【文章內(nèi)容簡介】 信息在整個Zigbee網(wǎng)絡(luò)中通過自動路由方式進(jìn)行傳輸，從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃裕? (3) 時延短：針對時延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短； (4) 網(wǎng)絡(luò)容量大：可支持達(dá)65000個節(jié)點；(5) 安全：Zigbee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查功能，加密算法采用通用的AES128；(6) 高保密性：64位出廠編號和支持AES128加密。 Wifi技術(shù)無線局域網(wǎng)技術(shù)WLAN（WiFi）,，可實現(xiàn)十幾兆至幾十兆的無線接入。WLAN最大的特點是便攜性，主要解決用戶“最好100m”的通信需求，定位于人點地區(qū)的高速游牧數(shù)據(jù)接入，不支持高速移動性，主流應(yīng)用是商務(wù)用戶在酒店、機場等熱點使用便攜電腦上網(wǎng)瀏覽或訪問企業(yè)的服務(wù)器。WLAN制定有一系列標(biāo)準(zhǔn)。使用WiFi的缺點包括功耗大、成本高、協(xié)議開銷大、需要接入點。目前在一個器具上增加WiFi至少需要15美元。Bluesoft標(biāo)記的價格是65美元。雖然成本還會下降，但近期仍只能用于跟蹤價值較高的資產(chǎn)。一個倉庫可能只會把Bluesoft標(biāo)記用于它的鏟車，而不會用于鏟車搬動的箱子。WiFi是一個無中繼轉(zhuǎn)發(fā)能力的單跳網(wǎng)，器具只能連接到接入點（AP）。AP之間的鏈接、AP與其他網(wǎng)絡(luò)的鏈接往往通過常規(guī)的有線以太網(wǎng)。如果已經(jīng)用于其他以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的同一布線再用作WiFi回傳，就需要進(jìn)行認(rèn)證或者把WiFi無線數(shù)據(jù)包隔離開。要不，你就不得不安裝新的纜線和交換機?，F(xiàn)在，需要新興公司正在推進(jìn)WiFi網(wǎng)狀網(wǎng)，其內(nèi)AP被用作路由器，彼此自動發(fā)現(xiàn)，可經(jīng)過幾跳轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)。但網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要涉及用于室外，在AP之間要求視距，使他們更適用于服務(wù)提供商，而不是企業(yè)。隨著低速率應(yīng)用市場需要的不斷增長，Zigbee和WiFi系統(tǒng)共處的可能性越來越大，他們不可避免的會產(chǎn)生相互干擾，所以Zigbee和WiFi之間的共存是一個待需解決的問題。 Bluetooth技術(shù)Bluetooth技術(shù)是1994年愛立信公司首先提出的一種短距離無線通訊技術(shù)規(guī)范，能夠在設(shè)備間實現(xiàn)方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗的數(shù)據(jù)和語音通訊，是目前無線局域網(wǎng)的主流技術(shù)之一。，在該頻帶上有79個信道，可以隨時更換頻道以防止干擾，. 當(dāng)發(fā)射功率為1mW時，其通信距離可達(dá)10m；發(fā)射功率為100mW時，在這種組網(wǎng)方式下，每一個Bluetooth設(shè)備都能夠同時和7個設(shè)備進(jìn)行通信，而且支持點對點與點對多點的通信方式，在點對點的通信方式下，Bluetooth技術(shù)采用密碼核對方式進(jìn)行通信，及通信的兩個設(shè)備需要進(jìn)行設(shè)置相應(yīng)的密碼進(jìn)行配對，大大增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)在如手機、PDA、臺式機電腦和筆記本電腦等主流消費性產(chǎn)品當(dāng)中。 紅外技術(shù)紅外技術(shù)（IrDA,Infrared Data Association)是制定于1993年的一種短距離無線通訊標(biāo)準(zhǔn)。采用波長850nm的紅光作為傳輸介質(zhì)，采用點到點通訊方式，通過紅外光脈沖和電脈沖的轉(zhuǎn)化實現(xiàn)通信，通訊距離在1米以內(nèi)，傳輸速率為16Mbps,是一種代替?zhèn)鹘y(tǒng)線纜傳輸?shù)挠行ㄓ嵎绞健５蚱鋫鬏斁嚯x有限、傳輸方向局限大等特點，在應(yīng)用上受到了很大的限制。 幾種無線通信技術(shù)的參數(shù)比較表21給出了本文介紹的集中無線通訊技術(shù)的基本參數(shù)和比較。名稱工作頻段傳輸速率（mbps）功耗傳輸方式安全方式支持組織主要用途Zigbee868MHz915MHz 13mW點到多點AES128Zigbee聯(lián)盟家庭網(wǎng)絡(luò)紅外850nm 110mW點到點無IrDA近距離遙控Bluetooth 11100mW點到多點點到點120位密鑰Bluetooth SIG個人網(wǎng)絡(luò)Wifi 116070mW點到多點WEP加密WIFI聯(lián)盟局域網(wǎng) 從表21中我們可以看出其他無線通信技術(shù)都只有一種工作頻段和單獨的傳輸速率，只有Zigbee可以在多種頻段下工作并且可以有多種傳輸速率；在功耗方面也是Zigbee獨占鰲頭；并且在傳輸方式、安全方式、支持組織和主要用途多方面來看，Zigbee是最適合本次課題的。第3章 系統(tǒng)的硬件平臺構(gòu)建 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)根據(jù)室內(nèi)環(huán)境與ZigBee技術(shù)的特點，本文設(shè)計的基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要由多種傳感器節(jié)點、路由器節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點與協(xié)調(diào)器軟件組成。其中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點與傳感器節(jié)點分別充當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點與端節(jié)點的角色，[11]協(xié)調(diào)器軟件通過與主模塊進(jìn)行通訊，可以實時了解室內(nèi)環(huán)境的相關(guān)參數(shù)及進(jìn)行手動調(diào)節(jié)。