zigbee智能家居设计说明

1、 . 独创性声明本人声明所呈交的毕业设计（论文）是本人在指导教师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以引用标注之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，没有伪造数据的行为。毕业设计（论文）作者签名：签字日期：年月日毕业设计（论文）使用授权书本毕业设计（论文）作者完全了解学校有关保留、使用论文的规定。同意学校保留并向有关管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权城市建设学院可以将本论文的全部或部分容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文。（的毕业设计（论文）在解密后适用本授权说明）毕业设计（论文）作者签名：

2、指导教师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘 要近年来人们对生活环境智能、舒适、安全要求越来越高，并伴随着计算机技术、通信技术的发展，智能家居便应运而生。然而随着智能家居的发展，所需要环境监测数据变越来越多，这就需要一种安装便捷，实用并且价格合适产品出现。有线传感器系统需要大量的布线，安装费用高的同时维护也很不方便，并且在一些建筑物中无法布线。随着物联网的发展，zigbee渐渐走入人们的视野。Zigbee低功耗、低成本、低速率的短距离的优点。Zigbee组成的无线传感器网络具有维护成本低、组网灵活、部署方便的特点，仿佛是为了无线智能家具而生的。将zigbee技术与智能家具结合有很好的应用前

3、景。基于此本文选择了zigbee无线通信技术来组件无线智能家具网络。本文组织结构如下：首先，分析了智能家居的发展、以与无线传感器网络的发展，结合智能楼宇的特点，讨论了无线传感器网络在智能家居中应用的优越性。然后介绍zigbee技术，深入研究ZigBee 协议各个通信协议层的结构与功能，在此基础上，选择采用ZigBee 星型网络拓扑模型实现智能楼宇传感器网络系统。然后介绍本设计采用的硬件，硬件采用无线龙ZigBee开发套件。ZigBee网络无线传感器节点采用低功耗微控制器CC2530，节点采用96X16液晶显示，USB接口，电池供电，具有经济、高效、方便、快捷、可视性、并可重复使用。软件方面，根

4、据Zigbee联盟制定的标准，利用仪器(TI)推出业界领先的ZigBee协议栈(Z-Stack)。Z-Stack装载在一个基于IAR开发环境的工程里。经测试，本文的无线节点数据传输可靠，通讯距离满足需求；节点能量消耗少、估算电池使用寿命长，设计实现了能长时间工作的智能楼宇环境监测系统，具有智能化、低成本、低功耗的特点，同时对ZigBee 的其它扩展应用具有参考价值。关键词：环境监测，智能楼宇，无线传感器网络，ZigBee，CC2530ABSTRACTIn recent years,pepole more and more like aliving environment moresmart,

5、comfortable,safety andaccompanied bythedevelopmentofcomputer technology,communication technology, intelligent home have come into being.Withthedevelopmentofthe intelligent home, however, the requiredenvironmentalmonitoring databecomemore and more, which requires aneasy to install, practical, andthe

6、price is rightproduct.Wiredsensor systemrequires a lot ofwiring,installation costs, while maintenanceis also very convenient, andinsome buildingscannotbewiring.Withthedevelopment of Internet of Things, thezigbeegettingintopeople's vision. Zigbee is low power, low cost, low-rateshort-range.Zigbee

7、wirelesssensor networkshavetomaintainalow cost, flexible networking, and easily deployable, as if borntowireless smartfurniture. Zigbee technologyand intelligentfurniturecombined witha good application prospect. Then,this article selectzigbee wirelesscommunicationtechnologytothecomponents ofwireless

8、 smartfurniturenetwork. Thepaper is organizedas follows:First of all, thisi article describe thedevelopmentofthesmart home, as well as thedevelopmentofwireless sensor networks. Then combined with thecharacteristicsofintelligent buildings,to discusstheadvantagesofawireless sensor networkapplicationsi

9、nthesmart home. And thenintroducethezigbee technology, in-depth studyofthe structure andfunctionofeachcommunication protocol layeroftheZigBee protocol, andon this basis, select the ZigBeestarnetwork topologymodelofintelligent buildingsensor network system.Then describes thehardwareused in this desig

10、n. Harware use wirelessLong ZigBee development kit.Wireless sensor nodesina ZigBee networkusinglow-powermicro-controller CC2530nodes ,using96X16LCD, USB, battery-powered. This kits is economic, efficient, convenient, fast, visibility,andcanbereused. Software, according to thestandardsdevelopedbytheZ

