无线测温系统设计

1、题目：无线测温系统设计 无线测温系统设计摘要无线传感器网络是集传感器、无线通信和网络三大技术于一体的信息获取与处理技术，主要用于实现不同环境下各种参数的检测。最新的发展方向在于减小体积，简化布局以及在低能条件下尽可能延长生命周期。而Zigbee技术拥有网络容量大，架构简单，低功耗，低速率等特点，十分适合用来组建无线传感器网络。本文针对现实环境中对温度了解的需要，设计了一种基于ZigBee自组网技术的温度监测系统。该技术有组网方便，自愈能力强等优点，能够稳定准确地获得环境温度。系统以CC2530无线射频芯片为主控芯片，DS18B20数字式温度传感器组成测温节点，运用无线方式并通过串口与PC机实现

2、通讯。实验表明，在温度监测过程中，该系统能灵活组网，测量精确。关键词： CC2530；温度监测；ZigBee；DS18B20Wireless Temperature Measurement System DesignABSTRACTWireless Sensor Networks (WSN) setting sensors with wireless communications and network is a kind of information acquisition and processing technology , mainly used to implement the de

3、tection of slow parameters under different circumstances. The newest development direction is to reduce the volume, to simplify the layout and to extend the life cycle in the low-energy conditions much as possible. However, Zigbee technology, with large network capacity, simple structure, low rate a

4、nd power consumption , is especially suitable for the formation of the WSN.The paper based on the requirement of knowing the practical environment of the temperature,this paper design a temperature monitoring system which is based on ZigBee since network technologyThis technology has networking conv

5、enient,selfhealing capability etc advantages,stable to obtain the accurate temperatureSystem to RF transceiver CC2530 as the main chip,DS18B20 digital temperature sensor as temperature sensor node,by wireless way and through a serial port with a PC to realize communication. Experimental results show

6、 that in the temperature monitoring process,the system can flexible networkKey words:CC2530；temperature monitoring；ZigBee；DS18B20目录绪论11.1选题依据和意义11.2无线传感器网络技术研究背景及意义11.3无线传感器网络技术简介21.3.1国内外发展和应用现状31.3.2未来前景展望42ZigBee协议简介62.1ZigBee的概述62.1.1物理层62.1.2MAC层82.1.3网络层（NWK）112.1.4应用层（APL层）112.1.5安全服务提供层（SSP层

7、）122.2ZigBee的网络基础122.2.1网络节点类型122.2.2网络拓扑形式122.3ZigBee的工作模式133核心板介绍153.1CC2530核心板153.1.1CC2530介绍153.1.2CC2530引脚描述153.2普通底板163.3仿真器173.4温度传感器介绍173.4.1DS18B20温度传感器特性173.4.2DS18B20管脚介绍174开发环境快速建立194.1相关软件和驱动安装194.2TI协议栈的安装214.3仿真器驱动安装方法225系统总体设计235.1系统硬件设计235.1.1协调器硬件设计245.1.2测温节点的硬件设计255.2系统软件设计255.2.

8、1协调器节点设计265.2.2采集节点设计275.2.3温度传感器程序296运行结果326.系统结果分析33总结34参考文献35致谢36绪论1.1选题依据和意义现今社会无线取代有线已经是信息通讯领域的一个主流趋势，用便捷快速的方式传递信息是信息工程的一个重要的研究目标。就这样，无线传感器网络技术渐渐走近进了我们的视野。随着它的发展，用于设计无线网络的网络协议逐渐地多元化，无线局域网（WLAN）、蓝牙（BlueTooth）技术、无线保真（WiFi）、超宽带（UWB）以及Zigbee技术等热点技术相继出现，均展现出各自的应用特点和市场潜力。而ZigBee技术因其功耗低、网络容量大等优点而非常适用于

9、传感器网络，作为无线传感器网络的主要支撑技术获得广泛的关注，作为一种新兴的短距离无线通信协议，在国外已经有了一定的应用。ZigBee协议是由IEEE 802154标准的PHY层和MAC层再加上ZigBee联盟定义的网络层和应用层所组成，其突出的特点是拥有网络支持低成本、低功耗、低速率、短距离的数据传输能力。在日益追求信息通信和交换的快速，简便，低能耗，传输稳定的信息技术发展方向上，研究Zigbee技术在无线传感器网络上的应用十分迫切和有效。并且，对于我们这些实践经验不足、理论知识学习比较浅显的大学生来说，以ZigBee这种通信数据量不大、低数据传输率、低成本、低功耗而且具有安全可靠性的这种无线

