【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ) 鄰居設(shè)備發(fā)現(xiàn)：需要具有發(fā)現(xiàn)、匯報(bào)和記錄相鄰設(shè)備信息的能力。(5) 尋址：ZigBee協(xié)調(diào)器和路由器具有分配地址給新加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備的能力。(6) 路由發(fā)現(xiàn)：具有發(fā)現(xiàn)并且記錄傳送信息的網(wǎng)絡(luò)路由的能力。(7) 接收控制：具有控制設(shè)備是否處于接收狀態(tài)的能力，即控制接收機(jī)接收信息時(shí)間的長(zhǎng)短和什么時(shí)候來接收信息，以此來保證MAC層的正常接收和同步等。 應(yīng)用層（APP）應(yīng)用層主要由用戶根據(jù)具體的應(yīng)用進(jìn)行自我開發(fā)，用以維持節(jié)點(diǎn)的各種功能，發(fā)現(xiàn)此節(jié)點(diǎn)工作空間范圍內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的工作，再根據(jù)服務(wù)的需求為各個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)提供通信服務(wù)。ZigBee應(yīng)用層有三個(gè)不同的部分分別是：應(yīng)用支持 (Application Support Sub1ayer，簡(jiǎn)稱APS)子層、ZigBee設(shè)備對(duì)象 (ZigBee Device Object，簡(jiǎn)稱ZDO)和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象。應(yīng)用支持子層APS層提供了這樣的接口：在NWK層和APL層間，從設(shè)備對(duì)象到供應(yīng)商的應(yīng)用對(duì)象的通用服務(wù)集。這服務(wù)由兩個(gè)實(shí)體得以實(shí)現(xiàn)：APS管理實(shí)體(APSDE)和APS數(shù)據(jù)實(shí)體APSDE。(1) APSME通過APSME服務(wù)接入點(diǎn)(APSMESAP)；(2) APSDE通過APSDE服務(wù)接入點(diǎn)(APSDESAP)。APSDE提供了多種服務(wù)給應(yīng)用對(duì)象，維護(hù)管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)，也就是我們常說的AIB，同時(shí)這些服務(wù)包括綁定設(shè)備和安全服務(wù)。APSDE則提供在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)或多個(gè)應(yīng)用實(shí)體間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的服務(wù)。應(yīng)用層框架為存在ZigBee設(shè)備中的應(yīng)用對(duì)象提供活動(dòng)的環(huán)境的是ZigBee中的應(yīng)用框架。其最多可以定義240個(gè)較為獨(dú)立的應(yīng)用程序?qū)ο螅我庖粋€(gè)對(duì)象的端點(diǎn)編號(hào)都是從1到240。另外還有兩個(gè)附加的節(jié)點(diǎn)終端為了APSDESAP的使用：端點(diǎn)號(hào)0專門應(yīng)用于ZDO數(shù)據(jù)接口；而另外一端的端點(diǎn)號(hào)255則專門應(yīng)用于所有應(yīng)用對(duì)象廣播數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接口；最后，端點(diǎn)241254則是要保留給有需要擴(kuò)展的時(shí)候使用的。ZigBee設(shè)備對(duì)象ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)，描述了一個(gè)基本的功能函數(shù)，這個(gè)函數(shù)為在應(yīng)用對(duì)象、設(shè)備profile和APS之間提供了一個(gè)接口。ZDO位于應(yīng)用支持子層和應(yīng)用框架之間，在ZigBee協(xié)議棧中應(yīng)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(wù)規(guī)范(SSS)，應(yīng)用支持子層(APS)和網(wǎng)絡(luò)層(NWK)。(2) 從終端的應(yīng)用中集合配置的信息來執(zhí)行和確定發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)管理、綁定管理，以及安全管理等作用。ZDO描述了應(yīng)用框架層的應(yīng)用對(duì)象的網(wǎng)絡(luò)功能和應(yīng)用對(duì)象的公用接口用以控制設(shè)備。在終端節(jié)點(diǎn)0處, ZDO則提供了與協(xié)議棧中低一層進(jìn)行連接的接口，若接受的是數(shù)據(jù)，則通過APSMESAP接入點(diǎn)，而若是控制信息則通過APSMESAP的接入點(diǎn)。ZDO公用接口則在ZigBee協(xié)議棧的應(yīng)用框架中提供設(shè)備發(fā)現(xiàn)、綁定、以及安全等各種功能的地址管理服務(wù)。ZigBee設(shè)備對(duì)象的主要功能如下：(1) 初始化網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用支持子層和安全服務(wù)層；(2) 發(fā)起或響應(yīng)綁定請(qǐng)求；(3) 在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部發(fā)現(xiàn)設(shè)備，并且確定為此發(fā)現(xiàn)的設(shè)備提供的應(yīng)用服務(wù)種類；(4) 定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的各種角色，如，終端設(shè)備、路由器或協(xié)調(diào)器；(5) 從終端的應(yīng)用來收集各個(gè)配置信息來確定和執(zhí)行發(fā)現(xiàn)管理、網(wǎng)絡(luò)管理、安全管理和綁定管理等；(6) 在網(wǎng)內(nèi)各個(gè)設(shè)備之間建立起安全又可靠的關(guān)系。 本章小結(jié)本章對(duì)ZigBee技術(shù)進(jìn)行了主要討論。首先對(duì)ZigBee技術(shù)進(jìn)行了概述，其次簡(jiǎn)單介紹了ZigBee技術(shù)的各種特點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，最后對(duì)ZigBee的協(xié)議，MAC層，還有網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的各主要功能都進(jìn)行了介紹，為下面的研究工作提供了有力基礎(chǔ)。