《[信息与通信]一种基于zigbee的无线传感网实验系统的设计与实现.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[信息与通信]一种基于zigbee的无线传感网实验系统的设计与实现.doc（38页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、分 类 号 学 号 M200971561 学校代码 10487 密 级 硕士学位论文基于Zigbee无线传感网实验系统设计与实现学位申请人：刘伟超学科专业：通信与信息系统指导教师：汪小燕 教授答辩日期：2011年12月II A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringDesign and Realization of Wireless Sensor Network Experimental System Based on ZigBeeCan
2、didate：Liu WeichaoMajor：Communication & Information SystemSupervisor：Prof. Wang XiaoyanHuazhong University of Science & TechnologyWuhan 430074, P.R.ChinaDecember, 2011独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法
3、律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在 年解密后适用本授权书。本论文属于 不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日32摘 要本文论述了基于zigbee协议的无线传感网教学实验系统的发展现状，综合考虑国内外现有的产
4、品及特点，提出了一个基于CC2430芯片和Zstack协议栈的多功能无线传感网教学实验系统。本文详细介绍了系统的硬件组成及软件设计。硬件平台分为网关和终端节点，网关由核心板和LCD，键盘，存储等功能的扩展板组成，终端节点主要由TI公司的CC2430射频模块和I2C总线接口的数字传感器组成。网关作为zigbee网络中的协调器主要负责建立网络，管理和维护网络节点，终端节点通过数字传感器对温湿光强等数据进行采集，然后无线传输或转发。通过更换核心板可以实现MSP430，51单片机的教学实验目的。软件设计包括基于Zstack协议栈网络的建立和维护，对各节点上传感器的命令控制，以及各传感器采集程序。通过对
5、整个系统的功能与性能测试，表明系统基本能满足zigbee实验系统的需求。关键词：无线传感网；zigbee；实验；CC2430AbstractKeywords:目录1. 绪论1.1 研究背景21世纪以来，科学技术的发展速度十分迅猛，而作为信息获取最重要和最基本的技术传感器技术，也得到了极大的发展。上世纪九十年代末无线传感器网络（wireless sensor network WSN）开始在美国初见雏形，它是由大量的传感器节点以自组织多跳的方式构成，感知和采集区域内目标信息，然后传输给用户的一种无线网络。鉴于其多跳自组织性，廉价，便于大规模部署等特点，使之广泛应用在医疗，军事，工业，物流等领域。无
6、线传感器网络也被称物联网。在当下的信息化社会仍然是个炙手可热的话题。因此对无线传感网的研究开发工作和相关的高等教育课程也得到了很大的热捧。为了满足广大的WSN（Wireless Sensor Network）热衷者和相关院校学生需求，无线传感网的实验系统产品由此而诞生。无线传感网实验系统的目标人群都是高校学生和一些热爱无线传感网的开发者，因此WSN实验系统能很好的提供给初学者一个学习无线传感网的硬件和软件平台。通过此平台，使用者可以能逐步由浅入深的掌握无线传感网的相关开发和学习，对以后从事该领域工作也有帮助45。当前市场上有关无线传感网开发的实验系统产品已有不少，国内外的产品都用，可以用琳琅满
