基于ZigBee技术的无线传感网络信息平台构建技术研究.docx
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基于ZigBee技术的无线传感网络信息平台构建技术研究
本科毕业设计（论文）
基于ZigBee技术的无线传感网络信息平台构建技术研究
院部：
机械工程学院
专业：
机械设计制造及其自动化
班级：
10机自班
学号：
101401401023
学生姓名：
杨世理
指导教师：
高毅
2014年4月20日
摘要
ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，该协议拥有近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本的特点。
通过对ZigBee协议的网状网络组网方案的研究分析，提出改进的组网方案，简化了原方案中入网的流程，减少协调器对节点加入的处理事件。
ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。
ZigBee协议从下到上分别为物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。
ZigBee网络中的设备可分为协调器（Coordinator）、汇聚节点（Router）、传感器节点（EndDevice）等三种角色。
使用IAR集成编译环境的程序编译及协议栈的编译学习，并在ZigBee开发板中烧录，仿真测试，最终实现无线点台灯及部分传感器模块的正常使用并在LCD及串口中有相应显示。
关键字组网，IAR编译，协议栈，无线点台灯
Abstract
ZigBeeisbasedonIEEE802.15.4standardlow-powerpersonalareanetworkprotocol,whichhasaclose,low-complexity,self-organizing,lowpower,lowdatarate,lowcost.
ThroughthestudyofnetworkingsolutionsZigBeemeshnetworkprotocolanalysis,animprovednetworkingsolutionthatsimplifiestheprocessoftheoriginalnetworkprograms,reducingthecoordinatortohandleeventsaddedbypoint.
ZigBeeisalow-speedshort-rangetransmissionofwirelessnetworkprotocols.ZigBeeprotocol,respectivelyfromthebottomtothephysicallayer（PHY）,mediaaccesscontrollayer（MAC）,thetransportlayer（TL）,thenetworklayer（NWK）,theapplicationlayer（APL）andthelike.ZigBeedevicesinthenetworkcanbedividedCoordinator（Coordinator）,aggregationnode（Router）,sensornodes（EndDevice）,threeroles.
IARcompilerenvironmentusinganintegratedprogramtocompileandstudyprotocolstacktocompileandburnZigBeedevelopmentboard,simulationtesting,andultimatelythenormaluseofwirelesspointlampandpartofthesensormoduleandacorrespondingdisplayontheLCDandserialport.
Keywordnetworking,IARenvironment,protocolstacks,wirelesspointlamp
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1课题背景1
1.2无线网络数据传输协议对比1
1.3ZigBee简介3
1.3.1ZigBee技术优势3
1.3.2ZigBee技术的应用领域4
1.4本课题研究内容及意义4
1.4.1课题研究内容4
1.4.2设计方案4
