中期驗(yàn)收項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告

1、項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告掌心科技智能家居控制系統(tǒng)前言關(guān)于 ZigbeeZigBee 是一種新興的短距離、低速率、低功耗無(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)牙技術(shù)之間的技術(shù)提案。它此前被稱作“HomeRF Lite”或 “FireFly”無(wú)線技術(shù)，主要用于近距離無(wú)線連接。它有自己的無(wú)線電標(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。這些傳感器只需要很低的功耗，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，因此它們的通信效率非常高。最后這些數(shù)據(jù)就可以進(jìn)入計(jì)算機(jī)用于分析或者被另外一種無(wú)線技術(shù)如 WiMax 收集。與其他的無(wú)線傳輸模塊相比較，ZigBee 具有自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：（1）低功耗。在

2、低耗電待機(jī)模式下，2 節(jié) 5 號(hào)干電池可支持 1 個(gè)節(jié)點(diǎn)工作 624 個(gè)月，甚至更長(zhǎng)。這是 ZigBee 的突出優(yōu)勢(shì)。相比較藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時(shí)。（2）低成本。通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議(不到藍(lán)牙的 1/10)，降低了對(duì)通信控制器的要求，按分析，以 8051 的 8 位微控制器測(cè)算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要 32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至 4KB 代碼，而且 ZigBee 免協(xié)議專利費(fèi)。每塊的價(jià)格大約為 2。短時(shí)延。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 3-10s、WiFi需要 3s。高容量。Zig

3、Bee 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)。高安全。ZigBee 提供了三級(jí)安全模式，包括無(wú)安全設(shè)定、使用接入控制(ACL)防止獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES 128)的對(duì)稱，以靈活確定其安全屬性。（6）免執(zhí)照頻段。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()和 868MHz(歐洲)。因此，ZigBee 有著廣闊的應(yīng)用前景，其應(yīng)用領(lǐng)域主要包括：（1）家庭和樓宇網(wǎng)絡(luò)：空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制、照明的自動(dòng)控制、窗簾的自動(dòng)控

4、制、煤氣計(jì)量控制、家用電器的（3）商業(yè)：智慧型控制等；（2）工業(yè)控制：各種器、傳感器的自動(dòng)化控制；等；（4）公共場(chǎng)所：煙霧探測(cè)器等；（5）農(nóng)業(yè)控制：收集各種土壤信息和氣候信息；（6）醫(yī)療：老人與行動(dòng)不便者的緊急呼叫器和醫(yī)療傳感器等。系統(tǒng)簡(jiǎn)介硬件詳單：電源 5V /2A 的插頭SIM900 模塊cc5320 模塊電池座1 個(gè)1 個(gè)3 個(gè)2 個(gè)電阻若干，小燈若干，繼電器若干，開(kāi)關(guān)若干系統(tǒng)描述：通過(guò) GSM 模塊與 CC2530 協(xié)調(diào)器組成網(wǎng)關(guān)，繼電器與節(jié)點(diǎn)相接組網(wǎng)，形成一對(duì)多通信網(wǎng)絡(luò)，繼而通過(guò)網(wǎng)關(guān)控制多個(gè)家電。通過(guò)指令發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，控制節(jié)點(diǎn)上繼電器的開(kāi)合，從而控制家電。實(shí)際試

5、驗(yàn)簡(jiǎn)化為指令控制點(diǎn)亮小燈。指令: 每個(gè)燈對(duì)應(yīng)一個(gè)繼電器，例如內(nèi)容其中 必須要代表第幾個(gè)模塊可選代表第幾個(gè)燈，可選指令共有種或者01231 滅0 代表燈的亮滅0 亮所以共有 2*4*2 種命令簡(jiǎn)介項(xiàng)目ZigBee 無(wú)線和測(cè)控模塊采用 TI 公司的 CC2530 配合必要的電路設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)（暫定）以下 3 種輸入輸出類型，分別是：（1）4 路開(kāi)關(guān)量輸入和 2 路開(kāi)關(guān)量輸出（修改為獨(dú)立的 4 路 DI 模塊和 4 路 DO 模塊，2013.11.9）；（2）4 路模擬量（0-5V 電壓信號(hào)）輸入；（3）1 路溫度和 1 路濕度。ZigBee 無(wú)線和測(cè)控模塊（以下簡(jiǎn)稱無(wú)線模塊）在 ZigBee 通信

6、網(wǎng)絡(luò)中的作用是路由器，無(wú)線模塊上電后自動(dòng)加入 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。與計(jì)算機(jī)相連的 ZigBee 協(xié)調(diào)器在整個(gè)系統(tǒng)中起著網(wǎng)關(guān)（GateWay）的作用，它將無(wú)線模塊的輸入輸出變量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 Modbus 協(xié)議，便于和其他計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)相集成。項(xiàng)目及理論研究ZigBee 定義了三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要為一個(gè)節(jié)點(diǎn)與多個(gè)節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)單通信設(shè)計(jì)；樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用分等級(jí)的樹型路由機(jī)制；網(wǎng)格型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將 Z-AODV 和分等級(jí)的樹型路由相結(jié)合的混合路由方法。三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2 所示。圖 2 網(wǎng)絡(luò)的三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ZigBee 定義了三種設(shè)備類型：ZigBee 協(xié)調(diào)器，用于初始化網(wǎng)絡(luò)信息，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)只有

