ZigBee无线IC卡考勤机设计

ZigBee无线IC卡考勤机设计摘要无线传感器网络是当今国际备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域，被评为未来高科技的三大产业之一。它通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的联通。无线传感器网络的特性决定了其不需要较高的传输带宽，而要求较低的传输延时和极低的功率消耗。而ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，适合担当无线传感器网络的重任，有着极其重要的研究价值。本设计提出了一种利用ZigBee无线网络技术来实现无线IC卡打卡的功能。该方法为带网蜂IC卡模块的ZigB节点通过感应IC卡，将采集到的IC卡的ID编号远程发送给协调器，协调器接受后通过串口打印出来。在IAR开发环境下编写和编译程序，实现了无线IC卡打卡功能。测试结果表明，本文设计的基于ZigBee技术的IC卡打卡系统能够实时可靠地进行无线通信。关键词:ZigBee，IC卡模块，IC卡，CC2530，无线传感网络，数据采集AbstractNowadays,WirelessSensorNetworkisoneoftheinternationalhottesthighlyknowledge-integratedcross-subjectresearchingfields,Whichisappraisedasoneofthethreefuturehigh-techindustries.Itusesallkindsofintegratedmicro-sensorsforcooperativelyreal-timemonitoring,sensingandcollectinginformationofmonitoredenvironmentsorobjects,whichisthentransmittedwirelesslyandtransferredtouserterminalbyself-organizingandmulti-hopnetwork.Sorealisticworld,computerworldandhumansocietyareconnectedeachotherbyWirelessSensorNetwork.WirelessSensorNetworkdoesn’tneedwidetransmissionbandwidthbutrequiressmalltransmissiondelayandverylowpowerconsumption.ZigBeetechnology,withthecharactersoflow-complication,low-power,low-costandlow-date-rateissuitabletotakeonthetaskofbuildingthewirelesssensornetworks.ThusZigBeehasanextremelyimportantworthforreaserch.ThispaperproposesaZigBeewirelessnetworktechnologytoachievewirelessICcardpunchfunction.IDnumberfortheremotemethodwithnetbeeICcardmoduleZigbeenodesinductionICcard,ICcardwillbecollectedtobesenttothecoordinator,thecoordinatorafterreceivingthroughtheserialporttoprintout.WrittenandcompiledprograminIARdevelopmentenvironmenttoachievethewirelessICcardpunchfunction.TestresultsshowthatbasedonZigBeetechnology,ICcardpunchsystemdesignedinthispaperiscapableofwirelesscommunicationinrealtimeandreliably.KEYWORDS:ZigBee,ICcardmodule,ICcard,CC2530,Wirelesssensornetworks,Dataacquisiti目录摘要 1Abstract 2第一章引言 61.1研究背景和意义 61.2国内外研究现状 71.2.1国外研究现状 71.2.2国内研究现状 81.3本文的主要内容和组织结构 9第二章ZigBee技术 102.1ZigBee技术概述 102.2ZigBee技术特点 102.2.1自动动态组网、自主路由 102.2.2网络时延短 102.2.3数据传输率低 102.2.4网络容量大 112.2.5传输距离可扩展 112.2.6低功耗 112.2.7成本低 112.2.8可靠性好,安全性高 112.2.9抗干扰性好 112.3ZigBee网络拓扑 122.4ZigBee协议栈 152.4.1物理层(PHY) 162.4.2介质访问控制层（MAC） 172.4.3网络层（NWK） 172.4.4应用层（APL） 182.5本章小结 18第三章系统方案设计与开发 193.1总体网络架构 193.2硬件设计 193.2.1MCU+RF单元 203.2.2ZigBee模块（CC2530F256） 203.2.3ZigBeePA模块（CC2530F256+CC2591） 213.2.4ZigBee模块配套功能底板 223.2.5供电模块设计 233.2.6IC卡模块 233.2.7IC卡 243.3软件设计 253.3.1系统初始化及定义 293.3.2终端节点核心代码 303.3.3协调器节点核心代码 313.4软件开发环境 323.5本章小结 33第四章系统功能测试 344.1在裸机上驱动 344.2通信测试 344.3本章小结 35第五章总结与展望 365.1今后的工作 365.1.1实现多树型和网状网络拓补 365.1.2实现检测卡号是否与预存卡号匹配 36参考文献 37致谢 40附录 41第一章引言1.1研究背景和意义近几年，随着无线通信、传感器、集成电路和微机电系统等技术的快速发展，从而可以大量的生产低成本、多功能、低功耗的微型无线传感器，这些微型无线传感器具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能。因此传感器网络的应用前景非常广泛。无线传感器网络就是有这些传感器节点协同组织起来的，传感器网络的节点可以随机或特定的布置在目标环境中，它们之间通过特定的协议自组织起来，能够获取周围环境的信息从而相互协同配合工作完成特定的任务。从硬件上看，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，通常尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特点[1]；从软件上看，它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，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模拟信号／数字信号转换、数字信号处理和网络通信功能，节点具有自检功能，系统性能与可靠性明显提升而成本明显缩减。无线传感器网络所隐藏的巨大的价值，已经引起了国际社会的广泛关注，2003年，美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时，无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。同年，美国《商业周刊》未来技术专版，论述四大新技术时，无线感器网络也列人其中。美国《今日防务》杂志更认为无线传感器网络的应用和发展，将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革[2]。2004年(IEEE

