畢業(yè)設(shè)計(jì)--無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章、概述和介紹- 4 -</p><p>　　1.1項(xiàng)目簡(jiǎn)介- 4 -</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀- 6 -</p><p>　　第二章、技術(shù)選型及方案設(shè)計(jì)

2、- 8 -</p><p>　　2.1各種備選方案介紹- 8 -</p><p>　　2.2技術(shù)方案比較- 11 -</p><p>　　2.3總體實(shí)施路線和方案- 14 -</p><p>　　第三章、詳細(xì)方案設(shè)計(jì)- 15 -</p><p>　　3.1系統(tǒng)抽象層次結(jié)構(gòu)- 15 -</p>&

3、lt;p>　　3.2、控制表示層- 16 -</p><p>　　3.2.1. PC端監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)- 16 -</p><p>　　3.2.2.手持設(shè)備設(shè)計(jì)- 19 -</p><p>　　3.2.2.1.手持設(shè)備硬件設(shè)計(jì)- 19 -</p><p>　　3.2.2.2.手持設(shè)備軟件設(shè)計(jì)- 20 -</p>&l

4、t;p>　　3.3、數(shù)據(jù)匯聚層- 21 -</p><p>　　3.3.1.網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)- 21 -</p><p>　　3.3.2網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)- 23 -</p><p>　　3.4、數(shù)據(jù)感知層- 29 -</p><p>　　3.4.1.終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)- 29 -</p><p>　　3.4.2終

5、端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)- 29 -</p><p>　　第四章、總結(jié)- 33 -</p><p><b>　　致謝- 34 -</b></p><p>　　參考文獻(xiàn)- 35 -</p><p><b>　　附錄- 36 -</b></p><p>　　1、手持節(jié)點(diǎn)原理圖及P

6、CB- 36 -</p><p>　　2、網(wǎng)關(guān)原理圖及其PCB- 39 -</p><p>　　3、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)原理圖及PCB- 43 -</p><p>　　棉田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　[摘 要]隨著射頻以及集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，各種中短距離的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)大量涌現(xiàn)，并且日漸成熟，并且在功耗和數(shù)據(jù)傳輸

7、距離和速率等方面呈現(xiàn)出多樣 化的特點(diǎn)，可以滿足不同場(chǎng)合下的應(yīng)用要求。在實(shí)際生產(chǎn)生活的很多領(lǐng)域中，各種無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)已經(jīng)開始普及應(yīng)用。本設(shè)計(jì)正是在這樣一種背景下，探討和研究實(shí)現(xiàn)利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（基于ZigBee技術(shù)）來實(shí)現(xiàn)對(duì)棉田等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用一些如CAN或者485之類的現(xiàn)場(chǎng)總線來進(jìn)行集中傳輸，同時(shí)引入了GPRS模塊，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有了與Internet中的計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互通信的能力，還可以通過B/S模式的信

8、息管理系統(tǒng)或者手機(jī)短信等方式與用戶進(jìn)行交互。</p><p>　　關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；GPRS；CAN總線；485總線 </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Student: Ni-MingHao Wang-Yu</p><p>　　Teacher：Tian-Min

9、</p><p>　　[Abstract] Along with the rapid developments of Radio Frequency and Integrated Circuit Technologies, many different kinds of low or medium range wireless communication technologies come out and mat

10、ure, some characteristics of these technologies such as power consumption, communication range or data rate are quite different. In many areas of everyday life, these wireless communication technologies has been widely u

11、sed. This article mainly focuses on wireless communications technologies and its ap</p><p>　　Keywords: WSN wireless sensor network; ZigBee; CAN; RS485; GPRS</p><p><b>　　第一章、概述和介紹</b>

12、</p><p><b>　　1.1項(xiàng)目簡(jiǎn)介</b></p><p>　　本項(xiàng)目利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)棉田信息監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控,通過測(cè)控區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)間的自動(dòng)組網(wǎng),在網(wǎng)絡(luò)容量足夠大(監(jiān)控點(diǎn)多)的基礎(chǔ)上保證信號(hào)傳輸?shù)陌踩蛯?shí)時(shí)性,還要能夠通過遠(yuǎn)程控制(手機(jī)或者上位計(jì)算機(jī))來實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的管理?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的棉田信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了無線傳輸方式來構(gòu)建無線傳感器現(xiàn)

13、場(chǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，能夠較好地解決傳統(tǒng)無線數(shù)據(jù)采集方式存在的問題。具有以下優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　(1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織特性使得信息獲取系統(tǒng)的組建不需要額外的硬件支持，微型化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)更易安裝，不需要進(jìn)行架設(shè)和復(fù)雜布線。同時(shí)，微型化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)還具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽虼?，施工難度要比傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)小。</p><p>　　(2)無線通信方式減少了布線的

14、投入，降低了維護(hù)和維修的難度，增加了通信的靈活性，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的廉價(jià)性使得大面積布設(shè)監(jiān)測(cè)裝置成為可能，大量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的出現(xiàn)和節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的相互交疊使得通信線路存在一定的冗余備份，增加了通信的可靠性[1]。</p><p>　　(3)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集成多種類型的傳感器，使得同時(shí)采集多個(gè)事件特征數(shù)據(jù)成為可能。因此可綜合利用直接方法與間接方法的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)完成對(duì)宏觀異常事件和微觀異常事件的準(zhǔn)確、及時(shí)檢測(cè)，不但大為縮

15、短了微觀事件的檢測(cè)時(shí)間，還可定性事件的類型。</p><p>　　(4)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織特性。新節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入，而不對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)造成影響。因此，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)具有較好的擴(kuò)展性。</p><p>　　因此，研究一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的棉田信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將其與棉田滴灌系統(tǒng)相結(jié)合可有效控制棉田土壤水分及溫度，并能準(zhǔn)確獲知棉花生長(zhǎng)過程中必要信息，對(duì)提高兵團(tuán)棉花產(chǎn)量具有重

16、要意義。</p><p>　　(5)采用了無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)配合使用的方案，底層的節(jié)點(diǎn)采用無線方式，具有方便、靈活的特點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)之間采用CAN等現(xiàn)場(chǎng)總線的方式，具有穩(wěn)定、高速、</p><p>　　傳輸距離長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)引入GPRS模塊，可以將系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳到Internet中，使得系統(tǒng)具有與各種新建和已有信息管理系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接的可能，便于集成和擴(kuò)展系統(tǒng)功能。同時(shí)支持手機(jī)短信方式進(jìn)

17、行系統(tǒng)管理和控制，這也是一個(gè)非常實(shí)用的功能。</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，涉及多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，所需要研究的內(nèi)容包括通信、組網(wǎng)、管理、分布式信息處理等許多方面。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常運(yùn)行在惡劣，甚至危險(xiǎn)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，可以使用的電量非常有限，但是網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間卻要求長(zhǎng)達(dá)數(shù)月甚至數(shù)

18、年，采用節(jié)能的路由傳輸策略以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，成為傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問題。</p><p>　　從國外的研究現(xiàn)狀看，美國在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面進(jìn)行了較深入的研究。美國的加州大學(xué)伯克利分校、加州大學(xué)洛杉磯分校、麻省理工學(xué)院、康奈爾大學(xué)等 高校已經(jīng)進(jìn)行了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究。加州大學(xué)伯克利分校提出了基于相關(guān)性的數(shù)據(jù)編碼模式、確定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)位置的分布式算法及重構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)位置的方法等，并研制了

