基于wsn的無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)【畢業(yè)論文】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</p><p><b>　　( 屆)</b></p><p>　　論文題目 基于WSN的無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　(英文) Temperature acquisition system</p><p>　　based on WSN</p>&

2、lt;p>　　所在學(xué)院 電子信息學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電子信息工程 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期

3、 年 月 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　如今在溫度測量中，使用的機(jī)械溫度計(jì)不能有效地檢測到溫度波動(dòng)，這就需要一種新的溫度分析工具?；赯igBee網(wǎng)絡(luò)的無線溫度采集系統(tǒng)就是來解決這個(gè)問題的。隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，一種新興的短距離的無線通信技術(shù)ZigBee無線通信技術(shù)是，具有體積小、低成本

4、、低功耗、低速率、低時(shí)延等優(yōu)點(diǎn)，具有強(qiáng)大的自動(dòng)組網(wǎng)能力和超大的網(wǎng)絡(luò)容量，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)先技術(shù)。由許多的具有感知、計(jì)算和通信能力的微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式構(gòu)成的一個(gè)小范圍的無線網(wǎng)絡(luò)就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它是當(dāng)今國際十分熱門的技術(shù)。</p><p>　　硬件設(shè)計(jì)通過溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過PIC單片機(jī)與ZigBee模塊通過無線傳輸數(shù)據(jù)把采集到的溫度信號送到監(jiān)控中心，再通過串口送到PC機(jī)上顯示，實(shí)現(xiàn)無線采

5、集溫度系統(tǒng)。論文先介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展?fàn)顩r、特點(diǎn)、應(yīng)用及它的體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，接著介紹了ZigBee和NS-2，然后介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及其軟件設(shè)計(jì)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，溫度采集系統(tǒng)，Zigbee技術(shù)，NS-2與無線網(wǎng)絡(luò)模擬</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The us

6、e of mechanical thermometer in the temperature measurement can not be effectively detected temperature fluctuations, which requires a new temperature analysis tools.Temperature acquisition system based on ZigBee wireless

7、 network is to solve this problem.With the rapid development of wireless network technology, an emerging short-range wireless communications technology ZigBee wireless communication technology, with a small size, low-cos

8、t, low power, low rate, low latency and other advantag</p><p>　　Hardware design temperature data collected by the temperature sensor, after the PIC MCU and ZigBee module via the wireless transmission of data

9、 collected from the temperature signal to the monitoring center, and then sent through the serial port on a PC, and wireless acquisition temperature system.The paper first describes the development of wireless sensor net

10、works, features, applications, and its architecture and key technologies, and then introduced the ZigBee and NS-2, and then describes the</p><p>　　Keywords: wireless sensor networks, temperature acquisition

11、system, Zigbee technology, the NS-2 and wireless network simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)............................................................................

12、............................1 </p><p>　　1.1引言......................................................................................................................1</p><p>　　1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概述......

13、...............................................................................1</p><p>　　1.2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展?fàn)顩r.....................................................................1</p><p>　　1.2.2 無

14、線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)............................................................................2</p><p>　　1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu).............................................................................3</p><p

15、>　　1.3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)................................................................................3</p><p>　　1.3.2 無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)................................................................................

16、3</p><p>　　2. ZigBee協(xié)議...............................................................................................................5</p><p>　　2.1 ZigBee簡介......................................

17、..................................................................5</p><p>　　2.1.1 ZigBee的特點(diǎn)...........................................................................................5</p><p>　　

18、2.1.2 ZigBee的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)...................................................................................6</p><p>　　3.硬件設(shè)計(jì)..........................................................................................

19、...........................7</p><p>　　3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)硬件解決方案.................................................................................7</p><p>　　3.2 PIC單片機(jī)最小系統(tǒng)(含TC77)和射頻芯片....................

20、...................................8</p><p>　　3.2.1 PIC單片機(jī)簡介..........................................................................................8</p><p>　　3.2.2 PIC單片機(jī)與51單片機(jī)的差別............

21、....................................................8</p><p>　　3.2.3 PIC18系列單片機(jī)......................................................................................8</p><p>　　3.2.4 TC77溫度傳感器的簡介

22、............................................................................9</p><p>　　3.2.5 MRF24J40射頻芯片..................................................................................10</p><p&

23、gt;　　4.軟件設(shè)計(jì)...................................................................................................................11</p><p>　　4.1 無線網(wǎng)絡(luò)的模擬環(huán)境簡介......................................................

24、.........................11</p><p>　　4.1.1 軟件開發(fā)平臺..........................................................................................11</p><p>　　4.1.2 NS2的trace 文件分析.......................

25、...................................................12</p><p>　　4.2 zigbee協(xié)議工作原理及部分代碼分析...........................................................14</p><p>　　4.2.1協(xié)議棧規(guī)范...........................

