基于zigbee的无线温度检测系统设计

基于zigbee的无线温度检测系统设计内容摘要：

帧安全机制和他们 的目的地路由帧机制。 协调器的网络层还负责建立一个新的网络。 应用层（ APL 层） ZigBee 应用层包括应用支持子层 (APS 子层 )、应用框架 (AF)和 ZigBee 设备对象 (ZDO)。 APS 子层负责建立和维护绑定表，绑定表主要根据设备之间的服务和他们的需求使设备相互配对。 ZigBee 的应用框架 (AF)为各个用户自定义的应用对象 提供了模板式的活动空间，并提供了键值对 (KVP)服务和报文 (MSG)服务供应用对象的数据传输使用。 一个设备允许最多 240 个用户自定义应用对象，分别指定在端点 l 至端点 240 上。 ZDO[6]可以看成是指配到端点 O 上的一个特殊的应用对象，被所有 ZigBee 设备包含，是所有用户自定义的应用对象调用的一个功能集，包括网络角色管理，绑定管理，安全管理等。 ZDO 负责定义设备在网络中的角色 (例如是 ZigBee 协调器或者 ZigBee 终端设备 )、发现设备和决定他们提供哪种应用服务，发现或响应绑定请求，在网络设备之间建立可靠的 关联 江苏师范大学科文学院本科生毕业设计 基于 Zigbee 的 无线 温度检测系统设计 8 安全服务提供层（ SSP 层） 安全服务提供者 SSP(Security Service Provider)向 NWK 层和 APS 层提供安全服务。 ZigBee 协议层与层之间是通过原语进行信息的交换和应答的。 大多数层都向上层提供数据和管理两种服务接口，数据 SAP(Service Access Point)和管理SAP(Service Access Point)。 数据服务接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务，管理服务接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制。 ZigBee 网 络基础 ZigBee 网络基础主要包括设备类型，拓扑结构和路由方式三方面的内容，ZigBee 标准规定的网络节点 [7]分为协调器（ Coordinator） 、路由器 (Router)和终端节点（ End Device）。 节点类型是网络层的概念，反映了网络的拓扑形式。 ZigBee网络具有三种拓扑形式：星型拓扑、树型拓扑、网状拓扑。 网络节点类型 (1) 协调器（ Coordinator） 在各种拓扑形式的 ZigBee 网络中，有且只有一个协调器节点，它负责选择网络所使用的频率通道、建立网络并将其他节点加入网络、 提供信息路由、安全管理和其他服务。 (2) 路由器（ Router） 当采用树型和网状拓扑结构时，需要用到路由器节点，它也可以加入协调器，是网络远距离延伸的必要部件。 它负责发送和接受 节点 自身信息；节点之间转发信息；允许子节点通过它加入网络。 (3) 终端节点 终端节点的主要任务就是发送和接收信息 ，通常一个终端节点不处在数据收发状态时可进入休眠状态以降低能耗。 网络拓扑形式 (1) 星型拓扑 江苏师范大学科文学院本科生毕业设计 基于 Zigbee 的 无线 温度检测系统设计 9 星型拓扑是最简单的拓扑形式 [8]，如图 22。 图中包含一个协调器节点和一些终端节点。 每一个终端节点只能和协调 器节点进行通讯，在两个终端节点之间进行通讯必须通过协调器节点进行转发，其缺点是节点之间的数据路由只有唯一路径。 星状拓扑结构有两类：一类是中心节点仅完成从节点连通的作用；另一类是，中心节点是有很强处理能力的计算机，从节点是一般的计算机或终端，这时中心节点有转接和数据处理的双重功能。 强的中心节点成为各从节点共享的资源，中心节点也可以按储存转发方式工作。 图 22 星形拓扑结构 (2)树型拓扑 树型拓扑结构如图 23。 协调器可以连接路由器节点 和终端节点，子节点的路由器节点也可以连接路由器节点和终端节点。 直接通信只可以在父节点和子节点之间进行，非父子关系的节点只能间接通信。 