7、目来形容，我们对市场现有的产品进行了广泛调查，发现大部分产品综合质量参差不齐，下载仿真过程复杂，而且功能普遍单一，无法在很好的全面的满足研究开发的同时，减少开发的成本。为了弥补当前市场上同类产品的不足，本课题所设计的是一种基于Zigbee技术的无线传感网实验系统678。短距离通信的协议标准有很多，如Bluetooth，WiFi，超宽带通信UWB,Zigbee等，每种技术都有其特点和适用范围。Zigbee协议是基于IEEE 802.15.4标准的短距离，低成本，低功耗，自组织的无线网络技术，相对于其他短距离通信技术，Zigbee协议实现的硬件要求更低，只需要8位的处理器即可，协议栈所需空间最小大
8、约4KB，价格更低廉。并且还具有较高的安全性和可靠性。因此对于大范围区域部署的应用场景，Zigbee技术拥有一定的优势。1.2 国内外研究现状WSN(Wireless Sensor Network)最初的构想是来源于美国军方，美国国防部高级研究所计划署（DARPA）于1978年开始资助卡耐基-梅隆大学进行分布式传感器网络的研究，这被看成是无线传感网的雏形121314。从那以后，WSN呈现了井喷式的发展，1999年2001年间DARPA资助加州大学伯克利分校承担了Smart Dust项目，而后又资助了包括伯克利分校等25个机构联合承担了SensIT计划。2004年在美国国家自然基金、国家健康协会
9、的资助下，哈佛大学启动了CodeBule平台研究计划。英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作15。欧洲2002年也启动了EYES研究计划16。除了在高校快速被推广研究外，其巨大应用前景和商业价值也得到了许多商家的青睐，英特尔公司2002年10月24日发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”，规划称其将致力传感器网络在医学、环境监测、森林灭火以致海底板块调查等领域的应用。德州仪器、飞思卡尔、捷力、意法半导体等厂商也相继推出了各自的解决方案，并开始应用在智能家居、物流管理、餐饮服务等更贴近日常生活的环境中。在国内，相对而言WSN技术起步稍晚，但在国家政策的大
10、力支持下，得到了突飞猛进的发展。1999年中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动化领域研究报告中，无线传感网是提出的五个重大项目之一。2004年中国国家自然基金委员会就将无线传感网络列为了重点研究项目。2005我国开始传感网标准化研究工作，国家中长期科学与技术发展规划纲要（20062020）在支持的重点领域及其优点主题“信息产业及现代服务业”中列入“传感器网络及智能信息处理”，并在前沿技术中重点支持“自组织传感器网络技术”。在2008年9月启动的国家16个重大专项立项中，就有短距离无线互联和传感器网络的研发。我国虽然在无线传感器网络方面的研究起步稍微比较慢，但近年来在此领域的人力财
11、力投资也是相当巨大的2829。1.3 本文主要内容及章节安排本文以基于zigbee无线传感网实验系统硬件设计软件设计主要内容。本文的内容按章节安排如下：第1章主要介绍了论文的研究背景，无线传感网在国内外各领域上发展历史和现状。第2章：首先介绍了现有的各种短距离通信技术的特点，并与Zigbee技术进行比较，分析各个技术的优缺点和应用场景。然后根据系统的需求对现有的Zigbee技术的软硬件方案进行选型。最后阐述本实验系统的总体设计框架及结构组成。第3章：详细介绍实验系统的硬件各部分的组成，分别描述协调器网关，路由节点，和终端节点的硬件设计方案，突出设计的关键技术和创新点。第4章：详细介绍实验系统软
12、件设计的流程及各模块的功能。第5章：对整个系统进行测试，展现各个模块测试的指标。第6章：对全文做了一个总结，指出设计过程中遇到的问题，及演示的结果，对不足指出，提出改进的设想。2. 系统的关键技术及需求本章主要介绍了Zigbee无线传感网实验系统所涉及的关键技术，阐述本实验系统的设计需求，根据需求选择现有的Zigbee的解决方案，最后给出整个实验系统的总体设计框架。2.1. Zigbee技术介绍2.1.1. ZigBee起源2001年8月，Zigbee联盟成立，1年以后英国Invensys、日本三菱、美国摩托罗拉及荷兰飞利浦半导体四家半导体巨头宣布加入ZigBee联盟，致力于开发以Zigbee
