【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 離控制，這樣有利于家庭的安全調(diào)控、節(jié)電 [3]。 Zigbee技術(shù)在 zigbee 聯(lián)盟和 ，結(jié)合其他無(wú)線技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)，它不僅在工業(yè)，農(nóng)業(yè)，軍事，環(huán)境，醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值，在未來(lái)的應(yīng)用中還可以涉及到人們?nèi)粘Ｉ詈蜕鐣?huì)生產(chǎn)活動(dòng)的各個(gè) 領(lǐng)域。由于各方面的制約， zigbee技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用還有待時(shí)日，但已經(jīng)顯示出了非凡的應(yīng)用價(jià)值，相信隨著相關(guān)技術(shù)的日漸成熟和發(fā)展推進(jìn)，一定會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。但是，基于 zigbee技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用還不算很成熟，國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)該抓緊商機(jī)，加大投入人才力度，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 共 50 頁(yè) 2. 方案論證及 選擇 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn) 溫濕度數(shù)據(jù)的采集， 要研究的主要內(nèi)容是熟悉并掌握 cc2530 芯片功能；熟悉 協(xié)議棧，并利用 cc2530 搭建 zigbee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò) ；采集溫濕度傳感信號(hào)，并完成信號(hào)的傳輸。需要解決的主要問(wèn)題是，首先，由于本次的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在 zigbee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中傳輸，則需要搭建 zigbee 網(wǎng)絡(luò)，其次，本次采用的微控制器是 cc2530 單片機(jī)，則必須對(duì)其內(nèi)部資源要掌握。最后，完成主節(jié)點(diǎn)及采集節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的采集，處理，輸出控制及監(jiān)控等功能。 要實(shí)現(xiàn)溫濕度的采集和 傳輸有多種方案，下 面介紹以下兩 種方案。 方案一：用可編程邏輯器件設(shè)計(jì)，而所設(shè)計(jì)的電路比較繁雜，可能用到十幾片數(shù)字集成塊，利用數(shù)字電路的各功能模塊的組合來(lái)完成其功能，焊接的過(guò)程比較復(fù) 雜，成本也比較高。這里可以利用 ALTERA 公司的 FLEX10K 系列 PLD 器件。結(jié)構(gòu)清晰的設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊，從硬件上設(shè)計(jì)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，比較方便控制與顯示的模塊間的連接。但是如果結(jié)合本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)， EDA 在功能擴(kuò)展上會(huì)受到約束，而且 EDA 占用的資源也會(huì)比較多。用可編程邏輯器件設(shè)計(jì)，成本上來(lái)講處在弱勢(shì) [4]。 方案一的設(shè)計(jì)框圖如 圖 所示 : 數(shù) 據(jù) 顯 示 模 塊P L D 數(shù) 據(jù) 接 收 模 塊按 鍵P L D 數(shù) 據(jù) 采 集 模 塊溫 濕 度 傳 感 器 圖 方案一設(shè)計(jì)框圖 方案二： 基于 cc2530 芯片的溫濕度采集， 該方案是用溫濕度傳感器將外界環(huán)境溫濕度采集過(guò)來(lái)，主控芯片是 cc2530，利用其 zigbee 無(wú)線傳輸功能將傳感器采集過(guò)來(lái)的溫濕度發(fā)送到顯示界面。 一個(gè)完整的 ZigBee 系統(tǒng)需要至少一個(gè)協(xié)調(diào)器， 一個(gè)或多個(gè)路由器及許多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成，這樣才能完成網(wǎng)絡(luò)的搭建，路徑的分配和數(shù)據(jù)的采集及傳輸任務(wù)。