基于zigbee的温湿度传感器设计本科毕业设计(编辑修改稿)

基于zigbee的温湿度传感器设计本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

化，通过节点间的协同工作来产生需要的输出。 由于在工作的过程中无需人为干预，因此，网络节点这种根据感知的信息协同工作的方式体现了系统的智能性。 无线传感器网络系统的超大规模、资源严格受限和与物理世界密切相关等特点使其需要一种新的工作模式。 在无线传感器网络系统中，单个节点并不重 要，我们关心的是群体行为。 用户需要知道当前地下室的平均温度而不是地下室某点的温度，并且不关心是哪个节点传回的信息，或者他需要知道当前地下室的温度是否超过了预警值。 这些例子都说明无线传感器网络系统是以数据为中心的。 由于与物理世界密切相关，其高出错频率、易受干扰和不确定的特点使传统的分布式系统解决方案无法适用，需要为其设计新的工作模式 【 4】。 研究内容 本文的设计目标是通过一个协调器和若干个路由器和终端节点 ,搭建一个蔟型的ZigBee 网络，其中采用的 ZigBee 协议软件基于 与 标准自行开发，达到测量环境温湿度的要求。 本文的主要工作如下： （ 1） 分析 和 ZigBee 协议，理解 ZigBee 技术的特性和通信原理，详细分析 ZigBee 协议栈构架，并能设计编写具有基本组网，数据传输等功能的协议栈。 （ 2）根据节点的物理特性，选择合适的微处理器和无线传输芯片，组建无 线传感器网络节点，包括电路连接，相应外围电路设计，射频电路设计 ,温湿度 传感器节点的设计等。 （ 3）测温湿度软件、仿真过程的叙述及整个网络的测试，能完成预期设定的功能并能达到预定的性能指标。 宁夏大学新华学院本科学位论文 5 论文结构 本文主要研究了无线传感网络的特点、结构，分析了 ZigBee 协议的架构，各层规范及数据格式，在此基础上使用 CC2530 微控制器以及温湿度传感器等外围模块搭建节点，设计与实现了在此硬件基础之上的 ZigBee 协议栈，并进行了相关的测试，各章安排如下： 第一章（即本章）介绍了无线传感器网络的概念、特点、国内外发展概况。 第二章介绍了 ZigBee 协议的基本构架，分析了物理层、数据链路层、网络层及应用层的功能、规范、数据格式等。 第三章设计了网络系统的硬件平台，重点进行节点的硬件设计，包括器件的选择、节点的结构设计以及硬件电路设计。 第四章无线传感器网络通信系统的软件设计，实现了无线传感器网络系统的基本组网和数据采集以 ,包括程序的基本流程，所用函数的编写。 第五章对本文进行了总结。 本章小结 本章主要介绍了无线传感器网络的概念、特点、国内外发展概况、同时对本文将要采用的 ZigBee 技术做了简要介绍，然后对本文所做的研究工作和论文结构进行了介绍。 宁夏大学新华学院本科学位论文 6 第 2 章 ZigBee 协议标准介绍 ZigBee 技术是最近发展起来的一种近距离无线通信技术，以 为主要频段， 采用扩频技术，具有低功耗、成本低、易应用等显著特点， ZigBee 被业界认为是最有可能应用在智能家居、工业应用、智能交通、智能建筑、医院监护等领域的无线技术。 ZigBee 技术概述 ZigBee 主要特性 ZigBee 显著的特点就是低速率、低功耗、低成本、自配置和灵活的网络拓扑结构。 （ 1） 低功耗：在低耗电待机模式下， 2 节 5 号干电池可支持 1 个节点工作 6～ 24 个月、甚至更长。 这是 ZigBee 的突出优势，相比较，蓝牙能工作数周、 WiFi 可工作数小时。 （ 2） 低成本：通过大幅简化协议 (不到蓝牙的 1/10)，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以 8051 的 8 位微控制器测算，全功能的主节点需要 32KB 代码，子功能节点少至 4KB 代码，而且 ZigBee 免协议专利费，每块芯片的价格大约为 2 美元。 （ 3） 低速率： ZigBee 工作在 20～ 250kbps 的较低速率，分别提供 250kbps()、40kbps（ 915MHz)和 20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。 （ 4） 近距离：传输范围一般介于 10～ 100m 之间，在增加 RF 发射功率后，亦可增加到 1～ 3km，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。 （ 5） 短时延： ZigBee 的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需 15ms，节点连接进入网络只需 30ms，进一步节省了电能。 相比较，蓝牙需要 3～ 10s、 WiFi 需要 3s。 （ 6） 高容量： ZigBee 可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理 254 个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成 65000 个节点的大网。 （ 7） 高安全： ZigBee 提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控 制清单 (ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准 (AES128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。 （ 8） 免执照频段：采用直接序列扩频在工业科学医疗 (ISM)频段 (全球 )、915MHz(美国 )和 868MHz(欧洲 )。 ZigBee 网络拓扑结构 ZigBee 协议主要采用了二种组网方式：星状网和网状网，网络拓扑结构如图 21 所示 ： 宁夏大学新华学院本科学位论文 7 图 21 ZigBee二种拓扑结构 在星状网中，以 PAN 协调器为中心，所有设备只能与中心设备 PAN 协调器进行通信，终端设备之间的通信通过 PAN 协调器的 转发来完成，因此在星型网络的形成过程中，第一步就是建立 PAN 协调器。 任何一个 FFD 设备都有成为 PAN 协调器的可能，一个网络如何确定自己的 PAN 协调器由上层协议决定。 在这种网络中， PAN 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。 星型网络适合家庭自动化、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。 在网状网中，无线传感器网络的网络拓扑结构中，最复杂的拓扑结构也是最终实现的目 标 是网 状 网络 (MeshNetwork)。 在 这种 结构 中 ，节 点与 节 点之 间的 结 构 是“ — ”结构。 这种结构无线网络连成一张网，网络非常健壮，伸缩性好，在个别链路和终端节点发生失效时，不会引起网络分立。 可以同时通过多条路由通道传输数据，传输可靠性非常高。 在上述的网络拓扑结构中，网络的形成和维护都是通过设备之间的通信而自动实现，不需要人工来干预。 ZigBee 网络工作模式 ZigBee 网络的工作模式可以分为信标（ Beacon）和非信标 (NonBeacon)两种模式 ，信标模式实现了网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度的功耗节省，而非信标模式则只允许终端设备进行周期性休 眠，协调器和所有路由设备必须长期处于工作状态。 信标模式下，协调器负责以一定的间隔时间 (一般在 15ms～ 4mins 之间 )向网络广播信标帧，两个信标帧发送间隔之间有 16 个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两个部分，消息只能在网络活动区的各时槽内发送。 非信标模式下， ZigBee 标准采用父节点为终端设备子节点缓存数据，终端设备主动向其父节点提取数据的机制，实现终宁夏大学新华学院本科学位论文 8 端设备的周期性 (周期可设置 )休眠。 网络中所有父节点需为自己的终端设备子节点缓存数据帧，所有终端设备子节点的大多数时间都处于休眠模式 ,周期性的醒 来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要 15ms【 5】。 ZigBee 协议架构 ZigBee 的协议架构是建立在 标准基础之上的， 标准规定了 ZigBee 的物理层（ PHY）和介质访问控制层（ MAC）； ZigBee 联盟则定义了 ZigBee 协议的网络层（ NWK）、应用层（ APL）和安全服务规范， ZigBee 协议栈的结构如图 22 所示 ： 应 用 层 （ A P L ）应 用 对 象应 用 支 持 子 层 （ A P S ）Z D O 管 理( 网 络 层 N W K ) 安 全 服 务 提 供 层 （ S S P ）介 质 访 问 控 制 层 （ M A G ）P H Y 层 _ 8 6 8 / 9 1 5 M H z物 理 层 ( P H Y ) 2 4 5 0 M H z 图 22 ZigBee协议栈的体 系结构模型图 ZigBee 协议栈的每层为其上一层提供一套服务功能：数据实体提供数据传输服务，管理实体提供其他的服务。 