基于ZigBee的温度采集系统设计.docx
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基于ZigBee的温度采集系统设计
南阳理工学院本科毕业设计（论文）
基于Zigbee的温度采集系统设计
DesignoftemperatureacquisitionsystembasedonZigBee
学院：
计算机与信息工程学院
专业：
通信工程
****************
学号：
**********
指导教师（职称）：
赵天翔（讲师）
评阅教师：
完成日期：
2014年5月
南阳理工学院
NanyangInstituteofTechnology
基于ZigBee的无线温度采集系统设计
通信工程专业翟艳争
[摘要]本文设计了一个用于检测环境温度的采集系统，采用树形网络拓扑结构，这个系统的温度采集终端设备可以在系统网络的一定范围之内采集温度。
同样也可以到网络辐射范围之外进行采集温度，在回到监控室网络的有效辐射范围后，温度采集终端设备再把以前存储在闪存芯片内的采集到的温度信息通过无线网络上传至上位机。
在PC机上数据信息处理程序对采集到的温度数据进行处理跟显示。
这个系统可以应用于工业控制或者农业生产中对温度的检测和控制，减少了有线网络的布线成本。
[关键词]ZigBee；无线传感器网络；温度采集
DesignoftemperatureacquisitionsystembasedonZigBee
CommunicationEngineeringMajorZhaiyanzheng
Abstract：
Thispaperdesignedacollectionsystemfordetectingthetemperatureoftheenvironment,thetreenetworktopology,thesystemtemperatureacquisitionterminalequipmentcancollecttemperaturewithincertainrangesystemnetwork.Alsotothescopeofradiationtothenetworkoutsidethecollectionoftemperature,theeffectiveradiationbacktothecontrolroomnetwork,temperatureacquisitionterminalequipmentandthepreviouslystoredintheflashmemorychipinsidethecollectedtemperatureinformationthroughawirelessnetworktouploadtopc..ThetemperaturedatacollecteddatainformationprocessingprograminPCmachineprocessinganddisplay.Thissystemcanbeusedinindustrialoragriculturalproductionforthedetectionandcontroloftemperature,reducethewiringcostofcablenetworks.
Keywords:
ZigBee;wirelesssensornetwork;temperatureacquisition
1引言
在粮库温度控制系统、冷库温度控制系统、智能化建筑控制系统、中央空调系统等众多温度控制系统中，为了能实时地方便地监测不同点的温度及变化，这就需要多点分布式温度采集系统。
然而传统的多点分布式温度采集系统多采用有线传输方式，随着分布式节点的不断增加，采集系统的布线难度和成本也就急剧增加，这就给系统的设计、维护和升级带了诸多不便。
如何有效地解决有线网络在使用中的诸多不便已成为当下研究的热点。
ZigBee技术就是一种基于IEEE802.15.4协议标准的近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用，已成为当下较为流行的无线通信技术。
本设计意在设计一种基于ZigBee的温度检测系统，用以实现对分散节点的温度采集，采集后的温度实时地以折线图的方式显示。
本设计可以有效满足工农业检测过程中对多测点、移动性及便捷性等方面的要求，并且能够有效解决有线网络的布线难题和成本问题，具有十分广阔的应用前景。
1.1课题背景
信息技术发展日新月异，传统的有线通信方式因为其成本高、布线复杂，已经不能完全满足人们的应用需求了。
由此，无线通信技术应运而生。
无线网络技术按照传输范围来划分，可分为无线广域网、无线城域网、无线局域网和无线个人域网。
无线个人域网即短距离无线网络，典型的短距离无线传输技术有：
蓝牙（Bluetooth）、ZigBee、WiFi等。
在工业控制、家庭自动化和遥测遥感领域，蓝牙（Bluetooth）虽然成本较低，成熟度高，但是传输距离有限，仅为10米，可以参与组网的节点少。
WiFi虽然传输速度较快，传输距离达到100米，但是其价格偏高，功耗较大，组网能力较差。
相比之下ZigBee技术则主要针对低成本、低功耗和低速率的无线通信市场，具有如下特点：
①成本低：
ZigBee模块的初始成本低，并且ZigBee协议是免专利费的，采用直接序列扩频在工业科学医疗（ISM）频段，2．4GHz（全球）、915MHz（美国）和868MHz（欧洲），免执照频段；
