【正文】 3可以提供全面的編碼和解碼、用于基帶MCU的可編程時鐘、以4 MHz（或更高）頻率運行的標準4線SPI、外部低噪聲放大器和功率放大器（PA）實現(xiàn)的功能擴展以及可編程的輸出功率。對于更大規(guī)模的聯(lián)網(wǎng)，則可以使用MC13212（具有32 KB的內(nèi)存和2 KB的RAM內(nèi)存）和IEEE MAC。集成了MC9S08GT MCU和MC1320x收發(fā)信機，閃存可以在16~60 KB的范圍內(nèi)選擇。（4） FREESCALE（飛思卡爾），它包括一個集成的發(fā)送/接收（T/R）開關(guān)，可以幫助降低對外部組件的需求，進而降低原料成本和系統(tǒng)總成本。內(nèi)建的內(nèi)存主要是用來儲存系統(tǒng)的軟件，包含了通訊協(xié)議堆棧，路徑表，應用程序代碼與資料。EM250具有用作ZigBee位標器節(jié)點，全功能設備(FFD)或降功能設備(RFD)所需的資源。EmberZNet ，具有獨特的能擴展ZigBee功能性，簡單性和性能的增強特性。運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短進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大的網(wǎng)絡節(jié)點。它集成了可編程處理器、RF射頻、網(wǎng)絡協(xié)議及存儲器；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)界標準的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB RAM 和許多其他強大的功能。第4章 系統(tǒng)的硬件設計 ZigBee硬件選型在介紹整個系統(tǒng)的硬件設計方案之前，首先對目前市場上售賣的主要的幾款基于ZigBee技術(shù)的硬件平臺及其各平臺的自身特點進行一一介紹。同時，對不同的環(huán)境參數(shù)做了介紹，以本系統(tǒng)對環(huán)境監(jiān)測功能的需要。軟件要求軟件方面要求程序模塊化設計，可以使系統(tǒng)升級方便以備增加節(jié)點時修改其中一個模塊而其他地方無需改動；程序設計要簡單，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地點，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)錯誤，則可導致PC判斷錯誤，導致錯誤控制。分別從軟硬件兩個方面來得以實現(xiàn)。當然，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行監(jiān)測。光敏傳感器可以將感知的光線強度信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器則將信息傳輸?shù)絇C，經(jīng)過處理和判斷光線強度，來控制窗簾的開關(guān)或燈的開關(guān)。當系統(tǒng)檢測到一氧化碳氣體濃度大于用戶設定是初值時，PC會立即發(fā)送報警信號到報警裝置或者是家庭成員的手機或直接報警，PC在啟動報警裝置的同時，或可以自動控制開窗，以達到室內(nèi)空氣流通的效果，保證家庭成員的安全。(3) 一氧化碳氣體燃氣的主要成分就是一氧化碳 當燃氣發(fā)生泄漏時，空氣中一氧化碳濃度達到一定時，就會對家庭人員生命帶來威脅。目前人們經(jīng)常是通過普通的加濕器來調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度，此類加濕器一般只是手動操作，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。家庭中的每個房間可以多放幾個這樣的類似節(jié)點，可實現(xiàn)在同一個房間進行多點的溫度信息采集，以提高溫度測量的準確度。以下是對各種參數(shù)的介紹： (1) 溫度人體對溫度的變化甚為敏感，在環(huán)境溫度高于36攝氏度后，每增加一度對人體的負面影響都是幾何級的增加，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)功能定義為了實現(xiàn)基于ZigBee技術(shù)的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計，現(xiàn)對系統(tǒng)的各種功能作出以下定義：(1) 管理中心(PC)：實時顯示家庭中各種的環(huán)境信息，并且用戶可通過PC實現(xiàn)對網(wǎng)絡中各個節(jié)點設置與管理，如：管理網(wǎng)絡各個節(jié)點的節(jié)點信息，發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，發(fā)送休眠指令，設置傳感器節(jié)點采集環(huán)境信息的周期的長短；(2) 協(xié)調(diào)器節(jié)點：組建并初始化ZigBee無線網(wǎng)絡，管理各傳感器節(jié)點終端，發(fā)送與接收網(wǎng)絡數(shù)據(jù)與指令，同時與管理中心(PC)進行通信；(3) 傳感器節(jié)點：對周圍環(huán)境信息進行實時采集，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡實時將環(huán)境信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點。