【正文】 在多點進行測量。 本文主要研究內(nèi)容隨著我國經(jīng)濟和科技的迅猛發(fā)展，人們的生活水準(zhǔn)越來提高，日常家居的環(huán)境更受到了人們的關(guān)注。這就要求有各種有害氣體監(jiān)測功能的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)介入，為我們營造一個安全健康的家居環(huán)境。根據(jù)以上介紹，本文的主要研究如下：(1)ZigBee協(xié)議的介紹。在協(xié)調(diào)器節(jié)點中，本文實現(xiàn)了電源、串口通信、PCB天線等主要電路的設(shè)計；而在傳感器節(jié)點中，由于其與協(xié)調(diào)器類似，故僅針對不同的環(huán)境信息，設(shè)計出了不同的傳感模塊；(3)本論文還設(shè)計了串口調(diào)試操作界面，可以方便用戶的調(diào)試和使用，由此用戶就可以實時的了解到家庭中個中環(huán)境信息的參數(shù)。EW 對不同的微處理器提供了統(tǒng)一的直觀用戶界面。EW包括：嵌入式C/C++優(yōu)化編譯器，編輯器，連接定位器，匯編器，庫管理員，CSPY 調(diào)試器中和項目管理器。EW8051 目前是IAR公司發(fā)展較快的產(chǎn)品，EW8051 已經(jīng)發(fā)展到了8系列版本，并且在同類產(chǎn)品中具有明顯價格優(yōu)勢。除了EW MCS51標(biāo)準(zhǔn)版外，IAR 公司還專門為ARM、MP430等微處理器開發(fā)出專門的版本，方便了不同客戶的需求。EW支持35種以上的8位/16位/32位的微處理器結(jié)構(gòu)。IAR Embedded Workbench集成的編譯器主要產(chǎn)品特征：? 完全兼容標(biāo)準(zhǔn)C語言。? 高效PRO Mable 代碼。? 瓶頸性能分析。? 便捷的中斷處理和模擬。? 版本控制和擴展工具支持良好。本文使用的是IAR EW ，其與Windows XP系統(tǒng)的兼容性很好，在國內(nèi)研究CC2X30系列芯片的人應(yīng)用此軟件較多。圖11 IAR軟件界面 上位機軟件開發(fā)環(huán)境介紹Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面庫，有挪威TrollTech公司開發(fā)，目前包括Qt/X1基于Framebuffer的Qt/Embedded、快速開發(fā)工具Qt Designer以及國際化工具Qt Linguist等。Qt支持Unix和Linux系統(tǒng)以及Windows系統(tǒng)。Qt的這些特點使它非常適合于真正的構(gòu)件編程，同時使各個組件之間的協(xié)同工作變得十分簡單，并且Qt是直接基于Xlib的，不依賴Motif工具包，所以它的執(zhí)行效率比一般的基于平臺的代碼的執(zhí)行效率要高。這一名稱來源于蜜蜂的一種名叫Zig的舞蹈，由于通過持續(xù)不斷地跳這種舞蹈來實現(xiàn)對新發(fā)現(xiàn)的食物或其他信息的傳遞，換句話說蜜蜂是依靠這樣的通信方式來實現(xiàn)了一個通信網(wǎng)絡(luò)，而每個個體則是網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點。受蜜蜂的這種特殊的通信方式的啟發(fā)，ZigBee技術(shù)的研究也主要是在低速率、低功耗通信領(lǐng)域進行應(yīng)用，亦可以低成本地嵌入各種設(shè)備中組成龐大的網(wǎng)絡(luò)。ZigBee 技術(shù)主要用于低數(shù)據(jù)傳輸速率并且傳輸距離要求不是很遠(yuǎn)的各種通信設(shè)備之間。截至目前，該聯(lián)盟大約已有約27家成員企業(yè)，所有這些公司都參加了負(fù)責(zé)開發(fā)ZigBee協(xié)議物理層（PHY）和媒體控制層（MAC）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 。ZigBee協(xié)議則比藍牙技術(shù)、高速率個人區(qū)域網(wǎng)或 。但相比之下 ZigBee協(xié)議比藍牙更簡單、速率更慢、功率及費用也更低。此外，單個ZigBee無線模塊就可與254個節(jié)點互聯(lián)，若網(wǎng)絡(luò)中加入路由節(jié)點，則網(wǎng)絡(luò)最大承載量可支持65535個節(jié)點設(shè)備互聯(lián)。 ZigBee技術(shù)的特點ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用的是無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，與蜜蜂的通信類似，網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點間通信以一跳或多跳的形式自動建立網(wǎng)絡(luò)。其設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)自己組織性能使網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點在無需人工干預(yù)的情況下自己組網(wǎng)并實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，當(dāng)添加或去除網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點時，其余節(jié)點可以自行尋找其他節(jié)點替代中轉(zhuǎn)信息，具有較強網(wǎng)絡(luò)自愈能力。