基于ZigBee的无线传感网的下位机软件设计
摘要
本文分析了智能家居的发展现状，基于协议栈设计了一个可用于监测环境信息和家用电器开关控制的智能家居系统。该传感网无需布线，扩展灵活，功耗低，利用价格低廉的硬件实现了远程控制，安防报警，环境监测等功能。
本传感网采用的是德州仪器（TI）公司的CC2530解决方案，它采用了TI业界领先的ZigBee协议栈，提供完整的ZigBee解决方案，能够用极低的材料成本来构建功能强大的网络。
软件设计所使用的开发工具是IAR Embedded Workbench，所使用的协议栈是TI 公司提供的Zigbee2007协议栈。在协议栈的基础上进行软件设计，从而实现应用层各种各样的功能，如温度采集，红外感应，开关控制等功能。
关键词：智能家居； ZigBee； CC2530；无线传感网
Software Design for the Slave Computer Based on ZigBee Wireless Sensor Network
Abstract
According to the development of smart home,we have designed a smart home system, which based on the design of protocol stack,can be used for monitoring environmental information and controlling household appliances switch.Without wiring,this sensor network is not only expanded very flexibly, but also has low power consumption.It makes remote control, security alarm , environmental monitoring and other features come true with very cheap hardware.
CC2530 designed by Texas instruments (TI) company is the solution of this sensor network.Adopting the leading ZigBee protocol stack from TI industry, CC2530 provides a set of perfect ZigBee solution, which build powerful network with very low cost materials.
The developmental tool of software design is IAR Embedded Workbench and the protocol stack is Zigbee2007 protocol stack designed by TI company. We are designing the programs of this design on the basis of the protocol stack, so as to realize various functions of application layer,such as temperature acquisition, infrared sensing, switch control, etc.
Keywords:Intelligent household; ZigBee; CC2530; Wireless sensor network
目录
基于ZIGBEE的无线传感网的下位机软件设计 ................................................................................... I 摘要 .................................................................................................................................................... I SOFTWARE DESIGN FOR THE SLAVE COMPUTER BASED ON ZIGBEE WIRELESS SENSOR NETWORK ...... II ABSTRACT .................................................................................................................................................. II 第1章绪论 .. (5)
