【文章內(nèi)容簡介】 聯(lián)合美國國家自然科學(xué)基金設(shè)立了多項有關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究項目，由此拉開了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的序幕。其他發(fā)達(dá)國家和許多大公司也相繼啟動了關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，其中代表性的研究包括以下兩種： ⑴ 1996 年 的 WINS 計劃，由 DARPT 資助 。 加州洛杉磯分校和羅克韋爾研究中心合作展開 WINS 計劃，其研究的目標(biāo)是結(jié)合 MEMS 技術(shù)、信號處理技術(shù)、嵌入式計算和無線通信技術(shù)，構(gòu)成大規(guī)模、復(fù)雜的集成傳感器系統(tǒng)，實現(xiàn)物理世 界與網(wǎng)絡(luò)世界的鏈接。 ⑵ 2020 年， 因特爾 公司伯克利研究實驗室和加州大學(xué)伯克利分校合作，將安有 D 型電池的第二代傳感器網(wǎng) 絡(luò)，設(shè)在緬因州大鴨島上，實現(xiàn)對敏感野生動物及其棲息地的環(huán)境監(jiān)測。 在國內(nèi)， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究 也 被 十分重視。 2020 年發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展綱要》確定了信息技術(shù)發(fā)展的三個前沿方向，其中的智能感知網(wǎng)絡(luò)和自組織網(wǎng)絡(luò)就與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。 近年 來我國許多高校也對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行了研究，它們都在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究上都取得了一定的成果。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為新 一代網(wǎng)絡(luò)，它發(fā)揮 著關(guān)鍵性的作用。不僅 推動著科技的發(fā)展和社會的進歩，而且 已經(jīng) 成為國際競爭的焦點和制高點。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還處在發(fā)展階段，我國的理論研究和工程實踐都和國外還存在著一定的差距，理論成果難以應(yīng)用到實際工程中，實現(xiàn)的成本和可靠性還不能滿足實際需求，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實際工程中的應(yīng)用還有待 進一步 研究。 論文的主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 本論文主要研究“ 基于 ZigBee 技術(shù)的無線壓力傳感器設(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 壓力數(shù)據(jù)的測量與處理 。 本文共分為六章： 第一章為緒論，闡述了 ZigBee 無線傳感技術(shù)和壓力監(jiān)測系統(tǒng) 的 研究 背景及意義 ； 中國礦業(yè)大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 3頁 第二章簡單介紹了 ZigBee 技術(shù)概況； 第三章對整個無線壓力傳感器系統(tǒng)進行系統(tǒng)分析與概要設(shè)計； 第四章主要闡述了如何進行 基于 CC2530 芯片傳感器節(jié)點的硬件 設(shè)計 ； 第五章對設(shè)計采用的軟件開發(fā)環(huán)境進行簡單介紹，介紹 ZStack 協(xié)議棧工作流程， 編寫 數(shù)據(jù)檢測部分程序 和 上位機軟件 程序 ； 第 六 章 為 總結(jié)與展望，對整個設(shè)計進行 回顧和 總結(jié) ，并 提出 進一步 展望 。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 4頁 第二章 ZigBee 技術(shù)簡介 ZigBee 簡介 近年來，隨著無線接入技術(shù)的日益發(fā)展，無線通信 和無線網(wǎng)絡(luò)均呈現(xiàn)出爆炸增加的趨勢。這有力的地推動無線通信向著高速通信方向的發(fā)展。工 業(yè) 、農(nóng)業(yè)、車載電子系統(tǒng)、智能家居網(wǎng)絡(luò)、和醫(yī)用傳感器等都是無線通信的重要領(lǐng)域 [3]。此外，物聯(lián)網(wǎng)（ The Inter of things）也是 ZigBee 應(yīng)用的主要戰(zhàn)場，物聯(lián)網(wǎng) 利用局部網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)把傳感器、 計算機 、人員等 節(jié)點 聯(lián)在一起， 完成 人與物、物與物 的相互連接 ，實現(xiàn) 信息化 、 智能化的 網(wǎng) 絡(luò)。 