1、 . . . 摘 要如今，在中國(guó)掀起了地鐵項(xiàng)目建設(shè)的高潮，地鐵作為方便快捷，時(shí)尚綠色的交通方式，已經(jīng)成為了諸多市民出行的第一選擇。民心所向，地鐵項(xiàng)目在中國(guó)遍地開(kāi)花結(jié)果。這就需要對(duì)地鐵環(huán)境的安全性提出了較高的要求。其中尤為重要的一項(xiàng)是地鐵站的溫度檢測(cè)和火災(zāi)報(bào)警。以往的溫度數(shù)據(jù)的采集往往靠有線的設(shè)備，不僅布線繁瑣，工作量大，而且信號(hào)在遠(yuǎn)距離傳輸?shù)倪^(guò)程中易受其它電子設(shè)備的干擾，自身也存在著信號(hào)的衰減，增加了信號(hào)處理的難度。隨著無(wú)線通信的快速發(fā)展，無(wú)線產(chǎn)品如雨后春筍般迅速增加，因此，利用無(wú)線的通信模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸必將成為新的發(fā)展趨勢(shì)。本設(shè)計(jì)是基于ZigBee的地鐵站溫度檢測(cè)系統(tǒng)，利用無(wú)線射頻網(wǎng)絡(luò)Z

2、igBee技術(shù)構(gòu)架起樹(shù)簇型網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)ZigBee終端上安裝數(shù)字式溫度傳感器DS18B20進(jìn)行溫度采集，然后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機(jī)，以供檢測(cè)。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)介紹了溫度傳感器終端的設(shè)計(jì)，并詳細(xì)分析了基于ZigBee技術(shù)的樹(shù)簇狀網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與上位機(jī)顯示設(shè)計(jì)。并通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)地鐵站溫度實(shí)現(xiàn)了采集，完成了基于ZigBee的地鐵站溫度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)，溫度檢測(cè)，DS18B20,無(wú)線通信AbstractNowadays，there are so many subway projects being constructed in so many cities in China. It

3、 is so fast,convenient and fashionable that take the subway has became the first choice of many people travel.However,it requires high requirements for the security of the subway environment.What is particularly important in a subway station is the temperature detection and fire alarm. In the past,

4、temperature data collection often rely on a wired device, which means not only cumbersome wiring and a heavy workload，but also signal susceptible to interference from other electronic devices in the process of long-distance transmission with the signal attenuation, thus increase the difficulty of si

5、gnal processing.With the rapid development of wireless communication,wireless products increased.Wireless communication module for data transmission will become the new trends.The design is a subway station temperature detection system based on ZigBee.Setting up a radio frequency network using ZigBe

6、e technology to form the framework of the tree cluster network.Install a digital temperature sensor DS18B20 to collect temperature data by ZigBee terminal,then sent to the host computer through a wireless network.The design focuses on the design of the temperature sensor terminal and a detailed anal

7、ysis based on ZigBee technology tree clustered network and PC display design.Through building the experimental platform and collecting the temperature of the subway station, ZigBee-based temperature sensing system of the subway station design has been completed.Keyword：ZigBee technology，Temperature

8、detection，DS18B20，Wireless communications34 / 38目 錄第一章 緒 論11.1 課題研究的背景和意義11.1.1 地鐵溫度檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀11.1.2 課題研究的意義11.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究綜述11.2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述11.2.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)21.2.3 無(wú)線傳感器的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用31.3 論文結(jié)構(gòu)與研究容4第二章 ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)52.1 ZigBee技術(shù)概述52.2 ZigBee技術(shù)優(yōu)點(diǎn)52.3 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)62.4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型82.5 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)82.6 ZigBee技術(shù)應(yīng)用

9、前景9第三章 溫度傳感器終端設(shè)計(jì)113.1 溫度傳感器終端設(shè)計(jì)的基本原則113.2 溫度傳感器終端總體設(shè)計(jì)方案113.3 終端硬件設(shè)計(jì)123.3.1 射頻收發(fā)芯片123.3.2 溫度采集芯片 DS18B20 介紹143.3.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)163.3.4 傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)163.3.5 上位機(jī)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)173.3.6 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)183.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)18第四章 地鐵站溫度檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)224.1 總體方案設(shè)計(jì)224.2 下位機(jī)軟件程序的開(kāi)發(fā)234.3上位機(jī)程序設(shè)計(jì)244.3.1計(jì)算機(jī)串口驅(qū)動(dòng)程序244.3.2數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示244.3.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)的查看25

10、4.4 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組建與數(shù)據(jù)傳輸254.4.1 樹(shù)簇網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)254.4.2 終端設(shè)備入網(wǎng)設(shè)計(jì)274.4.3 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)284.5網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)程序的開(kāi)發(fā)294.5.1備初始化程序314.5.2匯聚節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)32第五章 地鐵站溫度檢測(cè)系統(tǒng)的仿真335.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立335.2 測(cè)試結(jié)果分析33總結(jié)與展望35參考文獻(xiàn)36致 37第一章 緒 論1.1 課題研究的背景和意義1.1.1 地鐵溫度檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)有的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，多采用有線技術(shù)進(jìn)行火災(zāi)傳感網(wǎng)絡(luò)的組建。這類方案的特點(diǎn)是擴(kuò)展性能差，布線繁瑣，影響美觀。由于采用硬線連接，線路容易老化或遭到腐蝕、鼠咬、磨損，故障發(fā)生率較高，誤報(bào)警率高。無(wú)線

11、傳輸方式構(gòu)建的無(wú)線火災(zāi)傳感器網(wǎng)絡(luò)恰好可以避免這些問(wèn)題。相對(duì)而言，無(wú)線的方式比較靈活，避免了重新布線，不再需要將網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施掩埋在地下或隱藏在墻里，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以適應(yīng)移動(dòng)或變化的需要；但是，無(wú)線通信技術(shù)在火災(zāi)監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)還是很少。這主要是因?yàn)槟壳皼](méi)有一項(xiàng)無(wú)線通信技術(shù)適合在火災(zāi)監(jiān)控領(lǐng)域進(jìn)行廣泛的推廣，而且現(xiàn)有一些無(wú)線通信產(chǎn)品的價(jià)格偏高，導(dǎo)致無(wú)線通信技術(shù)在火災(zāi)監(jiān)控中的應(yīng)用停滯不前。1.1.2 課題研究的意義從21世紀(jì)開(kāi)始,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)引起了學(xué)術(shù)界、軍界、工業(yè)界的極大關(guān)注,世界各國(guó)相繼啟動(dòng)了關(guān)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究計(jì)劃,其應(yīng)用領(lǐng)域也擴(kuò)充到我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)角落，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,

