【正文】 無論是路由器或終端設備都是直接與協調器進行通信，在Zigbee協調器則負責運作與維護著整個網絡；在簇狀和網狀網絡結構中，協調器負責初始化和建立網絡的操作，而路由器則對網絡進行擴展，終端設備的信息由路由器進行轉發(fā),只不過在簇狀結構中終端間的信息交換只能通過一級級向上傳遞到協調器，再由協調器將信息分發(fā)下去。 Zigbee協議分析 網絡層(NWK)Zigbee網絡層的主要功能就是確保Zigbee的MAC層(IEEE )正常工作，同時定義了一些必須的函數，并且為應用層提供適合的服務接口。網絡層提供了兩個必須的功能服務實體來向應用層提供服務接口，它們分別是管理服務實體和數據服務實體。通過網絡層數據服務實體服務接入點(NLDESAP)，網絡層的數據實體(NLDE)得以提供數據傳輸服務；網絡層管理實體(NLME)與之不同，它是通過網絡層管理實它體服務接入點(NLMESAP)來提供網絡管理服務的。網絡層管理實體則是利用網絡層數據實體完成一些網絡的管理工作，并且網絡信息庫(NIB)理是網絡層管理實體完成的。 網絡層數據實體(NLDE)網絡層數據實體為數據提供服務，在兩個或多的設備之間進行數據傳送任務時，則是按照應用協議數據單元(APDU)的格式進行傳送的，并且所有的這些設備必須是在同一個網絡中，即要求在同一個個域網中。網絡層數據實體提供的服務如下三項：(1)指定拓撲傳輸路由，網絡層數據實體發(fā)送一個網絡層的協議數據單元到一個合適的接受設備，此設備可能是一個在通信鏈路中的中間通信設備，也可能是最終的目的通信設備。(2)生成網絡層的協議數據單元(NPDU)：通過增加一個適當的協議頭，網絡層數據實體從應用支持層協議數據單元中生成網絡層的協議數據單元。(3)安全：確保通信的機密性和真實性。 網絡層管理實體(NLME)絡層管理實體允許應用與堆棧相互作用，并且提供網絡管理服務。網絡層管理實體提供了以下的幾種服務：(1)配置一個新的設備：設備應具有足夠的堆棧來保證其正常工作的需要，并且滿足配置的需要。配置選項包括對連接一個現有網絡設備或一個Zigbee協調器的初始化的操作。(2)初始化一個網絡：使設備有能力建立一個新的網絡。(3)連接和斷開網絡。要求設備具有斷開網絡的能力和具有連接一個新的網絡的能力，以建立一個Zigbee協調器或者路由器。(4)鄰居設備發(fā)現：需要具有發(fā)現、匯報和記錄相鄰設備信息的能力。(5)尋址：Zigbee協調器和路由器具有分配地址給新加入網絡的設備的能力。(6)路由發(fā)現：具有發(fā)現并且記錄傳送信息的網絡路由的能力。(7)接收控制：具有控制設備是否處于接收狀態(tài)的能力，即控制接收機接收信息時間的長短和什么時候來接收信息，以此來保證MAC層的正常接收和同步等。 應用層(APP)應用層主要由用戶根據具體的應用進行自我開發(fā)，用以維持節(jié)點的各種功能，發(fā)現此節(jié)點工作空間范圍內其他節(jié)點的工作，再根據服務的需求為各個不同的節(jié)點提供通信服務。Zigbee應用層有三個不同的部分分別是：應用支持 (Application Support Sub1ayer，簡稱APS)子層、Zigbee設備對象 (Zigbee Device Object，簡稱ZDO)和制造商定義的應用對象。 應用支持子層APS層提供了這樣的接口：在NWK層和APL層間，從設備對象到供應商的應用對象的通用服務集。這服務由兩個實體得以實現：APS管理實體(APSDE)和APS數據實體APSDE。(1)APSME通過APSME服務接入點(APSMESAP)；(2)APSDE通過APSDE服務接入點(APSDESAP)。APSDE提供了多種服務給應用對象，維護管理對象的數據庫，也就是我們常說的AIB，同時這些服務包括綁定設備和安全服務。APSDE則提供在同一個網絡中的兩個或多個應用實體間進行數據通信的服務。 應用層框架為存在Zigbee設備中的應用對象提供活動的環(huán)境的是Zigbee中的應用框架。其最多可以定義240個較為獨立的應用程序對象，任意一個對象的端點編號都是從1到240。另外還有兩個附加的節(jié)點終端為了APSDESAP的使用：端點號0專門應用于ZDO數據接口；而另外一端的端點號255則專門應用于所有應用對象廣播數據的數據接口；最后，端點241254則是要保留給有需要擴展的時候使用的。 Zigbee設備對象Zigbee設備對象(ZDO)，描述了一個基本的功能函數，這個函數為在應用對象、設備profile和APS之間提供了一個接口。ZDO位于應用支持子層和應用框架之間，在Zigbee協議棧中應用操作的一般需求它有所滿足。ZDO還有以下作用：(1)初始化安全服務規(guī)范(SSS)，應用支持子層(APS)和網絡層(NWK)。