1.4.3课题研究意义5
第2章ZigBee网络拓扑结构及节点分析与设计6
2.1ZigBee网络结构简要分析6
2.2ZigBee网络结构介绍6
2.3无线网络通信信道分析7
2.4ZigBee网络节点设计要求7
第3章ZigBee硬件设计9
3.1ZigBee芯片选型9
3.2硬件整体设计10
3.3ZigBeeCC2530核心板硬件资源11
3.4CC2530功能底板设计12
3.5CCDEBUGGER仿真器12
3.6开发平台分析与设计13
3.6.1功能特点14
3.6.2LCD1286414
3.6.3继电器16
3.6.4温度传感器DS18B2017
3.6.5烟雾传感器18
3.6.6人体红外热释电传感器19
第4章ZigBee协议栈编译及仿真20
4.1ZigBee协议栈20
4.2传感器模块仿真21
4.2.1温度传感器仿真21
4.2.2温湿度传感器仿真25
4.2.3烟雾传感器仿真25
4.2.4人体红外热释电传感器仿真26
4.3无线点灯26
结论与展望29
参考文献30
致谢31
第1章绪论
1.1课题背景
如果有一天，你一个人坐在电脑前，仅仅在自己屏幕前就能操控自己家里的电器，例如冰箱、洗衣机、空调等等，想想是不是有些不可思议，而这便是我们说的物联网时代！
过去的很多年，涉及人们生活的各项通信技术得到了快速的发展，短距离无线通信技术也越来越成为我们生活中不可以缺少的一个部分。
伴随着大量网络终端的产生，想要在短距离内实现很低成本和功耗的组网能力强的家庭自动化及，我们得寻找一个新的无线互联标准。
这些年来，无线传感快速的发展起来，在这期间也出现了多种无线网络数据传输协议标准，比如WiFi、Bluetooth，不同的协议标准相对应的是不同的应用领域，比如，WirelessUSB主要用于视频数据的传输等，WiFi主要用于大量数据的传输。
[]
随着时代发展，人们研究出了ZigBee这种技术，正好补上了短距离内无线通信应用研究领域的缺失。
越来越多的人开始研究ZigBee协议，用不了多久，以ZigBee为根本研究出来的产品会引起时代的潮流，就会像现在的WiFi网络一样随处可见，和手机、网络、电脑一般，与我们的日常生活融为一体，为我们的生活带来诸多方便。
如今这个时代，正是物联网迅速发展进步的时候，ZigBee作为非常实用的无线技术，也正在高速有效的发展着，在这种情况下，已经出现的各种无线传感网络协议也越来越具有规范性，这些协议当中，ZigBee2007是目前物联网中使用人数最多、使用范围最广、推广最好的一种协议，现在我们用的最多的是SoC芯片CC2530，这是德州仪器公司推出的完全兼容该协议的芯片，目前环境下使用这种芯片的人也最多。
德州仪器（TI）公司还有自己相关协议栈软件Z-stack，使用这款软件，CC2530的硬件的IAR软件资源便能很有效的开发出来，通过这个，我们便能组建自己的无线传感网络。
本文将结合IAR集成开发环境及ZigBee协议栈编写最终实现无线点灯等传感器仿真实验及研究。
1.2无线网络数据传输协议对比
当今社会中，WirelessUSB、Bluetooth、WiFi、Cellular等协议使用都比较广泛，他们也具有自己不同的协议，所以，在选择网络协议时，我们会根据自己的网络来挑选自己要使用的相关协议。
ZigBee和以上的几个网络之间有什么联系呢？
它的优点又有什么？
下图1-1展示了各种无线传输协议之间的对比
图11各种无线数据传输协议对比图
传输视频数据
传输音频数据
传输大量数据
峰值数据传输速率
传输距离
从图1-1中可以看到不同的无线数据传输协议在数据传输速率和传输距离有各自的使用范围和相互的关系。
蓝牙、ZigBee和IEEE802.11b协议的工作的无线通信标准都是2.4GHz频段无线通信标准。
ZigBee与蓝牙、IEEE802.11b协议的相互之间的联系：
●蓝牙的传输速率低于3Mbps，传输距离比较短，通常在2米至10米，生活中蓝牙技术也通常使用在手机之间的小数据传输。
●IEEE802.11b的传输速度表较快，最高可达11Mbps，通常的传输距离都可以达到30米至100米，Internet的无线接入技术就是通过IEEE802.11b技术提供的，我们通常使用的笔记本、手机和平板电脑等就是通过WiFi来实现上网。
●ZigBee就是一种短距离的无线传感网络，它主要用于传输控制数据，因为是控制数据，所以相对来说，数据量比较小，比较使用于小型办公网络及智能家居的控制系统。
