基于zigbee的温度监控系统论文Word文档格式.docx
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目 录
前 言
一、选题背景和意义
随着计算机软硬件技术、网络技术和工业综合自动化系统整合水平的不断发展，对监控数据传输的实时性、数据接口的开放性以及数据链接的安全性的要求越来越高，有线控制网络的局限性也越来越突出。
本课题的主要来源于工业控制中，虽对数据的实时性要求不高但距离控制终端较远:
同时需要及时的对其状态进行监测，反映故障，但生产现场环境复杂，这些情况都导致了布线不方便，且升级维护费用昂贵，同时这些情况的实时数量都不大，使用一种低速低功耗的无线网络就可以很好的解决这些问题.
在工业控制环境下的短距离无线网络技术己成为近年来业界的研究热点之一，基于Bluetooth（IEEE802.15.1）,Wi-Fi（IEEE802.11）和ZigBee（IEEE802.15.4）等协议的无线网络技术相继问世。
其中ZigBee短程无线网技术以其数据传输安全可靠、组网简易灵活、设备成本低、电池寿命长等优势，在工业控制领域中展现了深厚的发展潜力[1]。
ZigBee是一种近年来才兴起的无线网络通信技术标准。
它出现的时间较短，2004年底才由ZigBee联盟发布了1.0版本规范，尚未进入大规模的商业化生产和应用;
但是，它的上升势头十分明显，已有Chipcon、Freescale、CompXs、Ember四家公司在2005年4月通过了ZigBee联盟对其产品所作的测试和兼容性验证。
预计从今年开始，基于ZigBee的无线通信产品和应用会迅速得到普及和高速发展[2-4]。
将设备数据采集之后再通过无线ZigBee网络进行传输是ZigBee技术在工业现场环境中的一种应用，这种新兴的技术必将给工厂现代化注入新的活力。
传统的工业数据采集与控制系统，其数据传输一般以工业控制总线作为介质，以致大都局限于本地的近距离范围之内应用。
随着国民经济发展，企业及机构的管理规模不断扩大，其需要管理与控制的对象更趋多样性，甚至具有流动性，分布的范围也涉及到不同的地域。
为了对这些分散的对象进行有效的集中管理，对远程及移动数据采集与控制的需求也就日益迫切[5-6]。
ZigBee技术填补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空白，其使用的便捷性是该技术成功的关键，它适用于短距离小范围的基于无线通信的控制领域，必将在工业自动化等领域得到广泛的应用[7]。
数据采集技术已经相对成熟，将它重新构建于ZigBee网络平台之上，将成熟技术的稳定性和新技术的便捷性充分结合起来，这种结合对于工业现场十分必要。
减少了在某些场所有线网络布线以及工人人工采集数据的不便，同时可以方便的于各种传感器搭配用于不同的场合[8]。
二、无线采集系统的研究现状
无线采集系统是新一代的无线采集系统，具有非常广泛的应用前景。
其发展和应用将会给人们的生活和生产的各个领域带来深远的影响。
各国都非常重视无线网络的发展，IEEE正在努力推动无线网络的应用和发展。
目前众多的无线网络技术中，ZigBee技术作为一种新兴的无线网络技术，在工业控制、消费电子等领域以及科研开发中得到了关注和使用，显示出其强劲的应用势头。
无线采集系统在民用方面涉及城市公共安全、公共卫生、安全生产、智能交通、智能家居、环境监控等领域。
国内从事无线传感器网络应用的大企业目前为数不多，小型企业呈现蓬勃发展的势头。
随着科学技术的飞速发展，特别是在全球信息技术及其产业化的推动下，无线数据采集将会趋向于网络化、智能化、安全化的方向发展。
基于无线网络技术的数据采集系统应运而生，并将成为未来数据采集系统的重要发展方向。
智能采集系统是一种综合性的、多学科的高科技技术集合，它涉及电子、机械、计算机技术、通信技术等诸多领域。
三、芯片的选择
