【正文】 器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)。電路設(shè)計(jì)如圖48所示。根據(jù)表4．6中的傳感器性能指標(biāo)可算出，當(dāng)?shù)臐舛冗_(dá)到100ppm時(shí)，傳感器輸出的電壓值只有104V，所以需要設(shè)計(jì)電壓放大電路以便CC2430可以識(shí)別量化。在日常生活中，當(dāng)室內(nèi)氣體濃度超過100 ppm時(shí)，人體就會(huì)產(chǎn)生乏力、頭痛等各種不適感；隨著氣體濃度的增加，會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生嘔吐、頭痛、窒息、昏迷等癥狀；當(dāng)?shù)臐舛瘸^600 ppm時(shí)，在較短期內(nèi)就會(huì)引起窒息死亡。10%長期漂移：2%/每月推薦負(fù)載值：10Ω線性度輸出：線性使用壽命3年因?yàn)镃O/MF系列傳感器屬于電流型傳感器，故輸出電流的大小隨的室內(nèi)濃度增加而線性增加。表43 傳感器特性表性能指標(biāo)數(shù)值測(cè)量范圍0500ppm內(nèi)置過濾器SO2和H2S過濾 (可選帶氫氣補(bǔ)償〈2%）尺寸輸出70177。圖49 BH1750FIV圖本文選擇一氧化碳?xì)怏w傳感器CO/MF500來采集室內(nèi)環(huán)境中的氣體。其要求是在VCC供電后DIV口必須有不少于的低電平時(shí)間，以保證ADDR,SDA,SCL口的穩(wěn)定。它的優(yōu)點(diǎn)是輸出值無需換算，即是光強(qiáng)度值；無需其它外部元件；抑制50Hz/60Hz的光噪聲；，故無需電壓轉(zhuǎn)換，直接接3V的電源即可。它是一種兩線式串行總線接口光強(qiáng)度傳感器集成電路。其中時(shí)鐘輸入線SCK與CC2430保持通訊同步，數(shù)據(jù)線DATA負(fù)責(zé)收發(fā)通信協(xié)議命令和數(shù)據(jù)。該電路中的主機(jī)是CC2430芯片，由它發(fā)出對(duì)環(huán)境參數(shù)測(cè)量的采集啟動(dòng)信號(hào)。SHT11芯片內(nèi)部集成了一個(gè)加熱器，大約能將自身溫度提高5℃，以防止芯片在惡劣環(huán)境下工作時(shí)內(nèi)部出現(xiàn)冷凝問題。2℃；其工作濕度范圍是0～100％RH，其中在20％～80％RH范圍內(nèi)，濕度測(cè)量精度不高于177。在同一芯片上，溫度傳感器和濕度傳感器可以與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串口電路實(shí)現(xiàn)無縫連接。圖45 debuger部分電路圖 溫濕度傳感器本設(shè)計(jì)選用的是SHT11芯片，其特點(diǎn)是高集成度、全標(biāo)定和數(shù)字輸出。其電路如圖44。系統(tǒng)工作電壓為3．3V。其原理相似，故本文只選擇溫度傳感器模塊來做敘述。故本節(jié)只介紹傳感器模塊。CC2530傳感器天線電源圖43 終端結(jié)構(gòu)圖4,2,2終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)終端節(jié)點(diǎn)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中主要負(fù)責(zé)的是將采集到的數(shù)據(jù)通過組建好的無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。它的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖42所示。圖41 無線傳感器節(jié)點(diǎn)模型協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中主要負(fù)責(zé)的是無線網(wǎng)絡(luò)的建立和節(jié)點(diǎn)管理等各種任務(wù)。用戶和遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元?jiǎng)t能夠通過衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)或Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，與觀測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交互。大量傳感節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，單個(gè)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過初始的通信和協(xié)商，通過自組織方式自行配置，形成一個(gè)傳輸信息的單跳鏈接或一系列的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同形成對(duì)目標(biāo)的感知視場(chǎng)。目標(biāo)、觀測(cè)節(jié)點(diǎn)傳感節(jié)點(diǎn)和感知視場(chǎng)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所包括的4個(gè)基本實(shí)體對(duì)象。 （14）硬件系統(tǒng)、軟件代碼程序自主設(shè)計(jì)完成保證長期技術(shù)支持。 （12）多種擴(kuò)展板既有簡單開發(fā)按鍵、又有液晶顯示及傳感器。直觀、明了； （9）配套提供多種傳感器(光敏/溫度/可調(diào)電阻)； （10）具有多年高頻設(shè)計(jì)工程師提供專業(yè)、經(jīng)驗(yàn)豐富技術(shù)支持； （11）功能強(qiáng)大的C51RF仿真器。根據(jù)需求可選配多種擴(kuò)展開發(fā)板； （6）開發(fā)方便、快捷、簡單； （7）C51編程。由于任務(wù)書上和市場(chǎng)上應(yīng)用的稍多的芯片是CC2530，其系統(tǒng)的集成性和通用性都較好并且其集成的51微處理器內(nèi)核亦較為熟悉，另外，CC2530芯片優(yōu)性能也是本文硬件選擇的一個(gè)較為重要的因素。MC13213可以提供全面的編碼和解碼、用于基帶MCU的可編程時(shí)鐘、以4 MHz（或更高）頻率運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)4線SPI、外部低噪聲放大器和功率放大器（PA）實(shí)現(xiàn)的功能擴(kuò)展以及可編程的輸出功率。對(duì)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(jī)，閃存可以在16~60 KB的范圍內(nèi)選擇。FREESCALE（飛思卡爾），它包括一個(gè)集成的發(fā)送/接收（T/R）開關(guān)，可以幫助降低對(duì)外部組件的需求，進(jìn)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(chǔ)存系統(tǒng)的軟件，包含了通訊協(xié)議堆棧，路徑表，應(yīng)用程序代碼與資料。