【文章內容簡介】 低功耗特性。對于我們的監(jiān)測系統(tǒng)來說，功耗是一個很致命的限定因素，信息科學與技術學院畢業(yè)設計論文 13 它直接關系到成本和可維護性，ZigBee 協(xié)議本身的低功耗設計，配合各種精心設計的 ZigBee 專用芯片，可以使功耗最大程度的降低。ZigBee 協(xié)議棧層次結構主要由應用層、應用接口、網絡層、數(shù)據鏈路層和物理層組成，如圖 22 所示：圖 22 ZigBee 協(xié)議棧層次結構物理層：采用 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum 直接序列擴頻)技術，可提供 27 個信道用于數(shù)據收發(fā)。 定義了 頻段和868/915MHz 頻段兩種物理層標準。物理層的主要功能包括：激活和休眠射頻收發(fā)器，信道能量檢測，信道接收數(shù)據包的鏈路質量指示，空閑信道評估，收發(fā)數(shù)據。媒體介入層：IEEE MAC(Medium Access Layer)層提供了兩種服務：MAC 層數(shù)據服務和 MAC 層管理服務。數(shù)據服務使 MAC 層協(xié)議數(shù)據單元的收發(fā)可以通過物理層數(shù)據服務。管理服務通過 MAC 層管理實體服務接入點訪問高層。IEEE MAC 層的特征有信標管理、信道接入機制、保證時隙(GTS)管理、幀確認、確認幀傳輸、節(jié)點接入和分離。數(shù)據鏈路層：IEEE802 系列標準把數(shù)據鏈路層分為媒質接入層 MAC 和邏輯鏈路控制層 LLC(Logic Link Control Layer)。 子層支持多種LLC 標準。MAC 子層使用物理層提供的服務實現(xiàn)設備之間的數(shù)據幀傳輸；而 LLC子層在 MAC 子層的基礎上，給設備提供面向連接和無連接的服務。MAC 子層功信息科學與技術學院畢業(yè)設計論文 14 能包括：設備之間無線鏈路的建立、維護和結束，確認模式的幀傳送與接收，信號接入控制，幀校檢等。LLC 子層主要功能包括：傳輸可靠性保障和控制，數(shù)據包的分段與重組，數(shù)據包的順序傳輸。網絡層：建立新的網絡，處理節(jié)點的進入和離開網絡。根據網絡類型設置節(jié)點的協(xié)議堆棧，使網絡協(xié)調器對節(jié)點分配地址，保證節(jié)點之間的同步，提供網絡的路由，保證數(shù)據的完整性，使用可選的 AES128 對通信加密。應用接口子層：主要負責把不同的應用映射到 ZigBee 網絡上，具體包括設備發(fā)現(xiàn)，業(yè)務發(fā)現(xiàn)，安全與鑒權，多個業(yè)務數(shù)據流的匯聚。在構建基于 ZigBee 技術的無線通信網絡時，我們將選用 TI 公司的片上系統(tǒng)(SOC)解決方案 CC2430。這款芯片是從 CC2420 無線收發(fā)器的基礎上演變而來，在 CC2420 的基礎上，CC2430 加入了一個高速 51 兼容內核,加入了片上 128KB Flash，8KB SRAM 其中 4KB 可以在在極低功耗模式下保持數(shù)據，擁有四個定時器，雙 USART,DMA 控制器，支持 18 個中斷源，有 6 種中斷優(yōu)先級。支持各種低功耗模式，并且可以在外部數(shù)據中斷下迅速切換到正常工作模式。由于這是一款功能完備的片上系統(tǒng)芯片，所以它只需要很少的外圍器件即可工作，降低了復雜度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前，該芯片廣泛應用，所以容易獲取，開發(fā)工具和資料也很充足 [2][3]。