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1、基于ZigBee和USB的无线传输平台设计综述本科生毕业论文（设计）题 目: 基于ZigBee和USB的无线传输平台设计 姓 名: 马孟秋 学 院: 工学院 专 业: 电子信息科学与技术 班 级: 信息84班 学 号: 3238401 指导教师: 汪小旵 职称: 教授 2012年05月 10日南京农业大学教务处制本科生毕业论文（设计）规范化要求（说明：本表供农理工科专业学生用，以下所有红色、蓝色文字仅供参考，学生在写作论文时请保留字体、字号，改写或删除掉文字，黑色文字请保留。每一页的上方(天头)和左侧(订口)分别留边25mm，下方(地脚)和右侧(切口)应分别留边20mm，装订线5 mm，页眉和

2、页脚为5 mm。论文题目使用黑体三号字，正文使用宋体小四号字，行距为单倍行距；一级标题段前段后为0.5行，正文段前段后为0，字符间距为标准。为保证打印效果，学生在打印前，请将全文字体的颜色统一设置成黑色。以上说明参阅后请自行删除，包括本文本框！）（顶头空2行）目 录（4号黑体，居中）摘要1关键词1Abstract1Key words1引言（或绪论）11材料与方法Y1.1材料 Y1.2方法 Y1.2.1Y1.2.2Y1.2.3Y1.2.4Y2Y2.1Y3 Y（略）X （正文第X章）Y致谢Y参考文献Y附录A （必要时）Y附录B （必要时）Y图1 （必要时）Y图2 （必要时）Y表1 （必要时）Y表2

3、 （必要时）Y注：1. 目次中的内容一般列出“章”、“节”、“条”三级标题即可；2X、Y表示具体的阿拉伯数字；基于ZigBee和USB的无线传输平台设计电子信息科学与技术专业学生 马孟秋指导教师 汪小旵摘要：ZigBee是一种新兴的专为低速率无线个域网(LR-WPAN)而设计的低成本、低功耗的短距离无线通信协议。能够广泛的应用于军事，工业，智能家居等领域。但由于ZigBee技术出现较晚，其规范及应用仍在不断的完善和发展之中。本课题采用基于 USB接口的cc2531zigbee模块及PC组成硬件平台，在遵循IEEE802. 15. 4 标准及ZigBee2007 协议的基础上，实现模块间点对点的

4、数据传输，并进一步利用ZigBee的组网特性实现区域内无线网络覆盖，从而达到实时通信、远程区域控制的目地。本设计最终利用改进的具有USB数据接口的ZigBee模块，利用IAR Embedded Workbench 开发工具对一个完整的ZigBee网络的组网过程进行实验，然后在无线传感网 ZigBee 套件上实现了一个简单的点对点的串口数据通信实验。通过仿真表明，CC2531能够较好的达到设计要求， 结果表明ZigBee无线通信网络结构简单、操作方便、稳定性好、实时性强，完全满足现代通信需求，具有较强的生命力。关键词：USB接口；cc2531；无线网络Design of Wireless Com

5、munication Network Based on ZigBee with USB InterfaceStudent majoring in Electronic Information Science and Technology Ma Mengqiu Tutor Wang XiaochanAbstract：ZigBee is a new wireless communication technology，focuses on the fileds of low-cost，low-power consumption，short distance，and especially for th

6、e Low-Rate Wireless Personal Area Network(LR-WPAN).it widely use in military、industry and intelligence home etc. However, due to late emergence of ZigBee technology，the specification and application is still continuous improving and developing. The subject use CC2531zigbee module based on USB interf

7、ace and PC to constitute its hardware platform, on the base of IEEE802 15.4 standard and ZigBee2007 protocol, realize the point-to-point data transmission between modules, and use ZigBee network characteristics to achieve regional coverage of a wireless network further, so as to achieve the purpose

8、of real time communication and remote control of the region. Then，the paper simulates a complete ZigBee network process based on the IAR Embedded Workbench and builds a simple ZigBee Mesh network on ZigBee development board using the improved programs. And then do the relevant testes on this network

9、 to verify the work done by the previous chapters. The simulation shows that the improved algorithm can better meet the design requirements，also shows that the ZigBee wireless communication network has the advantages of simple structure, convenient operation, good stability and strong real-time perf

10、ormance, fully meet the needs of modern communication, has strong vitality.Key words: USB interface; CC2531; wireless network第1章 绪 论1.1 选题背景过去若干年以来，通信技术快速发展，短距离无线通信技术已经成为通信技术中的一大热点。各种网络终端的出现、工业控制的自动化和家庭的智能化等迫切需要一种具备低成本、低距离、低功耗和组网能力强等优点的无线互连标准1。随着各种便携式个人通信设备与家用电器设备的增加，人们享受蜂窝移动通信系统带来的便利的同时，对短距离的无线与移动通