(2)從終端的應用中集合配置的信息來執(zhí)行和確定發(fā)現、網絡管理、綁定管理，以及安全管理等作用。ZDO描述了應用框架層的應用對象的網絡功能和應用對象的公用接口用以控制設備。在終端節(jié)點0處，ZDO則提供了與協議棧中低一層進行連接的接口，若接受的是數據，則通過APSMESAP接入點，而若是控制信息則通過APSMESAP的接入點。ZDO公用接口則在Zigbee協議棧的應用框架中提供設備發(fā)現、綁定、以及安全等各種功能的地址管理服務。Zigbee設備對象的主要功能如下：(1)初始化網絡層、應用支持子層和安全服務層；(2)發(fā)起或響應綁定請求；(3)在網絡內部發(fā)現設備，并且確定為此發(fā)現的設備提供的應用服務種類；(4)定義設備在網絡中的各種角色，如，終端設備、路由器或協調器；(5)從終端的應用來收集各個配置信息來確定和執(zhí)行發(fā)現管理、網絡管理、安全管理和綁定管理等；(6)在網內各個設備之間建立起安全又可靠的關系。第3章 家居環(huán)境監(jiān)測系統方案本文的家居環(huán)境監(jiān)測系統，通過對傳感器技術、無線網絡技術和計算機等技術的綜合運用，得以實現對家庭環(huán)境的實時監(jiān)測，從而間接地為用戶創(chuàng)造一個健康的，適宜居的，舒適的家居環(huán)境。 系統結構本論文是基于Zigbee技術的無線傳感器網絡環(huán)境監(jiān)測系統，故根據Zigbee技術的標準和特點設計了由多傳感器節(jié)點，協調器節(jié)點和PC組成的該系統。其中，傳感器節(jié)點通過無線技 術與協調器進行信息的交換；協調器則通過串口 進行相連通信。本文設計的系統結構如圖31所示。上位機LCDCC2530溫濕度傳感器煙霧傳感器圖31 系統結構圖本系統中傳感器節(jié)點主要負責的是環(huán)境信息的采集與發(fā)送，協調器節(jié)點主要負責的是網絡的建立、終端節(jié)點管理、數據處理和對PC端的數據通信。當然在實踐過程中可以根據家庭居住環(huán)境的大小和所需監(jiān)測的內容，來增加或減少傳感器節(jié)點，而只需做小許改動即可[4]。當監(jiān)測區(qū)域較大時，可用增加傳感器節(jié)點的方法來保證網絡的連通性，相反區(qū)域較小時可以根據情況減少路由器節(jié)點的設置以節(jié)省系統資源，降低成本。在本設計的實踐環(huán)節(jié)，本人只象征性的做了一個傳感器節(jié)點進行試驗演示。 系統功能定義本文設計的環(huán)境監(jiān)測系統主要檢測家庭環(huán)境中以下一些環(huán)境參數以實現對環(huán)境信息的全面監(jiān)測，從而為用戶的準確決策提供參考。下面對各種參數進行如下介紹。(1)溫度濕度人體對溫度的變化甚為敏感，在環(huán)境溫度高于35攝氏度后，每增加一度對人體的負面影響都是幾何級的增加，故此系統中最重要亦是最基本的就是環(huán)境中溫度的采集。溫度傳感器可以在用戶設定的頻率下采集區(qū)域的溫度信息，并將其發(fā)送到協調器節(jié)點進行處理，再由協調器將處理結果數據通過串口發(fā)送到PC，此時，PC可按之前用戶設置好的參數和程序對空調系統進行控制，從而實現對室內溫度的控制，當然這些是后續(xù)控制，不在本文討論范圍內。家庭中的每個房間可以多放幾個這樣的類似節(jié)點，可實現在同一個房間進行多點的溫度信息采集，以提高溫度測量的準確度。(2)濕度人類對濕度雖然不是特別敏感，但其時時刻刻亦影響著人們的健康，尤其是老年與兒童。目前人們經常是通過普通的加濕器來調節(jié)室內濕度，此類加濕器一般只是手動操作，這樣就存在著人為的主觀不確定性，最終也有可能不利于環(huán)境之改善。而在本系統中，通過濕度傳感器對濕度信息的采集，再經由PC的處理后，對加濕器進行控制，即可達到科學明了地控制室內的濕度。(3)煙霧燃氣的主要造成煙霧源，當燃氣發(fā)生泄漏時，就會對家庭人員生命帶來威脅。故對一氧化碳氣體濃度監(jiān)測也是必不可少的一部分。當系統檢測到煙霧濃度大于用戶設定是初值時，PC會立即發(fā)送報警信號到報警裝置或者是家庭成員的手機或直接報警，PC在啟動報警裝置的同時，或可以自動控制開窗，以達到室內空氣流通的效果，保證家庭成員的安全。 系統設計要求本系統是在家庭環(huán)境中實現各種功能，根據此特點，可以總結出以下幾種要求。分別從軟硬件兩個方面來得以實現。(1)低功耗：由于是無線傳感網絡，節(jié)點很多，故只能由電池供電，故要求低功耗以延長使用，減少電池更換次數。