26、....................................................................14</p><p>　　4.2.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)..................................................................................................14</p><p

27、>　　4.2.3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)屬性的配置..............................................................................15</p><p>　　4.2.4 尋址........................................................................................

28、..................15</p><p>　　4.2.5重要設(shè)備地址(Important Device Addresses) ...................................16</p><p>　　4.3 Z-Stack 協(xié)議棧總體設(shè)計(jì)..........................................................

29、.....................17</p><p>　　4.3.1任務(wù)初始化..............................................................................................17</p><p>　　4.3.2 任務(wù)調(diào)度...................................

30、..............................................................18</p><p>　　4.4 基于zigbee的溫度采集和無線傳輸軟件設(shè)計(jì)............................................20</p><p>　　4.4.1 軟件開發(fā)平臺..........................

31、...............................................................20</p><p>　　4.4.2 系統(tǒng)流程圖和代碼.................................................................................21</p><p>　　5.制作與調(diào)試.....

32、.........................................................................................................24</p><p>　　5.1電路板的制作.................................................................................

33、..................24</p><p>　　5.2軟件調(diào)試...........................................................................................................24</p><p>　　6.結(jié)論..................................

34、........................................................................................28</p><p>　　致 謝.......................................................................................................

35、..................29</p><p>　　參考文獻(xiàn).....................................................................................................................30</p><p>　　附錄1 系統(tǒng)實(shí)物圖.....................

36、.............................................................................32</p><p>　　附錄2 實(shí)驗(yàn)原理圖..................................................................................................33</p&g

37、t;<p>　　附錄3 畢業(yè)設(shè)計(jì)作品說明書..................................................................................34</p><p><b>　　1．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)</b></p><p><b>　　1.1引言 </b></p

38、><p>　　隨著當(dāng)今世界信息技術(shù)的快速發(fā)展，人類對獲取信息要求的提高，傳感器獲取技術(shù)從單一化到集成化、微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，形成智能傳感器網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)中加入的傳感器節(jié)點(diǎn)，在一個(gè)自組的小型網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，有許多的這些節(jié)點(diǎn)不斷的感知外界的一切，并收集和儲存起來。在需要的時(shí)候可以通過無線的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行膮^(qū)，再有中心對終端相應(yīng)的控制，其中傳感器節(jié)點(diǎn)是基本和核心單元，功能是實(shí)時(shí)的獲取需要的信息，并在命令后回饋需要的數(shù)據(jù)。&

39、lt;/p><p>　　IEEE802.15.4/ZigBee技術(shù)是一種近幾年才推出的無線通信技術(shù)，具有低成本、低功耗、近距離、低復(fù)雜度和高可靠性等特點(diǎn)，是構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首選技術(shù)平臺[1]。</p><p>　　本設(shè)計(jì)是一個(gè)采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合與ZigBee兼容的PIC單片機(jī)及溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。</p><p>　　1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

40、的概述</p><p>　　如今國際上很是關(guān)注無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的發(fā)展，它涉及到的技術(shù)廣外，知識高度集中。比如他將各種技術(shù)如無線傳感技術(shù)，智能控制技術(shù)都結(jié)合在一起，能從各種各樣的微小型的傳感器的檢測中獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，傳感器間還可以互相傳輸數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)物理世界，計(jì)算世界及人類社會三元世界的連通[2]。</p><p>　　1.2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展?fàn)顩r</p>

41、<p>　　1998年，美國在DARPA第一次提出了無線自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念。2001年6月DARPA大規(guī)模研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)時(shí)這技術(shù)是為了幫助在戰(zhàn)爭中獲取信息的。但研究到后來，人們發(fā)現(xiàn)它可以解決其他更多且更有意義的事，它讓這個(gè)世界變小了，變得更加熟悉了，因?yàn)槲覀兛梢詿o時(shí)不刻的知道這個(gè)世界每一個(gè)角落的情況。就是這樣，從21世紀(jì)開始，傳感器的先進(jìn)技術(shù)使很多國家和各行各業(yè)的領(lǐng)域開始關(guān)注，美國與歐洲開始計(jì)劃大量研究這項(xiàng)技術(shù)，特

42、別是美國在美國當(dāng)?shù)卣兔耖g組織資金支持下深入研究傳感器技術(shù)。</p><p>　　美國交通部1995年提出了“國家智能交通系統(tǒng)項(xiàng)目計(jì)劃”，將智能控制檢測技術(shù)，無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，數(shù)據(jù)自動(dòng)處理和反饋等多功能結(jié)合，形成一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測和維護(hù)的交通運(yùn)輸管理的系統(tǒng)。</p><p>　　英特爾公司在2002年發(fā)布了“基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計(jì)算發(fā)展規(guī)劃”，將傳感器技術(shù)應(yīng)用在醫(yī)療系統(tǒng)的檢測，災(zāi)害的預(yù)防系