Spectrum)杂志发表一期专集：传感器的国度，论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。可以预计，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动[3]。无线传感器网络领域中的ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗的无线网络技术，它有自己的无线电标准，在数千个微笑的传感器之间相互协调实现同信，这些传感器值需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它的通信效率非常高。并且它采用碰撞避免机制，每个发送的控制命令或者传输的数据都由接收方确认收到，并回复一个确认的信息，如果没有得到信息的回复就表示发生了碰撞，将再次传送，使得系统信息的传输变得非常可靠。由于以上这些优点，使得ZigBee在各个领域中得到了广泛的应用[4-6]。本课题通过对IEEE802.15.4/ZigBee标准进行相关分析和研究，基于ZigBee技术进行网络节点的设计，实现了简单无线传感器网络的组建。在此基础上，实时采集传感器节点IC卡信息的同时，以无线方式与协调节点进行通信，经过串口实现人机交互。整个系统设计具有一定的通用性，可作为硬件平台，在其他传感控制过程中加以应用。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状WSN的基本思想起源于30实际70年代。1978年，DARPA在卡耐基梅隆大学成立了分布式传感器网络工作组；1980年，DARPA的分布式传感器网络项目正式开启了传感器网络的研究。2000年起国际上开始出现有关无线传感器网络研究结果的报道。无线传感器引起了世界各国军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国军方有包括C4KISR计划、SmartSensorWeb、灵巧传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统CEC等研究[7]。美国Intel公司在2002年进行了基于微型传感器网络的新型计算发展规划。美国DustNetworks和CrossbOWTechnologies等公司研究的“智能尘埃、Mote”己进入应用测试。在英国、日本、意大利等国家，已经开展了该领域的研究工作[8-9]。2003年开始，有关无线传感器网络的国际会议和杂志大量涌现[10-12]。很多大学和研究机构如UC/Berkdey、UCLA和MIT等都有丰富的研究成果。其中，UC/Berkdey和Intel联合成立的智能尘埃实验室具有代表性；UCLA的WINS实验室对如何为嵌入式系统提供分布式网络和互联访问进行了大量研究，提供了在同一系统中综合微型传感器技术、低功耗信号处理、低功耗计算、低成本无线网络等技术的解决方案；MIT以节能、自组织、可重构的无线传感器网络为目标，设计了低功耗的μAMPS传感器节点，提出了成组递阶网络通信协议LEACH[13-15]。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。美国国家自然基金委员会（NSF）也开设了大量与其相关的项目。NSF于2003年制定了WSN研究计划，每年拨款3400万美元支持相关研究项目，并在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心[16]。此外，美国交通部、能源部美国国家航空航天局也相继启动了相关研究项目。美国所有著名的院校几乎都设有专门的研究小组对WSN进行相关技术的研究。加州大学洛杉矶分校、麻省理工学院、康奈尔大学、哈佛大学、卡耐基梅隆大学等在WSN研究领域获得较为突出的成绩。国际想过学术会议中对WSN的研讨大幅度增加。美国的Inter等公司也展开了对WSN的研究工作[17]。此外，加拿大、英国、芬兰、德国、意大利和日本国家的研究机构也加入了WSN的研究。欧盟第6个框架计划将“信息社会技术”作为优先发展的领域之一，其中多出涉及到对WSN的研究。韩国信息通信部制定了信息技术“839”战略，企业界，欧盟的Philips、Siemens、Ericsson、ZMD、FranceTelecom等公司；日本的NEC、OKI、Sky2leynetworks、等公司都开展了对WSN的研究[18]。1.2.2国内研究现状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”中首次提出对万象传感器网络的研究。2001间中国科学院依托上海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。国家自然科学基金已经审批了与WSN相关的一个重点课题和多项课题。2004年，将一项无线传感器网络项目列为重点研究项目。2005年，将网络传感器中的而基础理论和关键技术列入计划。国家发改委下一代互联网（CNGI）示范工程中，也提出了WSN相关课题。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个前沿方向，其中两个域WSN的研究直接相关。我国2010年的远景规划和“十五”计划中，将WSN列为重点发展领域之一[19]。此外，我国无线传感器网络研究已经在很多高校和研究所展开。中科院上海微系统所凭借他们在微系统和微机电系统技术方面的良好基础，从1998年开始就对无线传感器网络进行了跟踪和研究，并且已经通过系统集成的方式完成了一些基站和终端节点的研发。中科院电子所对传感器技术和控制技术进行研究，他们主要对控制执行部分进行研究。浙江大学现代控制工程研究所成立了“无线传感器网络控制实验室”，联合相关单位准们对面向无线传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面研究。浙江大学现代控制工程研究所成立了“无线传感器网络控制实验室”，联合相关单位专门从事面向无线网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面的研究。此外，中科院自动化所、中科院软件所、清华大学、北京邮电大学、哈尔滨工业大学、山东大学等高校在无线传感器网络网面也开展了一定的研究工作[20]。我国现代意义的无线传感器网络及其应用研究首次正式出现于1999年中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的《信息与自动化领域研究报告》中,作为该领域提出的五个重大项目之一。但是我国在无线传感器网络方面的研究工作与西方发达国家相比还很少。国内研究机构如中科院、清华大学、国防科技大学。