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)根據(jù)實(shí)際組網(wǎng)的需要可以組成星形網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)、和簇狀網(wǎng)這 3 種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 基于 CC2530 的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是星狀網(wǎng)絡(luò) ,它是由一個(gè)全功能協(xié)調(diào)器（稱為 FFD），一個(gè)集合有溫濕度傳感器的測(cè)溫濕節(jié)點(diǎn)作為終端 節(jié)點(diǎn) （稱為 Zink）組建成的。 FFD 通過(guò)串口與 PC 機(jī)連接， Zink 被布置在環(huán)境監(jiān)測(cè)區(qū)域， 通過(guò)其上的溫濕度傳感器 DS18B20 來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境的溫度，最后通過(guò)天線以無(wú)線的方式將監(jiān)測(cè)到的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給 FFD，由于 FFD 和 PC 機(jī)連接，這時(shí) PC 機(jī)上可以顯示出溫濕度的監(jiān)測(cè)結(jié)果 [5]。 整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖, 所示： 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 共 50 頁(yè) 傳 感 器 模 塊 處 理 器 模 塊 無(wú) 線 射 頻 模 塊 C C 2 5 3 0電 源 管 理 模 塊A / D處 理 器存 儲(chǔ) 器發(fā) 射 器傳 感 器 圖 數(shù)據(jù)采集模塊框圖 無(wú) 線 射 頻 模 塊 處 理 器 模 塊 C C 2 5 3 0電 源 管 理 模 塊處 理 器存 儲(chǔ) 器顯 示接 收 器 圖 數(shù)據(jù)接收模塊框圖 上面列出了本次設(shè)計(jì)的兩 種設(shè)計(jì)思路及方法，經(jīng)分析得出，方案一的設(shè)計(jì)電路比較繁雜，用到的集成模塊比較多，所以成本相對(duì)也比較高，焊接的過(guò)程也相應(yīng)的比較復(fù)雜。方案二與方案一相比，設(shè)計(jì)電路相對(duì)簡(jiǎn)單，主要用到的芯片是 cc2530，它是高度集成的芯片，上面的貼片電容，電阻等小器件都是焊接好的，所以在后續(xù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，焊接部分相對(duì)較少。最主要的是該芯片可實(shí)現(xiàn)的功能非常多，雖然本次設(shè)計(jì)只是用到了其中的一小部分 功能，但對(duì) 設(shè)計(jì)成果后續(xù)的 功能拓展提供了很好的平臺(tái)。 方案二中僅用一個(gè)芯片就可實(shí)現(xiàn)溫濕度的同時(shí)采集。所以相比之下，方案二的可行性與可靠性都比其他兩個(gè)好，于是本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方案最終確定為方案二。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 共 50 頁(yè) 3. 硬件電路的設(shè)計(jì) Zigbee 協(xié)議棧 Zigbee協(xié)議棧結(jié)構(gòu) Zigbee 協(xié)議棧定義了四層。物理層和媒體訪問(wèn)控制層由 定義，上層的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由 Zigbee 聯(lián)盟定義。應(yīng)用層分別包括 ZDO（ Zigbee 設(shè)備對(duì)象）， APS（應(yīng)用支持子層）和AF（應(yīng)用框架）組成。 Zigbee 協(xié)議棧每一層負(fù)責(zé)完成所規(guī)定的任務(wù)，并且向上層提供服務(wù)，各層之間的接口通過(guò)所定義的邏輯鏈路來(lái)提供服務(wù)。 如圖 所示： 應(yīng) 用 框 架安 全服 務(wù)管 理Z i g B e e 設(shè) 備 對(duì) 象（ Z D O ）Z D O 公 共 接 口應(yīng) 用 對(duì) 象2 4 0應(yīng) 用 對(duì) 象1 應(yīng) 用 支 撐 層Z D O管理平臺(tái)介 質(zhì) 訪 問(wèn) 管 理 層物 理 層 網(wǎng) 絡(luò) 層端 點(diǎn) 2 4 0A P S D E S A P端 點(diǎn) 1 `A P S D E S A P端 點(diǎn) 0A P S D E S A P安 全 管 理信 息 管 理 反 映 管 理N L D E S A P N L M E S A P安 全管 理M L D E S A P M L D E S A P路 由管 理信 息管 理路 由管 理P D S A P P L M E S A P2 . 4 G H Z 頻 段8 6 8 / 9 1 5 M H Z 圖 Zigbee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖 1)物理層 物理層由半雙工的無(wú)線收發(fā)器及其接口組成，主要作用是激活和關(guān)閉射頻收發(fā)器；檢測(cè)信道的能量；顯示收到數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量；空閑信道評(píng)估；選擇信道頻率；數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。 