【精品】孟德明毕业论文

1、摘要本文以智能家居中的环境监测系统为研究对象，根据智能家居环境监测系 统的特点和目前智能家居系统中存在的缺点，本文设计了一种基于zigbee无线 网络技术的智能家居环境监测系统。在该系统中，传感器节点可对物理环境信 息进行采集，然后将采集到的物理信息通过无线网络的方式发送到网络中的控 制中心节点，控制中心节点再通过串口线将数据按照规定的格式发往管理中 心。为了让用户能够操作本监测系统并显示环境信息，本文在管理中心上设计 了用户操作界面，完成数据的显示与对数据采集的操作。关键词：zigbee无线传感器网络 环境监测 智能家居abstractbased on the environmental m

2、onitoring system in intelligent home furnishing as the research object, according to the characteristics of intelligent home furnishing environment monitoring system and intelligent home furnishing system at the disadvantages, this paper designs a kind of intelligent home furnishing environment moni

3、toring system based on zigbee wireless network technology in this system, the sensor nodes to collect physical environment information, and send data to the physical information transmitted through wireless network to the control center of the nodes in the network, the control center node via the se

4、rial line will be in accordance with the provisions of the format of data sent to the management center. in order to allow the user to operate the system and display the environmental information, this paper design the user interface in the management center, to display the operation and the data ac

5、quisition data.keywords: zigbee.wireless sensor networks,smart home,environmental monitoringb 录摘要iabstractii第1章绪论-1 -1.1研究背景-1-1.2目前现状-2-1.3木文主要研究-2-第 2 章 zigbee 技术-4 -2.1 zigbee技术介绍-4-2.2 zigbee 技术特点-4-2.3 zigbee网络设备组成和网络结构-5-2.4 ieee802.15.4 协议分析-6 -2.4.1物理层(phy)2.4.2介质访问控制层(mac)-8-2.4.3 csma/ca工作

6、机制2.5 zigbee协议介绍与分析-9-2.5.1网络层(nwk)92.5.2 应用层(app) 11 -本章小结12 -第3章 家居环境监测系统设计-13-3.1系统方案设计-13-3.2系统结构-13-3.3系统功能定义-14-3.3系统设计要求-17-本章小结-17 -第4章 硬件系统设计-18-4.1 zigbee 硬件选型-18 -4.2节点硬件设计-19-4.2.1中心控制节点设计-19-4.2.2路由器节点设计-25-4.2.3传感器节点设计-25-木章小结-31 -第5章系统软件设计-33-5.1设计思路-33-5.2控制中心节点软件设计-33 -5.2.1路由器节点软件设

7、计-38-5.2.2传感器节点软件设计-39-5.3用户操作界面设计-45-5.3.1用户界而开发环境介绍-46-5.3.2界面的各功能设计-46-5.3.3用户操作界面-49 -木章小结-49 -第6章系统网络性能测试-50-6zigbee网络性能测试-50-6.2测试分析总结-51 -第7章总结与展望-52-7.1工作总结-52-7.2工作展望-53 -参考文献-55 -致谢-57 -第1章绪论1.1研究背景自人类诞生以來，人们都一直致力于自身生活与居住条件的提高与改善。 随着人类进入信息时代，计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术都得到 了迅猛的发展与提高，人们也对居住环境提出了更高的

8、要求，希望自己居住在 一个生活现代化，居住环境安全化、舒适化的生活空间。在这种理念的驱动下, 智能家居（smart home）的图11概念也就应运而生。人们希望通过这种技术将 家庭中各种与信息相关的通讯设备、家用屯器和家庭安防等装置连接到一个家 庭智能化系统上进行集中或异地监视、控制和管理，保持这些家庭设施与住宅 环境的和谐与协调一致，从而满足用户对居住环境的需求。智能家居系统的结 构如图11所示。图11智能家居系统结构图为了提供用户全面、可靠的环境信息，本文以智能家居环境监测子系统 为研究对象，实现对家庭居住环境的实吋监测。从图11 口j看出，环境监测子 系统是智能家居系统中其必不可少的一部

9、分。通过该系统，用户可以实时获知 居住环境的信息,如:温湿度、光线明暗程度、有害气体浓度、火灾信息等。同 时，该系智能化控制。例如，当采集到的温度信息高于用户设定的适宜值时，智 能家届系统控制管理中心（以下简称:管理中心）将控制空调设备运行，降统还可 将采集到的环境信息作为其他家庭设备运行时的参数，实现对环境的低室内温 度;又如，当湿度值偏低时，管理中心将启动加湿器进行工作，增加室内湿度。因 此，智能家居环境监测子系统是实现智能家居系统功能的重要组成部分与基本 条件，是提供用户安全、舒适、便捷生活的重要手段。设计好环境监测子系统 对于构建智能家居系统和提高用户的生活环境质量具有重要的意义。1.