ZigBee、蓝牙以及IEEE802.11b标准对比如表1-1、图1-2所示。
表11ZigBee、蓝牙以及IEEE802.11b标准对比
项目
数据速率
数据传输距离/m
典型应用领域
ZigBee
20~250kbs
10~100
无线传感网络
蓝牙
1~3Mbps
2~10
蓝牙耳机、无线鼠标
IEEE802.11b
1~11Mbps
30~100
无线网
数据速率
功耗设计复杂度成本
图12ZigBee、蓝牙以及IEEE802.11b标准对比
所以，ZigBee的用途主要是在短距离的无线控制系统中，来传输传输少量的控制信息。
比如，在智能化家居中，ZigBee可以用来传输控制床帘开合或者关闭信息。
1.3ZigBee简介
ZigBee技术是一种无线通信技术协议，它具有传播距离短、成本低、功耗低以及传输速率低得特点。
ZigBee最终目标就是要建立一个像手机一样到处都有的传感网络，远程控制和自动控制领域中为最佳使用平台，同时也可以镶嵌到各种设备中或者单独使用。
1.3.1ZigBee技术优势
IEEE802.15.4和ZigBee从一出现就被设计用于构建节点的无线网络中。
它的主要技术优势决定了它的这一属性。
1.功耗低：
ZigBee技术拥有三种节约电量的模式，可以确保一节电池让其使用6个月到两年的工作时间。
而蓝牙只能工作几周周、WiFi只能工作几个小时。
2.成本较低：
ZigBee数据传输速率低，网络协议比较简单，所以成本也比较低。
3.安全：
ZigBee可以检查一个数据的完整性的功能，持有认证才能接入，它使用的加密算法是AES-128加密算法。
4.有效范围小：
ZigBee覆盖范围通常在10米至100米之间，目前增强版的也在300米左右，不过对于小型办公网络及家庭来说，10米至100米是能够完全覆盖的。
1.3.2ZigBee技术的应用领域
ZigBee技术是基于小型无线网络来开发的通信协议标准，特别是ZigBee协议逐渐成熟，ZigBee技术在智能家居和工业、农业自动化方面有较大的应用前景。
在工业方面的控制使用中，ZigBee技术也是比较好的选择，选择相应的协调器节点收取传感器采集的数据，在ZigBee网络协议中来进行数据采集的发送和接收。
在智能化家居和商业楼宇自动化方面，将空调、电视、床帘控制器等通过ZigBee技术来组成一个无线网络，通过一个遥控器就可以实现各种家电的控制，这种应用场所比现行的每个家电一个遥控器方便得多。
在农业方面，传统的农业中，人们沿袭了老习惯，使用的不具备通信能力并且单独的机械设备，仍然是人工检查农田的土质、作物的生长等，假如我们在这当中应用上ZigBee技术，便可以很容易地监控作物各个的生长阶段，使用ZigBee网络，我们便能在无线网络中传输传感器的数据。
人们只需要坐在电脑屏幕面前，就能随时观测作物生长情况，这将给现代农业的发展带来很大帮助。
1.4本课题研究内容及意义
本课题创新性选取TI公司的SoC芯片CC2530,该芯片上集成了8051内核，通过在IAR编译环境的编译及烧录，最终实现无线点台灯，传感器监测数据信号数字化，能够更容易和准确的实现LCD和串口调试助手中实时显示。
1.4.1课题研究内容
本课题是研究实时监测烟雾、温度、红外热释电、光敏、温湿度等系统及通过协议栈的编译学习实现无线点台灯。
1.4.2设计方案
●对IAR集成开发环境及协议栈的学习及编译；进行基础实验并在开发板上仿真；对LCD程序编译并使其能够点亮LCD并使LCD有相应的显示。
●通过IAR集成开发环境分别对相应传感器协议栈的编译及其仿真，成功后烧入ZigBee开发板，并连接串口线，最终分别实现LCD和串口的双向显示的结果。
（烟雾传感器、温度传感器、红外热释电传感器、光敏传感器、温湿度传感器）
●通过IAR集成开发环境对协议栈的编译，写出点亮LED的程序，然后写出控制继电器的程序，然后进行仿真，如果能够成功，则分别在功能板CC2530中烧入控制端程序，在带有继电器的开发板模板中烧入接收端程序，通过这些步骤，最终实现无线点台灯。
1.4.3课题研究意义
本课题进行一系列实验仿真，都为以后的智能化家居、智能农业检测等打下基础，使我们以后的生活更加简单方便快捷，坐在家里的沙发上，使用手中带液晶的遥控器控制所有灯的开断、明暗，床帘的打开与关闭，实时监测室内温湿度，电路插板的电源的通断等等，这一切都将变得简单智能化，为我们的生活提供便捷与舒适。
第2章ZigBee网络拓扑结构及节点分析与设计
2.1ZigBee网络结构简要分析