本文設(shè)計的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖31所示： 圖31 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 由上圖可知，在本系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送；路由器節(jié)點主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的管理與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)檢測范圍較大時，可通過增加路由器節(jié)點擴大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍；網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、節(jié)點的管理、數(shù)據(jù)的處理以及和上位機軟件進(jìn)行通訊。整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳感器節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)的葉子節(jié)點，路由器節(jié)點是傳感器節(jié)點的父節(jié)點，而網(wǎng)關(guān)節(jié)點又是路由器節(jié)點的父節(jié)點。當(dāng)監(jiān)測區(qū)域較大時，可以通過增加路由器節(jié)點來保證網(wǎng)絡(luò)的連通性與魯棒性。上位機軟件是整個室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的中樞，實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的集中控制與管理。 系統(tǒng)硬件設(shè)計流程圖首先進(jìn)行電路功能的設(shè)計，然后將設(shè)計輸入軟件中，若功能可以實現(xiàn)，則進(jìn)行實物的制作。最后測試實物是否可行后進(jìn)行時序的仿真，最后下載配置。系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖32所示。 設(shè)計方案 軟件設(shè)計 軟件仿真 N Y 下載配置 焊接電路圖32 系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)的微處理器模塊微處理器是無線傳感器節(jié)點的核心。它采集并處理傳感器數(shù)據(jù)，與無線模塊通訊并判斷何時發(fā)送和接收這些數(shù)據(jù)，[12]控制人機操作界面以及通過串口與上位機通訊。處理器必須運行各種程序，包括時間要求嚴(yán)格的信號處理、通信協(xié)議、以及應(yīng)用程序。它是節(jié)點的中央處理單元(CPU)。多種處理任務(wù)可以在不同結(jié)構(gòu)的處理器上執(zhí)行，任務(wù)的分配需要考慮可行性、性能、能量效率以及成本之間的折中問題。本設(shè)計中微處理器采用TI公司的CC2530芯片，它是ZigBee應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)解決方案，它能夠以非常低的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。結(jié)合了性能優(yōu)良的RF收發(fā)器、業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型8051CPU、最大128KB的可編程閃存和8KB的RAM。CC2530具有不同的運營模式，[13]使其特別適合于超低功耗要求的場合。由于CC2530芯片內(nèi)集成了許多特色功能模塊，因此，其典型的外圍電路也就非常簡潔。其中，；無線RF模塊外圍電路采用無巴倫的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)；天線使用50歐鞭狀負(fù)極性天線。CC2530配合很少的外圍元件就可以組成無線通信模塊。 CC2530芯片的主要特點如下： (1)工作頻帶：2405MHz～2480MHz (2)、ZigBee200ZigBee PRO和ZigBee RF4CE等標(biāo)準(zhǔn) (3)主控芯片：CC2530F256 (4)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)：IEEE (5)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星狀、網(wǎng)狀(6)數(shù)據(jù)傳輸速率：250Kbps (7)天線模式：外置天線 (8)通信范圍：300米～450米 (9)接收靈敏度：97dBm (10)發(fā)射電流：29mA (11)接收電流：24mA (12)工作溫度：40～85℃ (13)電源：～ (14)模塊外形尺寸：4034mm 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計主要包括傳感器的選擇以及與微處理器的連接電路。本次設(shè)計基于環(huán)境監(jiān)測，主要采集大氣的溫度，光照強度和雨水。在傳感器的選擇中，需要考慮量程，精度需求，供電電壓以及功耗。[14]經(jīng)過對市場中的傳感器各方面的比較，選用了DS18B20溫度傳感器測量環(huán)境的溫度；選用MQ2光照傳感器測量光照強度以及雨滴傳感器測量雨水。下面分別介紹這三種傳感器。 溫度傳感器DS18B20是單線數(shù)字溫度傳感器，即“一線器件”，具有體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟、可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍，適合于構(gòu)建自己的經(jīng)濟的測溫系統(tǒng)。DS18B20接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。