畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于zigbee的智能溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1、齊 齊 哈 爾 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目 基于zigbee的智能溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 學(xué) 院 通信與電子工程學(xué)院 專業(yè)班級 物聯(lián)網(wǎng)工程112班 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 成 績 2015年 6月 15日摘 要無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今備受關(guān)注的前沿?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域，被評為未來高科技的三大產(chǎn)業(yè)之一。zigbee技術(shù)是一種短距離、低速率、低功耗、低成本和可靠性高的無線通信技術(shù)，主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，十分適合擔(dān)當(dāng)組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重任，這些特點(diǎn)使得該技術(shù)彌補(bǔ)了低功耗、低成本和低速率的無線通訊市場的空缺，其應(yīng)用前景被十分看好。本文研究分析zigbee技術(shù)的基礎(chǔ)理論，剖析zigbee技術(shù)

2、的組網(wǎng)方式，結(jié)合國內(nèi)目前已有的傳感器技術(shù)，提出了用于采集溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案。通過zigbee無線通信技術(shù)構(gòu)建一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)監(jiān)測平臺組成。系統(tǒng)采用樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對加入該網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行溫度，光照強(qiáng)度和雨水的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，將此應(yīng)用于對農(nóng)業(yè)里溫室的環(huán)境檢測和控制當(dāng)中，避免了有線網(wǎng)絡(luò)的布線問題和成本問題。關(guān)鍵詞：zigbee技術(shù)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；環(huán)境監(jiān)測abstractwsn is a hot field in concern, was named one of the three future high-tech indu

3、stries. zigbee technology is a short distance, low rate, low power consumption, low cost and high reliability of wireless communication technology, mainly suitable for automatic control and remote control, you can embed a variety of devices, very suitable for the task as organization of wsn, these c

4、haracteristics make the technology for low power consumption, low cost and low rate wireless communication market vacancy, its application prospect is very optimistic. this is the theoretical analysis of zigbee technology, analyzes the networking mode of zigbee technology, combining the domestic exi

5、sting sensor technology, wireless sensor network system for greenhouse environment data acquisition scheme is proposed. build a wsn through zigbee wireless communication technology. the system consists of sensor nodes, routing node, central node and pc monitoring platform. the system uses a tree top

6、ology, the temperature of the sensor nodes join the network, the light intensity and rainfall data collection and analysis, applied to the environment on agricultural greenhouse monitoring and control.keywords:zigbee technology; wsn; environmental monitoring目 錄摘 要iabstractii目 錄iii第1章 緒論11.1 智能溫室的研究背

7、景11.2 智能溫室的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀21.3 本課題的目的及意義21.4 課題的主要研究內(nèi)容31.5 論文安排及組織結(jié)構(gòu)3第2章 智能溫室系統(tǒng)技術(shù)概述52.1 zigbee概述52.2 zigbee體系結(jié)構(gòu)52.2.1 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?2.2.2 樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?2.2.3 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?2.3 zigbee的協(xié)議棧研究82.3.1 物理層82.3.2 mac層92.3.3 網(wǎng)絡(luò)層102.3.4 應(yīng)用層112.4 zigbee技術(shù)與幾種無線通信技術(shù)的比較122.4.1 zigbee技術(shù)122.4.2 wifi技術(shù)122.4.3 bluetooth技術(shù)132.4.4 紅外技術(shù)132.4.5 幾種無線

8、通信技術(shù)的參數(shù)比較13第3章 系統(tǒng)的硬件平臺構(gòu)建153.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)153.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)流程圖163.3 系統(tǒng)的微處理器模塊163.4 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊173.4.1 溫度傳感器173.4.2 光照傳感器183.4.3 雨滴傳感器193.5 智能溫室的串口通信模塊193.5 系統(tǒng)的lcd顯示模塊203.5.1 lcd12864顯示模塊203.5.2 lcd12864顯示模塊電路圖213.5.3 lcd12864初始化子程序流程圖213.6 系統(tǒng)的供電模塊22第4章 系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)244.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)244.1.1 stc12c5a60s2系列單片機(jī)簡介244.1.2 stc

9、12c5a60s2系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)244.2 節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)流程與開發(fā)平臺254.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)254.3.1 zigbee數(shù)據(jù)收發(fā)模塊254.3.2 lcd顯示模塊29第5章 智能溫室系統(tǒng)的測試與調(diào)試結(jié)果425.1 系統(tǒng)的硬件調(diào)試425.1.1 光合作用部分測試425.1.2 雨水部分測試435.1 系統(tǒng)的整體測試44第6章 結(jié)論45參考文獻(xiàn)46附 錄48致 謝57第1章 緒論1.1 智能溫室的研究背景隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和無限通信技術(shù)的快速發(fā)展以及人們生活水平的提高，傳統(tǒng)的有線通信方式成本高、布線復(fù)雜且花費(fèi)大量的人力物力，已經(jīng)不能完全滿足人們的應(yīng)用需要了。所以，無線通信技術(shù)由此出現(xiàn)。

10、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)按照傳輸范圍來劃分，可分為無線廣域網(wǎng)、無線城域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)和無線個(gè)人域網(wǎng)。無線個(gè)人域網(wǎng)也叫做短距離無線網(wǎng)絡(luò)，比較普遍的短距離無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)有：zigbee、wifi以及bluetooth也就是人們常說的藍(lán)牙等組成。在家庭自動化、軍工領(lǐng)域和工業(yè)控制領(lǐng)域中，bluetooth雖然成本較低，成熟度高，但是由于其僅有10的傳輸距離來說，bluetooth可以參與組網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)太少。wifi雖然在傳輸速度方面速度較快，傳輸距離可達(dá)到100米，但是其價(jià)格高，功耗大，所以組網(wǎng)能力偏差。相比之下zigbee技術(shù)則是主要針對低速率、低成本和低功耗的無線通訊市場，它具有如下特點(diǎn)（1）速率低：zigbe