13、为名的新兴短距离、低速率D无线通信技术，2004年12月，ZigBee1.0版协议诞生。Zigbee名称其实来源于蜜蜂的舞蹈，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来分享花粉或食物的位置、距离和方向，其很形象的描述了ZigBee网络的自组织、分布式等特点。到目前为止，该联盟拥有70余家成员企业，并在快速的壮大。其中有传统的半导体生产商、IP技术服务商、软件开发商、OEM厂商、工业控制制造商、消费电子厂商等。（Zigbee网络原理与应用开发，吕治安）。2.1.2. ZigBee主要特点每种无线通信技术都有自身的特点，并根据其特点拥有各自的适用领域。Zigbee主要特点是低速率、低功耗、低成本、短距离等
14、，具体如下：1. 低速率Zigbee 一共占有三个公共频段，分别是868MHz、915MHz、2.4GHz。当处于2.4G频段时，速率最高仅为250Kbit/s，而且这仅仅是链路层上的速率，剥去各层的帧头帧尾和应答帧等消耗，真正被利用的速率其一半不到，因此Zigbee不适用于高保真语言和视频等大数据量的传输。2. 低功耗这是Zigbee技术的一大优势，正常工作下的工作电流为10mA30mA。一般情况下Zigbee节点所承载的数据量比较小，因此可以在不进行无线数据收发时，节点可以进入休眠状态，这时的功耗可达到正常工作状态下的千分之一。通常情况下，休眠的时间会占多数，节能效果十分的明显。3. 低成
15、本Zigbee设备简单，多家厂商提供了MCU+RF单芯片解决方案，使得元件成本进一步降低，而且大部分协议栈是免费开源的，不需要支付专利费用。Zigbee使用的频段为ISM工业科学医疗频段，是免执照频段。4. 延时短Zigbee设备的响应速度极快，通常情况下从睡眠模式进入到正常工作模式只需要15ms，节点从发现网络到加入网络只需30ms。而蓝牙则需要310s，WIFI至少需要3s。处于信道质量突变的环境时，Zigbee快速加入网络的特点，能一定程度的保证数据链路的可靠性。5. 网络设备容量大Zigbee的拓扑结构星状，树状和网状，一个父节点管理和维护若干个子节点，最多可以接受254个子节点，根据
16、网络层次的不同，一个网络最多可以容纳65000个节点。这一特点使得Zigbee技术能适用于需要大面积部署的环境。6. 安全性高Zigbee数据包无线传输采用了AES-128的加密算法，并可以设置接入控制清单（ACL）防止非法节点进入。2.1.3. Zigbee与其他短距离通信技术的比较目前，短距离通信技术一直是业内谈论的焦点，在消费电子，工业控制领域应用十分的广泛，特别是近两年内个人移动终端产品功能的提升及广泛的普及，许多消费娱乐功能都需要使用短距离无线技术，比较热门的如蓝牙、WIFI、红外以及刚兴起的NFC技术等。下面简单介绍市面上常用的短距离通信技术与Zigbee技术的有缺点比较。1. W
17、i-FiWIFI是IEEE定义的一个无线网络通信工业标准（IEEE 802.11）。第一个版本是1997年提出来的，定义了MAC层和物理层的规范。规范定义了其工作的频段为2.4GHz，最初的速率设计是2Mb/s，后来通过不断推出新版本的规范，定义的最高速率相应的提升，从802.11a的54Mb/s到802.11n版本的540Mb/s。WIFI的数据传输速率和通信距离相对于Zigbee而已是个优势，一般的WIFI设备通信距离能达到300m400m左右，最新的设备据悉能达到5km以上。但因此的代价是功耗就比较大，所以对于移动设备，若无十分大的速率需求，可不必采用WIFI技术。2. Bluetoot
18、h蓝牙（Bluetooth）是1994年有爱立信首先提出的一种短距离无线通信技术规范，现在被归为IEEE 802.15.1协议，它采用FHSS扩频方式，工作在2.4GHz频段，信道带宽为1MHz，最高传输速率为1Mb/s，采用1600跳/s的跳频的工作方式以提高抗干扰能力，通信距离很有限，一般为10m左右，但最新的蓝牙4.0协议能达到100m以上的通信距离。与Zigbee相比较，它的协议栈需要250KB的空间，复杂程度比Zigbee高，通信距离比Zigbee低，但速率是个优势，再加上推广的时间长，使其现在被广泛应用在居家电器，移动终端，游戏娱乐等领域。3. RFID 和NFCRFID(Radi