43、統(tǒng)監(jiān)測，生活中的溫度，濕度數(shù)據(jù)獲取監(jiān)測。</p><p>　　作為一種新的且十分重要的科技技術(shù)，關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)和社會安全，得到各國的密切關(guān)注，美國的各地組織都支持研發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，并投資了大量的資金，英特爾公司，微軟公司等信息工業(yè)界巨頭也要入這個(gè)研究中，美國所有的著名院校都有研究小組在從事與傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)的研究，加拿大、德國、芬蘭、日本和意大利等國家的研究機(jī)構(gòu)也加入了與傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的研究[3]。</p&g

44、t;<p>　　我國無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用與研究起始于20世紀(jì)90年代末期，如中科院、清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、浙江大學(xué)等。在“中國未來20年技術(shù)預(yù)見研究”報(bào)告中，有7項(xiàng)技術(shù)課題直接論述了傳感網(wǎng)絡(luò)，2006年發(fā)布的《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》為信息技術(shù)確立了3個(gè)前沿方向，其中有兩個(gè)與WSN研究直接有關(guān)。目前，中科院的研究非常的深入。中科院的一些研究部門設(shè)計(jì)了這項(xiàng)技術(shù)的方案，并作為一項(xiàng)重中之重的工程，開展了一系列的模擬方

45、案演示等研究，并取得了有價(jià)值的成果。我國由于還是在起步階段，所以還有許多的空間可以發(fā)揮，做好這項(xiàng)重要工程對中國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步有重要的意義。</p><p>　　1.2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是無線網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，和以往的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無線自組網(wǎng)絡(luò)相比，它更多的是以通信為中心，其主要特點(diǎn)是[4~5]：</p><p>&

46、lt;b>　?。?）自組織網(wǎng)絡(luò)</b></p><p>　　在WSN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)要具有自組織的能力，能夠自動(dòng)對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置和管理，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行中，一些傳感器的節(jié)點(diǎn)由于工作了一段時(shí)間后能量消耗完了，那么，就有其它的節(jié)點(diǎn)檢測到并及時(shí)的補(bǔ)充到空缺中，這樣在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量就基本不變了，使網(wǎng)絡(luò)任然可以正常的工作。這種節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性。</p

47、><p><b>　?。?）大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)</b></p><p>　　為了獲取信息的準(zhǔn)確性，部署了大量的節(jié)點(diǎn)在要監(jiān)測的區(qū)域內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量可能達(dá)到成千上萬，甚至更多。從不同空間獲得的信息具有更大的可能；為了提高監(jiān)測的精確度，可以在一個(gè)區(qū)域大量的采集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)取一個(gè)平均值。</p><p>　　1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)</p>

48、<p>　　分布式傳感器節(jié)點(diǎn)、接收發(fā)送器、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等構(gòu)成一個(gè)典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系。在網(wǎng)絡(luò)中，大量撒落節(jié)點(diǎn)，將節(jié)點(diǎn)分布在需要檢測的各個(gè)地區(qū)。這些節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，檢測，收集和處理再網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中指定的信息，對任意地點(diǎn)的信息實(shí)時(shí)的采集，處理和分析。</p><p>　　1.3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)</p><p>　　在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，人們?nèi)隽嗽S多的節(jié)點(diǎn)

49、，將節(jié)點(diǎn)大量分布在檢測的各個(gè)地方，這些節(jié)點(diǎn)自動(dòng)的形成無線網(wǎng)絡(luò)，不斷的在四周探索和檢測，并及時(shí)的獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并通過Sink節(jié)點(diǎn)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)得到的信息無線傳送到遠(yuǎn)程控制中心，而另一方面，遠(yuǎn)程管理中心可以不斷的任意控制節(jié)點(diǎn)的工作方式和屬性。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)主要包括以下幾部分：</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)用戶：對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有直接的命令，讓系統(tǒng)執(zhí)行用戶的任務(wù)。</p><p>　　傳輸介質(zhì)：用戶與虛擬的傳感器

50、系統(tǒng)的連接橋梁。</p><p>　　Sink節(jié)點(diǎn)：擁有強(qiáng)大的能力，能將節(jié)點(diǎn)的信息準(zhǔn)確，及時(shí)，有效的發(fā)送到指定的控制中心去。</p><p>　　傳感網(wǎng)絡(luò)：這是最重要的組成，在傳感網(wǎng)絡(luò)里生存著許多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)不斷的在檢測周圍的環(huán)境變量并及時(shí)的收集儲存起來，待用戶命令后發(fā)送到終端去分析和處理。</p><p>　　1.3.2 無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)</p&g

51、t;<p>　　無線傳感器節(jié)點(diǎn)的主要組成是傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊這四個(gè)基本模塊,傳感器模塊主要是在指定的區(qū)域檢測需要的信息；處理器模塊就是傳感器模塊的控制端，就是將傳感器收集到的信息及時(shí)的儲存在本地的寄存器中，待有需要再將信息發(fā)送出去；無線通信模塊主要是使傳感器節(jié)點(diǎn)之間有效地?cái)?shù)據(jù)傳輸和連接或是終端的連接；能量控制模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供能量,好讓它有正常的工作，通常采用電池。</p>