11、e工作在20250kbps的較低速率，分別提供250kbps（2.4ghz）、40kbps（915mhz）和20kbps（868mhz）的原始數(shù)據(jù)吞吐率，來滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。（2）成本低：由于zigbee模塊的初始成本很低，并且zigbee的協(xié)議是免專利費(fèi)的，采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ism）頻段，2.4ghz（全球）、915mhz（美國）和868mhz（歐洲），免執(zhí)照頻段。（3）功耗低：由于zigbee的傳輸速率比較低，傳輸數(shù)據(jù)量較小，并且采用額休眠模式，因此zigbee設(shè)備功耗很低，僅用兩節(jié)5號電池就可以維持長時(shí)間使用。（4）距離近。傳輸范圍一般介于10100m之間，在增

12、加發(fā)射功率后，亦可增加到13km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。（5）時(shí)延短。zigbee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要310s、wifi 需要3 s。（6）容量高。zigbee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000 個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。（7）安全高。zigbee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用訪問控制清單(access control list,

13、 acl) 防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(aes 128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。由于zigbee技術(shù)具有以上所說的特點(diǎn)，因此zigbee技術(shù)在短距離低速率電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳說應(yīng)用廣泛。zigbee聯(lián)盟預(yù)測的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車自動化、工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)用設(shè)備控制等。1.2 智能溫室的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀zigbee作為一種新興的國際標(biāo)準(zhǔn)短距離無線通信協(xié)議，其協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)是基于標(biāo)準(zhǔn)七層開放式系統(tǒng)1互聯(lián)網(wǎng)參考模型（osi），ieee802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)定義了下面的兩層：物理層和媒體接入控制子層：網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用匯聚層、應(yīng)用層都是由zigbee聯(lián)盟制訂的

14、。2002年，zigbee聯(lián)盟剛剛創(chuàng)立，創(chuàng)始者包括ic供應(yīng)商、無線ip提供商、設(shè)備制造商、測試設(shè)備制造商和最終產(chǎn)品制造商等，這些企業(yè)能提供適應(yīng)zigbee的產(chǎn)品和解決方案。當(dāng)前，我國已進(jìn)入加快改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)、走中國特色農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化道路的關(guān)鍵時(shí)刻，農(nóng)業(yè)、農(nóng)村經(jīng)歷著廣泛而深刻的變革，世界范圍也正在孕育一場新的農(nóng)業(yè)科技革命，農(nóng)業(yè)科技的支撐作用更加突出。2011年年初，國家“十二五”規(guī)劃提出今后我國農(nóng)業(yè)要走農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；?、集約化道路；而在近日出臺的2012年中央一號文件則繼續(xù)聚集“三農(nóng)”，并占用了半個(gè)篇幅涉及農(nóng)業(yè)科技，可見國家依靠農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的決心。作為中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的核

15、心區(qū)，浙江省早在2005年就提出要優(yōu)化蔬菜產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)蔬菜生產(chǎn)基地建設(shè)、提高蔬菜的產(chǎn)業(yè)化水平、加大科技投入和提高研發(fā)能力、加大蔬菜優(yōu)良品種和先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)及推廣力度；杭州作為中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的節(jié)點(diǎn)城市，發(fā)展綠色無公害蔬菜得天獨(dú)厚。隨著全省經(jīng)濟(jì)的跨越式發(fā)展，要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收，就必須著力建設(shè)高效特色產(chǎn)業(yè)，走規(guī)?；?jīng)營，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。去年，海勃灣區(qū)千里山鎮(zhèn)團(tuán)結(jié)新村興建了一棟智能溫室。該溫室占地2880平方米，采用鋼結(jié)構(gòu)固定，噴灌、施肥、保溫、通風(fēng)，全部都實(shí)現(xiàn)了智能化操作。目前，智能溫室里培育了白菜、蒜苗、辣椒、西紅柿等果蔬，還有紅掌、一品紅等花卉。1.3 本課題的目的及意義隨著人們生活質(zhì)量的不

16、斷提高及對生態(tài)環(huán)境和自身健康保護(hù)意識的增強(qiáng)，人們不再滿足于對蔬菜數(shù)量的追求，而是追求安全、衛(wèi)生的綠色蔬菜。綠色蔬菜是指按照特定生產(chǎn)方式生產(chǎn)，經(jīng)專門機(jī)構(gòu)認(rèn)定，許可使用綠色食品標(biāo)志的安全、優(yōu)質(zhì)蔬菜，是“綠色食品”的重要組成部分。綠色蔬菜避免了在傳統(tǒng)蔬菜生產(chǎn)中因化學(xué)農(nóng)藥、化學(xué)肥料大量使用及深加工過程中對環(huán)境所造成的污染，提高了產(chǎn)品檔次，增加了營養(yǎng)價(jià)值，滿足了人們的飲食需要，加快了農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益的速度，帶動和擴(kuò)大了出口創(chuàng)匯蔬菜的發(fā)展，使生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益有機(jī)地結(jié)合在一起。因此，發(fā)展綠色蔬菜是保障人民身心健康、造福子孫后代、增強(qiáng)人們對環(huán)境保護(hù)意識的一件大事。在我國由于部分農(nóng)作物對環(huán)

