【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 智能樓宇管理系統(tǒng)。論文通過(guò)對(duì)目前各種國(guó)內(nèi)外無(wú)線定位技術(shù)的分析研究，借鑒了無(wú)線局域網(wǎng)的經(jīng)典定位技術(shù)，利用 RSSI 和 LQI 值進(jìn)行定位，并添加了考勤管理，緊急呼救，溫度測(cè)試等一系列功能，形成一套完整的智能樓宇管理系統(tǒng)。 文章內(nèi)容安排第 1 章 介紹 ZigBee 技術(shù)和 GPRS 技術(shù)的研究概況，并對(duì)幾種典型的室內(nèi)定位技術(shù)進(jìn)行了分析，在這基礎(chǔ)上，提出本文研究的意義與創(chuàng)新點(diǎn)。第 2 章 介紹了 ZigBee 技術(shù)所依托的硬件平臺(tái)。第 3 章 介紹了 ZigBee 技術(shù)軟件開發(fā)系統(tǒng)，包括組網(wǎng)方式、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等一系列功能。第 4 章 提出了智能樓宇管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行逐一分析，搞清其工作原理。第 5 章 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，并對(duì)誤差進(jìn)行分析。第 6 章 對(duì)論文進(jìn)行總結(jié)，提出有待于進(jìn)一步研究的問(wèn)題。碩士學(xué)位論文89第 2 章 系統(tǒng)硬件開發(fā)平臺(tái)本項(xiàng)目主要采用成都無(wú)線龍通訊科技有限公司生產(chǎn)的 C51RFCC2430 系列的開發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的核心的部件為以 8051 為內(nèi)核的 CC2430 無(wú)線片上系統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件開發(fā)平臺(tái)包括 [23]：（1）以 CC2430 芯片為主體的 ZigBee 高頻無(wú)線模塊，本項(xiàng)目用到了成都無(wú)線龍公司生產(chǎn)的兩種 CC2430 ZigBee 模塊，一種為通信距離為 70 米的模塊；（2）具有 USB 接口的 CC2430 無(wú)線單片機(jī)實(shí)時(shí)在線仿真器；（3）GPRS DTU 遠(yuǎn)傳模塊；（4）配套的 USB、電源線、電池盒及其他配置器。 CC2430 簡(jiǎn)介CC2430 是德州儀器（ TI）推出的用來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式 ZigBee 應(yīng)用的片上系統(tǒng)。它硬件支持 IEEE ，由于它結(jié)合一個(gè)高性能 DSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)小巧且高效的 8051控制器芯片，使它具有了優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性 [8]。 CC2430 芯片的主要特點(diǎn) CC2430 的芯片依然是用了 CC2420 芯片架構(gòu)并且有進(jìn)一步的提升就是在單個(gè)芯片整合了 ZigBee 射頻 (RF)前端與微控制器 [4]。 CC2430 芯片有很多優(yōu)點(diǎn)特別是在發(fā)射與接收的模式下電流損耗分別不高于27mA，并且它的休眠模式與轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式都只需要超短時(shí)間的特性所以非常適合要求電池的壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用 [28]。碩士學(xué)位論文10圖 21 CC2430 的結(jié)構(gòu)圖CC2430 主要特點(diǎn)如下 [29]：(1) 具備低功耗并且高性能的 8051 微控制器核；(2) 集成了符合 GHz 的 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的 2 RF 無(wú)線電收發(fā)機(jī)；(3) 優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性；(4) 外部的中斷或 RTC 都能喚醒系統(tǒng)，休眠模式時(shí)僅有 的流耗；(5) 外部硬件支持 CSMA/CA 功能；(6) 具有很寬的電壓范圍(～ V)；(7) 具有 RSSI/LQI 支持與 DMA 功能； (8) 帶有 2 個(gè)的 USART、l 個(gè) MAC 定時(shí)器、1 個(gè)常規(guī)的 16 位定時(shí)器與 2第 2 章 系統(tǒng)硬件開發(fā)平臺(tái)11個(gè) 8 位定時(shí)器 [29]。 CC2430 芯片的封裝和引腳功能 CC2430 芯片共有 48 個(gè)引腳 [29]，圖 22 為 CC2430 的引腳圖，全部引腳可分為 I/O 端口線引腳與電源線引腳三類。