ZigBee技术的无线传感网络适用于具有网络节点点多、占地面积小、数据量较小，传输质量可靠、功耗低、成本低这些特点的环境，因此，在环境监测、无线抄表、智能家居、智能小区、工业控制等领域，很明显的有相对优势。
同时，ZigBee技术的日渐成熟，由最开始的ZigBee1.0、ZigBee1.1到目前的ZigBee2007，ZigBee协议的越来越规范化也需要硬件有更好的适配ZigBee协议。
2.2ZigBee网络结构介绍
ZigBee节点主要类别有三种，它们分别是路由器（Router）、协调器（Coodinator）以及终端（EndDevice）。
一个完整的网络中至少需要一个协调器，且一个网络中只能有一个协调器，它的作用是负责每个节点地址的分配，组网方式千变万化。
如图2-1所示。
图21ZigBee网络拓扑结构
ZigBee的拓扑结构主要有如下几种，即星型网络、网状网络和簇状网络。
不同的网络拓扑对应的应用领域是不一样的，在ZigBee无线网络中，不同的网络拓扑结构，对网络节点的配置要求也不一样。
其中，网络协调器节点的作用是新建并且维护一个无线网络，能够自动辨识设备并让它们加入网络；路由器节点的作用是支撑网络链路结构，转发数据包；终端节点则负责了网络的接收数据和执行协调器发送来的数据，作用是采集数据和执行网络动作。
因此，ZigBee的网络节点需要同时完成感知、网络支持、网络协调的任务。
从功能上看的话，ZigBee的网络节点由MCU、无线收发模块、存储器、电源模块以及其他外设功能模块构成，如图2-2。
图22ZigBee网络节点模块
这当中，可以借由dma、a/d模块、usart模块以及定时器模块在内的丰富的外设功能，来满足网络对硬件资源的需求，通过存储器模块存储和执行协议栈，运算预处理cpu实现数据，mac定时器则用来实现网络的同步，通过aes加密技术，可以实现信息加密，无线模块则用来完成数据的传输和信息的控制。
2.3无线网络通信信道分析
我们见到的“频段（Channel）”便是无线网络通信信道，它是通过无线信号传输的数据信号传送通道。
各个国家都有自己的频段管理机构，我国的无线电频段管理机构称为中国无线电管理委员会，通常情况下，只有使用一些特定的无线电频段才需要得到无线电管理机构许可，其余的频段都是能够自由使用的。
ZigBee也工作在ISM频段内，它含有两个频段，2.4GHz频段和896/915MHz频带。
2.4GHz频段是全球通用的ISM频段，它拥有16个信道，通信信道的传输速率为250kbps。
2.4ZigBee网络节点设计要求
●无线频段可选择性。
无线频段需要一个比较好的网络传输速率，且整个网络抗干扰能力较好。
●体积小，成本低，易于大规模网络节点。
ZigBee需要布建网络节点多，且购买的成本也不高，所以ZigBee网络节点有较高的性价比。
●功耗较低，且可以用电池供电。
ZigBee的一个比较突出的特征就是功耗低，支持三种省电模式使设备更加省电。
第3章ZigBee硬件设计
3.1ZigBee芯片选型
ZigBee协议网络节点硬件核心部分主要是微处理芯片。
因为它具有无线收发模块，所以对ZigBee网络节点的建立和维护拥有重要作用，即要使ZigBee2007协议栈能够正常运行，就需要采集处理数据和保障无线收发数据功能。
在网络节点硬件设计中，由于成本与是否可以操作等原因，设计方案也有所不同，本设计中，选用了集微处理器模块和无线收发模块于一体的单芯片结构方案。
本设计选用的是德州仪器公司的ZigBee芯片CC2530f256，它的工作频段是2.4GHz，满足IEEE802.15.4规范，是目前众多ZigBee设备产品中性能最出色的微处理器之一。
其主要性能如下：
●CC2530芯片内部已经集成了8051的内核，所以支持代码预取；256kflash程序存储器，支持新版ZigBee2007编译协议栈方法；8k数据存储器；支持调试。
●供电区间在2V-3.6V，该芯片具有唤醒模式、睡眠模式即中断模式，这几种模式可以有效的管理电源，该芯片的所有模块，都具有超低功耗这一特点。
●该芯片内含有多个通道的dma；mac定时器一个；定时器分别有一个十六位的和两个八位的；该芯片还具有看门狗等智能外设；同时拥有一个复位按钮。
●
图31CC2530片内功能模块图
应用范围包括家居自动化、2.4GHzIEEE802.15.4系统、工业测控以及低功耗WSN（WirelessSensorNetwork）等领域。
CC2530使用的单片机是一款完美兼容8051的内核，并且还支持IEEE802.15.4协议的无线单片机。