TI公司的CC2530系列单片机是一个8位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。
我国的多数读者对89C51系列的单片机是很熟悉的，下面是它们之间的对比：
首先，89C51单片机是8位单片机，其指令是采用的被称为“CISC”的复杂指令集，共具有111条指令。
而MSP430单片机是16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，只有简洁的27条指令。
这些内核指令均为单周期指令，功能强，运行的速度快。
其次，89C51单片机本身的电源电压是5V，有两种低功耗方式：
待机方式和掉电方式。
正常情况下消耗的电流为24mA，在待机状态下，其耗电电流仍为3mA；
即使在掉电方式下，电源电压可以下降到2V，但是为了保存内部RAM中的数据，还需要提供约50uA的电流。
而CC2530系列单片机在低功耗方面的优越之处，则是89C51系列不可比拟的。
CC2530系列单片机的电源电压采用的是1.8~3.6V～电压。
因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流会在200~400uA左右，时钟关断模式的最低功耗只有0.1uA。
因此，CC2530更适合应用于使用电池供电的仪器、仪表类产品中。
也正因为如此，本系统设计了了以无线通信领域最前沿的ZigBee技术为平台，TI公司的CC2530单片机作为无线采集系统，以减少经常更换电池给用户带来的不便。
ZigBee作为无线领域最前沿的通讯技术，其突出特点是信息传输安全可靠，另外其通讯协议对外开放，便于组网，使得研发成本大大降低，因而，从技术先进性和产品的研发成本来看，Zigbee技术非常适合应用于门禁领域。
由于ZigBee技术本身是一种新的系统集成技术，应用软件的开发必须同网络传输、射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起，使之逐渐成为无线通讯领域一个新的研究热点。
然而到目前为止，国内外基于该技术的无线采集系统为数不多，成熟化产品更加缺乏。
目前，国内外嵌入式射频芯片中，CC2530芯片是性能最好、功能更强的一个。
它结合了市场领先的ZStackTMZigBeeTM协议软件和其他Chipcon公司的软件工具，为开发出无接口、紧凑、高性能和可靠的无线网络产品提供了便利。
相信在未来几年，它的应用将会涉及到社会的更多领域。
四、课题研究内容
本课题是研究基于ZigBee技术的无线采集系统，主要对无线采集系统中的ZigBee节点（包括MCU和无线传输模块）的进行研究和应用。
本文主要研究了以下内容：
1.基于ZigBee模块（包括MCU、无线传输模块）设计的硬件电路。
2.设计了路由器、协调器和终端的无线通信网络，实现点对点之间的无线通讯的软件设计。
3.借助于计算机，实现将采集到的信息通过路由器、协调器和终端传输到计算机上，并将来自计算机的信息进行整合，从而使操作人员更好的对其进行数据分析。
五、作品的科学先进性
目前，各种无线传输技术林立，应用广泛。
每个技术都有其立足的特点或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求，或着眼于功能的扩充性，或符合某些单一应用的特别要求，各种短距离无线通信技术都在争取成为市场标准。
基于ZigBee技术的门禁系统是以无线通信领域前沿的ZigBee技术为平台，以超低功耗单片机CC2530为核心的无线数据系统，在可靠性、安全性、高效性方面具有较大优势。
成本低，超低功耗，操作方便，具有极强的可靠性、可扩充性和安全保密性。
适用于军队、工业监测及控制、建筑自动化、安全家居、游戏器具、远程监控系统。
该系统技术先进、性价比高、应用范围广，因而市场前景广阔，会带来较好的经济效益和社会效益。
第1章zigbee概述
1.1zigbee的概念
“ZigBee”是什么?
