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正文內(nèi)容

基于zigbee的無線溫度采集系統(tǒng)設計本科畢業(yè)論文設計(編輯修改稿)

2025-08-15 07:04 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 ZigBee 一詞來源于蜜蜂賴以生存的通信方式 Zigzag 形狀的舞蹈,是一種低成本、低功耗的近距離無線組網(wǎng)通信技術。 ZigBee 協(xié)議是基于 IEEE 標準的,由 IEEE 和 ZigBee 聯(lián)盟共同制定。 IEEE 工作組制定 ZigBee 協(xié)議的物理層( PHY)和媒體訪問控制層( MAC 層)協(xié)議。 ZigBee 聯(lián)盟成立用于 20xx 年,定義了 ZigBee 協(xié)議的網(wǎng)絡層延安大學西安創(chuàng)新學院本科畢業(yè)論文(設計) 5 ( NWK)、應用層( APL)和安全服務規(guī)范。協(xié)議棧結構如圖 32。 應用層(含應用接口層) 用戶 安全層 ZigBee 聯(lián)盟 網(wǎng)絡層 MAC 層 IEEE 物理層 圖 32 ZigBee 協(xié)議棧結構 ZigBee 協(xié)議由物理層 (PHY)、介質(zhì)訪問控制子層 (MAC)、網(wǎng)絡層 (NWK),應用層(APL)及安全服務提供層 (SSP)五塊內(nèi)容組成。其中 PHY 層和 MAC 層標準由 IEEE 標準定義, MAC 層之上的 NWK 層, APL 層及 SSP 層,由 ZigBee 聯(lián)盟的 ZigBee標準定義。 APL 層由應用支持層 (APS),應用框架 (AF)以 及 ZigBee 設備對象 (ZDO)及ZDO 管理平臺組成。 PHY 層定義了無線射頻應該具備的特征,提供了 、902MHz928MHz 和 2400MHz24835MHz 三種不同的頻段,分別支持 20kbps、 40kbps和 250kbps 的傳輸速率, 1 個、 10 個以及 16 個不同的信道Ⅲ。 ZigBee 的傳輸距離與輸出功率和環(huán)境參數(shù)有關,一般為 10~ 100 米之間。 PHY 層提供兩種服務: PHY層數(shù)據(jù)服務和 PHY 層管理服務, PHY 層數(shù)據(jù)服務是通過無線信道發(fā)送和接收物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (PPDU), PHY 層的特性是激活和關閉無線收發(fā)器、能量檢測、鏈路質(zhì)量指示、空閑信道評估、通過物理媒介接收和發(fā)送分組數(shù)據(jù)。 MAC 層使用 CSMACA 沖突避免機制對無線信道訪問進行控制,負責物理相鄰設延安大學西安創(chuàng)新學院本科畢業(yè)論文(設計) 6 備問的可靠鏈接,支持關聯(lián) (Association)和退出關聯(lián) (Disassociation)以及 MAC層安全。 MAC 層提供兩種服務: MAC 層數(shù)據(jù)服務和 MAC 層管理服務, MAC 層數(shù)據(jù)服務通過物理層數(shù)據(jù)服務發(fā)送和接收 MAC 層協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (MPDU)。 MAC 層的主要功能是:進行信標管理、信道接入、保證時隙 (GTS)管理、幀確認應答幀 傳送、連接和斷開連接。 NWK 層提供網(wǎng)絡節(jié)點地址分配,組網(wǎng)管理,消息路由,路徑發(fā)現(xiàn)及維護等功能。NWK 層主要是為了確保正確地操作 IEEE . 20xxMAC 子層和為應用層提供服務接口。 NWK 層從概念上包括兩個服務實體:數(shù)據(jù)服務實體和管理服務實體。 NWK層的責任主要包括加入和離開一個網(wǎng)絡用到的機制、應用幀安全機制和他們的目的地路由幀機制, ZigBee 協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡層還負責建立一個新的網(wǎng)絡。 ZigBee 應用層包括應用支持子層 (APS 子層 )、應用框架 (AF)和 ZigBee 設備對象(ZDO)。 APS 子 層負責建立和維護綁定表,綁定表主要根據(jù)設備之間的服務和他們的需求使設備相互配對。 ZigBee 的應用框架 (AF)為各個用戶自定義的應用對象提供了模板式的活動空間,并提供了鍵值對 (KVP)服務和報文 (MSG)服務供應用對象的數(shù)據(jù)傳輸使用。一個設備允許最多 240 個用戶自定義應用對象,分別指定在端點 l 至端點 240 上。 ZDO 可以看成是指配到端點 O 上的一個特殊的應用對象,被所有 ZigBee設備包含,是所有用戶自定義的應用對象調(diào)用的一個功能集,包括網(wǎng)絡角色管理,綁定管理,安全管理等。 ZDO 負責定義設備在網(wǎng)絡中的角色 (例如是 ZigBee 協(xié)調(diào)器或者 ZigBee 終端設備 )、發(fā)現(xiàn)設備和決定他們提供哪種應用服務,發(fā)現(xiàn)或響應綁定請求,在網(wǎng)絡設備之間建立可靠的關聯(lián)。 