10、2目前现状随着经济的发展和我们生活质量的提高，智能家居的智能化要求也是愈來 愈高，智能家居亦成了近几年來学者们的一个研究热点。现有的智能家居产品 大部分是以有线网络做为家庭的内部网络，冇线网络布线麻烦，终端节点数量多 而需要数量庞人的电缆,而无线通讯技术能很好的解决以上问题。国际上的家 庭智能化系统已经形成集中以有线为基础的标准包括有美国的x-lo和 cebus欧洲的eib、仃本的hbs等。目前,国内的这些智能家居系统还处于萌 芽的阶段。近些年來在各个大公司和媒体的大力宣传下,我国的家居环境监测 行业开始起步，已经有一些前瞻性很强的公司在从事此类系统的开发。另外，国 内亦有些电器厂家也在市场上

11、推出了自主的智能家居系统，类似的系统在家居 环境的监测中均可以实现各种功能。虽然现在的各种有线技术亦能够对环境信 息进行监测与处理，让各种监测设备之间进行连接通信。但当采用有线技术方 案吋,根据智能家居环境监测系统的特点，它存在一些缺点，如下面几项所示：(1) 系统布线麻烦。采用有线技术时，对各个监测点分别进行布线将是一份 复杂庞大的工作，特别是当系统监测对象的数量较多时更是如此，又容易破坏家 庭之前装修的完整性。(2) 安装与维护成本高。在安装系统吋，需要安装大量的线缆,家居装修建材 等，特别是当用户要需要壇加节点以增加系统功能时，更是要重新对其进行布 线。1.3本文主要研究随着我国经济和科

12、技的迅猛发展，人们的生活水准越來提高，日常家居的环 境更受到了人们的关注。近年來随着家庭装修时工业板材及其他冇毒气体释放 源的使用，室内的环境不容乐观。这就要求有各种有害气体监测功能的家居环 境监测系统介入，为我们营造一个安全健康的家居环境。此课题旨在设计出一 款能够快速、实时、准确连续地测出空气中温湿度、一氧化碳、光照强度等的 环境监测系统，使用基于zigbee短距无线通讯技术，坏境信息采集模块与显示 终端实现无线通信，省去了传统布线的麻烦。主要研究了 zigbee协议中各个部 分的组成和数据结构，并对各层中的重点内容进行了详细的分析。本文以无线 传感网络为基础，以zigbee技术纽带，详细

13、设计出的家居坏境监测系统中的几 种节点-路由器节点，控制中心，和传感器节点。在路由器节点中,本文实现了电 源、串口通信、pcb天线等主要电路的设计，而在传感器节点中，由于其与协调 器类似，故仅针对不同的坏境信息，设计出了不同的传感模块。本论文还设计了串口调试操作界面，可以方便用户的调试和使用，由此用 户就可以实时的了解到家庭中坏境参数的信息。第2章zigbee技术zigbee是一种基于ieee802.15.4标准的低功耗个域网协议,根据此协议的 规定,zigbee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。zigbee技术的研究 也主要是在低速率、低功耗通信领域进行应用，亦可以低成本地嵌入各种设备

14、 中组成庞大的网络。2.1 zigbee技术介绍zigbee技术主要用于低数据传输速率并且传输距离要求不是很远的各 种通信设备之间°zigbee的名字主要來源于蜜蜂通过跳zigbee形状的舞蹈來 传递所发现的食物的位置、距离和方向等信息,一只一只的传递下去，此种技术 与蜜蜂的这种通信方式相类似。zigbee联盟则于2001年成立，而2002年下半 年,invensys> mitsubishi> motorola以及philips四大半导体公司共同宣布加盟 zigbee技术联盟，以研发名为"zigbee"的新一代无线通信标准,zigbee联盟负责 开发网

15、络层及以上的协议。zigbee的基本速率是250kb/s,而若当其速率降到 28kb/s时，传输半径可扩大到134米，并可得到更低的功耗和更高的可靠性。此 外，单个zigbee无线模块就可与254个节点互联，若网络中加入路由节点，则网 络最大承载量可支持65535个节点设备互联。由于它的低延迟和低功耗性能优 越性，所以在支持鼠标、建盘等电脑周边产品和家庭自动化仪器等低速率应用 时口 j以比蓝牙做地更好,人们更希果能在无线玩具、传感器网络、家庭监控、 工业监控和安全系统等众多领域拓展zigbee的应用。2.2 zigbee技术特点zigbee网络采用的是无线自组织网络技术，与蜜蜂的通信类似，网络

16、中的 各个节点间通信以一跳或多跳的形式自动建立网络。网络节点则以zigbee协 议为基础进行通信，与各种传统无线网络相比，其主要优点有以下几个方面：(1) 网络稳定性好。其设计的网络自己组织性能使网络各个节点在无需 人工干预的情况下自己组网并实现数据传输的任务，当添加或去除网络中某个 节点时，其余节点可以自行寻找其他节点替代中转信息，具有较强网络自愈能力；(2) 成本低。由于zigbee联盟已经有二十多家，他们的研发实力都很强, 好多公司均己在二零零三年正式推出自己的zigbee芯片，竞争较大，近年来应 用于主机端的芯片成本将会比蓝牙等模块更具价格上的优势；另夕卜，因为 zigbee技术的速率

