【正文】 ample application example on how to realize a distributed temperature measure task， including power consumption management， configuration of wireless work ， using the onchip temperature sensor to detect the environment temperature， the way the temperature data is send from childdevice， and the receiving of temperature. Data on the coordinate side， and the way the data is uploaded to a PC， on which the data is further display. Key words: data collection。 CC2430。本 論文 對(duì) ZigBee 技 術(shù)進(jìn) 行 廣 泛深入的分析和研究，使用 ZigBee 協(xié)議設(shè)計(jì)應(yīng) 用程序并 結(jié) 合硬件 進(jìn) 行 實(shí)驗(yàn) ，主要研究工作如下： 本論文擬設(shè)計(jì)出一種對(duì)于多種環(huán)境應(yīng)用 ZigBee 無(wú)線數(shù)據(jù)采集。論文具體結(jié)構(gòu)如下： 第一部分 前言 。 第二部分 ZigBee 技術(shù)分析 。 第三部分 ZigBee 技術(shù)在溫度采集通信中的應(yīng)用 。 第四部分 ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì) 。 第五部分總結(jié)與展望 。 菏澤學(xué)院本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 3 1. 前 言 研究的背景及意義 隨著電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，無(wú)線通信、無(wú)線控制、無(wú)線定位、無(wú)線組網(wǎng)等進(jìn)入各個(gè)領(lǐng)域。 用于傳感控制應(yīng)用 (sensor and control)。 2020 年 ， ZigBee 誕生 。 2020 年 ， 推出 ZigBee 2020， 比較完善 . 2020 年底 ， ZigBee PRO 推出 ZigBee 的底層技術(shù)基于 IEEE . 物理層和 MAC 層直接引用了 IEEE 。對(duì)工業(yè)，家庭自動(dòng)化控制和工業(yè)遙測(cè)遙控領(lǐng)域而言，藍(lán)牙技術(shù)顯得太復(fù)雜，功耗大，距離近，組網(wǎng)規(guī)模太小等，而工業(yè)自動(dòng)化，對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)通信的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，而且，對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，這種無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸必須是高 可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾。另外， ZigBee 使用了在它之前所研究過(guò)的面向家庭網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議 Home RF Lite[2]。自從 Bluetooth 出現(xiàn)以后，曾讓工業(yè)控制、家用自動(dòng)控制、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已，但是 Bluetooth 的售價(jià)一直居高不下，嚴(yán)重影響了這些廠商的使用意愿。 規(guī)范是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率(250kbps)、工作在 和 868/928MHz 的無(wú)線技術(shù)，用于個(gè)人區(qū)域網(wǎng)和對(duì)等網(wǎng)絡(luò)。 ZigBee 是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。它依據(jù) 標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。 目前，短距離無(wú)線通信技術(shù)已經(jīng)成為無(wú)線通信技術(shù)的一個(gè)重要的分支，這是因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)生活中，存在著許多這樣的應(yīng)用情況，系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常為小量的突發(fā)數(shù)據(jù)信號(hào)，即數(shù)據(jù)特征為數(shù)據(jù)量小，需要構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，要求進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送因此用戶希望利用具有成本低、體積小、和能耗小的短距離無(wú)線通信技術(shù) [3]。而對(duì)于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的要求是：用簡(jiǎn)單易操作的協(xié)議棧支持 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的有效運(yùn)行，并利用廣播信息，避免交互應(yīng)答，簡(jiǎn)化的協(xié)議層次，簡(jiǎn)練的信令方式，極少的系統(tǒng)開(kāi)銷等。 ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要適合于短距離無(wú)線通信、組網(wǎng)、自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域，并可以嵌入至各種設(shè)備中。由傳感器和 ZigBee 系統(tǒng)組成的 ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可自動(dòng)采集、分析和處理各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，同時(shí)， ZigBee 技術(shù)具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展能力，理論上，一個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可容納 65536 個(gè)節(jié)點(diǎn) [4]，適合于各種自動(dòng)組網(wǎng)領(lǐng)域，具有極其廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和很高的研究?jī)r(jià)值。正是由于 IT 產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)的普及、 家庭 智能化以及單片機(jī)強(qiáng) 菏澤學(xué)院本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 4 有力的功能拓展，才使得他們 逐漸來(lái)到我們身邊，進(jìn)入我們的生活。無(wú)線通信技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括跟蹤治療、移動(dòng)觀察、遠(yuǎn)程醫(yī)療、患者數(shù)據(jù)管理、藥物跟蹤、手機(jī)求救、病人的數(shù)據(jù)收集、醫(yī)療垃圾跟蹤和短信溝通等多方面的新應(yīng)用。一個(gè)報(bào)告指出，歐洲的無(wú)線醫(yī)療設(shè)備銷售額將從 2020 年的 9800 萬(wàn)美元增加到 2020 年的 億美元。 ZigBee 技術(shù)目前主要應(yīng)用在短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信方面，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，在很多領(lǐng)域都可以看到 ZigBee 的身影。隨著 ZigBee 技術(shù)的出現(xiàn)，使得智能家庭可能在未來(lái)的兩到三年內(nèi)普及到各個(gè)家庭。 2020 年，美國(guó) Motorola 公司、 英國(guó) Invensys 公司、日本三菱公司及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司同時(shí)宣布，它們將加盟“ ZigBee 聯(lián)盟”，以研發(fā)為名的“ ZigBee”的下一代無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，這一事件成為該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的里程碑[5]。目前，除了摩托羅拉、 Invensys、三菱電子和飛利浦等知名企業(yè)外， ZigBee 聯(lián)盟大約已有 30 多家成員企業(yè)，并還在迅速發(fā)展壯大。所有這些企業(yè)都加入了開(kāi)發(fā) ZigBee 物理和媒體控制層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的 IEEE 工作組。 2020 年 11 月， ZigBee 聯(lián)盟主席 Robert 來(lái)到中國(guó)，希望中國(guó)本地企業(yè)合作，其方式為免專利費(fèi)的方式 [4]。它不僅在傳統(tǒng)領(lǐng)域如軍事、工業(yè)、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值，在將來(lái)，其應(yīng)用可以涉及到人類日常生活和社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的所有領(lǐng)域。最近， ZigBee 聯(lián)盟推出了 ZigBee PRO 的新技術(shù)，以前我們用的 ZigBee 是直接擴(kuò)頻技術(shù)，現(xiàn)在利用可以利用自動(dòng)跳頻技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行處理，并且利用網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)在多路徑路由自動(dòng)選擇，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，突變的網(wǎng)絡(luò)單元以及網(wǎng)絡(luò)安全等方面取得了突破型的進(jìn)展，使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行得更可靠，功耗將更低。據(jù)有關(guān)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)對(duì) ZigBee 進(jìn)行估計(jì)，到 2020 年，全球的 ZigBee 芯片銷售額將達(dá)到 5 億 8 千萬(wàn)片。目前， ZigBee 技術(shù)很多都是應(yīng)用于現(xiàn)代無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)， ZigBee 技術(shù)的加入將給其他無(wú) 線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)帶來(lái)很大的突破?，F(xiàn)在，國(guó)內(nèi)一些研究所與“ 211”高等院校 菏澤學(xué)院本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 5 為首的機(jī)構(gòu)正積極開(kāi)展無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究工作。 