片 TPS79933 ，LDO将5V的直流电压转化为稳定的3.3V直流电压输出，给整个的板子供电。LDO 芯片 TPS79933的输入端IN接一个0.1uF的电容，能够提高瞬态响应和噪声抑制，输出端OUT接有一个0.1uF的电容用于维持输出电压的稳定性，4脚NR端的 0.01uF电容则对于滤除电源中的噪声具有重要的作用。节点的电源部分则比较简单，直接采用两节5号电池供电。3.5.2复位

51、模块协调器节点和节点节点都有复位电路。此处有两种复位方式：一是用专门的复位芯片，本系统采样MAX6326-2248低功耗的复位芯片，芯片工作电流为0.5uA，符合系统低功耗的特性，用了复位芯片，节点每次上电后，就会复位；二是按键复位，按下SW1键，复位电路就会产生一个低电平。复位电路产生的低电平输入到CC2430 的一个复位引脚，执行一系列的硬件初始化操作。复位操作包括： 1）I/O 引脚配置为输入上拉； 2）CPU程序指针赋值为0 x0000并且程序从此地址开始执行； 3）所有的外设寄存器初始化为复位值； 4）看门狗定时器禁止。 复位模块如图 3.8所示图3.8复位模块3.5.3串口电路协调

52、器和PC机通信使用串口通信。PC机通过串口向协调器发送控制信息，协调器向PC通过串口反馈自己的状态。因为CC2430支持串口 UART （Universal Asynchronous Receiver Transmitter）功能，所以可以使用串口和 PC 机实现交互通信。由于CC2430 使用的是 TTL 电平，它是以电平的高低来表示逻辑状态，而串行通信中一般使用的是RS-232 通信协议，它用正负电压来表示逻辑状态，二者的电平不同，需要外接接口进行电平匹配。串口模块的电路如图 3.9所示。图3.9串口模块电路串口模块电路主要是SP3232ECY电平转换芯片和 DB9F 插座组成。SP323

53、2ECY 工作电源为3V到5.5V，这里采用3.3V，T1OUT引脚是RS-232驱动输出，R1IN引脚是RS-232接收输入，R1OUT是TTL/CMOS输出，T1IN是TTL/CMOS是输入。而 DB9 硬件设计的时候，只是使用到了3根最主要的线：一根地线，一根数据输入，一根数据输出，对应图中的5，3，2号线。4 智能楼宇监测系统的软件设计软件设计是实现基于 ZigBee 的智能楼宇监测系统的重要组成部分。整个系统的软件开发是建立在 TI 公司 Z-Stcak 的基础上进行的。本章节首先介绍了 TI 公司推出的Z-stack 的开发环境及其协议栈的实现；在此基础上详细介绍了网络协调器的程序

54、设计以及传感器节点的控制程序和无线收发程序。4.1 ZigBee 无线软件开发平台4.1.1 EW 集成开发环境本系统软件设计选用的开发平台是 IAR 集成开发平台。IAR Embedded orkbench(简称EW)的 C/C+交叉编译器和调试器是当今世界最完整的和最容易使用的专业嵌入式应用开发工具。EW 对不同的微处理器提供了一样直观的用户界面。EW 今天已经支持 35 种以上的 8 位、16 位、32 位 ARM 的微处理器结构。 EW包括嵌入式 C/C+优化编译器、汇编器、连接定位器、库管理员、编辑器、项目管理器和 C-SPY 调试器。使用 IAR 的编译器能生成最优化、最紧凑的代码

55、，使用 IAR Embedded Workbench 4.10b 版，生成的代码大小远远小于其他同类编译器生成的代码大小，大约缩小了10%的代码空间，从而节省硬件资源，最大限度地降低产品成本，提高产品竞争力。 4.1.2 C51RF-3-ZDS 仿真器C51RF-3-ZDS仿真器是ZigBee系统开发的核心，具有在线下载、调试、仿真等功能。 C51RF-3-ZDS仿真器具有以下特点： 1) 通过 USB 接口与计算机连接，支持在线下载、调试、仿真，更加简单、快捷。 2) 高速代码下载。C51RF-3-ZDS仿真器提供高达129kb/s的下载速度，把程序下载到CC2430的flash只需要几秒。

56、 3) 硬件断点调试。类似JTAG的硬件断点调试，可实现单步、变量(寄存器)观察等全部C51源代码水平的在线调试功能。 4) 支持IAR的C51编译、调试图形IDE开发平台。 4.2 ZigBee 协议栈TI/Chipcon 公司在IEEE 802.15.4标准和ZigBee联盟所推出的ZigBee2006规范的基础上，发布了全功能的ZigBee2006协议栈，并通过了ZigBee联盟的认证。该协议栈全部用C语言编写，免费提供给用户，同时向后兼容。在协议栈内部嵌入了一个操作系统，用于对任务进行统一的调度。对于用户而言，只需要在应用层进行一些设计和改动，即可实现数据的发送、接收以及网络组建功能，

57、构建功能完善、性能稳定的 ZigBee 无线网络。进行程序设计时，首先在协议栈应用层程序中添加相应的任务，然后运行任务即可处理。ZigBee2006协议栈的main 函数流程如图4.1所示。图4.1 main 函数流程图OSAL 层初始化时，通过 osal_init_system 函数中的 sosalAddTasks 函数提供任务列表，向实时操作系统中添加用户所需要的任务。在该函数中，TI 公司已经添加了一些任务，如硬件应用层初始化及处理函数、网络层初始化及处理函数、应用层初始化及处理函数等。在 ZigBee2006 全功能协议栈中，网络连接方式的选择可通过在 nwk_globals.c和 n

58、wk_globals.h 中对 STACK_PROFILE_ID 的设置来实现。STACK_PROFILE_ID 有 3 种量，分别对应着星型拓扑、网型拓扑和树型拓扑网络。 ZigBee2006 协议栈支持 5 级路由深度，每个路由器最多可连接20 个节点(最多包括 6 个路由器节点，14 个终端节点)，完全能够满足本设计的需要。 4.3 网络协调器程序设计网络协调器负责网络的配置和管理，另一方面还接受各传感器节点发来的数据，将其汇合整理后传给计算机。该部分软件主要包括设备初始化、节点加入网络、无线数据收发和处理等程序。程序主流程图如图 4.2 所示图4.2 协调器程序流程图协调器将扫描所有被

59、 ZCD_NV_CHANLIST参数指定的通道和选择一个最少能量的通道。如果有两个及以上的最小能量通道，协调器就选择在 ZB 网络中存在的序号最小的通道。 协调器将选择用 ZCD_NV_PANID参数指定的网络 ID 。路由器和终端设备将扫描用ZCD_NV_CHANLIST配置参数制定的通道和试图发现ID为 ZCD_NV_PANID参数指定的网络。在网络中启动设备，协调器、路由器、终端设备可以用 ZDO_StartDevice 函数启动，启动之后，设备根据自身的类型去建立或发现和加入网络。ZDO_StartDevice 函数完整形式：void ZDO_StartDevice ( byte logicalType, devStartModes_t startMode, byte beaconOrder, byte superframeOrder );4.4 网络节点程序设计传感器节点负责监视一定范围内的环境，接收信号，并进行数据处理和通信。其软件