19、o Frequency Identification)是上世纪90年代兴起的一种非接触式的自动识别技术，又称为电子标签、无线射频识别，可通过无线识别特定的目标并读写数据。被应用于物流、零售、资产管理、医疗等。近距离无线传输NFC（Near Field Communication）由飞利浦、诺基亚和索尼三家公司共同开发的一种非接触式识别和互联技术。它与RFID类似，但NFC采用了双向识别和链接，传输距离比RFID短。NFC安全性较高，现在许多手机内置NFC芯片，用于银行卡支付。4. UWB超宽频技术（UWB）是一种无载波通信技术，利用纳秒级得非正弦波窄脉冲传输数据。它不采用正弦载波，因此其占用的
20、频带范围很宽，UWB可在很宽的宽带上传输信号，美国的FCC对UWB的规定为：3.1G10.6G间占用500MHz以上的带宽。UWB技术最初是被应用于军方雷达上，2002年美国FCC批准其能进入民用市场，而后UWB技术得到了快速的发展。它拥有看抗干扰性强、传输速率高、系统容量大的特点，现主要应用于视频消费娱乐方面的无线个人局域网。5. 6LoWPAN在大型的无线传感网中，部署了数量极为庞大的传感器节点，每个节点需要分配一个单独的IP地址，在IEEE 802.15.4上使用的是IPv4，很可能无法满足其要求，而6LoWPAN则可以突破这一瓶颈。6LoWPAN技术以IEEE 802.15.4为底层，
21、在网络层中使用IPv6来分配IP地址，完全能满足节点数量庞大网络的需求。6LoWPAN底层与Zigbee技术一样，在IEEE 802.15.4的PHY层和MAC层标准的基础上定义了上层标准。作为短距离、低速率、低功耗的新兴技术，拥有廉价便捷等特点外，还突破了IPv4的IP地址受限的瓶颈，对于密集分布、网络庞大的环境都可以使用6LoWPAN技术。目前6LoWPAN技术还处于研发阶段，还未见真实应用的报道。2.2. ZigBee协议规范2.2.1. Zigbee协议规范介绍IEEE 802.15.4是低速率无线个人局域网的物理层和介质加入控制层的协议标准，由IEEE 802.15工作组维护，该工作
22、组还维护其他的短距离通信协议，如IEEE 802.15.1标准，其就是被广泛运用的蓝牙技术。IEEE 802.15.3标准是高速无线个人局域网标准，应用于多媒体数据的高速传输。IEEE 802.15.4它为个人局域网提供一个基础底层，实现一个成本低，速率低得通信网络，该协议具有载波监听多路访问/冲突避免（CSMA-CA）机制，可以在MAC层避免数据冲突。它是许多无线技术的底层标准，如Zigbee、WirelessHART和MiWi标准，这些标准以IEEE 802.15.4为底层（物理层和MAC层）基础，然后扩展其没有定义的上层协议来提供一个完整的网络协议解决方案。1. 物理层IEEE 802.
23、15.4定义的物理层提供了物理层数据服务和物理层管理服务，能通过无线信道发送和接收物理层协议数据单元（PPDU）。物理层主要的功能是管理无线收发器、能量检测、链路质量检测、空闲信道评估和信道的选择等。该协议使用了三个频段，分别是868MHz868.6MHz（欧洲），902MHz928MHz（北美），2400MHz2483.5MHz（全球），在868MHz/915MHz频段上采用二进制移相键控（BPSK）的直接序列扩频(DSSS)调制方式，在2.4G频段上采用16相位正交调制技术。IEEE 802.15.4一共定义了27个信道，868MHz频段上定义了1个，915MHz频段定义了10个，2.4G
24、Hz频段上定义了16个，每个信道的中心频率计算如下：Fc = 868.3MHzk=0Fc = 906 + 2(k-1)MHzk=1,2,10Fc = 2405 + 5(k-11)MHzk=11,12,26一般情况下，由于射频前端硬件的约束，Zigbee设备不支持同时兼容2个工作频段。每个频段下数据的传输速率各不相同，868MHz的最大传输速率为20kbit/s，915MHz频段的速率为40kbit/s，2.4GHz频段的传输速率最高，为250kbit/s。2. MAC层MAC层提供MAC数据服务和MAC管理服务。MAC数据服务保证MAC协议数据单元在物理层的正确收发，MAC管理服务从事MAC层