17、境要求較高，一些地區(qū)無法在冬季室外栽培，大多采用大棚栽培，但對棚內(nèi)的光照、溫度和濕度等環(huán)境的控制要求比較高，傳統(tǒng)的人工檢測和調(diào)節(jié)難度較大。建立智能溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可記錄成長過程中所有的環(huán)境變量情況以及植物成長情況并由專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動控制。實(shí)驗(yàn)測試表明，該系統(tǒng)在硬件與軟件的配合下，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確以及快捷地采集到遠(yuǎn)程農(nóng)業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并可將采集到的環(huán)境信息無線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，生成相應(yīng)的曲線圖及柱狀圖，通過專家系統(tǒng)云服務(wù)，精確設(shè)定最佳農(nóng)事操作，使傳統(tǒng)的粗放生產(chǎn)變?yōu)榫?xì)農(nóng)作，達(dá)到科學(xué)種植的目的。由于農(nóng)作物的質(zhì)量與產(chǎn)量受種植環(huán)境優(yōu)劣影響很大，因此農(nóng)民的收入一直難以穩(wěn)定。這種系統(tǒng)可以讓溫室大棚智能化，

18、能將大棚內(nèi)環(huán)境信息及時(shí)反饋，并通過計(jì)算機(jī)調(diào)用專家系統(tǒng)，對溫室環(huán)境的控制來調(diào)整農(nóng)作物的長勢，穩(wěn)定農(nóng)民的收益，甚至達(dá)到控制農(nóng)作物生長周期，使得農(nóng)作物提前上市獲得更高經(jīng)濟(jì)效益的效果?，F(xiàn)有的大多數(shù)智能溫室系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集是通過采用人工實(shí)地記錄方式或者通過有線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離檢測記錄方式。2這兩種方式都有明顯的局限性，智能生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境溫濕度參數(shù)對農(nóng)作物有著重要的作用，為此采用新興的zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)智能溫室大棚檢測系統(tǒng)是很有必要的。1.4 課題的主要研究內(nèi)容本文主要研究和利用了zigbee技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來設(shè)計(jì)一個(gè)溫室遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，對溫室內(nèi)的溫度、雨水和光照強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測，從而達(dá)到溫室智能化的

19、管理。1.5 論文安排及組織結(jié)構(gòu)本文的安排如下：第1章 緒論簡單介紹設(shè)計(jì)的背景、目的和意義，以及國內(nèi)外研究的概況和本設(shè)計(jì)的論文安排。第2章 主要說明了zigbee協(xié)議機(jī)器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和工作模式，另外還對zigbee與其他幾種無線通信技術(shù)進(jìn)行了比較。第3章 介紹了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，硬件方面的功能和配置。第4章 介紹了系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，以及軟件方面的功能。第5章 簡單闡述了該系統(tǒng)的測試和調(diào)試過程。第6章 簡單說明了我在設(shè)計(jì)過程中的個(gè)人心得以及遇到問題的總結(jié)。 第2章 智能溫室系統(tǒng)技術(shù)概述2.1 zigbee概述zigbee是基于ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短

20、距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，3由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之，zigbee就是一種便宜的、低速率和低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。ieee802.15.4協(xié)議是ieee802.15.4工作組為低速率無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(wpn:wireless personal area network)制定的標(biāo)準(zhǔn)，該工作組成立于2002年12月，致力于定

21、義一種廉價(jià)的，固定、便攜或移動設(shè)備使用的，低復(fù)雜度、低成本、低功耗、低速率的無線連接技術(shù)，并于2003年12月通過了第一個(gè)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)也得到了快速的發(fā)展。802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了在個(gè)人區(qū)域網(wǎng)中通過射頻方式在設(shè)備間進(jìn)行互連的方式與協(xié)議，該標(biāo)準(zhǔn)使用避免沖突的載波監(jiān)聽多址接入以方式作為媒體訪問機(jī)制，同時(shí)支持星型與對等型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中指定了兩個(gè)物理頻段和的直接擴(kuò)頻序列物理層頻段:868/915mhz和2.4ghz的直接序列擴(kuò)頻(dsss)物理層頻段。2.4ghz的物理層支持空氣中250kb/s的速率，而868/915mh

22、z的物理層支持空氣中20kb/s和40kb/s的傳輸速率。由于數(shù)據(jù)包開銷和處理延遲，實(shí)際的數(shù)據(jù)吞吐量會小于規(guī)定的比特率。作為支持低速率、低功耗、短距離無線通信的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，802.15.4在無線電頻率和數(shù)據(jù)率、數(shù)據(jù)傳輸模型、設(shè)備類型、網(wǎng)絡(luò)工作方式、安全等方面都做出了說明。并且將協(xié)議模型劃分為物理層和媒體接入控制層兩個(gè)子層進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。2.2 zigbee體系結(jié)構(gòu)zigbee技術(shù)與藍(lán)牙類似，是新興的短距離無線通信技術(shù)。它的優(yōu)勢在于它是一種低功耗、低速度、低成本的無線通信技術(shù)，4因此在很多領(lǐng)域上都可應(yīng)用。zigbee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)主要包括application layer應(yīng)用層、network laye

23、r網(wǎng)絡(luò)層、mac layer媒體接入控制層、phy layer即物理層，其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示： 圖2-1 zigbee技術(shù)體系結(jié)構(gòu)圖zigbee能夠使用的頻段有3個(gè)，它們分別為美國的915 mhz 頻段、歐洲的868 mhz 頻段以及2.4 ghz的ism頻段2.4 ghz的ism頻段，不同頻段對應(yīng)可使用的信道分別是10、1、16個(gè)。在中國采用的頻段是2.4 ghz頻段（免申請和免使用費(fèi)的頻段）。 采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)dsss(direct sequence spread spectrum)，它的傳輸距離介于10m與75 m之間，這樣能夠增加rf發(fā)射功率，使其高達(dá)500 m。它的傳輸速率為20