安全服務提供者 SSP(Security Service Provider)向 NWK 層和 APS 層提供安全服務。 ZigBee 協(xié)議層與層之間是通過原語進行信息的交換和應答的。大多數(shù)層都向上層提供數(shù)據(jù)和管理兩種服務接口,數(shù)據(jù) SAP(Service Access Point)和管理SAP(Service Access Point)。數(shù)據(jù)服務接口的目標是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務,管理服務接口的目標是向上層提供訪問內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機制。 ZigBee 網(wǎng)絡基礎 ZigBee 網(wǎng)絡基礎主要包括設備類型,拓撲結構和路由方式三方面的內(nèi)容,延安大學西安創(chuàng)新學院本科畢業(yè)論文(設計) 7 ZigBee 標準規(guī)定的網(wǎng)絡節(jié)點分為協(xié)調(diào)器( Coordinator)、路由器 (Router)和終端節(jié)點( End Device)。節(jié)點類型是網(wǎng)絡層的概念,反映了網(wǎng)絡的拓撲形式。 ZigBee 網(wǎng)絡具有三種拓撲形式:星型拓撲、樹型拓撲、網(wǎng)狀拓撲。 工作模式 ZigBee 網(wǎng)絡的工作模式可以分為信標 (Beacon)模式和非信標 (Nonbeacon)模式兩種。信標模式可以實現(xiàn)網(wǎng)絡中所有設備的同步工作和同步休眠,以達到最大限度地節(jié)省功耗,而非信標模式只允許 ZE 進行周期性休眠,協(xié)調(diào)器和所有路由器設備長期處于工作狀態(tài)。 在信標模式下,協(xié)調(diào)器負責以一定的間隔時間 (一般在 15ms4mins 之間 )向網(wǎng)絡廣播信標幀,兩個信標幀發(fā)送間隔之間有 16 個相同的時槽,這些時槽分為網(wǎng)絡休眠區(qū)和網(wǎng)絡活動區(qū)兩個部分,消息只能在網(wǎng)絡活動區(qū)的各個時槽內(nèi)發(fā)送。 非信標模式下, ZigBee 標準采用父節(jié)點為子節(jié)點緩存數(shù)據(jù),終端節(jié)點主動向其父節(jié)點提取數(shù)據(jù)的機制,實現(xiàn)終端節(jié)點的 周期性 (周期可設置 )休眠。網(wǎng)絡中所有的父節(jié)點需要為自己的子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)幀,所有子節(jié)點的大多數(shù)時間都處于休眠狀態(tài),周期性的醒來與父節(jié)點握手以確認自己仍處于網(wǎng)絡中,并向父節(jié)點提取數(shù)據(jù),其從休眠模式轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)傳輸模式一般只需要 15ms。 ZigBee 無線組網(wǎng)及數(shù)據(jù)通信 ZigBee 通信協(xié)議采用分層結構 ,節(jié)點通過在不同層上的特定服務來完成所要執(zhí)行的各種任務。本系統(tǒng)采用 TI 提供的 ZigBee20xx 協(xié)議棧 ZStack,在 IEEE 標準物理層 (PHY)和媒體訪問控制層 (MAC)基礎 上增加了網(wǎng)絡層、應用層和安全服務規(guī)范 ,是一種較好的無線傳感網(wǎng)絡組建方案。 ZigBee 設備類型按網(wǎng)絡功能分為三種 :協(xié)調(diào)器、路由器、終端。由于本系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡拓撲結構 ,所以只存在協(xié)調(diào)器和終端兩種設備。 本系統(tǒng)中主節(jié)點被初始化為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器包含所有的網(wǎng)絡消息 , 存儲容量最大、計算能力最強。它的功能是發(fā)送網(wǎng)絡信標、建立網(wǎng)絡、管理網(wǎng)絡節(jié)點、存儲網(wǎng)絡節(jié)點信息、收發(fā)信息。從節(jié)點被初始化為無信標網(wǎng)絡中的終端設備。上電復位后 ,即開始搜索指定信道上的網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器 ,并發(fā)出連接請求。建立連接成功后 ,數(shù)據(jù)從括從節(jié)點編號 ,CC2530的 I/O口編號以及此溫度傳感器的編號 ,后 2個字節(jié)為溫度延安大學西安創(chuàng)新學院本科畢業(yè)論文(設計) 8 采集數(shù)據(jù)。主
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