【文章內(nèi)容簡介】 安排 本論文主要研究“基于 CC2530 的溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計”，包括節(jié) 點的硬件設(shè)計 、 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建 、 對溫度監(jiān)測功能的實現(xiàn)分析。 本文共分為六章： 第一章，緒論 闡述了基于 CC2530 的溫度監(jiān)測系統(tǒng)研究的背景及意義，國內(nèi)外研究 煤礦采空區(qū)自然發(fā)現(xiàn) 火源位置的探測 的概況； 第二章 ， 簡 述 ZigBee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu) 、 協(xié)議中各子層功能； 第三章 ， 對 CC2530 開發(fā)套件及 CC2530 芯片進(jìn)行簡介，對設(shè)計采用的軟件開發(fā)環(huán)境 IAR進(jìn)行簡介 ， 詳細(xì) 介紹 ZStack 協(xié)議棧工作流程，對溫度采集、處理、傳輸程序進(jìn)行分析和對休眠與喚醒程序進(jìn)行分析，分析 上位機軟件設(shè)計； 第四章 ， 簡述該 系統(tǒng) 設(shè)計的測試及調(diào)試過 程，分析實驗結(jié)果； 第五章 ， 總結(jié)與展望，對整個設(shè)計進(jìn)行總結(jié)分析出自己的心得體會。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 3 頁 協(xié)議簡介 ZigBee 協(xié)議體系結(jié)構(gòu) ZigBee協(xié)議基于 ，由 ZigBee聯(lián)盟共同制定。 ZigBee協(xié)議棧由物理層（ PHY） 、 媒體介質(zhì)訪問層（ MAC） 、 網(wǎng)絡(luò)層（ NWK）和應(yīng)用層（ APL）共 4層構(gòu)成，其中 PHY 層和 MAC 層由 標(biāo)準(zhǔn)工作組制訂，而 NWK層和 APL 層由 ZigBee聯(lián)盟自行制訂。每一層都完成其各自特定的任務(wù)并且向上一層 提供服務(wù)， 數(shù)據(jù)服務(wù)實體 主要負(fù)責(zé) 數(shù)據(jù) 傳輸服務(wù)， 管理 服務(wù) 實體 則主要負(fù)責(zé) 所有的其他管理服務(wù) 。 每個服務(wù)實體 為其上層提供需要的接口都是通過其相應(yīng)的服務(wù)接入點（ SAP）實現(xiàn)的，每個 SAP 所對應(yīng)的功能通過服務(wù)原語來完成 ，且每個 SAP 支持許多種不同的服務(wù)原語 。 ZigBee 協(xié)議體系結(jié)構(gòu)如圖 所示： 應(yīng)用程序框架ZigBee 設(shè)備對象（ ZDO ）應(yīng)用支持子層 （ APS ）應(yīng)用設(shè)備 240端點 240APSDE SAP應(yīng)用設(shè)備 1端點 1APSDE SAP端點 0APSDE SAPZDO公共接口APS 安全管理APS 消息中轉(zhuǎn)反射器管理安全服務(wù)供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)層 （ NWK ） NLED SAPZDO管理面板APSMESAPNLMESAPNWK 安全管理NWK 消息中轉(zhuǎn)路由管 理 網(wǎng)絡(luò)管理媒體介質(zhì)訪問層 （ MAC ） MLDE SAP MLME SAP物理層 （ PHY ）PD SAP PLME SAP2 . 4 GHz 868 / 915 MHzIEEE 802 . 15 . 4 制定 終端制造商制定 ZigBee 聯(lián)盟制定 各層接口 圖 ZigBee 協(xié)議體系結(jié)構(gòu)圖 物理層（ PHY） 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 4 頁 物理層定義了物理無線信道和 MAC 層之間的接口， 提供 三種不同的 通信 頻段 ：、 902MHz928MHz 和 2400MHz24835MHz， 以及 1 個、 10個以及 16個不同的信道 。 物理層提供兩種服務(wù)： 物理層數(shù)據(jù)服務(wù) （ PD） 和物理層管理服務(wù) （ PLME） 。 通過無線信道的發(fā)送和接收以及物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ PPDU）來實現(xiàn)物理層數(shù)據(jù)服務(wù)。 PLME 主要通過調(diào)用物理層管理功能函數(shù)來提供管理和服務(wù)，其中物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點（ PDSAP） 給MAC 層提供數(shù)據(jù)服務(wù)接口，而物理層管理實體服務(wù)接入點（ PLMESAP）給 MAC 層提供管理服務(wù)接口。驅(qū)動程序為物理層提供的接口是無線射頻服務(wù)接入點（ RFSAP），從外界接收到數(shù)據(jù)包后，從物理層中提取信息并通過 PDSAP 上傳給上層協(xié)議。物理層結(jié)構(gòu)及接口示意圖如圖 所示。 