无线通信技术及其组网研究毕业论文.doc

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1、目录Zigbee组网研究摘要第一章 Zigbee组网研究1.1 无线组网技术的简述 1.2 zigbee的特点1.4 ZigBee结构原理1.6 ZigBee应用第二章 无线实验点对点通信无线实验 点对点通信 （SPP） 全文总结致谢参考文献 无线通信技术及其组网研究 摘要 随着社会生活和生产领域对无线通讯和数据传输需求的日益增长，ZigBee协议标准作为一种全新的无线传感网络技术应运而生，并展示了迅猛发展的良好势头，引起了国内外广大科技工作者的极大兴趣和关注。ZigBee 技术是一种短距离无线双向通信技术，该技术拥有协议简单、功耗低、组网能力强、网络容量大、时延短、安全可靠及成本低等优点。具

2、有路径选择、自动连结网络及自我恢复等功能。ZigBee无线传感器网络将传感技术、通讯技术和计算技术结合在一起，具有信息采集、传输和处理的能力。在军事国防、民用、城市管理、生物医疗、环境检测、防恐反恐、危险区域远程控制等诸多领域都有广泛前景。关键词 Zigbee;传感器;无线组网;无线通信一、 引言ZigBee（IEEE802.15.4）技术是最近发展起来的一种短距离无线通信技术，功耗低，被业界认为是最有可能应用在工控场合的无线方式。它同样使用2.4GHz波段，采用跳频技术和扩频技术。另外，它可与254个节点联网。节点可以包括仪器和家庭自动化应用设备。它本身的特点使得其在工业监控、传感器网络、家

3、庭监控、安全系统等领域有很大的发展空间。二、无线组网技术（一）无线组网简介无线组网技术是一种新兴的信息获取和管理技术，无线通信将帮助我们更为有效地使用能源，降低生产成本，提高生产力。无线系统以电磁波作为传输介质，避免了有线系统的诸多弊病，同时在成本、灵活性和实用性上全面超越有线系统。无线系统与有线系统相比在以下五个方面具有优势:1低成本。随着技术的进步，有线系统在安装、维护、故障排除和升级等方面的费用都在不断增加，而无线系统的相应费用却有下降的趋势。2接口故障少。大多数的网络故障都发生在接口处，无线系统显著地降低了接口故障的发生率。3灵活性好。在移动设备中，没有了传输线的制约，人们能够更加灵活

4、地根据需要放置器具，移动物体。4应用范围广。如将无线技术应用于传感器，可以使传感器避免附有大量的传输线，移动方便，同时也可以减小传感器的体积。5系统测试简便。无线设备可以迅速组成有效地通信网络，从而可以使我们方便快捷地进行系统集成和测试。Zigbee联盟成立于2001年8月。2002年下半年，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布，它们将加盟“Zigbee 联盟”，以研发名为“Zigbee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。到目前为止，除了Invensys、三菱电子、摩托罗拉和飞利浦等国际知名的大公司外，

5、该联盟大约已有150家成员企业，并在迅速发展壮大（最近华为和IBM也加入其中）。其中涵盖了半导体生产商、IP服务提供商、消费类电子厂商及OEM商等，例如Honeywell、Eaton和Invensys Metering Systems等工业控制和家用自动化公司，甚至还有像Mattel之类的玩具公司。所有这些公司都参加了负责开发Zigbee物理和媒体控制层技术标准的IEEE 802.15.4工作组。三、 ZigBee技术的特点及应用(一) ZigBee技术的特点 1.低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6-24个月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比较，蓝牙能工作

6、数周、WiFi可工作数小时。 2.低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码 3.低速率。ZigBee工作在20-250kbps的较低速率，满足低速率传输数据的应用需求。 4.近距离。传输范围一般介于10-100m之间，在增加EZF发射功率后，亦可增加到1 -3 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。 5.短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15mS，节点连接进入网络只需30ms进一步节省了电能

7、。相比较，蓝牙需要3一10S. WiFi需要3S0 6.高容量。ZgBee可采用星形、树形和Mesh网络结构，由一个主节点管理若千子节点，最多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65536个节点的大网。7.高安全。ZgBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(AC功防止非法获取数据，同时采用高级加密标准( AES 128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。8.工作频段灵活： 使用的频段分别为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。 （二）Zigbee技术的应用随着ZigBee规范的进一步完善，许多公司