24、到250 kb/s，對于傳感器數(shù)據(jù)采集和控制的傳輸有一定優(yōu)勢。zigbee技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可以形成星型網(wǎng)狀網(wǎng)、樹型網(wǎng)狀網(wǎng)和mesh網(wǎng)狀網(wǎng)。星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的初始和維護(hù)工作，它主要由zigbee協(xié)調(diào)器來控制網(wǎng)絡(luò)。星狀網(wǎng)中用于直接和協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信的其它設(shè)備叫做終端設(shè)備。在樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)和選擇網(wǎng)絡(luò)主要參數(shù)是zigbee協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)形成的，然后再通過路由節(jié)點(diǎn)擴(kuò)張到網(wǎng)絡(luò)。2.2.1 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淦渲行菭罹W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示。 圖2-2星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是這樣形成的。首先，為作為網(wǎng)絡(luò)的pan主協(xié)調(diào)器，應(yīng)選擇一個(gè)具有全功能的設(shè)備（ffd），然后再由它

25、來建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，以此來確定該網(wǎng)絡(luò)的唯一的一個(gè)pan標(biāo)識符，即panid號。在每個(gè)星狀網(wǎng)絡(luò)中，pan主協(xié)調(diào)器只能是唯一的，因而每個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)的通信對于當(dāng)前其他星型網(wǎng)絡(luò)來說，都是獨(dú)立的，所以，為保網(wǎng)絡(luò)的唯一性，應(yīng)該選擇一個(gè)新的panid號，這一特點(diǎn)是zigbee技術(shù)所特有的。當(dāng)新的網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器建立了以后，5其他的各種設(shè)備也就可以加入到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)之中，用來做為這個(gè)星狀網(wǎng)絡(luò)的予節(jié)點(diǎn)。目前，星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)起來比較容易等，因此它被大量應(yīng)用在遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制上。星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的簡單，主要可以從緊需要執(zhí)行很少的上層協(xié)議、對路由功能的控制相對容易等方面來體現(xiàn)，并且，最重要的是，它方便管理。

26、管理工作大部分都是由pan協(xié)調(diào)器來完成的。但是，它也存在缺陷，那就是只能實(shí)現(xiàn)簡單的網(wǎng)絡(luò)，所以在大規(guī)模組網(wǎng)的場合里是無法應(yīng)用的，如果通信中遇到某個(gè)節(jié)點(diǎn)斷開，對其他節(jié)點(diǎn)的通信會造成一定程度上的影響，從而無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍也會因此而受到限制了，同時(shí)，星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高密度的擴(kuò)展也很難實(shí)現(xiàn)。2.2.2 樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁錉罹W(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)如圖2-3所示，協(xié)調(diào)器和路由器都屬于ffd設(shè)備，rfd為終端設(shè)備。終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)是它只能與自己的父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。 圖2-3 樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2.2.3 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)自由設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點(diǎn)是自愈能力很強(qiáng)。其中網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都具有重新路由選擇的

27、能力，都是ffd設(shè)備，因此在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)間的通訊路徑并不唯一。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的適宜環(huán)境為比較復(fù)雜的環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)小的路由器，6都具有重新路由選擇的能力，以確保網(wǎng)絡(luò)最大限度的可靠性，可以看出網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信路徑不是唯一的。網(wǎng)形拓?fù)渑c星形、樹形相比，更加復(fù)雜，其路由拓?fù)涫莿討B(tài)的，不存在一個(gè)固定的路由模式。這樣信息傳輸?shù)臅r(shí)間更加依賴瞬時(shí)網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量，因而難以預(yù)計(jì)。2.3 zigbee的協(xié)議棧研究zigbee協(xié)議結(jié)構(gòu)前面已經(jīng)有所介紹，下面將分別具體介紹。 2.3.1 物理層 物理層的任務(wù)是通過無線信道進(jìn)行安全、有效的數(shù)據(jù)通信，同時(shí)為mac層提供數(shù)據(jù)和管理服務(wù)。物理層的主要

28、功能有：休眠和激活射頻收發(fā)器、選擇通信信道、對當(dāng)前信道進(jìn)行能量檢測、指示鏈路質(zhì)量、清除信道評估以及無線數(shù)據(jù)的收發(fā)等等。 (1)工作頻段和數(shù)據(jù)速率： zigbee工作在ism(industrial scientific and medical)頻段，即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)頻段，該頻段為免付費(fèi)、免申請的無線電頻段。在該頻段上，zigbee定義了三個(gè)工作頻段，分別為：24ghz頻段和91 5868mhz頻段。其中24ghz是全球通用的ism頻段，有16個(gè)信道，數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps，采用的是16相位正交調(diào)制技術(shù)7(q-offset quadrature phaseshift keying，o-qp

29、sk)；915mhz是北美的ism頻段，有10個(gè)信道，數(shù)據(jù)傳輸速率為40kbps；868mhz是歐洲的ism頻段，有1個(gè)信道，數(shù)據(jù)傳輸速率為20kbps，915868mhz采用的是帶有二進(jìn)制移相鍵控(binary phase-shift keying，bpsk)的直接序列擴(kuò)頻(direct sequencespread spectrum，dsss)技術(shù)。在我國使用的是2.4ghz的頻段。 (2)物理層幀結(jié)構(gòu)格式 ：物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(phy protocol data unit，ppdu)i掃用于數(shù)據(jù)流同步的同步包頭(synchronization header，shr)、帶有幀長度信息的物理