信息科學與技術學院畢業(yè)設計論文 15 總體實施路線和方案無線傳感器網絡節(jié)點的設計。包括終端節(jié)點，路由節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點的設計。終端節(jié)點負責采集數(shù)據，傳感器模塊使用半導體工藝的數(shù)字溫濕度傳感器，采用電池供電。路由器節(jié)點負責將終端節(jié)點的數(shù)據進行轉發(fā)，不進行數(shù)據采集。協(xié)調器節(jié)點負責建立無線傳感器網絡，確定初始參數(shù)，存儲轉發(fā)數(shù)據，通過數(shù)據鏈路向上傳輸數(shù)據。數(shù)據匯聚網關的設計網關主要采用 CAN 或者 485 等現(xiàn)場總線技術進行網關間的互聯(lián)，并且通過網關上的 ZigBee 模塊與無線傳感器網絡進行連接，收集傳感器網絡中的數(shù)據，并且通過串口或者 GPRS 模塊將數(shù)據傳輸?shù)缴衔挥嬎銠C或者 Inter 中的計算機。 網關根據是否需要向上層傳輸數(shù)據而稍有區(qū)別，不需要上傳數(shù)據的網關，不需要具備 GPRS 模塊，只需要收集無線傳感器的數(shù)據，并且將其傳輸給向上層傳輸數(shù)據的網關，而需要向上層傳輸數(shù)據的網關相當于一個對外的出口，所以其必須能夠與上位計算機通信，比如通過串口、或者通過 GPRS 網絡建立 TCP 連接，進行連接。上位計算機軟件和手持設備及人機界面的設計 通過無線傳感網絡將溫度、濕度等環(huán)境因素的信息傳到網關節(jié)點，然后通過有線（RS232）或者無線（GPRS）上傳到上位計算機，并且存入數(shù)據庫，然后通過 B/S 方式的簡易信息管理系統(tǒng)將數(shù)據展示給用戶，用戶也可以通過手機短信的方式與系統(tǒng)進行簡單的交互。信息科學與技術學院畢業(yè)設計論文 16 第三章、詳細方案設計 系統(tǒng)抽象層次結構整個系統(tǒng)劃分為三層，最上層為控制表示層，中間為數(shù)據匯聚層，最底下為數(shù)據感知層，如圖 31 所示。數(shù)據感知層( 各類數(shù)據采集終端節(jié)點）數(shù)據匯聚層（協(xié)調器，網關）控制表示層(PC 機監(jiān)控軟件，手持控制設備，手機等)圖 31 系統(tǒng)抽象層次結構示意圖控制表示層：這是整個系統(tǒng)的最上層，主要以 PC 端控制監(jiān)視程序和一些手持管理設備組成，主要實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)、監(jiān)測數(shù)據可視化，實時監(jiān)控報警，遠程控制指令發(fā)送等功能。信息科學與技術學院畢業(yè)設計論文 17 數(shù)據匯聚層：這一層在整個系統(tǒng)中起到承上啟下的作用，它將底層采集的數(shù)據進行接收匯總，并且進行一些簡單的預處理，之后向上層傳輸；由于通往上層的出口有限，所以在這一過程中，還需要對本層不同節(jié)點的數(shù)據進行中繼和轉發(fā)。數(shù)據感知層：主要實現(xiàn)各種目標物理量的采集、感知、傳輸，必要時可以作為上層控制信號接受終端，驅動執(zhí)行器進行各種動作。 控制表示層. PC 端監(jiān)控軟件設計概述PC 端監(jiān)控軟件在 Visual C++ 環(huán)境下開發(fā)，共分 5 個主要功能模塊。通過這些功能模塊，實現(xiàn)對系統(tǒng)網絡拓撲結構的查看、修改、溫濕度的檢測、預警和簡易的控制功能。