ZigBee開題報(bào)告重點(diǎn)講義資料

1、畢業(yè)論文開題報(bào)告表論文題目一、選題背景和意義在現(xiàn)代家居生活中，由于隨著生活水平要求的不斷提高，人們更加迫切希望能夠檢測和控制建筑內(nèi)光環(huán)境、熱濕環(huán)境、人居環(huán)境。同時(shí)，家庭及生活環(huán)境復(fù)雜造成的諸多不便，使得人們不能時(shí)刻駐留在建筑物內(nèi)來確保各項(xiàng)設(shè)備是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)。所以將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€既能顯示又能表達(dá)的控制器的需求就顯得迫切了，這樣一來人們可以輕易的獲取各項(xiàng)設(shè)備以及周圍環(huán)境的信息，如果希望改變某一環(huán)境條件，只需要通過控制器將控制指令發(fā)送給現(xiàn)場指定模塊進(jìn)行特定操作，然后等待反饋信息即可。但是，在大量數(shù)據(jù)產(chǎn)生的同時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}也會隨之被放大了，因?yàn)楝F(xiàn)場面積大、需要傳輸信息量大，使用傳統(tǒng)的

2、有線數(shù)據(jù)傳輸方式在暫用大量資源的情況下，卻不能滿足實(shí)際應(yīng)用中會出現(xiàn)的多變的需求。而且當(dāng)被測點(diǎn)處于運(yùn)動狀態(tài)、所處環(huán)境條件不允許或者無法鋪設(shè)通信電纜時(shí)，勢必會出現(xiàn)致數(shù)據(jù)無傳輸，此時(shí)便需要利用無線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行采集數(shù)據(jù)的傳輸。近幾年隨著電子技術(shù),傳感器技術(shù)及通信技術(shù)的發(fā)展,推動了現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的崛起,并且在軍事、民用方面都得到了廣泛的應(yīng)用與成功。以ZigBee技術(shù)為核心的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其低功耗、低速率、低成本,網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性高的優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)控制、數(shù)字家庭、智能樓宇監(jiān)控、小區(qū)水電抄表等領(lǐng)域 。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor

3、60;Network）綜合了微電子技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，能夠協(xié)同地實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進(jìn)行處理，處理后的信息通過無線方式發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送給觀察者。二、課題關(guān)鍵問題及難點(diǎn)1、應(yīng)用IEEE802協(xié)議自組一個無線通信網(wǎng)絡(luò)。2、設(shè)計(jì)過程包括硬件電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)兩大步驟。3、利用IAR進(jìn)行軟件仿真。三、調(diào)研報(bào)告（或文獻(xiàn)綜述）IEEE 802. 15. 4 標(biāo)準(zhǔn)作為ZigBee 協(xié)議和眾多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層標(biāo)準(zhǔn), 只定義了物理層( PHY) 和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC 子層。PHY 層由射頻收

4、發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成。MAC 子層為高層訪問物理信道提供點(diǎn)到點(diǎn)通信的服務(wù)接口。表1 是IEEE802. 15. 4 標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)特征。IEEE 802. 15. 4 網(wǎng)絡(luò)是指在個人自身操作空間內(nèi)使用無線信道并通過IEEE 802. 15. 4 標(biāo)準(zhǔn)相互通信的一組設(shè)備的集合, 稱為LR-WPAN。如圖1所示, 在這個家庭智能化網(wǎng)絡(luò)中, 全功能器件( FFD: Full Function Device )擁有足夠的存儲空間來存放路由信息并且處理能力也較強(qiáng); 簡化功能器件( RFD: Reduce Function Device) 則內(nèi)存較小, 功耗低。FFD 主要起網(wǎng)關(guān)作用, PAN 網(wǎng)絡(luò)協(xié)