圖 22 CC2430 引腳封裝圖CC2430 具有多個(gè)可編程的 I/O 口引腳，P0、P1 口是完全的 8 位口，P2 口只有 5 個(gè)可使用的位 [29]。通過(guò)軟件設(shè)定某些 SFR 寄存器的位和字節(jié)，便可使這些引腳作為通常的 I/O 口或作為連接 ADC 與 USART 部件的外圍設(shè)備 I/O 口使用或計(jì)時(shí)器 [29]。I/O 口具有如下特性 [29]：（1） 可設(shè)為通用的 I/O 口，也可設(shè)置為外圍 I/O 口使用；（2） 有上拉和下拉的能力；（3） 除了 P1_0、P1_1 具有 20 mA 的驅(qū)動(dòng)能力外，其余 IO 口都只有 4 mA的驅(qū)動(dòng)能力；（4） 全部 21 個(gè)數(shù)字 I/O 口引腳都有響應(yīng)外部的中斷能力，外部設(shè)備可對(duì)I/O 口引腳產(chǎn)生中斷信號(hào)，且外部的中斷事件也可被用來(lái)喚醒休眠模式。 碩士學(xué)位論文12 芯片典型應(yīng)用電路 它只需要很少的外圍部件配合就能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能，因此 CC2430 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)很完善，圖 23 為 CC2430 一種典型應(yīng)用電路。 圖 23 CC2430 典型應(yīng)用電路CC2430 的電路使用的是一個(gè)非平衡天線，如果用非平衡天線就可以使連接非平衡變壓器性能更好，LNA 與 PA 之間的交換是由內(nèi)部的 T/R 交換電路完成的。R221 和 R261 為偏置電阻，電阻 R221 是用來(lái)為 32MHz 的晶振提供合適的工作電流 [30]。2 個(gè)電容構(gòu)成一個(gè) 32 MHz 的晶振電路與 1 個(gè) 32 MHz 的石英諧振器（XTAL1 ） 。用 2 個(gè)電容構(gòu)成一個(gè) kHz 的晶振電路以及 1 個(gè) kHz 的石英諧振器（ XTAL2） 。電壓調(diào)節(jié)器可以為一切需要 V 電壓的引腳以及內(nèi)部電源供電，C241 和 C421 電容用來(lái)電源濾波，這樣就可以提高芯片工作的穩(wěn)定性 [30]。第 2 章 系統(tǒng)硬件開發(fā)平臺(tái)13 系統(tǒng)開發(fā)套件 CC2430 無(wú)線單片機(jī)實(shí)時(shí)在線仿真器在線仿真是該 ZigBee 開發(fā)系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，實(shí)物圖如圖 24 所示，C51RFCC2430ZDS 仿真器包括一個(gè)復(fù)位按鍵，電源指示燈，一個(gè) USB 接口及一根仿真線。圖 24 ZigBee 在線仿真器圖 25 在線仿真連接圖碩士學(xué)位論文14實(shí)時(shí)在線仿真器通過(guò) USB 接口和計(jì)算機(jī)連接，支持在線下載、仿真和斷點(diǎn)調(diào)試，可以實(shí)現(xiàn)單步、變量觀察等在線調(diào)試 Debug 功能，它能夠提供高達(dá)129kb/s 的下載速度 [2]。圖 25 為 ZigBee 模塊和仿真器相連接。 C51RF 協(xié)議分析儀C51RF 協(xié)議分析儀可以全面解碼、了解復(fù)雜的 ZigBee 協(xié)議棧并可加速程序的調(diào)試，它就相當(dāng)于一臺(tái) 頻譜分析儀、一臺(tái)高檔的邏輯分析儀和數(shù)字示波器；C51RF 協(xié)議分析儀具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能，能夠抓取空中符 的數(shù)據(jù)包并對(duì)其幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖析 [3]，圖 26 為協(xié)議分析儀的開機(jī)軟件。圖 26 協(xié)議分析儀軟件的開機(jī)畫面圖 27 分析儀分析 ZigBee 數(shù)據(jù)包界面第 2 章 系統(tǒng)硬件開發(fā)平臺(tái)15圖 27 為 ZigBee 協(xié)議包括分析界面，在此，我們可以清楚看到一個(gè)數(shù)據(jù)包的幀結(jié)構(gòu)；通過(guò) ZigBee 協(xié)議分析儀，我們還能觀察到出錯(cuò)的數(shù)據(jù)包以及接入錯(cuò)誤和信號(hào)的靈敏度。因此，協(xié)議分析儀有助于我們完全掌握 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送所有數(shù)據(jù)包的情況，它對(duì)于 ZigBee 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)者具有非常重要的意義。 GPRS 模塊介紹GPRS模塊采用的是廣州致遠(yuǎn)電子有限公司生產(chǎn)的ZWG23A GPRS DTU， DTU的英文全稱為Data Transmit Unit，GPRS無(wú)線數(shù)傳設(shè)備也稱“GPRS DTU”。 