电子科技大学、哈尔滨工业大学以及浙江大学等学术团体对传感器网络进行了跟踪研究。中国计算机学会青年计算机科技论坛于2004年11月在北京召开了中国第一次关于Wirelesssensornetwork的专题报告会。讨论了Wirelesssensornetwork技术及其在中国的发展问题。总体上来讲，由于传感器网络是一门新兴技术，国内与国际水平的差距并不很大，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。1.3本文的主要内容和组织结构本文对无线传感器网络以及ZigBee技术进行了全面、具体的分析和研究，主要对ZigBee网络的组网进行了深入分析，从网络的建立与保持、设备入网流程等关键点上突破，深入研究ZigBee技术的组网方法，并结合TICC2530ZigBee开发套件，以IEEE802.15.4协议为基础，搭建了一个无线IC卡打卡网络。本论文内容分为以下五个部分：第一章简要介绍了无线传感器网络课题研究的背景和意义以及国内外研究现状。第二章对ZigBee技术进行了相关介绍。第三章采用CC2530芯片作为网络终端节点及协调节点的核心芯片，搭建了无线传感器网络，分模块介绍了硬件设计及具体的软件实现。第四章对系统可靠性进行相关分析，取得实验数据，对系统进行了验证。第五章对本文所阐述的内容进行总结，并提出进一步工作建议。第二章ZigBee技术2.1ZigBee技术概述ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个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。2.2ZigBee技术特点ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点。2.2.1自动动态组网、自主路由无线传感器网络是动态变化的，无论是节点的能量耗尽，或者节点被敌人俘获，都能使节点退出网络，而且网络的使用者也希望能在需要的时候向已有的网络中加人新的传感器节点。2.2.2网络时延短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3～10s、WiFi需要3s。2.2.3数据传输率低ZigBee数据传输率只有10~250kbps，专注于低传输速率应用。共有3个不同的工作频段，作频段不同其数据传输速率也不同，但都处于较低的速率。在2.4GHz频段,有16个信道，速率为250kbps；在915MHz频段，有10个信道，速率为40kbps；而在868MHz频段，有1个信道，速率为20kbps。无线传感器网络不传输语音、视频之类的大数据量的采集数据，仅仅传输一些采集到的温度、湿度之类的简单数据。2.2.4网络容量大ZigBee的低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。ZigBee定义了两种器件：全功能器件（FFD）和简化功能器件（RFD）。网络协调器（coordinator）是一种全功能器件，而网络节点通常为简化功能器件。如果通过网络协调器组建无线传感器网络，整个网络最多可以支持超过65000个ZigBee网络节点，再加上各个网络协调器可互相连接，整个ZigBee网络节点的数目将十分可观。2.2.5传输距离可扩展举例DIGI的XBEE增强型模块，相邻模块通讯距离可达1.6Km，有效距离范围内的模块自动组网，网络中的各节点可自由通讯，这样传输距离得到了扩展。2.2.6低功耗工作模式情况下，ZigBee技术传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收发时间很短，其次在非工作模式时，ZigBee节点处于休眠模式，耗电量仅仅只有1μW。设各搜索时延一般为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接人时延为15ms。由于工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，使得ZigBee设备非常省电，ZigBee节点的电池工作时间可以长达6个月到2年左右。同时，由于电池时间取决于很多因素，例如电池种类、容量和应用场合，ZigBee技术在协议上对电池使用也作了优化。对于典型应用，碱性电池可以使用数年。2.2.7成本低ZigBee模块工作于2.4G全球免费频段,故只需要先期的模块费用，无需支付持续使用费用。若采用丰宝代理的DIGI公司的ZigBee模块，则可无需再次开发,通过TTL的RX，TX便可进行数据发送接收，大量减少了产品开发周期，获得了更好的市场先机。2.2.8可靠性好,安全性高ZigBee具有可靠的发送接收握手机制，可靠地保证了数据的发送接收，另ZigBee采用AES128位密钥，保证数据发送的安全性。2.2.9抗干扰性好ZigBee技术有较强的抗干扰能力，它可以与红外线、蓝牙、Wi-Fi等无线通信。尽管ZigBee技术的调制方式比较简单，数据传输速率低，但ZigBee网络在2.4GHz的ISM频段有较好的抗干扰性能。2.3ZigBee网络拓扑在ZigBee网络中，根据设备功能的不同，IEEE802.15.4把网络中的设备分为两类：拥有全部功能的全功能设备(FullFunctionDevice，FFD)和拥有部分功能的精简功能设备(ReducedFunctionDevice，RFD)[20-21]。ZigBee网络有三种拓扑形式：星形、簇树形和网形。消息从一个节点如何路由至另一个节点完全取决于网络拓扑[22]。星形网络有一个中心节点，所有消息都经它传输。簇树形网络有一个顶端节点，下面有枝有叶，消息先上行再下传[23]。网形网络与簇树形相似，但它的某些枝、叶可直接链接。网络的基本单元是节点，单一网络最多可设65535个节点。按功能区分，有简化功能设备(RFD)和全功能设备(FFD)。前者按最少RAM和ROM资源实现的，设计成网络中简单的收/发节点。它能搜索现成网络，必要时传输应用数据，向网络协调器请求数据，多数时间处于休眠状态以节省电池功耗。后者可用作网络协调器，连接协调器或另一个通信设备。它还能发现其它RFD和FFD建立通信联系。在具体网络中，逻辑设备类型是ZigBee协调器，ZigBee路由器和ZigBee端点设备。协调器启动网络、管理网络节点、存储网络节点信息。它还能提供路由消息、安全管理和其它服务。路由器与网络中成对节点的消息路由，可让子节点与它连接。终端节点不能传输消息，也不能连接其它子节点，它的主要任务是发送与接收消息。星形拓扑是最简单的一种拓扑形式，他包含一个Co-ordinator（协调者）节点和一系列的EndDevice(终端）节点。每一个EndDevice节点只能和