主要根據(jù)應(yīng)用場合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測溫，[15]高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農(nóng)業(yè)大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。溫度傳感器電路原理圖如圖33所示。DS18B20的特點包括：①獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。②測溫范圍－55℃～+125℃，固有測溫誤差1℃。③支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián)8個，實現(xiàn)多點測溫，如果數(shù)量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定。④工作電源:~（可以數(shù)據(jù)線寄生電源）。⑤在使用中不需要任何外圍元件。⑥測量結(jié)果以9~12位數(shù)字量方式串行傳送。⑦不銹鋼保護管直徑Φ6。⑧適用于DN15~25,DN40~DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設(shè)備測溫。⑨標(biāo)準(zhǔn)安裝螺紋M10X1,,G1/2”任選。⑩PVC電纜直接出線或德式球型接線盒出線,便于與其它電器設(shè)備連接。圖33 溫度傳感器電路原理圖 光照傳感器不區(qū)分光源數(shù)字型環(huán)境光照強度傳感器BH1750FVI是日本RHOM株式會社近些年推出的一種兩線式串行總線接口的集成電路，可以根據(jù)手機的光照強度數(shù)據(jù)來進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，其具有1~65535lx的高分辨率，可支持較大范圍的光照強度變化。外部光照被接近人眼反應(yīng)的高精度光敏二極管PD探測到后，通過集成運算放大器將PD電流轉(zhuǎn)換為PD電壓，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲取16位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，[16]然后被邏輯和IC界面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與存儲。OSC為內(nèi)部的振蕩器提供內(nèi)部邏輯時鐘，通過相應(yīng)的指令操作即可讀出內(nèi)部存儲的光照數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸使用標(biāo)準(zhǔn)的IC總線，按照時序要求操作起來也非常方便。光照傳感器電路原理圖如圖34所示。圖34 光照傳感器電路原理圖 雨滴傳感器雨滴傳感器又叫雨滴檢測傳感器，用于檢測是否下雨及雨量的大小，廣泛用于汽車自動刮水系統(tǒng)、智能燈光系統(tǒng)和智能天窗系統(tǒng)中。在雨滴傳感刮水系統(tǒng)中，用雨滴檢測傳感器檢測出雨量，并利用控制器將檢測出的信號進(jìn)行變換，根據(jù)變換后的信號自動地按雨量設(shè)定刮水器的間歇時間，[17]以便隨時控制刮水器電動機。在汽車智能燈光系統(tǒng)中檢測車輛行駛的環(huán)境，自動調(diào)整燈光模式，提高車輛在惡劣環(huán)境下行駛的安全性。在智能天窗系統(tǒng)中傳感器一旦檢測到下雨，會自動關(guān)閉天窗。雨滴傳感器電路原理圖如圖35所示。圖35 雨滴傳感器電路原理圖 智能溫室的串口通信模塊微控制器通過RS232與上位機通信。串口芯片選擇MAX232，MAX232配備專有的低漏失電壓發(fā)射器輸出狀態(tài)，通過雙電荷泵，表現(xiàn)出真正的RS232協(xié)議器件性能，[18]用于電荷泵。發(fā)光二極管TXLED，RXLED用來觀察MAX232工作是否正常，是否會有數(shù)據(jù)通過該模塊。對于終端節(jié)點，微控制器與232之間采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議進(jìn)行通訊， 用于設(shè)置終端節(jié)點的系統(tǒng)參數(shù)。對于中心節(jié)點，微控制器將無線模塊接收到的數(shù)據(jù)通過232傳到上位機軟件顯示。 系統(tǒng)的LCD顯示模塊 LCD12864顯示模塊LCD12864是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。其顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。采用標(biāo)準(zhǔn)的12腳接口，其中第1腳：VSS為電源地；第2腳：VCC接5V電源正極；第3腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，[19]接地電源時對比度最高；第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器；第5腳：RW為讀寫信號線，高電平(1)時進(jìn)行讀操作，低電平(0)時進(jìn)行寫操作；第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端,高電平（1）時讀取信息，負(fù)跳變時執(zhí)行指令；第7～11腳：為8位雙向數(shù)據(jù)端三態(tài)數(shù)據(jù)線；第11～12腳：空腳或背燈電源。11腳背光正極，12腳背光負(fù)極。LCD12864管腳接口圖如圖36所示。 LCD12864 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 圖36 LCD12864管腳接口圖 LCD12864顯示模塊電路圖忙標(biāo)志位BF：忙標(biāo)志位BF=1時，表明模塊正在進(jìn)行內(nèi)部操作，此時不接受任何外部指令和數(shù)據(jù)。當(dāng)RS=0、R/W=1且E為高電平時，BF輸出到DB7。地址計數(shù)器（AC）：地址計數(shù)器是DDRAM或CGRAM的地址指針。AC具有自動加1或減1的功能。字符液晶顯示模塊組件內(nèi)部主要有LCD顯示屏、控制器、驅(qū)動器和偏壓電路構(gòu)成?？刂破髦饕芍噶罴拇嫫鱅R、數(shù)據(jù)寄存器DR、忙標(biāo)識BF、地址計數(shù)器AC、DDRAM、CGRAM及時序發(fā)生電路組