17、要求低,协议内容简单，从而节省了开发的成本；(3) 功耗低。它的超低功耗也使得在应用中两节普通aaa干电池即可使 用6个月至2年的时间,这也是zigbee的最大的一个优势；(4) 网络容量大。每个zigbee设备可以与另外254台节点设备相连接, 而加入路由节点的zigbee网络最多可容纳多达65000多个节点的网络；(5) 数据传输速率低。只有10kb/s250kb/s,符合本设计需求；(6) 工作频段灵活。使用的频段中2.4ghz全世界通用，欧洲使用868mhz, 美国则使用915mhz频段，但这些均是免申请频段，可以直接使用；(7) 网络延迟时间短。2.3 zigbee网络设备组成和网络

18、结构根据zigbee联盟所设定的技术标准,按功能分其网络设备划分为三种： zigbee 协调器(zigbee coordinator),zigbee 路由器(zigbee router),zig,bee 终端 设备(zigbee end device)。他们的功能分别如下：(1) zigbee协调器(zigbee coordinator):它是个全功能的设备，包含所有的 网络功能，是3种设备中功能最全面最复杂的一种，特点是计算能力强、存储量 大。zigbee路曲器(zigbee router):它也是全功能设备在加入网络后，协调器就 会分配给它一定量的十六位地址空间，再由其分别分配给下级节点使

19、用，方便每 个节点接入或离开网络，具有数据转发及路曲之功能。(2) zigbee终端设备(zigbee end device):其一般的简化的功能设备。只 能自己的与上一级如协调器或路曲器之间通信，包括获取网络地址等。在zigbee协议规范中,组网吋冇三种网络拓扑结构可供选择:星型结构 (star),网状结构(mesh)和簇树型结构(clustertree)。在星状结构中无论是路出器或终端设备都是直接与协调器进行通信，而zigbee协调器则负责运作与维护着整个网络:在簇状和网状网络结构中，协调 器负责初始化和建立网络的操作,而路由器则对网络进行扩展，终端设备的信息 由路由器进行转发，只不过在簇

20、状结构中终端间的信息交换只能通过一级级向 上传递到协调器，再由协调器将信息分发下去。2.4 ieee802.15.4 协议分析ieee 802.15.4网络协议栈是基于开放的系统互连模型(osi)发展出來的, 每一层在实现一部分通信功能的同时也向着更高的层级提供着支持等服务。ieee 802.15.4标准定义了物理(phy)层和介质访问控制(mac)层，其中phy 层曲射频收发器以及一些底层的控制模块构成，而mac层则为高层级访问物 理信道提供了点到点通信服务接口。但是mac子层以上的几个层次，包括特 定服务的链路控制子层(logical link control , llc),聚合子层(se

21、rvice specific convergence sub layer,sscs )等，即zigbee标准的上层协议则不在ieee 802.15.4标准所定义的范围内。sscs为ieee 802.15.4的mac层接入ieee 802.2标准中定义的llc子层提供聚合服务。llc子层则可以通过使用sscs 的服务接口來访问ieee 802.15.4网络为其应用层提供链路层服务。2.4.1 物理层(phy)物理层为物理层管理物理层和数据服务提供服务而定义了 mac子层和 物理无线信道之间的接口。物理层管理服务维护曲物理层相关数据组成的一个 数据库，物理层数据服务则是从无线物理信道上实现数据的收

22、发。物理层数据服务提供了以下5个方面的服务：(1) 激活或休眠射频收发器；(2) 检测接收数据包的链路质量指示(link quality indication , lqi)；(3 )信道能量检测(energy detect)；(4) 收发数据；(5) 空闲信道评估(clear channel assessment, cca)。信道的能量检测主要测量目标信道中接收信号的功率强度,从而为网络层 提供信道选择依据，由于这个检测不进行任何的解码操作,故检测的结果则是有 效信号功率与噪声信号功率的和。链路质量指示为应用层或网络层提供接收数 据帧时无线信号的质量和强度信息，它要对信号进行解码,最后生成一个

23、信噪比 的指标，这一点是与信道能量检测不同的地方。最后得到的这个信噪比指标是 和物理层数据单元一起上交给上层级进行处理。空闲信道评估(cca)则是来判断信道是否空闲的oieee 802.15.4标准则定 义了三种空闲信道评估模式，它们分别为：(1) 通过判断无线信号的特征来评估信道空闲判断。这主要包括载波频 率和扩频信号两种特征；(2) 判断信号能量是否低于某一阀值，如果低于阀值则认为是是信道空闲, 即简单地判断信道的能量來判断信道是否空闲；(3) 此模式是结合了上两种模式來运用，即同时检测信号强度和信号特征, 给岀信道空闲判断。物理层定义了三个载波频段以用于收发数据，但在这三个频段上，在发送