30、層包頭(phyheader，phr)以及含有mac層數(shù)據(jù)幀的載荷組成的。 2.3.2 mac層mac層的主要功能包括：協(xié)調(diào)器設(shè)備產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)；與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生的信標(biāo)進(jìn)行同步；pan無線鏈路的建立、維護(hù)和斷開；支持設(shè)備的安全性；信道接入采用沖突兔碰撞載波監(jiān)聽多址接入(carrier sense multiple access with collision aviodance，csmaca)機(jī)制；預(yù)留時(shí)隙管理；在對等的mac實(shí)體中提供一個(gè)可靠的鏈路等等。 如圖2-4所示，mac層通過兩個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)(service access point，sap)為它提供兩種不同的mac層服務(wù)。即通過mac層公共

31、部分予層sap(mac common part sublayer-sap,mcps-sap)為它提供數(shù)據(jù)照務(wù)；通過mac層管理實(shí)體sap(mac sublayer management entity-sap,mlme-sap)為它提供管理服務(wù)。這兩種服務(wù)為服務(wù)協(xié)議匯聚層(service specific converence sublayer,sscs)和物理層之間提供了一個(gè)接口，這個(gè)接口通過物理層中的數(shù)據(jù)服務(wù)sap(phy datasap-pd-sap)和管理實(shí)體服務(wù)sap(physicallayer management entity-sap,plme-sap)來實(shí)現(xiàn)的。除了這些外部的接1

32、:3之強(qiáng)，在mlme和mcps之聞還有一個(gè)隱含的接豳，該接口使得mlme可以使用mac的數(shù)據(jù)服務(wù)。mac公共部分子層mac公共部分子層 mac管理實(shí)體mac層個(gè)域信息庫mac公共部分子層 物理層數(shù)據(jù)服務(wù) 接入點(diǎn) 物理層管理實(shí)體 圖2-4 mac層參考模型2.3.3 網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層 (network layer,nwk)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立、維護(hù)、命名以及綁定等服務(wù)，并且它們協(xié)同完成尋址、路由和安全等這些必需服務(wù)。圖2-5描述了網(wǎng)絡(luò)層的構(gòu)成部分及其各部分接口。 nlde-sap nlme-sap網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體 mlme-sap mcps-sap 圖2-5 網(wǎng)絡(luò)層參考模型 網(wǎng)絡(luò)層

33、的主要功能有兩個(gè)：一個(gè)是提供一些可以讓mac子層正常工作的函數(shù)；另一個(gè)是為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。其中，為了給應(yīng)用層提供接口，網(wǎng)絡(luò)層需要包含兩個(gè)服務(wù)實(shí)體來提供必要的一些功能。這兩9個(gè)服務(wù)實(shí)體分別為數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體和管理服務(wù)實(shí)體。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體(nwk layer data entity,nlde)通過它相關(guān)的服務(wù)接入點(diǎn)nldesap來提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體(nwk layer management entity,nlme)通過它相關(guān)的服務(wù)接入點(diǎn)nlme.sap來提供管理服務(wù)。nlme會利用nlde來完成一些管理工作，同時(shí)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)信息庫(network information base,

34、nib)。 如圖2-4所示，網(wǎng)絡(luò)層分別通過mcps-sap和mlme-sap為mac子層提供接口，通過nlde-sap和nlme-sap為應(yīng)用層提供接口。除了這些外部接口之外，網(wǎng)絡(luò)層在nlme和nlde之間還有一個(gè)隱含的接口，允許nlme使用網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)服務(wù)。 網(wǎng)絡(luò)層功能描述： zigbee網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)無線通信中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的連接和斷開、路由機(jī)制的選擇以及網(wǎng)絡(luò)地址的分配等等?；趜igbee協(xié)議的通信網(wǎng)絡(luò)中，所有的設(shè)備都必須有以下三種功能，具體包括：加入網(wǎng)絡(luò)、離開網(wǎng)絡(luò)和重新加入網(wǎng)絡(luò)功能。 此外，zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由器還應(yīng)該具備以下功能： (a) 允許終端節(jié)點(diǎn)以如下方式加入網(wǎng)絡(luò)，包括：通過

35、mac層的連接指示命令、通過應(yīng)用層的連接請求命令以及重新加入請求命令； (b) 允許終端節(jié)點(diǎn)以如下方式離開網(wǎng)絡(luò)，包括：通過網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送主動斷開命令幀和應(yīng)用層的離開請求命令； (c) 參與邏輯網(wǎng)絡(luò)地址的分配工作； (d)進(jìn)行維護(hù)鄰居設(shè)備表工作。 最后，zigbee協(xié)調(diào)器還應(yīng)該具備建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)的功能，同時(shí)路由器以及終端節(jié)點(diǎn)在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)提供輕便支持。2.3.4 應(yīng)用層zigbee應(yīng)用層(application layer,apl)主要包括應(yīng)用支持子層(application support sub-layer,aps)、zigbee設(shè)備應(yīng)用以及zigbee設(shè)備對象。下面將依次做簡要介紹。 應(yīng)用支持

36、子層介紹：應(yīng)用支持子層通過一系列的服務(wù)為網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層提供了一個(gè)接口，這些服務(wù)都是zigbee設(shè)備對象和廠商自定義的應(yīng)用對象所使用的。通過應(yīng)用支持予層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(aps data entity service access point，apsde-sap)提供數(shù)據(jù)服務(wù)：通過應(yīng)用支持子層管理服務(wù)接入點(diǎn)(aps management entity service access point，apsme-sap)提供管理服務(wù)。其中apsde為處予圊一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)或多個(gè)應(yīng)用實(shí)體間提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；apsme為應(yīng)用對象提供各種管理服務(wù)，其中主要包括安全服務(wù)和設(shè)備的綁定管理等等，同時(shí)它還負(fù)責(zé)維護(hù)管