2) 媒體訪問(wèn)控制層 媒體訪問(wèn)控制（ MAC）層建立了一條節(jié)點(diǎn)和與其相鄰的節(jié)點(diǎn)之間可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，共享傳輸媒體，提高 通信效率。在協(xié)調(diào)器的 MAC 層，可以產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，同步網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)；支持 Zigbee 設(shè)備的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)；支持設(shè)備加密；在信道訪問(wèn)方面，采用 CSMA/CA 信道退避算法，減少了碰撞概率；確保時(shí)隙分配（ GTS）；支持信標(biāo)使能和非信標(biāo)使能兩種數(shù)據(jù)傳輸模式，為兩個(gè)對(duì)等的 MAC實(shí)體提供可靠連接。 3)網(wǎng)絡(luò)層 基于底層的可靠通信，提供路由、路由發(fā)現(xiàn)、多跳、轉(zhuǎn)發(fā)的功能。 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)可以組成星型、簇樹(shù)型或 MESH 型網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于終端節(jié)點(diǎn)而言，網(wǎng)絡(luò)層的功能只是加入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)；對(duì)于路由器而言，網(wǎng)絡(luò)層的功能是信息的轉(zhuǎn)發(fā)，路由發(fā)現(xiàn)，建立 和維護(hù)路由表和鄰居表，以及構(gòu)造到某節(jié)點(diǎn)的路由任務(wù)；而協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)主要包括啟動(dòng)和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)正常工作，為新加入的節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址。 4)應(yīng)用層 應(yīng)用層包括三部分：應(yīng)用支持子層（ APS）、 Zigbee 設(shè)備對(duì)象（ ZDO）和應(yīng)用框架（ AF）。應(yīng)用 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 共 50 頁(yè) 支持子層的任務(wù)是提取網(wǎng)絡(luò)層的信息并將信息發(fā)送到運(yùn)行在節(jié)點(diǎn)上的不同應(yīng)用端點(diǎn)。應(yīng)用支持子層維護(hù)了一個(gè)綁定表，可以定義、增加或移除組信息；完成 64 位長(zhǎng)地址（ IEEE 地址）與 16 位短地址（網(wǎng)絡(luò)地址）一對(duì)一映射；實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的分割與重組；應(yīng)用支持子層連接網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，是它們之間的 接口。這個(gè)接口由兩個(gè)服務(wù)實(shí)體提供： APS 數(shù)據(jù)實(shí)體（ APSDE）和 APS 管理實(shí)體（ APSME）。APS 數(shù)據(jù)實(shí)體為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，它會(huì)拆分和重組大于最大荷載量的數(shù)據(jù)包。 APS管理實(shí)體提供安全服務(wù)，節(jié)點(diǎn)綁定，建立和移除組地址，負(fù)責(zé) 64 位 IEEE 地址與 16 位網(wǎng)絡(luò)地址的地址映射。 Zigbee 設(shè)備對(duì)象負(fù)責(zé)設(shè)備的所有管理工作，包括設(shè)定該設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色（協(xié)調(diào)器、路由器或終端設(shè)備），發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，確定這些設(shè)備能提供的功能，發(fā)起或響應(yīng)綁定請(qǐng)求，完成設(shè)備之間建立安全的關(guān)聯(lián)等。用戶在開(kāi)發(fā) Zigbee 產(chǎn)品時(shí)， 需要在 Zigbee 協(xié)議棧的 AF 上附加應(yīng)用端點(diǎn)，調(diào)用 ZDO 功能以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備和服務(wù)，管理綁定、安全和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。 