24、 数据使用的速率、信号的调制方式以及处理过程等方面存在有不同的地方。三 个频段共为用户提供了 27个信道(channel)o其中2.4ghz频段提供16个信道； 915mhz的频段提供了 10个信道,868mhz频段则只有1个信道。在868mhz 和915mhz这两个频段上，数据传输速率不同，但信号处理的过程是相同的。处 理过程首先是将物理层协议数据单元(phy protocol data unit)的二制数据差分 编码,然后再将差分编码后的每一位转换为长度15的片序列(chip sequence),最 后bpsk调制到信道上。差分编码是将数据的前后差分编码所产生的不同的比 特进行异或运算；e

25、n = rn ® en-(2.1)其屮rn是要编码的原始比特，而en则是差分编码的结果,en-l则是上一 次差分编码的结果。对于每个发送出去的数据包,r1是第一个原始比特，计算 e1 口寸则设e0=0o羞分解码过程则正好编码过程相反：rn = enen - 1,对j每 个接收到的数据包，e1是第一个需要解码的比特，计算r1时则设e0=0o差分 编码后，紧接着就是直接序列的扩频，每个比特则被转换为长度15的片序列。扩 频按一定的规律进行，扩频后的序列则使用bpsk调制的方法调制到载波上。 而2.4ghz频段的处理过程则先将ppdu的二进制数据中的每4位转换为一个 符号(symbol),

26、后将其分别都转成长度为三十二的片序列。在把符号转换为片序 列时候，用符号在十六个近似正交的伪随便噪声序列的映射表，这个过程则是一 直接序列扩频的过程。于是扩频后，信号则通过oqpsk调制方式调制到载波 上。2.4.2介质访问控制层(mac)信道接入的方式有两种：基于竞争接入和基于无竞争接入。在 802.15.4mac协议中同时包含了这两种信道接入方式。基于竞争的信道接入方 式采用了 csma/ca信道竞争机制，而对于一些有特殊要求的数据传送,则采用 的是分配固定有保证时隙(gts)的方式接入信道。在ieee 802.15.4mac协议 定义的超帧结构中，则包括了以上两种信道接入的方式。所谓的超

27、帧(super frame)是由一组帧群构成，在帧群中存在两个部分:活跃期与非活跃期(即休眠 期)，在活跃期开放信道接入，休眠期关闭信道,进入休眠状态以节省能耗。信道 接入开放的活跃期由竞争信道接入周期(cap-contention access period)和信道 固定分配周期(cfp-contention free period)两个部分组成，在信道竞争接入周期 中，网络中的节点采用csma/ca机制共享信道，在无竞争周期曲网络协调器來 给有特定数据发送需求的节点分配固定时隙。在802.15.4mac协议中，通过基于竞争的信道接入的方式，则大大提高了 信道的利用率，增大了网络的效能，而固

28、定时隙的分配，满足了有特殊需求和一 些重要的数据传送。其利用周期性进入休眠期关闭信道接入从而达到节省网络 耗能的目的。超帧结构中同时包含了以上三种不同的信道接入周期，使得信道 接入方式多样化，这样一来提高了网络的灵活性。在超帧零时隙中则定义了一个信标帧(beacon) ,beacon除了信标的意思 外，还能作灯塔解。其实不难理解，信标帧在整个超帧结构中的地位就好比灯塔 的导航作用一样，不仅界定了超帧的起始，通过信标帧可以设定固定分配时隙周 期的有无及其长度，这实际上决定超帧的构架，如果不存在信道固定分配周期的 话，所有的数据传送完全通过csma/ca竞争机制來接入信道。2.4.3 csma/c

29、a工作机制zigbee网络的工作方式为非信标网络和信标网络，即对于不一样的工作方 式采用了不同的信道接入方式。非时隙csma-ca信道接入方式:等待一个任 意的退避时间。有吋隙csma-ca信道接入方式：退避时隙与信标传输的起始 时间对准，以退避时隙为基准单位。详细如下:在非信标网络的工作方式下，采用 基于非时隙的csma-ca信道接入方式，采用该方式的设备则在每次发送mac 层命令或数据桢吋，需要去等待一个随机周期，在这个随机的周期时间之后，若 设备发现了信道的空闲，就会发送出mac层命令及数据桢;反之,若设备发现信 道正忙，即信道非空闲，则将继续在等待随机时长的周期后,再次试着接入信道,

30、曲此循环往复。而对于确认桢，在发送时是不采用csma-ca接入方式的，而是 在接受到数据桢后，设备无需等待直接发送确认桢,而不管当前的信道是否存在 着冲突，发送设备则是根据是否接收到了正确的确认桢來判断数据的成功发送 与否。在信标网络的工作方式下，采用了有时隙的csma-ca信道接入机制，这 个网络中，冇信标传输的起始时间正好和退避时隙对准。在cap期间发送数据 桢时，首先设备要锁定下一个退避时隙的边界位置,然后在等待随机个退避时隙 后,若检测到信道处于忙的状态，则需要再等待随机个退避时隙,再次试着接入 信道。如果信道是空闲的，则设备就会在下个空闲退避时隙发送数据。对于确 认帧和信标桢的发送，