37、理對象的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫被稱之為aps。具體應(yīng)用層結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。 apsme-sap apsde-sap apsde apsme nlme-sap nlde-sap 圖2-6 應(yīng)用層參考模型2.4 zigbee技術(shù)與幾種無線通信技術(shù)的比較當(dāng)今無線通訊領(lǐng)域由于其應(yīng)用范圍和要求不同，存在著許多種無線通訊技術(shù)，各種無線連接技術(shù)都有著各自的優(yōu)勢和不足，應(yīng)用在不同的領(lǐng)域之中。目前應(yīng)用的最為廣泛的無線通訊技術(shù)有以下幾種。2.4.1 zigbee技術(shù)zigbee技術(shù)主要用于近距離無線連接和家庭局域網(wǎng)絡(luò)方面，其基礎(chǔ)是ieee802.15.4 協(xié)議，10該協(xié)議規(guī)定了物理層和低層次的mac層協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層以上

38、的協(xié)議和api的制定由zigbee聯(lián)盟負(fù)責(zé)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。工作頻帶為868/915mhz與2.4ghz,2.4ghz為無許可證頻帶，世界各地各個(gè)領(lǐng)域都可以使用，適合于低成本的zigbee技術(shù)使用。其傳輸速度為10k-250kbps,相對于藍(lán)牙技術(shù)的傳輸速度較慢，適用于對數(shù)據(jù)需求量小，速度要求不高的環(huán)境。并且具有以下幾大特點(diǎn)：(1) 省電：兩節(jié)五號電池支持長達(dá)半年到兩年左右的使用時(shí)間；(2) 可靠：采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用的 隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突；節(jié)點(diǎn)模塊之間具有自動動態(tài)組網(wǎng)的功能，信息在整個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)中通過自動路由方式進(jìn)行傳輸，從而保證了信息傳輸

39、的可靠性； (3) 時(shí)延短：針對時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短； (4) 網(wǎng)絡(luò)容量大：可支持達(dá)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)；(5) 安全：zigbee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查功能，加密算法采用通用的aes-128；(6) 高保密性：64位出廠編號和支持aes-128加密。 2.4.2 wifi技術(shù)無線局域網(wǎng)技術(shù)wlan（wi-fi）,其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為802.11，可實(shí)現(xiàn)十幾兆至幾十兆的無線接入。wlan最大的特點(diǎn)是便攜性，主要解決用戶“最好100m”的通信需求，定位于人點(diǎn)地區(qū)的高速游牧數(shù)據(jù)接入，不支持高速移動性，主流應(yīng)用是商務(wù)用戶在酒店、機(jī)場等熱點(diǎn)使用便攜電腦上網(wǎng)瀏覽或訪問企業(yè)的

40、服務(wù)器。wlan制定有一系列標(biāo)準(zhǔn)，有802.11b/a/g/n等。使用wifi的缺點(diǎn)包括功耗大、成本高、協(xié)議開銷大、需要接入點(diǎn)。目前在一個(gè)器具上增加wifi至少需要15美元。bluesoft標(biāo)記的價(jià)格是65美元。雖然成本還會下降，但近期仍只能用于跟蹤價(jià)值較高的資產(chǎn)。一個(gè)倉庫可能只會把bluesoft標(biāo)記用于它的鏟車，而不會用于鏟車搬動的箱子。wi-fi是一個(gè)無中繼轉(zhuǎn)發(fā)能力的單跳網(wǎng)，器具只能連接到接入點(diǎn)（ap）。ap之間的鏈接、ap與其他網(wǎng)絡(luò)的鏈接往往通過常規(guī)的有線以太網(wǎng)。如果已經(jīng)用于其他以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的同一布線再用作wifi回傳，就需要進(jìn)行認(rèn)證或者把wifi無線數(shù)據(jù)包隔離開。要不，你就不得不安裝新

41、的纜線和交換機(jī)?，F(xiàn)在，需要新興公司正在推進(jìn)wi-fi網(wǎng)狀網(wǎng)，其內(nèi)ap被用作路由器，彼此自動發(fā)現(xiàn)，可經(jīng)過幾跳轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)。但網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要涉及用于室外，在ap之間要求視距，使他們更適用于服務(wù)提供商，而不是企業(yè)。隨著低速率應(yīng)用市場需要的不斷增長，zigbee和wi-fi系統(tǒng)共處的可能性越來越大，但是由于兩者都主要工作在2.4ghz的ism頻段，他們不可避免的會產(chǎn)生相互干擾，所以zigbee和wi-fi之間的共存是一個(gè)待需解決的問題。2.4.3 bluetooth技術(shù)bluetooth技術(shù)是1994年愛立信公司首先提出的一種短距離無線通訊技術(shù)規(guī)范，能夠在設(shè)備間實(shí)現(xiàn)方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗的數(shù)據(jù)

42、和語音通訊，是目前無線局域網(wǎng)的主流技術(shù)之一。其工作標(biāo)準(zhǔn)為ieee802.15.4工作頻帶為ism2.4ghz，在該頻帶上有79個(gè)信道，可以隨時(shí)更換頻道以防止干擾，傳輸速率為723.1kbps. 當(dāng)發(fā)射功率為1mw時(shí)，其通信距離可達(dá)10m；發(fā)射功率為100mw時(shí)，通信距離可達(dá)100m.bluetooth技術(shù)采用靈活的無基站組網(wǎng)方式，在這種組網(wǎng)方式下，每一個(gè)bluetooth設(shè)備都能夠同時(shí)和7個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信，而且支持點(diǎn)對點(diǎn)與點(diǎn)對多點(diǎn)的通信方式，在點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式下，bluetooth技術(shù)采用密碼核對方式進(jìn)行通信，及通信的兩個(gè)設(shè)備需要進(jìn)行設(shè)置相應(yīng)的密碼進(jìn)行配對，大大增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。該技術(shù)廣泛