25、的管理活动，并维护信息数据库。整个MAC的主要完成无线链路的建立、维护和断开，管理ACK帧的收发、信道接入控制、校验帧和快速自动请求的发送等。3. Zigbee网络层Zigbee堆栈在IEEE 802.15.4的PHY层和MAC层基础上定义了Zigbee网络层和Zigbee应用层标准。Zigbee网络层提供了一些必要的API函数，保证Zigbee的MAC层能正常的工作，并且还提供了一些服务接口给应用层。网络层包括数据实体和网络层管理实体。前者提供数据传输服务，后者主要提供网络管理服务，主要是配置一个新的设备，配置成协调器还是路由节点或终端节点，然后根据配置建立新网络或加入一个网络，若是协调器或
26、路由节点，还具有为子节点分配网络地址，为数据传输提供路由等功能。4. Zigbee应用层Zigbee应用层包括应用支持层（APS）、Zigbee设备对象（ZDO）和制造商所定义的应用对象。APS主要是实现设备的绑定、维护绑定表、在绑定的设备之间传说消息的功能。设备对象定义了设备在网络中的角色（协调器或路由节点），并在设备间建立安全机制，另外，还负责发现网络中新的设备。2.2.2. Zigbee协议规范版本Zigbee联盟成立至今发布过好几个版本的协议栈规范和应用标准，如下：1. Zigbee20042004年Zigbee联盟发布了第一个协议栈规范，称之为Zigbee2004或Zigbee1.0
27、，其中带有一个家庭控制灯的应用示例。之后该协议栈因种种原因再无更新。2. Zigbee2006两年后，新的协议栈规范Zigbee2006发布。Zigbee2006与Zigbee2004规范相比，主要是用“cluster library”替换掉了MSG/KVP结构，并且Zigbee2006协议栈不兼容Zigbee2004协议栈规范，这使得许多固化了Zigbee2004协议栈于ROM中设备被淘汰出局，比如Jennic公司的JN5121。但从Zigbee2006规范开始，其发布的协议栈规范都实现了完全向后兼容。3. Zigbee20072007年10月，Zigbee联盟发布了Zigbee第三个协议栈
28、规范Zigbee2007，该规范规定了两套高级的功能指令集：Zigbee功能指令集和Zigbee Pro功能指令集，即两个不同的版本。Zigbee2007完全向后兼容Zigbee2006设备。4. Zigbee RF4CERF4CE是新一代家电遥控解标准和协议，2008年由三星、松下、索尼等成立RF4CE联盟，2009年Zigbee联盟与RF4CE联盟合作推出Zigbee RF4CE协议规范，并主要应用于家用电器遥控无线解决方案，志在取代传统的红外遥控方式。该实验系统的主体是基于Zigbee的无线传感网教学系统，其教学实验项目丰富，扩展性能强大，开放性极强，在满足基本教学的同时，极大程度的发掘
29、开发者的自主创新能力。除了可以进行无线传感网教学实验外，本教学系统也可以进行51单片机实验和MSP430单片机实验。对无线传感网系统，51教学开发系统和MSP430教学开发系统进行比较发现，这三种系统的外部硬件有很大的相同之处，因此本系统设计了只要更换一块核心板，就能变成另外的一个实验系统。很大程度上节约了开发成本。另外对这三个不同的系统进行代码下载仿真时，本系统提供了十分便捷的下载方式，都是采用USB接口的仿真器，这一点顺应了将来PC机无并口无串口的发展潮流。本系统所设计的扩展接口也很丰富，开发者可以通过接口与其他扩展模块连接，进行所需要的实验项目开发。本系统也提供了无线传感网所需要的软件开
30、发工具和相关实验的所有参考代码1011。本课题所设计的多功能基于Zigbee的无线传感网教学实验系统，提供给无线传感网开发者和有相关课程的院校一个很好的学习无线传感网的平台，除此之外，还有能提供学习51单片机和MSP430单片机的教学平台。一个系统，多个用途，实验功能丰富，而且还节省成本。对用户在将来无线传感网和嵌入式领域工作有极大的帮助。2.3. 系统的需求及选型2.3.1. Zigbee芯片及SoC解决方案从2004年Zigbee1.0规范发布之后，各芯片制造商如TI、Freescale、ATMEL等陆陆续续推出了Zigbee芯片的解决方案，最初的产品都是如传统射频芯片一般，只是单纯的射频