11、igbee Alliance, TexasInstruments(TI)introducedtheindustry-leadingZigBee protocol stack(Z-Stack). Z-StackisloadedinaworksbasedontheIARdevelopment environment.Been tested, this design and implementationofintelligent buildingenvironmentmonitoring system hasreliabledata transmissionofthewirelessnodes, t

12、hecommunication distanceto meet the demand; nodeenergy consumption is low , batterycan work long hours. This system has intelligent, low-cost, low powerconsumption characteristics.ZigBeeexpansionapplicationhasareference valueKey words：environmental monitoring, intelligent buildings, wireless sensor

13、networks, ZigBee, CC2530目录本科毕业论文1基于zigbee的智能家居系统设计1XXXXXXX学院1ABSTRACT4第一章绪论61.1 课题研究背景61.2智能家居的国外发展现状61.3基于zigbee的无线传感网络的起源与发展71.4无线传感器网络和智能家居结合的必要性91.5论文组织结构10第二章 zigbee技术介绍122.1 短距离无线通信技术对比122.1.1 zigbee的技术标准122.2.2短距离无线技术对比122.1.2蓝牙132.1.4 IrDA1321.5 Zigbee132.1.6 ZigBee 技术抗干扰特性分析142.1.7 小结152.2拓

14、扑结构152.3zigbee协议分析162.3.1物理层协议规172.3.2 MAC 层协议规182.3.3 网络层192.3.4应用层协议规20第三章硬件设计223.1 系统总体设计方案223.2 核心部件的设计要求223.2.1 处理器模块223.2.2 无线通信模块233.2.3 传感器模块233.2.4 外围模块243.2.5 小结243.3硬件电路设计243.3.1 CC2530简介243.3.2 节点设计263.4.1温度传感器模块30第四章系统软件设计334.1 ZigBee无线软件开发平台334.1.1 Z-Stack简介33第 一 章 绪论1.1 课题研究背景物联网被称为继计

15、算机之后，世界信息产业的另一个的技术革命，备受各国家研究机构关注。互联网无处不在，智能家居，智能交通，环境监测，政府的工作，物流，快递，酒店管理，医疗保健都有广泛的应用。只要在日常的事物中配置的RFID标签，便可实现与物联网的联通，形成一个庞大的物联网系统。物联网的存在使得即使在千里之外，仍然可以很容易的得到物品的信息。随着物联网概念的提出与相关技术的发展，随着人们对生活的更加舒适、安全、便利、环保得要求提高，智能家居系统成为物联网应用的一个具体领域便成为必然发展趋势。利用物联网技术，可以实现在住宅集成智能建筑、网络通信、环境监测、家电灯光的家庭自动化系统。物联网需要的各种信息技术和手段，结合

16、数字化社区和互联网可以发挥最好的功能就是生命系。在国的智能家居物联网的概念尚未提出之前，已经将近十年，但智能家居行业的发展是非常曲折，规模仍然是有限的。事情推大力宣传和媒体企业，社会上的智能家居的关注已经达到前所未有的高度。从传统的家庭不同，智能家居是住宅平台，综合布线技术，网络通信技术，安全技术，自动控制技术，音频和视频技术，和相关设施的家居生活一体化，建立高效的住宅设施的日常事务家庭管理系统，提高家庭安全，方便，舒适，美观，环保节能的居住环境。物联网需要各种信息技术和手段，结合数字化社区和互联网，才能发挥处物联网生活的最佳功能。在物联网的概念还未提出之前，智能家居在国已经有了近十年的历史，

17、但是智能家居行业的发展十分曲折，规模仍然有限。现在由于政府对物联网的极力推崇和媒体商家的大力宣传，社会各界对智能家居的关注达到了前所未有的高度。与传统家居不同的是，智能家居是指以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防技术、自动控制技术、音视频技术，将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日常事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性， 并实现环保节能的居住环境。智能家居管理系统功能的实现需要获得大量环境数据作为调控基础，这些数据主要依靠各种类型的传感器获得。随着环境监测功能的增多，所需的传感器也越来越多。使用有线传感器组成的监测网络布线量大、安装和维护费用高、

18、不易扩展，并且在部分建筑物的部分位置难以布线。而无线传感器网络具有成本低、安装和维护方便快捷、运作和更新费用低等优点，能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息3-6，适合应用于楼宇的环境监测，正逐步走向实用。1.2智能家居的国外发展现状智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、 智能家居-系统设计方案安全防技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。智能家居概念的起源很早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年美国联合科技公司（United Te