10、通信技术为无线传感器网络的组网通信方式的研究对象，既不会太过艰难，也不会流于浅表，最为合适不过。1.2无线传感器网络技术研究背景及意义 21世纪以来，随着微电子技术的不断进步极大地推动了计算机和通信设备的普及个迅猛发展，PC机、掌上电脑、移动电话、无绳电话等进入了人们日常和工作中，成为了人们生活中不可缺少的一部分。但大多数这些设备和使用终端间的信息传送都是依靠有线网络进行的。各种总线技术，局域网技术等有线网络的使用的确给人们的生产和生活带来了便利，改变了我们的生活，对社会的发展起到了极大的推动作用。有线网络速度快，数据流量大，可靠性强，对于基本固定的设备来说无疑是比较理想的选择，的确在实际应用

11、中也达到了比较满意的效果。但例如布线麻烦、线路故障难以检查、设备重新布局就要重新布线、不能随意移动等这些有线网络先天带有的缺憾却愈发地突出，渐渐阻碍了有线网络的发展。同时，随着近年来射频技术、集成电路技术的发展，无线通信功能的实现越来越容易，数据传输速度和稳定性都有了飞跃性的提高，体现出了巨大的应用潜力。在追求自由和便捷通信的今天，人们不禁把目光转向了无线通信方式，尤其是一些机动性要求较强的或在人们不方便随时到达现场的条件下使用的设备。因此，一些典型的无线应用产品顺势而生，如：无线智能家居，无线抄表，无线点菜，无线数据采集，无线设备管理和监控，汽车仪表数据的无线读取等等。但随着各种网络终端的出

12、现、工业控制的自动化和家庭的智能化的快速发展、各种便携式个人通信设备和家用电器设备的增加，人们享受无线信息传输系统带来的便利的同时，又同时针对发展的新的需求而不断探索。而在传感器技术和计算机技术取得突破性进展之后，一种名叫无线传感器网络的通信系统跃然而出，它以其低成本、低功耗、对等通信等三大优势渐渐成为新兴通信技术中的一大热点。现如今，无线传感器网络被认为21世纪最具有影响力的改变世界的10大技术之一。伴随着传感器技术本身不断地在发展、深化和交叉，从原先单一的敏感元件发展到混合集成传感器、智能传感器等，真正朝着无所不在的信息获取技术方向迈进，无线传感器网络技术异军突起，包括在国防安全、工农业领

13、域各种控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都体现了重要的科研价值和实用价值，具有十分广阔的应用前景。于是，深化研究无线传感网络、为无线传感器网络寻找一种具备成本低廉，节约功耗而有组网能力较强的无线网络协议的需求变得十分迫切，也是当今通信科技发展的主题。 1.3无线传感器网络技术简介无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。它的英文是Wireless Sensor Network, 简称WSN。由大量节点组成的面向任务的分布式网络

14、，综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信、分布式信息处理等多领域技术，通过各类微型传感器对信息目标进行实时监测，由嵌入式微处理器对信息进行加工处理，并通过无线通信网络将信息传送至远程用户，然后通过相应的规则进行。在这个定义中，传感器网络实现了数据采集、处理和传输三种功能，而这正对应着现代信息技术的三大基础技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术。无线传感器网络可以看成是由数据获取网络、数据分布网络和控制管理中心三部分组成的。其主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点，各节点通过协议自组成一个分布式网络，再将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。WSN是由一组

15、传感器节点以自组织的方式构成的有线或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。硬件上，WSN节点主要由数据采集单元、数据处理单元、无线数据收发单元以及小型电池单元组成，因其尺寸较小，故具有低成本、低功耗、多功能等特点；而从软件上看，借助于节点中内置传感器有效探测所处区域的温度、湿度、光强度、压力等环境参数以及待测对象的电压、电流等物理参数，它可以接收记录并通过无线网络将探测信息传送到数据汇聚中心进行处理、分析和转发。WSN与传统传感器和测控系统相比具有明显的优势。它采用点对点或点对多点的无线连接，大大减少了电缆成本，在传感器节点端即合并了A/D