19、一個(gè)基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng) Tiny OS。加州大學(xué)洛杉磯分校開發(fā)了一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬系統(tǒng)，用于研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的問題。南加州大學(xué)提出了部屬移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)的方法、節(jié)省能量的計(jì)算聚集的樹結(jié)構(gòu)算法等。麻省理工學(xué)院已經(jīng)開始研究用于超低能耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方法和技術(shù)。針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的特殊性，康奈爾大學(xué)等高校開展了相關(guān)研究，先后提出了基于談判類協(xié)議、定向發(fā)布類協(xié)議、能量敏感類協(xié)議、多路徑類協(xié)議，傳播路由類協(xié)議、介質(zhì)存

20、取控制類協(xié)議、基于集群的協(xié)議、以數(shù)據(jù)為中心的路由算法等新的通信協(xié)議。英國、日本、意大利等 國家的一些高校和研究機(jī)構(gòu)也紛紛開展了該領(lǐng)域的研究工作，且取得了一些初步的研究成果。目前，國外各大半導(dǎo)體公司都推出了各種使用不同應(yīng)用場(chǎng)合的無線通信解決方</p><p>　　從國內(nèi)的研究來看，我國現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達(dá)國家同步啟動(dòng),研究機(jī)構(gòu)如中科院、清華/大學(xué)、國防科技大學(xué)、電子科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)

21、以及浙江大學(xué)等學(xué)術(shù)團(tuán)體對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了跟蹤研究。</p><p>　　1999年,國內(nèi)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究首次正式出現(xiàn)于中國科學(xué)院《知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究》的“信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告”中，作為該領(lǐng)域提出的五個(gè)重大項(xiàng)目之一。</p><p>　　2001年,中國科學(xué)院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，在無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)方向上陸續(xù)部署了若干重大研究項(xiàng)目，初步建立了無線傳

22、感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究平臺(tái)，在無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器端機(jī)、移動(dòng)機(jī)站和應(yīng)用系統(tǒng)等方面取得很大進(jìn)展。</p><p>　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位問題進(jìn)行了研究， 提出了一種新的節(jié)點(diǎn)定位算法，該算法不需要任何額外的硬件支持，節(jié)點(diǎn)間通信 開銷少。其對(duì)節(jié)點(diǎn)每跳距離的計(jì)算有利于解決節(jié)點(diǎn)的故障問題，提高節(jié)點(diǎn)的探測(cè)性能。</p><p>　　浙江大學(xué)成立了“無線傳感

23、器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室”，聯(lián)合相關(guān)單位專門從事面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布自治系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及協(xié)調(diào)通信理論方面的研究。</p><p>　　目前，國內(nèi)已經(jīng)開始有部分城市開始使用基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的產(chǎn)品，如濟(jì)南市的基于ZigBee的路燈照明控制系統(tǒng)。</p><p>　　但從總體上來講，國內(nèi)關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究還僅僅處于起步階段，但傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一門新興的綜合性技術(shù)，國內(nèi)外的差距還不是很大，及時(shí)開展對(duì)

24、這項(xiàng)影響深遠(yuǎn)的前沿科學(xué)研究，對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)都具有重大的意義。</p><p>　　第二章、技術(shù)選型及方案設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1各種備選方案介紹</p><p>　　1、藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù) </p><p>　　在10米到100米的空間內(nèi)，支持該技術(shù)的所有移動(dòng)或非移動(dòng)設(shè)備可方便地建立網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)行音頻通信。藍(lán)牙技術(shù)的最終目標(biāo)是建

25、立一個(gè)全球統(tǒng)一的無線連接標(biāo)準(zhǔn)，使不同廠家生產(chǎn)的移動(dòng)計(jì)算機(jī)和便攜式設(shè)備，能在近距離通過無線的方式連接起來，實(shí)現(xiàn)交叉操作及交互信息數(shù)據(jù)共享。各種信息化的移動(dòng)便攜設(shè)備通過無線的連接方式實(shí)現(xiàn)資源共享。藍(lán)牙列入了IEEE802.15.1，其規(guī)定了包括PHY層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的集成協(xié)議棧。藍(lán)牙的工作頻率為 2.4GHz，有效范圍為半徑約 10m 內(nèi)。在其范圍內(nèi)，設(shè)備相互間可自動(dòng)使用無線的方式連成一個(gè)微微網(wǎng)(Piconet)，進(jìn)行聯(lián)絡(luò)與確認(rèn)

26、。多個(gè)Piconet間也可互連形成散射網(wǎng)(Scatternet)，在不需要用戶干預(yù)的情況下，可通過相應(yīng)的控制軟件建立連接，進(jìn)而傳輸數(shù)據(jù)。 為對(duì)語音和特定網(wǎng)絡(luò)提供支持，藍(lán)牙需要協(xié)議棧提供250kB的系統(tǒng)開銷，從而增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。另外，藍(lán)牙對(duì)每個(gè)微微網(wǎng)只能配置7個(gè)節(jié)點(diǎn)，制約了其在大型傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。 </p><p>　　2、Wi-Fi(IEEE802.11)技術(shù) </p><p&g

27、t;　　Wi-Fi (Wireless Fidelity,線高保真)一種無線通信協(xié)議 。IEEE802.11 的最初規(guī)范是在 1997 年提出，主要目的是提供 WLAN 接入，是目前WLAN 的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.11 流行的幾個(gè)版本包括：“a”(波段為 5.8GHz，帶寬為54Mbps)、“b”(波段為2.4GHz，帶寬為11Mbps)和“g”(波段為2.4GHz，帶寬為22Mbps)。IEEE802.11版本的復(fù)雜性為用

28、戶選擇標(biāo)準(zhǔn)化無線平臺(tái)增加了困難，IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)目前還沒有被工業(yè)界廣泛接受。Wi-Fi 技術(shù)的工作頻率為 2.4GHz，最高傳輸率能達(dá)到 llMbps。Wi-Fi 規(guī)定了協(xié)議的物理(PHY)層和媒體接入控制(MAC)層，并依賴TCP/IP作為網(wǎng)絡(luò)層。Wi-Fi技術(shù)能讓無線用戶得到以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能及速率，且可無縫地將多種LAN技術(shù)集成起來，形成一種能最大限度地滿足用戶需求的網(wǎng)絡(luò)，具有部署方便、通信可靠、抗干擾能力強(qiáng)、成本低、靈活性

29、好、移動(dòng)性強(qiáng)、吞吐量高等特點(diǎn)。由于其優(yōu)異的帶寬是以大的功耗為代價(jià)的，因此大多數(shù)便攜Wi-Fi裝置都需要常規(guī)充電，這些特點(diǎn)限制了它</p><p>　　3、IrDA 技術(shù) </p><p>　　lrDA[即紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)，全稱 The Infrared Data Association，是 1993年6月成立的一個(gè)國際性非營(yíng)利組織，專門制訂和推進(jìn)能共同使用的低成本紅外數(shù)據(jù)互連的世界標(biāo)準(zhǔn)，目前在