12、已對(duì)人們的社會(huì)生活產(chǎn)業(yè)變革帶來(lái)極大的影響并產(chǎn)生巨大的推動(dòng)。它的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是擺脫了傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的連線限制,解決了成本問(wèn)題,通過(guò)傳感器技術(shù)微處理器技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的融合,大大縮短了人和自然之間的距離。隨著近年來(lái)人類在微電子機(jī)械系統(tǒng)、無(wú)線通信、數(shù)字電子方面取得的巨大成就，使得發(fā)展低成本、低功耗、小體積、短距離無(wú)線通信的多功能傳感器成為可能。ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)就解決了這些問(wèn)題。將無(wú)線ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)和人工智能結(jié)合，可以大大提高火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的可靠性。正是由于ZigBee技術(shù)具有功耗極低、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、組網(wǎng)方式靈活、成本低、等待時(shí)間短等性能，相對(duì)于其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它更適合于組建大圍的無(wú)線火災(zāi)

13、探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)。1.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究綜述1.2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)，可應(yīng)用于布線和電源供給困難的區(qū)域、人員不能到達(dá)的區(qū)域(如受到污染、環(huán)境不能被破壞或敵對(duì)區(qū)域)和一些臨時(shí)場(chǎng)合(如發(fā)生自然災(zāi)害時(shí)，固定通信網(wǎng)絡(luò)被破壞)等。它不需要固定網(wǎng)絡(luò)支持，具有快速展開(kāi)，抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、交通、環(huán)保等領(lǐng)域，因此引起了人們廣泛關(guān)注。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型工作方式如下：使用飛行器將大量傳感器節(jié)點(diǎn)(數(shù)量從幾百到幾千個(gè))拋撒到需檢測(cè)區(qū)域，節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織快速形成一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)既是信息的采集和發(fā)出者，也充當(dāng)信息的路由者，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)多跳路由到達(dá)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)

14、關(guān)(Sink node)是一個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)，可以通過(guò)Internet、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星等與監(jiān)控中心通信。也可以利用無(wú)人機(jī)飛越網(wǎng)絡(luò)上空，通過(guò)網(wǎng)關(guān)采集數(shù)據(jù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(如WLAN和蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò))有著不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)，后者在高度移動(dòng)的環(huán)境過(guò)優(yōu)化路由和資源管理策略最大化帶寬的利用率，同時(shí)為用戶提供一定的服務(wù)質(zhì)量保證。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，除了少數(shù)節(jié)點(diǎn)需要移動(dòng)以外，大部分節(jié)點(diǎn)都是靜止的。因?yàn)樗鼈兺ǔ＿\(yùn)行在人無(wú)法接近的惡劣甚至危險(xiǎn)的遠(yuǎn)程環(huán)境中，能源無(wú)法替代，設(shè)計(jì)有效的策略延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問(wèn)題。當(dāng)然，從理論上講，太陽(yáng)能電池能持久地補(bǔ)給能源，但工程實(shí)踐中生產(chǎn)這種微型化

15、的電池還有相當(dāng)?shù)碾y度。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究初期，人們一度認(rèn)為成熟的internet技術(shù)加上Ad-hoc路由機(jī)制對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是足夠充分的，但深入的研究表明：傳感器網(wǎng)絡(luò)有著與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)明顯不同的技術(shù)要求。前者以數(shù)據(jù)為中心，后者以傳輸數(shù)據(jù)為目的。為了適應(yīng)廣泛的應(yīng)用程序，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)遵循著“端到端”的邊緣論思想，強(qiáng)調(diào)將一切與功能相關(guān)的處理都放在網(wǎng)絡(luò)的端系統(tǒng)上，中間節(jié)點(diǎn)僅僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)，這未必是一種合理的選擇。一些為自組織的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的協(xié)議和算法未必適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和應(yīng)用的要求。節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)(如地址等)的作用在傳感器網(wǎng)絡(luò)中就顯得不是十分重要，因?yàn)閼?yīng)用程序不怎么關(guān)心

16、單節(jié)點(diǎn)上的信息；中間節(jié)點(diǎn)上與具體應(yīng)用相關(guān)的數(shù)據(jù)處理、融合和緩存也顯得很有必要。在密集性的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離非常短。低功耗的多跳通信模式節(jié)省功耗，同時(shí)增加了通信的隱蔽性，也避免了長(zhǎng)距離的無(wú)線通信易受外界噪聲干擾的影響。這些獨(dú)特的要求和制約因素為傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究提出了新的技術(shù)問(wèn)題。1.2.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)目前常見(jiàn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)包括移動(dòng)通信網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)、Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)等，與這些網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)：l 硬件資源有限。節(jié)點(diǎn)由于受價(jià)格、體積和功耗的限制，其計(jì)算能力、程序空間和存空間比普通的計(jì)算機(jī)功能要弱很多。這一點(diǎn)決定了在節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，協(xié)議層次不能太復(fù)

17、雜。l 電源容量有限。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由電池供電，電池的容量一般不是很大。其特殊的應(yīng)用領(lǐng)域決定了在使用過(guò)程中，不能給電池充電或更換電池，一旦電池能量用完，這個(gè)節(jié)點(diǎn)也就失去了作用。因此在傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過(guò)程中，任何技術(shù)和協(xié)議的使用都要以節(jié)能為前提。l 無(wú)中心網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有嚴(yán)格的控制中心，所有節(jié)點(diǎn)地位平等，是一個(gè)對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)抗毀性。l 自組織網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開(kāi)無(wú)需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點(diǎn)通過(guò)分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，節(jié)點(diǎn)開(kāi)機(jī)后就可以快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。l 多跳路由。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通信距離有

