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正文內(nèi)容

基于zigbee協(xié)議的無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)(編輯修改稿)

2024-10-03 18:16 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 句柄封裝類和很多 Windows 的內(nèi)建 控件 和組件的封裝類 。 MFC 實際上是微軟提供的,用于在 C++環(huán)境下編寫應(yīng)用程序的一個框架和 引擎 。 MFC 是一個功能豐 富的 界面 開發(fā)系統(tǒng) , 用于系統(tǒng)化開發(fā)測溫系統(tǒng)的終端顯示功能以及中繼傳輸?shù)墓δ堋? 博 創(chuàng) 杯 全 國 大 學(xué) 生 嵌 入 式 設(shè) 計 大 賽 9 第 3章 功能與指標(biāo) 系統(tǒng)功能 無線測溫系統(tǒng)采用無線溫度傳感技術(shù)實現(xiàn)了對分布式區(qū)域,以及范圍較大,(以及人員無法接近的其它危險、惡劣環(huán)境 )的溫度進(jìn)行實時在線監(jiān)測。無線測 溫系統(tǒng)前端采用無線溫度傳感器,可快捷方便地安裝在所被測量的區(qū)域,準(zhǔn)確地跟蹤發(fā)熱接點的溫度變化 。無線測溫系統(tǒng)的采集終端可準(zhǔn)確地并及時的顯示溫度的變化,為控制提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù) 。當(dāng)被測點溫度超過預(yù)先設(shè)定的門限值時,將發(fā)出報警信號及時提醒有關(guān)人員采取措施 。系統(tǒng)通過人機界面將地理分布圖、接點溫度運行參數(shù)、預(yù)告警信息、歷史參數(shù)等通過圖形、曲線、等形式直觀顯示,為決策層提供最直接可靠的數(shù)據(jù)依據(jù),盡可能消除不可控因素。 本系統(tǒng)可以在分布式區(qū)域,比如大棚等范圍較大區(qū)域的實時溫度測量。還可以在特殊的地方進(jìn)行采集,這樣能減少人 員的浪費。還可以進(jìn)行實時的采集,鑒于目前基于 abdroid 平臺手機的流行,本作品開發(fā)了 abdroid 手機客戶端,通過上位機服務(wù)器將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)到手機上,進(jìn)行實時的監(jiān)控,不管用戶在哪里只要通過手機就可以知道溫度的變化,可以很好的釋放人力,節(jié)約成本。此系統(tǒng)的精確度比較高,可以進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控,當(dāng)溫度超過設(shè)定的數(shù)值,會進(jìn)行報警提示。 技術(shù)指標(biāo) 本系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下 : ? 測量溫度范圍: 25 ℃ ~ +125 ℃ ? 測量精度:177。 ℃ ? 溫度反應(yīng)時間:小于 10S ? 采集器使用壽命:大于 5 年 ? 監(jiān)控區(qū)域: 0~ 100 米 (可擴展 ) 博 創(chuàng) 杯 全 國 大 學(xué) 生 嵌 入 式 設(shè) 計 大 賽 10 第 4章 實現(xiàn)原理 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu) ZigBee 協(xié)議棧定義了四層,分別是物理層、媒體訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。物理層和媒體訪問控制層由 定義,上層的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由 Zigbee 聯(lián)盟定義。應(yīng)用層分別包括 ZDO( Zigbee 設(shè)備對象), APS(應(yīng)用支持子層)和 AF(應(yīng)用框架)組成。 Zigbee 協(xié)議棧每一層負(fù)責(zé)完成所規(guī)定的任務(wù),并且向上層提供服務(wù),各層之間的接口通過所定義的邏輯鏈路來提供服務(wù)。 ZigBee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu) 如 圖 41 ZigBee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖 所示。 圖 41 ZigBee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖 1. 物理層 物理層由半雙工的無線收發(fā)器及其接口組成,主要作用是激活和關(guān)閉射頻收 博 創(chuàng) 杯 全 國 大 學(xué) 生 嵌 入 式 設(shè) 計 大 賽 11 發(fā)器;檢測信道的能量;顯示收到數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量;空閑信道評估;選擇信道頻率;數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。 