Co-ordinator

节点进行通讯。如果需要在两个EndDevice节点之间进行通讯必须通过Co-ordinator

节点进行信息的转发。如图2.1所示。图2.1星形拓补结构树形拓扑包括一个Co-ordinator（协调者）以及一系列的

Router（路由器）和EndDevice（终端）节点。Co-ordinator连接一系列的Router和EndDevice,他的子节点的Router也可以连接一系列的Router和EndDevice。这样可以重复多个层级。树形拓扑的结构如图2.2所示。图2.2树形拓补结构网络拓补包含一个Co-ordinator和一系列的Router和EndDevice。这种网络拓补形式和树形拓补相同；但是，网络拓补具有更加灵活的信息路由会泽，在可能的情况下，路由节点之间可以直接的通讯。这种路由机制使得信息的通讯变得更有效率，而且意味着一旦一个路由路径出现了问题，信息可以自动的沿着其他的路由路径进行传输。网络拓补的示意如图2.3所示。图2.3网状拓补结构2.4ZigBee协议栈ZigBee技术的协议找结构很简单，不像诸如蓝牙和其他网络结构，这些结构通常分为7层，而ZigBee技术仅分为4层，如图2.4所示。图2.4Zigbee协议栈在ZigBee技术中，PHY层和MAC层采用IEEE802.15.4协议标准，其中，PHY层提供了两种类型的服务：即通过物理层管理实体接口对PHY层数据和PHY层管理提供服务。PHY层数据服务可以通过无线物理信道发送和接收物理层协议数据单元来实现。2.4.1物理层(PHY)

协议的物理层是协议的最底层，承担着和外界直接作用的任务。它采用扩频通信的调制方式，控制RF收发器工作，信号传输距离约为50m(室内)或150m(室外)[24]。物理层的作用主要是利用物理介质为数据链路层提供物理连接，负责处理数据传输率并架空数据出错率，以便透明低传送比特流。ZigBee协议的物理层主要负责以下任务：

1）启动和关闭RF收发器；2）信道能量检测；3）对接收到的数据报进行链路质量指示LQI（LinkQualityIndication）；

4）为CSMA/CA算法提供空闲信道评估CCA（ClearChannelAssessment）；5）对通信信道频率进行选择；6）数据包的传输和接收。IEEE802.15.4的物理层定义了物理信道和MAC子层间的接口，提供数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，物理层管理服务维护一个物理层相关数据组成的数据库。2.4.2介质访问控制层（MAC）MAC层负责处理所有的物理无线信道访问，并产生网络信号、同步信号；支持PAN连接和分离，提供两个对等MAC实体之间可靠的链路[25]。MAC层数据服务：保证MAC

协议数据单元在物理层数据服务中正确收发.MAC层管理服务：维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。MAC层功能主要有：

1）网络协调器产生信标；

2）与信标同步；

3）支持PAN(个域网)链路的建立和断开；

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址接入(CSMA-CA)机制；

6）处理和维护保护时隙(GTS)机制；

7）在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。2.4.3网络层（NWK）ZigBee协议栈的核心部分在网络层。网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能，支持Cluster-Tree等多种路由算法，支持星形（Star）、树形（Cluster-Tree）、网格（Mesh）等多种拓扑结构[26]。网络层确保MAC子层的正确操作，并为应用层提供合适的服务接口。为了给应用层提供合适的接口，网络层用数据服务和管理服务这两个服务实体来提供必需的功能。网络层数据实体(NLDE)通过相关的服务接入点(SAP)来提供数据传输服务，即NLDE.SAP；网络层管理实体(NLME)通过相关的服务接入点(SAP)来提供管理服务，即NLME.SAP。NLME利用NLDE来完成一些管理任务和维护管理对象的数据库，通常称作网络信息库。网络层主要功能有：

