【文章內容簡介】 過APSMESAP的接入點。ZDO公用接口則在ZigBee協(xié)議棧的應用框架中提供設備發(fā)現(xiàn)、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(xiàn)設備，并且確定為此發(fā)現(xiàn)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(xié)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(xiàn)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。 本章小結本章對ZigBee技術進行了主要討論。首先對ZigBee技術進行了概述，其次簡單介紹了ZigBee技術的各種特點及網絡拓撲圖，最后對ZigBee的協(xié)議，MAC層，還有網絡層和應用層的各主要功能都進行了介紹，為下面的研究工作提供了有力基礎。特別對最后在程序設計時起了很大的作用。第3章 系統(tǒng)的總體設計 系統(tǒng)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(tǒng)，所以根據(jù)ZigBee技術的標準和特點設計了由多傳感器節(jié)點，協(xié)調器節(jié)點和PC組成的該系統(tǒng)。其中，傳感器節(jié)點通過ZigBee無線技術與協(xié)調器進行信息的交換，協(xié)調器則通過串口RS232與PC進行相連通信。本文設計的系統(tǒng)結構如圖31所示PC協(xié)調器傳感器節(jié)點傳感器節(jié)點傳感器節(jié)點圖31 系統(tǒng)結構圖由圖31可知，本系統(tǒng)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(xié)調器節(jié)點主要負責的是網絡的建立、終端節(jié)點管理、數(shù)據(jù)處理和對PC端的數(shù)據(jù)通信。當然在實踐過程中可以根據(jù)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。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(jù)情況減少路由器節(jié)點的設置以節(jié)省系統(tǒng)資源，降低成本。在本設計的實踐環(huán)節(jié)，本人只是用了一個溫度傳感器做了演示。 系統(tǒng)功能定義為了實現(xiàn)基于ZigBee技術的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計，現(xiàn)對系統(tǒng)的各種功能作出以下定義：(1) 管理中心(PC)：實時顯示家庭中各種的環(huán)境信息，并且用戶可通過PC實現(xiàn)對網絡中各個節(jié)點設置與管理，如：管理網絡各個節(jié)點的節(jié)點信息，發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，發(fā)送休眠指令，設置傳感器節(jié)點采集環(huán)境信息的周期的長短；(2) 協(xié)調器節(jié)點：組建并初始化ZigBee無線網絡，管理各傳感器節(jié)點終端，發(fā)送與接收網絡數(shù)據(jù)與指令，同時與管理中心(PC)進行通信；(3) 傳感器節(jié)點：對周圍環(huán)境信息進行實時采集，并通過ZigBee無線網絡實時將環(huán)境信息發(fā)送到協(xié)調器節(jié)點。本文設計的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要是獲取家庭環(huán)境中的一些環(huán)境參數(shù)，以實現(xiàn)對環(huán)境信息的全面監(jiān)控，從而為用戶的決策提供有利的參考。以下是對各種參數(shù)的介紹： (1) 溫度人體對溫度的變化甚為敏感，在環(huán)境溫度高于36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(tǒng)中最重要也是最基本的就是環(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(xié)調器節(jié)點進行處理，再由協(xié)調器將處理結果數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到PC，此時，PC可按之前用戶設置好的參數(shù)和程序對空調系統(tǒng)進行控制，從而實現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)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) 一氧化碳氣體燃氣的主要成分就是一氧化碳 當燃氣發(fā)生泄漏時，空氣中一氧化碳濃度達到一定時，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(tǒng)檢測到一氧化碳氣體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。(4) 亮度亮度的監(jiān)測可以利用分布在各個房間里的光敏傳感器來實現(xiàn)。光敏傳感器可以將感知的光線強度信息發(fā)送到協(xié)調器節(jié)點，協(xié)調器則將信息傳輸?shù)絇C，經過處理和判斷光線強度，來控制窗簾的開關或燈的開關。當光線過強時，可以控制窗簾自動合起或電燈關閉，反之則可以控制其打開或電燈打開。當然，本系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的不同需求增加或減少傳感器的數(shù)量，及使用不同的傳感器進行監(jiān)測。 