ZigBee 技術(shù)和傳感器結(jié)合起來(lái)使得 ZigBee 技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，作為一項(xiàng)新技術(shù)，它彌補(bǔ)了低成本、低功耗、低速率無(wú)線通信市場(chǎng)的空缺，在全 球范圍內(nèi)被迅速看好。 菏澤學(xué)院本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 6 2． 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 降低無(wú)線節(jié)點(diǎn)功耗的方法是盡量降低其 MCU、無(wú)線收發(fā)芯片的活動(dòng)時(shí)間，延長(zhǎng)它們的“睡眠”時(shí)間，但這需要綜合考慮系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、功耗等因素。下圖 21 所示為一個(gè)基本工作周期T，其中只有 Tl時(shí)間段芯 片處于工作狀態(tài)，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)取得信道的使用權(quán)，完成數(shù)據(jù)收發(fā)，剩下的很長(zhǎng)時(shí)間芯片處于低功耗休眠狀態(tài)。此種方法實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單，工作量小，但當(dāng)從節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)，信道訪問(wèn)沖突較厲害，因此，這種方法不適用于從節(jié)點(diǎn)數(shù)量很多的情況。在超幀活動(dòng)期，各子設(shè)備使用時(shí)隙 CSMACA 算法競(jìng)爭(zhēng)取得信道使用權(quán)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，在非活動(dòng)期，統(tǒng)一地進(jìn)入休眠狀態(tài)。此種機(jī)制在從節(jié)點(diǎn)數(shù)量很多的情況下依然能表現(xiàn)出很強(qiáng)的通信效率和低功耗性能，但軟件實(shí)現(xiàn)略復(fù)雜，工作量大 。故選擇方案 1。數(shù)據(jù)集中器與各個(gè)溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)組成一個(gè) ZigBee 星型網(wǎng) 絡(luò) 。適當(dāng)?shù)脑龃蟀l(fā)射功率可加大通信距離。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) ZigBee 無(wú)線溫度 溫 度測(cè)量系統(tǒng)由上位計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器、 51 單片機(jī)以及傳感器組成。而溫度部分則由 18b20 直接采集傳給單片機(jī)。同時(shí) ZigBee 無(wú)線傳感器執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)必須要有一個(gè)協(xié)調(diào)器作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸與控制中心，并與上位計(jì)算機(jī)相連 [13]。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)及傳感器上電后，會(huì)自動(dòng)查找空間中存在的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，找到后即加入網(wǎng)絡(luò)，并把該節(jié)點(diǎn)的物理地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器。當(dāng)計(jì)算機(jī)想要獲取某一節(jié)點(diǎn)處的傳感器值時(shí)，只需要向 串口發(fā)送相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的物理地址及測(cè)量指令。傳感器節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，然后將測(cè)量結(jié)果發(fā)送給協(xié)調(diào)器，并在計(jì)算機(jī)端進(jìn)行顯示。 PC 機(jī)將從串口接收到的物理地址和短地址進(jìn)行存儲(chǔ)，并改變計(jì)算機(jī)中所存儲(chǔ)的房間地圖中的節(jié)點(diǎn)顏色進(jìn)行指示。 上位機(jī)操作主要部分 操作界面 主要包括： 試驗(yàn)設(shè)置、打開(kāi)串口 /關(guān)閉串口、開(kāi)始接收、數(shù)據(jù)分析、曲線分析、查找節(jié)點(diǎn)、單步存儲(chǔ)、退出 8 部分。設(shè)置好的試驗(yàn)代碼可長(zhǎng)期跟蹤操作。 ① 單步接收：鼠標(biāo)點(diǎn)擊“接收數(shù)據(jù)”一次，程序執(zhí)行一次，即數(shù)據(jù)接收一 次。 ② 定時(shí)接收：由下面的定時(shí)時(shí)間來(lái)設(shè)定時(shí)間間隔，即隔多長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接 菏澤學(xué)院本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 10 收。 ③ 批量接收：主要針對(duì)多節(jié)點(diǎn)的大量數(shù)據(jù)接收，默認(rèn)間隔為 1 秒。 ⑶ 定時(shí)時(shí)間 只與定時(shí)接收相對(duì)應(yīng)，當(dāng)定義為其他接收方式時(shí)，此欄為灰色。 當(dāng)基本設(shè)置完成后，單擊“確定”按鈕，回到主界面，單擊“取消”按鈕后依舊回到主界面，但是 此時(shí)沒(méi)有進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)置，需要重新設(shè)置。 ㈢ 開(kāi)始接收／停止接收 此操作必須在打開(kāi)串口時(shí)方可進(jìn)行，當(dāng)沒(méi)有打開(kāi)串口時(shí)，進(jìn)行此操作，為顯示出＂請(qǐng)先打開(kāi)串口，再接收數(shù)據(jù)＂的提示． ㈣ 數(shù)據(jù)分析 數(shù)據(jù)分析界面包括查詢條件和數(shù)據(jù)顯示兩部分．如圖 27 所示 圖 27 數(shù)據(jù)分析 查詢條件包括： 1) 試驗(yàn)編號(hào)選擇 在下拉菜單里可以選擇一個(gè)曾設(shè)置的試驗(yàn)編號(hào)，主要針對(duì)＂試驗(yàn)設(shè)置＂里的＂試驗(yàn)編號(hào)＂，也可以手動(dòng)輸入要查詢的試驗(yàn)編號(hào) 。 此項(xiàng)與＂查找節(jié)點(diǎn)＂界面相關(guān) 。 數(shù)據(jù)顯示包括： 記錄條數(shù) 即為所顯示的數(shù)據(jù)的條數(shù) 溫度均值 即為本次操作所有溫度數(shù)據(jù)的均值 試驗(yàn)編號(hào) 即為所選擇的試驗(yàn)編號(hào) 節(jié)點(diǎn) 顯示此試驗(yàn)編號(hào)的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)信息 溫度 顯示此試驗(yàn)編號(hào)下的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的溫度值 試驗(yàn)時(shí)間 顯示此次試驗(yàn)的時(shí)間 (小時(shí)、 分 ) 菏澤學(xué)院本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 11 實(shí)驗(yàn)日期 顯示此次試驗(yàn)的日期（年－月－日） 刪除所有記錄 刪除界面所有數(shù)據(jù) 刪除選擇記錄 刪除所選擇的記錄，所選擇的記錄由用戶用手表左鍵單擊一次選擇，若連續(xù)單擊兩次，則會(huì)對(duì)所單擊的數(shù)據(jù)進(jìn)行單條的數(shù)據(jù)刪除 若沒(méi)有進(jìn)行接收或者數(shù)據(jù)無(wú)法存儲(chǔ)接收，則當(dāng)單擊“數(shù)據(jù)分析”時(shí)，會(huì)顯示＂數(shù)據(jù)庫(kù)連接失敗，無(wú)法分析數(shù)據(jù)＂的提示 。 2) 節(jié)點(diǎn)選擇 選擇要進(jìn)行曲線分析的節(jié)點(diǎn)。 4) 方式選擇 選擇“單節(jié)點(diǎn)顯示”或“多節(jié)點(diǎn)顯示”。 5) 曲線表度 分為日期、時(shí)間、日期＋時(shí)間三種顯示方法，對(duì)應(yīng)為曲線顯示時(shí)的橫坐標(biāo)變化，在此應(yīng)該注意的是，坐標(biāo)的間隔是由所輸入數(shù)據(jù)的多少自行設(shè)定的，即當(dāng)數(shù)據(jù)多時(shí)，間隔大，數(shù)據(jù)少時(shí)，間隔小。此外，數(shù)據(jù)曲線圖像可以根據(jù)用戶要求進(jìn)行拉伸。程序會(huì)調(diào)用已存儲(chǔ)在相應(yīng)位置的傳感器節(jié)點(diǎn)的物理地址，通過(guò)串口和 ZigBee 網(wǎng) 絡(luò)向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送測(cè)量傳感器數(shù)據(jù)的指令，并等待接收傳感器 傳回的溫度，并在 PC 機(jī)界面進(jìn)行顯示。 基于 ZigBee 無(wú)線技術(shù)的分布式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng) ， 主要由 1 臺(tái)以 32 位 S3C2410 芯片與CC2420 芯片為核心的溫度數(shù)據(jù)集中器 (ZigBee 協(xié)調(diào)器 )和安裝在各處的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)(ZigBee 設(shè)備 )組成星形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò) 。 數(shù)據(jù)集中器還可以通過(guò)串行或以太網(wǎng)與 PC 機(jī)連接傳輸數(shù)據(jù) 。 圖 溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單 ， 是一組 ZigBee 精簡(jiǎn)功能節(jié)點(diǎn) (RFD)， 由 8 路溫度傳感器、射頻收發(fā)芯片和 RS232 串口通 信接口組成 。 具體的電路如圖 210 所示 。 CC2430 天線接收的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪聲放大器和 I/Q 下變頻處理后 ， 中頻信號(hào)為 2 MHz。 根據(jù) IEEE 標(biāo)準(zhǔn) ， 所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流每 4 個(gè)比特被 32 碼片的擴(kuò)頻序列擴(kuò)頻后 ， 送到 D/A 變換器 ， 再經(jīng)過(guò)低通濾波和上變頻混頻后的射頻信號(hào) ， 最終被調(diào)制到 GHz， 并經(jīng)放大后送到天線發(fā)射 [9]。 溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)傳感器采用一線器件 DS18B20， 其溫度測(cè)量范圍為55125℃ ， 它本身輸出數(shù)字信號(hào) ， 無(wú)需外部信號(hào)放大調(diào)理電路 .8 路 DS18B20 硬件以串聯(lián) 的方式相連 [18]。 CC2430 射頻器件模塊由 CC2430 器件和相關(guān)外圍電路構(gòu)成。經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在空曠地面的通信距離是 10100 m，這個(gè)距離有時(shí)不能滿足應(yīng)用需要。 RF