16、信号转换、数字信号处理和网络通信功能，与此同时，节点还具有自检功能，能够完成后期自我的维护和检测，让系统性能与可靠性明显提升的同时成本却明显地缩减。1.3.1国内外发展和应用现状国外对无线传感器网络，尤其是Zigbee技术的研究起步较早，研究也较成熟。早在2000年12月IEEE成立了IEEE 802.15.4工作组。这个工作组致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的低成本、低功耗、低速率的无线连接技术。ZigBee正是这种技术的商业化命名，这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式。Zigbee联盟由Chaddrcon、Ember、FreeScale、Honeywll、Moto

17、rala、Philaddrs和Sansung等公司于2002年8月成立，旨在推动Zigbee技术的发展，如今有上百家芯片公司、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。目前该联盟已经拥有150多家会员，并且还有许多厂商已将Zigbee纳入产品中。在标准化方面，IEEE 802.154工作组主要负责制定物理层和MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有标准，高层应用、测试和市场推广等方面的工作由ZigBee联盟负责。国际上已经有许多公司提供ZigBee-Stack，例如：Ember、AirBee、Figure8·Wireless等，其

18、中以Figure8·Wireless(F8W)所设计的Z-Stack最负盛名。而在Chipcon收购了F8W后，Chipcon就成为ZigBee的完全解决方案的提供者。于是，Chipcon CC2420+Z-Stack就成为从事ZigBee开发人员的最佳选择。虽然在现代意义上的无线传感器网络研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，我国甚至成为信息领域位居世界前列的少数国家之一。但是，国内对于以Zigbee技术为基础的无线组网技术却起步较晚，国内Zigbee模块生产厂家一般都受芯片厂家数量等限制价格，国内市场只要被国外仪器所占领，国内未见成熟的自主研发的Zigbee产品，只有一些

19、研究性和简单应用文章出现于期刊杂志。到目前为止，国内目前除了成都无线龙科技公司真正将Zigbee技术开发成产品并成功用于几个领域的实际生产问题外，尚未有其他的相关企业和高校拿出了过硬的产品。不过随着这几年无线技术发展大幅度的加速，很多高校和研究机构已经着手无线组网、无线技术的应用方面的研究。特别是与我们日常生活相关的及距离无线组网技术的研究和应用。我们的政府牵头我们将会投入更多的精力到无线传感器网络研究之中。在2006年我国发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要中，为信息技术确定了三个前沿方向，其中有两项就与传感器网络直接相关，这就是智能感知和自组网技术。国内的一些大学也在积极开展Zigbee

20、技术的组网和实现，利用国外厂商的开发平台和芯片建立Zigbee网络，应用于智能家居，无线抄表和物流管理方面。相信随着无线技术的深入，会有更多的国产Zigbee和其他无线产品投入市场。虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：(1)环境监测和保护：随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。(2)

21、医疗护理：无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。现如今有种系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。(3)军事领域：由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。(4)商业化用途：无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来

22、实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆 监控的有力工具1。1.3.2未来前景展望现如今，国内外致力于ZigBee技术的研究的权威机构和知名公司越来越多，这也将大力推动无线传感器网络技术的发展，加速其更新换代和研发。对于这种新兴的近距离、低功耗、低传输率的技术，人们把更多的目光投向了无线组网技术方面的研究，为下一步无线网络化智能传感器的研制做准备。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例如无固定地址、容量极限较低

23、、能源利用效率不高等问题。这些都需要在未来的研究中亟待解决。同时，ZigBee规范及其应用仍在不断的发展和完善之中，众多厂商、高校和研究机构都对ZigBee技术展现了极大的研究兴趣，进行了大量的研究工作。我们未来研究的重点将主要集中以下几个方面：（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JN5121513X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Z

24、igbee可能的应用。如智能家居、智能公交车、嵌入式方面、传感器网络的应用。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）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。（4）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、Zigbee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

25、耗，使得网络的生命延长等。（5）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。目前一些国内外期刊和论文针对AODV路由算法提出了一些改进路由算法，如：ZiCL(ZigBee Cluster Label)算法、MACAODV算法、EAODV算法、QAODVl361算法等2。 就目前而言，Zigbee主要广泛应用于传感器、玩具

