面向物联的袋式除尘器监测系统设计.docx

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面向物联的袋式除尘器监测系统设计

密级：

公开

NANCHANGUNIVERSITY

学士学位论文

THESISOFBACHELOR

（2011年—2015年）

题目面向物联的袋式除尘器检测系统设计

学院：

信息工程学院系：

自动化系

专业班级：

测控技术与仪器112班

学生姓名：

陈鹏学号：

5801211098

指导教师：

张宇职称：

讲师

起讫日期：

2015.3.1——2015.6.2

南昌大学

学士学位论文原创性申明

本人郑重申明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。

对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。

本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

保密□，在年解密后适用本授权书。

本学位论文属于

不保密□。

（请在以上相应方框内打“√”）

作者签名：

日期：

导师签名：

日期：

面向物联的袋式除尘器监测系统设计

专业：

测控技术与仪器学号：

5801211098

学生姓名：

陈鹏指导教师：

张宇

摘要

袋式除尘器内部布满了管道与阀门，为了实时了解袋式除尘器的工作状况，以及在出故障时及时发现问题，需要在袋式除尘器内部增加监测系统。

以ZigBee为核心的无线传感网络系统具有短延时，低功耗，低成本，高可靠，高安全，网络容量大，网络自组织自愈的特点。

本系统采用TI公司基于ZigBee协议研发的芯片CC2530，以及配套的协议栈Z-Stack，结合所需的传感器，实现数据采集，数据无线传输的功能。

论文将会简要介绍ZigBee的框架，以及各层功能，将会涉及到一些基本概念。

然后介绍TI公司的协议栈Z-Stack，主要包括OSAL（操作系统抽象层）的运行机理，各个文件的作用，最后会以按键为例描述事件的触发流程。

接着介绍硬件系统设计，这部分主要参考TI公司官网提供的设计参考库。

最后介绍如何利用CC2530和Z-Stack组建一个用户体验好的基础无线传感网络。

这个无线传感网可以实现以下功能：

数据传输，终端节点休眠，节点入网控制，网络自组织自愈，设置网络地址，配合上位机显示网络结构。

关键字：

ZigBee；Z-Stack；CC2530；休眠；入网控制；设置网络地址；显示网络结构

DesignofBagfiltermonitoringsystemforInternetofthings

Abstract

Thebagfilterisfilledwithpipelineandvalve,soweshouldincreasethemonitoringsysteminthebagfiltertoknowtheworkingstatusofitintimeandpresenttheproblemwhenitbreaksdown.

Thewirelesssensornetworksystem,whichbasedonZigBee,hasthefeaturesofshortdelay,lowpowerconsumption,lowcost,highreliability,highsecurity,networkselforganizationandself-healingofnetwork.

ThesystemusesthesupportingprotocolstackZ-StackandthechipCC2530,whichisresearchedanddevelopedbasedonZigBeeprotocol,combiningwiththerequiredsensorfordataacquistionandwirelesstransmissionfunction.

ThepaperwillbrieflyintroducetheframeworkofZigBeeandthefunctionofeachlayer,itwillinvolvesomebasicconcept.

ThenitwillintroducetheZ-StackprotocolstackofTIcompany,includingtheworkingmechanismofOSAL（operatingsystemabstractinglayer）,theroleofeachfileandtakethekeyasanexampletodescribetheeventtriggeredprocess.

Thenitwillintroducethehardwaresystemdesign,whichmainlyconsultthereferencelibraryprovidedbyTIcompany’swebsite.

Finally,itwillintroducehowtobuildagooduserexperiencebasewirelessseniornetworkwithCC2530andZ-Stack.Thewirelesssensornetworkcanachievefollowingfunctions:

datatransmission,enddevicedormant,accessnetworkcontrol,networkself-organizationselfhealing,setnetworkaddress,coordinatewithPCdisplaynetworkstructure.