每个服务实体和上层之间的接口称作“服务访问点（ SAP）”，通过 SAP 交换一组服务原语为上层提供相关的服务功能。 物理层提供两类服务：物理层数据服务和物理层管理服务。 PHY 层功包括无线收发信机的开启和关闭、能量检测（ ED）、链路质量指示（ LQI）、信道评估（ CCA）和通过物理媒体收发数据包。 媒体访问控制层（ MAC）层提供 MAC 层数据服务和 MAC 层管理服务，其主要功能包括采用 CSMA/CA 进行信 道访问控制、信标帧发送、同步服务和提供 MAC 层可靠传输机制。 网络层提供设备加入 /退出网络的机制、帧安全机制、路由发现以及维护机制。 ZigBee协调器的网络层还负责新网络并为新关联的设备分配地址。 ZigBee 应用层包括应用支持子层（ APS）、 ZigBee 设备对象（ ZDO）和制造商定义的应用对象。 APS 子层负责维护绑定列表，根据设备的服务和需求对设备进行匹配，并在绑定的设备之间传送消息。 ZDO 负责发现网络中的设备并明确其提供的应用服务。 宁夏大学新华学院本科学位论文 9 标准是针对低速率无线个人区域网络 (LRWPAN)通讯制定的标准，定义了 LRWPAN 的 PHY 层和 MAC 层。 在此基础上 ZigBee 联盟定义的 ZigBee 标准包括 NWK 层，APL 层及 SSP 层的标准。 本小节主要分析 PHY 层， MAC 层， NWK 层和 APL 层的标准。 物理层 （ PHY） 物理层主要完成以下几项任务：开启和关闭无线收发信机、能量检测（ ED）、链路质量指示（ LQI）、信道评估（ CCA）和通过物理媒体收发数据包。 物理层定义了 868Mhz、 915Mhz 和 三个频段。 表 21 所示即为这三 个频段上分别所采用的调制和扩频技术参数。 表 21 物理层 工作频率 (Mhz) 频 道 数 扩频参数 传输参数 码片率(kchip/s) 调制方式 传输率（ kb/s） 数据符号 868Mhz物理层 868868.6 1 300 三相的相位健控调制（ BPSK） 20 二进制 915Mhz物理层 902928 10 600 二相的相移控件调制（ BPSK） 40 二进制 物理层 240024 16 2020 偏移四相相移控件调制（ BPSK） 250 16 状 态组 物理层在三个频段上共划分了 27 个信道，信道编号为 0～ 26。 2450Mhz频段上划分了 16 个信道， 915Mhz 频段有 10 个信道， 868Mhz 频段有 1 个信道， 27 个信道的中心频率和对应的信道编号定义如式（ ）所示。   8 6 8 . 3 , 09 0 6 2 1 , 1 , 2 , , 1 02 4 0 5 5 1 1 , 1 1 , 1 2 , , 2 6M h z kF c k M h z kk M h z k          () 式中 k 指的是信道号， Fc 的单位为 MHz。 物理层通过射频固件和硬件提供 MAC 层与物理无线信道之间 的接口。 从概念上说，物理层还应该包括物理层管理实体（ PLME），以提供调用物理层管理功能的管理服务接口；同时 PLME 还负责维护物理层 PAN 信息库（ PHY PIB）。 物理层参考模型如图 23 所示。 宁夏大学新华学院本科学位论文 10 P D S A P P L M E S A PR F S A PP H YP I BP L M EP H Y l a y e r 图 23 物理层参考模型 其中，物理层数据服务访问节点 PDSAP 支持在两个对等的 MAC 实体之间传输 MAC 协议数据单元（ MPDU），物理层管理实体服务访问点 PLMESAP 允许在 MLME 和 PLME 之间传送管理命令。 物理层协议数据单元（ PPDU）由三部分组成：同 步头（ SHR）允许接收设备同步并锁定数据流；物理层帧头（ PHR）包含的是帧长信息；有效载荷部分为 PSDU，其格式如表 22所示 ： 表 22 PPDU格式 字节数 :4 1 1 可变长度 引导序列 帧开始符 帧长 (7 位 ) 预留 (1 位 ) 物理层服务数据单元（ PSDU） 同步头 (SHR) 物理层帧头 (PHR) 物理层有效载荷 引导序列：收发信机用来获得码片和符号同步，它是 32。