19、chno1ogies Building System）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州（Conneticut)哈特佛市（Hartford）的CityPlaceBuilding时，才出现了首栋的“智能型建筑”，从此也揭开了全世界争相建造智能家居的序幕又称智能住宅，在国外常用Smart Home表示。自从世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。1998年5月新加坡举办的“98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过在场模拟“未来之家”，推

20、出了新加坡模式的家庭智能化系统。它的系统功能包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和统软件配置等。这种“未来之家”家庭智能化系统，市场真正启动尚需时日。目前在新加坡也有近30个社区(住宅小区所5000户的家庭采用了“家庭智能化系统”，美国己有近四万户家庭安装了这一类的“家庭智能化系统”121近几年，在各大公司和媒体的强大概念宣传攻势下，我国智能家居行业逐渐形成，可用的、接近现实需求的产品不断增加，集成商、开发商以与装修公司己经积累了很多经验。如何建立一个高效率、低成本的智能家居系统

21、己成为当前社会一个热点问题。而国家政府机构与各大信息家电生产厂商不失时机地开展了中国智能家庭网络的标准化制定工作，为中国智能家居的发展提供了一个开放的标准化平台，指明了智能家居研究领域正确的发展方向。目前我国的家庭智能化系统还处于从无到有的初级发展阶段，家庭智能化系统构成形式和手段还没有统一的标准，各大厂家也适时推出了自己的智能家居系统，如科龙集团研制的“智能网络家居系统”，海信的“智能家居控制系统”，清华同方的“e-Home数字家园”等，一时间国智能家居领域呈现百家争鸣的局面。尽管智能家居在我国起步较晚，但大有风行正健之势。1.3基于zigbee的无线传感网络的起源与发展随着通信技术、计算机

22、网络技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，无线传感器网络(WSN Wireless Sensor Network) 成为当今国外研究的一大热点。无线传感器网络是由大量的，具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布网络系统，能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并具有控制、监视、计算等功能。无线传感器网络的出现引起了全世界围的广泛关注，世界各国的科研机构和科研人员对无线传感器网络的研究投入了极大的热情。在近年来，无线传感器网络发展迅速，技术已逐渐成熟。无线传感器网络(WSN)最早出现20 世纪70 年代的美国，那时美国正处在冷战时期，为了在海底战争中进一步研究反潜战，每年

23、投资1000 万美元，开发出了一套探测上百公里以外的引擎声音的声音监测系统。除海战以外，美国还相应为空军开发了空中预警与控制系统。这些早期的传感器网络都是采用单点对单点的通信手段，分级处理信息，结构简单且费用昂贵。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行无线传感器网络技术的研发。目前美国所有著名高校基=几乎都有研究小组在从事WSN相关技术的研究，欧洲很多国家也加入WSN的研究工作。Zigbee 技术由于具有低能量消耗、低成本、低速率传输、构建多种网络等优点，被很多公司重视。像TI、Microchip、Ember、OKI、NEC 等都推出基于ZigBee 的开发平台，TI 推出了C

24、C2430 的开发平台、Freescale 则推出MC13192 的评测平台。无线传感器网络技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。国在传感器网络系统方面的研究起步较晚，首次正式启动出现于1999 年中国科学院知识创新工程点领域方向研究的“信息与自动化领域研究报告”中，该领域是五大重点项目之一；2001 年中国科学院依托微系统所成立微系统研究与发展中心，旨在引领中科院WSN 的相关工作；2002 年，大学、清华大学、大学、工业大学等高校的研究机构都开始了传感器网络系统研究；国家自然科学基金已经审批了与WSN 相关的一个重点课

25、题和多项课题，2003 年国家自然科学基金作为面上项目资助，市科学技术委员会列为2003 年度第三批重大科研攻关课题。2004 年，将一项无线传感器网络项目(面上传感器网络的分布自治系统关键技术与协调控制理论)列为重点研究项目，2005 年，将网络传感器中的基础理论和关键技术列入计划。2006 年将水下移动传感器网络的关键技术列为重点研究项目。国家发改委下一代互联网(CNGI)示工程中，也部署了WSN 相关的课题。在一份我国未来20 年预见技术的调查报告中，信息领域157 项技术课题中有7 项与传感器网络直接相关。2006 年初发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术定义了3 个前沿方