31、同前一种一样,不采用csma-ca机制。2.5 zigbee协议介绍与分析zigbee联盟在ieee802.15.4协议基础之上，规定了 zigbee协议的网络层 (network layer)与应用层(application layer)协议规范。下面就对zigbee协议 的网络层与应用层作简要介绍。2.5.1 网络层(nwk)zigbee网络层的主要功能就是确保zigbee协议的mac层(ieee 802.15.4)正常 工作，同时定义了一些必须的函数，并且为应用层提供适合的服务接口。网络层提供 了两个必须的功能服务实体来向应用层提供服务接口，它们分别是管理服务实体和数 据服务实体。通过网

32、络层数据服务实体服务接入点(nlde-sap),网络层的数据实体 (nlde)得以提供数据传输服务;网络层管理实体(nlme)与之不同，它是通过网络层管 理实体服务接入点(nlmesap)來提供网络管理服务的。网络层管理实体则是利用网 络层数据实体完成一些网络的管理工作，并且网络信息库(nlb)的维护和管理是网络 层管理实体完成的。(1)网络层数据实体(nlde)网络层数据实体为数据提供服务，在两个或多的设备之间进行数据传送 任务时，则是按照应用协议数据单元(apdu)的格式进行传送的,并且所有的这 些设备必须是在同一个网络中，即要求在同一个个域网中。网络层数据实体提 供的服务如下三项：1.

33、指定拓扑传输路由，网络层数据实体发送一个网络层的协议数据单元到 一个合适的接受设备，此设备叮能是一个在通信链路中的中间通信设备,也可能 是最终的目的通信设备。生成网络层的协议数据单元(npdu)；2. 通过増加一个适当的协议头，网络层数据实体从应用支持层协议数据单 元中生成网络层的协议数据单元；3. 安全:确保通信的机密性和真实性。(2)网络层管理实体(nlme)络层管理实体允许应用与堆栈相互作用，并口提供网络管理服务。网络层 管理实体提供了以下的几种服务：1. 配置一个新的设备:设备应具有足够的堆栈來保证其正常工作的需要，并 且满足配置的需要。配置选项包括对连接一个现有网络设备或一个zigb

34、ee协 调器的初始化的操作；2. 初始化一个网络:使设备有能力建立一个新的网络；3. 连接和断开网络。要求设备具有断开网络的能力和具有连接一个新的网 络的能力，以建立一个zigbee协调器或者路由器；4. 邻居设备发现:需要具有发现、汇报和记录相邻设备信息的能力；5. 寻址:zigbee协调器和路由器具有分配地址给新加入网络的设备的能 力；6. 路由发现:具有发现并且记录传送信息的网络路由的能力；7. 接收控制:具有控制设备是否处于接收状态的能力,即控制接收机接收信 息时间的长短和什么时候來接收信息，以此來保证mac层的正常接收和同步 等。2.5.2 应用层(app)应用层主要由用户根据具体的

35、应用进行自我开发，用以维持节点的各种功 能，发现此节点工作空间范围内其他节点的工作，再根据服务的需求为各个不同 的节点提供通信服务。zigbee应用层有三个不同的部分分别是:应用支持 (application support sublayer),简称 aps 子层 zigbee 设备对象(zigbee device object,简称zdo)和制造商定义的应用对象。(1) 应用支持子层aps层提供了这样的接口:在nwk层和apl层间，从设备对象到供应商的 应用对象的通用服务集。这服务曲两个实体得以实现:aps管理实体(apsme) 和aps数据实体(apsde)o1 .apsme 通过 aps

36、me 服务接入点(apsme-sap)；2. apsde通过apsde服务接入点(apsdesap)。apsme提供了多种服务给应用对象，维护管理对象的数据库，也就是我们 常说的aib,同时这些服务包括绑定设备和安全服务。apsde则提供在同一个 网络中的两个或多个应用实体间进行数据通信的服务。(2) 应用层框架为存在zigbee设备中的应用对象提供活动的环境的是zigbee中的应用框 架。其最多可以定义240个较为独立的应用程序对象，任意一个对象的端点编 号都是从1到240o另外还有两个附加的节点终端为了 apsde-sap的使用: 端点号0专门应用于zdo数据接口;而另外一端的端点号255

37、则专门应用于所 有应用对象广播数据的数据接口;最后，端点241-254则是要保留给有需要扩展 的时候使用的。(3)zigbee设备对象zigbee设备对象(zdo),描述了一个基本的功能函数,这个函数为在应用对 象、设备profile和aps之间提供了一个接口。zdo位于应用支持子层和应用 框架之间，在zigbee协议栈中应用操作的一般需求它有所满足。zdo还有以下 作用：初始化安全服务规范(sss),应用支持子层(aps)和网络层(nwk)o从终端的应用中集合配置的信息來执行和确定发现、网络管理、绑定管理, 以及安全管理等作用。zdo描述了应用框架层的应用对象的网络功能和应用对象的公用接口用