特別對(duì)最后在程序設(shè)計(jì)時(shí)起了很大的作用。第3章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本論文是基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所以根據(jù)ZigBee技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和特點(diǎn)設(shè)計(jì)了由多傳感器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和PC組成的該系統(tǒng)。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)通過ZigBee無線技術(shù)與協(xié)調(diào)器進(jìn)行信息的交換，協(xié)調(diào)器則通過串口RS232與PC進(jìn)行相連通信。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖31所示PC協(xié)調(diào)器傳感器節(jié)點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)圖31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由圖31可知，本系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)的是環(huán)境信息的采集與發(fā)送，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)的是網(wǎng)絡(luò)的建立、終端節(jié)點(diǎn)管理、數(shù)據(jù)處理和對(duì)PC端的數(shù)據(jù)通信。當(dāng)然在實(shí)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(cè)的內(nèi)容，來增加或減少傳感器節(jié)點(diǎn)。當(dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)域較大時(shí)，可用增加傳感器節(jié)點(diǎn)的方法來保證網(wǎng)絡(luò)的連通性，相反區(qū)域較小時(shí)可以根據(jù)情況減少路由器節(jié)點(diǎn)的設(shè)置以節(jié)省系統(tǒng)資源，降低成本。在本設(shè)計(jì)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，本人只是用了一個(gè)溫度傳感器做了演示。 系統(tǒng)功能定義為了實(shí)現(xiàn)基于ZigBee技術(shù)的家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的各種功能作出以下定義：(1) 管理中心(PC)：實(shí)時(shí)顯示家庭中各種的環(huán)境信息，并且用戶可通過PC實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置與管理，如：管理網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)信息，發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，發(fā)送休眠指令，設(shè)置傳感器節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境信息的周期的長(zhǎng)短；(2) 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)：組建并初始化ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，管理各傳感器節(jié)點(diǎn)終端，發(fā)送與接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與指令，同時(shí)與管理中心(PC)進(jìn)行通信；(3) 傳感器節(jié)點(diǎn)：對(duì)周圍環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)將環(huán)境信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)各種參數(shù)的介紹： (1) 溫度人體對(duì)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(duì)人體的負(fù)面影響都是幾何級(jí)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(shè)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(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，再由協(xié)調(diào)器將處理結(jié)果數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到PC，此時(shí)，PC可按之前用戶設(shè)置好的參數(shù)和程序?qū)照{(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度的控制，當(dāng)然這些是后續(xù)控制，不在本文討論范圍內(nèi)。家庭中的每個(gè)房間可以多放幾個(gè)這樣的類似節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)房間進(jìn)行多點(diǎn)的溫度信息采集，以提高溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度。(2) 濕度人類對(duì)濕度雖然不是特別敏感，但其時(shí)時(shí)刻刻亦影響著人們的健康，尤其是老年與兒童。目前人們經(jīng)常是通過普通的加濕器來調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度，此類加濕器一般只是手動(dòng)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(duì)濕度信息的采集，再經(jīng)由PC的處理后，對(duì)加濕器進(jìn)行控制，即可達(dá)到科學(xué)明了地控制室內(nèi)的濕度。(3) 一氧化碳?xì)怏w燃?xì)獾闹饕煞志褪且谎趸?當(dāng)燃?xì)獍l(fā)生泄漏時(shí)，空氣中一氧化碳濃度達(dá)到一定時(shí)，就會(huì)對(duì)家庭人員生命帶來威脅。故對(duì)一氧化碳?xì)怏w濃度監(jiān)測(cè)也是必不可少的一部分。