2. 媒體訪問控制層 媒體訪問控制( MAC)層建立了一條節(jié)點和與其相鄰的節(jié)點之間可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路,共享傳輸媒體,提高通信效率。在協(xié)調(diào)器的 MAC 層,可以產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo),同步網(wǎng)絡(luò)信標(biāo);支持 ZigBee 設(shè)備的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián);支持設(shè) 備加密;在信道訪問方面,采用 CSMA/CA 信道退避算法,減少了碰撞概率;確保時隙分配( GTS);支持信標(biāo)使能和非信標(biāo)使能兩種數(shù)據(jù)傳輸模式,為兩個對等的 MAC 實體提供可靠連接。 3. 網(wǎng)絡(luò)層 基于底層的可靠通信,提供路由、路由發(fā)現(xiàn)、多跳、轉(zhuǎn)發(fā)的功能。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以組成星型、簇樹型或 MESH 型網(wǎng)絡(luò)。對于終端節(jié)點而言,網(wǎng)絡(luò)層的功能只是加入和離開網(wǎng)絡(luò);對于路由器而言,網(wǎng)絡(luò)層的功能是信息的轉(zhuǎn)發(fā),路由發(fā)現(xiàn),建立和維護(hù)路由表和鄰居表,以及構(gòu)造到某節(jié)點的路由任務(wù);而協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)主要包括啟動和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)正常工作,為 新加入的節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址。 4. 應(yīng)用層 應(yīng)用層包括三部分:應(yīng)用支持子層( APS)、 ZigBee 設(shè)備對象( ZDO)和應(yīng)用框架( AF)。應(yīng)用支持子層的任務(wù)是提取網(wǎng)絡(luò)層的信息并將信息發(fā)送到運行在節(jié)點上的不同應(yīng)用端點。應(yīng)用支持子層維護(hù)了一個綁定表,可以定義、增加或移除組信息;完成 64 位長地址( IEEE 地址)與 16 位短地址(網(wǎng)絡(luò)地址)一對一映射;實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的分割與重組;應(yīng)用支持子層連接網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層,是它們之間的接口。這個接口由兩個服務(wù)實體提供: APS 數(shù)據(jù)實體( APSDE)和 APS 管理實體( APSME)。 APS 數(shù) 據(jù)實體為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù),它會拆分和重組大于最大荷載量的數(shù)據(jù)包。 APS 管理實體提供安全服務(wù),節(jié)點綁定,建立和移除組地址,負(fù)責(zé) 64 位 IEEE 地址與 16 位網(wǎng)絡(luò)地址的地址映射 [4]。 ZigBee 設(shè)備對象負(fù)責(zé)設(shè)備的所有管理工作,包括設(shè)定該設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色(協(xié)調(diào)器、路由器或終端設(shè)備),發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備,確定這些設(shè)備能提供的功能,發(fā)起或響應(yīng)綁定請求,完成設(shè)備之間建立安全的關(guān)聯(lián)等。用戶在開發(fā)ZigBee 產(chǎn)品時,需要在 ZigBee 協(xié)議棧的 AF 上附加應(yīng)用端點,調(diào)用 ZDO 功能以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備和服務(wù),管理綁 定、安全和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。 ZDO 是一個特 博 創(chuàng) 杯 全 國 大 學(xué) 生 嵌 入 式 設(shè) 計 大 賽 12 殊的應(yīng)用對象,它駐留在每一個 ZigBee 節(jié)點上,其端點編號固定為 0。 AF 應(yīng)用框架是應(yīng)用層與 APS 層的接口。它負(fù)責(zé)發(fā)送和接收數(shù)據(jù),并為接收到的數(shù)據(jù)尋找相應(yīng)的目的端點。 Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) Zigbee 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 42 所示 ,可以 分 為以下三種:星型、簇樹型和 MESH型。