當監(jiān)測區(qū)域較大時，可用增加傳感器節(jié)點的方法來保證網(wǎng)絡的連通性，相反區(qū)域較小時可以根據(jù)情況減少路由器節(jié)點的設置以節(jié)省系統(tǒng)資源，降低成本。本文設計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖31所示PC協(xié)調(diào)器傳感器節(jié)點傳感器節(jié)點傳感器節(jié)點圖31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由圖31可知，本系統(tǒng)中傳感器節(jié)點主要負責的是環(huán)境信息的采集與發(fā)送，協(xié)調(diào)器節(jié)點主要負責的是網(wǎng)絡的建立、終端節(jié)點管理、數(shù)據(jù)處理和對PC端的數(shù)據(jù)通信。第3章 系統(tǒng)的總體設計 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本論文是基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，所以根據(jù)ZigBee技術(shù)的標準和特點設計了由多傳感器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點和PC組成的該系統(tǒng)。首先對ZigBee技術(shù)進行了概述，其次簡單介紹了ZigBee技術(shù)的各種特點及網(wǎng)絡拓撲圖，最后對ZigBee的協(xié)議，MAC層，還有網(wǎng)絡層和應用層的各主要功能都進行了介紹，為下面的研究工作提供了有力基礎(chǔ)。ZigBee設備對象的主要功能如下：(1) 初始化網(wǎng)絡層、應用支持子層和安全服務層；(2) 發(fā)起或響應綁定請求；(3) 在網(wǎng)絡內(nèi)部發(fā)現(xiàn)設備，并且確定為此發(fā)現(xiàn)的設備提供的應用服務種類；(4) 定義設備在網(wǎng)絡中的各種角色，如，終端設備、路由器或協(xié)調(diào)器；(5) 從終端的應用來收集各個配置信息來確定和執(zhí)行發(fā)現(xiàn)管理、網(wǎng)絡管理、安全管理和綁定管理等；(6) 在網(wǎng)內(nèi)各個設備之間建立起安全又可靠的關(guān)系。在終端節(jié)點0處, ZDO則提供了與協(xié)議棧中低一層進行連接的接口，若接受的是數(shù)據(jù)，則通過APSMESAP接入點，而若是控制信息則通過APSMESAP的接入點。(2) 從終端的應用中集合配置的信息來執(zhí)行和確定發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡管理、綁定管理，以及安全管理等作用。ZDO位于應用支持子層和應用框架之間，在ZigBee協(xié)議棧中應用操作的一般需求它有所滿足。另外還有兩個附加的節(jié)點終端為了APSDESAP的使用：端點號0專門應用于ZDO數(shù)據(jù)接口；而另外一端的端點號255則專門應用于所有應用對象廣播數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接口；最后，端點241254則是要保留給有需要擴展的時候使用的。應用層框架為存在ZigBee設備中的應用對象提供活動的環(huán)境的是ZigBee中的應用框架。APSDE提供了多種服務給應用對象，維護管理對象的數(shù)據(jù)庫，也就是我們常說的AIB，同時這些服務包括綁定設備和安全服務。這服務由兩個實體得以實現(xiàn)：APS管理實體(APSDE)和APS數(shù)據(jù)實體APSDE。ZigBee應用層有三個不同的部分分別是：應用支持 (Application Support Sub1ayer，簡稱APS)子層、ZigBee設備對象 (ZigBee Device Object，簡稱ZDO)和制造商定義的應用對象。(7) 接收控制：具有控制設備是否處于接收狀態(tài)的能力，即控制接收機接收信息時間的長短和什么時候來接收信息，以此來保證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)絡的設備的能力。