从字面上猜像是一种蜜蜂。
因为“ZigBee”这个词由“Zig”和“Bee”两部分组成，“Zig”取自英文单词“zigzag”，意思是走“之”字形，“bee”英文是蜜蜂的意思，所以“ZigBee”就是跳着“之”字形舞的蜜蜂。
不过，ZigBee并非是一种蜜蜂，事实上，它与蓝牙类似是一种新兴的短距离无线通信技术，国内也有人翻译成“紫蜂”。
这只蜜蜂的来头还是要从它的历史开始说起，早在上世纪末，就已经有人在考虑发展一种新的通信技术，用于传感控制应用（sensorandcontrol），这个想法后来在IEEE802.15工作组当中提出来，于是就成立了TG4工作组，并且制定了规范IEEE802.15.4。
但是IEEE802的规范只专注于底层，要达到产品的互操作和兼容，还需要定义高层的规范，于是2002年ZigBeeAlliance成立，正式有了“ZigBee”这个名词。
两年之后，ZigBee的第一个规范ZigBeeV1.0诞生，但这个规范推出的比较仓促，存在一些错误，并不实用。
此后ZigBeeAlliance又经过两年的努力，推出了新的规范ZigBee2006，这是一个比较完善的规范。
据联盟最新的消息，今年年底将会发布更新版本的规范ZigBee2007，这个版本增加了一些新的特性。
从ZigBee的发展历史可以看到，它和IEEE802.15.4有着密切的关系，事实上ZigBee的底层技术就是基于IEEE802.15.4的，因此有一种说法认为ZigBee和IEEE802.15.4是同一个东西，或者说“ZigBee”只是IEEE802.15.4的名字而已，其实这是一种误解。
实际上ZigBee和IEEE802.15.4的关系，有点类似于WiMAX和IEEE802.16，Wi-Fi和IEEE802.11，Bluetooth和IEEE802.15.1。
“ZigBee”可以看作是一个商标，也可以看作是一种技术，当把它看作一种技术的时候，它表示一种高层的技术，而物理层和MAC层直接引用IEEE802.15.4。
事物是不断的发展变化的，尤其是通信技术，可以想象将来的ZigBee可能不会使用IEEE802.15.4定义的底层，就跟蓝牙（Bluetooth）宣布下一代底层采用UWB技术一样，但是“ZigBee”这个商标以及高层的技术还会继续保留。
ZigBee不仅只是IEEE802.15.4的名字，IEEE802.15.4仅处理低级MAC层和物理层协议，而ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。
IEEE802.15.4技术标准是ZigBee技术的基础，完整的ZigBee协议套件由应用层、网络层、数据链路层和物理层组成。
网络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准。
ZigBee具有功耗低、成本低、网络容量大、时延短、安全、工作频段灵活等诸多优点，无论未来几年ZigBee的市场占有率如何，它的发展空间仍具有相当大的潜力。
因此，对ZigBee无线网络的数据传输安全进行研究具有非常重要的实践意义
1.2zigbee的优势
ZigBee技术优势
ZigBee技术在低功耗、低成本和组网能力具有无可比拟的应用优势。
网状网优势
MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信；
Mesh是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护；
MESH网络机构还可以组成极为复杂的网络，具有很大的路由深度和网络节点规模；
MESH网络还具备自组织、自愈功能。
抗干扰性能强
ZigBee在低信噪比的环境下ZigBee具有很强的抗干扰性能；
ZigBee技术在相同的环境中，ZIGBEE抗干扰性能远远好于蓝牙和WLAN。
ZigBee的抗干扰性能是蓝牙、WLAN和FSK的1000倍。
ZIGBEE技术的抗干扰设计
ZIGBEE在物理层采用高处理增益的直序/频率快变DS/FA技术（DirectSequence/FrequencyAgility）；
ZIGBEE的处理增益最大，抗干扰和抗多径时延扩展的能力也越强；
ZIGBEE具备的频率快变就是改变频率，以避开从一个已知干扰源或信号源来的影响的能力；
实验证明IEEE802.15.4/ZigBee的误码率，特别是在信噪比为4dB的情况下可达到10-9；
达到同样误码率，蓝牙/802.15.1信噪比要达16dB，802.11b要达10dB，ZIGBEE的抗干扰性能明显高于蓝牙和WLAN技术。
ZigBee可靠链接
ZigBee技术RF物理层上的设计保证了较强的抗干扰能力和通信可靠性；
ZigBee技术在通信协议上的可靠设计，保证了较强的抗干扰能力和通信可靠性。
ZIGBEE和蓝牙性能比较
表1-1ZIGBEE和蓝牙性能比较
ZIGBEE
蓝牙
设备功耗
低功耗，远远蓝牙功耗
比较高
网络节点
65535个
7个
传输距离
1-2000m+
1-10m
设备成本