Keyword:

ZigBee；Z-Stack；CC2530；enddevicedormant；accessnetworkcontrol；

displaynetworkstructure

第一章绪论

1.1引言

ZigBee是一种新兴的短距离，低速率无线网络技术。

诞生之初主要用于工业自动化控制的数据传输，后来逐步向智能家居，智能楼宇，疾病监控，健康管理，远程控制等领域拓展。

1.2ZigBee的发展与现状

ZigBee联盟成立于2001年，于2004年发布了ZigBee协议规范（ZigBeeSpecification），ZigBee2004，这个版本的协议有许多漏洞。

在2006年，ZigBee联盟又推出了ZigBee2006，这个版本的协议比较完善。

在2007年，ZigBee联盟又在06版的基础上推出了新的协议规范ZigBee2007/PRO。

这个版本的协议具有网络自组织、自愈，低功耗，低成本等优点。

ZigBeeSpecification是目前应用最广的协议。

2009年3月，又推出ZigBeeRF4CE。

它专门为简单，双向，点对点控制的应用而设计。

它不要求实现ZigBee协议那样的全功能网状网络结构，对存储空间的要求低，简单的点对点网络结构使得设计和测试都更简单，从而可以快速的应用到项目中。

2013年3月，ZigBee联盟推出了第三套规范——ZigBeeIPSpecification。

ZigBeeIP是第一个基于IPv6全无线网状网络解决方案的开放标准，为控制低功耗、低成本的装置提供无缝衔接的互联网连接。

它可以将许多不同的设备接入到同一个网络中。

它专门为即将到来的ZigBeeSmartEnergyversion2提供支持。

ZigBee的实现方案主要有三种：

ZigBeeRF+MCU；ZigBee协议栈芯片+外挂芯片；单SOC。

第一种指的是用ZigBee无线收发器配合单片机来实现，优点是超低功耗；第二种是用集成了2.4G无线射频收发和微处理器功能的专用芯片，外加一款起提高系统性能或者降低专用芯片负担作用的芯片来实现，优点是灵活性大，上市快；最后一种是指ZigBee射频和单片机以及Flash存储三部分集成在了一颗IC上的芯片，优点是集成度高。

ZigBee的第一款片上系统（SoC）解决方案是CHIPCON于2004年12月推出的CC2430无线单片机，此后各大半导体公司先后推出各种ZigBee芯片。

2006年，TI公司收购CHIPCON公司，之后不断改进ZigBee芯片。

2008年2月，推出第二代ZigBee收发芯片CC2520，同年6月推出2.4G放大芯片CC2591。

[1]

目前市场上ZigBee芯片提供商有：

TI（Chipcon）；Freescale；Ember；Jennic；Atmel；Integration；NEC；OkI；Renesas；等9家。

其中TI；Frescale；Ember；Jennic是市场上主导的供应厂商，这四大厂商基本上垄断了整个90%的市场份额。

1.3ZigBee技术特点

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。

它从下到上可以分为物理层，媒介访问控制层，网络层，应用层。

其中物理层和媒介访问控制层遵循IEEE802.15.4标准；ZigBee联盟在IEEE802.15.4的标准上定义了网络层和应用层的框架。

ZigBee技术具有以下特点：

高可靠。

物理层和介质访问控制层遵循IEEE802.15.4标准，采用正交相移键控（O-QPSK）调制技术和直接序列扩频（DSSS）技术相结合，提供一个高信噪比环境。

采用带有冲突避免的载波监听多路访问（CSMA-CA）技术，可以尽量避免冲突的发生。

采用16位循环冗余校验码（CRC）技术，可以检测数据传输的正确性，在通信过程中采用全应答方式，确保数据成功地被接收。

另外，在网状网络中，使用动态路由以及路由修复策略，可以保证数据多跳传输的可靠。

成本低。

芯片价格低，协议栈免费使用；频段免费使用；使用免专利费的AES-128位加密技术。

低功耗。

由于大部分时间处于休眠状态，两节5号电池可以维持一个终端节点工作6~24个月。

高安全。

ZigBee提供三种安全服务：

构造安全，网络访问控制，应用数据安全。

数据加密使用AES-128安全算法，而且还可以更新密钥。

低速率。

ZigBee主要应用于数据传输量小的应用场合，为了实现低功耗以及低成本，低速率是可以接受的。

ZigBee在2.4G频段可以提供250kbps的原始数据吞吐率，在915MHZ为40kbps，在868MHZ为20kbps。

高容量。

每个ZigBee网络可以容纳65000个节点。

由于可以容纳的节点多，ZigBee网络的覆盖范围自然而然也就大了。

网络自组织自愈。

ZigBee的节点在与父节点失去联系后能够自动寻找新的父节点，重新加入网络。

[2]