18、限，一般在幾百米圍，節(jié)點(diǎn)只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，則需要通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由。固定網(wǎng)絡(luò)的多跳路由使用網(wǎng)關(guān)和路由器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成的，沒(méi)有專門的路由設(shè)備。這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)既可以是信息的發(fā)起者，也是信息的轉(zhuǎn)發(fā)者。l 動(dòng)態(tài)拓?fù)洹o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)可以隨處移動(dòng)；一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)殡姵啬芰亢谋M或其他故障，退出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行；一個(gè)節(jié)點(diǎn)也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中。這些都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣M織功能。l 節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，分布密集。為了對(duì)一個(gè)區(qū)域執(zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)，往往有成千上萬(wàn)傳感器節(jié)

19、點(diǎn)空投到該區(qū)域。傳感器節(jié)點(diǎn)分布非常密集，利用節(jié)點(diǎn)之間高度連接性來(lái)保證系統(tǒng)的容錯(cuò)性和抗毀性。1.2.3 無(wú)線傳感器的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特殊性，其應(yīng)用領(lǐng)域與普通通信網(wǎng)絡(luò)有著顯著的區(qū)別，主要包括以下幾類。l 軍事應(yīng)用。軍事應(yīng)用是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域，由于其特有的無(wú)需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、可快速展開(kāi)、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，是數(shù)字時(shí)代戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)通信的首選技術(shù)，是軍隊(duì)在敵對(duì)區(qū)域中獲取情報(bào)的重要技術(shù)手段。l 緊急和臨時(shí)場(chǎng)合。在發(fā)生了地震、水災(zāi)、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴或遭受其他災(zāi)難打擊后，固定的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施(如有線通信網(wǎng)絡(luò)、蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的基站等網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、衛(wèi)星通信地球站以與微波接力站等)可能被全部摧毀或

20、無(wú)常工作，對(duì)于搶險(xiǎn)救災(zāi)來(lái)說(shuō)，這時(shí)就需要無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)這種不依賴任何固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、能快速布設(shè)的自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。邊遠(yuǎn)或偏僻野外地區(qū)、植被不能破壞的自然保護(hù)區(qū)，無(wú)法采用固定或預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施進(jìn)行通信，也可以采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行信號(hào)采集與處理。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速展開(kāi)和自組織特點(diǎn)，是這些場(chǎng)合通信的最佳選擇。l 大型設(shè)備的監(jiān)控：在一些大型設(shè)備中，需要對(duì)一些關(guān)鍵部件的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，以掌握設(shè)備的運(yùn)行情況。在不便于安裝有線傳感器的情況下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就可以作為一個(gè)可選的通信手段。l 衛(wèi)生保健：可以在病人身上安裝用于檢測(cè)身體機(jī)能的傳感器節(jié)點(diǎn)，這些信息匯總后，傳送給醫(yī)生，進(jìn)行與時(shí)處理，為遠(yuǎn)程醫(yī)療創(chuàng)造條件。

21、1.3 論文結(jié)構(gòu)與研究容本文的主要容是設(shè)計(jì)一種基于 ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫度檢測(cè)系統(tǒng)。主要的研究容包括：1、 溫度信息的采集。關(guān)鍵在于選擇合適的溫度傳感器，本文采用數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20。2、 溫度信息的傳輸與處理。通過(guò) ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立一定圍的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將采集的溫度信息上傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。本論文共分為六章，具體結(jié)構(gòu)如下：第一章 ：緒論簡(jiǎn)要介紹了課題研究的背景和意義，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了概述，并介紹了本文的整體結(jié)構(gòu)。第二章 ：ZigBee 技術(shù)的基礎(chǔ)研究分析了ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)、 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、協(xié)議體系結(jié)構(gòu)等。第三章 ：溫度傳感器終端設(shè)計(jì)分析

22、了設(shè)計(jì)的基本原則，總體設(shè)計(jì)方案，終端硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。第四章 ：地鐵站溫度檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)介紹了總體的方案設(shè)計(jì)，其中包括數(shù)據(jù)是如何采集的，和無(wú)線網(wǎng)是如何組建的。第二章 ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)2.1 ZigBee技術(shù)概述ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。這一名稱來(lái)源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說(shuō)蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)

23、控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。 ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。在ZigBee技術(shù)中，其體系結(jié)構(gòu)通常由層來(lái)量化它的各個(gè)簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)。每一層負(fù)責(zé)完成所規(guī)定的任務(wù)，并且向上層提供服務(wù)。各層之間的接通過(guò)所定義的邏輯鏈路來(lái)提供服務(wù)。ZigBee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)主要由物理(PHY)層、媒體接人控制(MAC)層、網(wǎng)絡(luò)安全層以與應(yīng)用框架層組成。2.2 ZigBee技術(shù)優(yōu)點(diǎn)ZigBee技術(shù)有以下特點(diǎn)：l 省電。

24、由于工作周期很短、收發(fā)信息功耗較低，并且采用了休眠模式，因此ZigBee技術(shù)可以確保兩節(jié)五號(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間。不同的應(yīng)用對(duì)應(yīng)的功耗自然是不同的。l 可靠。采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。l 成本低。模塊價(jià)格低廉，且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。l 時(shí)延短。針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用作了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。設(shè)備搜索時(shí)延典型值為30 ms，休眠激活時(shí)延典型值是15 ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15 ms。l 節(jié)點(diǎn)通信

25、設(shè)置易于配置。l 網(wǎng)絡(luò)容量大。ZigBee可以采用星形、網(wǎng)狀、串狀結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，而且可以通過(guò)任一節(jié)點(diǎn)連接組成更大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。從理論上講，其可連接的節(jié)點(diǎn)多達(dá)64000個(gè)。1個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和1個(gè)主設(shè)備，1個(gè)區(qū)域可以同時(shí)存在最多l(xiāng)O0個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。l 安全。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES128，同時(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。l 全球通用性和完好的開(kāi)放性。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，使ZigBee設(shè)備間的通信成為輕而易舉的事情。2.3 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)ZigBee 協(xié)議棧是一種基于 OSI 標(biāo)準(zhǔn)的七層模型。IEEE 將 802.15

