基于zigbee技术的家居环境监测系统的设计与实现_毕业设计说明书论文(编辑修改稿)

基于zigbee技术的家居环境监测系统的设计与实现_毕业设计说明书论文(编辑修改稿)内容摘要：

Bee 的协议分析 星状 （ start） 网状 （ Mesh） 簇状 （ Cluster） 协调器 路由器 终端设备 江苏理工学院毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 35 页 网络层（ NWK） ZigBee 网络层的主要功能就是确保 ZigBee 的 MAC 层 (IEEE )正常工作，同时定义了一些必须的函数，并且为应用层提供适合的服务接口。 网络层提供 了两个必须的功能服务实体来向应用层提供服务接口，它们分别是管理服务实体和数据服务实体。 通过网络层数据服务实体服务接入点（ NLDESAP），网络层的数据实体（ NLDE）得以提供数据传输服务；网络层管理实体 (NLME)与之不同，它是通过网络层管理实它体服务接入点 (NLMESAP)来提供网络管理服务的。 网络层管理实体则是利用网络层数据实体完成一些网络的管理工作，并且网络信息库 (NIB)理是网络层管理实体完成的。 网络层数据实体（ NLDE） 网络层数据实体为数据提供服务，在两个或多的设备之间进行数据传送 任务时，则是按照应用协议数据单元 (APDU)的格式进行传送的，并且所有的这些设备必须是在同一个网络中，即要求在同一个个域网中。 网络层数据实体提供的服务如下三项： (1) 指定拓扑传输路由，网络层数据实体发送一个网络层的协议数据单元到一个合适的接受设备，此设备可能是一个在通信链路中的中间通信设备，也可能是最终的目的通信设备。 (2) 生成网络层的协议数据单元 (NPDU)：通过增加一个适当的协议头，网络层数据实体从应用支持层协议数据单元中生成网络层的协议数据单元。 (3) 安全：确保通信的机密性和真实性。 网络层管理实体（ NLME） 络层管理实体允许应用与堆栈相互作用，并且提供网络管理服务。 网络层管理实体提供了以下的几种服务： (1) 配置一个新的设备：设备应具有足够的堆栈来保证其正常工作的需要，并且满足配置的需要。 配置选项包括对连接一个现有网络设备或一个 ZigBee 协调器的初始化的操作。 (2) 初始化一个网络：使设备有能力建立一个新的网络。 (3) 连接和断开网络。 要求设备具有断开网络的能力和具有连接一个新的网络的能力，以建立一个 ZigBee 协调器或者路由器。 (4) 邻居设备发现：需要具有发现、汇报 和记录相邻设备信息的能力。 江苏理工学院毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 35 页 (5) 寻址： ZigBee 协调器和路由器具有分配地址给新加入网络的设备的能力。 (6) 路由发现：具有发现并且记录传送信息的网络路由的能力。 (7) 接收控制：具有控制设备是否处于接收状态的能力，即控制接收机接收信息时间的长短和什么时候来接收信息，以此来保证 MAC 层的正常接收和同步等。 应用层（ APP） 应用层主要由用户根据具体的应用进行自我开发，用以维持节点的各种功能，发现此节点工作空间范围内其他节点的工作，再根据服务的需求为各个不同的节点提供通信服务。 ZigBee 应用层有三个不同的部分分别是：应用支持 (Application Support Sub1ayer，简称 APS)子层、 ZigBee 设备对象 (ZigBee Device Object，简称 ZDO)和制造商定义的应用对象。 应用支持子层 APS 层提供了这样的接口：在 NWK 层和 APL 层间，从设备对象到供应商的应用对象的通用服务集。 这服务由两个实体得以实现： APS 管理实体 (APSDE)和 APS 数据实体 APSDE。 (1) APSME 通过 APSME 服务接入点 (APSMESAP)； (2) APSDE 通过 APSDE 服务接入点 (APSDESAP)。 APSDE 提供了多种服务给应用对象，维护管理对象的数据库，也就是我们常说的AIB，同时这些服务包括绑定设备和安全服务。 APSDE 则提供在同一个网络中的两个或多个应用实体间进行数据通信的服务。 应用层框架 为存在 ZigBee 设备中的应用对象提供活动的环境的是 ZigBee 中的应用框架。 其最多可以定义 240 个较为独立的应用程序对象，任意一个对象的端点编号都是从 1 到 240。 