DTU為用戶的串口設(shè)備與遠(yuǎn)程的電腦之間建立一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道 [31]。圖28為ZWG23A產(chǎn)品的外形圖，我們可以看到，模塊的SIM卡座、棒狀天線、LED指示燈電源接口、RS232接口。圖29為ZWG產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，我們可以看到，模塊內(nèi)部是由CPU、電源管理、GPRS模塊、SIM卡組成的。RS232電平DB9接口寬輸入電壓：5 ～26V內(nèi)置高效率開關(guān)電源金屬外殼，抗沖擊工業(yè)級(jí)溫度：25℃～+70℃天線接口短棒天線自鎖SIM卡座LED狀態(tài)指示圖 28 ZWG23A 產(chǎn)品外形碩士學(xué)位論文16設(shè)備安全監(jiān)控G P R S模塊C P U（ 處理器 ）電源管理異步串行接口U A R T R S 2 3 2電源接口D C ： + 5 2 6 VS I M 卡圖 29 ZWG23A 產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)ZWG23A 產(chǎn)品使用 5V～26V 寬范圍供電，支持?jǐn)?shù)據(jù)中心域名或 IP 地址的訪問(wèn)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互連，具有斷線自動(dòng)重連、本地和遠(yuǎn)程固件升級(jí)、短信配置與維護(hù)和短信和電話喚醒等功能，并支持永遠(yuǎn)在線、空閑下線和空閑掉電三種工作方式 [31]。為了方便用戶設(shè)置，ZWG23A GPRS 模塊提供三種配置方式，第一種為本地配置工具配置，使用圖形化的配置工具對(duì)模塊進(jìn)行配置，方便快捷；第二種為本地串口命令行方式配置，用戶可以使用超級(jí)終端或者單片機(jī)對(duì)模塊進(jìn)行參數(shù)配置；第三種為短信配置，用戶可以使用手機(jī)對(duì) DTU 進(jìn)行配置，以應(yīng)對(duì)緊急情況 [31]。17第 3 章 系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái) ZigBee 協(xié)議棧概述ZigBee 協(xié)議棧架構(gòu)是建立在 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上，其媒體訪問(wèn)控制層（MAC）和物理層（PHY）采用了 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)；ZigBee 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層（NWK） 、應(yīng)用層（ APL）和安全服務(wù)規(guī)范是由 ZigBee 聯(lián)盟定義的 [32]。ZigBee 協(xié)議構(gòu)架如圖 31 所示。圖 31 ZigBee 協(xié)議棧構(gòu)架 物理層概述物理層主要負(fù)責(zé)開啟和關(guān)閉無(wú)線收發(fā)信機(jī)、鏈路能量檢測(cè)(ED) 質(zhì)量指示（LQI） 、信道選擇、空閑信道評(píng)估(CCA)、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。 ZigBee 協(xié)議定義了兩個(gè)物理層(PHY)標(biāo)準(zhǔn)，它們分別是 GHz 物理層以及 868/915 MHz 物理層，這兩個(gè)物理層使用了相同的物理層數(shù)據(jù)包，并且都是使用直接序列擴(kuò)頻DSSS 技術(shù)，它們的區(qū)別在于工作頻率、信號(hào)處理過(guò)程和傳輸速率 [3]，具體如表31 所示。碩士學(xué)位論文18表 31 三個(gè)頻段調(diào)制和擴(kuò)頻技術(shù)擴(kuò)展參數(shù) 數(shù)據(jù)參數(shù)頻段/MHZ 碼片速率/kcips1調(diào)制 比特速率/Kbps 符號(hào)速率/kBauds1符號(hào)868~ 300 BPSK 20 20 二進(jìn)制902~928 600 BPSK 40 40 二進(jìn)制2400~ 2022 OQPSK 250 16 相正交由表 31 可以知道，ZigBee 所定義的兩個(gè)物理層中有三個(gè)頻段，這三個(gè)頻段一共是劃分了 27 個(gè)信道，其中 868MHZ 頻段有 1 個(gè)信道（信道 0） ，915MHZ頻段有 10 個(gè)信道（1~10 ） ， 頻段有 16 個(gè)信道（11~26） ，由于我國(guó)的 為 ISM 免費(fèi)的頻段系統(tǒng)選擇 作為工作頻段， 的各信道的中心頻率定義如式（31）所示 [22]： （31）2405(1),1~???? 的信道分布如圖 32 所示。