它具有小成本建立大网络节点的特点。
ZigBee方面领先的RF收发器、增强工业标准的8051MCU在CC2530芯片中都有，同时CC2530还具有可编程Flash存储器，8-KB随机存取存储器RAM及其许多其他强大功能，这些功能都位CC2530增加了可用性和便捷性。
CC2530具有4种不同flash版本，它们分别是CC2530F32/64/128/256，分别也具有32/64/128/256KBFlash存储器。
CC2530极其适合需要超低功耗的系统，这由它的多种运行模式所保证。
不同运行模式间的短的转换时间更加保证了他的低功率消耗。
[]
结合TI公司和联盟最高业内水平的ZigBee协议栈，CC2530F256提供了一个十分强大的解决方案，本文中所涉及的仿真都基于8051和CC2530F256的基础上进行。
3.2硬件整体设计
图32硬件原理图
在网络节点平台中，借助CC2530以及它的外围模块，我们需要实现的功能主要有3个：
使用a/d口控制传感器模块采集数据；控制无线RF模块实现收发数据；通过i/o口控制相应主机。
通过i/o口，传感器采集的数据也可与微处理器相连，通过RS232接口可实现网络节点与pc机通信[]。
外围电路如图所示。
前面介绍过，CC2530芯片还集成了其他功能模块，它的外围电路也非常简洁。
其中，主时钟晶振采用32MHz无缘晶振以及32.768时钟晶振；无线RF模块外围电路采用巴比伦的阻抗匹配网络，天线使用50欧2.0dBi负极天线。
通常情况下，采用输入电压为3.3V的稳压电压可更好的提高芯片内部电压精度，为了查看网络的组网连接状态，在硬件设计中加入了状态指示灯，统一使用LED3表示，用于指示组网、待机、退网等状态，方便观察。
设计的关键所在，是CC2530的ZigBee网络节点PCB设计，它同时具备数字电路与高频电路的特点。
其原件布局紧凑、美观；在数字信号上的布线走线焊接很自然、平滑；CC2530的节点的接口采用德州仪器公司的标准接口，所以它的结构稳固且可靠。
由于CC2530C是无线收发和微处理器于一体，所以极少的外围辅助电路就可使正常动作，所以PCB的设计要非常适合无线传感器网络应用。
3.3
图33CC2530核心板
ZigBeeCC2530核心板硬件资源
CC2530核心板主要由CC2530单片机、天线接口晶振以及IO扩展接口组成，如图3-3所示。
它的特点是体积小、重量轻、采用标准的排针接口，能够直接使用在PC板上。
模块使用2.4G全向天线，自动重连距离达110米。
现在市面上还有增强型PA版，自动重连距离可达400米至2000米。
3.4
图34CC2530功能底板
CC2530功能底板设计
功能特点：
●底板尺寸：
7*5cm
●串口通讯：
自带USB转串口功能（PL2303）
●供电方式：
方口USB、DC2.1电源座（5v）、7号锂电池（3.7V）
●功能接口：
Debug接口，完全兼容德州仪器标准仿真工具，引出全部IO口，常用的串口引脚以及5V/3.3V引脚
●功能按键：
一个复位按键，一个S1、一个S2
●LED指示灯：
普通LED、电源指示灯以及组网指示灯
●模块支持：
支持CC2530核心板，CC2530+PA（CC2591）核心板
3.5CCDEBUGGER仿真器
CCDebugger主要用于IAR在线调试下载，将在IAR环境中编辑好的协议栈程序烧录到CC2530模块中，进行实验仿真。
如图3-5所示。
图35ccdebugger仿真器
功能特点：
●小尺寸4.7*2.3cm，标准USB接口，直接使用。
●支持TI系类芯片，预留USB_bootloader更新接口，允许用户更新USB_bootloader
3.6开发平台分析与设计
物联网开发平台属于CC2530传感器功能底板，如图3-6所示，上面的传感器种类众多，有温度传感器DS18B20、温湿度传感器DHT11、光敏传感器、厌恶传感器、红外热释电传感器。
还可以自己配置LCD12864和继电器。
其拥有CC2530功能底板的所有功能，由于需要稳定供电，使用3.7v电池的插槽。
此开发板底板功能比较齐全，相关传感器的仿真实验都在本开发板上进行，且普通底板上没有继电器，对一系列使用继电器控制通断的仿真都无法进行，在本开发板上就可以完成，因此选择此底板。
3.6.1
图36ZigBee开发板
功能特点
●底板尺寸：
15*10cm
●串口通讯：
自带USB转串口功能（PL-2303）
●供电方式：
采用方口USB接口、DC2.1电源座、无电池插槽
●功能接
升级会员 