7、一個(gè) ZC；ZigBee 路由器，它起監(jiān)視或控制作用，但它也是用跳頻方式傳遞信息的路由器或中繼器；ZigBee 終端設(shè)備，它只有監(jiān)視或控制功能，不能做路由或中繼之用。在 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)中，ZED 被稱為精簡(jiǎn)功能設(shè)備，ZC 和 ZR 被稱作全功能設(shè)備。課題的研究目的：可以實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目的分析與設(shè)計(jì)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中的 aodv 路由協(xié)議改進(jìn)并移植到 zigbee 硬件象,實(shí)現(xiàn) zigbee 組網(wǎng)技術(shù).對(duì)改進(jìn)的路由協(xié)議做性能比較分析.關(guān)鍵問(wèn)題上為研究對(duì)123zigbee 路由協(xié)議仿真分析zigbee 路由協(xié)議實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)測(cè)試課題中的難點(diǎn)zigbee 協(xié)議棧源代碼的深入理解.針對(duì) 802.15.4 物理層

8、與 MAC 層標(biāo)準(zhǔn),修改 aodv 路由協(xié)議.3 NS2 仿真上進(jìn)行 zigbee 路由協(xié)議的開(kāi)發(fā)與調(diào)試.zigbee 模板的設(shè)計(jì),包括 PCB 板的制作.實(shí)際環(huán)境中的測(cè)試工作.實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的管理與控制，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的 MODBUS 協(xié)議與人機(jī)界面進(jìn)行通信。研究方法、技術(shù)路線及實(shí)驗(yàn)方案。針對(duì)本項(xiàng)目采用了標(biāo)準(zhǔn)的 IEEE802.15.4 協(xié)議對(duì) ZigBee 協(xié)議棧進(jìn)行了移植。算法實(shí)現(xiàn)針對(duì)路由協(xié)議，使得所有節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)路由器兼控制節(jié)點(diǎn)。使得Zigbee 網(wǎng)絡(luò)傳輸距離和可連入節(jié)點(diǎn)數(shù)更加多。通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的 Modbus 協(xié)議的解讀，并在 ZigBee 協(xié)議棧里面加入相關(guān)的ModBus 從機(jī)的協(xié)議

9、。使得 ZigBee 網(wǎng)關(guān)相當(dāng)于一個(gè) ModBus 從機(jī)，并由此使得協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)可以與大多數(shù)組態(tài)預(yù)計(jì)研究結(jié)果實(shí)現(xiàn)直接互聯(lián)。ZigBee 無(wú)線和測(cè)控模塊（以下簡(jiǎn)稱無(wú)線模塊）在 ZigBee 通信網(wǎng)絡(luò)中的作用是路由器，無(wú)線模塊上電后自動(dòng)加入 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。與計(jì)算機(jī)相連的 ZigBee 協(xié)調(diào)器在整個(gè)系統(tǒng)中起著網(wǎng)關(guān)（GateWay）的作用，它將無(wú)線模塊的輸入輸出變量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 Modbus 協(xié)議，便于和其他計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)相集成。ZigBee 模塊與 Modbus 地址的關(guān)系網(wǎng)關(guān) ID：協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)的 Modbus 設(shè)備地址可以在 1-16 之間變化，用 4 位撥碼開(kāi)關(guān)硬件設(shè)定，00011111 對(duì)

10、應(yīng)設(shè)備地址 115，0000 對(duì)應(yīng)地址 16；4 路 DI 模塊：用 3 位撥碼開(kāi)關(guān)硬件設(shè)定模塊對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)地址，000 對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū) 1000110008（或 1000110004，視內(nèi)存使用情況定，下同）、001 對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū) 1000910016，依此類推，111 對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū) 1005710064（或 1002510032）；DI 模塊的標(biāo)識(shí)設(shè)為 02；4 路 DO 模塊：用 3 位撥碼開(kāi)關(guān)硬件設(shè)定模塊對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)地址，000 對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū) 0000100008（或 0000100004，視內(nèi)存使用情況定，下同）、001 對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū) 0000900016，依此類推，111 對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū) 0005

11、700064（或 0002500032）；DI 模塊的標(biāo)識(shí)設(shè)為 01；實(shí)際完成的情況ZigBee 無(wú)線和測(cè)控模塊（以下簡(jiǎn)稱無(wú)線模塊）在 ZigBee 通信網(wǎng)絡(luò)中的作用是路由器，無(wú)線模塊上電后自動(dòng)加入 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。與計(jì)算機(jī)相連的 ZigBee 協(xié)調(diào)器在整個(gè)系統(tǒng)中起著網(wǎng)關(guān)（GateWay）的作用，它將無(wú)線模塊的輸入輸出變量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 Modbus 協(xié)議，便于和其他計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)相集成。Zigbee 模塊與 ModBus 地址的關(guān)系協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)的 Modbus 設(shè)備地址不需要改變，一直固定為設(shè)備地址 1.4 路 DO 模塊：用 3 位撥碼開(kāi)關(guān)硬件設(shè)定模塊對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)地址，000 對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū) 0000100008 ，001 對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū) 0000900016，依此類推，111 對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)0005700064 ，DO 模塊采用 ModBus 協(xié)議的 1 號(hào)命令進(jìn)行。由于每個(gè)模塊只有 4 個(gè)輸入，所以把對(duì)應(yīng) 8 個(gè)位的第五個(gè)留作判斷是否該模塊存在的依據(jù)。0 代表沒(méi)有，1 代表有。4 路 DI 模塊：用 3 位撥碼開(kāi)關(guān)硬件設(shè)定模塊對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)地址，000 對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū) 1000110008 ，001 對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū) 1000910