30、全球擁有160個(gè)會(huì)員，參與的廠商包括計(jì)算機(jī)、通信硬件、通信軟件及電話公司等。lrDA 的宗旨是制訂以合理的代價(jià)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，以推動(dòng)紅外通信技術(shù)的發(fā)展。IrDA 標(biāo)準(zhǔn)的無線設(shè)備傳輸速率已從115.2Kbps 逐步發(fā)展到 4Mbps、16Mbps。紅外無線通信技術(shù)是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù)，也就是說，紅外通信是利用紅外光進(jìn)行通信的一種空間通信方式。紅外無線通信技術(shù)由于其價(jià)格低廉，使用方便，解決了有線連接的許多不便，因而受到了家電

31、設(shè)備廠商、電腦外圍設(shè)備商、以及通信設(shè)備廠商的高度重視，并吸引了大量資金來進(jìn)行相關(guān)的研究與開發(fā)。目前，支持它的軟硬件技術(shù)都很成熟，在小型移動(dòng)設(shè)備(如 PDA、手機(jī))上被廣泛使用。它具有移動(dòng)通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡(jiǎn)單易用、成本低廉、不需申請(qǐng)頻段及技術(shù)比較成熟的特點(diǎn)，但 IrDA 用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上的最大問題在于只能在2臺(tái)設(shè)備之間連接，并且存在有視距角度</p><p>　　4、超寬頻(UWB)技術(shù) <

32、/p><p>　　超寬頻(UWB)技術(shù)始于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)主要研究微波網(wǎng)絡(luò)在面對(duì)時(shí)域脈沖時(shí)產(chǎn)生的瞬間行為。80年代后期，UWB技術(shù)開始被稱為無載波或脈沖無線電，美國國防部在1989年首次使用“超寬頻”這個(gè)詞。UWB 技術(shù)帶寬相對(duì)較大，分辨率高，抗多徑衰落強(qiáng)，抗干擾強(qiáng)、保密性好、定位精確、系統(tǒng)容量大且傳輸速率高。根據(jù)最新的美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)的定義，超寬頻系統(tǒng)的中心頻率高于2.5GHz，并具有至少500M

33、Hz的-10dB頻寬。UWB 種類眾多，因此潛在的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，包括無線局域網(wǎng)(WLAN)、個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)(PAN)、短距離雷達(dá)(如汽車傳感器、防撞系統(tǒng)、智能型高速公路感測(cè)系統(tǒng)及液態(tài)物體書評(píng)偵測(cè)系統(tǒng))、穿地雷達(dá)，以及應(yīng)用在醫(yī)療監(jiān)視與運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練等領(lǐng)域的人體局域網(wǎng)絡(luò)。 </p><p>　　5、ZigBee 技術(shù) </p><p>　　ZigBee一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時(shí)，通過跳Zigz

34、ag形舞蹈來告知同伴，達(dá)到交換信息的目的，是一種通過簡(jiǎn)捷方式實(shí)現(xiàn)“無線”溝通的方式。人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，這也包含了這種寓意。</p><p>　　ZigBee作為一種無線連接新規(guī)格，可工作在2.4GHz(全球開放頻段)868MHz(歐洲)和915MHz(美國)這三個(gè)頻段上，并在這三個(gè)頻段上分別具有250kbps、20kbps和40kbps的最高理論數(shù)據(jù)傳

35、輸速率。它的傳輸距離在10m～100m的范圍內(nèi)，并且可以更大。實(shí)際的傳輸距離依據(jù)發(fā)射功率的大小和應(yīng)用模式而定。其實(shí)這個(gè)傳輸距離已經(jīng)完全可以滿足家庭和辦公環(huán)境的應(yīng)用需求。而且，一臺(tái)ZigBee設(shè)備可以連接多達(dá)254個(gè)其他ZigBee設(shè)備。</p><p>　　在標(biāo)準(zhǔn)化方面，IEEE802.15.4協(xié)議主要負(fù)責(zé)制定物理(PHY)層和媒體控制(MAC)層的協(xié)議，其它協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，而高層應(yīng)用、測(cè)試和市場(chǎng)推

36、廣等方面的工作將由ZigBee聯(lián)盟(ZigBeeAlliance)負(fù)責(zé)。ZigBee技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：</p><p>　　可靠：由于工作周期很短、收發(fā)信息功耗較低、并且采用了休眠模式，ZigBee技術(shù)可以確保用兩節(jié)五號(hào)電池支持節(jié)點(diǎn)工作長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的時(shí)間。</p><p>　　可靠：采用了碰撞避免（CSMA-CA）機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙(GTS, Guar

37、anteed time slot)，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層可以采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息；</p><p>　　成本低：模塊的初始成本估計(jì)在6美元左右，很快就能降到1.5美元到2.5美元之間，且ZigBee協(xié)議免專利費(fèi).</p><p>　　時(shí)延短：針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。設(shè)備搜索時(shí)延典

38、型值為30ms，休眠激活時(shí)延典型值是15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms；</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)；</p><p>　　安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。</p><

39、p>　　完整的ZigBee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用接口層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟(ZigBee Alliance)制定，IEEE負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。</p><p><b>　　2.2技術(shù)方案比較</b></p><p>　　圖2-1各種短距離無線通信技術(shù)的比較</p><p>　　如圖2

40、-1所示，對(duì)比各技術(shù)及綜合考慮各種因素之后，我們決定采用ZigBee技術(shù)作為本系統(tǒng)的無線傳輸技術(shù)，主要原因有以下幾點(diǎn)：</p><p>　　成本低、功耗低、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全可靠。從ZigBee標(biāo)準(zhǔn)被提出開始，ZigBee技術(shù)就在各種領(lǐng)域被應(yīng)用，經(jīng)歷了實(shí)踐檢驗(yàn)，協(xié)議本身也經(jīng)過之后的兩次修改，日趨完善。目前隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，ZigBee技術(shù)有進(jìn)一步普及的趨勢(shì)。</p><p>　　系統(tǒng)硬件

41、構(gòu)建難度和復(fù)雜度相對(duì)較低，以Texas Instrument為代表的各大半導(dǎo)體廠商為ZigBee開發(fā)生產(chǎn)了一系列的專用芯片，包括射頻前端放大器、無線收發(fā)器、片上系統(tǒng)等各種檔次不同類型的芯片，這些芯片的出現(xiàn)，極大的降低了構(gòu)建ZigBee應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)雜度和風(fēng)險(xiǎn)性。</p><p>　　應(yīng)用軟件開發(fā)和完備的協(xié)議棧支持。TI和Microchip 都有為ZigBee開發(fā)出了協(xié)議棧軟件，并且提供支持和維護(hù)，加上ZigBee協(xié)

42、議本身應(yīng)用程序框架的支持，開發(fā)基于ZigBee技術(shù)的應(yīng)用軟件變得更加方便。</p><p>　　低功耗特性。對(duì)于我們的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來說，功耗是一個(gè)很致命的限定因素，它直接關(guān)系到成本和可維護(hù)性，ZigBee協(xié)議本身的低功耗設(shè)計(jì)，配合各種精心設(shè)計(jì)的ZigBee專用芯片，可以使功耗最大程度的降低。</p><p>　　ZigBee協(xié)議棧層次結(jié)構(gòu)主要由應(yīng)用層、應(yīng)用接口、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路</p&g