1)网络发现；

2)网络形成；

3)允许设备连接；

4)路由器初始化；

5)设备同网络连接；

6)直接将设备同网络连接；

7)断开网络连接；

8)重新复位设备；

9)接收机同步；

10)信息库维护。2.4.4应用层（APL）ZigBee应用层框架包括应用支持层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和制造商所定义的应用对象。应用支持层的功能包括：维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。所谓绑定就是基于两台设备的服务和需求将它们匹配地连接起来。2.5本章小结本章主要对ZigBee进行了详细的介绍，介绍了ZigBee的技术特点、网络拓扑结构和ZigBee的协议栈，并且详细介绍了ZigBee协议栈各层的功能。因为ZigBee协议栈已经实现了ZigBee协议，因此用户可以直接使用协议栈所提供的API进行应用程序的开发。在开发过程中完全不必关心ZigBee协议的具体实现细节，要关心的问题是：应用层的数据是使用哪些函数通过什么方式把数据发送出去或者把数据接收过来的。所以学习ZigBee的关键是要学会使用ZigBee协议栈。

第三章系统方案设计与开发3.1总体网络架构本网络是由ZigBee的一个终端节点和其一个中心节点（协调器）搭建的一个星型无线传感器网络，终端节点与IC卡模块相连，带网蜂IC卡模块的ZigBee节点通过感应IC卡，将采集到的IC卡的ID编号远程发送给协调器，协调器接收后通过串口打印出来。整体网络结构如图3.1所示。图3.1整体网络架构3.2硬件设计虽然传统计算机现在已经应用的很广泛，且其价格在不断下降，运算速度在不断提高，但无线传感器网络的节点与传统的计算机有这着显著的差别，下面是主要的几点：1)功耗传统计算机如没有固定的电源供电，只能工作几个小时的时间。而在无线传感器网络中，节点通常要在仅以小型电池供电的情况下，工作数月或更长。所以在无线常感器节点的设计中，节能是至关重要的。2)体积传统计算机受到键盘、屏幕等配件大小的限制，其整体体积不可能大比例缩小。而无线传感器网络中的节点通常要求设计的十分小巧，这要就能被放置在任何物理环境下，能适应不同的环境要求。3)价格传统计算机的价格一般在数千元，而传感器网络的节点价格在其的十分之一，甚至更低。这就满足了许多需要大量数量节点的场合，而这些是计算机不可能完成。 无线传感器网络节点是一个微型化的嵌入式系统，构成了无线传感器网络的基础支持平台[27]。目前，国内外已经出现了许多种网络节点的设计，它们在实现原理上是相似的，只是分别采用了不同的微处理器或者不同的通信或协议方式，例如采用自定义协议、IEEE802.11协议、Zigbee协议、蓝牙协议以及UWB通信方式等。典型的节点有Sensoria、WINS，SmatNeshDustmote，InteliMote以及IntelXsalenodesICTCAS/HKUST的BUDS[28]等。下面着重介绍本文设计的一种基于Zigbee协议的无线传感器网络节点。3.2.1MCU+RF单元本系统的MCU+RF单元采用TI公司开发的第二代SoC芯片CC2530，CC2530是专门针对IEEE802.15.4和ZigBee应用的单芯片解决方案，经济且低功耗。CC2530集成了一个高性能的RF收发器和1个优化的低功耗8051微处理器，提供一个101dB的链路质量，具有杰出的接收器灵敏度以及强壮的抗干扰能力，多种闪存尺寸，还有一套宽泛的外设集，其中包括2个串口（USART）、12位模数转换器（ADC）和21个通用输入/输出口，以及更多。它可以通过优秀的射频性能、选择性以及业界准则增强8051单片机内核，支持正常的低功耗无线通信，允许芯片无线下载，支持系统编程。处理器是整个节点的中心，其他模块都要通过处理器控制，因此处理器性能的好坏决定整个节点的性能。增强型的8051代替了传统的标准8051微控制器，提高了MCU的处理能力，更好地满足了执行协议栈、网络和应用软件时的要求。其运行时钟为32MHz，但是使用的依然是标准8051指令集。CC2530有四种不同的版本：CC2530-F32/64/128/256。分别带有32/64/128/256KB的闪存空间；本设计采用的CC2530F256。3.2.2ZigBee模块（CC2530F256）CC2530核心板如图3.2所示图3.2ZigBee模块（CC2530F256）CC2530核心板功能特点：1）尺寸：3.6*2.7cm；2）体积小，重量轻，引出全部IO口，标准2.54排针接口；3）开放频段，工作频段为2.4GHz；4）16个传输信道，根据环境进行切换可靠通信信道；5）无线传输速率达250kbps；6）功耗：接收电流<30mA,发射电流<50mA；7）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。3.2.3ZigBeePA模块（CC2530F256+CC2591）网蜂CC2530+CC2591(PA)核心板如图3.3所示。图3.3CC2530+CC2591(PA)核心板CC2530+CC2591(PA)核心板功能特点：1）尺寸：3.6*2.7cm；2）标准SMA天线接口(2.4G天线)；3）小体积、引出所有IO口，标准2.54排针接口，引脚和CC2530模块完全兼容；4）可靠距离400米，自动重连距离达350米。3.2.4ZigBee模块配套功能底板底板自带USB转串口功能，集成了一块PL2303，方便笔记本用户。如图3.4所示。3.4底板底板功能特点如下：1)供电方式：方口USB、DC2.1电源座（5V）。7号锂电池（3.7V）；2)功能接口：Debug接口，兼容TI标准仿真工具，引出所有IO口；3)常用的串口引脚以及5V/3.3V引脚；4)功能按键：1个复位，1个普通按键；5)LED指示灯：电源指示灯、组网指示灯和普通LED；6)模块支持：支持WeBeeCC2530核心板，CC2530+PA（CC2591）核心板；当使用7号锂电池（3.7V）时，不能使用方口USB供电，但能使用DC2.1接口供电。3.2.5供电模块设计本套开发板有三种供电方式，可以用USB线将供电串口与电脑相连，用作CC2530开发板的一种供电方式；也可以插上电源线，从DC5V电源座取电；另外开发板上有一个Debug口，将仿真驱动器插上去后，可与电脑连接并下载程序，也可以作供电用。本设计中采用USB供电。3.2.6IC卡模块IC卡模块如图3.5所示。图3.5IC卡模块IC卡模块介绍：1）尺寸：6*4cm；2）产品芯片：RC5223）工作电流：13—26mA/直流3.3V；4）空闲电流：10-13mA/直流3.3V；5）休眠电流：<80uA；6）峰值电流：<30mA；7）工作频率：13.56MHz；8）读卡距离：0～60mm（mifare1卡）；9）接口：SPI；10)数据传输速率：最大10Mbit/s；11)支持卡类型：mifare1S50、mifare1S70、mifareUltraLight、mifarePro、mifareDesfire工作环境；12）工作温度：摄氏-20—80度；14）储存温度：摄氏-40—85度；15）湿度：相对湿度5%—95%；IC卡模块与ZigBee底板相连。