1.4ZigBee的发展趋势

在协议规范方面，ZigBee已经推出了ZigBeeIPSpecification，这个协议可以实现物联网与互联网相连。

在应用层面，ZigBee联盟目前已经针对不同的领域推出更有针对性的应用层方案标准。

在ZigBee诞生之初，所有的应用领域都使用相同的标准，而近年来，ZigBee针对不同领域推出了不同的标准，以便更有针对性地解决问题。

在ZigBee联盟官网上已经有各种不同的应用层标准，如ZigBeeBuildingAutomation，ZigBeeRemoteControl，ZigBeeSmartEnergy，ZigBeeHomeAutomation，ZigBeeHealthCare等。

可以预见，ZigBee将继续拓展应用领域，并提出对应的应用标准，以便更好地满足用户需求。

在ZigBee联盟官网上，有一个ZigBee3.0，目前处于测试中。

其主要目的是将市场上ZigBee的各个主要的应用层标准统一，这样可以使得各种智能产品在同一个网络中工作，同时简化与互联网的连接。

第二章ZigBee简介

ZigBee是一种低速率无线通信协议。

它可以工作在868MHZ，915MHZ和2.4G3个频段，最大传输速率为250kbps。

ZigBee主要是针对低速率、低成本、电池供电的应用场合。

ZigBee终端节点的绝大部分时间都处于睡眠模式，也正因为这样，它才能够考两节5号电池维持6~24个月。

随着物联网的发展，ZigBee被广泛应用到工业自动化，智能家居，智能楼宇，远程控制，自动抄表，医疗设备等领域。

2.1ZigBee协议层结构

建立一种通信协议经常会用到层的概念。

每一层实现特定的功能，只有相邻层之间才能够进行数据，指令的传输。

分层，有许多方便之处。

首先可以将复杂的任务分解，从而降低难度，并且可以使得各个任务同时开发，缩短研发时间；其次，由于各层之间相对独立，当协议更新的时候，只需要修改对应的层即可，无需推倒重来；再次用户可以专注于应用层开发，而需过多关注其他层。