另外还有两个附加的节点终端为了 APSDESAP 的使用：端点号 0 专门应用于 ZDO 数据接口；而另 外一端的端点号 255 则专门应用于所有应用对象广播数据的数据接口；最后，端点 241254 则是要保留给有需要扩展的时候使用的。 ZigBee 设备对象 ZigBee 设备对象 (ZDO)，描述了一个基本的功能函数，这个函数为在应用对象、设备 profile 和 APS 之间提供了一个接口。 ZDO 位于应用支持子层和应用框架之间，在ZigBee 协议栈中应用操作的一般需求它有所满足。 ZDO 还有以下作用： 江苏理工学院毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 35 页 (1) 初始化安全服务规范 (SSS)，应用支持子层 (APS)和网络层 (NWK)。 (2) 从终端的应用中集合配置的信息来执 行和确定发现、网络管理、绑定管理，以及安全管理等作用。 ZDO 描述了应用框架层的应用对象的网络功能和应用对象的公用接口用以控制设备。 在终端节点 0 处 , ZDO 则提供了与协议栈中低一层进行连接的接口，若接受的是数据，则通过 APSMESAP 接入点，而若是控制信息则通过 APSMESAP 的接入点。 ZDO公用接口则在 ZigBee 协议栈的应用框架中提供设备发现、绑定、以及安全等各种功能的地址管理服务。 ZigBee 设备对象的主要功能如下： (1) 初始化网络层、应用支持子层和安全服务层； (2) 发起或响应绑定请求； (3) 在网络内部发现设备，并且确定为此发现的设备提供的应用服务种类； (4) 定义设备在网络中的各种角色，如，终端设备、路由器或协调器； (5) 从终端的应用来收集各个配置信息来确定和执行发现管理、网络管理、安全管理和绑定管理等； (6) 在网内各个设备之间建立起安全又可靠的关系。 本章小结 本章对 ZigBee 技术进行了主要讨论。 首先对 ZigBee 技术进行了概述，其次简单介绍了 ZigBee 技术的各种特点及网络拓扑图，最后对 ZigBee 的协议， MAC 层，还有网络层和应用层的各主要功能都进行了介 绍，为下面的研究工作提供了有力基础。 特别对最后在程序设计时起了很大的作用。 江苏理工学院毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 35 页 第 3 章 系统的总体设计 系统结构 本论文是基于 ZigBee 技术的无线传感器网络环境监测系统，所以根据 ZigBee 技术的标准和特点设计了由多传感器节点，协调器节点和 PC 组成的该系统。 其中，传感器节点通过 ZigBee 无线技术与协调器进行信息的交换，协调器则通过串口 RS232 与 PC进行相连通信。 本文设计的系统结构如图 31 所示 由图 31 可知，本系统中传感器节点 主要负责的是环境信息的采集与发送，协调器节点主要负责的是网络的建立、终端节点管理、数据处理和对 PC 端的数据通信。 当然在实践过程中可以根据家庭居住环境的大小和所需监测的内容，来增加或减少传感器节点。 当监测区域较大时，可用增加传感器节点的方法来保证网络的连通性，相反区域较小时可以根据情况减少路由器节点的设置以节省系统资源，降低成本。 在本设计的实践环节，本人只是用了一个温度传感器做了演示。 系统功能定义 为了实现基于 ZigBee 技术的家居环境监测系统的设计，现对系统的各种功能作出以下定义： PC 协调器 传感器节点 传感器节点 传感器节点 图 31 系统结构图 江苏理工学院毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 35 页 (1) 管 理中心 (PC)：实时显示家庭中各种的环境信息，并且用户可通过 PC 实现对网络中各个节点设置与管理，如：管理网络各个节点的节点信息，发送数据采集命令，发送休眠指令，设置传感器节点采集环境信息的周期的长短； (2) 协调器节点：组建并初始化 ZigBee 无线网络，管理各传感器节点终端，发送与接收网络数据与指令，同时与管理中心 (PC)进行通信； (3) 传感器节点：对周围环境信息进行实时采集，并通过 ZigBee 无线网络实时将环境信息发送到协调器节点。 本文设计的环境监测系统主要是获取家庭环境中的一些环境参数，以实现对 环境信息的全面监控，从而为用户的决策提供有利的参考。 