26、等方面，也大量在军事和环境监控以及医疗监护等领域使用。随着Zigbee功能的强大和开发的完善，它本身的特性决定它将是未来将大量使用于小至居民家庭大至军事和航天事业方面。2ZigBee协议简介2.1ZigBee的概述ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术,其突出优点是工作频段灵活,低复杂度，低数据速率,低成本,高可靠性,具有自组网和自恢复能力等。传感器网络节点是无线传感器网络的基本构成单位,主要负责对周围信息的采集和处理,并发送自己采集的数据给相邻节点或将相邻节点发过来的数据转发给协调节点或更靠近协调节点的节点。无线传感器网络的节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块

27、构成。但早些设计的传感器节点的处理器模块多数采用TI第一代产品如CC2430,CC2420等,存在无线通讯距离短,通讯可靠性不能保证等缺点,一般传输距离都在100M内,有的不到50M。本文采用TI公司最新的第二代片上系统CC2530，比以前产品有更卓越的RF性能,可编程的256KB 闪存,更小的封装尺寸和IR 产生电路,支持多种协议如igBee PRO、ZigBee RF4CE 等;所设计的传感器节点在视野好的空旷室外传输距离可达400M 以上。ZigBee协议是基于IEEE 802.15.4标准的，由IEEE 802.15.4和ZigBee联盟共同制定。IEEE 802.15.4工作组制定Z

28、igBee协议的物理层（PHY）和媒体访问控制层（ MAC层）协议。4ZigBee联盟成立用于2002年，定义了ZigBee协议的网络层（NWK）、应用层（APL）和安全服务规范。协议栈结构如图2-1。图2-1协议栈结构2.1.1物理层物理层定义了物理无线信道和与MAC层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务是从无线信道上收发数据，物理层管理服务维护一个与物理层相关数据组成的数据库。(1) 无线信道的分配IEEE 802.15.4规范的物理层定义了三个载波频段用于收发数据：868MHz（欧洲）、915北美）和2400 MHz（全球范围）。在这三个频段上发送数据使用的速率

29、信号处理过程以及调制方式等方面存在一定差异，其中2400 MHZ频段的数据传输速率为250 kbit/s。915 MHz、868 MHZ分别为40 kbit/s和20 kbit/s。IEEE 802.15.4规范定义了27个物理通道，新到编号从0至26，每个具体的信道对应着一个中心频率，覆盖了以上的3个不同的频段。不同的频段所对应的宽度不同。868 MHz频段定义了1个信道（0号信道）；915 MHz定义了10个信道（110号信道）2400 MHz定义了16个信道（1126信道）5。这些信道的中心频率定义如下：Fc =8683MHz，k=0；（2-1）Fc=906MHz+2(k-1)MHz，k

30、=l，2，10； （2-2）Fc=2405MHz+5(k-11)MHz，k=1l，12，26。 （2-3）(2) 物理层主要功能物理层功能相对简单，主要用于硬件驱动程序的基础上，实现数据距传输和物理信道的管理。其模型如图2-2所示。图2-2PHY模型其中，RF-SAP是有驱动程序提供的接口，PD-SAP是PHY层提供给MAC层的数据服务接口，PLAME-SAP是PHY层给MAC层提供的管理服务接口。 物理层主要完成：激活/休眠无线收发设备，对当前频道进行能量检测，链接质量指示，为载波检测多址与碰撞避免（CSMACA）进行空闲频道评估，频道选择，数据的发送和接收等。在PHY层有关函数中，传输能量

31、（POWER），传输中心频率的兼容性及频率稳定度(标识了无线解码器工作频率的稳定程度)，接收器之感度，接收信号强度指示的测量时较为重要的参数。(3) IEEE 802.15.4的调制方式图2-3描述了2.4 GHz物理层调制及扩频功能模块。图2-3 2.4G调制和扩展模块2.4G物理层将数据每字节的低四位和高四位分别映射组成数据符号，每个数据符号又被映射成32位伪随机噪声数据码片。数据码片采用半正弦脉冲波形的偏移正交四相相移键控技术（O-QPSK）调制。每片的形状如同半个正弦波，交替在同相(I)信道和正交相位(Q)信道传送。每个信道占用半个片码偏移周期。(4) PPDU格式PPDU 报文数据是