1.1本课题的背景和意义 (5)
1.2物联网与智能家居的概念 (5)
1.2.1 物联网的概念 (5)
1.2.2 智能家居的概念 (5)
1.3智能家居的发展前景 (6)
1.4课题阐述 (7)
1.5本论文的主要内容 (7)
第2章系统方案介绍 (9)
2.1系统硬件结构 (9)
2.2STM32微控制器系列 (10)
2.2.1 STM32微控制器系列的简介 (10)
2.2.2 STM32微控制器系列的内核 (10)
2.2.3 STM32微控制器系列的主要优点 (11)
2.3Z IG B EE技术 (11)
2.3.1 ZigBee技术特点 (11)
2.3.2 ZigBee的协议栈 (12)
2.3.3 ZigBee网络拓扑结构 (13)
第3章硬件系统详述 (16)
3.1硬件系统结构 (16)
3.2STM32单片机STM32F103RBT6 (17)
3.3ENC28J60以太网控制器 (17)
3.4CC2530模块 (18)
3.5传感器模块 (19)
3.5.1 DS18B20温度传感器 (20)
3.5.2 MQ-2 气敏元件 (21)
3.5.3 光敏电阻元件 (21)
3.5.4 D-SUN 人体感应模块 (22)
第4章软件系统的实现 (22)
4.1Z IG B EE模块软件设计 (23)
4.1.1 ZigBee 开发环境的配置 (23)
4.1.2 Z-Stack 协议栈 (24)
4.1.3 ZigBee协调器软件设计 (25)
4.1.4 ZigBee路由器软件设计 (27)
4.2Z IG B EE协调器与ARM之间的串口协议 (28)
4.2.1上位机的请求命令与数据格式 (28)
4.2.2下位机的应答命令与数据格式 (29)
4.3传感器模块软件设计 (29)
4.3.1 DS18B20软件设计 (30)
4.3.2 MQ-2气体传感器软件设计 (31)
4.3.3 5537光敏电阻软件设计 (31)
4.3.4 D-SUN人体感应模块软件设计 (32)
第5章整机联调 (32)
第6章总结与展望 (34)
参考文献 (35)
附录 1 DS18B20软件程序设计 (36)
附录 2 MQ-2气体传感器程序设计 (38)
附录 2 5537光敏电阻程序设计 (39)
附录 4 D-SUN人体感应模块程序设计 (40)
第1章绪论
1.1 本课题的背景和意义
随着物联网技术的蓬勃发展，市面上出现了各式各样的智能家居控制系统，本课题在现有的智能家居系统基础上，分析了目前国内外物联网系统的发展现状以及未来趋势，提出了一种以STM32处理器和ZigBee无线技术相融合的互联网通信技术的设计方案。
本课题研究的对象是基于ARM 与ZigBee 的智能家居控制系统，该系统设计突破了传统的智能家居，无需个人电脑（PC）长时间工作去维持服务器运转，通过基于ARM的嵌入式服务器，大大降低了系统能耗。不仅如此，用户除了通过局域网对家居环境监测，还可以通过外网接入实现。因此，本课题的研究具有很强的理论价值，对智能家居推广普及具有一定的现实意义。
1.2物联网与智能家居的概念
随着我们慢慢走进数字化、网络化、智能化的时代，再加上这“三化”相互的促进作用下，以物联网为基础的“三化”产品已经成为了我们未来的一种新的生活所需。这种现象也反映了在某种程度上，当今社会“三化”的一种新型发展趋势。
1.2.1 物联网的概念
物联网的概念最早于1999年提出，其英文全称是INTERNET OF THINGS，也有人称作WEB OF THINGS。换句话说，物联网是物品与物品紧密相连的互联网。这当中有2层意思：一是指物联网依然以互联网为基础，依靠互联网的延伸和扩展的网络；二是把用户端之间的联系延伸到了物品与物品之间的联系，并且物与物之间可进行信息交换。
因此，物联网的定义是通过规定的协议，把所有物品通过互联网相连接在一起，形成一个可进行信息交换和沟通，智能化识别和监控物品的一种无线网络。
1.2.2 智能家居的概念
在21世纪，随着信息科学技术和众多开放式应用不断发展，智能家居系统
成为一个热门的研究。智能家居系统逐渐走进我们的生活，在美国的家庭，大概有七千多万家庭拥有智能家庭设备。总而言之，智能家居系统具有巨大的市场发展，逐渐受到众多企业的研究和追捧。
我国在上世纪90年代末才开始接触智能家居，却得到了腾飞的发展。因为我国与许多发达国家国情不同，国外的住房以独立别墅为主，而国内的住房则以密集的楼宇小区为主，因此国内智能家居的发展状况与国外有较大区别。在最近这几年里，国内智能家居产品大量涌现于我们的眼前，但是，这些品牌由于价格居高不下，一般生活水平的老百姓望而却步。
1.3智能家居的发展前景
智能家居系统流行于上世纪80年代，尤其是在欧美和日本。经过十多年的发展，我国不断对住宅产业格局进行改善，智能家居系统在我国早已显现出风雨来袭的前兆。