31、前端芯片，硬件上符合IEEE 802.15.4物理层的标准，需要一个微处理器通过SPI接口来控制Zigbee射频芯片，Zigbee协议栈在MCU中运行，射频芯片作为无线通信的接入。后来为了进一步满足减少Zigbee开发的复杂程度和降低整个网络的功耗，芯片厂商推出了Zigbee单片解决方案，将MCU和RF模块集成在一片芯片中，节约了开发成本，降低了开发难度的同时，还提供了系统的性能。有些公司在推出Zigbee芯片硬件解决方案的同时，还推出了符合Zigbee规范的Zigbee协议栈和配套的开发工具，这些协议栈有免费开源的，也有收费不开源的，但其目的都是为了简化Zigbee开发的过程，使得Zigbe
32、e产品的开发周期缩短，有利于Zigbee技术的推广。目前，市面上很多公司都Zigbee芯片的解决方案，主要产品如下：1. TI的方案是用曾经业内功耗最低的单片机MSP430加CC2420，MSP430的功耗特点很符合Zigbee的功耗要求。后来TI推出了CC2430/CC2431,该芯片是世界上第一款真正的Zigbee单芯片解决方案，该方案提供了性能的同时，还满足了以Zigbee为基础的2.4GHz ISM波段应用对低成本、低功耗的要求，它结合一个高兴能的2.4GHz DSSS射频收发器和一颗工业级、高效的8051控制器。此外TI还根据CC2420和CC2430的硬件条件，推出了满足Zigbe
33、e2006规范的协议栈：Z-Stack，该协议栈是半开源免费获取，基于IAR开发环境进行编译，协议栈网络层以下是透明的。现在许多Zigbee产品都是基于该方案实现的。2. Freescale的方案是MC1319x系列射频芯片加该公司的HC08单片机。后来也推出了单芯片解决方案，即MC1322x系列，其内部集成了2.4GZigbee发射前端和32位的ARM7核MCU，基于其自身的硬件提供了符合Zigbee规范的协议栈：BeeStack。该协议栈代码是封装的，非开源且需付费才能使用。3. Microchip公司的方案是以PIC8系列单片机配上CC2420或者MRF24J40射频芯片，该公司没有推出
34、Zigbee单芯片解决方案。Mircochip提供全开源的Zigbee协议栈：MpZBee，目前该协议栈免费，但没有提供专属的Zigbee芯片平台，并且支持的MCU和RF有限，4. 意法半导体（ST）也与其他公司一样，首先推出了Zigbee射频芯片SN260，而后结合MCU推出了单片解决方案，如STM32W108，该芯片是集成了32位的Cortex-M3内核与Zigbee的RF模块，与其他公司单片方案不同的时，该芯片出厂时已经在片内固化了Zigbee的网络协议栈，用户可以根据自己的需求选择不同的芯片版本，在内嵌协议栈提供的API函数接口上开发自己的应用，而不用太过于关心无线协议的细节，因此该协
35、议栈也是非开源的。5. 英国的Jennic公司（现被NXP收购）最新的Zigbee芯片解决方案是JN5148，这是该公司的第三代Zigbee芯片方案。它集成了一个32位RISC的处理器，128KB的RAM和128KB的ROM。与其他公司方案相比，其较大的内存空间和丰富的外部接口是其优势，但因此也增加了其功耗。Jennic的协议栈也是内嵌在芯片ROM中，用户只能使用其提供的API。6. Ember公司推出的的Zigbee芯片方案是EM260，该芯片是16位的XAP2b内核的网络处理和2.4G的Zigbee收发器组成。Ember公司同时还推出了符合Zigbee规范的协议栈EMZNet，不过该协议栈