32、用于数据流同步的同步头、含有帧长度信息的物理层报头以及承载有MAC帧数据的净荷组成。具体结构如表2-1所示。表2-1PPDU格式字 节11可变前同步码（preamble）帧定界符（SFD）帧长度(7 bit)保留(1 bit)物理层数据(PSDU)同步头(SHR)物理层报头(PHR)物理层净荷(PHY payload)同步报头由前同步码和帧定界符组成，用于获取符号同步、扩频码同步和帧同步。物理层报头指示净荷部分的长度，净荷部分含有MAC层数据包，最大长度是127字节。当数据包的长度类型为5字节或大于8字节时，那么物理层服务数据单元（PSDU）就会携带着MAC层的帧信息（即MAC层协议数据单元）

33、。2.1.2MAC层MAC层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务。前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，而后者从事MAC层的管理活动，并维护一个信息数据库。 MAC层的主要功能包括如下7个方面：（1）网络协调者产生并发送信标帧；（2）设备与信标同步；（3）支持RAN网络的关联和取消关联操作； （4）为设备的安全性提供支持； （5）信道接入方式采用免冲突载波检测多路访问机制（CSMA-CA）； （6）处理和维护保护时隙机制（GTS）； （7）在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。图2-4MAC模型和物理层类似，MAC层也包括一个管理实体（MLME），MA

34、C层管理实体提供可以唤醒MAC层管理服务的服务接口（MLME-SAP），同时也维护一个与MAC层相关的管理对象数据库（MIB）。(1) 超帧结构在IEEE 802.15.4协议中，通过基于竞争的信道接入方式，提高了信道的利用率，增大了网络效能，而固定时隙的分配，满足了有特殊需求和一些重要的数据传送。周期性进入休眠期关闭信道接入，则节省了网络的能耗。超帧结构中同时包含了三种不同的信道接入周期，从而多样化信道的接入方式同时提高了网络的灵活性。在超帧零时隙中定义了一个信标帧（beacon），beacon除了信标的意思外，还能理解为灯塔。正如字面意思所述，信标帧在整个超帧结构中的地位就好比灯塔的导航作

35、用一样，不仅界定了超帧的起始以用来设定固定分配时隙周期的有无以及其长度，换言之，信标帧决定了超帧的构架。如果不存在信道固定分配周期的话，所有的数据传送将完全通过CSMA/CA竞争机制来接入信道6。(2) 数据传输模式LR-WPAN网络中存在着三种数据传输方式：数据发送到协调器、数据从协调器发出、对等数据传送。星型拓扑网络中只存在前两种数据传输方式，因为数据只在协调器和设备之间交换；而在点对点拓扑网络中，三种数据传输方式都存在。 数据传送到协调器在信标和非信标模式下，主要区别是器件是否先要从协调器获得信标，接着利用带时槽的CSMA/CA来传送资料。如图2-5。图2-5数据传送到协调器 数据从协调

36、器传出 在信标使能方式中，协调器会利用信标中的字段来告知有资料要传送。而网络终端则会周期性的监听信标，如果自己是协调器传送对象，则该器件利用开槽CSMA/CA将MAC命令请求控制信息传给协调器。在非信标使能方式中，终端器件利用无槽CSMA/CA将MAC命令请求控制信息给协调器，若协调器有数据要传送，也是利用无槽CSMA/CA方式将资料传出。流程图如下图2-6。图2-6数据从协调器传出 对等数据传送在对等的PAN中，任一器件可同其射频范围内的其它器件通信。预通信的器件只有定时接收和彼此完全同步两种状态。(3) MAC层帧结构MAC层帧结构的设计目标是用最简单方法实现在多噪声无线信道环境下的可靠数

37、据传输。每个MAC子层的帧都由帧头、负载和帧尾三部分组成。帧头由帧控制信息、帧序列号和地址信息组成。帧尾是帧头和负载数据的16位CRC校验序列。MAC子层负载具有可变长度，具体内容由帧类型决定7。表2-2MAC帧的通用格式字节210/21/2/80/20/2/82帧控制序列号目的PAN标识符目的地址源PAN标志符源地址帧校验地址帧MAC帧头MAC帧尾IEEE 802.15.4网络共定义了四种类型的帧：信标帧，数据帧，确认帧和MAC命令帧。信标帧信标帧的负载数据单元由四部分组成：超帧描述字段、GTS分配字段、待转发数据目标地址字段和信标帧负载数据。在信标网络中，协调器通过向网络中的所有从设备发送