系統(tǒng)設計要求本系統(tǒng)是在家庭環(huán)境中實現(xiàn)各種功能，根據(jù)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(xiàn)。硬件要求(1) 低功耗：由于是無線傳感網絡，節(jié)點較多，所以只能由電池供電，故要求低功耗以延長使用，減少電池更換次數(shù)。(2) 安全性：本系統(tǒng)為家居環(huán)境控制系統(tǒng)做前期的數(shù)據(jù)采集，若出現(xiàn)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(tǒng)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：能夠根據(jù)用戶的不同需求，隨時增加或減少傳感器節(jié)點設置。軟件要求軟件方面要求程序模塊化設計，可以使系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸格式要統(tǒng)一。 本章小結本章主要是對系統(tǒng)的總體的方案以及各個組成部分進行了設計。同時，對不同的環(huán)境參數(shù)做了介紹，以本系統(tǒng)對環(huán)境監(jiān)測功能的需要。最后，對系統(tǒng)的整體設別提出了設計要求，為系統(tǒng)后續(xù)的軟硬件設計提供了要求和設計基礎。第4章 系統(tǒng)的硬件設計 ZigBee硬件選型在介紹整個系統(tǒng)的硬件設計方案之前，首先對目前市場上售賣的主要的幾款基于ZigBee技術的硬件平臺及其各平臺的自身特點進行一一介紹。目前主要有TI/CHIPCON、EMBER(ST)、JENNIC(捷力)、FREESCALE（飛思卡爾）等幾家公司有ZigBee產品。TI/ CHIPCON公司發(fā)布了單芯片ZigBee解決方案CC2530的片上系統(tǒng)級芯片(SOC)，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8051 CPU，系統(tǒng)內可編程閃存，8KB RAM 和許多其他強大的功能。由此CC2530得以廣泛應用于工控系統(tǒng)、汽車和無線傳感網絡等各種領域；EMBER(ST)推出首款符合IEEE 。它集成了可編程處理器、RF射頻、網絡協(xié)議及存儲器；JENNIC(捷力)公司的JN5121芯片則在業(yè)界屬于第一款兼容于IEEE ，低成本無線微型控制器；而FREESCALE（飛思卡爾）目前主推的完全兼容IEEE 。（1） TI/CHIPCONTI公司的TCC2530 、ZigBee 和RF4CE 應用的一個真正的片上系統(tǒng)（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8051 CPU，系統(tǒng)內可編程閃存，8KB RAM 和許多其他強大的功能。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(tǒng)。運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗。（2） EMBER(ST)EM250半導體系統(tǒng)提供更長的距離和可靠的共存性，包括低功耗16位微控制器，128KB閃存，5K RAM， 。EmberZNet ，具有獨特的能擴展ZigBee功能性，簡單性和性能的增強特性。這些特性包括支持移動節(jié)點，大/密的網絡，以及能在節(jié)點和授權分布式構造間提供更加可靠無線通信的傳輸層。EM250具有用作ZigBee位標器節(jié)點，全功能設備(FFD)或降功能設備(RFD)所需的資源。（3） JENNIC(捷力)JN5139芯片是一個低功率及低價位的無線微處理器，主要針對無線感測網絡的產品為主，JN5139整合了32bit RISC微處理器， ，192k ROM，另外，可選擇搭配RAM的容量從8KB至96KB(不同料號)，也整合一些數(shù)字及模擬周邊線路，大幅降低外部零件的需求。內建的內存主要是用來儲存系統(tǒng)的軟件，包含了通訊協(xié)議堆棧，路徑表，應用程序代碼與資料。也包含了硬件的MAC地址與AES加解密的加速器，并擁有省電與定時睡眠模式，另外還有安全碼與程序代碼加密機制。（4） FREESCALE（飛思卡爾），它包括一個集成的發(fā)送/接收（T/R）開關，可以幫助降低對外部組件的需求，進而降低原料成本和系統(tǒng)總成本。該收發(fā)信機支持飛思卡爾的軟件棧選項、簡單MAC（SMAC）、 MAC和全ZigBee堆棧。集成了MC9S08GT MCU和MC1320x收發(fā)信機，閃存可以在16~60 KB的范圍內選擇。MC13211提供16 KB的閃存和1 KB的RAM，非常適合采用SMAC軟件的點到點或星形網絡中的經濟高效的專屬應用。對于更大規(guī)模的聯(lián)網，則可以使用MC13212（具有32 KB的內存和2 KB的RAM內存）和IEEE MAC。 此外，MC13213（帶有60 KB的內存和4 KB的RAM）和ZigBee協(xié)議堆棧設計用于幫助設計人員開發(fā)完全可認證的ZigBee產品。MC13213可以提供全面的編碼和解碼、用于基帶MCU的可編程時鐘、以4 MHz（或更高）頻率運行的標準4線SPI、外部低噪聲放大器和功率放大器（PA）實現(xiàn)的功能擴展以及可編程的輸出功率。以上的硬件平臺都適用于ZigBee應用的開發(fā)。由于任務書上和市場上應用的稍多的芯片是CC2530，其系統(tǒng)的集成性和通用性都較好并且其集成的51微處理器內核亦較為熟悉，另外，CC2530芯片優(yōu)性能也是本文硬件選擇的一個較為重要的因素。CC2530芯片的性能如下：l 具有USB高速下載、支持IAR集成開發(fā)環(huán)境； l 具有在線下載、調試、仿真功能； l 提供ZigBee2007/PRO/RF4CE協(xié)議棧； l 例程豐富，并且所有例子程序以源代碼方式提供并附實驗手冊； l 靈活配置。根據(jù)需求可選配多種擴展開發(fā)