物理層（ PHY ）物理層管理實體（ PLME ）物理層管理實體服務(wù)接入點（ PLME SAP ）無線射頻服務(wù)接入點（ RF SAP ）數(shù)據(jù)服務(wù)接入點（ PD SAP ）物理層信息庫（ PHY PIB ） 圖 物理層結(jié)構(gòu)及接口示意圖 物理層的 主要功能包括： 1)ZigBee 系統(tǒng)的啟動和關(guān)閉 ； 2)當(dāng)前信道的能量檢測； 3)鏈路 質(zhì)量信息； 4)信道評估與 選擇； 5)傳輸和接收 數(shù)據(jù) 。 媒體介質(zhì)訪問層（ MAC） MAC 層 控制無線信道訪問時 使用 CSMACA 沖突避免機制，是所有無線信 道的維護(hù)接口，提供兩個相鄰設(shè)備 之間可靠的鏈路。 MAC 層由 MAC 層管理實體（ MLME）提供 MAC 層管理服務(wù)和 MAC 層數(shù)據(jù)服務(wù)實體（ MCPS） 提供 MAC 層數(shù)據(jù)服務(wù) 兩部分構(gòu)成 。 MAC 層數(shù)據(jù)服務(wù) 是指MAC 層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ MPDU）通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)送和接收， 而 MAC 層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點（ MCPSSAP）給網(wǎng)絡(luò)層提供數(shù)據(jù)服務(wù)接口。 MAC 層管理實體以提供 可調(diào)用 MAC 層管理功能接口為目的 ， MAC 層管理實體服務(wù)接入點（ MLMESAP）為網(wǎng)絡(luò)層提供管理服務(wù)接口。 MAC層的結(jié)構(gòu)接口示意圖如圖 所示。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 5 頁 MAC 層數(shù)據(jù)實體（ MCPS ）MAC 層管理實體（ MLME ）MAC 層數(shù)據(jù)實體服務(wù)接入點（ MCPS SAP ）MAC 層管理實體服務(wù)接入點（ MLME SAP ）PD SAP PLME SAPMAC 層信息庫（ MAC PIB ） 圖 MAC 層結(jié)構(gòu)和接口圖 MAC 層主要功能 包括 ： 1） 信標(biāo)的產(chǎn)生與同步 ； 2） 信道接入； 3）保證系統(tǒng)的安全性； 4）管理 時隙 (GTS)機制； 5）提供可靠的通信鏈路。 網(wǎng)絡(luò)層（ NWK） 網(wǎng)絡(luò)層 是 ZigBee 協(xié)議棧的核心部分。網(wǎng)絡(luò)層 由網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)實體（ NLDE）和網(wǎng)絡(luò)層管理實體（ NLME） 兩部分 共同組成 ，不僅 為 MAC層提供函數(shù)而且為應(yīng)用層提供服務(wù)接口 。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)實體產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ NPDU） 為設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸提供必要的服務(wù)， 通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體服務(wù)接入點（ NLDESAP） 為應(yīng)用層提供 數(shù)據(jù)服務(wù)接口 。網(wǎng)絡(luò)層管理實體主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中的管理服務(wù)， 通過網(wǎng)絡(luò)層管理實體接入點（ NLMESAP）實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)和接口圖如圖 所示。 網(wǎng)絡(luò)層 主要 功能 包括 ： 1)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)、 形成 和維護(hù) ； 2)路由器初始化； 3)提供網(wǎng)絡(luò)節(jié)點地址分配 ； 4)允許 設(shè)備 直接或間接 同網(wǎng)絡(luò)連接； 5)斷開網(wǎng)絡(luò)連接； 6)復(fù)位配置 ； 7)信息庫管理 。 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體（ NLDE ）網(wǎng)絡(luò)層管理實體（ NLME ）網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體服務(wù)接入點（ NLDE SAP ）網(wǎng)絡(luò)層管理實體服務(wù)接入點（ NLME SAP ）MCPS SAP MLME SAPMAC 層信息庫（ MAC PIB ） 圖 網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)和接口圖 應(yīng)用層（ APL） 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 6 頁 ZigBee 應(yīng)用層框架由 應(yīng)用支持子層（ APS）、應(yīng)用程序框架（ AF）、 ZigBee 設(shè)備對象 （ ZDO）和用戶 定義的應(yīng)用對象 4個部分組成 。 ZigBee應(yīng)用層除了提供必要的函數(shù)以及 服務(wù)接口外，另 一個重要的功能是 讓用戶在應(yīng)用 層 里編輯 自己的應(yīng)用對象。 