52、<p>　　2.Zigbee協(xié)議</p><p>　　2.1 Zigbee簡介</p><p>　　上個(gè)世紀(jì)末出現(xiàn)ZigBee技術(shù)。美國Honeywell等公司在2001年成立ZigBee聯(lián)盟，他們建立的ZigBee技術(shù)被確認(rèn)為IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。2002年10月，英國Invensys公司，美國摩托羅拉，荷蘭飛利浦和日本三菱等重量級企業(yè)加盟ZigBee聯(lián)盟[6]。<

53、;/p><p>　　ZigBee是一種短距離、低功耗、地?cái)?shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee一詞源于蜜蜂，蜜蜂通過Zigzag舞蹈與同伴傳達(dá)花與蜜的位置、方向、距離等信息[7]，ZigBee因此而得名。ZigBee協(xié)議在2003年通過后，于2004年正式問世。</p><p>　　ZigBee無線可使用3個(gè)頻段，分別是2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段、以及美國

54、的915MHz頻段，而不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個(gè)，在中國采用2.4G頻段，都是免申請和免使用費(fèi)的頻段[8]。</p><p>　　2.1.1 Zigbee的特點(diǎn)</p><p>　　ZigBee技術(shù)具備一些非常適合于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn),其優(yōu)點(diǎn)如下[9,10]：</p><p>　　數(shù)據(jù)傳輸速率低在10KB/S～250KB/S的范圍，在低速率傳輸中有

55、重要的應(yīng)用。</p><p>　　功耗低：待機(jī)模式下，兩節(jié)普通的5號電池可以使用好幾個(gè)月。</p><p>　　成本低：簡單的ZigBee協(xié)議。</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)容量大：容納60000左右的設(shè)備。</p><p>　　時(shí)延短：時(shí)延大約35ms。</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)，通信可靠。</

56、p><p>　　數(shù)據(jù)安全：ZigBee網(wǎng)絡(luò)提供了數(shù)據(jù)檢測功能，有精密的計(jì)算方法。</p><p>　　有效范圍：有效覆蓋范圍10～300米之間，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和不同的應(yīng)用模式而定[11]。</p><p>　　9、工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz（全球）、868MHz（歐洲）和915MHz(美國)，均為免費(fèi)使用的頻段。</p><p&

57、gt;　　2.1.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)</p><p>　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)有設(shè)備類型、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路由方式三個(gè)組成。設(shè)備是ZigBee網(wǎng)絡(luò)最基本的組成單元，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備有三種：協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Route）、終端設(shè)備（End Device）。</p><p>　　ZigBee技術(shù)支持三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型、Mesh網(wǎng)狀型、Cluster Tree樹狀，

58、如下圖2-1,2-2,2-3所示。</p><p>　　圖2-1 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?圖2-2 Mesh型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?lt;/p><p>　　圖2-3 Cluster Tree 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?lt;/p><p>　　表示Coordinator 表示Router 表示EndDevice</p><p><

59、;b>　　3硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　這章將介紹硬件的基本組成，本系統(tǒng)主要是ZigBee技術(shù)結(jié)合PIC單片機(jī)最小系統(tǒng)和溫度采集系統(tǒng)，所以硬件系統(tǒng)主要由ZigBee模塊結(jié)合PIC單片機(jī)模塊和溫度采集模塊組成。</p><p>　　圖3-1 整體系統(tǒng)框圖</p><p>　　3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)硬件解決方案 </p>&l

60、t;p>　　由于本課題所設(shè)計(jì)的溫度采集系統(tǒng)是基于ZigBee技術(shù)，因此選擇合適的ZigBee硬件解決方案至關(guān)重要的，它直接影響著產(chǎn)品的性能，為了選擇滿足系統(tǒng)功能需求的硬件，需要考慮到芯片內(nèi)部集成的功能模塊、通用的IO引腳數(shù)目、RAM及FLASH大小、芯片以及開發(fā)環(huán)境的熟悉程度、芯片的可購買性以及性價(jià)比等等[11]。目前提供ZigBee網(wǎng)絡(luò)解決方案的公司主要分為兩種，一種是有些公司自己有研究和開發(fā)生產(chǎn)ZigBee射頻芯片，然后通過自

61、己的研究的獨(dú)特功能得到大量的市場需要；另一種就是一些公司，自己不生產(chǎn)芯片，利用別人的技術(shù)來進(jìn)行大量生產(chǎn)產(chǎn)品。</p><p>　　如今比較可靠的方法有兩種:第一種是單片機(jī)和ZigBee射頻芯片的組合，第二種是SOC單芯片。本系統(tǒng)選的是由單片機(jī)控制的ZigBee射頻芯片組合，單片機(jī)是8位的單片機(jī)，ZigBee射頻芯片的輔助，組成智能控制的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)。在這里，單片機(jī)主要是提供模塊的電源和應(yīng)用控制，而射頻芯片則主要提供