用戶管理模塊實現(xiàn)系統(tǒng)用戶的管理功能，包括用戶身份驗證，增加用戶，刪除用戶，修改密碼，權限管理，用戶列表查看等。用戶分為兩個組：普通用戶和管理員，普通用戶只能查看系統(tǒng)狀態(tài)和監(jiān)視結果，管理員可以發(fā)出修改和控制指令?？梢蕴砑有掠脩簦梢孕薷挠脩魧傩浴３醪浇缑嫒鐖D 32 所示。信息科學與技術學院畢業(yè)設計論文 18 圖 32 上位機軟件截圖 1網絡拓撲圖模塊實現(xiàn)網絡拓撲結構的可視化。通過定期的更新和查詢，實現(xiàn)整個系統(tǒng)無線網絡拓撲結構的實時動態(tài)更新顯示。本模塊功能尚未實現(xiàn)，正在構建中。溫度、濕度檢測報警模塊首先，實現(xiàn)溫濕度的實時監(jiān)測功能，通過解析下層的數(shù)據包，得到溫濕度監(jiān)測值，記錄歷史最高值，最低值，平均值，然后進行保存，并通過折線圖進行動態(tài)顯示。其次是報警功能，可以在預先設置上下限溫度值的情況下，當溫濕度出現(xiàn)在正常范圍之外時，進行報警，提醒用戶采取應對措施，如圖 33 所示。圖 33 上位機軟件截圖 2網絡控制臺模塊主要實現(xiàn)實時網絡參數(shù)的顯示，網絡運行狀態(tài)概述。系統(tǒng)提示信息記錄和瀏覽。 主要記錄有：系統(tǒng)當前運行狀態(tài)，無故障運行時間，網絡總數(shù)量，節(jié)點總數(shù)量，平均信號強度，系統(tǒng)總用戶數(shù)等信息。初步界面如圖 34 所示。信息科學與技術學院畢業(yè)設計論文 19 圖 34 上位機軟件截圖 3終端動作控制模塊如圖 35 所示，顯示當前網絡中各個執(zhí)行部件的動作狀態(tài)，發(fā)出驅動各部件的指令。如果當前網絡中節(jié)點數(shù)目超過了 12 個，則以分組的方式顯示，可以在各組之間切換。每個部件有三種狀態(tài)，開啟、關閉、切換中。當發(fā)出指令改變某個部件當前狀態(tài)時，由于指令在網絡中有延遲，同時由于指令可能執(zhí)行失敗，最終該部件的狀態(tài)需要通過查詢得知，而不是直接切換，從而保證上位機軟件與實際狀態(tài)的一致性。信息科學與技術學院畢業(yè)設計論文 20 圖 35 上位機軟件截圖 4 手持設備設計手持設備主要實現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境下的監(jiān)測和簡單控制，不在受限于計算機環(huán)境。另外一個重要的作用就是安裝節(jié)點時，對節(jié)點進行初始配置，因為考慮到靈活性，不可能將所有信息都寫入 Flash 中，有部分信息只有在使用時才能確定，比如使用地點，通過手持設備對節(jié)點進行配置，可以很方便的實現(xiàn)節(jié)點位置屬性的調整，方便了日常管理。 手持設備硬件設計手持設備硬件模塊主要包括：主控制器 STC89C52RC、無線收發(fā) ZigBee 模塊、液晶顯示模塊、鍵盤模塊、DS1302 實時時鐘芯片，AT24C02 EEPROM 芯片等。 無線模塊：由一個 CC2430 芯片和一個單端天線構成，為了增強靈敏度，在天線端加裝一個 SMA 增益天線，無線模塊與主控制器 STC89C52RC 間采用串口進行通信。 液晶模塊：使用 12864 液晶顯示屏，此屏自帶中文字庫和驅動芯片，可以通過串行或者并行方式與主控制器連接。本方案中為了節(jié)約 IO 口，采用了串行方案連接，只需要 3 根數(shù)據線(CLK,DATA,RS)，由于手持設備一般采用電池供電，為了延長電池壽命，增加了液晶的背光控制功能，能夠在空閑時自動關信息科學與技術學院畢業(yè)設計論文 21 閉液晶的背光燈，詳見電路圖。 