應(yīng)用支持層（ APS）具有管理綁定表、在綁定設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù)的功能。它由 主要負(fù)責(zé)為設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸提供相應(yīng)服務(wù) 的應(yīng)用支持 子層數(shù)據(jù)服務(wù)實體（ APSDE）和主要負(fù)責(zé)根據(jù)命令提供相應(yīng)管理和服務(wù) 的 應(yīng)用支持子層管理實體（ APSME）共同組成。 在應(yīng)用層中，應(yīng)用支持子層數(shù)據(jù)接入點（ APSDESAP）和應(yīng)用支持子層管理服務(wù)接入點（ APSMESAP）分別為上層的應(yīng)用實體提供數(shù) 據(jù)和管理服務(wù)。 應(yīng)用支持子層結(jié)構(gòu)與接口圖如圖 所示。 應(yīng)用 程序框架（ AF）其本質(zhì)就是各個制造 商 所 自定義的應(yīng)用對象， 并提供 鍵值對 (KVP)服務(wù)和報文 (MSG)服務(wù)以滿足應(yīng)用對象的數(shù)據(jù)傳輸 ， 用戶自定義應(yīng)用對象必須 遵循在端點1240 上 運行的 規(guī)范（ profile） 原則。 設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色（例如是 ZigBee 協(xié)調(diào)器或是 ZigBee 終端設(shè)備或是 ZigBee 路由器）是由 ZigBee 設(shè)備對象（ ZDO）定義的，同時 ZigBee 設(shè)備對象還負(fù)責(zé)對綁定請求的響應(yīng)和初始化，在設(shè)備間建立可靠的聯(lián)系。 應(yīng)用支持子層數(shù)據(jù)實體（ APSDE ）應(yīng)用支持子層管理實體（ APSME ）應(yīng)用支持子層數(shù)據(jù)實體服務(wù)接入點（ APSDE SAP ）應(yīng)用支持子層管理實體服務(wù)接入點（ APSME SAP ）NLDE SAP NLME SAPMAC 層信息庫（ MAC PIB ） 圖 應(yīng)用支持子層結(jié)構(gòu)與接口圖 ZigBee 基本概念 ZigBee 協(xié)議棧主要包含 6個基本概念：設(shè)備類型、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、信標(biāo)與非信標(biāo)模式、ZigBee 術(shù)語、綁定、 ZigBee 原語。 設(shè)備類型 ZigBee 系統(tǒng)中的設(shè)備可能包含協(xié)調(diào)器（ Coordinator）、路由器（ Router）和終端節(jié)點（ End Device） 3種邏輯類型中的兩種或三種，一個完整的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)由至少一個協(xié)調(diào)器、一個或多個路由器和一個或多個終端節(jié)點組成。 ① 協(xié)調(diào)器 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的拓 撲形式可以多種多樣，但是每個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中有且只有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)選擇網(wǎng)絡(luò)的信道、啟動并建立整個網(wǎng)絡(luò)。 協(xié)調(diào)器也可以協(xié)助 網(wǎng)絡(luò)中安全中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁 服務(wù)和應(yīng)用層的綁定服務(wù) 的建立 。 但是 協(xié)調(diào)器的角色 只涉及網(wǎng)絡(luò)的啟動和配置，之后整個網(wǎng)絡(luò)的運行 就不再依賴 于 協(xié)調(diào)器是否存在。 ② 路由器 在樹形和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，需要有路由器節(jié)點的加入，它是網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離延伸的必要部分。路由器節(jié)點的功能是允許其他節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)助各個節(jié)點之間的通信。 ③ 終端設(shè)備 終端設(shè)備主要負(fù)責(zé)信息的接收和發(fā)送，不需要維持特定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要進(jìn)入休眠或喚醒 狀態(tài)以降低功耗。終端設(shè)備一般由電池供電，對存儲空間要求比較小。 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ZigBee 支持 3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括：星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)、樹形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。