62、符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線通信的接入[12]。</p><p>　　3.2 PIC單片機(jī)最小系統(tǒng)(含溫度采集芯片)和射頻芯片</p><p>　　3.2.1 PIC 單片機(jī)簡介</p><p>　　PIC系列單片機(jī)是美國微芯科技公司（Microchip公司）的微控制器產(chǎn)品，精簡指令集（RISC）、哈佛總線（Harvard）結(jié)構(gòu)、二級流水線取指令方式，具有

63、實(shí)用、高速度、體積小、低價(jià)、低功耗、功能強(qiáng)和易學(xué)等特點(diǎn)[13]。</p><p>　　3.2.2 PIC單片機(jī)與51單片機(jī)的差別</p><p>　　PIC系列單片機(jī)與MCS-51系列單片機(jī)的主要區(qū)別如下[14]：</p><p>　　1.總線結(jié)構(gòu)：MCS-51單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)是馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)在同一個(gè)存儲空間內(nèi)取指令和數(shù)據(jù)，而且兩者不能同時(shí)進(jìn)行。而

64、PIC單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)式是采用哈佛結(jié)構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)空間是完全分開，一個(gè)用于指令，一個(gè)用于數(shù)據(jù)?？梢酝瑫r(shí)進(jìn)行訪問程序和數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)的吞吐率。</p><p>　　2. 流水線結(jié)構(gòu)：MCS-51單片機(jī)的取指和執(zhí)行采用的都是單指令，即取一條指令，執(zhí)行完后再取下一條指令。而PIC的取指和執(zhí)行采用雙指令，就可以同時(shí)取兩個(gè)指令執(zhí)行。</p><p>　　3.寄存器組：MCS-51單片機(jī)需要兩個(gè)或兩

65、個(gè)以上的周期才能改變寄存器的內(nèi)容，PIC單片機(jī)的所有寄存器，包括I/O口、定時(shí)器和程序計(jì)數(shù)器都只需要一個(gè)指令周期就可以完成訪問和操作。</p><p>　　3.2.3 PIC 18系列單片機(jī)</p><p>　　PIC18系列是高性能、CMOS、集成了模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的全靜態(tài)MCU系列。PIC18XX系列采用的是16位的RISC指令系統(tǒng)，是目前世界上8位單片機(jī)中運(yùn)行最快的，還具有豐富

66、的I/O口控制功能，并可外接擴(kuò)展的EPROM和RAM，是目前8位單片機(jī)中性能最高的機(jī)種之一。PIC18MCU采用先進(jìn)的RISC架構(gòu),支持FLASH和OTP器件,其突出的特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)低功耗,非常適用于各種低功耗要求的應(yīng)用[15]</p><p>　　圖3-2 PIC18F4620引腳圖</p><p>　　3.2.4 TC77溫度傳感器簡介</p><p>　　TC7

67、7溫度傳感器是由Microchip公司生產(chǎn)的一款具有SPI與MICROWIRE兩種接口方式兼容的小尺寸，低功耗的溫度監(jiān)測芯片，其溫度數(shù)據(jù)由熱傳感單元轉(zhuǎn)換得來，TC77具有體積小巧、裝配成本低和易于操作的特點(diǎn)，是系統(tǒng)熱管理的理想選擇。</p><p>　　圖3-3 TC77芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　TC77是CMOS型硅溫度數(shù)據(jù)傳感器，在電源輸入端Vdd和地之間最好加上一個(gè)0.

68、1uF—1uF左右的退耦電容，在制作PCB時(shí)，盡可能在離芯片最近的距離連接一個(gè)高頻的陶瓷電容。這樣就可以有效的避免噪音干擾。由于TC77溫度傳感器對PCB導(dǎo)熱途徑主要是通過對地的連接。所以PCB對應(yīng)的TC77的Vss的銅線應(yīng)盡量的粗，焊盤盡可能的大。這樣比較能保證采集到準(zhǔn)確的環(huán)境溫度[16]。</p><p>　　圖3-4 PIC單片機(jī)與TC77芯片接口圖</p><p>　　3.2.5

69、 MRF24J40射頻芯片</p><p>　　MRF24J40是Microchip公司生產(chǎn)的首個(gè)射頻收發(fā)器，是2.4GHz的收發(fā)器。MRF24J40具有一般的無線功能，與簡單的單片機(jī)一起使用在要求處理速度不高的地方，MRF24J40器件可以自動(dòng)的組網(wǎng)絡(luò)，并且允許終端的設(shè)備請求加入到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中去，它的運(yùn)行是完全自動(dòng)的，一但提供了電源后就進(jìn)入了一個(gè)輪回的不斷查詢中去，只要有外部的命令，就馬上對號入座的執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)