[3]4．ZigBee协议层结构如图2-1所示：

图2-1ZigBee协议层框架

从图中可以看出，ZigBee的物理层（PHY）和媒介接入控制层（MAC）遵循IEEE802.15.4标准。

ZigBee联盟将IEEE802.15.4标准做了适当的修改后，在其基础上定义了网络层（NWK），应用支持子层，ZigBee设备对象，安全服务提供层。

2.2层与层的通信

层与层之间的通信使用的原语概念。

原语可以理解为基本命令，基本操作，原始语句，原始语句是针对程序语句而言。

只有相邻层之间才能通信，具体表现为调用函数和传递数据。

虽然各层之间的功能不同，但是层与层之间的通信却是相似的。

每一个原语指定了要执行的任务或者指示任务执行的结果。

原语也可以携带参数。

下图显示了四种类型的原语。

不管是IEEE802.15.4协议还是ZigBee协议，它们描述的服务都使用这些格式来表达。

原语类型如下：

.request

.indication

.response

.confirm

其中request和response由服务使用者（上层）产生，indication和confirm由服务提供者（下层）产生。

下面这张图可以形象的表达这种关系。

图2-2原语通信过程

请求服务（request）是由上层发出，用于向下层请求服务。

比如MAC层向PHY层请求发送MAC数据包。

指示事件（indication）是下层向上层报告有对上层很重要的事件发生。

比如PHY层收到其它节点发来的数据，并且需要向上传递给MAC层。

PHY使用PD-Data.indication将数据传送给MAC层。

如果指示事件原语要求应答（response），那么上层将使用应答原语应答下层。

值得注意的是PYH层和NWK层没有应答原语，MAC层和APL层（应用支持子层，后文将会介绍）有应答原语。

确认结果（confirm）原语是由下层发出，用于告知上层先前请求的任务执行的结果。

[3]43．

各层之间的使用原语来通信，而它们接触的地点是在服务接入点（serviceaccesspoints，SAP）。

服务接入点是个概念性的地点，层与层在那里进行数据传输。

服务接入点分为数据服务接入点和管理服务接入点。

2.3ZigBee各层介绍

2.3.1物理层（PHY）

物理层是协议栈的最底层，与硬件联系最紧密。

它的主要功能有：

信道设置。

ZigBee共有27个信道。

其中信道0处于频段868.0~868.6MHZ，信道1~10处于频段902.0~928.0MHZ，相邻信道间隔2MHZ，信道11~26处于频段2400.0~2483.5MHZ之间，相邻信道间隔5MHZ。

信道能量侦测。

选择一个安静的信道可以减少噪声，提高通信质量，节约能量。

载波监听。

为了减少碰撞，节点在发送数据之前会先判断信道是否有其它的相同调制方式的载波，如果信道被占用，则会等待一段时间再次侦听。

链路质量指示。

用于指示接收到数据包的质量，可以用信号强度或者信噪比来指示。

链路质量指示可以被网络层作为选择路由路径的一个参数。

空闲信道评估。

对载波监听的结果进行处理，判段信道是否处于空闲状态。

[3]47．

2.3.2介质访问控制层（MAC）

MAC层主要有以下功能：

协调器产生信标和使用超帧结构。

如图2-4所示，在使用信标的网络中，

图2-3超帧结构

协调器会周期性的发出信标，来开始一个超帧，信标中包含了两个信标的间隔以及保证时隙（GTS）的个数等信息。

每个超帧分为16个等长的时槽。

超帧可以分为竞争接入期（CAP）、免竞争接入期（保证时隙期，GTS）和休眠期。

在竞争接入期，各个设备想要使用信道要通过CSMA-CA机制来竞争；在非竞争接入期，协调器会将保证时隙分给指定的设备使用，用来保证一些实时性高的数据传输；以上两个时期统称活跃期。