树形拓扑适用于相邻层的通信较多的情况，典型的应用层是最低层节点解决不了的问题，请求中层计算机解决，中层计算机解决不了的问题，请求顶部计算机解决。 协调器 路由器 江苏师范大学科文学院本科生毕业设计 基于 Zigbee 的 无线 温度检测系统设计 10 (3)网状拓扑 网状拓扑如图 24。 网状拓扑具有灵活路由选择方式，如果某个路由路径出现问题，信息可自动沿其他路径进行传输。 任意两个节点可相互传输数据，网络会自动 按照 ZigBee 协议算法选择最优化路径，以使网络更稳定，通讯更有效率。 网状拓扑各节点的距离很长，某些节点间是否用点 — 点线路专线连接，要依据其间的信息流量以及网络所处的地理位置而定。 如果某些节点间的通信可由其他中继节点转发且不甚影响网络性能，可不必直接互联。 因此在地域范围很广节点数目较多时，都是部分节点连接的任意拓扑结构。 部分节点连接的网络必然带来由中继节点转发而相互通信的现象，称此为交换。 协调器 路由器 终端节点 图 23 树状拓扑结构 江苏师范大学科文学院本科生毕业设计 基于 Zigbee 的 无线 温度检测系统设计 11 工作模式 ZigBee 网络的工作模式可以 分为信标 (Beacon)模式和非信标 (Nonbeacon)模式两种 [9]。 信标模式可以实现网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度地节省功耗，而非信标模式只允许 ZE 进行周期性休眠，协调器和所有路由器设备长期处于工作状态。 在信标模式下，协调器负责以一定的间隔时间 (一般在 15ms4mins 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个时槽内发送。 非信标模式下， ZigBee 标准采用父节点为子节点缓存数据， 终端节点主动向其父节点提取数据的机制，实现终端节点的周期性 (周期可设置 )休眠。 网络中所有的父节点需要为自己的子节点缓存数据帧，所有子节点的大多数时间都处于休眠状态，周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，并向 父节点提取数据，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要 15ms。 协调器 路由器 图 24 网状拓扑结构 江苏师范大学科文学院本科生毕业设计 基于 Zigbee 的 无线 温度检测系统设计 12 3 温度检测系统总体方案设计 系 统整体结构 本设计所实现的无线温度采集系统以 C51RF3PK 开发平台为核心，使用了两块表演板，利用芯片自带的温度传感器采集温度值，充分发挥了 C51RF3PK开发平台的丰富资源 [22]。 在上位机上，采集的温度实时地显示出来，并且通过折线图动态描绘出温度的变化趋势。 考虑到可能采集多个节点的温度，上位机可以根据客户要求切换不同节点的温度折线图。 为了方便对以往数据的查看，采集到的数据被实时保存到了文档之中。 本文总体 设计是实现针对主协调器节点的设计与开发。 主协调器的硬件系统中包括 CC2430 通信模块、键盘电路模块、串口转 USB 模块、液晶显示模 块 和电源电路模块等 [10]。 主协调器节点的主要功能是负责接收和存储传感器节点发送来的消息，并向传感器节点发布网络控制信息，同时与 Pc 机进行数据交换。 其中串口转 USB 模块负责转换 CC2430 模块与 PC机的通信信号；液晶显示模块负责节点工作状态的指示；电源模块通常采用持续电力供电，为主协调器节点提供运行所需的能量。 天线 CC2430 存储器 8051 MCU A/D 转换 通 用 接 口 LCD 模块 键盘电路 复位电路 USB 转串口转串口 USB 电源管理 PC 图 31 总体框图 江苏师范大学科文学院本科生毕业设计 基于 Zigbee 的 无线 温度检测系统设计 13 温度传感模块的核心元件为 Pt100 铂电阻，它是正温度系数热敏电阻传感器，线性较好，在 0~100℃之间变化时，最大非线性偏差小于 ℃。 