8、均在着手开发基于ZigBee的产品。采用ZigBee技术的无线网络应用领域有家庭自动化、家庭安全、工业与环境控制与医疗护理、检测环境、监测、监察保鲜食品的运输过程及保质情况等等。其典型应用领域如下：ZigBee主要应用在距离矫、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间，典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。它的应用目标主要是:消费场所(茶楼 .咖啡馆 .网吧 .KTV 娱乐场所呼叫，系统理中心部署的ZigBee 节点设备构成了完整的无线通讯网络，实现了信息处理的自动化，医护，（医院医疗监护,医疗仪器数据采集)，军用（如军用仓库环境检测安全防护系统、军事物流、空降等）企业（油

9、田油井测控，远程泵站测控、远程数据采集、电力测控、远程监控等）家庭 （具备多种通讯协议转换功能，同时可通过以太网或程控电话网连接内外网和通过无线技术连同内网的网关，具备无线通讯等接口的数字家电；配有无线接口、可远程报警的家用安防传感器设备；具备无线接口的家庭灯光控制器材；可进行防盗、报警等功能设备。智能控制通过ZIGBEE网络实现信息设备、通讯设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备、保安（监控）装置等设备互联，使智能化、人性化的家居生活变成了现实； 一般而言，ZgBee技术应用在以下几方面具有显著的优势: 1需要无线通信交换信息的低成本装置; 2数据的交换量较小、传输的速率要求不高: 3功耗要求

10、极低，采用电池供电且需要维持较长时间;4需要多个(尤其是大量)设备组成无线通信网络，主要进行监测和控制的场合。四ZigBee结构原理物理层的上面是MAC层(Medium Access Layer 中间通道层），它的核心是信道接入技术，包括时分复用GTS技术和随机接入信道技术CSMA/CA。不过ZigBee实际上并没有对时分复用GTS技术进行相关的支持，因此我们可以暂不考虑它，而专注于CSMA/CA。ZigBee/IEEE 802.15.4的网络所有节点都工作在同一个信道上，因此如果邻近的节点同时发送数据就有可能发生冲突。为此MAC层采用了CSMA/CA的技术，简单来说，就是节点在发送数据之前先

11、监听信道，如果信道空闲则可以发送数据，否则就要进行随机的退避，即延迟一段随机时间，然后再进行监听，这个退避的时间是指数增长的，但有一个最大值，即如果上一次退避之后再次监听信道忙，则退避时间要增倍，这样做的原因是如果多次监听信道都忙，有可能表明信道上的数据量大，因此让节点等待更多的时间，避免繁忙的监听。通过这种信道接入技术，所有节点竞争共享同一个信道。在MAC层当中还规定了两种信道接入模式，一种是信标(beacon)模式，另一种是非信标模式。信标模式当中规定了一种“超帧”的格式，在超帧的开始发送信标帧，里面含有一些时序以及网络的信息，紧接着是竞争接入时期，在这段时间内各节点以竞争方式接入信道，再

12、后面是非竞争接入时期，节点采用时分复用的方式接入信道，然后是非活跃时期，节点进入休眠状态，等待下一个超帧周期的开始又发送信标帧。而非信标模式则比较灵活，节点均以竞争方式接入信道，不需要周期性的发送信标帧。MAC层往上就属于ZigBee真正定义的部分了，我们可以参看一下ZigBee的协议栈。底层技术，包括物理层和MAC层由IEEE 802.15.4制定，而高层的网络层、应用支持子层(APS)、应用框架(AF)、ZigBee设备对象(ZDO)和安全组件(SSP)，均由ZigBee Alliance所制定。五无线实验点对点通信（一）点对点通信的实现方案图5.1点对点通信（SPP）实现方案原理(二)协

13、议栈目录：图5.2目录几个重要函数:射频初始化函数 BOOL spplnit(UINT32 frequency,BYTE address)功能描述：初始化简单的数据包装协议Simple Packet Protocol(SPP),从DMA管理器申请两个DMA通道，用于分别从RxFIFO和TxFIFO传输数据。定时器4管理器同样被设置，这个单元用于在数据包发送后接收器在一定时间内没有返回应答时产生中断。无线部分配置为发送，工作在特定的频率，在发送时自动计算和插入和检查CRC值 参数描述：UINT32 frequency:RF 的频率（kHz）;BYTE address:节点地址返回：配置成功返回T