43、t;<p>　　層和物理層組成，如圖2-2所示：</p><p>　　圖2-2 ZigBee協(xié)議棧層次結(jié)構(gòu)</p><p>　　物理層：采用DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum直接序列擴(kuò)頻)技術(shù)，可提供27個(gè)信道用于數(shù)據(jù)收發(fā)。IEEE802.15.4定義了2.4GHz頻段和868/915MHz頻段兩種物理層標(biāo)準(zhǔn)。物理層的主要功能包括：激活和

44、休眠射頻收發(fā)器，信道能量檢測(cè)，信道接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示，空閑信道評(píng)估，收發(fā)數(shù)據(jù)。</p><p>　　媒體介入層：IEEE 802.15.4 MAC(Medium Access Layer)層提供了兩種服務(wù)：MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和MAC層管理服務(wù)。數(shù)據(jù)服務(wù)使MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元的收發(fā)可以通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)。管理服務(wù)通過MAC層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)訪問高層。IEEE 802.15.4 MAC層的特征有信標(biāo)管理、信道接

45、入機(jī)制、保證時(shí)隙(GTS)管理、幀確認(rèn)、確認(rèn)幀傳輸、節(jié)點(diǎn)接入和分離。</p><p>　　數(shù)據(jù)鏈路層：IEEE802系列標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)鏈路層分為媒質(zhì)接入層MAC和邏輯鏈路控制層LLC(Logic Link Control Layer)。IEEE802.15.4MAC子層支持多種LLC標(biāo)準(zhǔn)。MAC子層使用物理層提供的服務(wù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)幀傳輸；而LLC子層在MAC子層的基礎(chǔ)上，給設(shè)備提供面向連接和無連接的服務(wù)。MAC

46、子層功能包括：設(shè)備之間無線鏈路的建立、維護(hù)和結(jié)束，確認(rèn)模式的幀傳送與接收，信號(hào)接入控制，幀校檢等。LLC子層主要功能包括：傳輸可靠性保障和控制，數(shù)據(jù)包的分段與重組，數(shù)據(jù)包的順序傳輸。</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)層：建立新的網(wǎng)絡(luò)，處理節(jié)點(diǎn)的進(jìn)入和離開網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)類型設(shè)置節(jié)點(diǎn)的協(xié)議堆棧，使網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器對(duì)節(jié)點(diǎn)分配地址，保證節(jié)點(diǎn)之間的同步，提供網(wǎng)絡(luò)的路由，保證數(shù)據(jù)的完整性，使用可選的AES-128對(duì)通信加密。</p&

47、gt;<p>　　應(yīng)用接口子層：主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，具體包括設(shè)備發(fā)現(xiàn)，業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)，安全與鑒權(quán)，多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚。</p><p>　　在構(gòu)建基于ZigBee技術(shù)的無線通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，我們將選用TI公司的片上系統(tǒng)(SOC)解決方案CC2430。這款芯片是從CC2420無線收發(fā)器的基礎(chǔ)上演變而來，在CC2420的基礎(chǔ)上，CC2430加入了一個(gè)高速51兼容內(nèi)核,加入了片上128KB

48、 Flash，8KB SRAM其中4KB可以在在極低功耗模式下保持?jǐn)?shù)據(jù)，擁有四個(gè)定時(shí)器，雙USART,DMA控制器，支持18個(gè)中斷源，有6種中斷優(yōu)先級(jí)。支持各種低功耗模式，并且可以在外部數(shù)據(jù)中斷下迅速切換到正常工作模式。由于這是一款功能完備的片上系統(tǒng)芯片，所以它只需要很少的外圍器件即可工作，降低了復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前，該芯片廣泛應(yīng)用，所以容易獲取，開發(fā)工具和資料也很充足[2][3]。</p><p>

49、　　2.3總體實(shí)施路線和方案</p><p>　　1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。</p><p>　　包括終端節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，傳感器模塊使用半導(dǎo)體工藝的數(shù)字溫濕度傳感器，采用電池供電。路由器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，不進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，確定初始參數(shù)，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)鏈路向上傳輸數(shù)據(jù)。</p>

50、<p>　　2、數(shù)據(jù)匯聚網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)</p><p>　　網(wǎng)關(guān)主要采用CAN或者485等現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)關(guān)間的互聯(lián)，并且通過網(wǎng)關(guān)上的ZigBee模塊與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，收集傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，并且通過串口或者GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔挥?jì)算機(jī)或者Internet中的計(jì)算機(jī)。 網(wǎng)關(guān)根據(jù)是否需要向上層傳輸數(shù)據(jù)而稍有區(qū)別，不需要上傳數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)，不需要具備GPRS模塊，只需要收集無線傳感器的數(shù)據(jù)，并且將其

51、傳輸給向上層傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)，而需要向上層傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)相當(dāng)于一個(gè)對(duì)外的出口，所以其必須能夠與上位計(jì)算機(jī)通信，比如通過串口、或者通過GPRS網(wǎng)絡(luò)建立TCP連接，進(jìn)行連接。</p><p>　　3、上位計(jì)算機(jī)軟件和手持設(shè)備及人機(jī)界面的設(shè)計(jì) </p><p>　　通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將溫度、濕度等環(huán)境因素的信息傳到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，然后通過有線（RS232）或者無線（GPRS）上傳到上位計(jì)算機(jī)，并且存入數(shù)據(jù)

52、庫，然后通過B/S方式的簡(jiǎn)易信息管理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)展示給用戶，用戶也可以通過手機(jī)短信的方式與系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的交互。</p><p>　　第三章、詳細(xì)方案設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1系統(tǒng)抽象層次結(jié)構(gòu)</p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)劃分為三層，最上層為控制表示層，中間為數(shù)據(jù)匯聚層，最底下為數(shù)據(jù)感知層，如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1系統(tǒng)

53、抽象層次結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　控制表示層：這是整個(gè)系統(tǒng)的最上層，主要以PC端控制監(jiān)視程序和一些手持管理設(shè)備組成，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化，實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)警，遠(yuǎn)程控制指令發(fā)送等功能。</p><p>　　數(shù)據(jù)匯聚層：這一層在整個(gè)系統(tǒng)中起到承上啟下的作用，它將底層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收匯總，并且進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的預(yù)處理，之后向上層傳輸；由于通往上層的出口有限，所以在這一過程中，還需要對(duì)本

54、層不同節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼和轉(zhuǎn)發(fā)。</p><p>　　數(shù)據(jù)感知層：主要實(shí)現(xiàn)各種目標(biāo)物理量的采集、感知、傳輸，必要時(shí)可以作為上層控制信號(hào)接受終端，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行各種動(dòng)作。</p><p><b>　　3.2 控制表示層</b></p><p>　　3.2.1. PC端監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1、

55、概述</b></p><p>　　PC 端監(jiān)控軟件在Visual C++ 6.0環(huán)境下開發(fā)，共分5個(gè)主要功能模塊。通過這些功能模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的查看、修改、溫濕度的檢測(cè)、預(yù)警和簡(jiǎn)易的控制功能。</p><p><b>　　2、用戶管理模塊</b></p><p>　　實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)用戶的管理功能，包括用戶身份驗(yàn)證，增加用戶，刪