26、向，其中2 个与WSN 的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。我国2010 年远景规划和“十五”计划中，将WSN 列为重点发展的产业之一。总体上国关于无线传感器网络的研究还处于刚刚起步的阶段，大部分工作仍是在针对网络协议的设计仿真和实验阶段，而且国自行研制的无线智能传感节点较少，都是购买Mote 产品进行前期探索，这方面同国外的差距较大。由国外无线传感器网络的研究现状可见，无线传感器网络系统研究有着巨大的科学意义和应用前景，已经成为当今前沿性的热点研究方向之一，必将成为对21 世纪产生巨大影响力的高新技术之一。Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个

27、协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。目前，市场上存在诸多无线技术，大多数的应用目标旨在提高所传输数据的速率和传输距离。而对于诸如工业控制、环境监测、商业监控、汽车电子、家庭数字控制网络等应用中，系统所传输的数据量小，传输速率低

28、，系统所使用的终端设备通常为采用电池供电的嵌入式设备，如无线传感器网络，因此，这些系统必须要求传输设备具有成本低、功耗小的特点，针对这些特点和需求，由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司与荷兰飞利浦等公司在2002年共同宣布组成Zigbee技术联盟，共同研究开发Zigbee技术。目前该技术已吸引了上百家芯片公司、软件开发商、系统集成商等公司等的加盟，而且，这个技术联盟还在不断地发展壮大1.4无线传感器网络和智能家居结合的必要性目前国智能家居控制仍多采用传统控制方式，传统控制系统一般是通过有线的方式来组建的，功能需求越多安装越复杂，它具有以下几个弊端： 1.布线复杂，安装

29、空间大2.电缆用量大，浪费材料 3.系统功能固定，扩展性差 4.运行维护成本高，损耗能量 5.移动性能差，且影响美观 随着Zigbee无线通讯技术的发展，智能家居行业能够冲破这种“有线”的束缚，使民众有望体验安装简单、调试维护方便、价格合适的无线智能家居带来的轻松、便捷的生活。随着时间的推移，Zigbee技术将会变得越来越完善，它在智能家居的应用也会变得越来越多，Zigbee无线智能家居将逐渐成为主流。试想一下，家居设备之间不用通过任何“线”的连接，而是通过Zigbee协议连接成一个物联网络进行通讯。在家居空间，人们在任意地方可以随意地控制家居环境中的设备，享受智能家居带来的惬意和轻松。新一代

30、的无线智能家居网络，将以无需布线和使用相对自由，建立起人们对无线家居设备的全新体验和享受。它组网灵活，成本低廉，消除了开槽、穿墙等繁琐的工作程序，总体费用低；移动性强、扩性强，可摆脱“线”的限制，在设定的覆盖围，用户可轻松接入到家居设备网络系统。无线家居智能家居主要具有以下几点优势特征： （1）维护简单；由于没有复杂的布线，使智能家居的系统维护变得非常简单，无需破坏墙面等设施就可以轻松进行维护。 （2） 无线自动组网；它能实现无线短距离通信传输，感知信息通过自组织联网实现信息传输。自动组网、自主修复的能力。和上一代采用315M射频技术的智能家居系统相比，Zigbee可以实现自动组网，免去主控机

31、和外围设备之间的手动对码的麻烦，大大简化了智能家居系统的调试，是智能家居系统真正实现智能化。 （3） 实现双向通讯功能；Zigbee网络具有双向通讯的功能，使安防报警等需要方向通讯的模块可以通过无线接入到智能家居系统，彻底摆脱布线的烦恼。 （4） 性价比高；无线家居移动灵活、扩性强，还具有低成本，低功耗的特点，符合“低碳生活”的绿色家居概念。（5） 安装简易；无需复杂的布线，用一种简易的方式实现家庭设备联网，实现“物与物”、“人与物”之间的信息交互，进而轻松实现家庭设备控制智能化。1.5 论文组织结构简要介绍了物联网和智能家居的发展，以与二者结合的可能性和发展前景。介绍了基于zigbee技术的

32、无线传感器网络的发展，zigbee无线传感器网络具有低成本、低数率、功耗低的优点，组网灵活方便，非常适合用在智能家居系统当中。介绍了短距离无线技术，并将它们的优缺点经行对比，最后选择zigbee技术应用在智能家居系统当中。介绍zigbee的三种设备以与zigbee的协议分析。第三章介绍了系统选用的硬件系统，介绍了节点电路，传感器器电路、节点的供电电路、USB转串口电路、扩展接口电路等。第四章介绍了系统的软件开发平台，介绍了协调器节点的软件设计流程，终端节点的软件设计流程，介绍了灯光控制器、窗帘控制器的工作方式。第五章介绍了系统调试结果，以与zigbee发展的前景和展望。46 / 46第2章 z