11、信又提出了新的需求，使得短距离无线通信异军突起，包括无线局域网(WLAN)、蓝牙(Blue Tooth)技术、无线保真(Wi-Fi)、超宽带(UWB)以及ZigBee技术等各种热点技术相继出现2，均展现出各自巨大的应用潜力。其中，低速率、低功耗、低成本的ZigBee技术作为无线传感器网络的主要支撑技术获得广泛的关注。ZigBee作为一种新兴的短距离无线通信技术，正有力地推动着低速率无线个人区域网络LR.WPAN(Low-Rate Wireless Personal Area Network)的发展，可以广泛应用于工业控制、家庭自动化、医疗护理、智能农业、消费类电子和远程控制等领域，将拥有广阔的

12、应用前景。预计随着ZigBee技术以及相关技术的发展，低速率应用将日益广泛，在我们的生活中扮演越来越重要的角色。ZigBee的提出弥补了短距离无线通信技术应用研究的空白，现在该技术已经成为研究的新热点，在不久的未来，基于ZigBee技术的产品将会形成一个新的浪潮，势不可挡地席卷全球，而它的发展前景将同计算机、互联网一样融入人们生活的每一个角落，给人们的生活带来方便和快捷3。研究ZigBee组网技术，可为下一步应用打下良好理论基础，方便进行系统设计。本文将结合当今的发展趋势和ZigBee的技术特点，对ZigBee做详细的研究和实验开发。1.2 选题的目的及意义随着社会的发展，人们对通信技术的要求

13、日益提高，无线通信技术在其中扮演着越来越重要的角色。其中ZigBee是最受产业界关注的标准之一。ZigBee专注于低成本，低功耗和低速率的无线通信市场，该协议标准具有的特点是：低成本、低功耗、时延短、网络容量大、可靠度高、安全、传输距离远4。因此非常适用于家电和小型家电子设备的无线控制指令传输。ZigBee网络具有低成本、低功耗、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全及免执照频段等特点。在短距离、低功耗且传输速率要求不高的各种电子设备之间，完成周期性数据、间歇性数据和低反映时间数据的传输，比较适合采用ZigBee网络来实现。ZigBee网络主要应用于工业控制、汽车控制。农业控制、医学领域、家庭

14、智能控制、消费类电子设备的遥控装置以及PC外设的无线连接等领域。目前大多数用户只能借鉴于ZigBee厂商提供的开发平台进行应用层程序的开发，但是运用厂商提供的开发平台和开发工具，用户再选芯片型等方面会受到很大限制，极大的束缚了ZigBee产业的发展。ZigBee作为一种如此有生命力的短距离通信技术，根据ZigBee联盟所定义的标准，如果能够实现协议库的封装及模块化，使得协议在不同的硬件平台间，不同的应用系统间的能够便捷移植，尤其是能实现基于ARM微控制器的ZigBee组网技术，是一件非常有意义的事情，这将给我们解决ZigBee实际反应中的问题带来更大的自由度和选择性。ZigBee 协调器通常采

15、用普通的RS232 串口与上位机进行通讯，如果ZigBee 节点比较少，组网不太复杂，比如简单的星形网络，普通的RS232串口可以满足数据传输率的要求。然而当节点过多，组网十分复杂时，比如带多个路由器的混合型网络， RS232 串口将会大幅度地限制组网后协调器与上位机数据传输的速率，难以满足监测系统对数据采样实时性的需要。USB 接口的出现很好的弥补了系统的这个缺陷，使系统的连接更加方便了。1.3 国内外发展概况国外对ZigBee技术的研究起步较早，研究也较成熟。ZigBee联盟成立于2002 年8月，为了推动ZigBee技术的发展，Chapcon、Ember、FreeScale、Honeyw

16、ill、Motorala、Philaddrs和Samsung等公司共同成立了ZigBee联盟，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线节点公司和开发商的加入，包括有许多IC设计、家电、通讯节点、ADDR服务提供、玩具等厂商，目前该联盟已经包含了150多家会员。并且还有许多厂商已将ZigBee纳入产品中。国内ZigBee的研究起步较晚，国内ZigBee模块生产厂家一般都受芯片厂家数量等限制价格，国内市场主要由国外仪器所占领，国内未见成熟的自主研制的ZigBee产品，只有一些研究性和简单应用的文章出现于期刊杂志5。到目前为止， 国内目前除了成都西谷曙光数字技术有限公司，真正将ZigBee技术开发成产品，