要求設備具有斷開網(wǎng)絡的能力和具有連接一個新的網(wǎng)絡的能力，以建立一個ZigBee協(xié)調(diào)器或者路由器。(2) 初始化一個網(wǎng)絡：使設備有能力建立一個新的網(wǎng)絡。網(wǎng)絡層管理實體提供了以下的幾種服務：(1) 配置一個新的設備：設備應具有足夠的堆棧來保證其正常工作的需要，并且滿足配置的需要。(3) 安全：確保通信的機密性和真實性。網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體提供的服務如下三項：(1) 指定拓撲傳輸路由，網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體發(fā)送一個網(wǎng)絡層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元到一個合適的接受設備，此設備可能是一個在通信鏈路中的中間通信設備，也可能是最終的目的通信設備。網(wǎng)絡層管理實體則是利用網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體完成一些網(wǎng)絡的管理工作，并且網(wǎng)絡信息庫(NIB)理是網(wǎng)絡層管理實體完成的。網(wǎng)絡層提供了兩個必須的功能服務實體來向應用層提供服務接口，它們分別是管理服務實體和數(shù)據(jù)服務實體。協(xié)調(diào)器路由器終端設備圖21 ZigBee網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖在星狀結(jié)構(gòu)中無論是路由器或終端設備都是直接與協(xié)調(diào)器進行通信，而ZigBee協(xié)調(diào)器則負責運作與維護著整個網(wǎng)絡；在簇狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，協(xié)調(diào)器負責初始化和建立網(wǎng)絡的操作，而路由器則對網(wǎng)絡進行擴展，終端設備的信息由路由器進行轉(zhuǎn)發(fā),只不過在簇狀結(jié)構(gòu)中終端間的信息交換只能通過一級級向上傳遞到協(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)時有三種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)可供選擇：星型結(jié)構(gòu)(Star)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇樹型結(jié)構(gòu)(ClusterTree)，圖21所示。(3) ZigBee終端設備(ZigBee End Device)：其一般的簡化的功能設備。它的作用是發(fā)送網(wǎng)絡信標、建立并且管理一個網(wǎng)絡及網(wǎng)絡節(jié)點、存儲節(jié)點信息并且不斷地接收下級節(jié)點所發(fā)來的信息。 ZigBee網(wǎng)絡設備組成和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)根據(jù)ZigBee聯(lián)盟所設定的技術(shù)標準，按功能分其網(wǎng)絡設備劃分為三種：ZigBee協(xié)調(diào)器(ZigBee Coordinator)，ZigBee路由器(ZigBee Router)，Zig,Bee終端設備(ZigBee End Device)。(7) 網(wǎng)絡延遲時間短。(6) 工作頻段靈活。(5) 數(shù)據(jù)傳輸速率低。(4) 網(wǎng)絡容量大。(3) 功耗低。(2) 成本低。網(wǎng)絡節(jié)點則以ZigBee協(xié)議為基礎(chǔ)進行通信，與各種傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡相比，其主要優(yōu)點有以下幾個方面:(1) 網(wǎng)絡穩(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、鍵盤等電腦周邊產(chǎn)品和家庭自動化儀器等低速率應用時可以比藍牙做地更好，人們更希望能在無線玩具、傳感器網(wǎng)絡、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的應用[9]。ZigBee的基本速率是250kb/s，而若當其速率降到28kb/s時，傳輸半徑可擴大到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)，這和藍牙技術(shù)相似，可以說是同族兄弟了。ZigBee聯(lián)盟負責開發(fā)網(wǎng)絡層及以上的協(xié)議。ZigBee聯(lián)盟則于2001年成立，而在