33、igbee技术介绍2.1 短距离无线通信技术对比2.1.1 zigbee的技术标准为了实现工业、家庭和楼宇的自动化控制，将人类从有线的环境中解放出来，以取代线缆为目标，用于无线个人区域网（WPAN，Wireless Personal Area Network）围的短距离无线通信技术标准得到了迅速的发展，典型技术标准有蓝牙（Bluetooth）、ZigBee、无线USB（WirelessUSB）、无线局域网Wi-Fi（IEEE 802.11b/g）等。WPAN标准的IEEE 802.15的任务组TG4，即IEEE 802.15.4标准为核心的zigbee技术标准适用于低功耗、低速率传输、低成本的

34、无线传输和控制系统。国际电工协会IEEE致力于WAPN网络的网络层和媒体访问层的标准化工作，任务组TG1是蓝牙无线标准；任务组TG2是共存组，为所有工作在2.4GHz的IEEE 802.11解决共存问题；任务组TG3是WAPN在多媒体高速率传输和服务品质应用；任务组TG4针对低俗的WAPN而制定，并成为zigbee协议的底层标准。IEEE802.15.4标准适用于低速率数据传输，是zigbee、wireless和MiWi规的基础，最大传输速率为250KBps，与目前其他成熟的无线技术比较，zigbee的缺点在于理论传输距离不到100米，但是对于家庭自动化围的数据采集和控制信号的传输来说，综合考

35、虑低成本、低功耗、合适的距离和速率参数，zigbee是完全可以胜任的解决方案。2.2.2短距离无线技术对比如今无线传输技术已日渐成熟，各种无线技术的特点都各有千秋，因此用户可以根据不同的要求来选择最适合的技术标准。表2-1是目前主流短距离无线网路标准参数的比较：容 频段 传输距离速率协议标准 网络大小电池寿命Bluetooth 2.4G射频 10m1Mbps802.15.1a7较短WiFi2.4G射频 1100m11Mbps 802.11b30 短IrDA980nm红外 定向1m16Mbps 红外协议2长Zigbee2.4G射频 1100m20250 K 802.15.4 255/65536最

36、长由上表可知，zigbee的传输速率是最低的，最高速率不超过250Kbps，可见很适合为了家庭自动化这类数据量较低的场合；电池寿命最长，是通过zigbee设备大部分都处于睡眠状态，激活工作周期很短来实现低功耗的；网络节点大大超过其他短距离传输技术。虽然与蓝牙、WiFi同处于2.4G频段，但是并不会相互间产生干扰。 2.1.2蓝牙蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规，其实质容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的近距无线接口，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，使各种设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离围实现相互通信或操作。其传输频段为全球公众通用的2.4GHzI

37、SM频段，提供1Mbps的传输速率和10m的传输距离。蓝牙协议的标准版本为802.15.1，由蓝牙小组（SIG）负责开发。802.15.1的最初标准基于蓝牙1.1实现，后者已构建到现行很多蓝牙设备中。但蓝牙技术遭遇了最大的障碍是过于昂贵，这就使得许多用户不愿意花大价钱来购买这种无线设备。2.1.3 Wi-Fi技术802.11Wi-Fi(Wireless Fidelity)即无线保真技术是另一种目前流行的技术。它使用的是2.4GHz附近的频段。Wi-Fi基于IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g和IEEE802.11n。不仅传输的有效距离很长，而且速率还高达上百兆

38、，与各种802.11DSSS设备兼容。目前最新的交换机能把Wi-Fi无线网络从接近100米的通信距离扩大到约6.5公里。另外，使用Wi-Fi的门槛较低。厂商只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”，并通过高速线路即可接入因特网。2.1.4 IrDAIrDA(InfraredDataAssociation)是点对点的数据传输协议，通信距离一般在0到1米之间，传输速率最快可达16Mbps，通信介质为波长900纳米左右的近红外线。其传输具备小角度(30度锥角以)，短距离，直线数据传输，性强，传输速率较高的特点，适于传输大容量的文件和多媒体数据。并且无需申请频率的使用权，成本低廉

39、。IrDA已被全球围的众多厂商采用，目前主流的软硬件平台均提供对它的支持。IrDA的不足在于它是一种视距传输，2个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，因而只适用于2台(非多台)设备之间的连接。21.5 Zigbee紫蜂(ZigBee)技术，新一代的无线传感器网络将采用802154(ZigBee)协议。ZigBee是一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入在各种设备中，同时支持地理定位功能。 Zigbee技术的特点主要有：(1)低速率：ZigBee工作在20250kbps的较低速率，分别提供250