70、。</p><p><b>　　3-5 芯片引腳圖</b></p><p>　　由于MRF24J40必須在微控制器的控制下才能完成數(shù)據(jù)的收發(fā)，并通過引腳端RESET，WAKE，INT，SDO，SDI，SCK，CS來連接到微控制器。</p><p>　　圖3-6 PIC單片機(jī)與MRF24J40接口圖</p><p>&l

71、t;b>　　4.軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 無線網(wǎng)絡(luò)的模擬環(huán)境簡介</p><p>　　NS2是一種針對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的源代碼公開的、免費(fèi)的軟件模擬平臺，人員可以用它來模擬自己的方案，它應(yīng)用到現(xiàn)在，得到了許多的專業(yè)人員的喜愛，而且它的功能也在日益的完善當(dāng)中。所以，NS2成了現(xiàn)在人們廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)模擬軟件。</p><p>　　NS2可以

72、完整的模擬整個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，它有許多的模擬構(gòu)架組成，采用C++語言進(jìn)行程序的編寫，搭建整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的模型，而且還可以對網(wǎng)絡(luò)中的許多的信息進(jìn)行檢測是否準(zhǔn)確，NS2是很適合開發(fā)者的一款軟件，它可以讓開發(fā)者不需要直接購買硬件測試，可以降低大量的成本還有節(jié)省許多的時(shí)間。 </p><p>　　4.1.1 軟件開發(fā)平臺</p><p>　　VMware Workstation 是一款功能強(qiáng)大的桌面虛

73、擬計(jì)算機(jī)軟件，可在單一的桌面上同時(shí)運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)，和進(jìn)行開發(fā)、測試 、部署新的應(yīng)用程序的最佳解決方案。VMware Workstation可在一部實(shí)體機(jī)器上模擬完整的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，以及可便于攜帶的虛擬機(jī)器，其更好的靈活性與先進(jìn)的技術(shù)勝過了市面上其他的虛擬計(jì)算機(jī)軟件。</p><p>　　Linux是一種自由和開放源碼的類Unix操作系統(tǒng)。目前存在著許多不同的Linux,但它們都使用了Linux內(nèi)核。Linux可安

74、裝在各種計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備中，從手機(jī)、平板電腦、路由器和視頻游戲控制臺，到臺式計(jì)算機(jī)、大型機(jī)和超級計(jì)算機(jī)。Linux是一個(gè)領(lǐng)先的操作系統(tǒng)，世界上運(yùn)算最快的10臺超級計(jì)算機(jī)運(yùn)行的都是Linux操作系統(tǒng)。嚴(yán)格來講，Linux這個(gè)詞本身只表示Linux內(nèi)核，但實(shí)際上人們已經(jīng)習(xí)慣了用Linux來形容整個(gè)基于Linux內(nèi)核，并且使用GNU 工程各種工具和數(shù)據(jù)庫的操作系統(tǒng)。</p><p>　　Ubuntu是一個(gè)以桌面應(yīng)用為主的

75、Linux操作系統(tǒng)，Ubuntu的目標(biāo)在于為一般用戶提供一個(gè)最新的、同時(shí)又相當(dāng)穩(wěn)定的主要由自由軟件構(gòu)建而成的操作系統(tǒng)。Ubuntu具有龐大的社區(qū)力量，用戶可以方便地從社區(qū)獲得幫助。</p><p>　　4.1.2 NS2的trace 文件分析</p><p>　　設(shè)置網(wǎng)路的環(huán)境，建立四個(gè)網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)(n0，n1，n2，n3)，如下圖所示。</p><p><b&g

76、t;　　圖 4-1</b></p><p>　　Tcl腳本文件可在Linux下的任何一個(gè)文本編譯器中進(jìn)行編寫，文件為wireless-test文件的后綴名為.tcl 建立仿真的腳本部分語言如下：</p><p>　　set opt(chan)Channel/WirelessChannel</p><p>　　set opt(prop)Propag

77、ation/TwoRayGround</p><p>　　#set opt(netif)NetIf/SharedMedia</p><p>　　set opt(netif)Phy/WirelessPhy</p><p>　　#set opt(mac)Mac/802_11</p><p>　　set opt(mac)Mac/80

78、2_11</p><p>　　set opt(ifq)Queue/DropTail/PriQueue</p><p>　　set opt(ll)LL</p><p>　　set opt(ant) Antenna/OmniAntenna</p><p>　　set opt(x)670;# X 的坐標(biāo)值<

79、/p><p>　　set opt(y)670;# Y 的坐標(biāo)值</p><p>　　set opt(cp)"../mobility/scene/cbr-3-test"</p><p>　　set opt(sc)"../mobility/scene/scen-3-test"</p><p>　

80、　set opt(ifqlen)50;# 最大值數(shù)據(jù)包</p><p>　　set opt(nn)3;# 節(jié)點(diǎn)的數(shù)目</p><p>　　set opt(seed)0.0</p><p>　　set opt(stop)2000.0;# 仿真時(shí)間</p><p>　　set opt(tr)out-test.tr