38、信标帧，以保证这些设备能够同协调器进行同步，从而保证网络运行的成本维持在最低水平。 数据帧数据帧用来传输上层发到MAC层的数据，它的负载字段包含上层需要传输的数据。数据负载传到MAC层时，被称为MSDU。MAC帧传送至物理层后，就成为了物理帧的负载PSDU。确认帧如果设备收到目的地址为其自身的数据帧或MAC命令帧，并且帧的控制信息字段的确认请求位被置1，设备需要回应一个确认帧。确认帧的序列号应该与被确认帧的序列号相同，并且负载长度应该为零。命令帧MAC命令帧只是在格式上和其他类型的帧的帧控制字段的帧类型位有所不同。帧头的帧控制字段的帧类型为011B就表示这是一个命令帧。命令帧的具体功能由帧的负

39、载数据表示。负载数据是一个变长结构，所有命令帧负载的第一个字节是命令类型字节，后面的数据针对不同的命令类型有不同的含义。命令帧主要完成三方面的功能：把设备关联到PAN网络，与协调器交换数据，分配GTS，可以用于组建PAN网络，传输同步数据等。2.1.3网络层（NWK）主要功能：NWK层提供网络节点地址分配，组网管理，消息路由，路径发现及维护等功能。NWK层主要是为了确保正确地操作IEEE 802.15.42003MAC子层和为应用层提供服务接口。NWK层从概念上包括两个服务实体：数据服务实体和管理服务实体。 网络层的功能有以下几个方面： NWK层的责任主要包括加入和离开一个网络用到的机制、应用

40、帧安全机制和他们的目的地路由帧机制；ZigBee协调器的网络层还负责建立一个新的网络； 网络发现； 网络形成；允许设备连接；断开网络连接；接收机同步； 信息库维护。2.1.4应用层（APL层） ZigBee应用层包括应用支持子层(APS子层)、应用框架(AF)和ZigBee设备对象(ZDO)。APS子层负责建立和维护绑定表，绑定表主要根据设备之间的服务和他们的需求使设备相互配对。ZigBee的应用框架(AF)为各个用户自定义的应用对象提供了模板式的活动空间，并提供了键值对(KVP)服务和报文(MSG)服务供应用对象的数据传输使用。一个设备允许最多240个用户自定义应用对象，分别指定在端点l至端

41、点240上。ZDO6可以看成是指配到端点O上的一个特殊的应用对象，被所有ZigBee设备包含，是所有用户自定义的应用对象调用的一个功能集，包括网络角色管理，绑定管理，安全管理等。 ZDO负责定义设备在网络中的角色(例如是ZigBee协调器或者ZigBee终端设备)、发现设备和决定他们提供哪种应用服务，发现或响应绑定请求，在网络设备之间建立可靠的关联。2.1.5安全服务提供层（SSP层） 安全服务提供者SSP(Security Service Provider)向NWK层和APS层提供安全服务。ZigBee协议层与层之间是通过原语进行信息的交换和应答的。大多数层都向上层提供数据和管理两种服务接口

42、，数据SAP(Service Access Point)和管理SAP(Service Access Point)。数据服务接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务，管理服务接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制。2.2ZigBee的网络基础ZigBee网络基础主要包括设备类型，拓扑结构和路由方式三方面的内容，ZigBee标准规定的网络节点分为协调器（Coordinator）、路由器(Router)和终端节点（End Device）。节点类型是网络层的概念，反映了网络的拓扑形式。ZigBee网络具有三种拓扑形式：星型拓扑、树型拓扑、网状拓扑9。2.2.1网络节点类型网络节点主

43、要包括协调器（Coordinator），路由器（Router），终端节点（End Device）三部分。（1）协调器在各种拓扑形式的ZigBee的网络中，有且只有一个协调器节点，他负责网络所使用的频率通道、建立网络并在其他节点加入网络、提供信息路由、安全管理和其他服务。 （2）路由器当采用树型和网状拓扑结构时，需要用到路由器节点，它可以加入协议。是网络远距离延伸的必要部分。它负责发送和接受节点自身信息；节点自身会转发信息，允许子节点通过它加入网络。（3）终端节点终端节点的主要任务就是发送和接受信息，通常一个终端节点不处在数据收发状态时可进入休眠状态以降低能源消耗。2.2.2网络拓扑形式Zigb