26、.4 定義為低數(shù)率無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)分別定義了 PHY 層和 MAC 層。而 ZigBee 聯(lián)盟則將ZigBee 協(xié)議棧中的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)化。其中應(yīng)用層又包括應(yīng)用支持子層、 ZigBee 設(shè)備對(duì)象、制造商定義的應(yīng)用對(duì)象。其框圖如圖所示：圖2.1 ZigBee協(xié)議棧框架圖1、 物理層(PHY層) 物理層是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的調(diào)制與發(fā)送的，是 IEEE802.15.4 協(xié)議的最下層。它的設(shè)計(jì)將直接影響到電路的復(fù)雜度和能耗。其調(diào)制的方式為擴(kuò)頻通信的方式，通過(guò)RF收發(fā)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，其無(wú)線傳輸?shù)木嚯x大概為 75m 左右，但是如果加大發(fā)射功率，傳輸距離可以適當(dāng)增加。 ZigBee的頻率：2.4GHz、

27、868MHz、915MHz。不同的國(guó)家地區(qū)使用的頻率不用，例如美國(guó)使用的是 915MHz，歐洲使用的 868MHz，2.4GHz 則是全球通用的。2、 媒體訪問(wèn)控制層(MAC層) ZigBee 的媒體訪問(wèn)控制層的主要功能是為兩個(gè) ZigBee 設(shè)備的MAC層實(shí)體之 間提供可靠的數(shù)據(jù)鏈路。MAC層可以提供兩種服務(wù)：MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和 MAC層管理服務(wù)。前者保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中的正確收發(fā)，而后者從事MAC層的管理活動(dòng)，并維護(hù)一個(gè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)。 IEEE802.15.4 定義的MAC層協(xié)議，提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)（MCPS）和管理服務(wù) （MLME），其邏輯模型如圖 2.2 所示。其中，P

28、D-SAP 是 PHY 層提供給 MAC 的 數(shù)據(jù)服務(wù)接口；PLME-SAP是PHY層給MAC層提供的管理服務(wù)接口；MLME-SAP是由MAC層提供給網(wǎng)絡(luò)層的管理服務(wù)接口，MCPS-SAP是MAC層提供給網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口；MAC層的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)主要是實(shí)現(xiàn)MAC數(shù)據(jù)幀的傳輸；MAC層的管理服務(wù)主要有信道的訪問(wèn)，PAN的開(kāi)始和維護(hù)，節(jié)點(diǎn)加入和退出PAN網(wǎng)、設(shè)備間的同步實(shí)現(xiàn)、傳輸事務(wù)管理等。圖2.2 MAC結(jié)構(gòu)示意圖3、 網(wǎng)絡(luò)層(NWK 層)網(wǎng)絡(luò)層主要是通過(guò)使用MAC層提供的各種功能，保證IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)MAC 層各種功能的正確執(zhí)行，其主要任務(wù)有建立新的網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、提供網(wǎng)絡(luò)路

29、由等。 網(wǎng)絡(luò)層確保 MAC 子層的正確操作，并為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。為了給應(yīng)用層提供合適的接口，網(wǎng)絡(luò)層用數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)這兩個(gè)服務(wù)實(shí)體來(lái)提供必需的功能。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體(NLDE)通過(guò)相關(guān)的服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)來(lái)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體(NLME)通過(guò)相關(guān)的服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)來(lái)提供。4、 應(yīng)用層（APL層)在 ZigBee 協(xié)議棧中，應(yīng)用層提供高級(jí)協(xié)議棧管理功能，它可以根據(jù)具體的問(wèn)題由用戶進(jìn)行開(kāi)發(fā)。 它是由應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee 設(shè)備配置層和用戶程序來(lái)組成的。其中應(yīng)用支持子層的作用是通過(guò)ZigBee設(shè)備對(duì)象和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象所用到的一系列服務(wù)來(lái)為網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層

30、提供接口。ZigBee設(shè)備配置層是用來(lái)提供標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee 配置服務(wù)，它可以定義和處理描述符請(qǐng)求。用戶程序?qū)嶋H上就是生產(chǎn)商定義的應(yīng)用對(duì)象。這些應(yīng)用程序使用 ZigBee 聯(lián)盟給出的并且批準(zhǔn)的規(guī)進(jìn)行開(kāi)發(fā)且 運(yùn)行在端點(diǎn) 1 至 240 上。管理服務(wù)， 即NLME 利用 NLDE 來(lái)完成一些管理任務(wù)和維護(hù)管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)。2.4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型ZigBee 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中主要有兩種設(shè)備類型，一種是全功能設(shè)備（FFD），一種是精簡(jiǎn)功能設(shè)備。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中全功能設(shè)備既可以互相通信又可以和精簡(jiǎn)功能設(shè)備通信，而精簡(jiǎn)功能設(shè)備只能與全功能設(shè)備進(jìn)行通信。在一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中既有全功能

31、設(shè)備,又有精簡(jiǎn)功能設(shè)備，精簡(jiǎn)設(shè)備的應(yīng)用比較簡(jiǎn)單，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，并把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。它不可以進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)或路由發(fā)現(xiàn)等功能，占用的資源較少，成本較低。在由ZigBee設(shè)備構(gòu)成的無(wú)線傳感器網(wǎng)路中，至少要有一個(gè)全功能設(shè)備做為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主協(xié)調(diào)器，它相對(duì)于其他的全功能設(shè)備具有更強(qiáng)大的功能，例如超大的存儲(chǔ)空間、大功率的收發(fā)機(jī)等等。它的功能也是最強(qiáng)大的，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制核心，由它來(lái)組織整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，比如發(fā)送信號(hào)、添加或刪除節(jié)點(diǎn)、接收并儲(chǔ)存其他設(shè)備發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)等等。在一個(gè)大型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，只有合理的搭配使用全功能設(shè)備和精簡(jiǎn)功能設(shè)備，這樣才能使系統(tǒng)的成本達(dá)到最小化。2.5 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Zig