5、調(diào)器是一個FFD 設(shè)備, 作為LR-WPAN 網(wǎng)的主控制器,除直接參與應(yīng)用之外, 還要完成成員身份管理、鏈路轉(zhuǎn)狀態(tài)信息管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)。而RFD 是最基本的傳感器節(jié)點(diǎn), 用來捕獲數(shù)據(jù)信息并傳遞給其范圍內(nèi)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。FFD 和RFD 互相組合, 可以共同協(xié)調(diào)工作, 不僅擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍, 同時(shí)由于RFD 的加入, 節(jié)省了整體功耗。雖然網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的形成過程屬于網(wǎng)絡(luò)層的功能, 但I(xiàn)EEE802. 15. 4 為形成各網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供了充分支持。IEEE802. 15. 4 定義的LR-WPAN 網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用的需要可以組織成星型網(wǎng)絡(luò), 也可以組織成點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò), 如圖4 所示。在星型結(jié)構(gòu)中,

6、 所有的設(shè)備都與中心設(shè)備PAN 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信。在這種網(wǎng)絡(luò)中, 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器一般使用持續(xù)電力系統(tǒng)供電, 而其他設(shè)備采用電池供電。適合家庭自動化、個人計(jì)算機(jī)的外設(shè)以及個人健康護(hù)理等小范圍的室內(nèi)應(yīng)用。與星型網(wǎng)絡(luò)不同, 點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)只要彼此在對方的無線輻射范圍之內(nèi), 任何兩個設(shè)備之間都可以直接通信。點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中也需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器, 負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)管理鏈路狀態(tài)信息, 認(rèn)證設(shè)備身份等功能。點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模式允許通過多跳路由的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)?？梢詷?gòu)造更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 適合設(shè)備分布較廣的應(yīng)用, 比如工業(yè)檢測與控制、貨物庫存跟蹤和智能農(nóng)業(yè)等方面。 星型網(wǎng)絡(luò)以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為中心, 因此星型網(wǎng)絡(luò)形成過程中, 第一步就是建立

7、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。一個網(wǎng)絡(luò)如何確定自己的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器由上層決定。一種簡單的策略是: 一個FFD 設(shè)備在第一次被激活后, 首先廣播查詢網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的請求, 如果接收到回應(yīng)說明網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)存在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器, 再通過一系列認(rèn)證過程, 設(shè)備就成為了這個網(wǎng)絡(luò)中的普通設(shè)備。如果沒有收到回應(yīng), 或者認(rèn)證過程不成功, 這個FFD 設(shè)備就可以建立自己的網(wǎng)絡(luò), 并且成為這個網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器要為網(wǎng)絡(luò)選擇一個唯一的標(biāo)識符, 該星型網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都是用這個標(biāo)識符來規(guī)定自己的屬主關(guān)系。不同星型網(wǎng)絡(luò)之間的設(shè)備通過設(shè)置專門的網(wǎng)關(guān)完成相互通信。選擇一個標(biāo)識符后, 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器就允許其他設(shè)備加入自己的網(wǎng)絡(luò), 并為這些設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。

8、星型網(wǎng)絡(luò)中的兩個設(shè)備如果需要互相通信, 都是先把各自的數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器, 然后由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)給對方。四、方案論證本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求我們考慮了各功能層的幾種設(shè)計(jì)方案，以求最佳方案。根據(jù)室內(nèi)建筑智能環(huán)境控制器硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可將本系統(tǒng)分為四個層次，第一個層次是網(wǎng)絡(luò)層，它負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的通信，從而使各從節(jié)點(diǎn)能夠與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的交互；第二個層次是設(shè)備檢測層，主要是由各傳感器以及通信節(jié)點(diǎn)組成，負(fù)責(zé)對于整個室內(nèi)建筑環(huán)境的檢測以及設(shè)備對于命令是否應(yīng)答；第三個層次是輸出控制層，通過節(jié)點(diǎn)接受控制要求信息，發(fā)送到主控制器進(jìn)行處理，再使相應(yīng)的設(shè)備應(yīng)答；第四個層次是人機(jī)接口層，通過該