14、RUE，失败返回FALSE发送数据包函数 BYTE sppSend(SPP_TX_STRUCT*pPacketPointer)功能描述：发送length字节的数据（最多122），标志，目的地址，源地址在TxDMA通道传送有效载荷TxFIFO前插入，如果期望应当，设置相应的标志。参数：SPP_TX_STRUCT* pPacketPointer：发送数据包头指针返回：发送成功返回TRUE,失败返回FALSE接收数据Void sppReceive（SPP_RX_STRUCT*pReceiveData）功能描述：这个函数使能接收128字节，包括头和尾。接收数据通过DMA传输到pReceiveData。

15、DMA装备同时接收开启。接收数据将触发DMA,当所有的数据包接收并且移走，DMA产生一个中断同时运行以前定义的函数rxCallBack。参数：SPP_TX_STRUCT* pPacketpointer: 接收数据包头指针返回：无（三）程序实现1、射频初始化应用于函数Void initRfTest(void)UINT32 frequency=2405000;INIT_GLED();INIT_YLED();radiolnit(frequency,myAddr);2、发送状态函数Void contionuousMode(void)BOOL res;BYTE sendBuffer=“Hello”;Wh

16、ile(1)GLED=LED_OFF;YLED=LED_NO;Res=radopmSemd(sendBuffer,sizeof(sendBuffer),remoteAddr,DO_NOT_ACK;HalWait(200)YLED=LED_OFF;Halwait(200);If(res=TRUE)GLED=LED_ON;halWait(200);ElseGLED=LED_OFF;halWait(200);3、接受状态Void receiveMode(void)BYTE*receiveBuffer;BYTE length;BYTE res;BYTE sender;While(1) YLED=LED

17、_ON; Res=radioreceive(&receiveBuffer,&length,RECEIVE_TIMEOUT,&sender); YLED=LED_OFF; If(res=TRUE) GLED=LED_ON; halWait(200);elseGLED=LED_OFF;halWait(200);GLED=LED_OFF;4、射频主函数#ifdefCOMPLETE_APPLICATIONvoid rf_test_main(void)#elsevoid main(void)#endif INT_GLOBAL_ENABLE(INT_ON);#ifdef RXmyAddr=ADDRESS_

18、0;remoteAddr=ADDRESS_1;initRfTest(); receiveMode();#else myAdeer=ADDRESS_1; remoteAddr=ADDRESS_0; initRfTest(); contionuousMode();#endif图5.3定义了如下条件编译：图5.4表运行接收状态. 另一个 TX 就是发送状态。1、熟悉spp协议2、工程路径点对点无线通信App_Excc2430IAR_files3、打开工程图5.54、工程界面图5.65、选择 RF 状态发送：图5.7接受：图5.86、编译 图5.97、下载程序图5.10分别将 TX 和 RX 下载到两

19、个模块。8、64 位物理地址设定 安装“C51RF-3 系统软件及驱动物理地址烧写”文件夹下“Setup_SmartRFProgr_1.6.2.exe” 软件。图5.11如上图所示，打开物理地址烧写软件。 连接上 C51RF-3 型仿真器后再把模块接到仿真器可以看到如下显示：图5.12此时可以看到 FLASH 烧写工具已经检测到 CC2430 模块，如果此时没有检测到模块可以 按仿真器的复位按键以便检测到模块。 此时点击“Read IEEE”按键，可以读出模块的 64 位物理地址，如图：图5.13然后把物理地址修改为你所要的地址：最后点击“Write IEEE”按钮，写入64 位物理地址：图5

20、.14图5.15此时工具提示“IEEE successfully written to chip”表示地址写入成功。运行的结果是发送和接收模块上的小灯交替闪烁。 从程序上也能分析出：1. 发送和接收正常工作红黄灯闪烁；2. 发送成功发送模块红黄灯闪烁； 3. 接收成功接收模块黄灯闪烁。六、CC2430点对点通信（一）源代码void main(void) SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRYSTAL); RFPWR = 0x04; while(RFPWR & 0x10); initUART(); /初始化串口 IO_DIR_PORT_PIN(0,5,IO_OUT); /Set P0