②低功耗：
由于ZigBee的传输速率较低，传输数据量较小，并且采用了休眠模式，因此ZigBee设备功耗很低，仅靠两节5号电池就可以维持长时间使用；
③低速率。
Zigbee工作在20～250kbps的较低速率，分别提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20kbps（868MHz）的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求；
④时延短：
ZigBee的响应速度较快，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，一般从休眠转入工作状态只需要15ms，典型的搜索设备时延为30ms，活动设备信道接入的时延为15ms；
⑤网络容量大：
Zigbee可采用星型、树型和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。
⑥可靠度高：
为了避免发送数据的竞争和冲突，采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙。
MAC层采用完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，如果传输过程中出现问题可以进行重发；
⑦安全：
Zigbee提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128）的对称密码,以灵活确定其安全属性。
⑧传输距离远：
传输范围一般介于10～100m之间，在增加RF发射功率后,亦可增加到1～3km。
这指的是相邻节点间的距离。
如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。
由于ZigBee技术具有上述特点，因而广泛应用在短距离低速率电子设备之间的数据传输。
ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。
1.2课题研究的目的和意义
ZigBee技术具有低成本、低功耗、近距离、短时延、高容量、高安全及免执照频段等优势，广泛应用于智能家庭、工业控制、自动抄表、医疗监护、传感器网络应用和电信应用等领域。
智能家庭：
现今家用电器已经随处可见了，如何将这些电器和电子设备联系起来，组成一个网络，甚至可以通过网关连接到Internet，使得用户可以方便地在任何地方监控自己家里的情况？
ZigBee技术提供了家庭智能化的技术支持，在ZigBee技术的支持下，家用电器可以组成一个无线局域网，省却了在家里布线的烦恼。
工业控制：
工厂环境当中有大量的传感器和控制器，可以利用ZigBee技术把它们连接成一个网络进行监控，加强作业管理，降低成本。
自动抄表：
现在在大多数地方还是使用人工的方式来逐家逐户进行抄表，十分不方便。
而ZigBee可以用于这个领域，利用传感器把表的读数转化为数字信号，通过ZigBee网络把读数直接发送到提供煤气或水电的公司。
使用ZigBee进行抄表还可以带来其它好处，比如煤气或水电公司可以直接把一些信息发送给用户，或者和节能相结合，当发现能源使用过快的时候可以自动降低使用速度。
医疗监护：
医疗工作中，时常要获得病人的生理指标、环境指标，可以通过放置传感器构成传感器网络，实时监测这些数据。
由于是无线技术，传感器之间不需要有线连接，被监护的人也可以比较自由的行动，非常方便。
传感器网络应用：
传感器网络也是最近的一个研究热点，像货物跟踪、建筑物监测、环境保护等方面都有很好的应用前景。
传感器网络要求节点低成本、低功耗，并且能够自动组网、易于维护、可靠性高。
ZigBee在组网和低功耗方面的优势使得它成为传感器网络应用的一个很好的技术选择。
此外，ZigBee技术也可以应用到汽车电子、农业生产和军事领域中。
随着物联网技术的日渐兴起，ZigBee技术将会扮演更为重要的角色。
但是，物联网的全面普及将是一个十分漫长的过程，至少目前还在探索和实验阶段，距离实用还有很长的路要走。
虽然前景一片大好，但是我们应该清楚认识到由于各方面的制约，ZigBee技术的大规模商业应用还有待时日，基于ZigBee技术的无线网络应用还远远说不上成熟，主要表现在：
ZigBee市场仍处于起步探索阶段，终端产品和应用大多处于研发阶段，真正上市的少，且以家庭自动化为主；潜在应用多，但具有很大出货量的典型应用少，市场缺乏明确方向；使用点对多点星状拓扑的应用较多，体现ZigBee优势的网状网络应用少；基于IEEE802.15.4底层协议的应用多，而基于ZigBee标准协议的应用少。
1.3国内外研究概况
ZigBee作为一种新兴的国际标准短距离无线通信协议，其协议栈体系结构是基于标准七层开放式系统互联参考模型（OSI），IEEE802.15.4-2003标准定义了下面的两层：
物理层和媒体接入控制子层；网络层、应用会聚层、应用层由ZigBee联盟制订。
2002年，ZigBee联盟创立，创始者包括IC供应商、无线IP提供商、设备制造商、测试设备制造商和最终产品制造商等，这些企业能提供适应ZigBee的产品和解决方案。