而這些領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)吞吐量的要求很低，但對功率消耗的要求比現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)更高 [4]。 為了促進簡單方便、隨意使用的無線裝置的大力發(fā)展，需要在的個人活動空間內(nèi)布置大量密集的無線接入點，因此價格是否低廉將顯得尤為重要，為了降低元器件價格，便于批量生產(chǎn) ， 一個標(biāo)準(zhǔn)的解決方案是非常必要的 。 這個方案需要考慮的核心問題是低功耗和低成本。這也決定了其為低帶寬低速率的數(shù)據(jù)傳輸方式。 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)就是 專 為低數(shù)據(jù)速率、短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)立的一系列通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。基于 ZigBee 工作的無線設(shè)備工作在固定的頻段， 分別是 、 868MHz（歐洲）和 915MHz（美國） ， 其最大數(shù)據(jù)傳輸速率是 250Kbps。 ZigBee 主要 應(yīng)用在一些以電池為電源的場景中，對功耗的有較高的要求 。 因此在一些應(yīng)用中，無線設(shè)備并不是持續(xù)開啟的 ， 大部分時間都是處于等待喚醒的休眠模式 。 因此 ， ZigBee設(shè)備常常能夠工作數(shù)年而不用更換電池。 ZigBee 的技術(shù)規(guī)范 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 近年來， 隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，人們 意識到 了在附近幾米范圍 內(nèi)短距離 通信的需求，個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（ personal area work, PAN）和無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（ wireless personal area work, WPAN）的概念 就隨之出現(xiàn) [5]。 WPAN 網(wǎng)絡(luò) 指的是 在 短 距離 小范圍 內(nèi) 建立 設(shè)備之間的 無線連接 ，使 之 可以 互相 通信甚至接入 互聯(lián)網(wǎng) 。 1998 年 3 月 成立的 IEEE 工作組 ， 致力于 WPAN網(wǎng)絡(luò)的物理層（ PHY）和媒體訪問層（ MAC）的標(biāo)準(zhǔn)化工作 ， 目標(biāo)是為 了在短距離范圍內(nèi) 相互通信的無線通信設(shè)備提供通信標(biāo)準(zhǔn)。 IEEE 工作組內(nèi)有四個任務(wù)組 來 制定 在 傳輸速率、功耗和支持的服務(wù)等方面 都 存在差異 的 不同標(biāo)準(zhǔn) 使其 應(yīng)用 在不同的場合 。 第一任務(wù)組即制定 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) ， 也就是人們熟知的 藍(lán)牙 （ Bluetooth）技術(shù) ， 其全稱為 藍(lán)牙無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn) ， 是一個通常用于手機、無線耳機 等 移動 設(shè)備 的 中等速率、短距離的 WPAN 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn) 。第四任務(wù)組所制定的就是 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 。 該標(biāo)準(zhǔn)把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為 首要 目標(biāo)，旨在為個人或者家庭 等小 范圍內(nèi)不同設(shè)備之 間 的低速互連提 供統(tǒng)一 完善的 標(biāo)準(zhǔn) 。即 低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（ lowrate wireless personal area work, LRWPAN） ， LRWPAN 的技術(shù)要求 與傳感器網(wǎng)絡(luò)有中國礦業(yè)大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 5頁 很多 共通 之處， 所以 很多研究機構(gòu) 都 把 IEEE 作為傳感器的通信標(biāo)準(zhǔn)。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的規(guī)范及特點 ZigBee 采用 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)作為其 物理層（ PHY）和媒體訪問層（ MAC） 協(xié)議。