40、kbps(24GHz)、40kbps(915MHz1和20kbps(868MHz)I原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。(2)低时延：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要-10s，WiFi则需要3s。 (3)低功耗、实现简单：设备可以在电池的驱动下运行数月甚至数年。低功耗意味着较高的可靠性和可维护性，更适合体积小的大量日常应用。 (4)低成本：对用户来说，低成本意味着较低的设备费用、安装费用和维护费用。ZigBee设备可以在标准电池供电的条件下，而不需要任何重换电池或充电操作(低成本、易安装)。

41、(5)网络容量高：ZigBee通过使用IEEE 802154标准的PHY和MAC层，支持几乎任意数目的设备，这对于大规模传感器阵列和控制尤其重要。ZigBee技术的应用围非常广泛，其中包括智能建筑、军事领域、工业自动化、医疗设备、智能家居与各种监察系统等。ZigBee技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。2.1.6 ZigBee 技术抗干扰特性分析在人们享受方便快捷的时候，这些技术的电磁兼容问题日益凸现。由于这些技术均选择了2.4GHz（2.42.483GHz）ISM 频段，再加上无绳和微波炉等干扰源，就使得该频段日益拥

42、挤，2.4GHz 频段日益受到重视，原因主要有三：首先它是一个全球性的频段，开发的产品具有全球通用性；其次，它整体的频宽胜于其他ISM 频段，这就提高了整体数据传输速率，允许系统共存；第三就是尺寸，2.4GHz无线电和天线的体积相当小，产品体积也更小。虽然每一种技术标准都进行了必要的设计来减小干扰的影响，但是为了能让各种设备正常运行，对他们之间的干扰、共存分析显然是非常重要的。ZigBee 技术的抗干扰特性主要是指抗同频干扰，即来自共用一样频段的其他技术的干扰。对于同频干扰的抵御能力是极为重要的，因为它直接影响到设备的性能。ZigBee在2.4GHz频段具备强抗干扰能力就意味着能够可靠地与Wi

43、-Fi、蓝牙、WirelessUSB以与家用的无绳和微波炉共存。IEEE802.15.4标准中提供了很多机制来保证ZigBee在2.4GHz频段和其他无线技术标准的共存能力。IEEE802.15.4物理层在碰撞避免机制（CSMA/CA）中提供空闲信道评估（CCA，Clear Channel Assessment）的能力，即如果信道被其他设备占用，允许传输退出而不必考虑采用的通信协议。空闲信道评估（CCA，Clear Channel Assessment）IEEE 802.15.4 物理层在碰撞避免机制（CSMACA）中提供CCA的能力，即如果信道被其他设备占用，允许传输退出而不必考虑采用的通信

44、协议。DSSS ZigBee芯片数字高频部分，采用了直接序列扩频（DSSS）技术，不仅能够非常方便的实现802.15.4短距离无线通讯标准兼容，而且大大提高了无线通讯的可靠性。CSMA/CA即载波侦听多点接入/避免冲撞CSMA/CA（with Collision Avoidance）。一方面，载波侦听-查看介质是否空闲；另一方面，避免冲撞-通过随机的时间等待，使信号冲突发生的概率减到最小，当介质被侦听到空闲时，优先发送。2.1.7 小结由上述分析可知Zigbee技术的出现仿佛是天生为无线智能家居准备的。在住宅最多100米有限围，家庭安防、灯光控制、窗帘控制、环境监控等实用智能家居控制网络非zi

45、gbee莫属。引以为豪的低功耗，使电池的使用寿命可以达一年之久。20250Kbps的传输速率足够满足各种数据和控制信息的传输。较低成本味着较低的设备费用、安装费用和维护费用。2.2拓扑结构ZigBee规定义了三种类型的设备：ZigBee协调器是启动和配置网络的一种设备。协调器可以保持间接寻址用的绑定表格，支持关联，同时还能设计信任中心和执行其它活动。协调器负责网络正常工作以与保持同网络其它设备的通信。一个ZigBee网络只允许有一个ZigBee协调器。ZigBee路由器是一种支持关联的设备，能够将消息转发到其它设备。ZigBee网格或树型网络可以有多个ZigBee路由器。ZigBee星型网络不