21、_5 to output IO_DIR_PORT_PIN(1,3,IO_OUT); / IO_DIR_PORT_PIN(1,2,IO_IN); /Set P1_2 to input P0_5 = 1; P1_3 = 0; rf_test_main();/进入无线部分/选择相应的应用#ifdef COMPLETE_APPLICATIONvoid rf_test_main(void)#elsevoid main(void)#endif INT_GLOBAL_ENABLE(INT_ON); / Global interrupt enables #ifdef RX myAddr = ADDRESS_0

22、; remoteAddr = ADDRESS_1;待添加的隐藏文字内容1 initRfTest(); receiveMode(); #else / TX时 myAddr = ADDRESS_1; remoteAddr = ADDRESS_0; initRfTest(); contionuousMode(); /发送数据 #endif/发送子函数void contionuousMode(void) BOOL res; BYTE sendBuffer = Hello; /要发送的数据 while(1) GLED = LED_OFF; /绿灯灭 YLED = LED_ON; /发送前，黄灯亮 /TR

23、UE if the sent packet is acked by the recipient and false otherwise. res = radioSend(sendBuffer, sizeof(sendBuffer), remoteAddr, DO_NOT_ACK ); halWait(200); YLED = LED_OFF; /发送后，黄灯灭 halWait(200); if(res = TRUE) /发送成功 GLED = LED_ON; /绿灯亮 halWait(200); else /发送不成功 GLED = LED_OFF; /绿灯灭 halWait(200); /接

24、收子函数void receiveMode(void) BYTE* receiveBuffer; BYTE length; BYTE res; BYTE sender; while(1) YLED = LED_ON; /接收时黄灯亮 /TRUE if a packet has been received and FALSE if no packet /has been received within the timeout period. res = radioReceive(&receiveBuffer, &length, RECEIVE_TIMEOUT, &sender); YLED = L

25、ED_OFF; /结束后黄灯灭 if(res = TRUE) /接收成功 七、全文总结ZigBee技术是一种新兴低功耗、低数据率的无线短距离通讯，其发展和应用前景惊人，本文阐述了近距离无线传输技术，特别是ZigBee技术的国内研究现状及发展趋势，分析了多种组网技术在功耗和传输距离、速度方面的各自优缺点(一)本文主要完成的工作及成果如下:1在对ZigBee技术系统的研究和分析中，形成了自己的组网方案，即分网络节点设计和通信网络设计2.系统研究了ZigBee 技术协议和组网技术，确定了ZigBee开发平台的结构框架;3.对Zigbee组网研究有了 进一步的了解。4 对无线点对点通信有了 进一步的掌

26、握。（二）下一步工作的展望: 1、无线传感器网络是未来一个重要的研究方向，研究多种组网技术，结合具体应用，探寻合适的技术进行应用，完成无线传感器网络的构建; 2、进一步降低系统功耗，节约成本; 3、试着将ZigBee组网技术进一步应用于具体领域，如医疗监控、智能家居和环境监测等。 4、优化软硬件结构。 5、进一步运用点对点通信 参考文献1. 任丰原.黄海宁.林闯无线传感器网络期刊论文 -软件学报2003(7) 2. 张杉.洪玲 ZigBee融入生活 期刊论文 -中国教育网络2006(6) 3. 马祖长.孙怡宁.梅涛 无线传感器网络综述 期刊论文 -通信学报2004(4) 4. 周贤伟.刘宾.覃伯平 无线传感器网络的路由算法研究 期刊论文 -传感技术学报2006(2) 5. 彭刚.曹元大.孙利民 无线传感器网络节点定位机制的研究 期刊论文 -计算机工程与应用2004(35) 6. 胡庆新 程阵 电子技术应用 2009 第11期 - 万方数据7. 霍雷，一种新的无线网络通信技术zigbeeJ，单片机玉嵌入式 系统应用，2006,6（1）：12-148. 林少锋 何一 电子设计工程 2009 第3期 - 维普资讯网 9 毛玉蓉 化工自动化及仪表 2010 第10期 - 万方数据10. 范翠香 林建安 李洋 现代电子技术 2010 第6期 - 万方数据