即遵循 ZigBee 的設(shè)備也同樣遵循 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)。 但 由于 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)只 定義了物理層協(xié) MAC 層協(xié)議， 2020 年 8 月 由 美國 HONEYWELL 等公司發(fā)起 并 成立了 ZigBee 聯(lián)盟，并對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和 API 進行標(biāo)準(zhǔn)化，新開發(fā)了安全層。經(jīng)過 ZigBee 聯(lián)盟對 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的改進后才真正的形成了真正意義上的 ZigBee 協(xié)議棧。 ZigBee 技術(shù) 的超低數(shù)據(jù)傳輸速率意味著它并不適應(yīng)全部場景的應(yīng)用。例如連接無線互聯(lián)網(wǎng)或者 CD 音質(zhì)的無線耳機 ， Zigbee 都無能為力 。 因為 這些應(yīng)用的 數(shù)據(jù)傳輸速率都需要達(dá)到1Mbps 以上。但是如果無線通信的目的僅僅只是發(fā)送或接收簡單的信息或控制命令，如 從傳感器收集信息，（溫度、濕度、壓力傳感器等）或傳送對某些芯片的控制信息，那么 ZigBee將會提供比藍(lán)牙和 IEEE 更有性價比、更為高效 的解決方案。 ZigBee 技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳輸速率低的特點，只有 10KB/秒 ~250KB /秒，專注于低傳輸 速率應(yīng)用 ， 由于數(shù)據(jù)傳輸速率低、協(xié)議簡單，使得 ZigBee 同時具備了功耗小、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大的特點，一個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可容納 65,000 個設(shè)備。同時也兼顧了安全性和工作頻段靈活的特點， ZigBee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用 AES128 加 密算法。 ZigBee 使用頻段為 、 868MHz（歐洲）和 915MHz（美國），均為免執(zhí)照（免費）的頻段 。 無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議對比 如今，無線通信技術(shù)在信息通信領(lǐng)域得到了快速發(fā)展，它使隨時隨地地接入網(wǎng)絡(luò)獲取信息變成了可能，使通信擺脫了物理連接上的束縛。目前無線通信按照通 信距離范圍可以劃分成廣域和局域兩種，廣域的通常指我們手機使用的 移動通信網(wǎng)，目前已經(jīng) 由第三代發(fā)展到了LTE 技術(shù)，正在向第四代過度。 而局域 是指短距離小范圍的無線通信，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比較多，其中應(yīng)用最為廣泛 分別是無線寬帶 (WiFi)、藍(lán)牙（ Bluetooth） 、 和 ZigBee 技術(shù) 三種 。 WiFi（ Wireless Fidelity）即無線保真技術(shù)，這種技術(shù)基于 、 、 和 ，使用 附近的頻段，它的特點是傳輸距離長、速率快可以達(dá)到數(shù)百兆。 藍(lán)牙（ Bluetooth）是由愛立信、 IBM、 Intel 和諾基亞等 公司 于 1998 年提出的一種近距離無線數(shù)據(jù)通訊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。能在 10 米的半徑范圍內(nèi)實現(xiàn)單點對多點的無線數(shù)據(jù)傳輸，傳輸帶寬最高可達(dá) 1Mbps。使 用在 到 之間的頻段。 表 各種無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議對比 市場名 標(biāo)準(zhǔn) GPRS/GSM 1xRTT/CDMA WiFiTM BluetoothTM ZigBeeTM 應(yīng)用重點 廣闊范圍 聲音 amp。數(shù)據(jù) Web、 Email、 圖像 電纜替代品 監(jiān)測 amp?？刂? 系統(tǒng)資源 16MB+ 1MB+ 250KB+ 4KB32KB 中國礦業(yè)大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 6頁 電池壽命（天） 1~7 ~5 1~7 100~1000+ 網(wǎng)絡(luò)大小 1 32 7 255/65000 帶寬（ KB/s） 64128+ 11000+ 720 20250 傳輸距離（米） 1000+ 1~100 1~10+ 1~100+ 技術(shù)優(yōu)勢 覆蓋面大、質(zhì)量高 速度 /靈活性 價格便宜、方便 可靠、低功耗、價格便宜 ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ? 