【正文】 ee功能性，簡(jiǎn)單性和性能的增強(qiáng)特性。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短進(jìn)一步確保了低能源消耗。CC2530 有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB 的閃存。它能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。它集成了可編程處理器、RF射頻、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及存儲(chǔ)器；JENNIC(捷力)公司的JN5121芯片則在業(yè)界屬于第一款兼容于IEEE ，低成本無(wú)線微型控制器；而FREESCALE（飛思卡爾）目前主推的完全兼容IEEE 。TI/ CHIPCON公司發(fā)布了單芯片ZigBee解決方案CC2530的片上系統(tǒng)級(jí)芯片(SOC)，結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB RAM 和許多其他強(qiáng)大的功能。第4章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) ZigBee硬件選型在介紹整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案之前，首先對(duì)目前市場(chǎng)上售賣的主要的幾款基于ZigBee技術(shù)的硬件平臺(tái)及其各平臺(tái)的自身特點(diǎn)進(jìn)行一一介紹。同時(shí)，對(duì)不同的環(huán)境參數(shù)做了介紹，以本系統(tǒng)對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)功能的需要。軟件要求軟件方面要求程序模塊化設(shè)計(jì)，可以使系統(tǒng)升級(jí)方便以備增加節(jié)點(diǎn)時(shí)修改其中一個(gè)模塊而其他地方無(wú)需改動(dòng)；程序設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳輸格式要統(tǒng)一。故要求系統(tǒng)的安全性(3) 外觀：由于要安裝在家庭各個(gè)地點(diǎn)，故要求其盡量小巧，美觀。(2) 安全性：本系統(tǒng)為家居環(huán)境控制系統(tǒng)做前期的數(shù)據(jù)采集，若出現(xiàn)錯(cuò)誤，則可導(dǎo)致PC判斷錯(cuò)誤，導(dǎo)致錯(cuò)誤控制。分別從軟硬件兩個(gè)方面來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，本系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的不同需求增加或減少傳感器的數(shù)量，及使用不同的傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。光敏傳感器可以將感知的光線強(qiáng)度信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器則將信息傳輸?shù)絇C，經(jīng)過(guò)處理和判斷光線強(qiáng)度，來(lái)控制窗簾的開(kāi)關(guān)或燈的開(kāi)關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到一氧化碳?xì)怏w濃度大于用戶設(shè)定是初值時(shí)，PC會(huì)立即發(fā)送報(bào)警信號(hào)到報(bào)警裝置或者是家庭成員的手機(jī)或直接報(bào)警，PC在啟動(dòng)報(bào)警裝置的同時(shí)，或可以自動(dòng)控制開(kāi)窗，以達(dá)到室內(nèi)空氣流通的效果，保證家庭成員的安全。(3) 一氧化碳?xì)怏w燃?xì)獾闹饕煞志褪且谎趸?當(dāng)燃?xì)獍l(fā)生泄漏時(shí)，空氣中一氧化碳濃度達(dá)到一定時(shí)，就會(huì)對(duì)家庭人員生命帶來(lái)威脅。目前人們經(jīng)常是通過(guò)普通的加濕器來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度，此類加濕器一般只是手動(dòng)操作，這樣就存在著人為的主觀不確定性，最終也有可能不利于環(huán)境之改善。家庭中的每個(gè)房間可以多放幾個(gè)這樣的類似節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)房間進(jìn)行多點(diǎn)的溫度信息采集，以提高溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度。以下是對(duì)各種參數(shù)的介紹： (1) 溫度人體對(duì)溫度的變化甚為敏感，在環(huán)境溫度高于36攝氏度后，每增加一度對(duì)人體的負(fù)面影響都是幾何級(jí)的增加，故此系統(tǒng)中最重要也是最基本的就是環(huán)境中溫度的采集。 系統(tǒng)功能定義為了實(shí)現(xiàn)基于ZigBee技術(shù)的家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的各種功能作出以下定義：(1) 管理中心(PC)：實(shí)時(shí)顯示家庭中各種的環(huán)境信息，并且用戶可通過(guò)PC實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置與管理，如：管理網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)信息，發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，發(fā)送休眠指令，設(shè)置傳感器節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境信息的周期的長(zhǎng)短；(2) 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)：組建并初始化ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，管理各傳感器節(jié)點(diǎn)終端，發(fā)送與接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與指令，同時(shí)與管理中心(PC)進(jìn)行通信；(3) 傳感器節(jié)點(diǎn)：對(duì)周圍環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)將環(huán)境信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。當(dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)域較大時(shí)，可用增加傳感器節(jié)點(diǎn)的方法來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)的連通性，相反區(qū)域較小時(shí)可以根據(jù)情況減少路由器節(jié)點(diǎn)的設(shè)置以節(jié)省系統(tǒng)資源，降低成本。