IC卡模块接口电路如图3.6所示。图3.6IC卡模块接口电路3.2.7IC卡IC卡(IntegratedCircuitCard，集成电路卡)，有些国家和地区也称智能卡(smartcard)、智慧卡(intelligentcard)、微电路卡(microcircuitcard)或微芯片卡等。它是将一个微电子芯片嵌入符合ISO7816标准的卡基中，做成卡片形式。IC卡读写器是IC卡与应用系统间的桥梁，在ISO国际标准中称之为接口设备IFD(InterfaceDevice)。IFD内CPU通过一个接口电路与IC卡相连并进行通信。IC卡接口电路是IC卡读写器中至关重要的部分，根据实际应用系统的不同，可选择并行通信、半双工串行通信和I2C通信等不同的IC卡读写芯片。非接触式IC卡又称射频卡，成功地解决了无源（卡中无电源）和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。主要用于公交、轮渡、地铁的自动收费系统，也应用在门禁管理、身份证明和电子钱包。3.3软件设计系统软件设计分为考勤终端节点和协调器节点两部分。考勤终端要实现的主要功能为MFRC522的读取、无线通信功能。协调器节点的功能主要是接收终端节点数据和与上位机的通信。RC522工作流程图如图3.7所示。图3.7RC522工作流程协调器节点流程图如图3.8所示。图3.8协调器节点流程图终端节点程序流程图如图3.9所示。图3.9终端节点流程图3.3.1系统初始化及定义进行初始化工作，设置IC卡模块工作方式。检测IC卡。该部分核心程序如下：ucharCard_Id[8];ar=PcdRequest(0x52,qq);if(ar!=0x26)ar=PcdRequest(0x52,qq);if(ar!=0x26)find=0xaa;if((ar==0x26)&&(find==0xaa)){if(PcdAnticoll(qq)==0x26);{UartSend_String(“TheCardIDis:“,16);for(i=0;i<4;i++){Card_Id[i*2]=asc_16[qq[i]/16];Card_Id[i*2+1]=asc_16[qq[i]%16];}.UartSend_String(Card_Id,8);//打印IC卡号UartSend_String(“\n”,1);find=0x00;}}3.3.2终端节点核心代码终端每400ms执行一次广播函数，即对IC卡进行一次扫描。如果发现IC卡，先将卡片信息发送给协调器。SendMessageTimeout#defineSAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_TIMEOUT400//Every400msSampleApp_TaskID=task_id;SampleApp_NwkState=DEV_INIT;SampleApp_TransID=0;MT_UartInit();//串口初始化MT_UartRegisterTaskID(task_id);//登记任务号HalUARTWrite(0,"HelloWorld\n",12);IC_Init();//初始化IC模块if(events&SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_EVT){Sendtheperiodicmessage//检查IC状态400ms次SampleApp_SendPointToPointMessage();Setuptosendmessageagaininnormalperiod(+alittlejitter)osal_start_timerEx(SampleApp_TaskID,SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_EVT,(SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_TIMEOUT+(osal_rand()&0x00FF)));returnunprocessedeventsreturn(events^SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_EVT);}voidSampleApp_SendPointToPointMessage(void){uint8asc_16[16]={'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9','A','B','C','D','E','F'},i;uint8Card_Id[8];//存放32位卡号if(IC_Test()==1)//读卡成功{for(i=0;i<4;i++){Card_Id[i*2]=asc_16[qq[i]/16];Card_Id[i*2+1]=asc_16[qq[i]%16];}//发送数据给协调器else{//不发送数据给协调器}3.3.3协调器节点核心代码协调器收到终端节点的数据发送请求时，开始接收终端节点数据。数据经过处理后通过串口打印出来。uint16flashTime;uint8asc_16[16]={'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9','A','B','C','D','E','F'},i;uint8CARD_ID[8];switch(pkt->clusterId){caseSAMPLEAPP_POINT_TO_POINT_CLUSTERID:for(i=0;i<4;i++){CARD_ID[i*2]=asc_16[(pkt->cmd.Data[i])/16];CARD_ID[i*2+1]=asc_16[(pkt->cmd.Data[i])%16];}/*串口打印*/HalUARTWrite(0,"TheCardIDis:",16);HalUARTWrite(0,CARD_ID,8);HalUARTWrite(0,"\n",1);3.4软件开发环境本次设计采用的软件开发平台是IAR+Z-stack2007PROIAREmbeddedworkbench是一套开发工具，用于对汇编，c或c++编写的而嵌入式应用程序进行编译和调试。IAREmbeddedworkbench是一套高度精密且使用方便的嵌入式应用开发工具。该集成开发环境包含了IAR的c/c++编译器。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，通过调用API函数就可以进行开发。图3.4就是IAR开发环境的打开界面。图3.4IAR编译环境3.5本章小结本章对系统的总体网络架构进行了描述，分别介绍了系统的硬件组成和软件设计，对硬件的性能进行了详细的介绍，并且描述了软件的设计流程图和各部分具体功能实现的核心代码。