活跃期过后，如果选择休眠，那么就进入休眠期，在休眠期允许设备进入节电模式。

在信标使能网络中同步设备。

设备可以请求与协调器同步，这样就可以信标发出之前的那一瞬间打开接收机，而不必一直处于接收状态。

信道接入采用CSMA-CA机制。

为了尽可能减少碰撞，节点采用带有冲突避免的载波坚挺多路访问机制（CSMA-CA）来接入信道。

在发送数据之前，都会监听信道，判断信道是否被占用，如果被占用则随机避让一段时间，再次侦听。

并不是每次发送数据都要侦听，有两种情况例外。

在超帧中的免竞争接入期，GTS已经被分配好，无需竞争；收到数据请求指令的应答后可以直接发送数据，无须竞争。

处理和维护GTS机制。

包括分配和收回GTS的使用权

在两个不同设备的MAC层间提供可靠的通信链路。

提供网络连接与断开服务。

提供MAC层的安全服务，但是上层可以决定是否使用。

[3]79．

2.3.3网络层（NWK）

网络层的功能如下：

配置一个新设备，比如配置成协调器，路由器，终端节点。

创建一个新的网络，只有协调器有此能力。

加入和离开一个网络。

提供网络层安全。

路由数据，将数据传给目的节点，只有协调器和路由器有此能力。

发现和保存路由。

发现路由路径，用于传递数据；将路径保存一段时间，以便备用，免得每次都去发现路由路径，当一段时间内没有用到后，则删除这条路径。

发现单跳邻居。

这些邻居是可以直接传输数据的节点，无须路由。

存储单跳邻居的信息。

分配网络地址给新加入的设备，只有协调器和路由器有此功能。

[3]109．

2.3.4应用层（APL）

应用层由应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和应用层框架组成。

应用支持子层的功能如下：

维护绑定表。

绑定指的是两个相关的节点建立逻辑联系。

比如一个与开关相连的节点可以与一个或多个与灯泡相连的节点建立逻辑联系，从而控制灯泡的状态。

绑定的好处是可以让应用程序在不知道目标地址的情况下也能够将数据发送到正确的地方。

在绑定设备间转发数据。

管理组地址。

ZigBee有三种数据传输方式，单播，广播，组播。

组播则只有在同一个组的节点才能收到数据。

通过物理地址获取网络地址，反之，通过网络地址获取物理地址。

每一个设备都有全球唯一的64位物理地址，在无线通信中，如果使用64为地址辨别节点，则大大增加数据量，故而使用16位的短地址。

提供可靠的数据传输。

ZigBee设备对象（ZDO）是驻留在每一个ZigBee节点中的应用对象，端点。

其功能如下：

定义设备类型，协调器，路由器，终端。

设备发现和应用发现。

发起绑定或者响应绑定请求。

执行与安全有关的任务。

[3]122．

2.3.5安全服务提供层（SSP）

安全层提供一下功能：

数据加密。

ZigBee使用AES-128加密技术，密码在2^128个数中选一个，而且可以使用动态密钥，更新密码。

设备认证和数据认证。

设备认证是在新设备入网的时候进行入网认证。

数据认证是在接收到数据后判别数据是否被中途修改过。

重复帧识别。

在每次发新帧之前，都会在帧中添加一个帧序号，接收者可以凭此识别重复帧，而不必进行处理。

在一个安全网络中，有5种密钥可以使用：

连接密钥，在两个设备单播时使用。

网络密钥，在整个网络中使用，进行广播的时候可以使用。

母密钥，参与建立连接密钥。

密钥传输密钥，用于保护密钥的传输，不包括母密钥，由信任中心向请求设备发送。

密钥装载密钥，用于保护母密钥的传输。

[3]134．

2.4各层协作

协议分层可以分解任务，降低难度。

但是要完成通信任务，少不了各层之间的协作。

下面来看一下数据收发过程中各层的协作，如图2-4所示，数据在发出的时候在每一层都会在数据上加上相应的帧头和帧尾，在数据接收的时候会被解析出其中的信息。

每一层帧以该层的名字命名。

图2-4数据收发流程

2.5ZigBee基本概念

1、ZigBee设备类型有协调器、路由器和终端节点。

它们的功能如下：

协调器是全功能设备，其功能特点如下：

选择一个频道和PANID，组建网络

允许路由和终端节点加入这个网络

对网络中的数据进行路由

必须常电供电，不能进入睡眠模式

可以为睡眠的终端节点保留数据，至其唤醒后获取。

路由器全功能设备，其功能特点如下：

在进行数据收发之前，必须首先加入一个ZigBee网络

本身加入网络后，允许路由和终端节点加入

加入网络后，可以对网络中的数据进行路由

必须常电供电，不能进入睡眠模式

可以为睡眠的终端节点保留数据，至其唤醒后获取。

终端节点可以是全功能设备也可以是半功能设备，其功能特点如下：

在进行数据收发之前，必须首先加入一个ZigBee网络

不允许其他设备加入

必须通过其父节点收发数据，不能对网络中的数据进行路由

可由电池供电，进入睡眠模式

协调器在选择频道和PANID组建网络后，其功能将相当于一个路由器。

协调器或者路由器均允许其他设备加入网络，并为其路由数据。

[4]

2、PANID与扩展PANID

PANID是16位的整数，是网络的名字，相同范围内的网络PANID不能形同。

PANID的默认值为0xFFFF，表明用户没有指定网络名称，由协调器自动分配。

通过给PANID赋值，用户可以指定网络名称。

扩展PANID是64位整数，通常用于让设备加入特定的网络。

如果扩展PANID为默认值全0，则设备可以加入任何允许加入的网络，如果为非零，则只能加入扩展PANID相同的网络。

3、地址类型

设备地址有16位的网络地址与64位的物理地址。

在通信中使用网络地址，但是在加入网络的时候，要把物理地址告知父设备。

所以通过网络地址可以得到设备的物理地址，也可以通过物理地址得到设备的网络地址。

网络地址是在加入的时候由父设备随机分配。

在同一个网络中，两类地址都不能有重复。

4、数