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖31所示PC協(xié)調(diào)器傳感器節(jié)點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)圖31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由圖31可知，本系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)的是環(huán)境信息的采集與發(fā)送，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)的是網(wǎng)絡(luò)的建立、終端節(jié)點(diǎn)管理、數(shù)據(jù)處理和對(duì)PC端的數(shù)據(jù)通信。第3章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本論文是基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所以根據(jù)ZigBee技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和特點(diǎn)設(shè)計(jì)了由多傳感器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和PC組成的該系統(tǒng)。首先對(duì)ZigBee技術(shù)進(jìn)行了概述，其次簡(jiǎn)單介紹了ZigBee技術(shù)的各種特點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，最后對(duì)ZigBee的協(xié)議，MAC層，還有網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的各主要功能都進(jìn)行了介紹，為下面的研究工作提供了有力基礎(chǔ)。ZigBee設(shè)備對(duì)象的主要功能如下：(1) 初始化網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用支持子層和安全服務(wù)層；(2) 發(fā)起或響應(yīng)綁定請(qǐng)求；(3) 在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部發(fā)現(xiàn)設(shè)備，并且確定為此發(fā)現(xiàn)的設(shè)備提供的應(yīng)用服務(wù)種類；(4) 定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的各種角色，如，終端設(shè)備、路由器或協(xié)調(diào)器；(5) 從終端的應(yīng)用來(lái)收集各個(gè)配置信息來(lái)確定和執(zhí)行發(fā)現(xiàn)管理、網(wǎng)絡(luò)管理、安全管理和綁定管理等；(6) 在網(wǎng)內(nèi)各個(gè)設(shè)備之間建立起安全又可靠的關(guān)系。在終端節(jié)點(diǎn)0處, ZDO則提供了與協(xié)議棧中低一層進(jìn)行連接的接口，若接受的是數(shù)據(jù)，則通過(guò)APSMESAP接入點(diǎn)，而若是控制信息則通過(guò)APSMESAP的接入點(diǎn)。(2) 從終端的應(yīng)用中集合配置的信息來(lái)執(zhí)行和確定發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)管理、綁定管理，以及安全管理等作用。ZDO位于應(yīng)用支持子層和應(yīng)用框架之間，在ZigBee協(xié)議棧中應(yīng)用操作的一般需求它有所滿足。另外還有兩個(gè)附加的節(jié)點(diǎn)終端為了APSDESAP的使用：端點(diǎn)號(hào)0專門(mén)應(yīng)用于ZDO數(shù)據(jù)接口；而另外一端的端點(diǎn)號(hào)255則專門(mén)應(yīng)用于所有應(yīng)用對(duì)象廣播數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接口；最后，端點(diǎn)241254則是要保留給有需要擴(kuò)展的時(shí)候使用的。應(yīng)用層框架為存在ZigBee設(shè)備中的應(yīng)用對(duì)象提供活動(dòng)的環(huán)境的是ZigBee中的應(yīng)用框架。APSDE提供了多種服務(wù)給應(yīng)用對(duì)象，維護(hù)管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)，也就是我們常說(shuō)的AIB，同時(shí)這些服務(wù)包括綁定設(shè)備和安全服務(wù)。這服務(wù)由兩個(gè)實(shí)體得以實(shí)現(xiàn)：APS管理實(shí)體(APSDE)和APS數(shù)據(jù)實(shí)體APSDE。ZigBee應(yīng)用層有三個(gè)不同的部分分別是：應(yīng)用支持 (Application Support Sub1ayer，簡(jiǎn)稱APS)子層、ZigBee設(shè)備對(duì)象 (ZigBee Device Object，簡(jiǎn)稱ZDO)和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象。(7) 接收控制：具有控制設(shè)備是否處于接收狀態(tài)的能力，即控制接收機(jī)接收信息時(shí)間的長(zhǎng)短和什么時(shí)候來(lái)接收信息，以此來(lái)保證MAC層的正常接收和同步等。(5) 尋址：ZigBee協(xié)調(diào)器和路由器具有分配地址給新加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備的能力。要求設(shè)備具有斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)的能力和具有連接一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)的能力，以建立一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器或者路由器。(2) 初始化一個(gè)網(wǎng)絡(luò)：使設(shè)備有能力建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體提供了以下的幾種服務(wù)：(1) 配置一個(gè)新的設(shè)備：設(shè)備應(yīng)具有足夠的堆棧來(lái)保證其正常工作的需要，并且滿足配置的需要。(3) 安全：確保通信的機(jī)密性和真實(shí)性。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體提供的服務(wù)如下三項(xiàng)：(1) 指定拓?fù)鋫鬏斅酚桑W(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體發(fā)送一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元到一個(gè)合適的接受設(shè)備，此設(shè)備可能是一個(gè)在通信鏈路中的中間通信設(shè)備，也可能是最終的目的通信設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體則是利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體完成一些網(wǎng)絡(luò)的管理工作，并且網(wǎng)絡(luò)信息庫(kù)(NIB)理是網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體完成的。網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個(gè)必須的功能服務(wù)實(shí)體來(lái)向應(yīng)用層提供服務(wù)接口，它們分別是管理服務(wù)實(shí)體和數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體。