ZigBee联盟于2004年底发布了ZigBee协议1．0版本规范，2006年11月发布了ZigBee协议1．1版本规范，2007年10月发布了ZigBeePro版本规范。
ZigBee联盟的主要目标是以通过加入无线网络功能，为消费者提供更富有弹性、更容易使用的电子产品。
ZigBee技术能融入各类电子产品，应用范围横跨全球的民用、商用、公共事业以及工业等市场。
使得联盟会员可以利用ZigBee这个标准化无线网络平台，设计出简单、可靠、便宜又节省电力的各种产品来。
飞思卡尔推出了全球首个符合ZigBee标准的平台，使得制造商能够将ZigBee技术应用于传感和监控领域。
截止至2005年4月，已有TexasInstruments（收购Chipcon）、Freeseale、CompXs、Ember等四家公司通过了ZigBee联盟对其产品所作的测试和兼容性验证。
目前市场上RF主流芯片的供应商包括TI、EMBER、FREESCALE以及JENNIC，他们分别推出单芯片解决方案CC2430／CC2431、EM250、MCl321x以及JN5121，在市场上极具竞争力。
主流的商用ZigBee的协议栈为Figure8wireless提供的F8wZ-Stack。
2.ZigBee协议及所采用的芯片介绍
2.1ZigBee概述
ZigBee一词来源于蜜蜂赖以生存的通信方式ZigZag形状的舞蹈，是一种低成本、低功耗的近距离无线组网通信技术。
2000年，IEEE802.15工作组成立的任务组TG4（TaskGroup，TG）制定了IEEE802.15.4标准。
该标准以低能耗、低速率传输、低成本为重点目标，为设备之间的低速无线互连提供了统一标准，就是ZigBee无线通信技术。
ZigBee协议是基于IEEE802.15.4标准的，由IEEE802.15.4和ZigBee联盟共同制定。
IEEE802.15.4工作组制定ZigBee协议的物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC层）协议。
ZigBee联盟成立用于2002年，定义了ZigBee协议的网络层（NWK）、应用层（APL）和安全服务规范。
协议栈结构如图2-1。
应用层（含应用接口层）
用户
安全层
ZigBee联盟
网络层
MAC层
IEEE802.15.4
物理层
图1ZigBee协议栈结构
ZigBee协议由物理层（PHY）、介质访问控制子层（MAC）、网络层（NWK），应用层（APL）及安全服务提供层（SSP）五块内容组成。
其中PHY层和MAC层标准由IEEE802.15.4标准定义，MAC层之上的NWK层，APL层及SSP层，由ZigBee联盟的ZigBee标准定义。
APL层由应用支持层（APS），应用框架（AF）以及ZigBee设备对象（ZDO）及ZDO管理平台组成[1]。
PHY层定义了无线射频应该具备的特征，提供了868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz和2400MHz-24835MHz三种不同的频段，分别支持20kbps、40kbps和250kbps的传输速率，1个、10个以及16个不同的信道Ⅲ。
ZigBee的传输距离与输出功率和环境参数有关，一般为10～100米之间。
PHY层提供两种服务：
PHY层数据服务和PHY层管理服务，PHY层数据服务是通过无线信道发送和接收物理层协议数据单元（PPDU），PHY层的特性是激活和关闭无线收发器、能量检测、链路质量指示、空闲信道评估、通过物理媒介接收和发送分组数据。
MAC层使用CSMA-CA冲突避免机制对无线信道访问进行控制，负责物理相邻设备问的可靠链接，支持关联（Association）和退出关联（Disassociation）以及MAC层安全。
MAC层提供两种服务：
MAC层数据服务和MAC层管理服务，MAC层数据服务通过物理层数据服务发送和接收MAC层协议数据单元（MPDU）。
MAC层的主要功能是：
进行信标管理、信道接入、保证时隙（GTS）管理、帧确认应答帧传送、连接和断开连接。
NWK层提供网络节点地址分配，组网管理，消息路由，路径发现及维护等功能。
NWK层主要是为了确保正确地操作IEEE802.15.4．2003MAC子层和为应用层提供服务接口。
NWK层从概念上包括两个服务实体：
数据服务实体和管理服务实体。
NWK层的责任主要包括加入和离开一个网络用到的机制、应用帧安全机制和他们的目的地路由帧机制，ZigBee协调器的网络层还负责建立一个新的网络。
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。
安全服务提供者SSP（SecurityServiceProvider）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（ServiceAccessPoint）和管理SAP（ServiceAccessPoint）。
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。
2.2ZigBee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分为协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端节点（EndDevice）。