56、除用戶，修改密碼，權(quán)限管理，用戶列表查看等。用戶分為兩個(gè)組：普通用戶和管理員，普通用戶只能查看系統(tǒng)狀態(tài)和監(jiān)視結(jié)果，管理員可以發(fā)出修改和控制指令。可以添加新用戶，可以修改用戶屬性。初步界面如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2上位機(jī)軟件截圖1</p><p><b>　　3、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D模塊</b></p><p>　　實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可

57、視化。通過定期的更新和查詢，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新顯示。本模塊功能尚未實(shí)現(xiàn)，正在構(gòu)建中。</p><p>　　4、溫度、濕度檢測(cè)報(bào)警模塊</p><p>　　首先，實(shí)現(xiàn)溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，通過解析下層的數(shù)據(jù)包，得到溫濕度監(jiān)測(cè)值，記錄歷史最高值，最低值，平均值，然后進(jìn)行保存，并通過折線圖進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。其次是報(bào)警功能，可以在預(yù)先設(shè)置上下限溫度值的情況下，當(dāng)溫濕度出現(xiàn)在正常

58、范圍之外時(shí)，進(jìn)行報(bào)警，提醒用戶采取應(yīng)對(duì)措施，如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3上位機(jī)軟件截圖2</p><p><b>　　5、網(wǎng)絡(luò)控制臺(tái)模塊</b></p><p>　　主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的顯示，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)概述。系統(tǒng)提示信息記錄和瀏覽。 主要記錄有：系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，無故障運(yùn)行時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)總數(shù)量，節(jié)點(diǎn)總數(shù)量，平均信號(hào)強(qiáng)度，系統(tǒng)總

59、用戶數(shù)等信息。初步界面如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4上位機(jī)軟件截圖3</p><p>　　6、終端動(dòng)作控制模塊</p><p>　　如圖3-5所示，顯示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)執(zhí)行部件的動(dòng)作狀態(tài)，發(fā)出驅(qū)動(dòng)各部件的指令。如果當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目超過了12個(gè)，則以分組的方式顯示，可以在各組之間切換。每個(gè)部件有三種狀態(tài)，開啟、關(guān)閉、切換中。當(dāng)發(fā)出指令改變某個(gè)部件當(dāng)前狀

60、態(tài)時(shí)，由于指令在網(wǎng)絡(luò)中有延遲，同時(shí)由于指令可能執(zhí)行失敗，最終該部件的狀態(tài)需要通過查詢得知，而不是直接切換，從而保證上位機(jī)軟件與實(shí)際狀態(tài)的一致性。</p><p>　　圖3-5上位機(jī)軟件截圖4</p><p>　　3.2.2手持設(shè)備設(shè)計(jì)</p><p>　　手持設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的監(jiān)測(cè)和簡(jiǎn)單控制，不在受限于計(jì)算機(jī)環(huán)境。另外一個(gè)重要的作用就是安裝節(jié)點(diǎn)時(shí)，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初

61、始配置，因?yàn)榭紤]到靈活性，不可能將所有信息都寫入Flash中，有部分信息只有在使用時(shí)才能確定，比如使用地點(diǎn)，通過手持設(shè)備對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置，可以很方便的實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)位置屬性的調(diào)整，方便了日常管理。</p><p>　　3.2.2.1手持設(shè)備硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　手持設(shè)備硬件模塊主要包括：主控制器STC89C52RC、無線收發(fā)ZigBee模塊、液晶顯示模塊、鍵盤模塊、DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片

62、，AT24C02 EEPROM 芯片等。</p><p>　　無線模塊：由一個(gè)CC2430芯片和一個(gè)單端天線構(gòu)成，為了增強(qiáng)靈敏度，在天線端加裝一個(gè)SMA增益天線，無線模塊與主控制器STC89C52RC間采用串口進(jìn)行通信。</p><p>　　液晶模塊：使用12864液晶顯示屏，此屏自帶中文字庫和驅(qū)動(dòng)芯片，可以通過串行或者并行方式與主控制器連接。本方案中為了節(jié)約IO口，采用了串行方案連接，只

63、需要3根數(shù)據(jù)線(CLK,DATA,RS)，由于手持設(shè)備一般采用電池供電，為了延長(zhǎng)電池壽命，增加了液晶的背光控制功能，能夠在空閑時(shí)自動(dòng)關(guān)閉液晶的背光燈，詳見電路圖。</p><p>　　功能鍵盤模塊：3*3矩陣鍵盤，在手持節(jié)點(diǎn)上，該鍵盤作為功能鍵盤，實(shí)現(xiàn)菜單上翻、下翻、確定、退出等功能。由于主控制器STC89C52RC的中斷數(shù)量有限，但掃描方式連接鍵盤消耗資源過大、實(shí)時(shí)性和響應(yīng)速度也不理想，所以該鍵盤采用共用中斷方

64、式連接到系統(tǒng)中（連接到外部中斷INT0），任何一個(gè)按鍵按下時(shí)都產(chǎn)生中斷，在中斷程序中通過掃描來識(shí)別按鍵，既可以實(shí)現(xiàn)響應(yīng)速度上的要求，也可節(jié)約系統(tǒng)IO口和中斷資源。</p><p>　　數(shù)據(jù)輸入鍵盤模塊：4*4矩陣鍵盤，實(shí)現(xiàn)輸入十六進(jìn)制數(shù)0到F，與功能鍵盤相同，本鍵盤也采用共用中斷方式連接到主控制器的外部中斷（INT1）上，當(dāng)按鍵按下的時(shí)候，在中斷服務(wù)子程序中對(duì)按鍵進(jìn)行解碼。</p><p>

65、;　　DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘：本芯片主要為手持節(jié)點(diǎn)提供時(shí)間日期支持。采用獨(dú)立的紐扣電池作為后備供電電源、獨(dú)立于系統(tǒng)的主電源，以長(zhǎng)時(shí)間保持時(shí)間和日期信息不丟失。</p><p>　　AT23C02 EEPROM：具有掉電不失數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采用IIC總線與主控芯片連接，由于STC89C52RC本身沒有硬件IIC接口，所以可以通過軟件模擬IIC的時(shí)序來進(jìn)行讀寫?？捎糜诖鎯?chǔ)一些系統(tǒng)配置以及一些需要持久保存的信息，主要只作為后

66、備存儲(chǔ)器，由于空間有限，一般不存儲(chǔ)信息。</p><p>　　Max232電平轉(zhuǎn)換電路：由于TTL與RS232電平不兼容，為了實(shí)現(xiàn)程序的下載以及通信，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，這里采用了MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。</p><p>　　3.2.2.2手持設(shè)備軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　手持設(shè)備的一個(gè)重要任務(wù)是提供人機(jī)界面，簡(jiǎn)單、直白的顯示信息。本系統(tǒng)中手持設(shè)備

67、顯示部分使用的是12864液晶屏，該屏自帶中文字庫，可以方便的顯示文字信息，并且具有繪圖模式，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的菜單功能，在該手持設(shè)備中我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)易的菜單，供用戶選擇調(diào)用相應(yīng)的功能，以及查看相關(guān)信息。并且手持設(shè)備還需要與無線模塊進(jìn)行通信、軟件模擬IIC總線時(shí)序與AT24C02進(jìn)行通信、與DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片進(jìn)行通信[4]。</p><p><b>　　3.3數(shù)據(jù)匯聚層</b></