功能鍵盤模塊：3*3 矩陣鍵盤，在手持節(jié)點上，該鍵盤作為功能鍵盤，實現(xiàn)菜單上翻、下翻、確定、退出等功能。由于主控制器 STC89C52RC 的中斷數(shù)量有限，但掃描方式連接鍵盤消耗資源過大、實時性和響應速度也不理想，所以該鍵盤采用共用中斷方式連接到系統(tǒng)中（連接到外部中斷 INT0） ，任何一個按鍵按下時都產生中斷，在中斷程序中通過掃描來識別按鍵，既可以實現(xiàn)響應速度上的要求，也可節(jié)約系統(tǒng) IO 口和中斷資源。 數(shù)據輸入鍵盤模塊：4*4 矩陣鍵盤，實現(xiàn)輸入十六進制數(shù) 0 到 F，與功能鍵盤相同，本鍵盤也采用共用中斷方式連接到主控制器的外部中斷（INT1）上，當按鍵按下的時候，在中斷服務子程序中對按鍵進行解碼。 DS1302 實時時鐘：本芯片主要為手持節(jié)點提供時間日期支持。采用獨立的紐扣電池作為后備供電電源、獨立于系統(tǒng)的主電源，以長時間保持時間和日期信息不丟失。 AT23C02 EEPROM：具有掉電不失數(shù)據的特點，采用 IIC 總線與主控芯片連接，由于 STC89C52RC 本身沒有硬件 IIC 接口，所以可以通過軟件模擬IIC 的時序來進行讀寫?？捎糜诖鎯σ恍┫到y(tǒng)配置以及一些需要持久保存的信息，主要只作為后備存儲器，由于空間有限，一般不存儲信息。 Max232 電平轉換電路： 由于 TTL 與 RS232 電平不兼容，為了實現(xiàn)程序的下載以及通信，必須進行電平轉換，這里采用了 MAX232 電平轉換芯片，實現(xiàn)電平轉換。 手持設備軟件設計手持設備的一個重要任務是提供人機界面，簡單、直白的顯示信息。本系統(tǒng)中手持設備顯示部分使用的是 12864 液晶屏，該屏自帶中文字庫，可以方便的顯示文字信息，并且具有繪圖模式，可以實現(xiàn)簡易的菜單功能，在該手持設備中我們實現(xiàn)了一個簡易的菜單，供用戶選擇調用相應的功能，以及查看相關信息。并且手持設備還需要與無線模塊進行通信、軟件模擬 IIC 總線時序與AT24C02 進行通信、與 DS1302 實時時鐘芯片進行通信 [4]。信息科學與技術學院畢業(yè)設計論文 22 數(shù)據匯聚層 網關硬件設計協(xié)調器在網絡中處于中層。一方面接受底層數(shù)據包，通過 ZigBee 無線方式與終端節(jié)點連接；另一方面，往上層上位機或者手持設備等傳遞數(shù)據包，與手持設備通信時，使用 ZigBee 無線方式，與上位機通信采用 RS232 接口傳遞到本地計算機或者使用 GPRS 方式將數(shù)據傳遞到 Inter 中的數(shù)據服務器上，協(xié)調器間互聯(lián)可以采用 ZigBee 無線方式進行跨網段通信(Inter PAN Communication)[5]，也可以采用 MAX485 總線，組成一個 485 網絡，或者采用 CAN 總線方式，組建一個 CAN 總線網絡進行通信。所以協(xié)調器的一個重要作用就是存儲轉發(fā)數(shù)據包。另外，在網絡啟動時，進行網絡初始化，分配地址，劃分網絡，維護網絡也是協(xié)調器的功能，協(xié)調器原則上需要采用主電源供電，也可以采用電池供電，但由于 ZigBee 協(xié)議本身的一些特性決定了協(xié)調器在網絡中扮演了重要的角色，同時，它的負擔非常重。所以最好可以采用主電源供電。在沒有主電源的情況下，可以采用太陽能電池板加可充電電池的搭配來為協(xié)調器這樣的關鍵節(jié)點供電。 電源模塊：由于協(xié)調器節(jié)點上含有較多的集成 IC，并且其工作電壓相信息科學與技術學院畢業(yè)設計論文 23 差加大，無法兼容，故采用不