圖 32 信道分布物理層其中一個(gè)作用就是提供了一個(gè)從媒體訪問(wèn)控制層到物理層無(wú)線信道接口但完成這個(gè)功能主要是借助射頻硬件以及射頻固件的，物理層有管理實(shí)體服務(wù)的接入點(diǎn)與數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)，由圖 33 可以看到，這兩個(gè)服務(wù)點(diǎn)提供了如下兩種服務(wù) [33]：（1） 物理層主要作用就是維護(hù)一個(gè)由物理層相關(guān)的數(shù)據(jù)組成的信息庫(kù)（PIB）（2） 通過(guò)物理層的管理實(shí)體（PLME）服務(wù)的接入點(diǎn)（PLMESAP）為物第 3 章 系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)19理層提供服務(wù)。數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)物理層實(shí)體——服務(wù)接入點(diǎn)物理層個(gè)域 網(wǎng)絡(luò)基本信息無(wú)線射頻——服務(wù)接入點(diǎn)物理層物理層管理實(shí)體圖 33 物理層結(jié)構(gòu)模型 MAC 層概述媒體訪問(wèn)控制層需要處理兩層間發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并將處理結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給這兩層。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的工作模式可以分為非信標(biāo)(NonBeaeon)和信標(biāo)(Beaeon)兩種模式，非信標(biāo)模式則只是允許 ZE 周期性睡眠，ZC 和所有 ZR 設(shè)備則必須長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)，而信標(biāo)模式實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的同步工作和同步睡眠，以此達(dá)到最大限度的功耗節(jié)省 [8]。媒體訪問(wèn)控制層的參考模型如圖 34 所示，由圖可以看到，媒體訪問(wèn)控制層包含一個(gè)管理實(shí)體，并有兩個(gè)不同的接入點(diǎn)提供不同的服務(wù)，管理實(shí)體通過(guò)一個(gè)服務(wù)接口調(diào)用媒體訪問(wèn)控制層的管理功能，并負(fù)責(zé)維護(hù)管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)，而兩個(gè)接入點(diǎn)是分別提供了數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù) [3]。碩士學(xué)位論文20MAC 層公共部分子層——服務(wù)接入點(diǎn)（MCPSSAP）MAC 管理實(shí)體——服務(wù)接入點(diǎn)（MLMESAP）物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)（PDSAP）物理層管理實(shí)體——服務(wù)接入點(diǎn)（PLMESAP）MAC 層個(gè)域網(wǎng)信息庫(kù)MAC 層公共部分子層MAC 層管理實(shí)體圖 34 MAC 層參考模型 媒體訪問(wèn)控制層實(shí)現(xiàn)包括確認(rèn)模式的幀傳送和接收、信道接入、設(shè)備間的斷開與控制、預(yù)留時(shí)隙管理以及廣播信息管理與無(wú)線鏈路建立、維護(hù)等。媒體訪問(wèn)控制層處理所有物理層無(wú)線信道接入，它的主要功能有如下幾點(diǎn) [3]：（1） 與信標(biāo)同步；（2） 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)；（3） 處理與維護(hù)保護(hù)時(shí)隙(GTS)機(jī)制；（4） 個(gè)域網(wǎng)(PAN)鏈路的建立和斷開；（5） 在兩個(gè)對(duì)等的 MAC 實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的通信鏈路。（6） 為設(shè)備的安全提供支持；（7） 信道接入方式采用了免沖突載波檢測(cè)多址接入(CSMACA)機(jī)制； 網(wǎng)絡(luò)層概述ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層的基本功能就是提供必要的函數(shù)，確保 ZigBee 的媒體訪問(wèn)控制層正常工作，并為應(yīng)用層提供了合適的服務(wù)接口 [8]。網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個(gè)功能服務(wù)實(shí)體，它們分別是網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體（NLME）以及網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體（NLDE） ，以此向應(yīng)用層提供接口 [8]，具體如圖 3