低成本，高可靠
成本高
应用范围
采集、控制数据传输
语音、图象传输
ZIGBEE和FSK电台性能比较
表1-2ZIGBEE和FSK电台性能比较
FSK电台
无线频段
2.4G免费频段
国家非开放频段
调制方式
DSSS扩频通信
FSK频移键控方式
抗干扰能力
很好
不如ZIGBEE
频点串扰
频点间距大，无串扰
不同频段间可能串扰
符合标准
ZIGBEE、802.15.4国际标准
无统一标准
组网性能
星型、树型、MESH网状网
星型、树型，一般无路由能力
ZIGBEE与WLAN共存
ZIGBEE和WLAN共同工作在2.4G的频段，利用ZIGBEE的#15、#20、#25和#26信道，可有效避免与802.11b的信#1、#6、#11信道的相互干扰
此外，符合下列条件之一的无线通信应用都可以考虑采用ZigBee技术：
设备间距较小；
不需要很高的数据吞吐量和连续的状态更新；
设备体积很小，不容许放置较大的充电电池和电源模块；
只能使用一次性电池，或无法频繁更换电池或反复充电；
需要覆盖的范围较大，网络内需要容纳的设备较多，网络主要用于监测或控制。
ZigBee是一项新兴的短距离无线通信技术，在协议制定时就专门针对大网络扩充性和省电所设计[19]，同时，它已经被业界认同为传感器网络的基本通信组件，保证了ZigBee独立的生存空间。
由图1-1可知，主要的无线技术主要集中在1Mbps以上的速率，新的标准还在追求更高的速率，而ZigBee技术恰恰是填补低速率端无线通信技术的空缺，与其他标准在应用上几乎无交叉。
在实际应用环境中，低速率、低成本的无线通信在自动控制、无线传感器网络、家居自动化、门禁系统等诸多领域更贴近日常生活，具有广泛的市场，因此在该设计中我们选用了ZigBee技术。
图1-1几种无线通信技术的速率和距离比较
1.3zigbee的发展前景及应用
1.3.1zigbee的发展前景
从2005年起开始崭露头角的ZigBee低功耗无线传输技术，在当时曾经引起市场上的广泛注意。
然而，几年过去，此一市场并未如当初所预期的快速成长。
尽管受限于标准制订、价格、技术未臻成熟的多项因素影响，ZigBee技术本身的独特性与应用领域，仍是有可让人期待的前景。
在台湾地区，虽然缺乏知名大厂的带头投入，但是近来仍是有不少业者在默默耕耘，开发各种的ZigBee应用，希望能等待时机，为此一尚未起飞的市场做好准备。
ZigBee是一种低功耗无线传输技术，其特色是网络扩充性极强，可透过连结形成庞大的智能网络。
从2005年被正式纳入IEEE
802.15.4标准规范后，2006年起便有Freescale、TI、ST、NEC、Ember、Jennic、Oki、Renesas等厂商推出相关芯片产品，而国内也有达盛电子（UBEC）投入ZigBee的芯片开发。
ZigBee最吸引人的特性，就在于低功耗、低成本与网状网络（Mesh
Network）的拓朴架构，一台主机可同时对应到6万4千多个终端设备。
由于ZigBee的市场定位明确，主要锁定包括大楼自动化、工业、医疗及家庭自动化等领域，能够利用这样的无线感测网络（WSN）来进行温度、湿度、灯光等环境侦测，进而拓展在日常生活中的多种应用方式。
也因此，在ZigBee标准刚浮上台面之初，的确吸引了不少市场的目光。
许多市场研究公司也大力看好这项技术的发展前景。
例如，在2005年底，市场研究公司NSR曾发布报告指出，首批具备ZigBee功能的产品将于2006年第一季在北美、欧洲和亚太地区展开，该机构并预估，到2010年，全球将可望部署5.8亿个ZigBee组件，成长非常快速。
同样地，市调机构In-Stat也曾在2005年发布新闻指出，“五年内，ZigBee成长将超过200%。
”
然而，从几年前的那股热潮，到现在ZigBee的发展似乎不如当初的预期。
就在今年初，同样也是In-Stat，却发布了一份‘ZigBee发展前景难以预料”的报告。
报告指出，虽然整体ZigBee节点与芯片出货量将会从2006年的500万个，到2011年成长到1.2亿个，而且最近在自动电表领域获得了新的关注，但是由于竞争技术多，它在家电市场得到普及的可能性低，前景未定。
尽管几经起伏，国内仍有一些业者在进行ZigBee相关应用的开发，先行试探市场对于此一技术的接受度与反应，等待市场机会的到来。
已投入ZigBee应用开发两年多时间的世和数字科技公司，该公司技术长陈智盛表示，投入ZigBee主要是因为符合其母公司世正开发公司对于智能型建筑的需求，“我们认为对于办公室、家庭住宅的管理自动化、安全性、节能等各方面需求，未来将会持续成长。
而ZigBee的无线感测网络、低耗电特性，在定位、温/湿度感测方面的应用，会有很大的商机。
目前，世和已经在内湖一个1000多坪的社区中，建置ZigBee定位与门禁管理系统，同时也将在南港软件园区第三期工程中，建置包括一氧化碳、二氧化碳、温度、湿度的环境品质感知系统，利用ZigBee感测点侦测环境
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