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。
2.2.1网络节点类型
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。
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。
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。
2.2.2网络拓扑形式
星型拓扑是最简单的拓扑形式，如图2-2。
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。
图2星形拓扑结构
树型拓扑结构如图2-3。
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。
图3树状拓扑结构
网状拓扑如图2-4。
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。
图4网状拓扑结构
2.2.3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（Non-beacon）模式两种。
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15ms--4mins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。
2.3IEEE802.15.4规范
无线网络要求低功耗、低成本为了实现这个要求，IEEE新标准委员会于2000年成立了IEEE802.15.4工作小组，它的任务就是制定低速率无线个人域网（LR-WPAN）标准。
它具有复杂度较低、应用成本很小、设备功耗很低等优势，是能在低成本设备间进行低速率信息传输与交换的规范。
2.3.1IEEE802.15.4物理层规范
物理层（PHY）有两种类型的服务：
管理服务和数据服务。
物理层提供的数据服务能够运用无线信道接收和发送物理层的协议数据单元（PPDU）。
ZigBee物理层主要承担以下一些基本业务：
（1）启动、关闭、休眠无线射频模块；
（2）在已有信道上探测射频能量；
（3）接收分组链路质量指示（LQI）；
（4）通常对空闲信道进行基于CSMA-CA的评估（CCA）；
（5）通信信道频率的选择；
（6）对数据的传输和接收。
ZigBee进行通信的频率是在其物理层进行规范。
ZigBee可以针对不同的国家或地区为其提供不同的工作频率范围，他们所使用的频率范围为2.4GHz和816/915MHz。
所以，在ZigBee协议中定义2.4GHz和816/915MHz2个物理层标准，它们都使用直接序列扩频（DSSS）序列技术，采用全球统一的2.4GHz免费频段，不需要申请ISM频段，这使得ZigBee设备在推广及降低生产成本方面都更加可行。
2.4GHz物理层采用了16相相位调制技术，能够提供250kb/s的传输速率，这使得数据吞吐量得以很大提高，进而缩短通信时延和数据收发时间，得以降低系统运行功耗。
2.3.2IEEE802.15.4MAC层规范
在IEEE802.15.4标准中，数据链路层被划分为逻辑链路控制子层（LLC）和介质接入控制子层（MAC）。
IEEE802.15.4中介质接入控制子层（MAC）子层负责接收和分解MPDU包中所包含的信息，封装来自NWK层的数据，MAC层帧中包含数据帧、命令帧、信标帧以及应答帧。
ZigBee的MAC协议包括以下功能：
（1）设备间无线通信链路的建立、维护和关闭；
（2）对确认模式的帧传送与接收；
（3）控制信道的接入；
（4）帧校验；
（5）对预留时隙管理；
（6）对广播信息进行管理；
2.3.3ZigBee网络层
ZigBee的网络层功能就是提供一些必要的函数用于Zigbee的MAC层工作时调用的，同时能将所需的服务与接口反馈回应用层。
在网络层必须定义两个功能服务实体（网络数据实体和管理服务实体），向应用层提供可用接口。
1．网络层数据实体（NLDE）
当在两个或多个设备之间进行数据传输时，NLDE就会根据应用协议中规定的数据单元（APDU）的格式进行数据传送，只有这些设备必须同时处于一个可通信网络中才能进行数据传送。
NLDE提供的具体服务如下：
（1）生成网络层协议数据单元（NPDU）。
（2）确定拓扑传输路由方式。
（3）对通信的准确性和安全性的保证。
2．网络层管理实体（NLME）
NLME提供的是管理服务，它满足一个应用进程与堆栈之间的互相调用。
NLME提供的具体服务如下：
（1）新节点的配置：
具有足够的处理能力来保证必要的堆栈运行，其中包括一个启动ZigBee协调器和加入一个已经存在的网络的操作。
（2）初始化一个无线网络。
（3）能够Join、Reset和Leave网络：
能够允许节点入网，也可通过ZigBee协调器或ZigBee路由器提出的请求，使设备与网络脱离。
（4）发现最优路由路径：
具备找到并存储网络中信息传输可能存在的最优路由的能力。
（5）发现邻居节点：
具备找到、存储、传送相关节点的单跳（One-Hop）邻居信息的能力。
（6）控制接收周期：
为了能够使MA
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