(2)安全性：本系統為家居環(huán)境控制系統做前期的數據采集，若出現錯誤，則可導致PC判斷錯誤，導致錯誤控制。如：未發(fā)生一氧化碳泄露即報警等。故要求系統的安全性(3)外觀：由于要安裝在家庭各個地點，故要求其盡量小巧，美觀。(4)可擴展：能根據用戶的不同需求，隨時增加或減少節(jié)點設置[5]。軟件方面要求程序模塊化設計，可以使系統升級方便以備增加節(jié)點時修改其中一個模塊而其他地方無需改動；程序設計要簡單，數據傳輸格式要統一。第4章 家居環(huán)境監(jiān)測系統硬件設計在Zigbee傳感器網絡中，傳感器節(jié)點兼顧傳統網絡節(jié)點的終端和路由器雙重功能，在采集、接收、處理及發(fā)送數據進的同時，還要對其他節(jié)點轉發(fā)來的數據進行存儲、管理和融合等處理，并與其他節(jié)點協作完成一些特定任務。根據系統的需要，傳感器節(jié)點應具備以下功能。(1)傳感器信號的采集和處理；(2)無線數據的發(fā)送或轉發(fā)；(3)液晶顯示和鍵盤輸入；(4)通訊功能。無線傳感器網絡的節(jié)點通常由傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊構成,CC2530集成了這些功能。微處理器和無線通信模塊采用支持Zigbee協議，大大簡化了射頻電路的設計。傳感器模塊采用集成溫濕度傳感器DHT1MQ2型氣體傳感器，電源采用5V電池供電。硬件系統結構框圖如圖41所示。溫度傳感器DHT11煙霧傳感器5V電源LCD 128*64 CC2530上位機圖41 硬件系統結構框圖 系統電源電路電源管理是對電源電壓調節(jié)和分配，為其他各模塊提供可靠和正常工作的電壓。電源模塊相當于房屋的基石，所以高性能的電源管理模塊對于整個控制系統穩(wěn)定運行實至關重要的。電源模塊為控制單元、傳感器、控制輸出(電機、繼電器)等模塊提供可靠且不同的工作壓。在設計過程中，不僅要考慮電壓和電流大小等基本參數而且要考慮電源使用效率、降低噪聲、復雜程度和干擾等方面優(yōu)化[6]。電源供電電路如圖42所示。圖42 5V電源電路圖 Zigbee芯片CC2530 IEEE 、Zigbee和RF4CE應用的一個真正的片上系統(SoC)解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節(jié)點。CC2530結合了領先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051CPU，系統內可編程閃存，8KB RAM 和許多其它強大的功能。CC2530有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB的閃存。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗。CC2530最小系統的設計包括的外圍模塊有：復位電路，振蕩電路[10]。最小系統電路圖如43下圖所示。 家居環(huán)境參數采集模塊 數字溫濕度傳感器DHT11DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接[11]。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則。連接方便，數字溫濕度傳感器電路圖44如下所示。圖43 CC2530最小系統的電路圖圖44 數字溫濕度傳感器電路圖 煙霧傳感器MQ2本次設計的煙霧傳感器用MQ2。MQ2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號[11]。該傳感器需要施加二個電壓：加熱器電壓(VH)和測試電壓(VC)。其中VH用于為傳感器提供特定的工作溫度。VC 則是用于測定與傳感器串聯的負載電阻(RL)上的電壓(VRL)。這種傳感器具有輕微的極性，VC 需用直流電源。在滿足傳感器電性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一個電源電路VCC。為更好利用傳感器的性能，需要調節(jié)可調電阻Rp恰當的RL值。其煙霧傳感器電路如圖45所示。當檢測到煙霧控制器輸出報警，蜂鳴器報警電路如圖46所示。 圖45 煙霧傳感器電路圖圖46 報警電路圖 CC2530通訊CC2530具有一個IEEE 。RF內核控制模擬無線模塊，強大地址識別和數據包處理引擎， 能夠很好的匹配RF前端，封裝更小，支持Zigbee 2007/PRO 和Zigbee RF4CE。另外，它提供了MCU和無線設備之間的一個接口，這使得可以發(fā)出命令，讀取