如圖 所示。其中，全功能設(shè)備（ FFD， Router）可以支持任何一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者和普通協(xié)商者使用，并且可以和任何一種設(shè)備進(jìn)行相互通信。精簡功能設(shè)備（ RFD）只支持星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不能成為任何一種協(xié)商者使用，但是可以和網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者相互通信。 星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò) 樹型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 路由器 終端設(shè)備 圖 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓 撲結(jié)構(gòu) ① 星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò) 星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)是最簡單的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一個協(xié)調(diào)器和 一個或 多個終端設(shè)備組成，只存在協(xié)調(diào)器與終端設(shè)備的通信， 而沒有路由節(jié)點的參與， 終端設(shè)備之間 的相互通訊 必須通過協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)。 ② 樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 樹形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以理解為由一個協(xié)調(diào)器和一個或多個星型結(jié)構(gòu)連接而成，直接通信只能在父子節(jié)點之間進(jìn)行，而非父子節(jié)點之間的通信只能通過樹狀路由器間接完成。 ③ 網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)具有靈活、減少消息延時和可靠的特點，網(wǎng)絡(luò)中所有具有路由功能的節(jié)點直接互聯(lián)，任意兩個節(jié)點間可相互傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)路徑通過路由器 中的路由表按照算法選擇。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 8 頁 信標(biāo)與非信標(biāo)模式 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可以分為信標(biāo)（ Beacon）和非信標(biāo) (Nonbeacon)兩種工作模式。為最大限度的節(jié)約能源消耗，信標(biāo)模式可以使所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備同步工作和同步休眠；而在非信標(biāo)模式下，協(xié)調(diào)器和路由器必須長時間處于工作狀態(tài)，只允許終端設(shè)備周期性進(jìn)入休眠模式。 在信標(biāo)模式下，協(xié)調(diào)器向網(wǎng)絡(luò)廣播 16 個相同時間槽間隔的信標(biāo)幀一般以 15ms4min之間的時間為間隔。時間槽被分為網(wǎng)絡(luò)活動區(qū)和網(wǎng)絡(luò)休眠區(qū)兩個部分，消息只能在網(wǎng)絡(luò)活動區(qū)內(nèi)發(fā)送。 在非信標(biāo)模式下，采用終端節(jié)點向 父節(jié)點提取數(shù)據(jù)，父節(jié)點為子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)的機制，使終端設(shè)備可以周期性進(jìn)入休眠模式以達(dá)到低功耗。在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中，子節(jié)點大部分時間通常都處于休眠工作狀態(tài)，但需要周期性醒來確認(rèn)自己仍處于網(wǎng)絡(luò)中，并可在 15ms 的延時后轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)傳輸模式，提取數(shù)據(jù)。 ZigBee 術(shù)語 節(jié)點射頻發(fā)射器設(shè)備 設(shè)備端點端點輸出群集端點輸入群集輸出群集屬性屬性屬性屬性屬性端點輸出群集屬性端點輸入群集屬性輸出群集屬性屬性 圖 ZigBee 術(shù)語結(jié)構(gòu)圖 ① 屬性 反映物理數(shù)量或狀態(tài)的數(shù)據(jù)值稱為屬性，如開關(guān)值（ On/Off） ,溫度值、百分比等。 ② 群集 群集就是屬性的集合， 每 一 個群集都被 系統(tǒng)分配一個 獨有的 的群集 ID 且每個群集至多可以 有 65536 個屬性。 ③ 設(shè)備描述 設(shè)備描述包含一個或多個集群，指定集群是輸入或輸出， 描述符有 4 種，分別是 簡單描述符、節(jié)點描述符、電源描述符、端點描述