32、Bee 技術(shù)支持三種網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別是星型網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在星型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，主要由一個(gè)主協(xié)調(diào)器和若干個(gè)從設(shè)備組成，如圖 2.3所示。主協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立與維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，它一般是全功能設(shè)備。其他從設(shè)備則直接與 主協(xié)調(diào)器通信，一般是精簡(jiǎn)功能的設(shè)備。星型網(wǎng)絡(luò)比較簡(jiǎn)單，覆蓋面積比較小， 實(shí)際應(yīng)用的也非常的少。圖2.3 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖對(duì)于樹(shù)簇型網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，比較適合分布圍比較大的場(chǎng)合。如圖2.4 所示，處于網(wǎng)絡(luò)最末端的稱為“葉”節(jié)點(diǎn)，它們是網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備。若干個(gè)葉節(jié)點(diǎn)設(shè)備連接在一個(gè)全功能設(shè)備FFD上形成一個(gè)“簇”，若干個(gè)“簇”再連接成“樹(shù)”，故稱為樹(shù)簇形 拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。在這種網(wǎng)絡(luò)中，一般

33、只有一個(gè)主協(xié)調(diào)器，由它來(lái)負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)設(shè)備等等，它具有更多的資源。其它的子設(shè)備既可以作為終端也可以作為路由器來(lái)使用，實(shí)際上樹(shù)簇狀網(wǎng)絡(luò)就是對(duì)星型網(wǎng)絡(luò)的一種擴(kuò)展。圖2.4 樹(shù)簇狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖網(wǎng)狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2.5所示。它也具有一個(gè)主協(xié)調(diào)器，但是網(wǎng)絡(luò)中的任何一個(gè)設(shè)備都可以與之進(jìn)行通信。這種結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成比較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過(guò)路由轉(zhuǎn)發(fā)的形式，以增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積。它具有一定的自愈能力，當(dāng)某條路徑出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)搜尋下一條可用路徑。適合于建立大型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。圖2.5 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2.6 ZigBee技術(shù)應(yīng)用前景隨著無(wú)線通信技術(shù)、

34、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，大力推動(dòng)了低功耗多功能傳感器的快速發(fā)展，使其在微小體積能夠集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通信等多種功能。ZigBee 就是這樣的一種技術(shù)，在監(jiān)測(cè)區(qū)域部署大量的廉價(jià)微型 ZigBee節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線通信的方式形成一個(gè)多條的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過(guò)協(xié)作、感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中應(yīng)用對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者以供監(jiān)測(cè)。實(shí)際上，這種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)改變了信息世界同客觀上的物理世界的聯(lián)系，將它們?nèi)诤显诹艘黄穑淖兞巳伺c自然的交互方式。 未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)除了以低成本實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸外，還要求在無(wú)專用通信基礎(chǔ)設(shè)施的場(chǎng)景下，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有自適應(yīng)性和生存能力，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)恰好滿

35、足上述要求，所以無(wú)線傳感器在未來(lái)的通信網(wǎng)絡(luò)中會(huì)起到越來(lái)越重要的地位。 最近幾年，ZigBee 技術(shù)越來(lái)越受到的業(yè)人士的關(guān)注，在市場(chǎng)上越來(lái)越多的產(chǎn)品開(kāi)始涌現(xiàn)。據(jù)無(wú)線數(shù)據(jù)研究小組統(tǒng)計(jì)，2007 年ZigBee產(chǎn)品在市場(chǎng)上的收益可達(dá)到80多億美元，到了2009年，基于IEEE802.15.4規(guī)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的市場(chǎng)翻了一番，產(chǎn)品量達(dá)到1.5億件產(chǎn)品。相比之下，我國(guó)的ZigBee技術(shù)發(fā)展的比較緩慢，市場(chǎng)占有率不大，相關(guān)企業(yè)不是很多，但是在一些無(wú)線抄表，家庭娛樂(lè)上還是有一定的應(yīng)用的。 相信，在不久的將來(lái)，作為新興的短距離無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee產(chǎn)品將以各種各樣的方式快步向我們走來(lái)，成為人類生活中不可或缺的一

36、部分。第三章 溫度傳感器終端設(shè)計(jì)3.1 溫度傳感器終端設(shè)計(jì)的基本原則在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要有以下幾個(gè)原則： l 高精度。在多數(shù)的實(shí)驗(yàn)室中，溫度都是比較敏感的環(huán)境指標(biāo)，因此就要求傳感器終端的對(duì)溫度變化的靈敏度與其精度要足夠高。 l 低成本。在多數(shù)情況下，終端所監(jiān)測(cè)的環(huán)境圍比較廣，特別是在某些大型實(shí)驗(yàn)室，要求布置的終端個(gè)數(shù)較多，因此考慮單個(gè)終端的成本尤為重要。l 低功耗。低功耗也是傳感器終端非常重要的性能指標(biāo)之一，因?yàn)榻K端一般都是采用電池供電，而且經(jīng)常放在一些環(huán)境比較復(fù)雜，不宜經(jīng)常更換的地方。這就要求終端的功耗要低，盡可能的延長(zhǎng)電池的使用壽命，進(jìn)而延長(zhǎng)了整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命。l 設(shè)備簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)傳感器終端應(yīng)

37、當(dāng)?shù)谋M可能小，以便其安裝，更能減低成本。3.2 溫度傳感器終端總體設(shè)計(jì)方案由于考慮到該終端要具有高精度、低功耗、設(shè)備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，所以微處理芯片將直接選取 Chipcon 公司生產(chǎn)的世界上首個(gè)真正的單芯片ZigBee解決方案CC2430作為終端的核心。將采用模塊式的設(shè)計(jì)方案，終端包括微處理器模塊（集成了無(wú)線射頻模塊）、數(shù)據(jù)采集模塊以與電源模塊。傳感器終端的主要工作是將溫度傳感器測(cè)量出的溫度信息，經(jīng)過(guò)微處理芯片的處理，在經(jīng)過(guò)無(wú)線射頻部分將信息傳送出去給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。圖3.1 設(shè)備終端模塊3.3 終端硬件設(shè)計(jì)3.3.1 射頻收發(fā)芯片CC2430出自挪威Chipcon公司，是一款真正符合IE

38、EE802154標(biāo)準(zhǔn)的片上ZigBee產(chǎn)品。該芯片延用以往CC2420芯片的結(jié)構(gòu)，在單個(gè)芯片上集成ZigBee射頻(RF)前端、存和微控制器。它使用一個(gè)8位MCU(8051)，具有3264128 kB可編成閃存和8 kB的RAM，還包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器、AES-128安全協(xié)處理器、看門狗定時(shí)器、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路。CC2430還有21個(gè)可編程的I/O口引腳，PO、P1口是完全的8位口，P2口只有5個(gè)可使用的位。通過(guò)軟件設(shè)定一組SFR寄存器的位和字節(jié)，可使這些引腳作為通常的IO口或作為連接ADC、計(jì)時(shí)器或USART部件的外圍設(shè)備IO口使用。