36、不是免费提供的。7. ATMEL公司早在2004年就推出了Zigbee的方案，使用ATmege128L单片机配上AT86RF230zigbee射频芯片。并且推出了符合Zigbee标准的协议栈。2.3.2. 实验系统的需求及选型本实验系统志在为广大的基于Zigbee技术的无线传感网研究开发者提供一种新型实用的软硬件平台，实验系统需要满足无线传感器网络基本的传感采集、无线组网传输、数据处理分析和结果直观展现等特点，并且还要考虑开发环境的的难易程度，协议栈的开发程度，硬件方案的普及推广程度，以及开发的成本等问题。主要需求如下：1. 系统能支持多种网络拓扑结构，能满足不同应用设计的需求，并且能保证网络
37、的鲁棒性及抗干扰，网络在各种环境中的稳定性极为重要，2. 能提满足多种传感器的接入，能同时满足多种数字或模拟传感器的采集感知，并且能多种方式直观的展现传感数据。3. 节点需要移动电源供电，因此需要高效的能量管理模块，满足Zigbee网络低功耗的特点，增强节点的寿命。4. 作为实验系统，其模块结构需要具有易识别且简约的特征，移动节点的便携性和灵活性也是需慎重考虑。5. 系统所选的硬件资源需有一定的广泛性，需是大众所能接受的硬件选型，且开发难度不能太高。6. 系统的成本不能太高，若成本过高会对削弱产品的市场竞争力。综合上述的需求分析，本系统最后选用TI公司推出的CC2430作为Zigbee芯片的解
38、决方案，CC2430内含增强型8051核，32MHz的主频，IEEE 802.15.4标准的RF射频模块，完全满足Zigbee网络传感采集的需求。并且TI免费提供基于Zigbee2006规范的Z-stack协议栈，协议栈网络层以上是开源代码，功能强大且资料丰富，很有利于应用开发和教学。本系统作为Zigbee无线网络的实验系统，网络的组建是基本的要求，要求能满足多种拓扑结构的网络组建。Z-Stack协议栈支持星形、树状和网状三种网络拓扑，支持协调器、路由节点和终端节点三种设备，支持许多传感器接口。Z-stack是在IAR Embeded Workbench for 8051环境下编译调试，该环境
39、支持众多8051内核的芯片，编译的可执行的代码高效且紧凑，生成的代码量小于同类的编译器，这特点很符合存储资源珍贵的无线传感器网络。2.4. 本章小结本章主要介绍了系统所用的Zigbee技术，从其特点到协议规范作了相关的介绍，并根据其特点与其他短距离无线技术进行了对比，然后介绍了当前市面上常见的Zigbee解决芯片及协议栈解决方案，最后根据系统设计的需求选取并设计最合适的方案。3. Zigbee实验系统的硬件设计3.1. 系统总体设计为了满足广大Zigbee技术研发人员及高校教学的需求，本文提供一种新型实用基于Zigbee的无线传感器网络实验系统平台，该平台整个网络所需的硬件设备及完善的软件平台
40、。该系统的硬件设备包括协调器网关、路由节点和终端采集节点，以及用于无线数据包捕捉分析的Sniffer节点，协调器网关负责建立管理网络，并将终端节点的采集数据汇集，然后直观的实时显示；路由节点用于网络的管理兼数据包的转发；终端节点通过其上的数字传感器进行对环境的数据感知采集，然后发送至协调器。本系统的总体框架如图所示。3.2. 协调器硬件设计协调器既网关，负责整个网络的建立和维护，子节点的加入、将各节点传感数据进行收集、管理及显示。下面是协调器的结构框图。协调器主要包括处理器控制部分，电源部分、按键及显示部分、串行接口和存储部分等。电源提供所有模块的供电，4*4的按键提供了一个用户交互的方式，2
41、40*160的LCD液晶显示屏提供了一个网络数据和感知数据的实时显示的方式，外接E2PROM的存储可以保存必要的网络信息及产品信息。串行接口可以与PC机进行交互，可以通过其将网络节点信息和传感器数据传输至PC服务器。3.2.1. 处理器模块设计该模块主要是由TI的CC2430F128芯片及外围和CC2430的调试下载模块构成。CC2430沿用了上一代Zigbee射频CC2420的架构，在单芯片上结成了Zigbee射频前端、内存和微处理器。它使用了一个工业级标准的增强型8051内核，8KB的RAM，128KB的flash，还包含了8通道14位精度的ADC模块、4个定时器，USART模块等，主要特