星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器組建和維護(hù),其他的設(shè)備都是終端設(shè)備,都直接與協(xié)調(diào)器一對一通信。在簇樹型和 MESH 型拓?fù)渚W(wǎng)路結(jié)構(gòu)中,協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)并決定一些關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)參數(shù),如網(wǎng)絡(luò) ID,網(wǎng)絡(luò)使用的信道等。網(wǎng) 絡(luò)中主要通過路由器來拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。樹型網(wǎng)絡(luò)中,路由器發(fā)送數(shù)據(jù)是通過層次的路由方法。樹型網(wǎng)絡(luò)可以使用網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)通信,路由器和終端節(jié)點以跟蹤信標(biāo)的方式與協(xié)調(diào)器通信;也可以使用非信標(biāo)方式通信,終端節(jié)點定時輪詢路由器或協(xié)調(diào)器來提取自己的信息。 MESH 型網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行點對點對等交流,但是不能使用信標(biāo)。 Zigbee 設(shè)備都有一個 64 位的 IEEE 地址, IEEE 地址是唯一的絕對地址,設(shè)備可以用這個地址在 PAN 中進(jìn)行通信,但在設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后,協(xié)調(diào)器后會為它分配一個 16 位的網(wǎng)絡(luò)地址,網(wǎng)絡(luò)地址只在該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)是唯一的,是相對地址,設(shè)備也可以用這個網(wǎng)絡(luò)地址在 PAN 內(nèi)進(jìn)行通信。 從物理功能上分,設(shè)備的類型可以分為 2 種。一種是具有全功能設(shè)備( Full FunctionDevice, FFD),另一種是精簡功能設(shè)備( Reduced Function Device,RFD)。在 PAN( PersonalArea Network)中,全功能設(shè)備可以作為 PAN 的協(xié)調(diào)器,路由器或作為一個終端設(shè)備。一個全功能設(shè)備可以同時和多個精簡功能設(shè)備或全功能設(shè)備通信;對于一個精簡功能設(shè)備來說,它只能和一個全功能進(jìn)行通信 [5]。 圖 42 星型和簇樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 博 創(chuàng) 杯 全 國 大 學(xué) 生 嵌 入 式 設(shè) 計 大 賽 13 IT ZStack協(xié)議棧介紹 TI 公司的協(xié)議棧 ZStack 符合 ZigBee2020 規(guī)范,功能強大,協(xié)議棧底層已實現(xiàn),對于簡單的應(yīng)用,開發(fā)者只需要在應(yīng)用層開發(fā)即可。 ZStack 還可通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無線下載節(jié)點更新程序,具備定位感知功能等等。以下是 ZStack 的功能。 1. 網(wǎng)絡(luò)尋址 ZStack 使用一種分布式的地址分配方式來分配網(wǎng)絡(luò)地址,這種方式確保所有的網(wǎng)絡(luò)地址在網(wǎng)絡(luò)中是唯一的。網(wǎng)絡(luò)地址是由設(shè)備的父節(jié)點分配的。通過在ZStack 中網(wǎng)絡(luò)層中相關(guān)位置的三個參數(shù),包括最大深度( MAX_DEPTH)、最大子 節(jié)點數(shù)( MAX_CHILDREN)和最大路由器數(shù)量( MAX_ROUTERS)按照以下地址分配算法可得到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址 [6]。 第 n 個終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址為: 其中: 表示第 n 個終端設(shè)備的父設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址; n 的取值范圍: ? ?mm1 n C R?? ; ; ; 如果 =1: =1+ ; 如果 = ; MAX_DEPTH 指網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)。協(xié)調(diào)器在第 0 層的深度,它的子節(jié)點在第一層,以下就是第二層,以此類推。這個參數(shù)限定了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最大深度。MAX_CHILDREN 決定了協(xié)調(diào)器或者路由器可以有幾個孩子節(jié)點。