在 標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)中 共有兩類設(shè)備 ， 全功能設(shè)備（ FFD）和 半 功能設(shè)備（ RFD）。其中全功能設(shè)備（ FFD）可以執(zhí)行 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)中的全部功能，同時可以作為網(wǎng)絡(luò)中的所有角色。而半功能設(shè)備（ RFD）只能執(zhí)行 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)中的部分功能，且只能和全功能設(shè)備通信。所以半功能設(shè)備（ RFD）都用來執(zhí)行一些簡單的應(yīng)用，相應(yīng)的 ， 它的數(shù)據(jù)處理能力和內(nèi)存配置都較全功能設(shè)備（ FFD）有一定差距 [6]。 ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為星型網(wǎng)絡(luò) 、 網(wǎng) 狀網(wǎng)絡(luò)和簇狀 網(wǎng)絡(luò) 三種 。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，網(wǎng)絡(luò)中的配置也不同。所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點共分為三種類型：協(xié)調(diào)器 coordinator、路由器（ route）和終端節(jié)點（ end device） [6]。 其 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的示意 圖見圖 所示 。 其中 end device 具有最小的 內(nèi)存配置和最弱的處理能力和特性， end device 通常是一個網(wǎng)絡(luò)中最便宜的設(shè)備。在本設(shè)計中使用連接壓力傳感器的 CC2530 芯片作為 end device。連接PC 的 CC2530 芯片作為 coordinator。 星型 //////////// 網(wǎng)狀型 簇狀型 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器器 全功能設(shè)備， FFD 精簡功能設(shè)備， RFD 中國礦業(yè)大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 7頁 圖 Zigbee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ZigBee 的應(yīng)用范圍 ZigBee 在日常生活、軍事和許多其他方面都有大量的應(yīng)用。例如智能家居、智能建筑、自動化控制、數(shù)字化醫(yī)療等領(lǐng)域。 應(yīng)用 于 農(nóng)業(yè)上，可以對土地、水和空氣等環(huán)境資源的溫度實行實時監(jiān)控，保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的順利進行；應(yīng)用于軍事上，可以 對戰(zhàn)場人員的體溫等健康狀況進行監(jiān)控，以保障戰(zhàn)場人員的人 身 安全；應(yīng)用于城市中，可以有效的在公共場所對火災(zāi)等安全問題實施預(yù)防和報警；應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，可以對患者的體溫等參數(shù)信息進行實時監(jiān)控，最大限度保障患者的安全。利用 ZigBee 技術(shù)來完成以上的任務(wù)是一個非常明智的選擇，因為這樣可以避免 龐大的布線 ，不需要高功耗和 高昂的硬件成本， 而是 能 以最低的成本獲得最大的收益。 Zigbee 的應(yīng)用范圍見圖 所示。 圖 Zigbee的應(yīng)用范圍 中國礦業(yè)大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 8頁 第三章 系統(tǒng)分析與概要設(shè)計 系統(tǒng)可行性 分析 可行性分析 是 指 通過對 項目 的主要內(nèi)容和配套條件，如市場需求、資源供應(yīng)、建設(shè)規(guī)模、工藝路線、設(shè)備選型、環(huán)境影響、資金籌措、盈利能力等，從技術(shù)、經(jīng)濟、工程等方面進行調(diào)查研究和分析比較，并對項目建成以后可能取得的財務(wù)、 經(jīng)濟效益 及社會環(huán)境影響進行預(yù)測，從而提出該項目是否值得投資和如何進行建設(shè)的咨詢意見，為 項目決策 提供依據(jù)的一種綜合性的 系統(tǒng)分析方法 ?？尚行?分析應(yīng)具有預(yù)見性、公正性、可靠性、科學(xué)性的特點。 技術(shù)可行性分析 技術(shù)可 行性分析是指，以現(xiàn)有的技術(shù)水平完成設(shè)計工作的可行性。其中包括軟件、硬件能否實現(xiàn)所要求的功能，國內(nèi)外相關(guān)研究的進展情況 等 。 本設(shè)計所應(yīng)用 技術(shù)主要有：嵌入式技術(shù)、 CC2530 芯片仿真