81、;# 跟蹤文件</p><p>　　set opt(rp) dsr ;# 路由協(xié)議腳本</p><p>　　set opt(lm) "off" ;# log movement</p><p>　　set AgentTraceON</p>&l

82、t;p>　　set RouterTraceON</p><p>　　set MacTraceOFF</p><p>　　模擬結(jié)束后，會產(chǎn)生一個(gè)test-out.tr，這個(gè)文件記錄了模擬過程中封包傳送中所有的事件。包括網(wǎng)路頻寬，延遲時(shí)間，記錄封包的傳送時(shí)間，節(jié)點(diǎn)能量耗盡時(shí)間。</p><p>　　以下是截取的部分?jǐn)?shù)據(jù)：</p><

83、p>　　M 33.00000 0 (83.36, 239.44, 0.00), (89.66, 283.49), 19.15</p><p>　　M 50.00000 2 (591.26, 199.37, 0.00), (369.46, 170.52), 3.37</p><p>　　M 51.00000 1 (257.05, 345.36, 0.00), (221.83, 80.8

84、6), 14.91</p><p>　　s 127.936679222 _0_ AGT --- 0 cbr 512 [0 0 0 0] ------- [0:0 2:0 32 0] [0] 0 3</p><p>　　r 127.936679222 _0_ RTR --- 0 cbr 512 [0 0 0 0] ------- [0:0 2:0 32 0] [0] 0 3</p&

85、gt;<p>　　s 127.940949843 _0_ RTR --- 1 DSR 32 [0 0 0 0] ------- [0:255 2:255 32 0] 1 [1 1] [0 1 0 0->0] [0 0 0 0->0]</p><p>　　r 127.942150650 _1_ RTR --- 1 DSR 32 [0 ffffffff 0 800] ------- [0

86、:255 2:255 32 0] 1 [1 1] [0 1 0 0->0] [0 0 0 0->0]</p><p>　　s 127.974476947 _0_ RTR --- 2 DSR 32 [0 0 0 0] ------- [0:255 2:255 32 0] 1 [1 2] [0 2 0 0->16] [0 0 0 0->0]</p><p>　　r 1

87、27.975857754 _1_ RTR --- 2 DSR 32 [0 ffffffff 0 800] ------- [0:255 2:255 32 0] 1 [1 2] [0 2 0 0->16] [0 0 0 0->0]</p><p>　　f 127.982163849 _1_ RTR --- 2 DSR 48 [0 ffffffff 0 800] ------- [0:255 2:25

88、5 32 0] 2 [1 2] [0 2 0 0->16] [0 0 0 0->0]</p><p>　　r 127.983192424 _2_ RTR --- 2 DSR 48 [0 ffffffff 1 800] ------- [0:255 2:255 32 0] 2 [1 2] [0 2 0 0->16] [0 0 0 0->0]</p><p>　　s

89、127.993943734 _0_ RTR --- 0 cbr 552 [0 0 0 0] ------- [0:0 2:0 32 1] [0] 0 3</p><p>　　r 128.000466153 _1_ RTR --- 0 cbr 552 [13a 1 0 800] ------- [0:0 2:0 32 1] [0] 1 3</p><p>　　f 128.00046615

90、3 _1_ RTR --- 0 cbr 552 [13a 1 0 800] ------- [0:0 2:0 31 2] [0] 1 3</p><p>　　r 128.006847881 _2_ RTR --- 0 cbr 552 [13a 2 1 800] ------- [0:0 2:0 31 2] [0] 2 3</p><p>　　r 128.006847881 _2_ AG

91、T --- 0 cbr 512 [13a 2 1 800] ------- [0:0 2:0 31 2] [0] 2 3</p><p>　　s 131.663684440 _0_ AGT --- 4 cbr 512 [0 0 0 0] ------- [0:0 2:0 32 0] [1] 0 3</p><p>　　r 131.663684440 _0_ RTR --- 4 cbr

92、 512 [0 0 0 0] ------- [0:0 2:0 32 0] [1] 0 3</p><p>　　SFESTs 131.663684440 _0_ 4 [0 ->2] 1(1) to 1 [0 |1 2 ]</p><p>　　s 131.663684440 _0_ RTR --- 4 cbr 552 [0 0 0 0] ------- [0:0 2:0 32 1]

93、[1] 0 3</p><p>　　r 131.669562859 _1_ RTR --- 4 cbr 552 [13a 1 0 800] ------- [0:0 2:0 32 1] [1] 1 3</p><p>　　f 131.669562859 _1_ RTR --- 4 cbr 552 [13a 1 0 800] ------- [0:0 2:0 31 2] [1] 1 3&