孩子節(jié)點可以是路由器或者是終端設(shè)備。 MAX_ROUTERS 數(shù)決定了協(xié)調(diào)器或者路由器下面可 以 有 幾 個 路 由 器 子 節(jié) 點 。 終 端 設(shè) 備 的 個 數(shù)=MAX_CHILDRENMAX_ROUTERS。在 ZStack 中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)深度可在 博 創(chuàng) 杯 全 國 大 學(xué) 生 嵌 入 式 設(shè) 計 大 賽 14 文件中設(shè)置,默認(rèn)設(shè)置為 HOME_CONTROLS。 具 體設(shè)置如下: if(STACK_PROFILE_ID==HOME_CONTROLS) byte CskipRtrs[MAX_NODE_DEPTH+1]={6,6,6,6,6,0}。 byte CskipChldrn[MAX_NODE_DEPTH+1]={20,20,20,20,20,0}。 elif(STACK_PROFILE_ID==GENERIC_STAR) byte CskipRtrs[MAX_NODE_DEPTH+1]={5,5,5,5,5,0}。 byte CskipChldrn[MAX_NODE_DEPTH+1]={5,5,5,5,5,0}。 elif(STACK_PROFILE_ID==NETWORK_SPECIFIC) byte CskipRtrs[MAX_NODE_DEPTH+1]={5,5,5,5,5,0}。 byte CskipChldrn[MAX_NODE_DEPTH+1]={5,5,5,5,5,0}。 endif//STACK_PROFILE_ID 目的地址模式有如下幾種值: AddrNotPresent(地址未知模式), Addr16Bit(短地址模式), AddrBroadcast(廣播模式)。這些地址模式都是必要的,因為在ZigBee 中,數(shù)據(jù)包可以是點對點發(fā)送( unicast),多點發(fā)送( multicast),也可以是廣播式發(fā)送 (broadcast)。接下來對各種傳輸模式進(jìn)行簡要的介紹 [7]。 1) 一對一模式 一對一模式是在已知目的地址的情況下使用這種方式。在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候會包含目的地址信息。在 ZStack 中的尋址方式可以這樣來設(shè)置: =Addr16Bit。//以網(wǎng)絡(luò)地址為目的地址進(jìn)行尋址 =10。//目的節(jié)點的端口號為 10 =0x796f; //目的節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址 2) 廣播模式 廣播模式是將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點。在程序中地址模式設(shè)定AddrBroadcast。在 ZStack 中的尋址方式可以這樣來設(shè)置: =AddrBroadcast。//以廣播的方式進(jìn)行尋址 =10。//目的節(jié)點的端口號為 10 =0xffff; //目的節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點 =0xfffd; //目的節(jié)點為網(wǎng)絡(luò)中非睡眠節(jié)點 3) 間接接模式 當(dāng)?shù)刂纺J皆O(shè)置為 AddrNotPresent,說明發(fā)送的信息都是發(fā)給協(xié)調(diào)器的,在 博 創(chuàng) 杯 全 國 大 學(xué) 生 嵌 入 式 設(shè) 計 大 賽 15 協(xié)調(diào)器的綁定表中查找相應(yīng)目的地址進(jìn)行一對一的數(shù)據(jù)發(fā)送。 =(afAddrMode_t)AddrNotPresent。 =10。 =0。//協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)地址固定為 0x0000; 2. 綁定 綁定是指一個節(jié)點與另外一個或幾個節(jié)點間建立地址映射的一種尋址方式。在節(jié)點建立綁定之后,發(fā)送數(shù)據(jù)的時候并不需要知道目的地址是什么,應(yīng)用支持子層會根據(jù)綁定 ID 查詢它的綁定表來決定目的地址,然后把信息發(fā)送給目的節(jié)點。 在 ZStack 中,綁定是通過如下函數(shù)實現(xiàn)的: =Addr16Bit。//首先設(shè)置尋址模式為網(wǎng)絡(luò)地址尋址 =0x0000。//目的地址為協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)地址 ZDP_EndDeviceBindReq()。//發(fā)起綁定請求 3. 路由協(xié)議 ZigBee 的路由協(xié)議是基于 Ad Hoc 按需距離矢量路由協(xié)議 AODV(Ad hoc On demandDistance Vector),支持在環(huán)境中移動、連接失敗和包丟失的環(huán)境應(yīng)用,它極大的增強了無線傳
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