44、ee协议标准中定义了三种网络拓扑形式，分别为星形拓扑、树形拓扑和网状拓扑，如图2-7所示。图2-7三种网络拓扑形式星形网络是三种拓扑结构中最简单的，因为星形网络没用到Zigbee协议栈，只要用802154的层就可以实现。网络由一个协调器和一系列的路由器和终端设备构成，节点之间的数据传输都要通过协调器转发。节点之间的数据路由只有唯一的一个路径，没有可选择的路径，假如发生链路中断时，那么发生链路中断的节点之间的数据通信也将中断，此外协调器很可能成为整个网络的瓶颈。在树形拓扑结构中，每一个节点都只能和他的父节点和子节点之间通信，也就是说，当从一个节点向另一个节点发送数据时，信息将沿着树的路径向上传递

45、到最近的协调器节点然后再向下传递到目标节点。这这种拓扑方式的缺点就是信息只有唯一的路由通道，信息的路由过程完成是由网络层处理，对于应用层是完全透明的。网状网络除了允许父节点和子节点之间的通信，也允许通信范围之内具有路由能力的父子关系的邻居节点之问进行通信，它是树形网络基础上实现的，与树形网络不同的是，网状网络是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护，并且具有强大的自组织、自愈功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信，可以组成极为复杂的网络，具有很大的路由深度和网络节点规模。该拓扑结构的优点是减少了消息延时，增强了可靠性，缺点是需要更多的存储空间的开销。2.3Zig

46、Bee的工作模式ZigBee网络的工作模式可以分为信标(Beacon)模式和非信标(Non-beacon)模式两种。信标模式可以实现网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度地节省功耗，而非信标模式只允许ZE进行周期性休眠，协调器和所有路由器设备长期处于工作状态。 在信标模式下，协调器负责以一定的间隔时间(一般在15ms到4mins之间)向网络广播信标帧，两个信标帧发送间隔之间有16个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两个部分，消息只能在网络活动区的各个时槽内发送。 非信标模式下，ZigBee标准采用父节点为子节点缓存数据，终端节点主动向其父节点提取数据的机制，实现终端节点

47、的周期性(周期可设置)休眠。网络中所有的父节点需要为自己的子节点缓存数据帧，所有子节点的大多数时间都处于休眠状态，周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，并向 父节点提取数据，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15ms。3核心板介绍3.1CC2530核心板功能特点： 高性能、低功耗的8051微控制器内核；适应2.4GHz IEEE 802.15.4的RF收发器；开放频段，工作频段为2.4GHz；16个传输信道，根据环境进行切换可靠通信信道； 无线传输速率达250kbps；具有8路输入 814位ADC；使用2.4G全向天线，可靠传输距离达250米。自动重连距离高达110米。 3.1.

48、1CC2530介绍CC2530是德州仪器(TI)推出的完整的用于2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee RF4CE/ZigBee和能源应用的第二代片上系统解决方案，拥有庞大的快闪记忆体，多达256个字节，是理想ZigBee专业应用。它结合了高性能的2.4GHz DSSS (直接序列扩频) 射频收发器和一个高性能低功耗的8051微控制器,适合用于搭建功能健全价格低廉的网络节点。同时，支持新RemoTI的ZigBee RF4CE ，这是业界首款符合ZigBee RF4CE兼容的协议栈，并且拥有更大内存将允许芯片无线下载，支持系统编程。CC2530在单个芯片上集成了IEEE802.1

49、5.4 标准2.4GHz频段的RF 无线电收发机,具有优良的无线接收灵敏度和抗干扰性。CC2530的睡眠模式和其与工作模式超短的激活转换时间，使得其RF模块成为针对超长电池使用寿命应用的理想解决方案。CC2530可用于Zigbee协调器、路由器及终端设备，所以也是本文设计方案实现的最理想载体。在结合了T1/Chipcon业界领先的Zigbee协议栈之后，CC2530被认为是市面上最具竞争力的Zigbee解决方案。3.1.2CC2530引脚描述CC2530采用40脚QFN封装，其引脚图如图3-1所示：图3-1CC2530引脚描述表3-1CC2530部分引脚描述名称序号特性描述DCOUPL40Po