38、 以控制设备。在终端节点0处，zdo则提供了与协议栈中低一层进行连接的接 口，若接受的是数据,则通过接入点，而若是控制信息则通过apsme-sap的接 入点。zdo公用接口则在zigbee协议栈的应用框架中提供设备发现、绑定、 以及安全等各种功能的地址管理服务。zigbee设备对象的主要功能如下：初始化网络层、应用支持子层和安全服务层；发起或响应绑定请求；在网络内部发现设备，并且确定为此发现的设备提供的应用服务种类；定义设备在网络中的各种角色，如，终端设备、路由器或协调器；从终端的应用來收集各个配置信息來确定和执行发现管理、网络管理、安 全管理和绑定管理等；在网内各个设备之间建立起安全又可靠的

39、关系。本章小结本章对zigbee技术进行了主要讨论。首先对zigbee技术进行综述，其次 分别简单地介绍了 zigbee技术的各种特点和网络的拓扑节,最后对zigbee的 phy协议，mac层，还有网络层和应用层的各主要功能都进行了介绍，为下 面的研究工作提供了有力基础。特别对最后在程序设计时起很大的作用。第3章家居环境监测系统设计本文的家居环境监测系统,通过对传感器技术、zigbee无线网络技术和计 算机等技术的综合运用，得以实现对家庭环境的实时监测，从而间接地为用户创 造一个健康的，舒适适宜的居住环境。3.1系统方案设计在基于zigbee技术的家庭环境监测系统中，数据采集终端包括温度传感器

40、, 湿度传感器和烟雾传感器等。其中温度传感器可测量室内温度，将测量的温度 发送给mcu,mcu将数据通过spi总线传递给无线收发芯片，无线收发芯片将 数据以无线的方式发送给数据接收端。湿度传感器类似。数据接收端接到数据 后曲mcu处理数据:如果温度，湿度正常，液晶显示该温度和湿度;如果温度值 超过指定范围长达某个设定时间长度,报警。且液晶显示该温度，湿度类似。实 时吋钟显示数据采集的时间。(1) 硬件平台设计。系统主要由数据采集端和数据接收端构成。数据采集 端由传感器。mcu和无线收发芯片组成。mcu与无线收发芯片通过spi总线 连接，二者构成无线传输模块数据接收端采用相同的无线收发模块，并利

41、用 rs232与pc机通讯。其功能相当于一个接入点，一方面将主机向数据采集端发 送的控制信号以无线的方式发射出去，另一方面接受采集数据并上传给pc 机。(2) 软件设计。系统的软件由c语言编写，主要包括数据采集端和数据接 收端的程序。其包括初始化程序，发射程序和接受程序。初始化程序主要是对 单片机、无线收发芯片、spi等进行处理;发射程序将建立好的数据包通过单片 机送至无线收发芯片输出;接受程序完成数据的接受并进行处理。3.2系统结构本论文是基于zigbee技术的无线传感器网络坏境监测系统，故根据 zigbee技术的标准和特点设计了由多传感器节点，协调器节点和pc组成的该 系统。其中，传感器节

42、点通过zigbee无线技术与协调器进行信息的交换;协调器则通过串口与pc进行相连通信。本文设计的系统结构如图3-1所示图3-1系统结构图由图3-1可知，木系统中传感器节点主要负责的是环境信息的采集与发送， 协调器节点主要负责的是网络的建立、终端节点管理、数据处理和对pc端的 数据通信。当然在实践过程中可以根据家庭居住环境的大小和所需监测的内容, 来增加或减少传感器节点，而只需做小许改动即可。当监测区域较大时,可用增 加传感器节点的方法来保证网络的连通性，相反区域较小吋可以根据情况减少 路由器节点的设置以节省系统资源，降低成本。3.3系统功能定义为了实现基于zigbee技术的家居环境监测系统的设

43、计，现对系统的各种 功能作出以下定义：1 管理屮心(pc)：实吋显示家庭屮各种的环境信息，并且用户可通过pc实 现对网络屮各个节点设置与管理,如:管理网络各个节点的节点信息，发送数据 采集命令,发送休眠指令，设置传感器节点采集环境信息的周期的长短；2. 协调器节点：组建并初始化zigbee无线网络，管理各传感器节点终端， 发送与接收网络数据与指令，同吋与管理屮心(pc)进行通信；3. 传感器节点:对周围环境信息进行实吋采集,并通过zigbee无线网络实 吋将环境信息发送到协调器节点。该节点既可通过用户对其设置的周期长短自 动进行环境数据的采集,也可以在用户的指令下采集数据。木文设计的环境监测系