9、層次，用戶能夠隨時(shí)并且方便的查看室內(nèi)建筑環(huán)境的狀況及參數(shù)，并對家具的部分環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。通信層設(shè)備檢測層輸出控制層人機(jī)接口層系統(tǒng)圖一、通信層選擇方案方案一：采用有線通信。以金屬電線和光纖作為主要介質(zhì)，通過將聲音、文字信息、圖像等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成相關(guān)信號進(jìn)行有效傳輸。出發(fā)點(diǎn)、接受點(diǎn)、相關(guān)協(xié)議也就是其信息傳遞過程中的三要素。此外，有線通信需要依靠到導(dǎo)線才能進(jìn)行信號交換，經(jīng)過實(shí)體介質(zhì)才能實(shí)現(xiàn)信號的成功傳輸，這種方式的通信方法具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如傳輸穩(wěn)定、安全快速、抗干擾能力強(qiáng)等。因?yàn)橹車h(huán)境對有線通信技術(shù)的傳輸影響力不是很大，所以在使用有線通信設(shè)備時(shí)很少會發(fā)生故障，且有線通信網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行傳輸和運(yùn)送的時(shí)候，能夠及

10、時(shí)準(zhǔn)確對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，在發(fā)生故障時(shí)候能夠及時(shí)得到解決和處理。除外，有線通信產(chǎn)生的輻射很小，對使用人員的身體健康也不會有很大的影響。我們可以將每個檢測部件和執(zhí)行部件通過綜合布線的方式進(jìn)行統(tǒng)一的管理和控制，以滿足人們各項(xiàng)需求。方案二：采用無線通信。隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，人們提出了在人自身附近幾米范圍之內(nèi)通信的需求，這樣就出現(xiàn)了個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（personal area network, PAN）和無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（wireless personal area network, WPAN）的概念。WPAN網(wǎng)絡(luò)為近距離范圍內(nèi)的設(shè)備建立無線連接，把幾米范圍內(nèi)的多個設(shè)備通過無線方式連接在一起，使它們可以相

11、互通信甚至接入LAN或Internet。而IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，是針對低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（low-rate wireless personal area network, LR-WPAN）制定標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點(diǎn)目標(biāo)，旨在為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間的低速互連提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)?；谶@種標(biāo)準(zhǔn)，我們可以在每個檢測部件和執(zhí)行部件處設(shè)置無線通信節(jié)點(diǎn)，通過使用802.15.4協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互和控制。 方案比較：對于方案一，在設(shè)備極少的情況下，可以采用有線網(wǎng)絡(luò)。有線網(wǎng)絡(luò)采用實(shí)體介質(zhì)進(jìn)行信息傳輸，具有較高的穩(wěn)定性和抗干擾能力。此外，有線網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)方面較為成熟和簡

12、單，易于開發(fā)和使用。相比于方案一，由于是在室內(nèi)家居中使用，不僅建筑面積有限，而且設(shè)備的數(shù)目較多，如果采用有線網(wǎng)絡(luò)，那么必然將造成資源的浪費(fèi)以及家居舒適度的下降。故綜合比較我們采用方案二來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的組建。二、設(shè)備檢測層選擇方案要求完成正常的PM2.5檢測?？紤]了三種方案。方案一：采用韓國SYHITECH公司的DSM501粉塵傳感器，它的特點(diǎn)有：PWM脈寬調(diào)制輸出，采用粒子計(jì)數(shù)原理，可靈敏檢測直徑1微米以上的粒子，內(nèi)置加熱器可實(shí)現(xiàn)自動吸入空氣，小尺寸重量輕，易安裝使用。方案二：采用日本SHARP公司生產(chǎn)的GP2Y1010AU0F粉塵傳感器，它的特點(diǎn)有：1.小型薄型封裝（46.0×30.0

13、×17.6毫米） 2.低功耗電流（Icc:20mA最大） 3.可以通過被檢測到的灰塵的存在只用一個脈沖的測光 4.使從房屋灰塵煙霧區(qū)別 5.無鉛兼容指令和RoHS方案三：采用英國alphasense公司的OPC-N2粉塵傳感器，它采用先進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)及精準(zhǔn)地電子處理裝置，提供快速精確的粒子數(shù)和粒徑分布檢測。同時(shí)它的電子裝置通過SPI接口結(jié)合軟件應(yīng)用，可直接在電腦或安卓手機(jī)上直觀地顯示各種尺寸微顆粒物的數(shù)量及分布，使用非常簡便。方案比較：三種方案的粉塵傳感器都廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中并且價(jià)格相差不大，但方案一的DSM501粉塵傳感器具有體積小,重量輕,便于安裝，保養(yǎng)簡單,可以長期保持傳感器的