42、性如下：1. 处理能力较强该处理器采用了工业级增强型8051内核，是一般工业级8051核处理能力的1.5倍，它属于RISC的冯洛伊曼结构，外接32MHz晶振时，其CPU处理能力能达到32MIPS(百万条指令每秒)。2. 丰富的片上资源和接口该处理器的片内存储相对而言比较大，具有8KB的RAM，128KB的片内Flash，完成能满足Zigbee协议栈的空间需求。还具有21个通用IO口，一个8通道14位精度的ADC模块，2个USART模块，1个符合IEEE 802.15.4的MAC定时器，1个16位定时器和2个8位定时器，拥有4条通道的DMA功能。集成了一个AES安全协处理器，用于保证无线数据安全
43、。3. 低功耗该芯片采用低电压供电，电压范围为：2.1V3.6V，共有4中工作模式，休眠最低电流仅0.9uA，具有外部中断唤醒或RTC唤醒功能，待机时电流少于0.6uA。接收和发送模式下，电流分别为27mA和25mA。其大部分时间处于休眠状态，因此很符合Zigbee网络低功耗的特点。4. 优质的Zigbee射频前端CC2430沿用了上一代Zigbee射频CC2420的架构，完全符合IEEE标准的2.4GHz的射频收发前端，工作频带是2.4GHz2.4835GHz，采用DSSS的编码方式，O-QPSK调制方式，物理层数据率为250Kb/s，最大支持0dBm的发射功率和-94dBm的接收灵敏度，硬
44、件支持CSMA/CA、自动帧同步、同步插入和检测、CRC校验、电源检测，提供数字化的RSSI/LQI指标。下图为CC2430射频模块的结构图通过以上的分析，可以认为CC2430是Zigbee无线收发处理器的理想选择，完全能满足本系统的需求，也符合Zigbee网络低功耗的特点。以下是CC2430外围电路的结构设计。其外围电路如图所示：天线的设计调试模块当RST低电平时，DC连续2个上升沿，进入flash编程模式或DEBUG模式。3.2.2. 电源模块设计协调器并非移动节点，需要部署在户外，因此不需要电池等能源供电，所以采用电源适配器供电，输入电压为12V。协调器所有的模块的工作电压有两个，分别为
45、5V和3.3V，因此需要电压转换芯片来提供这两种电压。现市面是的稳压芯片有两种，开关型DCDC和LDO（低压差线性稳压器），前者的转换效率很高，可输出很大的电流，但纹波噪声很大，电压调整率等特性也较差，成本较高，后者的优点是成本低，噪音纹波小，静态电流小，需要的外接元件也少，其输入输出电流基本相等，所以适用于输入电压和输出电压很接近的情况，这样可达很高的效率。本系统采用的是LM7805和LM1117-3.3芯片，LM7805将输入的12V电压转换成5V电压，然后LM1117-3.3将5V电压稳压至3.3V。电源芯片的输入端和输出端都需要添加去耦电容，一般为一个大电容并一个小电容的方式去耦，大电
46、容一般为10uF和47uF以上，大电容的作用有两种解释，其一是为而来稳定电压的幅度波动，虽然稳压电源芯片本身具有稳压的作用，但是其芯片也有个作用反应时间，若电压突变的时间小于稳压芯片的反应时间，则可以靠外部电容与分布电阻组成RC充电电路以延缓电压突变。其二是为了给高频分量提供一个低阻抗的路径，让其快速的通过返回路径到底电源负极，以免影响整个系统的电源稳定性。电流都是倾向于在低阻抗路径上流动，对于低频分量，电容是个高阻抗，而高频分量而已，电容是个低阻抗路径。电容的阻抗由公式3-2-1得到本系统做为实验系统，既要考虑用户正常操作的情况，也要考虑用户出现非法操作时的情况。用户在使用该系统时，很可能会
47、因为操作不当而导致短路等现象，而造成系统不可逆的损坏，因此本系统添加限流电路以避免电流过大而造成的事故。当出现短路等电流过大的情况是，该电路是通过三级管的导通来控制一个继电器的跳变，以达到控制电源输入端的作用。如图 所示。电源输入端Power_In与继电器引脚1连接，继电器的常态时，引脚1与引脚2是导通状态，当引脚4与引脚5有电流通过时，继电器就会发生跳电，引脚1会与引脚3导通，Power_In端与Power_Out端断开，并且短路指示灯会被点亮。该电路的关键是PNP三极管Q2发射极和集电极间的电阻R29，当通过R29的电流达到一定程度是，R29两端的电压就会达到三极管导通时需要的电压，则三极管导通，然后使得继电器跳变，已达到控制电源输入端的作用。通过改变电阻R29的阻值，以调节所需要电流的上限值。3.2.3. 交互模块设计为了方便用户操作控制整个传感器网络，方便直观的观察网络状态和感