第四章系统功能测试4.1在裸机上驱动在裸机上完成对IC卡的的防冲突处理，读卡号。将裸机程序（即不带协议栈）烧写进一个节点，通过串口将此节点连接到电脑，进行打卡，利用串口调试助手来显示卡号。此时，用的是CC2530来驱动IC卡模块。如图4.1所示。图4.1裸机进行打卡4.2通信测试将裸机程序加载到协议栈里面，将从节点程序与协调器程序分别烧写进终端节点与协调器，将IC卡放到IC卡模块上进行打卡，协议栈每400ms执行一次IC卡扫描程序，如果发现IC卡，则将卡号发送给协调器，否则不进行数据的发送。协调器通过串口与电脑连接，协调器收到IC卡号后通过串口打印出来。图4.2为串口打印IC卡号。图4.2串口显示结果此时，实现了无线打卡功能。4.3本章小结本章主要完成测试任务，包括平台的功能测试和节点的性能测试。平台的功能测试主要包括CC2530对IC卡模块的裸机驱动，以及终端节点与中心节点的无线通信。从中可以看出，所设计的节点能够达到预期的设计目的，完成无线打卡的要求。第五章总结与展望随着无线技术的快速发展和日趋成熟，无线通信也发展到一定的阶段，其发展的技术越来越成熟，方向也越来越多，越来越重要，大量的应用方案开始采用无线技术进行数据采集和通信。其中ZigBee因其低功耗、低成本、协议复杂度低、安全可靠、网络容量大、方便部署等优点，备受各方青睐关注。正是这些优点使ZigBee无线通信技术成为了无线传感网络的首选解决方案，并成功地在多个领域内得到了广泛的应用。本文首先介绍了ZigBee的概念、特点以及国内外研究现状，之后在对无线传感器及其网络协议技术分析研究的基础上，提出了一种基于ZigBee协议的用于实现无线IC卡打卡的网络方案，并设计和开发出了相应的无线传感器节点。文章对该ZigBee节点的各个模块的设计以及软件的实现进行了详细的介绍，主要包括以下几个方面：1）适用ZigBee的2.4Ghz的无线数据传输模块的设计和实现。2）基于ZigBee协议栈实现无线打卡系统。本文使用TI公司的CC2530无线芯片搭建了一个基于ZigBee技术的无线传感器网络。该网络由一个协调器充当中心节点和一个终端节点一起构成一个星型网络。终端节点负责IC卡卡号的采集并实时发送给协调器，协调器负责接收管理。5.1今后的工作5.1.1实现多树型和网状网络拓补树型及网状网络相比星型网络，是拓扑结构更为复杂的网络结构并且可以容纳更多的节点，这就为无线传感器在更大物理空间范围里的应用成为可能。5.1.2实现检测卡号是否与预存卡号匹配在实际应用中，无线打卡技术适用于考勤、门禁等领域。需要对IC卡号与预存卡号进行匹配。因此，在以后的工作中可以先将自己的IC卡号读出来，然后预先存储，建立自己的小数据库。以后打卡时，经过匹配处理后就可以判别是否为预设卡号，以实现更为完善的管理。参考文献[1]王风．基于CC2530的ZigBee无线传感器网络的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学硕士学位论文,2012[2]冯琳．无线传感器网络及ZigBee技术的应用研究[D].合肥：合肥工业大学硕士学位论文,2006[3]李丽丽.基于ZigBee的短距离无线通讯技术研究[D].北京:北京理工大学硕士学位论文，2010[4]徐登彩．基于ZigBee无线传感器网络的定位系统的设计与研究[D].浙江：浙江大学硕士学位论文，2013[5]孙利民，李建中，陈渝．无线传感器网络[M]．北京:清华大学出版社，2005:27-28[6]姚向华.无线传感器网络原理与应用[M].北京:高等教育出版社,2012:12-18[7]习琨．基于ZigBee的简单无线传感器网络设计与实现[D].天津：南开大学硕士学位论文,2008[8]司海飞，杨忠，王珺．无线传感网络研究现状与应用[J].机电工程，2011，28(1):16-20[9]李晓维．无线传感器网络技术[M].北京:北京理工大学出版社，2007:32-35[10]张文彬，张中兆，沙学军．Adhoe网络中MAC协议的研究与综述[J]．计算机工程与设计，2007，28(5)：1054-1082[11]黄韬，舒坚，陈宇斌等．事件驱动型无线传感器网络MAC协议研究[J]．传感器与微系统，2008，27(8)：12-15[12]PengJ,ChengdongWjYunZZ，eta1．Researchofanenergy—awareMACprotocolinWirelessSensorNetwork．InControlandDecisionConference．Chinese．2008，4686-4690[13]J．M．Kahn，R．H．Katz，K．S．J．Pister．“MobileNetworkingforSmartDust”，ACM/IEEEIntl．