44、统主要检测家庭环境屮以下一些环境参数以实现 对环境信息的全面监测,从而为用户的准确决策提供参考。下面对各种参数进行如下介绍如表31、3-2：(1) 温度人体对温度的变化甚为皱感，在环境温度高于35摄氏度后,每增加一度对 人体的负面影响都是几何级的增加,故此系统中最重要亦是最基本的就是环境 中温度的采集。温度传感器可以在用户设定的频率下采集区域的温度信息，并 将其发送到协调器节点进行处理，再由协调器将处理结果数据通过串口发送到 pc,此时,pc可按之前用户设置好的参数和程序对空调系统进行控制，从而实现 对室内温度的控制,当然这些是后续控制，不在本文讨论范围内。家庭中的每个 房间可以多放几个这样的

45、类似节点，可实现在同一个房间进行多点的温度信息 采集,以提高温度测量的准确度。表3-1 sht11性能参数表参数条件最小典型值最人单位湿度0.50.030.03%rh81212bit重复性±0.1%rh互换性完全可互换非线性度原始数据士 3%rh线性化«1%rh范围0100%rh响应时间l/c(63%)缓流空气4s迟滞土 1%rh氏期稳定性典型值<0.5%rh/yr温度分辨率0.040.010.01°c0.070.020.02°f121414bit重复性±0.1°c±0.2°f范围-40123°c-

46、40254°f响应时间1/e (63%)530s(2) 湿度人类对湿度虽然不是特别皱感,但其时时刻刻亦影响着人们的健康，尤其 是老年与儿童。目前人们经常是通过普通的加湿器來调节室内湿度，此类加湿 器一般只是手动操作，这样就存在着人为的主观不确定性,最终也有可能不利于 环境之改善。而在本系统中，通过湿度传感器对湿度信息的采集,再经由pc的 处理后，对加湿器进行控制，即可达到科学明了地控制室内的湿度。湿度人类对湿度虽然不是特别皱感,但其时时刻刻亦影响着人们的健康，尤其 是老年与儿童。目前人们经常是通过普通的加湿器來调节室内湿度，此类加湿 器一般只是手动操作，这样就存在着人为的主观不确定性

47、,最终也有可能不利于 环境之改善。而在本系统中，通过湿度传感器对湿度信息的采集,再经由pc的 处理后，对加湿器进行控制，即可达到科学明了地控制室内的湿度。（3） 一氧化碳气体燃气的主要成分就是一氧化碳当燃气发生泄漏时，空气中一氧化碳浓度达 到一定时，就会对家庭人员生命带來威胁。故对一氧化碳气体浓度监测也是必 不可少的一部分。当系统检测到一氧化碳气体浓度大于用户设定是初值时,pc 会立即发送报警信号到报警装置或者是家庭成员的手机或直接报警,pc在启 动报警。表3-2 co传感器的性能参数表性能指标数值测蜃范围0-500ppm内置过滤器s02和h2s过滤（可选带氢气补偿<2%）尺寸0 20.

48、0x16.4mm输出70土 15na/ppm分辨率lppm温度范围：20°c50°c湿度范围：15-90%rh （非凝结）响应时间（t90）<25s压力范围大气压±10%长期漂移：<2%/每月推荐负载值：10q线性度输出:线性使用寿命3年（4）亮度亮度的监测可以利用分布在各个房间里的光頌传感器來实现。光敬传感 器可以将感知的光线强度信息发送到协调器节点，协调器则将信息传输到pc, 经过处理和判断光线强度，来控制窗帘的开关或灯的开关。当光线过强时，可以 控制窗帘自动合起，反之则可以控制其打开或电灯打开。当然，本系统还叮以根据用户的不同需求来增加不同的传感

49、器监测项目, 均可以实现。3.3系统设计要求本系统是在家庭环境中实现各种功能，根据此特点，可以总结出以下几种 要求。分别从软皱件两个方面來得以实现。1、硕件要求：（1）低功耗:由于是无线传感网络，节点很多，故只能由电池供电，故要求低 功耗以延长使用,减少电池更换次数；（2）安全性:本系统为家居环境控制系统做前期的数据采集，若出现错谋, 则可导致pc判断错误，导致错谋控制。如，未发生一氧化碳泄露即报警等。故 要求系统的安全性；（3）外观:由于要安装在家庭各个地点，故要求其尽量小巧，美观；（4）可扩展:能根据用户的不同需求，随时增加或减少节点设置。2、软件要求软件方面要求程序模块化设计，町以使系统

50、升级方便以备增加节点时修改 其中一个模块而其他地方无需改动;程序设计要简单，数据传输格式要统一。本章小结本章主要对系统的总体设让方案、各组成部分功能进行了阐述。同时，针 对本系统环境监测的需要，对不同的环境参数做了说明与介绍。最后，本章对 系统的软硬件设计分别提出了设计原则，为下一步更好的实施各个环节设计具 冇指导意义。第4章硬件系统设计4.1 zigbee硬件选型在介绍整个系统硬件设计之前，先介绍目前市场上的几款基于zigbee技 术的硬件平台及其各自特点。在zigbee技术联盟中,ti, chipcon, freescale, philips等公司都是zigbee标准制订的先驱。在射频收发