50、wer(D)1.8V数字电源去耦，不使用外部电源供电DVDD139Power(D)连接2-3.6V 数字电压源DVDD210Power(D)连接2-3.6V 数字电压源GND41Ground连接接地面P0_019数字I/O端口0.0(ADC0)P0_118数字I/O端口0.1(ADC1)P0_712数字I/O端口0.7(ADC7)P1_011数字I/O端口1.0(具有20mA驱动能力/T1-2)P1_737数字I/O端口1.7(SPI1-MI/UART1-RX/T3-1)P2_036数字I/O端口2.0(T4-0)P2_234数字I/O端口2.2(DC)3.2普通底板功能特点： 供电方式：标准

51、USB、DC2.1电源座（5V）； 功能接口： Debug接口，兼容TI标准仿真工具，引出所有IO口，常用的串口引脚以及5V/3.3V引脚；功能按键：1个复位，1个普通按键；LED指示灯：电源指示灯、组网指示灯；模块支持：支持 CC2530核心板,CC2530+PA（CC2591）核心板。3.3仿真器功能特点： 标准USB接口，直接使用；支持IAR在线调试下载和SmartRF STUDIO7packet sniffer协议分析功能；支持TI zigbee系列芯片，如：CC111x/CC243x/CC253x/CC251x。3.4温度传感器介绍DS18B20 是美国DALLAS 半导体公司推出的

52、第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，可直接将温度转化成串行数字信号供处理器处理。3.4.1DS18B20温度传感器特性适应电压范围宽，电压范围在3.0-5.5V，再寄生电源方式下可有数据线供电。独特的单线接口方式，它与微处理器连接时仅需一条口线即可实现微处理器DS18B20 的双向通信。支持多点组网功能，多个DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。在使用中不需要任何外围元件，全部传感器元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。测温范围-55-+125，在-10-+85时精度为+0.5。可编程分辨率为9-

53、12 位，对应的可分辨率温度为0.5,0.25,0.125和0.0625，可实现高精度测温6。在9 位分辨率时，最多在93.75ms 内把温度转换为数字；12 位分辨率时，最多在750ms 内把温度值转换为数字，显然速度更快。测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传给CPU，同时可传送CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。负压特性。电源极性接反时，芯片不会因为发热而烧毁，但不能正常工作。3.4.2DS18B20管脚介绍DS18B20有两种封装：三脚TO-92 直插式和八脚SOIC 贴片式，封装引脚见图3-2所示。表3-2列出了引脚定义。图 3-2DS18B20 引脚封装图表3-2

54、DS18B20 引脚定义引脚定义GND电源负极DQ信号输入输出VDD电源正极NC空4开发环境快速建立记得以前我们学习51单片机的时候相信用得最多的是KEIL了，类似，这里我们使用IAR 7.60A，IAR 开发最大优势就是能够直接使用TI公司提供的协议栈 Z-Stack 进行开发，我们只需要调用API接口函数。这里我们选用ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0 （Zigbee 2007） ，网上也有用Zstack-CC2530-2.3.1-1.4.0等其他高版本的，基本相差无几，但是目前2.3.0的通用性较高。这里要注意了，IAR 和Z-Stack的高低版本是互不兼容的10，所以我

55、们两个东西的版本安装选取一定要配合好。经过测试，IAR 7.60A和 Zstack-CC2530-2.3.0-1.4.0 配合使用时从安装到开发都很友好。4.1相关软件和驱动安装 安装IAR 7.60A方法：打开安装文件，选择IAR安装，官方推荐默认安装在系统盘。如下图4-1所示。图4-1安装截面图提示要求输入License，由IAR 7.60注册机生成，如图4-2所示，选项正确后生成License,复制到License#处。图4-2IAR生成图输入注册码后按提示一步步进行安装，直至完成程序安装，安装完成软件界面如图4-3：图4-3完成安装界面图图4-4IAR程序运行界面运行程序后，打开所要进行实验的工程文件，再点击Project栏下的Make进行程序编译，编译成功后再点击Project栏下的Download and Debug进行下载。下载完毕后再运行程序就可以了。4.2TI协议栈的安装Z-stack的安装比较简单，同样安装在默认路径。图4-5安装过程4.3仿真