由于ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)有二十多家，他們的研發(fā)實力都很強，好多公司均已在2003年正式推出自己的ZigBee芯片，競爭較大，近年來應(yīng)用于主機端的芯片成本將會比藍牙等模塊更具價格上的優(yōu)勢；另外，因為ZigBee技術(shù)的速率要求低，協(xié)議內(nèi)容簡單，從而節(jié)省了開發(fā)的成本，目前常州市場CC2XX0等芯片的零售價格在20~30元之間不等。這也是ZigBee的最大的一個優(yōu)勢。每個ZigBee設(shè)備可以與另外254臺節(jié)點設(shè)備相連接，而加入路由節(jié)點的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可容納多達65，000多個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)。只有10kb/s～250kb/s，符合本設(shè)計需求。歐洲使用868MHz，美國則使用915MHz頻段，但這些均是免申請頻段，可以直接使用?；顒釉O(shè)備信道接入延時和休眠激活延時均僅為15ms，而搜索設(shè)備延時時間達到[10]。他們的功能分別如下：(1) ZigBee協(xié)調(diào)器(ZigBee Coordinator)：它是個全功能的設(shè)備，包含所有的網(wǎng)絡(luò)功能，是3種設(shè)備中功能最全面亦最復(fù)雜的一種，特點是計算能力強、存儲量大。(2) ZigBee路由器(ZigBee Router)：它也是全功能設(shè)備在加入網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器就會分配給它一定量的十六位地址空間，再由其分別分配給下級節(jié)點使用，方便每個節(jié)點接入或離開網(wǎng)絡(luò)，具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及路由之功能。只能自己的與上一級如協(xié)調(diào)器或路由器之間通信，包括獲取網(wǎng)絡(luò)地址等。星狀（start）網(wǎng)狀（Mesh）簇狀（Cluster） ZigBee的協(xié)議分析 網(wǎng)絡(luò)層（NWK）ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是確保ZigBee的MAC層(IEEE )正常工作，同時定義了一些必須的函數(shù)，并且為應(yīng)用層提供適合的服務(wù)接口。通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)實體服務(wù)接入點（NLDESAP），網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)實體（NLDE）得以提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)層管理實體(NLME)與之不同，它是通過網(wǎng)絡(luò)層管理實它體服務(wù)接入點(NLMESAP)來提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)的。 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體（NLDE） 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體為數(shù)據(jù)提供服務(wù)，在兩個或多的設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳送任務(wù)時，則是按照應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)的格式進行傳送的，并且所有的這些設(shè)備必須是在同一個網(wǎng)絡(luò)中，即要求在同一個個域網(wǎng)中。(2) 生成網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)：通過增加一個適當(dāng)?shù)膮f(xié)議頭，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體從應(yīng)用支持層協(xié)議數(shù)據(jù)單元中生成網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元。 網(wǎng)絡(luò)層管理實體（NLME）絡(luò)層管理實體允許應(yīng)用與堆棧相互作用，并且提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。配置選項包括對連接一個現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或一個ZigBee協(xié)調(diào)器的初始化的操作。(3) 連接和斷開網(wǎng)絡(luò)。(4) 鄰居設(shè)備發(fā)現(xiàn)：需要具有發(fā)現(xiàn)、匯報和記錄相鄰設(shè)備信息的能力。(6) 路由發(fā)現(xiàn)：具有發(fā)現(xiàn)并且記錄傳送信息的網(wǎng)絡(luò)路由的能力。 應(yīng)用層（APP）應(yīng)用層主要由用戶根據(jù)具體的應(yīng)用進行自我開發(fā)，用以維持節(jié)點的各種功能，發(fā)現(xiàn)此節(jié)點工作空間范圍內(nèi)其他節(jié)點的工作，再根據(jù)服務(wù)的需求為各個不同的節(jié)點提供通信服務(wù)。應(yīng)用支持子層APS層提供了這樣的接口：在NWK層和APL層間，從設(shè)備對象到供應(yīng)商的應(yīng)用對象的通用服務(wù)集。(1) APSME通過APSME服務(wù)接入點(APSMESAP)；(2) APSDE通過APSDE服務(wù)接入點(APSDESAP)。