Conf．onMobileComputingandNetworking(MobiCom99)，Seattle，WA，1999(8)：17-19[14]G．J．Pottie，W．J．Kaiser．WirelessIntergratedNetworkSensors．CommunicationofACM2000，43(5)：51-58[15]王小强,欧阳骏,黄宁琳.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].北京:化学工业出版社，2012：15-22[16]杨赓．ZigBee无线传感器网络的研究与实现[D]．浙江：浙江大学硕士学位论文，2006[17]宓霖．基于ZigBee技术的无线数据收发器MAC层协议研究与硬件设[D]．南京：东南大学硕士学位论文，2005[18]李刚，张志宏．蜜蜂的舞蹈--ZigBee的无线网络技术和应用．电子产品世界2006，1：84-87[19]李伟．基于ZigBee的单片机无线通信系统实现[J].电子设计工程，2014，28(12A):1830-1837[20]Chau-ChungSong,Chen-FuFeng.SimulationandExperimentalAnalysisofaZigBeeSensorNetworkwithFaultDetectionandReconfigurationMechanism.Proceedingof20118thAsianControlConference.2011,5.pp.659-664[21]李俊斌，胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信网络的应用设计[J]．电子设计工程，2011，8，19(16)．pp．108-111[22]Nia-ChiangLiang,Ping-ChiehChen,TonySun.ImpactofNodeHeterogeneityinZigBeeMeshNetworkRouting.IEEEInternationalConferenceOnSystems.2006,10.pp.187-191[23]JianpoLi,XuningZhu,NingTang.StudyonZigBeeNetworkArchitectureandRoutingAlgorithm.20102ndInternationalConferenceonSignalProcessingSystems.2010.pp.389-393[24]高翔，邓永莉，吕愿愿，陆起涌.基于Z-Stack协议栈的ZigBee网络节能算法的研究[J].传感技术学报，2014，32(1):12-18[25]樊敏．基于802.15.4和ARM的无线网络平台硬件设计及驱动开发[D]．上海：上海交通大学硕士论文，2010[26]何朝．基于ZigBee技术的智能家居数据采集控制系统[D]．太原：太原理工大学硕士论文，2011[27]蒋挺，赵成林．紫峰技术及其应用[M]．北京：北京邮电大学出版社，2006:35-41[28]施承，宋铁成，叶之慧．基于ZigBee协议的无线传感器网络节点的研制[J]．广东通信技术,2006,1:9-12致谢附录总程序*/#include"OSAL.h"#include"ZGlobals.h"#include"AF.h"#include"aps_groups.h"#include"ZDApp.h"#include"SampleApp.h"#include"SampleAppHw.h"#include"OnBoard.h"/*HAL*/#include"hal_lcd.h"#include"hal_led.h"#include"hal_key.h"#include"MT_UART.h"//此处用于串口#include"IC.h"//IC相关函数定义/**********************************************************************MACROS*//**********************************************************************CONSTANTS*//**********************************************************************TYPEDEFS*//**********************************************************************GLOBALVARIABLES*///ThislistshouldbefilledwithAppl