17、 并成功地用于解决几个领域的实际生产问题而外，尚未见到其它报道。不过随着无线技术大趋势的发展，很多高校和研究机构都已经着手无线组网、无线技术应用方面的研究。特别是与我们同常生活息息相关的近距离无线组网技术的研究和应用。相信随着无线技术研究的深入，会有更多的国产ZigBee和其他无线产品投入市场。从ZigBee协议规范的研究及完善方面来看，ZigBee协议规范从推出至今， 已有大量研究者对ZigBee网络的时间同步、广播问题、安全机制等进行了研究，并且ZigBee协议正在继续改进并将提供更多的功能，但目前仍然存在一些问题6，主要包括以下几个方面： 从安全方面来看，由于无线自组织网络使用的共享无线

18、信道存在着安全隐患，使得无线自组织网络很容易受到攻击并且很难对攻击进行跟踪7。从接入控制来看，对接入公平性、多种网络共存、隐藏终端、暴露终端等问题虽然已提出了很多技术和方法但是依然没有得到完善的解决8。从能量控制来看，由于无线自组织网络的节点没有固定基础设施支持，因此如何降低网络能量消耗，提高能量效率，以及如何避免网络分割和节点过早死亡也是研究的重要问题。目前，降低网络能量消耗的主要方法包括选择性的调整节点接收器到休眠状态、使用可调输出功率的发送器、采用节能型路由等。就ZigBee技术的研究现状来看，ZigBee规范及其应用仍在不断的发展和善之中，众多厂商、高校和研究机构都对ZigBee技术展

19、现了极大的研究兴趣， 进行了大量的研究工作。当前研究的重点主要集中在ZigBee技术应用研究和产品设计、ZigBee协议规范的研究及其完善两个方面，主要集中在以下几个方面： 1.ZigBee芯片和产品的设计：不少厂商推出了ZigBee的产品和全套解决方案。如Freescale公司的第三代PADDR晶片MCl322x；Helicomm公司推出的ADDR Link 1200 ZigBee开发套件；Jennic公司的JN5121/513X等。2.ZigBee技术的具体应用研究：目前，不管国内国外，已有大量的研究者和厂商提出了ZigBee可能的应用。如智能家居、智能公交车、嵌入式方面、传感器网络22的

20、应用。另外，Jennie公司的JenNET应用在路灯控制、环境监控、生产线数据收集，以及ZigBee结合RFID等。3.ZigBee技术扩展研究：ZigBee技术和其它技术的结合也是目前研究的一个热点。如ZigBee技术和Web/GPRS构成的无线网关系统、和Linux/DSP 构成的无线通信系统等。4.和其它技术共存研究：对ZigBee网络与其它无线网络共存的问题也有大量的研究，如ZigBee网络和蓝牙网络共存、WiFi的共存与干扰问题。5.网络性能评估：对ZigBee网络性能的研究也是一大热点，如研究ZigBee 底层的802.15.4标准在竞争时期(CAP)的网络吞吐量和能量消耗、Zig

21、Bee网络在不同的通信参数下，网络的通信量及稳定性、在ZigBee网络的低负载的情况下，调整其活动时期节点的能量消耗，使得网络的生命延长等9。6.路由算法：ZigBee的路由是基于Ad Hoe按需距离矢量(AODV算法)路由算法，这样ZigBee的网状网络建立与数据传播方式和Ad Hoe网络很类似。而传统的AODV算法的路由开销和路由发现可能会干扰网络性能，特别是节点密集的网络，会直接影响端到端时延和数据包的传递的时延，因此很有必要提高路由算法的高效性和可扩展性。最后，ZigBee技术主要被用于现场信息的采集和电子设备的控制，而数据的收集、分析和控制命令的发送经常需要PC机完成，所以实现Zig

22、Bee无线网络和PC机的相互通信，是基于ZigBee技术的监控系统需要解决的一个关键技术。随着计算机技术的发展，外设通过USB接口与PC机通信时主流的技术。在这样的背景下，研发一种基于ZigBee技术的USB接口，可以通过USB接口实现ZigBee无线网络与PC机相互通信，符合技术的发展方向，具有技术前瞻性和很好的应用前景。14 本文研究内容与工作组织本文主要对ZigBee无线组网技术进行了详细的研究与分析，包括ZigBee组网方案和ZigBee协议栈的研究与设计，采用基于 USB接口的CC2530 ZigBee模块及PC组成硬件平台，在遵循IEEE802. 15. 4 标准及ZigBee20

