基于zigbee的温度监控系统论文Word文档格式.docx

1、 wireless network，zigbee，cc2530，Temperature monitoring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

2、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、Embe

3、r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

4、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

5、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

6、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

7、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 1.83.6V 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200400uA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

8、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

9、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ZStackTM ZigBeeTM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

10、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

11、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1.1 zigbee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

12、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（sensor and control），这个想法后来在IEEE 802.15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IEEE 802.15.4。但是IEEE 802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ZigBee Alliance成立，正式有了“ZigBee”这个名词。两年之后，ZigBee的第一个规范ZigBee V1.0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ZigBee Alliance又经过两年的努力，推出了

13、新的规范ZigBee 2006，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ZigBee 2007，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IEEE 802.15.4有着密切的关系，事实上ZigBee的底层技术就是基于IEEE 802.15.4的，因此有一种说法认为ZigBee和IEEE 802.15.4是同一个东西，或者说“ZigBee”只是IEEE 802.15.4的名字而已，其实这是一种误解。实际上ZigBee和IEEE 802.15.4的关系，有点类似于WiMAX和IEEE 802.16，Wi-Fi和IEEE 802.11，Blue

14、tooth和IEEE 802.15.1。“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IEEE 802.15.4。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IEEE 802.15.4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 IEEE 802.15.4 的名字，IEEE 802.15.4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

15、 进行了标准化。IEEE 802.15.4 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，IEEE 802.15.4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1.2 zigbee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

16、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（DirectSequ

17、ence/Frequency Agility）；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IEEE 802.15.4/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

18、的抗干扰能力和通信可靠性。ZIGBEE和蓝牙性能比较表1-1 ZIGBEE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1-2 ZIGBEE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、

19、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

20、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1.3.1 zigbee的发展前景从2005年起开始崭露头角的ZigBee低功耗无

21、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IEEE802.15.4标准规范后，2006年起便有Freescale、TI、ST、NEC、Ember、Jennic、Oki

22、、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（MeshNetwork）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

23、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

24、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