以下是对各种参数的介绍： (1) 温度 人体对温度的变化甚为敏感，在环境温度高于 36 摄氏度后，每增加一度对人体的负面影响都是几何级的增加，故此系统中最重要也是最基本的就是环境中温度的采集。 温度传感器可以在用户设定的频率下采集区域的温度信息，并将其发送到协调器节点进行处理，再由协调器将处理结果数据通过串口发送到 PC，此时， PC 可按之前用户设置好的参数和程序对空调系统进行控制，从而实现对室内温度的控制，当然这些是后续控制，不在本文讨论范围内。 家庭中的每个房间 可以多放几个这样的类似节点，可实现在同一个房间进行多点的温度信息采集，以提高温度测量的准确度。 (2) 湿度 人类对湿度虽然不是特别敏感，但其时时刻刻亦影响着人们的健康，尤其是老年与儿童。 目前人们经常是通过普通的加湿器来调节室内湿度，此类加湿器一般只是手动操作，这样就存在着人为的主观不确定性，最终也有可能不利于环境之改善。 而在本系统中，通过湿度传感器对湿度信息的采集，再经由 PC 的处理后，对加湿器进行控制，即可达到科学明了地控制室内的湿度。 (3) 一氧化碳气体 燃气的主要成分就是一氧化碳 当燃气发生泄漏时， 空气中一氧化碳浓度达到一定时，就会对家庭人员生命带来威胁。 故对一氧化碳气体浓度监测也是必不可少的一部分。 当系统检测到一氧化碳气体浓度大于用户设定是初值时， PC 会立即发送报警信号到报警装置或者是家庭成员的手机或直接报警， PC 在启动报警装置的同时，或可以自动控制开窗，以达到室内空气流通的效果，保证家庭成员的安全。 (4) 亮度 江苏理工学院毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 35 页 亮度的监测可以利用分布在各个房间里的光敏传感器来实现。 光敏传感器可以将感知的光线强度信息发送到协调器节点，协调器则将信息传输到 PC，经过处理和判断光线强度，来控制窗帘的开关或灯的开关。 当 光线过强时，可以控制窗帘自动合起 或电灯关闭 ，反之则可以控制其打开或电灯打开。 当然，本系统可以根据用户的不同需求增加或减少传感器的数量，及使用不同的传感器进行监测。 系统设计要求 本系统是在家庭环境中实现各种功能，根据此特点，可以总结出以下几种要求。 分别从软硬件两个方面来得以实现。 硬件要求 (1) 低功耗：由于是无线传感网络，节点较多，所以只能由电池供电，故要求低功耗以延长使用，减少电池更换次数。 (2) 安全性：本系统为家居环境控制系统做前期的数据采集，若出现错误，则可导致 PC 判断错误， 导致错误控制。 如，未发生一氧化碳泄露即报警等。 故要求系统的安全性 (3) 外观：由于要安装在家庭各个地点，故要求其尽量小巧，美观。 (4) 可扩展：能够根据用户的不同需求，随时增加或减少 传感器 节点设置。 软件要求 软件方面要求程序模块化设计，可以使系统升级方便以备增加节点时修改其中一个模块而其他地方无需改动；程序设计要简单，数据传输格式要统一。 本章小结 本章主要是对系统的总体的方案以及各个组成部分进行了设计。 同时，对不同的环境参数做了介绍，以本系统对环境监测功能的需要。 最后，对系统的整体设 别提出了设计要求，为系统后续的软硬件设计提供了要求和设计基础。 江苏理工学院毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 35 页 第 4 章 系统的硬件设计 ZigBee 硬件选型 在介绍整个系统的硬件设计方案之前，首先对目前市场上售卖的主要的几款基于ZigBee 技术的硬件平台及其各平台的自身特点进行一一介绍。 目前主要有TI/CHIPCON、 EMBER(ST)、 JENNIC(捷力 )、 FREESCALE（飞思卡尔）等几家公司有ZigBee 产品。 TI/ CHIPCON 公司发布了单芯片 ZigBee 解决方案 CC2530 的片上系统级芯片 (SOC)，结合了领先的 RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型 8051 CPU，系统内可编程闪存， 8KB RAM 和许多其他强大的功能。 由此 CC2530 得以广泛应用于工控系统、汽车和无线传感网络等各种领域； EMBER(ST)推出首款符合 IEEE 标准的 ZigBee 单芯片方案 EM它集成了可编程处理器、 RF 射频、网络协议及存储器；JENNIC(捷力 )公司的 JN5121 芯片则在业界属于。