EM250具有用作ZigBee位標(biāo)器節(jié)點(diǎn)，全功能設(shè)備(FFD)或降功能設(shè)備(RFD)所需的資源。EmberZNet ，具有獨(dú)特的能擴(kuò)展ZigBee功能性，簡單性和性能的增強(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)模塊而其他地方無需改動(dòng)；程序設(shè)計(jì)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：由于要安裝在環(huán)境各個(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)致上位機(jī)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)過處理和判斷光線強(qiáng)度，來控制窗簾的開關(guān)或燈的開關(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)，上位機(jī)會(huì)立即發(fā)送報(bào)警信號(hào)到報(bào)警裝置，上位機(jī)在啟動(dòng)報(bào)警裝置的同時(shí)，或可以自動(dòng)控制開窗，以達(dá)到室內(nèi)空氣流通的效果，保證家庭成員的安全。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(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。環(huán)境中中的每隔一段位置可以放一個(gè)這樣的類似節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)環(huán)境中進(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。 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)介紹 溫度人體對(duì)溫度的變化及其敏感，在環(huán)境溫度高于36攝氏度后，隨著溫度的增加對(duì)人體的負(fù)面影響都是逐級(jí)的增加，因此系統(tǒng)中最重要的就是對(duì)環(huán)境中溫度的采集。(2) 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)：組建并初始化ZigBee無線網(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)與上位機(jī)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，并且通過ZigBee無線網(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)。在本設(shè)計(jì)的應(yīng)用環(huán)節(jié)，本人用了三組傳感器節(jié)點(diǎn)做演示，并且每組傳感器附帶了超溫報(bào)警裝置，用來模擬當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生溫度異常而實(shí)時(shí)報(bào)警來提醒工作人員迅速關(guān)注該方位。當(dāng)然在應(yīng)用過程中可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的大小和所需監(jiān)測(cè)的內(nèi)容，來增加或減少傳感器節(jié)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖31所示。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)的無線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所以根據(jù)ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)組成的系統(tǒng)。首先對(duì)ZigBee技術(shù)進(jìn)行了概述，其次簡單介紹了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)用來收集各個(gè)配置信息來確定和執(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APSMESAP接入點(diǎn)，而若是控制信息則通過APSMESAP的接入點(diǎn)。(2) 從終端的應(yīng)用中集合配置的信息來執(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，也就是我們常說的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，簡稱APS)子層、ZigBee設(shè)備對(duì)象 (ZigBee Device Object，簡稱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)間的長短和什么時(shí)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(luò)的設(shè)備的能力。要求設(shè)備具有斷開網(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?，網(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(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)結(jié)構(gòu)圖在星狀結(jié)構(gòu)中無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),只不過在簇狀結(jié)構(gòu)中終端間的信息交換只能通過一級(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，可以說是同族兄弟了。ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)開發(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”的新一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)，而在2006年作為中國通信行業(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，低成本的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[8]。這樣做的好處是不需要專門的通信蜜蜂，通過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。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，Zig