94、lt;/p><p>　　r 131.675524586 _2_ RTR --- 4 cbr 552 [13a 2 1 800] ------- [0:0 2:0 31 2] [1] 2 3</p><p>　　4.2 zigbee協(xié)議工作原理及部分代碼分析</p><p>　　在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在三種邏輯設(shè)備類型：Coordinator(協(xié)調(diào)器)，Router(路

95、由器)和</p><p>　　End-Device(終端設(shè)備)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)Coordinator以及多個(gè)Router和多個(gè)End_Device組成。</p><p>　　4.2.1協(xié)議棧規(guī)范</p><p>　　協(xié)議棧規(guī)范由ZigBee聯(lián)盟定義指定。在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備必須符合同一個(gè)協(xié)議棧規(guī)范，在設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)之前，首先需要確認(rèn)協(xié)議棧規(guī)范的ID。協(xié)議棧規(guī)范

96、的ID（STACK_PROFILE_ID）在nwk_globals.h中定義：</p><p>　　#define NETWORK_SPECIFIC 0 //“特定網(wǎng)絡(luò)”規(guī)范ID號為0</p><p>　　#define HOME_CONTROLS 1 //ZigBee協(xié)議棧規(guī)范的ID號為1</p><p>　　#define ZIGBEEP

97、RO_PROFILE 2 //ZigBee PRO協(xié)議棧規(guī)范的ID號為2</p><p>　　4.2.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) </p><p>　　在Z-Stack中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)定義如下：</p><p>　　#define NWK_MODE_STAR 0 //星型</p><p>　　#define NWK_MODE_TREE 1

98、 //樹型</p><p>　　#define NWK_MODE_MESH 2 //網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　#if ( STACK_PROFILE_ID == ZIGBEEPRO_PROFILE ) </p><p>　　#define NWK_MODE NWK_MODE_MESH //采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)</p><p&

99、gt;　　#elif ( STACK_PROFILE_ID == HOME_CONTROLS ) //智能家居</p><p>　　#define NWK_MODE NWK_MODE_MESH //采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　#elif ( STACK_PROFILE_ID == GENERIC_STAR ) //特殊的ID號</p><p>

100、;　　#define NWK_MODE NWK_MODE_STAR </p><p>　　#elif ( STACK_PROFILE_ID == NETWORK_SPECIFIC ) </p><p>　　#define NWK_MODE NWK_MODE_MESH </p><p><b>　　#endif </b></p>&

101、lt;p>　　4.2.3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)屬性的配置</p><p>　　在每個(gè)路由加入網(wǎng)絡(luò)之前，尋址方案需要知道和配臵一些參數(shù)。這些參數(shù)是MAX_DEPTH（最大網(wǎng)絡(luò)深度）、MAX_ROUTERS（最多路由數(shù)）和MAX_CHILDREN（最多子節(jié)點(diǎn)數(shù)）。ZigBee2007協(xié)議棧已經(jīng)規(guī)定了這些參數(shù)的值：</p><p>　　#if ( STACK_PROFILE_ID == ZIGBEEP

102、RO_PROFILE ) </p><p>　　#define MAX_NODE_DEPTH 20 最大網(wǎng)絡(luò)深度</p><p>　　#elif ( STACK_PROFILE_ID == HOME_CONTROLS ) </p><p>　　#define MAX_NODE_DEPTH 5 最大網(wǎng)絡(luò)深度</p><p>　

103、　#elif ( STACK_PROFILE_ID == GENERIC_STAR ) </p><p>　　#define MAX_NODE_DEPTH 5 </p><p>　　#elif ( STACK_PROFILE_ID == NETWORK_SPECIFIC ) </p><p>　　#define MAX_NODE_DEPTH 5

104、 </p><p><b>　　#endif </b></p><p>　　#define NWK_MAX_ROUTERS 6 最多路由數(shù)</p><p>　　#define NWK_MAX_DEVICES 21 最多子節(jié)點(diǎn)數(shù)</p><p><b>　　4.2.4 尋址 </b>

105、;</p><p>　　為了向一個(gè)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序通常使用AF_DataRequest()函數(shù)。數(shù)據(jù)包將要發(fā)送給一個(gè)afAddrType_t(在ZComDef.h中定義)類型的目標(biāo)設(shè)備。 </p><p>　　typedef struct </p><p><b>　　{ </b></p><p&

106、gt;<b>　　union </b></p><p><b>　　{ </b></p><p>　　uint16 shortAddr; 短地址</p><p>　　ZLongAddr_t extAddr; 長地址</p><p><b>　　} addr; </b>

107、</p><p>　　afAddrMode_t addrMode; 地址模式</p><p>　　byte endPoint; </p><p>　　uint16 panId; // used for the INTER_PAN feature </p><p>　　} afAddrType_t; </p><p&g

108、t;<b>　　地址模式參數(shù)</b></p><p>　　typedef enum </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　afAddrNotPresent = AddrNotPresent, 無地址</p><p>　　afAddr16Bit = Addr16Bit,