APSDE則提供在同一個網(wǎng)絡(luò)中的兩個或多個應(yīng)用實體間進行數(shù)據(jù)通信的服務(wù)。其最多可以定義240個較為獨立的應(yīng)用程序?qū)ο?，任意一個對象的端點編號都是從1到240。ZigBee設(shè)備對象ZigBee設(shè)備對象(ZDO)，描述了一個基本的功能函數(shù)，這個函數(shù)為在應(yīng)用對象、設(shè)備profile和APS之間提供了一個接口。ZDO還有以下作用：(1) 初始化安全服務(wù)規(guī)范(SSS)，應(yīng)用支持子層(APS)和網(wǎng)絡(luò)層(NWK)。ZDO描述了應(yīng)用框架層的應(yīng)用對象的網(wǎng)絡(luò)功能和應(yīng)用對象的公用接口用以控制設(shè)備。ZDO公用接口則在ZigBee協(xié)議棧的應(yīng)用框架中提供設(shè)備發(fā)現(xiàn)、綁定、以及安全等各種功能的地址管理服務(wù)。 本章小結(jié)本章對ZigBee技術(shù)進行了主要討論。特別對最后在程序設(shè)計時起了很大的作用。其中，傳感器節(jié)點通過ZigBee無線技術(shù)與協(xié)調(diào)器進行信息的交換，協(xié)調(diào)器則通過串口RS232與PC進行相連通信。當(dāng)然在實踐過程中可以根據(jù)家庭居住環(huán)境的大小和所需監(jiān)測的內(nèi)容，來增加或減少傳感器節(jié)點。在本設(shè)計的實踐環(huán)節(jié)，本人只是用了一個溫度傳感器做了演示。本文設(shè)計的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要是獲取家庭環(huán)境中的一些環(huán)境參數(shù)，以實現(xiàn)對環(huán)境信息的全面監(jiān)控，從而為用戶的決策提供有利的參考。溫度傳感器可以在用戶設(shè)定的頻率下采集區(qū)域的溫度信息，并將其發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點進行處理，再由協(xié)調(diào)器將處理結(jié)果數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到PC，此時，PC可按之前用戶設(shè)置好的參數(shù)和程序?qū)照{(diào)系統(tǒng)進行控制，從而實現(xiàn)對室內(nèi)溫度的控制，當(dāng)然這些是后續(xù)控制，不在本文討論范圍內(nèi)。(2) 濕度人類對濕度雖然不是特別敏感，但其時時刻刻亦影響著人們的健康，尤其是老年與兒童。而在本系統(tǒng)中，通過濕度傳感器對濕度信息的采集，再經(jīng)由PC的處理后，對加濕器進行控制，即可達到科學(xué)明了地控制室內(nèi)的濕度。故對一氧化碳?xì)怏w濃度監(jiān)測也是必不可少的一部分。(4) 亮度亮度的監(jiān)測可以利用分布在各個房間里的光敏傳感器來實現(xiàn)。當(dāng)光線過強時，可以控制窗簾自動合起或電燈關(guān)閉，反之則可以控制其打開或電燈打開。 系統(tǒng)設(shè)計要求本系統(tǒng)是在家庭環(huán)境中實現(xiàn)各種功能，根據(jù)此特點，可以總結(jié)出以下幾種要求。硬件要求(1) 低功耗：由于是無線傳感網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點較多，所以只能由電池供電，故要求低功耗以延長使用，減少電池更換次數(shù)。如，未發(fā)生一氧化碳泄露即報警等。(4) 可擴展：能夠根據(jù)用戶的不同需求，隨時增加或減少傳感器節(jié)點設(shè)置。 本章小結(jié)本章主要是對系統(tǒng)的總體的方案以及各個組成部分進行了設(shè)計。最后，對系統(tǒng)的整體設(shè)別提出了設(shè)計要求，為系統(tǒng)后續(xù)的軟硬件設(shè)計提供了要求和設(shè)計基礎(chǔ)。目前主要有TI/CHIPCON、EMBER(ST)、JENNIC(捷力)、FREESCALE（飛思卡爾）等幾家公司有ZigBee產(chǎn)品。由此CC2530得以廣泛應(yīng)用于工控系統(tǒng)、汽車和無線傳感網(wǎng)絡(luò)等各種領(lǐng)域；EMBER(ST)推出首款符合IEEE 。（1） TI/CHIPCONTI公司的TCC2530 、ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。CC2530 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。CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。（2） EMBER(ST)EM250半導(dǎo)體系統(tǒng)提供更長的距離和可靠的共存性，包括低功耗16位微控制器，128KB閃存，5K RAM， 。這些特性包括支持移動節(jié)點，大/密的網(wǎng)絡(luò)，以及能在節(jié)點和授權(quán)分布式構(gòu)造間提供更加可靠無線通信的傳輸層。（3） JENNIC(捷力)JN5139芯片是一個低功率及低價位的無線微處理器，主要針對無線感測網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品為主，JN5139整合了32bit RISC微處理器， ，192k ROM，另外，可選擇搭配RAM的容量從8KB至96KB(不同料號)，也整合一些數(shù)字及模擬周邊線路，大幅降低外部零件的需求。也包含了硬件的MAC地址與AES加解密的加速器，并擁有省電與定時睡眠模式，另外還有安全碼與程序代碼加密機制。該收發(fā)信機支持飛思卡爾的軟件棧選項、簡單MAC（SMAC）、 MA