另外， Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点 [11]。 模块框图如图 32所示。 温度采集系统原理 本系统由三类节点组成： ZigBee 协调器节点、 路由器 节点、传感器节点。 图 33 所示是其组成示意图，其中 ZigBee 协调器是分布式处理中心，即汇聚节点。 多个传感器节点置于不同的监测区域，每个传感器节点会先把数据传给汇聚节点，然后汇聚节点把数据通过串口传给上位机做进一步处理并显示给用户。 协调器节点可以与多个传感器节点通信 ，这样可以使本系统同时监测多个区域，何时检测哪个区域通常由用户通过协调器节点来控制。 当被检测区域的障碍物较多或者协调器节点距离传感器节点较远时，可以通过增加路由器节点来增强网络的稳定性。 当用户没有数据请求时，传感器节点只进行低功耗的信道扫描。 电源单元 激励电路 电桥电路 放大电路 通信单元 单片机A/D 图 32 温度传感模块框图 江苏师范大学科文学院本科生毕业设计 基于 Zigbee 的 无线 温度检测系统设计 14 上位机 1 3 8规范化 88 4 9 13 6 7 5 11 10 12 23规范化 88 1仓库 2仓库 1 Zigbee 协调器节点； 2， 3路由器节点 413— 传感器节点 图 33 温度采集系统示意图 江苏师范大学科文学院本科生毕业设计 基于 Zigbee 的 无线 温度检测系统设计 15 4 温度检测系统 硬件电路 设计 zigbee 芯片选择和简介 zigbee 芯片的选择 现在的 ZigBee 芯片包括单芯片和 ZigBee 射频芯片两种芯片厂商提供 的主力 ZigBee 射频芯片在性能上大同小异。 比较流行的 freescale 的 mc13192 和chipcon 的 cc2420 以及 Ember 公司的芯片，它们在性能上基本相同，都支持 协议。 射频芯片通过 SPI 接口与 MCU 相连，由 MCU 进行控制。 所谓单芯片，就是一个芯片上集成了 ZigBee 射频部分和 MCU[18]。 以 chipcon 公司的 cc2430 为例，他将 cc2420 芯片与一个 51单片机集成在同一篇芯片上，其体积与一个 cc2420 芯片差不多。 从应软件开发的角度来看，选择 cc2430 或者选择cc2420 外加一个带有 SPI 接口的单片机，软件设计是没有太大区别的，尤其是MAC 层以上是完全相同的。 但从硬件开发的角度来看，单芯片方案却比双芯片方便很多。 在双芯片方案中， MCU和射频芯片之间用 SPI接口相连，增加的布线的复杂性。 而在高速 PCB 设计上，任何额外的布线和芯片数目的增加，都会对系统的正常工作产生影响，必须谨慎地选择芯片布置的位置和走线。 因此增加了 PCB设计和调试的复杂性。 从成本上看 cc2430 和 cc2420 价格接近，但使用 cc2420时需外加一个单片机，增加了系统的成本。 因此综合考虑， cc2430 的单 芯片解决方案是更好的选择。 CC2430 简介 CC2430 是一颗真正的系统芯片 (SoC)CMOS 解决方案 [12]。 这种解决方案能够提高性能并满足以 ZigBee 为基础的 ISM 波段应用，及对低成本，低功耗的要求。 它结合一个高性能 DSSS(直接序列扩频 )射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的 8051 控制器。 CC2430 的尺寸只有 7 7mm 48pin 的封装，采用具有内嵌闪存的 微米 CMOS 标准技术。 这可实现数字基带处理器， RF、模拟电路及系统存储器 整合在同 一个硅晶片上。 CC2430 包含一个增强型工业标准的 8 位 8051 微控制器内核，运行时钟江苏师范大学科文学院本科生毕业设计 基于 Zigbee 的 无线 温度检测系统设计 16 32MHz。 CC2430 包含一个 DMA 控制器。 8K 字节静态 RAM，其中的 4K字节是超低功耗SR。