14、特性，非常適宜家居生活的使用，故采用方案一。三、輸出控制層選擇方案硬件方案：本設(shè)計(jì)方案是通過是以TI公司的CC2530為控制核心的射頻節(jié)點(diǎn)，以一個節(jié)點(diǎn)作為主節(jié)點(diǎn)將各從節(jié)點(diǎn)所獲得的信息在主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯總后，再下發(fā)到各個節(jié)點(diǎn)。其整體硬件系統(tǒng)圖如下：主控制模塊從節(jié)點(diǎn)從節(jié)點(diǎn)從節(jié)點(diǎn)PM2.5照度顯示屏按鍵以及其他百葉窗報(bào)警背景音樂控制主模塊部分：STM32CC2530LCD液晶顯示屏按鍵UART無線網(wǎng)絡(luò) 主模塊部分以STM32為核心，CC2530將匯集的信息通過UART的方式發(fā)送給STM32核心板。STM32將各項(xiàng)參數(shù)以及時(shí)間顯示在LCD液晶屏上。通過按鍵觸發(fā)中斷的方式來選擇不同的情景模式，并將情景模式的

15、各項(xiàng)參數(shù)發(fā)送給各個設(shè)備。 PM2.5檢測部分：CC2530PM2.5傳感器音頻驅(qū)動蜂鳴器無線協(xié)議該部分中，CC2530通過傳感器測量空氣中PM2.5的含量，如果大于設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值，則馬上開始報(bào)警，直到PM2.5的數(shù)值下降到設(shè)定值。并將該數(shù)值發(fā)送給主控制器。照度反饋控制模塊：CC2530照度傳感器電機(jī)及其驅(qū)動百葉窗無線協(xié)議該模塊通過照度傳感器將室內(nèi)環(huán)境的照度值與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)需要改變環(huán)境的照度。同時(shí)將照度值發(fā)送給主控制模塊。音樂點(diǎn)播與控制模塊：CC2530MP3芯片喇叭存儲卡按鍵無線協(xié)議該模塊使用N9200，N9200是一個提供串口的MP3 芯片，完美的集成了MP3、WMV 的硬解碼。同時(shí)軟

16、件支持TF 卡驅(qū)動，支持電腦直接更新spi flash 的內(nèi)容，支持FAT16、FAT32 文件系統(tǒng)。通過簡單的UART串口指令或一線串口指令即可完成播放指定的音樂，以及如何播放音樂等功能。外加存儲卡，讓用戶能夠更大范圍的選擇音樂的類型。此外運(yùn)用按鍵和無線網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)近端和遠(yuǎn)端的音樂控制。四、人機(jī)接口層選擇方案方案一：LCD液晶顯示屏。LCD 的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃當(dāng)中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細(xì)小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面。LCD第一個特點(diǎn)是必須將液晶灌入兩個列有細(xì)槽的平面之間才能正常工作。LCD的第二個特點(diǎn)是它依賴極化濾光片和光線本身，自然光線是朝四面八方隨機(jī)發(fā)散的，極化濾光片實(shí)際是一系列越來越細(xì)的平行線。方案二：OLED液晶顯示屏。有機(jī)發(fā)光顯示技術(shù)由非常薄的有機(jī)材料涂層和玻璃基板構(gòu)成。當(dāng)有電荷通過時(shí)這些有機(jī)材料就會發(fā)光。OLED為自發(fā)光材料，不需用到背光板，同時(shí)視角廣、畫質(zhì)均勻、反應(yīng)速度快、較易彩色化、用簡單驅(qū)動電路即可達(dá)到發(fā)光、制程簡單、可制作成撓曲式面板，符合輕薄