51、芯片方面，主要有 chipcon 公司的 cc242017,cc243018和 freescale 公司的 mc13192,mc13193 所提供的两大解决方案。另外，还有jennic20和helicomm等公司开发的符合 zigbee规范的芯片和模块。(1) chipcon公司(目前已被ti公司收购)推出的cc2420,它是一款符合 ieee802.15.4规范的2.4ghz射频芯片，用来开发工业无线传感及家庭组网等 pan网络的zigbee各种产品。同时chipcon公司还推出了一款专门针对zigbee 技术的soc芯片cc2430,它包含一个51内核单片机与cc2420射频芯片。它 基于

52、0.18um cmos工艺制成,只需极少外部元器件,11性能稳定11功耗极低。 另外,ti公司还提供免费的zigbee协议栈z-stack以及配套的开发工具，方便 用户在短期内开发适合于zigbee的应用方案。(2) 飞思卡尔 zigbee-ready 芯片 mc13192, mc13192 是一款适用于 zigbee 产品的rf器件。mc13192只需极少外部元器件，性能稳定、功耗极低,mc13192 的选择性和敏感性指数超过了 ieee 802.15.4标准的要求,可确保短距离通信的 冇效性和可靠性。可以灵活的嵌入到既有的产品中，轻而易举实现无线感测和 监控网络的功能。(3) 美国赫立讯h

53、elicomm公司的zigbee无线收发模块ip-linkl270, ip-linkl270是集成了射频收发器，微控制器，数字和模拟i/o,多点多拓扑网络层 功能于一体的半双工无线通讯系列模块。iplinkl270系列模块内嵌的zigbee v1.0网络通讯协议。以上的硬件平台都适用于zigbee应用的开发。本文主要 从对芯片及其开发环境的熟悉程度，系统的集成度等方面进行综合考虑來选择 駛件平台方案，对chipcon公司的cc2430芯片的使用与操作比较熟悉，且具备 完善的系统开发平台，另外cc2430卓越的性能也是本系统駛件选择的重要因 素。cc2430芯片的性能如下： 较宽的电压范围(2.

54、0-3.6v)；高性能和低功耗的51微控制器核；在休眠模式时仅0.9a的流耗，在待机模式时少于0.6a的流耗； 在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27ma和25ma； 集成符合ieee 802.15.4标准的2.4ghz的无线电收发机；优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性；数字化的rssflq1支持和强大的dma功能；外部的屮断或rtc能唤醒系统；具有电池监测和温度感测功能：集成了 14位模数转换的adc；集成aes安全协处理器； 带有2个强大的支持几组协议的usart,以及1个符合ieee 802.15.4规范 的mac计时器,1个常规的16位计时器和2个8位计时器；强大和灵活的开发工具。

55、4.2节点硬件设计本系统的硬件主耍由控制中心节点、路由器节点以及各种传感器节点构 成，实现对数据的采集，处理和无线信号的收发。因此，本章将分别针对这三类节 点的硬件设计进行详细的介绍。4.2.1中心控制节点设计控制中心节点在zigbee网络中充当协调器节点的角色，主要负责zigbee 网络的建立,节点的管理等任务。在本系统中，它还需耍对接受的数据的进行处 理,以及通过rs232串口与pc机连接通信,射频天线单元用來接收和发送电磁 波信号,lcd显示模块用来显示网络状况、显示接收到的数据与指令信息，同时 可配合按键模块，进行菜单界面的显示。图41屮心控制结构图(1)电源部分设计木部分的设计采用外

56、部5v直流电源供电。由于系统工作电压为3.3v,木 设计采用max687电压转换芯片为核心，实现5v,3.3v的电压转换。max687 为低噪声、低压弄、最大输出达1a的线性稳压芯片，具有低于2mv的电源电 压瞬变。当输出电压低于2.96v时,max687能口动切断输出电压。该部分电 路如图43所示。其输入电压范围为2.7v11v,采用pnp三极管fzt749进行图42电路原理图图43电压转换电路(2)时钟部分设计cc2430芯片的时钟部分则由两个不同频率部分组成，分别为：32mhz 的频率提供给系统进行正常的工作的时钟频率，其分别连接到cc2430的p19 和p21 口。而32.768khz则提供了系统在低功耗的模式下的工作频率，以节 省能耗，它分别连接在cc2430的p44和p43 口。电路连接原理图如图44。图44时钟部分电路图(3) 射频天线单元设计该部分rfl天线馈线屯路和阻抗匹配电路组成。天线的电路原理图如图4-5 所示。图45犬线电路图该电路由l321、l331、l341、c341和双2/4传输线组成。l321、l331、l341、c341共同应用于阻抗的匹配,2/4传输线用于差分射频信号相位同步。pf p,txrx switch,rf n 分别为 cc2430 的 4