46、支持ZigBee路由器。ZigBee终端设备可以执行它的相关功能，并使用ZigBee网络到达其它需要与其通信的设备，它的存储器容量要求最少，其可以实验ZigBee低功耗设计。上述的三种设备根据功能完整性可分为全功能(FFD)和半功能(RFD)设备。其中全功能设备可作为协调器、路由器和终端设备，而半功能设备只能用于终端设备。一个全功能设备可与多个RFD设备或多个其它FFD设备通信，而一个半功能设备只能与一个FFD通信。网络拓扑结构决定了消息的传播是如何从一个节点路由传输到其他相邻节点的。Zigbee支持星型、树型、网络型拓扑：星型网络是通过中心节点向周围邻近节点传递消息，中心节点是协调器，周围节

47、点是终端节点，整个网络只有一个核心，结构简单；树型网络使用一个分级路由策略在网络中传递数据和控制信息，每一级的父节点是上一级的子节点，就像树叶一样繁衍，消息传递时先向父节点汇合，然后向下一级传播；网状网络与树型网络不同之处在于它的某些枝叶之间可以相互连接，因此更加复杂多变。三种网络拓扑如下图2-2所示2-2网络拓扑2.3zigbee协议分析ZigBee基础是IEEE 802.15.4，它是IEEE无线个人区域网(Personal Area Network，PAN)工作组的一项标准，被称作IEEE 802.15.4(ZigBee)技术标准。ZigBee不只是802.15.4的名字，IEEE 80

48、2.15.4 定义了最低两层：物理层和MAC 层，位于最低层，且与硬件相关；ZigBee 联盟在此基础上定义了网络层(NWK)和应用层(APL)，建立在PHY 和MAC层之上，并且完全与硬件无关。分层的结构脉络清晰、一目了然，给设计和调试带来极大的方便。2-3ZigBee 协议栈框架图2-3为ZigBee协议栈结构图，从图中可以看出，ZigBee协议栈由一组子层构成，不同层之间通过服务接入点(SAP)进行通信。SAP是某一特定层提供的服务，是用于下层与上层之间进行互访的接口。为实现必需的功能，每一个SAP都支持很多服务原语。ZigBee协议栈的大多数层有两个接口：数据实体接口和管理实体接口。数

49、据实体接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务。管理实体接口的目标是向上层提供访问部层参数、配置和管理数据的服务。2.3.1物理层协议规物理层定义了物理无线信道和 MAC 子层之间的接口，还提供物理层管理服和物理层数据服务。物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库，物理层数据服务从无线物理信道上收发数据。2-4物理层协议规物理层是最接近硬件的层，可以直接控制无线收发器并通信。物理层主要负责下列事件：1）启动和关闭无线收发器；2）选择信道频率；3）通过物理媒体发送和接收数据；4）进行能量检测，评估所选信道的频带信号的能量，以确认信道是否为空能否发送数据；5）生成LQI，来指示收到的数据

50、包的质量；6）ZigBee 技术不同于其他无线技术，对于不同的国家和地区，为其提供的工作频率围不同，IEEE802.15.4工作在工业科学医疗(ISM)频段，定义了两个工作频段，即2.4GHz频段和868/915MHz频段。在IEEE802.15.4中，总共分配了27个具有3种速率的信道：在2.4GHz频段有16个速率为250kb/s的信道，在915MHz频段有10个40kb/s的信道，在868MHz频段有1个20kb/s的信道。表2-1 zigbee工作频段信道编号中心频率(MHz) 信道间隔(MHz)频率上限(MHz)频率下限(MHz)K=0 868.3 868.6 868.0 K=1,2

51、,310 906+2(k-1) 2 928.0 902.0 K=11,12,1326 2401+5(K-11) 5 2483.5 2400.0 图2-5信道一个IEEE802.15.4可以根据ISM频段、可用性、拥挤状况和数据速率在27个信道中选择一个工作信道，如图3.3所示。从能量和成本效率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择。例如，对于有些计算机外围设备与互动式玩具，可能需要250kb/s速率，而对于其他许多应用，如各种传感器、智能标记和家用电器等，20kb/s这样的低速率就能满足要求。不同的数据传输率适用于不同的场合。例如：868/915MHz频段物理层的低速率换取了较好的灵