43、應(yīng)用于現(xiàn)在如手機(jī)、pda、臺式機(jī)電腦和筆記本電腦等主流消費(fèi)性產(chǎn)品當(dāng)中。2.4.4 紅外技術(shù)紅外技術(shù)（irda,infrared data association)是制定于1993年的一種短距離無線通訊標(biāo)準(zhǔn)。采用波長850nm的紅光作為傳輸介質(zhì)，采用點(diǎn)到點(diǎn)通訊方式，通過紅外光脈沖和電脈沖的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)通信，通訊距離在1米以內(nèi)，傳輸速率為16mbps,是一種代替?zhèn)鹘y(tǒng)線纜傳輸?shù)挠行ㄓ嵎绞?。但因其傳輸距離有限、傳輸方向局限大等特點(diǎn)，在應(yīng)用上受到了很大的限制。2.4.5 幾種無線通信技術(shù)的參數(shù)比較表2-1給出了本文介紹的集中無線通訊技術(shù)的基本參數(shù)和比較。名稱工作頻段傳輸速率（mbps）功耗傳輸方式安全方式

44、支持組織主要用途zigbee868mhz915mhz2.4ghz 0.02 0.04 0.251-3mw點(diǎn)到多點(diǎn)aes128zigbee聯(lián)盟家庭網(wǎng)絡(luò)紅外850nm 1.51-10mw點(diǎn)到點(diǎn)無irda近距離遙控bluetooth2.4ghz 11-100mw點(diǎn)到多點(diǎn)點(diǎn)到點(diǎn)120位密鑰bluetooth sig個(gè)人網(wǎng)絡(luò)wifi2.4ghz 1160-70mw點(diǎn)到多點(diǎn)wep加密wifi聯(lián)盟局域網(wǎng) 從表2-1中我們可以看出其他無線通信技術(shù)都只有一種工作頻段和單獨(dú)的傳輸速率，只有zigbee可以在多種頻段下工作并且可以有多種傳輸速率；在功耗方面也是zigbee獨(dú)占鰲頭；并且在傳輸方式、安全方式、支持組織

45、和主要用途多方面來看，zigbee是最適合本次課題的。第3章 系統(tǒng)的硬件平臺構(gòu)建3.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)根據(jù)室內(nèi)環(huán)境與zigbee技術(shù)的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的基于zigbee技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要由多種傳感器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器軟件組成。其中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)分別充當(dāng)zigbee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與端節(jié)點(diǎn)的角色，11協(xié)調(diào)器軟件通過與主模塊進(jìn)行通訊，可以實(shí)時(shí)了解室內(nèi)環(huán)境的相關(guān)參數(shù)及進(jìn)行手動調(diào)節(jié)。本文設(shè)計(jì)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示： 圖3-1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 由上圖可知，在本系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送；路由器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的管理與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)檢測范圍

46、較大時(shí)，可通過增加路由器節(jié)點(diǎn)擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、節(jié)點(diǎn)的管理、數(shù)據(jù)的處理以及和上位機(jī)軟件進(jìn)行通訊。整個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)采用樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳感器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的葉子節(jié)點(diǎn)，路由器節(jié)點(diǎn)是傳感器節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)，而網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)又是路由器節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)。當(dāng)監(jiān)測區(qū)域較大時(shí)，可以通過增加路由器節(jié)點(diǎn)來保證網(wǎng)絡(luò)的連通性與魯棒性。上位機(jī)軟件是整個(gè)室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的中樞，實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的集中控制與管理。3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)流程圖首先進(jìn)行電路功能的設(shè)計(jì)，然后將設(shè)計(jì)輸入軟件中，若功能可以實(shí)現(xiàn)，則進(jìn)行實(shí)物的制作。最后測試實(shí)物是否可行后進(jìn)行時(shí)序的仿真，最后下載配置。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-2所示。 設(shè)計(jì)方案

47、 軟件設(shè)計(jì) 軟件仿真n y 下載配置 焊接電路圖3-2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖3.3 系統(tǒng)的微處理器模塊微處理器是無線傳感器節(jié)點(diǎn)的核心。它采集并處理傳感器數(shù)據(jù)，與無線模塊通訊并判斷何時(shí)發(fā)送和接收這些數(shù)據(jù)，12控制人機(jī)操作界面以及通過串口與上位機(jī)通訊。處理器必須運(yùn)行各種程序，包括時(shí)間要求嚴(yán)格的信號處理、通信協(xié)議、以及應(yīng)用程序。它是節(jié)點(diǎn)的中央處理單元(cpu)。多種處理任務(wù)可以在不同結(jié)構(gòu)的處理器上執(zhí)行，任務(wù)的分配需要考慮可行性、性能、能量效率以及成本之間的折中問題。本設(shè)計(jì)中微處理器采用ti公司的cc2530芯片，它是zigbee應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)解決方案，它能夠以非常低的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)