39、其IO口引腳功能如下：16腳(P12P17)：具有4 mA輸出驅(qū)動(dòng)能力；8，9腳(P10，P11)：具有20 mA的驅(qū)動(dòng)能力；1118腳(P0OP07)：具有4 mA輸出驅(qū)動(dòng)能力；4346，48腳(P20P24)：具有4 mA輸出驅(qū)動(dòng)能力。圖3.2 CC2430外部接口電路圖可使天線性能路使用一個(gè)非平衡天線,連接非平衡變更好。電路中的非平衡變壓器由電容C341和電感L341、L321、L331以與一個(gè)PCB微波傳輸線組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50 )的要求。部T/R交換電路完成LNA和PA之間的交換。R221和R261為偏置電阻，電阻R221主要用來(lái)為32 MHz的晶振提供一個(gè)

40、合適的工作電流。用1個(gè)32 MHz的石英諧振器（XTAL1）和2個(gè)電容（C191和C211）構(gòu)成一個(gè)32 MHz的晶振電路。用1個(gè)32.768 kHz的石英諧振器（XTAL2）和2個(gè)電容（C441和C431）構(gòu)成一個(gè)32.768 kHz的晶振電路。電壓調(diào)節(jié)器為所有要求1.8 V電壓的引腳和部電源供電，C241和C421電容是去耦合電容,用來(lái)電源濾波,以提高芯片工作的穩(wěn)定性。圖3.3 CC2430部功能圖CC2430芯片采用018 pm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特

41、性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。 其特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面： l 一個(gè)加強(qiáng)型的工業(yè)級(jí)的8051微處理器，具有極低的功耗，更快的運(yùn)行速度。 l 部集成了一個(gè)直接序列擴(kuò)頻的射頻收發(fā)器(DSSS)。 l 支持載波偵聽(tīng)多點(diǎn)接入（沖突檢測(cè)）(CSMA-CA)。由于無(wú)線產(chǎn)品適配器不易檢測(cè)信道 中是否存在沖突，通過(guò)沖突檢測(cè)后，一方面可以查看介質(zhì)是否空閑，一方面可以 避免信號(hào)的沖撞，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 l 功耗低。在接收的模式下，其損耗低于27mA；在發(fā)射模式下，其電流損耗低于25mA；在掉電模式下，損耗只有0.9A；掛起方式下，電流損耗更是小于0.6A。 l 片上資源豐富。CC2430部集成了電池

42、監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器、溫度傳感器、2個(gè)串行收發(fā)模塊（USART）等等。3.3.2 溫度采集芯片 DS18B20 介紹DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9-12位的數(shù)字值讀數(shù)方式?？梢苑謩e在93.75ms和750ms完成9位和12位的數(shù)字量,并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線(單線接口)讀寫(xiě),溫度變換功率來(lái)源于數(shù)據(jù)總線,總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電,而無(wú)需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單

43、,可靠性更高.他在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進(jìn),給用戶帶來(lái)了更方便的使用和更令人滿意的效果。DS18B20的特點(diǎn):l 獨(dú)特的單線接口方式：DS18B20與微處理器連接時(shí),僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊；l 在使用中不需要任何外圍元件；l 可用數(shù)據(jù)線供電電壓圍+3.0+5.5V；l 測(cè)溫圍:-55+125,固有測(cè)溫分辨率為0.5；l 通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)字讀數(shù)方式；l 用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值；l 支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能：多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上,實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫;l 負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因

44、發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。圖3.4 DS18B20引腳圖DS18B20 有三只引腳，VCC，DQ，和VDD。圖3.5 DS18B20外部連接而HJ-2G 板子上，采用了外部供電的方式，而總線必須上拉電阻。這一目的告訴我們，一線總線在空置狀態(tài)時(shí)，都是一直處于高電平。圖3.6 DS18B20部寄存器DS18B20 的部有64 位的ROM 單元，和9 字節(jié)的暫存器單元。64 位ROM 包含了DS18B20 唯一的序列號(hào)（唯一的名字）。3.3.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和上位PC機(jī)相連接，并和終端節(jié)點(diǎn)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器是實(shí)現(xiàn)組星型網(wǎng)的關(guān)鍵。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由電源模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊、按鍵模塊、串口

45、模塊、LED指示燈、處理器 CC2430模塊、天線模塊7部分組成。CC2430的工作電壓為 33.3 V，所以要用電壓轉(zhuǎn)換模塊把電壓從5 V降低到 3.3 V左右；用戶通過(guò)按鍵來(lái)選擇功能菜單，確定采集哪個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的數(shù)據(jù)。處理器處理采集的數(shù)據(jù)后，通過(guò)串口模塊傳給上位機(jī)，進(jìn)行進(jìn)一步處理。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用電路如圖3.7所示。圖3.7 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用電路圖3.3.4 傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器CC2430模塊、天線模塊、電源模塊、電源管理模塊、功率放大模塊、LED指示燈部分組成。LED指示燈由 P1_0口控制，LED用來(lái)顯示現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。電源模塊主要給處理器和電源管理模塊

46、供電。當(dāng)需要采集數(shù)據(jù)時(shí)由P0_0口選通電源管理模塊，電源管理模塊就可以給傳感器模塊和功率放大器模塊供電了。傳感器模塊負(fù)責(zé)采集監(jiān)測(cè)區(qū)域的數(shù)據(jù)，傳感器采集的數(shù)據(jù)信號(hào)放大后給處理器進(jìn)行下一步處理。處理器模塊先把采集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)由天線發(fā)出。圖3.8 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)3.3.5 上位機(jī)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)（1）JTAG程序調(diào)試接口CC2430提供了一個(gè)JTAG程序調(diào)試接口，用于用戶連接仿真器調(diào)試程序和仿真使用。圖3.9 JTAG電路原理圖（2）RS232接口RS232接口是一種常用于同PC機(jī)通信的接口，我們可以編寫(xiě)簡(jiǎn)單的串行程序使CC2430通過(guò)串口與PC機(jī)完成通