協(xié)調(diào)器路由器終端設(shè)備圖21 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖在星狀結(jié)構(gòu)中無(wú)論是路由器或終端設(shè)備都是直接與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，而ZigBee協(xié)調(diào)器則負(fù)責(zé)運(yùn)作與維護(hù)著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)；在簇狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)初始化和建立網(wǎng)絡(luò)的操作，而路由器則對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展，終端設(shè)備的信息由路由器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),只不過(guò)在簇狀結(jié)構(gòu)中終端間的信息交換只能通過(guò)一級(jí)級(jí)向上傳遞到協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器將信息分發(fā)下去[11]。 在ZigBee協(xié)議規(guī)范中，組網(wǎng)時(shí)有三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可供選擇：星型結(jié)構(gòu)(Star)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇樹(shù)型結(jié)構(gòu)(ClusterTree)，圖21所示。(3) ZigBee終端設(shè)備(ZigBee End Device)：其一般的簡(jiǎn)化的功能設(shè)備。它的作用是發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立并且管理一個(gè)網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)信息并且不斷地接收下級(jí)節(jié)點(diǎn)所發(fā)來(lái)的信息。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)根據(jù)ZigBee聯(lián)盟所設(shè)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，按功能分其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備劃分為三種：ZigBee協(xié)調(diào)器(ZigBee Coordinator)，ZigBee路由器(ZigBee Router)，Zig,Bee終端設(shè)備(ZigBee End Device)。(7) 網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間短。(6) 工作頻段靈活。(5) 數(shù)據(jù)傳輸速率低。(4) 網(wǎng)絡(luò)容量大。(3) 功耗低。(2) 成本低。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)則以ZigBee協(xié)議為基礎(chǔ)進(jìn)行通信，與各種傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相比，其主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面:(1) 網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性好。由于它的低延遲和低功耗性能優(yōu)越性，所以在支持鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等電腦周邊產(chǎn)品和家庭自動(dòng)化儀器等低速率應(yīng)用時(shí)可以比藍(lán)牙做地更好，人們更希望能在無(wú)線玩具、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、工業(yè)監(jiān)控和安全系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域拓展ZigBee的應(yīng)用[9]。ZigBee的基本速率是250kb/s，而若當(dāng)其速率降到28kb/s時(shí)，傳輸半徑可擴(kuò)大到134米，并可得到更低的功耗和更高的可靠性。采用了跳頻技術(shù)，這和藍(lán)牙技術(shù)相似，可以說(shuō)是同族兄弟了。ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)層及以上的協(xié)議。ZigBee聯(lián)盟則于2001年成立，而在2002年下半年，Invensys、Mitsubishi、Motorola以及Philips四大半導(dǎo)體公司共同宣布加盟ZigBee技術(shù)聯(lián)盟，以研發(fā)名為“ZigBee”的新一代無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，而在2006年作為中國(guó)通信行業(yè)龍頭的華為公司亦加入了此聯(lián)盟?？偠灾甖igBee技術(shù)就是一種低功耗，低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[8]。這樣做的好處是不需要專門(mén)的通信蜜蜂，通過(guò)信息接力就完成了整個(gè)通信，從而實(shí)現(xiàn)了蜜蜂的低成本、低數(shù)據(jù)速率、自組織、低功耗、近距離、低復(fù)雜度等的信息傳遞方式。圖12為Qt的軟件界面圖12 Qt軟件界面第2章 ZigBee技術(shù)的概述 ZigBee技術(shù)的概念，根據(jù)此協(xié)議的規(guī)定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。Qt的主要特點(diǎn)有：面向?qū)ο?，很容易擴(kuò)展，并且允許真正的組件編程；Qt對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了良好的封裝，使各模塊可重用性較好；優(yōu)良的跨平臺(tái)特性，使用Qt類編寫(xiě)的程序可以實(shí)現(xiàn)“一次編碼，到處編譯”，極大的降低了跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)的難度；構(gòu)件支持，對(duì)于對(duì)象間通信Qt沒(méi)有采用函數(shù)回調(diào)的方法，而是采用了一種全新并且可選的被稱為“信號(hào)與槽”的對(duì)象間通信機(jī)制，通過(guò)一個(gè)對(duì)象信號(hào)的發(fā)射，另一個(gè)槽函數(shù)的響應(yīng)，使各個(gè)對(duì)象之間的通信安全而且高效。人們所熟知的Linux下面的KDE環(huán)境就是基于Qt開(kāi)發(fā)而成的。圖11為IAR Embedded Workbench 。? 內(nèi)存模式選擇。? 工程中相對(duì)路徑支持。? 高效浮點(diǎn)支持。? 目標(biāo)特性擴(kuò)充。? 內(nèi)建對(duì)應(yīng)芯片的程序速度和大小優(yōu)化器。它配合TI公司的仿真器可以直接將程序下載到CC2530中[7]。IAR System是嵌入式領(lǐng)域唯一能夠提供這種解決方案的公司。其編譯器可以對(duì)一些SOC 芯