68、p><p>　　3.3.1網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)中處于中層。一方面接受底層數(shù)據(jù)包，通過ZigBee無線方式與終端節(jié)點(diǎn)連接；另一方面，往上層上位機(jī)或者手持設(shè)備等傳遞數(shù)據(jù)包，與手持設(shè)備通信時(shí)，使用ZigBee無線方式，與上位機(jī)通信采用RS-232接口傳遞到本地計(jì)算機(jī)或者使用GPRS方式將數(shù)據(jù)傳遞到Internet中的數(shù)據(jù)服務(wù)器上，協(xié)調(diào)器間互聯(lián)可以采用ZigBee無線方式進(jìn)行

69、跨網(wǎng)段通信(Inter PAN Communication)[5]，也可以采用MAX-485總線，組成一個(gè)485網(wǎng)絡(luò)，或者采用CAN總線方式，組建一個(gè)CAN總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。所以協(xié)調(diào)器的一個(gè)重要作用就是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。另外，在網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)時(shí)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化，分配地址，劃分網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)也是協(xié)調(diào)器的功能，協(xié)調(diào)器原則上需要采用主電源供電，也可以采用電池供電，但由于ZigBee協(xié)議本身的一些特性決定了協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)中扮演了重要的角色，同時(shí)，它的負(fù)擔(dān)

70、非常重。所以最好可以采用主電源供電。在沒有主電源的情況下，可以采用太陽能電池板加可充電電池的搭配來為協(xié)調(diào)器這樣的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)供電。</p><p>　　電源模塊：由于協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上含有較多的集成IC，并且其工作電壓相差加大，無法兼容，故采用不同電壓分別進(jìn)行供電，主控制芯片STC12LE5A60S2、MAX3485、CC2530(CC2430)等芯片采用的是3.3V電壓供電，使用AMS1117 3.3V線性穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)

71、壓后提供；CAN總線、液晶屏1602等部分使用的是5V供電，采用AMS1117 5.0V線性穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓后輸出；GPRS模塊SIM900A采用的是4.0V供電，并且對(duì)電源要求非常高，在模塊進(jìn)行射頻數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)會(huì)由突發(fā)的大電流（可達(dá)2A）通過，很容易由于供電不足造成模塊自動(dòng)關(guān)機(jī)或者通信中斷，在信號(hào)較弱的場(chǎng)合下，芯片會(huì)增強(qiáng)射頻部分的發(fā)射功率，此時(shí)也會(huì)有較大電流通過。為了滿足GPRS模塊對(duì)電源的要求，保證通信穩(wěn)定，此處采用MIC29302芯

72、片進(jìn)行穩(wěn)壓供電，該芯片具有低壓降（0.35V）、大電流（3A）等特點(diǎn)，并且輸出電壓可調(diào)，但價(jià)格過于昂貴，實(shí)驗(yàn)證明，采用開關(guān)型電壓芯片如LM2576等也可以為模塊供電并且工作正常。</p><p>　　液晶模塊：使用1602液晶顯示屏，此屏自帶西文字庫和驅(qū)動(dòng)芯片，可以通過并行方式與主控制器連接。為了節(jié)能，加入了背光控制部分，可以再空閑時(shí)關(guān)閉液晶背光，節(jié)約電能。</p><p>　　功能鍵盤模

73、塊：2*2矩陣鍵盤，在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上，該鍵盤作為功能鍵盤，實(shí)現(xiàn)菜單上翻、下翻、確定、返回主菜單等功能。主控制器STC12LE5A60S2的中斷數(shù)量有限，無法為每一個(gè)按鍵都分配一個(gè)獨(dú)立的外部中斷，但掃描方式連接鍵盤消耗資源過大、實(shí)時(shí)性和響應(yīng)速度也不理想，所以該鍵盤采用共用中斷方式連接到系統(tǒng)中（連接到外部中斷INT0），任何一個(gè)按鍵按下時(shí)都產(chǎn)生中斷，在中斷程序中通過掃描來識(shí)別按鍵，既可以實(shí)現(xiàn)響應(yīng)速度上的要求，也可節(jié)約系統(tǒng)IO口和中斷資源[6]。

74、</p><p>　　CAN總線模塊：CAN是一種非常常用的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，具有抗各種環(huán)境下的電磁干擾、較高的數(shù)據(jù)傳輸速率、支持大量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)、自動(dòng)錯(cuò)誤檢測(cè)、優(yōu)先級(jí)和總線仲裁等優(yōu)良特性，非常適合在各種強(qiáng)干擾場(chǎng)合進(jìn)行分布式控制和數(shù)據(jù)傳輸。CAN總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般由主控制器、CAN總線協(xié)議控制器、CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)驅(qū)動(dòng)器等部分組成，在本系統(tǒng)中，主控制器是STC12LE5A60S2，CAN總線協(xié)議采用SJA1000芯片，

75、收發(fā)器采用Philips公司的A82C250芯片[7]。</p><p>　　485總線模塊：485總線是一種非常經(jīng)典和常見的總線技術(shù)，與本系統(tǒng)中采用的另一種現(xiàn)場(chǎng)總線CAN相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的特點(diǎn)。他是一種半雙工網(wǎng)絡(luò)，采用平衡發(fā)送和差分接收技術(shù)、收發(fā)器具有高靈敏度，可以檢測(cè)200mv的電壓，所以具有較強(qiáng)的抗共模干擾的能力，并且經(jīng)過較長(zhǎng)距離的傳輸后，信號(hào)仍然可以被識(shí)別出來。由于采用半雙工方式工作，任何時(shí)候

76、網(wǎng)絡(luò)中只有一點(diǎn)可以發(fā)送數(shù)據(jù)、所以一般都是采用一主多從的方式，由主站發(fā)起通信、從站應(yīng)答。典型的485網(wǎng)絡(luò)一般可以介入32個(gè)收發(fā)節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)中采用3.3V供電的MAX3485芯片作為收發(fā)器，通過IO口控制收發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。</p><p>　　GSM/GPRS模塊：GPRS（General Packet Radio Service）是GSM移動(dòng)電話系統(tǒng)中的一種數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。是對(duì)傳統(tǒng)的GSM業(yè)務(wù)的升級(jí)和延續(xù)，GPRS采用了

77、分組交換方式而不是傳統(tǒng)的電路交換方式、并且使用的是一些不固定的空閑信道、所以影響用戶通話功能、數(shù)據(jù)采用包（Packet）的方式進(jìn)行傳輸、通過SGSN GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)和GGSN GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)的配合實(shí)現(xiàn)分組數(shù)據(jù)的傳輸。GPRS在占用較小資源的情況下有效提高了數(shù)據(jù)傳輸速率（相比GSM），如本系統(tǒng)中采用的SIM900A模塊，可以實(shí)現(xiàn)最大85.6kbps的下行和最大42.8kbps的上行速率。本系統(tǒng)中采用的SIM900A模塊，其內(nèi)部