47、信。其電路原理如下圖3.10 RS232電路原理圖3.3.6 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)由于USB接口提供的是5V電源，而CC2430的工作電壓為3.3V，所以對(duì)電源需要設(shè)計(jì)5V轉(zhuǎn)3.3V電路，其原理圖如下：圖3.11 系統(tǒng)電源原理圖3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件由數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端程序組成，均包括初始化程序、發(fā)射程序和接收程序。初始化程序主要是對(duì)單片機(jī)、射頻芯片、SPI等進(jìn)行處理；發(fā)射程序?qū)⒔⒌臄?shù)據(jù)包通過(guò)單片機(jī)SPI接口送至射頻發(fā)生模塊輸出；接收程序完成數(shù)據(jù)的接收并進(jìn)行處理。圖3.12 數(shù)據(jù)采集段軟件流程圖3.13 數(shù)據(jù)接收端軟件流程圖3.14 系統(tǒng)軟件流程第四章 地鐵站溫度檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)4.1 總

48、體方案設(shè)計(jì)該系統(tǒng)采用樹(shù)狀無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，系統(tǒng)只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，若干個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)與若干個(gè)RFD節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器安裝在有人值守的監(jiān)控室，負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)，并顯示當(dāng)前整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的狀況，且把收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)中。RFD負(fù)責(zé)安裝在各個(gè)地鐵站的不同位置中，負(fù)責(zé)采集溫度值，然后定期或有中斷時(shí)，把數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。監(jiān)控人員在控制室通過(guò)顯示器就可以對(duì)地鐵站溫度進(jìn)行監(jiān)視，無(wú)須到地鐵站溫度測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)。RFD節(jié)點(diǎn)有CC2430、溫度傳感器和天線組成。節(jié)點(diǎn)通過(guò)溫度傳感器DS18B20檢測(cè)所處環(huán)境的溫度，然后通過(guò)天線發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。溫度傳感器使用DS18B20，特別適合于廉價(jià)，小尺寸的應(yīng)用中。溫度數(shù)據(jù)從部溫度

49、敏感元件轉(zhuǎn)換而來(lái)，分辨率高達(dá)0.1。為了減少對(duì)其他設(shè)備和系統(tǒng)的干擾和影響，在保證設(shè)備能夠正常地工作的條件下，每個(gè)設(shè)備的發(fā)射功率應(yīng)盡可能地小。通常，ZigBee的發(fā)射功率在0+10 dBm，通信距離圍為100m，可擴(kuò)大到約300 m，其發(fā)射功率利用設(shè)置的相應(yīng)服務(wù)原語(yǔ)進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)中RFD節(jié)點(diǎn)的最小發(fā)射功率為-3 dBm。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器端，為保證設(shè)備能正常接收到RFD節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)，其有用信號(hào)不能太大，否則，將造成接收信息堵塞，不能正常地接收。通常接收端的有用信號(hào)的最大輸入電平就是有用信號(hào)的最大功率值，本設(shè)計(jì)接收機(jī)的最大輸入電平值為-20 dBm。本系統(tǒng)軟件包括傳感器節(jié)點(diǎn)程序，匯聚節(jié)點(diǎn)程序和計(jì)算機(jī)

50、程序三部分。其中，計(jì)算機(jī)程序是上位機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和在 SQL server2000數(shù)據(jù)庫(kù)中的存儲(chǔ)、調(diào)用。傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)程序是前端ZigBee網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)程序，這兩部分程序相互配合，共同完成了數(shù)據(jù)的采集、傳輸和對(duì)網(wǎng)絡(luò)的管理，是軟件編制的重點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)程序主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。根據(jù)安放的位置，它還可以成為一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)消息的中繼轉(zhuǎn)發(fā)。匯聚節(jié)點(diǎn)是ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，是網(wǎng)絡(luò)的控制中心。它的程序一方面負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的配置和管理，包括定義通信信道、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符 (PANID)，配置網(wǎng)絡(luò)的profile，響應(yīng)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求和綁定請(qǐng)求，為其他節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址、維護(hù)路由表等

51、；另一方面還接收各傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，將其進(jìn)行匯合整理后傳給計(jì)算機(jī)。圖4.1 樹(shù)簇型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖4.2 下位機(jī)軟件程序的開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中高效的傳輸是前端ZigBee網(wǎng)絡(luò)程序開(kāi)發(fā)的最終目的。本節(jié)將以傳感器采集上來(lái)的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸為主線，介紹數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收等程序模塊的開(kāi)發(fā)。在網(wǎng)絡(luò)中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)固定的地址。連接于監(jiān)控主機(jī)的傳感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)，它采用串行接口與監(jiān)控主機(jī)通信。數(shù)據(jù)的傳送采用主從站方式,與監(jiān)控主機(jī)連接的節(jié)點(diǎn)作為主站，控制網(wǎng)絡(luò)的通信時(shí)序；其他節(jié)點(diǎn)作為從站,可以被主站尋址。主節(jié)點(diǎn)主要完成采集各從節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行預(yù)處理；從節(jié)點(diǎn)主要完成各種傳感器原始數(shù)據(jù)的采集工作。溫

52、度信息的采集一般分為兩種情況，一種是自動(dòng)采集，一種是手動(dòng)采集。自動(dòng)采集是靠終端的定時(shí)器來(lái)完成的，將定時(shí)器設(shè)定一個(gè)初值后，便啟動(dòng)定時(shí)器，當(dāng)?shù)竭_(dá)定時(shí)值時(shí)便觸發(fā)中斷，開(kāi)始測(cè)量溫度值，測(cè)量完成后通過(guò)射頻部分將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，之后終端進(jìn)入低功耗模式，定時(shí)器重裝，繼續(xù)計(jì)時(shí)，循而往復(fù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集；手動(dòng)采集則是由協(xié)調(diào)器發(fā)出查詢指令給指定終端，終端識(shí)別出是給自己的指令后立即開(kāi)啟傳感器，進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)處理后立即上傳給協(xié)調(diào)器，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)采集。4.3上位機(jī)程序設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)中，上層管理軟件采用3層C/S模式,實(shí)時(shí)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成用戶最終關(guān)心的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式。局域網(wǎng)的終端用戶在經(jīng)過(guò)授權(quán)后，可以讀