ZDO 是一個(gè)特殊的應(yīng)用對(duì)象，它駐留在每一個(gè) Zigbee 節(jié)點(diǎn)上，其端點(diǎn)編號(hào)固定為 0。 AF 應(yīng)用框架是應(yīng)用層與 APS 層的接口。它負(fù)責(zé)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并為接收到的數(shù)據(jù)尋找相應(yīng)的目的 端點(diǎn) [7]。 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) Zigbee 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以為以下三種：星型、簇樹(shù)型和 MESH 型。星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器組建和維護(hù)，其他的設(shè)備都是終端設(shè)備，都直接與協(xié)調(diào)器一對(duì)一通信。在簇樹(shù)型和 MESH 型拓?fù)渚W(wǎng)路結(jié)構(gòu)中，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)并決定一些關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，如網(wǎng)絡(luò) ID，網(wǎng)絡(luò)使用的信道等。網(wǎng)絡(luò)中主要通過(guò)路由器來(lái)拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)中，路由器發(fā)送數(shù)據(jù)是通過(guò)層次的路由方法。樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)可以使用網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)通信，路由器和終端節(jié)點(diǎn)以跟蹤信標(biāo)的方式與協(xié)調(diào)器通信；也可以使用非信標(biāo)方式通信，終端節(jié)點(diǎn)定時(shí)輪詢路由器或協(xié)調(diào)器來(lái)提取自己的信息。 MESH 型網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)等交流，但是不能使用信標(biāo)。 Zigbee 設(shè)備都有一個(gè) 64 位的 IEEE 地址， IEEE 地址是唯一的絕對(duì)地址，設(shè)備可以用這個(gè)地址在 PAN 中進(jìn)行通信，但在設(shè) 備加入網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器后會(huì)為它分配一個(gè)16 位的網(wǎng)絡(luò)地址，網(wǎng)絡(luò)地址只在該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)是唯一的，是相對(duì)地址，設(shè)備也可以用這個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址在 PAN內(nèi)進(jìn)行通信。 從物理功能上分，設(shè)備的類型可以分為 2種。一種是具有全功能設(shè)備（ Full Function Device， FFD），另一種是精簡(jiǎn)功能設(shè)備（ Reduced Function Device， RFD）。在 PAN（ PersonalArea Network）中，全功能設(shè)備可以作為 PAN 的協(xié)調(diào)器，路由器或作為一個(gè)終端設(shè)備。一個(gè)全功能設(shè)備可以同時(shí)和多個(gè)精簡(jiǎn)功能設(shè)備或全功能 設(shè)備通信；對(duì) 于一個(gè)精簡(jiǎn)功能設(shè)備來(lái)說(shuō)，它只能和一個(gè)全功能進(jìn)行通信 [8]。 P A N 協(xié) 調(diào) 器P A N 協(xié) 調(diào) 器F F D R F D 信 息 流 圖 星型和簇樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 共 50 頁(yè) AODV 路由協(xié)議 AODV 自組織按需請(qǐng)求型距離向量路由協(xié)議（ Ad Hoc On Demand Distance Vector,簡(jiǎn)稱 AODV），AODV 采用的是逐跳轉(zhuǎn)發(fā)分組方式，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間保存了路由請(qǐng)求和路由回答的結(jié)果，因此路由的頭部不需要攜帶完整的路由信息，從而提高了協(xié)議的效率。 算法旨在多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中建立和維護(hù)一個(gè)自啟動(dòng)的，動(dòng)態(tài)的，多跳路由 的專屬網(wǎng)絡(luò)。 它是一種按需的改進(jìn)的距離向量路由協(xié)議，具有按需路由協(xié)議的特點(diǎn)即在 AODV 路由協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)在需要進(jìn)行通信時(shí)才發(fā)送路由分組