48、點(diǎn)。結(jié)合了性能優(yōu)良的rf收發(fā)器、業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051cpu、最大128kb的可編程閃存和8kb的ram。cc2530具有不同的運(yùn)營模式，13使其特別適合于超低功耗要求的場合。由于cc2530芯片內(nèi)集成了許多特色功能模塊，因此，其典型的外圍電路也就非常簡潔。其中，主時(shí)鐘晶振采用32mhz無源晶振以及32.768khz時(shí)鐘晶振；無線rf模塊外圍電路采用無巴倫的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)；天線使用50歐鞭狀負(fù)極性天線。cc2530配合很少的外圍元件就可以組成無線通信模塊。 cc2530芯片的主要特點(diǎn)如下： (1)工作頻帶：2405mhz2480mhz (2)支持802.15.4、zigbee2007、zigb

49、ee pro和zigbee rf4ce等標(biāo)準(zhǔn) (3)主控芯片：cc2530f256 (4)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)：ieee 802.15.4 (5)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星狀、網(wǎng)狀(6)數(shù)據(jù)傳輸速率：250kbps (7)天線模式：外置天線 (8)通信范圍：300米450米 (9)接收靈敏度：-97dbm (10)發(fā)射電流：29ma (11)接收電流：24ma (12)工作溫度：-4085 (13)電源：2.0v3.6v (14)模塊外形尺寸：4034mm 3.4 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)主要包括傳感器的選擇以及與微處理器的連接電路。本次設(shè)計(jì)基于環(huán)境監(jiān)測，主要采集大氣的溫度，光照強(qiáng)度和雨水。在傳感器

50、的選擇中，需要考慮量程，精度需求，供電電壓以及功耗。14經(jīng)過對市場中的傳感器各方面的比較，選用了ds18b20溫度傳感器測量環(huán)境的溫度；選用mq-2光照傳感器測量光照強(qiáng)度以及雨滴傳感器測量雨水。下面分別介紹這三種傳感器。3.4.1 溫度傳感器ds18b20是單線數(shù)字溫度傳感器，即“一線器件”，具有體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)、可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍，適合于構(gòu)建自己的經(jīng)濟(jì)的測溫系統(tǒng)。ds18b20接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣，有l(wèi)tm8877，ltm8874等等。主要根據(jù)應(yīng)用場合的不同而改變其外觀。封裝后的ds18

51、b20可用于電纜溝測溫，15高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機(jī)房測溫，農(nóng)業(yè)大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。溫度傳感器電路原理圖如圖3-3所示。ds18b20的特點(diǎn)包括：獨(dú)特的單線接口方式，ds18b20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與ds18b20的雙向通訊。測溫范圍55+125，固有測溫誤差1。支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)ds18b20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián)8個(gè)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫，如果數(shù)量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定。工作電源:3.05.5v/dc

52、（可以數(shù)據(jù)線寄生電源）。在使用中不需要任何外圍元件。測量結(jié)果以912位數(shù)字量方式串行傳送。不銹鋼保護(hù)管直徑6。適用于dn1525,dn40dn250各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設(shè)備測溫。標(biāo)準(zhǔn)安裝螺紋m10x1,m12x1.5,g1/2”任選。pvc電纜直接出線或德式球型接線盒出線,便于與其它電器設(shè)備連接。圖3-3 溫度傳感器電路原理圖3.4.2 光照傳感器不區(qū)分光源數(shù)字型環(huán)境光照強(qiáng)度傳感器bh1750fvi是日本rhom株式會社近些年推出的一種兩線式串行總線接口的集成電路，可以根據(jù)手機(jī)的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)來進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，其具有165535lx的高分辨率，可支持較大范圍的光照強(qiáng)度變化。外部光照被接近人眼

53、反應(yīng)的高精度光敏二極管pd探測到后，通過集成運(yùn)算放大器將pd電流轉(zhuǎn)換為pd電壓，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲取16位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，16然后被邏輯和ic界面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與存儲。osc為內(nèi)部的振蕩器提供內(nèi)部邏輯時(shí)鐘，通過相應(yīng)的指令操作即可讀出內(nèi)部存儲的光照數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸使用標(biāo)準(zhǔn)的ic總線，按照時(shí)序要求操作起來也非常方便。光照傳感器電路原理圖如圖3-4所示。圖3-4 光照傳感器電路原理圖3.4.3 雨滴傳感器雨滴傳感器又叫雨滴檢測傳感器，用于檢測是否下雨及雨量的大小，廣泛用于汽車自動刮水系統(tǒng)、智能燈光系統(tǒng)和智能天窗系統(tǒng)中。在雨滴傳感刮水系統(tǒng)中，用雨滴檢測傳感器檢測出雨量，并利用控制器將檢測出的信號進(jìn)行變換，根據(jù)變換后

54、的信號自動地按雨量設(shè)定刮水器的間歇時(shí)間，17以便隨時(shí)控制刮水器電動機(jī);在汽車智能燈光系統(tǒng)中檢測車輛行駛的環(huán)境，自動調(diào)整燈光模式，提高車輛在惡劣環(huán)境下行駛的安全性;在智能天窗系統(tǒng)中傳感器一旦檢測到下雨，會自動關(guān)閉天窗。雨滴傳感器電路原理圖如圖3-5所示。圖3-5 雨滴傳感器電路原理圖3.5 智能溫室的串口通信模塊微控制器通過rs232與上位機(jī)通信。串口芯片選擇max232，max232配備專有的低漏失電壓發(fā)射器輸出狀態(tài)，通過雙電荷泵，在3.0v至5.5v供壓下，表現(xiàn)出真正的rs232協(xié)議器件性能，這些器件只需4個(gè)0.1f的外部小電容，18用于電荷泵。發(fā)光二極管tx-led，rx-led用來觀察max232工作是否正常，是否會有數(shù)據(jù)通過該模塊。對于終