53、取監(jiān)控主機(jī)上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)。監(jiān)控應(yīng)用軟件還對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跟蹤管理。對(duì)于監(jiān)控到的異常情況，上層管理軟件使用聲光、短信、實(shí)時(shí)報(bào)警方式?？娠@示參數(shù)列表、實(shí)時(shí)曲線圖(對(duì)應(yīng)具體數(shù)值并任意調(diào)整坐標(biāo))、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、折算數(shù)據(jù)、累計(jì)數(shù)據(jù)、歷史、報(bào)警畫(huà)面、報(bào)表等多種顯示。統(tǒng)計(jì)功能可根據(jù)用戶需求具體設(shè)計(jì)。在編寫(xiě)完ZigBee網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)程序之后，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)就可以傳至計(jì)算機(jī)了。計(jì)算機(jī)上的程序通過(guò)RS-232串口讀取匯聚節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，并將處理結(jié)果保存在SQLServer2000數(shù)據(jù)庫(kù)中。所以計(jì)算機(jī)程序的開(kāi)發(fā)工具必須支持對(duì)串口的讀寫(xiě)操作和對(duì) SQLserve

54、2000數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)并具備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。微軟公司的Visualc6.0能夠滿足上述要求，所以計(jì)算機(jī)端的程序是在VC6.0這個(gè)平臺(tái)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。其功能主要包括多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，單節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)曲線顯示，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，歷史數(shù)據(jù)的查詢和對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)工作模式的控制。4.3.1計(jì)算機(jī)串口驅(qū)動(dòng)程序VC+提供了一種ActiveX控件訪問(wèn)計(jì)算機(jī)串口的方式。ActiveX控件技術(shù)是國(guó)際上通用的基于Windows平臺(tái)的軟件技術(shù)，許多軟件都采用此種方式開(kāi)發(fā)。VC+提供了一個(gè)專門用于串口操作的ActiveX控件MSCOmm。利用MSCOmm訪問(wèn)串口時(shí)，首先向工程中插入一個(gè)MsCOmm控件，然后為其關(guān)聯(lián)一個(gè)控

55、件變量m_ctrlComm。之后，就可以利用 m_ctrlComm的成員函數(shù)設(shè)置串口屬性，對(duì)串口進(jìn)行讀寫(xiě)操作了。在程序中使用計(jì)算機(jī)的串口1進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，波特率設(shè)置為115200。4.3.2數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示為提供一個(gè)友好的人機(jī)交互界面，使工程師能與時(shí)查看ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳的數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)了數(shù)據(jù)在屏幕上的實(shí)時(shí)顯示。顯示模式分為兩種，一種是多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)同時(shí)顯示，另一種是單節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線顯示。多節(jié)點(diǎn)模式將ZigBee網(wǎng)絡(luò)中所傳感器節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)顯示在一個(gè)對(duì)話框中。4.3.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)的查看ZigBee網(wǎng)絡(luò)布置完成后，大量傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)程序應(yīng)該保證這些數(shù)據(jù)的與

56、時(shí)存儲(chǔ)，為以后的數(shù)據(jù)查詢和處理提供方便。SQLserver2000是一種功能強(qiáng)大的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)表的形式存儲(chǔ)在其中，具有使用方便、可伸縮性好、與相關(guān)軟件集成程度高、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，是海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的一種上佳選擇。所以，設(shè)計(jì)軟件時(shí)選擇了SQLserver2000實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。程序采用了OLEDB技術(shù)訪問(wèn) SQLserver2000數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)程序首先使用SQLserver2000建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，并根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目建立若干個(gè)數(shù)據(jù)表。然后利用ADO對(duì)其編程，把不同傳感器節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)按照其網(wǎng)絡(luò)地址實(shí)時(shí)地存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)的各個(gè)數(shù)據(jù)表中。存儲(chǔ)容包括數(shù)據(jù)采集時(shí)

57、間、傳感器節(jié)點(diǎn)地址、環(huán)境參數(shù)值和電池電壓值。4.4無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組建與數(shù)據(jù)傳輸4.4.1 樹(shù)簇網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)ZigBee 支持三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，星形、樹(shù)簇形與網(wǎng)絡(luò)型。每一個(gè) ZigBee 設(shè)備 都有一個(gè)唯一的 64 位 IEEE 地址，并可用這個(gè)地址在低數(shù)據(jù)傳輸速率的無(wú)線個(gè)域 網(wǎng)（簡(jiǎn)稱 PAN）中進(jìn)行通信，但是當(dāng)終端和主協(xié)調(diào)器建立連接后會(huì)自動(dòng)分配一個(gè) 16 位的短地址，此后就會(huì)用這個(gè)短地址在 PAN 中進(jìn)行通信。 由于考慮到在實(shí)驗(yàn)室這種分布圍相對(duì)較大的環(huán)境中建立網(wǎng)絡(luò)，我們將選擇 樹(shù)簇形的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在建立這樣一個(gè)低數(shù)據(jù)傳輸速率的無(wú)線個(gè)域網(wǎng)時(shí)，其大體的流程如下，首先要啟動(dòng)主協(xié)調(diào)器的 PAN 建立，它會(huì)選擇一個(gè) PAN 標(biāo)示符，將自身的短地址設(shè)置為0，然后開(kāi)始向與它鄰近的設(shè)備發(fā)送信標(biāo)，告訴其他設(shè)備現(xiàn)在可以連接網(wǎng)絡(luò)了。這也就形成了樹(shù)簇網(wǎng)絡(luò)的第一級(jí)。協(xié)調(diào)器與這些終端設(shè)備構(gòu)成了父子關(guān)系，并在終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)為其分配一個(gè)唯一的 16 位短地址。如果某些終端要具備路由功能的話，還要為其分配一個(gè)地址塊（包含若干個(gè) 16 位短地 址）。具有路由功能的終端在接受到主協(xié)調(diào)器信標(biāo)信息后，就會(huì)開(kāi)始配送自己的信標(biāo)，允許自己的子設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，子設(shè)備也可以有自己的子設(shè)備，這樣便形成了多級(jí)樹(shù)簇形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。圖4.2 樹(shù)簇狀網(wǎng)絡(luò)工作流程圖