78、嵌入了TCP/IP協(xié)議棧、UDP協(xié)議棧、PAP協(xié)議等，通過AT指令即可控制其建立TCP或者UDP協(xié)議連接，與公網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行通信，由于內(nèi)置了協(xié)議棧、所以連接建立和維護(hù)的過程不需要二外干預(yù)，均由模塊自動(dòng)完成，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、降低了開發(fā)難度[8]。</p><p>　　ZigBee模塊：作為網(wǎng)關(guān)，在與傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)、使用ZigBee協(xié)議，ZigBee模塊首先收集傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，然后通過串口或者SPI

79、接口與主控制器STC12LE5A60S2進(jìn)行通信，將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行上報(bào)，后者再對(duì)信息進(jìn)行緩存并選用合適的方式如CAN總線或者485總線或者串口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，傳輸?shù)缴弦粚印?lt;/p><p>　　3.3.2網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　圖3-6 典型的RS485半雙工網(wǎng)絡(luò)示意圖</p><p>　　如圖3-6所示，協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)在整個(gè)系統(tǒng)中扮演了數(shù)據(jù)匯聚和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，所以

80、它的軟件部分主要以通信模塊為主，一方面與終端節(jié)點(diǎn)通過無線通信，另一方面通過485[9]或者CAN總線或者ZigBee無線與其它協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)通信，所有的協(xié)調(diào)器中還有一個(gè)要通過RS232與上位計(jì)算機(jī)通信。主協(xié)調(diào)器作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，還需要與上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件通信，接受上位機(jī)軟件的指令，然后轉(zhuǎn)發(fā)指令到終端節(jié)點(diǎn)。同時(shí)定期向上位機(jī)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)描述。</p><p>　　圖3-7最終系統(tǒng)運(yùn)行示意圖</p><

81、;p>　　如圖3-7所示為一個(gè)典型ZigBee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)圖示。共有四個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)以對(duì)應(yīng)的協(xié)調(diào)器為中心，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中采用樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。協(xié)調(diào)器間通過485、CAN總線或者無線連接，其中一個(gè)作為主機(jī)的協(xié)調(diào)器要與上位機(jī)通信。如圖所示：手持終端可以通過無線與協(xié)調(diào)器連接，查看網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，可以與終端節(jié)點(diǎn)直接通過無線通信，從而配置終端節(jié)點(diǎn)，彌補(bǔ)了上位機(jī)和PC監(jiān)控軟件無法移動(dòng)使用限制。</p><p>

82、　　協(xié)調(diào)器部分的軟件編寫需要考慮以下幾方面的內(nèi)容：首先，需要考慮通信的需求，網(wǎng)關(guān)是通信的樞紐，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息集散地，所以必須能夠具備通信功能；第二，協(xié)調(diào)器需要轉(zhuǎn)換各種不同的通信數(shù)據(jù)格式，提取出有效信息；第三，協(xié)調(diào)器部分需要接受用戶輸入，并提供信息顯示界面，也就是進(jìn)行人機(jī)交互。網(wǎng)關(guān)部分作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中最為復(fù)雜的一個(gè)部分，其內(nèi)部含有最多的硬件模塊，在網(wǎng)關(guān)主控制器程序中，需要驅(qū)動(dòng)所有這些外部模塊協(xié)同工作，為了保證穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，本系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)

83、采用了基于事件驅(qū)動(dòng)的模型進(jìn)行編程，參考了一些RTOS（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)理念，比如，將按鍵輸入處理、LCD界面顯示、網(wǎng)絡(luò)通信等分為多個(gè)任務(wù)，不同的任務(wù)之間通過消息來進(jìn)行通信和協(xié)調(diào)，比如，當(dāng)用戶按下按鍵時(shí)，按鍵中斷處理程序第一時(shí)間獲取到按鍵信息，如鍵值，并存入全局變量中，然后，設(shè)置按鍵標(biāo)志位，然后中斷返回。在主程序循環(huán)中，所有的任務(wù)被一一執(zhí)行，每個(gè)任務(wù)執(zhí)行的時(shí)候，首先查詢其要目標(biāo)事件是否發(fā)生，如果發(fā)生，則進(jìn)行下一步處理，否則直接返回。比

84、如之前的按鍵的例子，在主程序循環(huán)中，按鍵任務(wù)檢測(cè)到按鍵標(biāo)志位被設(shè)置，則認(rèn)為有按鍵按下，則進(jìn)一步調(diào)用按鍵處理程序讀取判斷鍵值（</p><p>　　下面通過具體的代碼分析來說明網(wǎng)關(guān)部分的程序編寫。首先是程序主體的框架，程序按照硬件模塊和邏輯功能分為多個(gè)文件，其主要模塊如表3-1所示：</p><p>　　表3-1程序模塊說明表</p><p>　　以上是各模塊功能的概

85、要分析，程序的運(yùn)行示意圖如圖3-8所示。</p><p>　　圖3-8網(wǎng)關(guān)部分程序運(yùn)行示意圖</p><p><b>　　3.4、數(shù)據(jù)感知層</b></p><p>　　3.4.1終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　終端節(jié)點(diǎn)主要的任務(wù)是采集數(shù)據(jù)，上傳數(shù)據(jù)。某些情況下可以接受指令，控制繼電器或者其他執(zhí)行部件進(jìn)行動(dòng)作。數(shù)據(jù)

86、采集部分主要是連接傳感器，本系統(tǒng)中采用的傳感器是DHT11傳感器，這是一個(gè)溫濕度采集一體的傳感器，采用單總線方式與主控芯片互聯(lián)，另外還加入了一個(gè)光敏電阻，用于定性感知光照強(qiáng)度。節(jié)點(diǎn)采用電池供電。為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和手動(dòng)匹配功能，節(jié)點(diǎn)上必須有至少一個(gè)按鍵，為了指示運(yùn)行狀態(tài)，需要連接LED發(fā)光數(shù)碼管。終端節(jié)點(diǎn)的天線部分采用PCB印刷平衡差分天線或者單端天線。</p><p>　　電源模塊：節(jié)點(diǎn)采用3.3V紐扣電池供電，為了

87、方便特定場(chǎng)合下使用其他電源供電，特加入了一個(gè)3.3V穩(wěn)壓芯片，用于連接外部電源工作，由于采用的是不可充電電池，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)沒有采用電源管理芯片，一切從簡(jiǎn)。</p><p>　　傳感器模塊：本節(jié)點(diǎn)模塊中使用的傳感器是DHT11，它是一個(gè)溫濕度一體的傳感器、通過單總線與CC2530進(jìn)行通信。其采集的溫度范圍是0到50攝氏度，分辨率是1攝氏度，誤差范圍是正負(fù)2攝氏度。采集的相對(duì)濕度范圍是20%到95%，并且支持低功耗模

88、式，價(jià)格低廉[10]。另外還加入了一個(gè)光敏電阻配合CC2X30內(nèi)部的ADC進(jìn)行定性的光照強(qiáng)度的測(cè)量。</p><p>　　其他部分：兩個(gè)按鈕、兩個(gè)狀態(tài)指示LED、一個(gè)10腳下載和仿真接口、復(fù)位按鍵。</p><p>　　3.4.2終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　終端節(jié)點(diǎn)要與傳感器通信，所以要軟件模擬單總線（Single Wire）的時(shí)序，收發(fā)單總線協(xié)議的命令和