23、07 协议的基础上，实现模块间一个简单的点对点的数据传输。本文主要内容和结构安排如下：第一章：绪论，主要研究论文的研究背景、国内外研究现状及ZigBee的研究意义等。第二章：主要是对ZigBee技术及应用的学习和研究，分析ZigBee网络体系的功能、节点类型和拓扑结构。在此基础之上深入了解了ZigBee协议栈各层的功能、各层之间的数据通信。第三章：研究带有USB接口的ZigBee芯片CC2531，包括内部结构的注解、硬件结构的分类等，并详细介绍了基于CDC类的USB虚拟串口通信的实现。第四章：通过对ZigBee协议的学习，利用C语言编译点对点通信的程序，利用IAR软件和CC2531的开发平台，

24、并在前面两章的基础上对ZigBee网络的点对点串口通信进行仿真演示。第五章：总结与展望。对全文工作进行了总结，并对以后的研究工作作出了展望。6第2章 ZigBee协议2.1 技术简介随着无线网络市场对网络的高效性及标准化的需求日益增长，ZigBee协议作为一种支持低速率、低功耗、安全可靠的无线网络标准应运而生。它是目前远程监控传感网络应用领域唯一的标准化技术，还处于不断成长与发展中，但已显示出强大的生命力11。ZigBee技术是一种近距离、低成本、低功耗、低数据速率的无线通信技术， ZigBee的目标是建立一个无所不在的传感器网络(Ubiquitous Sensor Network)，主要适用

25、于自动控制和远程控制领域，可以嵌入到各种设备中，同时支持地理定位功能。2.1.1 ZigBee联盟的由来2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作组。这个工作组致力于定义一种提供廉价的固定、便携或者移动设备使用的低复杂度、低成本、低速率的无线连接技术。ZigBee是这种技术的商业化命名。ZigBee来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜂群通过跳ZigBee形状的舞蹈来分享所发现食物的具体的位置、距离和方向等信息。IEEE802.15.4工作组主要负责制定物理层和MAC层协议，其余协议主要参照和采用现有的标准，高层应用、测试和市场推广等方面的工作将由ZigBee联盟负责。2

26、002年ZigBee联盟正式成立，她由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司等组成，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备开发商和制造商的加入。ZigBee联盟负责制定网络层及以上层协议。2.1.2 ZigBee技术优势IEEE802.15.4和ZigBee从一开始就被设计用来构建包括恒温装置，安全装置和煤气读数表等节点的无线网络。这是由其主要技术优势决定的： 1.数据传输可靠：ZigBee的MAC层采用CSMA/CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；同时，MAC层采用了完全确认的数据传输机制

27、，每个发送的数据包都必须等到接收方的确认信息。同时ZigBee采用较短的帧格式(128字节)和CRC校验机制来减少无线通信的误码率。2.功耗低：ZigBee技术采用了多种节电的工作模式，可以确保两节电池支持长达6个月到两年的试用时间。而蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。3.成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且免收专利费，目前低速低功耗的UWB芯片组价格至少为20美元，而ZigBee的价格仅为几美分。4.网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持255个节点，加上网络的协调器可以互相连接，整个ZigBee网络节点的数目将十分可观。一个区域内可以同时存在最多10

28、0个ZigBee网络，理论上可容纳65535个节点。5.安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES.128加密算法。6.有效范围小：有效覆盖范围10-75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。7.兼容性：ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器自动建立网络，采用载波侦听/冲突检测(CSMA/CA)方式进行信道接入12。为了可靠传递，还提供全握手协议。2.1.3 ZigBee的应用ZigBee技术主要应用在短距离无线网络通信方面。通常，符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用ZigBee技术做无线传输

29、： 1.需要数据采集或监控的网点多； 2.要求传输的数据量不大，而要求节点成本低： 3.要求数据传输可性高，安全性高； 4.节点体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块； 5.电池供电； 6.地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖； 7.现有移动网络的覆盖盲区； 8.使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统。9.使用GPS效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。不远的将来，在很多领域里都可以看到ZigBee的身影： 1.智能家庭和楼宇自动化通过ZigBee网络，可以远程控制家里的电器、门窗等；可以方便的采集水、电、气三表的远程自动抄表；通过一个ZigBee遥控器，控制所有的家电节点。未来的家庭将会有50-100个支持ZigBee的芯片安装在电灯开关、烟火检测器、抄表系统、无线报警、安保系统、HVAC、厨房机械中，为实现远程控制服务。2.在消费和家用自动化市场可以联网的家用设备有电视、录像机、无线耳机、PC外设、运动与休闲器械、儿童玩具、游戏机、窗户和窗帘及其他家用电器等。近年来，由于无线技术的灵活性和易用性、无线消费电子产品已经越来越普遍，越来越重