智能家居在国外已得到了长足发展，经济较发达国家如美国、欧洲、加拿大以及澳大利亚等地区先后提出了各种各样的智能家居设计方案。目前，智能家居系统已从开始的以个人电脑为主要控制中心逐渐转向以嵌入式MCU为核心的嵌入式系统领域。所以智能家居系统变得更便利，以及在研究嵌入式智能家居系统上提供了广阔的市场背景。在所有智能家居的发展，三星的发展更为迅速。三星早已在中国和韩两国同时推出自家设计的智能家居系统，该系统主要通过网络和电视机顶盒，将家庭自动化，家电信息化，娱乐信息化和设备安全化汇聚成一个智能的家庭控制网络。
在国内众多智能家居开发公司，家庭局部建网大多数采用的是有线方案，而少数无线通信的组网大部分是使用设计过于简单的协议，而没有考虑到采用比较安全的智能家居系统的协议。目前，国内较为典型的智能家居系统有：清华同方研发的数字家园、Hisense公司设计的智能家居控制系统以及KELON集团研制的智能网络家居系统等等方案。由于市面上各种产品所设计的技术标准都不统一，产品的相互兼容性存在着许多的问题。
在当今的信息时代，较为完善的有线组网技术的主要代表有电话线、Ethernet、电力线等等技术。但它们都受着传统的有线限制，存在着扩展困难，布线复杂，管理麻烦等问题。与传统的有线组网技术相比，无线组网技术在智能家居的应用上更具有更多的优势，它无须受地缘限制布线、能快速建网、管理和维护更加方便、能便捷地拓展无线用户。如今，无线通信技术飞速发展，越来越多的智能家居系统设计采用无线通信技术组网。随着无线通信技术的不断发展和完善，智能家居系统的发展将变得更加快速，其应用也变得越来越丰富。
基于ARM微型控制器和ZigBee无线通信技术的智能家居控制系统可以给智能家居的发展带来更多的可研究突破点。与此同时，这种智能家居控制系统的发展使智能家居更趋向于微型化，同时大大提高了控制效率和数据管理，也很好地解决了以下这几个问题：
(1)传统的有线组网方案，都存在着布线麻烦，若对设备进行增添要重新布线组网，组网效率低。
(2)过于依赖个人电脑的管理，传统的智能家居系统大部分要通过个人电脑的管理才能正常运转，如果智能家居系统出现了故障，要修复和维护都十分不方便。
(3)所有公司所设计的标准不统一，这使得不同的智能家居设备之间没有国际统一通信和控制的协议进行通信，并且这些设备编码算法不够完善。
所以说，以ARM和ZigBee为核心的智能家居无线控制系统的研究是很有意义的，而且该研究也具有很明显的实用性，将会带来更加广阔的市场发展前景。
1.4 课题阐述
本课题基于现有的智能家居系统，分析了智能家庭网络系统的发展现状和未来发展趋势，提出了一种基于ARM处理器和ZigBee无线技术的新型设计方案，并且该方案融合了互联网通信技术。本设计无线传感网采用了ZigBee技术进行无线传感网的通信，该无线传感网布置四个ZigBee模块，各模块都能采集温度、光强、红外感应等功能。本设计通过接入Internet的计算机或者智能手机上的浏览器方便地访问系统，进行相关数据查询与控制的操作，实现远程对智能家居系统进行实时的监控和管理。
本课题是此项目的一个组成部分，专注于基于ZigBee的无线传感网的下位机软件设计，其工作包括ZigBee无线传感网的组建，各模块的各种传感器数据的处理和与上位机通信的协议的编写。
1.5 本论文的主要内容
本论文编排了6个章节，各章节的所论述内容有以下几部分：
第1章（绪论）简要介绍了现在物联网与智能家居的现状和概念，对智能家居的发展与前景作了简单的描述。
第2章（系统方案介绍）主要介绍本设计的系统方案，包括硬件的实现框图、上位机微控制器以及无线通信技术的技术特点。
第3章（硬件系统详述）介绍了硬件系统的具体实现总体方案，并详细对硬件系统的各个模块进行介绍，包括STM32模块、以太网模块、ZigBee控制芯片
CC2530以及各类传感器模块。
第4章（软件系统的实现）主要介绍了本设计软件系统的总体框架，介绍开发环境的配置，ZigBee协议栈的工作流程，ZigBee协调器和路由器的软件设计，各传感器模块软件设计，以及ZigBee协调器与ARM之间的串口协议设计。
第5章（整机联调）介绍本设计的最后网页系统调试。
第6章（总结）基于当前智能家居系统的发展趋向，总结本设计的优点与缺点。
第2章系统方案介绍
2.1 系统硬件结构
本设计以ARM为核心，通过串口处理ZigBee协调器从各ZigBee路由器所采集到的信息，基于ARM搭建一个嵌入式网页系统，在该网页系统显示所有ZigBee路由器模块的各传感器信息。访问该网页系统有两种方式，一是手机、平板电脑、笔记本通过无线局域网访问，二是手机、平板电脑、笔记本等上网设备通过广域网访问。图2.1为本设计系统硬件结构框图。
图2.1 系统框图
2.2 STM32微控制器系列