89、數(shù)據(jù)。另外要與協(xié)調(diào)器通信，同時(shí)要監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生異常時(shí)，需要嘗試自動(dòng)恢復(fù)。另外，由于每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中采用樹狀網(wǎng)絡(luò)，所以部分節(jié)點(diǎn)需要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，扮演路由器的角色。終端節(jié)點(diǎn)需要在通過軟件在空閑時(shí)進(jìn)入低功耗狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)功耗的降低。</p><p>　　終端節(jié)點(diǎn)的程序編寫是基于Z-STACK協(xié)議棧的，Z-STACK本身就是基于RTOS構(gòu)建的，其內(nèi)部包含了消息處理、消息隊(duì)列、消息發(fā)送等完整的消息驅(qū)動(dòng)編程模型[1

90、1]。編程時(shí)，需要通過協(xié)議棧的接口建立用戶任務(wù)，然后為目標(biāo)消息注冊(cè)處理函數(shù)，對(duì)消息進(jìn)行捕獲處理。一般消息有三個(gè)來源：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧消息，如網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變、收到數(shù)據(jù)、加入網(wǎng)絡(luò)等；外部消息，如按鍵消息、AD轉(zhuǎn)換完成消息等；定時(shí)事件消息，由用戶事先開啟的定時(shí)器觸發(fā)的事件消息，比如要每隔2秒周期性的采集數(shù)據(jù)，則可以定義一個(gè)定時(shí)器事件，其觸發(fā)間隔為2秒，并同時(shí)指定其事件處理函數(shù)，捕獲處理事件消息。以上是一個(gè)大致的流程，在協(xié)議棧中具體編程時(shí)，通常需要事先

91、建立一個(gè)任務(wù)，因?yàn)閰f(xié)議棧以任務(wù)為單位維護(hù)消息隊(duì)列，即每個(gè)任務(wù)有一個(gè)消息隊(duì)列。所以事先要建立一個(gè)任務(wù)，所有注冊(cè)的消息都會(huì)投遞到該任務(wù)的消息隊(duì)列中，等到該任務(wù)執(zhí)行時(shí)，會(huì)調(diào)用該任務(wù)的消息處理函數(shù)對(duì)消息隊(duì)列中的未處理消息進(jìn)行處理。</p><p>　　下面通過對(duì)代碼的分析具體說明協(xié)議棧的工作原理和流程：</p><p>　　入口函數(shù)ZMain，調(diào)用各部分初始化函數(shù)</p><p

92、>　　創(chuàng)建任務(wù)隊(duì)列，進(jìn)行任務(wù)初始化</p><p>　　上圖代碼是協(xié)議棧任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)，其首先定義了一個(gè)任務(wù)ID號(hào)變量，其值從0開始，依次分配給各任務(wù)，每次非配后自加1，這樣所有的任務(wù)都得到了初始化，并且都有一個(gè)任務(wù)ID(TaskID)與之相關(guān)聯(lián)，這個(gè)TaskID是全局范圍類分辨各任務(wù)的唯一標(biāo)示。各個(gè)任務(wù)的初始化函數(shù)由用戶創(chuàng)建任務(wù)之前定義好，其內(nèi)部一般進(jìn)行任務(wù)相關(guān)的初始化操作。從上面的代碼中我們可以看到，協(xié)議

93、棧本身創(chuàng)建了多個(gè)任務(wù)，用于處理網(wǎng)絡(luò)(macTask,nwk,aps,apsf)、硬件(hal)、監(jiān)測(cè)與控制(mt_task),最后是用戶自定義任務(wù)GenericApp的初始化。其內(nèi)容如下：</p><p>　　可以看到，該任務(wù)初始化函數(shù)首先進(jìn)行了任務(wù)ID的設(shè)置，然后進(jìn)行了一些初始化操作和設(shè)置，然后最后四行都是注冊(cè)函數(shù)。首先向應(yīng)用程序框架注冊(cè)了一個(gè)端點(diǎn)(endpoint)，這里端點(diǎn)(endpoint)的概念類似于其

94、他地方所說的端口的含義，然后向系統(tǒng)注冊(cè)了所有的按鍵消息，此處注冊(cè)時(shí)傳入了當(dāng)前任務(wù)的任務(wù)ID(TaskID)，按鍵觸發(fā)后首先是有hal任務(wù)(硬件抽象層任務(wù))進(jìn)行處理的，硬件抽象層任務(wù)根據(jù)TaskID將按鍵消息投遞到注冊(cè)了按鍵消息的任務(wù)的消息隊(duì)列中。最后兩行注冊(cè)了兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)消息，分別處理收到的End_Device_Bind_rsp和Match_Desc_rsp消息。</p><p>　　在任務(wù)中注冊(cè)消息，指定消息處理函

95、數(shù)，進(jìn)行消息處理</p><p>　　如上圖所示，各消息在任務(wù)的消息處理函數(shù)中得到處理。</p><p><b>　　第四章、總結(jié)</b></p><p>　　我們通過長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月的制作和學(xué)習(xí)，初步完成了系統(tǒng)的硬件和部分軟件的編寫，在這個(gè)過程中，我們收獲非常大。首先在硬件制作上，我們從頭至尾制作了將近五六十塊電路板，最終的成品硬件電路共有近20塊

96、，所有的電路板都是使用熱轉(zhuǎn)印方式手工制作完成。通過完成這些硬件電路的設(shè)計(jì)和制作，我們對(duì)于電路及其工作原理的理解進(jìn)一步加深了，很多問題原先只是一個(gè)概念上的理解，而現(xiàn)在，有了切身的體會(huì)和認(rèn)識(shí)，比如，上拉電阻，通過解決幾次電路故障，使得我們對(duì)于什么時(shí)候該用上拉電阻、以及它的作用這些問題的認(rèn)識(shí)有了很大的提升，類似的問題還有很多，所以，雖然制作電路的過程繁雜甚至有些枯燥，但其中的樂趣和收獲還是值得我們的付出。</p><p&g

97、t;　　而軟件的編寫也是類似的，第一次嘗試將那么多的硬件集成到一起然后讓它們協(xié)調(diào)工作并不是一件很容易的事情，然而我們最終還是做到了至少是一些，并且學(xué)習(xí)到了該如何編寫規(guī)范的軟件，尤其是這次試用Z-STACK來進(jìn)行開發(fā)，研究Z-STACK的使用和工作原理對(duì)我們的啟發(fā)很大，我們很多單片機(jī)部分的程序編寫都參考了Z-STACK很很多類似的開發(fā)框架的設(shè)計(jì)思路。同時(shí)，通過閱讀這樣一個(gè)實(shí)際項(xiàng)目的代碼，我們也學(xué)習(xí)到了在一個(gè)比較大的項(xiàng)目中怎樣去劃分模塊組織

98、代碼。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)施過程中，很多老師和同學(xué)給了我們很多幫助，以及我們的指導(dǎo)老師田敏副教授，在此一并表示感謝。</p><p>　　在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)施過程中，也使用到了許多開源軟件，參考了許多來自網(wǎng)絡(luò)的資料，在此向這些軟件以及資料的作者們表示謝意。</p>&l

99、t;p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]孫利民.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].上海.2005.</p><p>　　[2] CC253x System-on-Chip Solution for 2.4-GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee® Applications User’s Guide[S].Texas Ins

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