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到一氧化碳?xì)怏w濃度大于用戶設(shè)定是初值時(shí)，PC會(huì)立即發(fā)送報(bào)警信號(hào)到報(bào)警裝置或者是家庭成員的手機(jī)或直接報(bào)警，PC在啟動(dòng)報(bào)警裝置的同時(shí)，或可以自動(dòng)控制開窗，以達(dá)到室內(nèi)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(cè)可以利用分布在各個(gè)房間里的光敏傳感器來實(shí)現(xiàn)。光敏傳感器可以將感知的光線強(qiáng)度信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器則將信息傳輸?shù)絇C，經(jīng)過處理和判斷光線強(qiáng)度，來控制窗簾的開關(guān)或燈的開關(guān)。當(dāng)光線過強(qiáng)時(shí)，可以控制窗簾自動(dòng)合起或電燈關(guān)閉，反之則可以控制其打開或電燈打開。當(dāng)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(jìn)行監(jiān)測(cè)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求本系統(tǒng)是在家庭環(huán)境中實(shí)現(xiàn)各種功能，根據(jù)此特點(diǎn)，可以總結(jié)出以下幾種要求。分別從軟硬件兩個(gè)方面來得以實(shí)現(xiàn)。硬件要求(1) 低功耗：由于是無線傳感網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)較多，所以只能由電池供電，故要求低功耗以延長(zhǎng)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(cuò)誤，則可導(dǎo)致PC判斷錯(cuò)誤，導(dǎo)致錯(cuò)誤控制。如，未發(fā)生一氧化碳泄露即報(bào)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(gè)地點(diǎn)，故要求其盡量小巧，美觀。(4) 可擴(kuò)展：能夠根據(jù)用戶的不同需求，隨時(shí)增加或減少傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置。軟件要求軟件方面要求程序模塊化設(shè)計(jì)，可以使系統(tǒng)升級(jí)方便以備增加節(jié)點(diǎn)時(shí)修改其中一個(gè)模塊而其他地方無需改動(dòng)；程序設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳輸格式要統(tǒng)一。 本章小結(jié)本章主要是對(duì)系統(tǒng)的總體的方案以及各個(gè)組成部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。同時(shí)，對(duì)不同的環(huán)境參數(shù)做了介紹，以本系統(tǒng)對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)功能的需要。最后，對(duì)系統(tǒng)的整體設(shè)別提出了設(shè)計(jì)要求，為系統(tǒng)后續(xù)的軟硬件設(shè)計(jì)提供了要求和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。第4章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) ZigBee硬件選型在介紹整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案之前，首先對(duì)目前市場(chǎng)上售賣的主要的幾款基于ZigBee技術(shù)的硬件平臺(tái)及其各平臺(tái)的自身特點(diǎn)進(jìn)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(chǎn)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(jí)芯片(SOC)，結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB RAM 和許多其他強(qiáng)大的功能。由此CC2530得以廣泛應(yīng)用于工控系統(tǒng)、汽車和無線傳感網(wǎng)絡(luò)等各種領(lǐng)域；EMBER(ST)推出首款符合IEEE 。它集成了可編程處理器、RF射頻、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及存儲(chǔ)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(yīng)用的一個(gè)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(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB RAM 和許多其他強(qiáng)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(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短進(jìn)一步確保了低能源消耗。（2） EMBER(ST)EM250半導(dǎo)體系統(tǒng)提供更長(zhǎng)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(dú)特的能擴(kuò)展ZigBee功能性，簡(jiǎn)單性和性能的增強(qiáng)特性。這些特性包括支持移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，大/密的網(wǎng)絡(luò)，以及能在節(jié)點(diǎn)和授權(quán)分布式構(gòu)造間提供更加可靠無線通信的傳輸層。EM250具有用作ZigBee位標(biāo)器節(jié)點(diǎn)，全功能設(shè)備(FFD)或降功能設(shè)備(RFD)所需的資源。（3） JENNIC(捷力)JN5139芯片是一個(gè)低功率及低價(jià)位的無線微處理器，主要針對(duì)無線感測(cè)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)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(hào))，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(nèi)建的內(nèi)存主要是用來儲(chǔ)存系統(tǒng)的軟件，包含了通訊