52、敏度和较大的覆盖面积，从而减少了覆盖给定物理区域所需的节点数。2.4GHz频段物理层的较高速率适用于较高的数据吞吐量、低延时或低作业周期的场合。2.3.2MAC 层协议规类似于物理层，MAC 层也提供了管理服务和数据服务。MAC 层的结构如图2.5 所示。图2-6 MAC层协议MAC 层主要负责以下几项功能：1) 生成并发送信标帧（如果该设备是一个网络协调器）；2) 将设备与信标同步；3) 使用 CSMA-CA 机制访问信道；4) 管理时槽保障信道访问；5) 为两个不同设备中对等的MAC 实体提供可靠连接；6) 支持 PAN 网络的关联和取消关联操作；7) 提供安全支持，MAC 有自己的安全进

53、程，但使用的安全级别是由上层协议规定的。2.3.3 网络层网络层提供数据和管理两种服务，如图2.6 所示。网络层有自己的参数和常量所有的常量都以nwkc 开头，所有的参数都以nwk 开头并存储在网络层信息库中。应用层可以通过NLME-GET 和NLME-SET 原语分别对网络层参数进行读写操作。ZigBee 网络协调器在网络层中为网络中的设备分配16 位地址，如果一个新加入的节点需要一个MAC 地址，网络协调器也在网络层为之分配，并保证网络地址与分配给设备的16位IEEE802.15.4 的MAC 地址一样。网络层还限制了帧在网络中的传输距离，每个网络层的帧都带有一个叫做半径的参数以确定“跳”

54、数的最大值。网络层的功能主要有：1）配置一个新的设备，可将其配置为网络协调器，也可尝试加入现有的网络；2）启动一个新的网络；3）加入和离开网络；4）应用网络层安全；5）发现和维护设备之间的路线；6）发现单跳邻居并存储相关信息，单跳邻居是不需要通过中继服务就能直接通信的设备；7）为加入网络的设备分配地址，ZigBee 的终端节点(RFD)无此功能。2.3.4应用层协议规应用层是ZigBee 协议栈的最高层，由三部分组成：应用程序支持(APS)子层、ZigBee 设备对象(ZDO)和应用层架构，如图2.2 所示。APS 为网络层和应用层提供接口，如下图2.7 所示，和其他各层类似，APS 也支持数

55、据和管理两种服务类型。APS 的主要功能有：1）维持绑定表；2）在绑定设备之间传输信息；3）管理群地址；4）把IEEE 的64 位地址映射为16 位的网络地址或其逆向映射；5）支持可靠的数据传输。ZDO 为APS 和应用框架提供接口，它包含所有ZigBee 协议栈的应用函数，把ZigBee 设备配置成协调器、路由器或是终端设备就是它的功能之一。ZDO 通过原语来实现自身的功能，它的功能主要有：1）定义设备在网络中的作用，；2）发现网络中的设备与其应用；3）发出或响应绑定要求；4）执行与安全相关的任务。第三章 硬件设计3.1 系统总体设计方案本设计采用无线传感器网络采用星型拓扑网络，主要由协调器

56、和若干个终端节点组成，具体组成网络如下图3.1所示。其中协调器是其中协调器是网络的核心，由它主导网络的建立，监督网络的正常运行。协调器应配置较多的存储空间，完成网络初始化、数据采集、程序存储、设备控制等功能。协调器与PC 机相连，通过PC 机串口来保存和显示相应信息。图3-1无线传感器网络组网方式终端节点则都是功能不同的传感器节点，负责采集各种环境参数，并将采集到的数据发送给协调器。该系统的传感器节点主要包括光强度和温湿度监测模块等，终端节点只能与协调器或路由器进行通信，相互之间不能直接通信，但可以实现间接通信。3.2 核心部件的设计要求3.2.1 处理器模块的要求在计算机家都知道处理器被称为

57、计算机的大脑，它是整台计算机的控制中枢系统，也是逻辑部分的控制核心。在本设计当中的处理器模块需要设备控制、任务调度、能量计算和功能协调、通信协议、数据融合和数据转储程序的功能。在无线传感网络中所以处理器的选择至关重要的，需要综合权衡。近些年处理器市场非常活跃，但是大多不符合无线传感器网络的要求。无线传感器网络节点使用的处理器应当满足以下要求（1）尺寸尽量小。处理器的尺寸往往决定了整个节点的尺寸，对于无线传感器网络来说节点要求体积足够小，保证节点对目标系统本身的特性不会造成影响，或者造成的影响可以忽略不计。（2）集成度尽量高。选择集成程序存储器、静态存储器、定时器和计数器、ADC转换器等多种功能于一身的处理器，会使整个系统的处理器外围电路简单简洁，使用很少的外围扩展原件便可以实现电路功能。所以一般都选择片上系统(SOC)作为传感器节点的处理器。且集成度高使得电路可靠性较高