STM32系列微控制器是32位闪存MCU，它采用了源自ARM公司最具突破性的Cortex-M3内核。该内核通过专业的设计，具有集高速性能、低能耗、实时性强，再加上相比同行较低的价格，微控制器在嵌入式领域占了不少的优势。通过Cortex-M3在系统结构上的增强，STM32功能更加强大；Thumb-2?指令集使得指令效率提升到一个更高水平，拥有更强大的性能；通过强大的NVIC，响应和处理中断事件比以以往更快；除了这些出众的优势，STM32功耗完胜了业界的同类产品。
2.2.1 STM32微控制器系列的简介
STM32F103增强型系列采用的是高性能的Cortex-M3内核。该内核是32位的RISC内核，运行频率为72MHz，拥有高达128KB的Flash和20KB的SRAM，以及丰富的增强型I/O端口。STM32微控制器都拥有2个12位的模数转换器、3个通用16位计数器和1个PWM。不仅如此，其通信接口采用的都是国际标准接口，如I2C、SPI、USB和CAN等等。
该系列的微控制器工作温度在-40℃到+105℃之间，工作电压在2.0V到3.6V 之间，内部具有省电模式，能保证微控制器低功耗工作。
STM32F103增强型系列都拥有丰富的外设配置，这使得它们适合于各种应用领域：
（1）电机驱动和机械控制
（2）医疗设备
（3）电脑外设
（4）全球定位系统平台
（5）智能家居系统
2.2.2 STM32微控制器系列的内核
STM32系列微控制器使用的内核是当今最新的Cortex-M3。该内核着重于MCU领域和嵌入式领域的应用开发，其具有完整和科学的结构，以更少的代码数据和卓越的性能，创造出了一个简约而又低功耗的理想平台。
2.2.3 STM32微控制器系列的主要优点
Cortex-M3处理器是新一代的嵌入式ARM处理器，该处理器成本便宜、系统功耗低，同时还拥有超强的运算性能以及响应速度快的中断系统在。该系列MCU具有以下几个主要优势：
1）Cortex-M3为该MCU的内核，它采用哈佛结构，内置了响应速度快的中断系统，相比于ARM7运行速度可快35%，且代码占用空间可节省45%。
2）科学均衡功耗和效率，在运行模式下提高MCU工作效率，在待机状态下能最大限度降低能耗。
3）内部集成度高，最小系统只需7个外部无源器件，减少MCU对外围器件的依赖。
4）开发软件提供易用的函数，可以让用户轻松体验各个标准外设的功能以及了解它们的所有特性。这些开发软件包提供的免费驱动涵盖了GPIO、CAN、SPI、和USART等全部标准外设驱动。
因此，本课题选用STM32F103作为网关的核心处理器。
2.3 ZigBee技术
ZigBee是一种新型的低功耗、低速率无线网络通信技术。它的结构相当于融合了一个增强型8051单片机模块和一个无线模块，单片机模块用于数据处理，而无线模块用于组建无线传感网。ZigBee除了采用IEEE 802.15国际标准，还有自身的无线通信标准，通过这标准，几千多个微型传感器就能实现安全可靠的无线通信。只需很低的能量，它们就能像接力一样把数据从一个ZigBee模块传到另一个模块。因此，ZigBee的通信效率极高。
2.3.1 ZigBee技术特点
ZigBee技术特点包括以下几方面：
（1）可靠性高：采用了防碰撞避机制，解决了发送数据时的冒险竞争和冲突等问题；具有自动动态组网的功能，通过自动路由选择的方式进行数据传输，提高了信息传输的可靠性。
（2）时延短：优化需要响应速度的应用，从休眠状态到工作状态的时延非常短。一般通信时延在15~30毫秒之间。
（3）网络容量庞大：最多能支持65000个网络节点。
（4）安全性高：提供了数据完整性检查和检验功能，采用AES128作为加密算法。
（5）保密性高：采用64位出厂代号，通过AES128加密，难以解密。
（6）功耗低：在低功耗模式，两节普通5号干电池可供ZigBee模块工作6个月到2年。
（7）成本低：由于传输速率低，协议设计简单，协议免收专利费用，成本大大降低。
（8）网络拓扑能力强：ZigBee能自我重建无线网络，可任意选择星型、树型和网状型网络结构。
（9）有效范围广：一般有效范围为10~75m，若通过功放可组建1000m以上的无线网络。
（10）工作频段灵活：可使用频段为全球标准的 2.4GHz、欧洲标准的868MHz以及美国标准的915MHz，都是免执照的频段。
2.3.2 ZigBee的协议栈
ZigBee是面向低速率网络系统开发的无线网络协议。IEEE802.15.4协议规范制定了物理层和MAC层以及数据链路层的结构框架，ZigBee协议规范制定了网络层、应用会聚层等高级应用规范接口，如表2.3.2为ZigBee协议的完整结构图。
ZigBee协议栈由多层规范接口构成，从高层向底层提供数据信息，数据传输服务由数据实体提供，而其他相关服务由管理实体提供，ZigBee协议栈各层的功能如下：
1）应用层：作为协议栈的最顶层接口，其具有各类型的应用服务。
2）应用汇聚层：映射各类型的应用，把多个业务数据流汇聚在一起，起到提高系统安全与健全网络业务等作用。
3）网络层：具有MAC管理、无线网络安全管理、路由管理以及网络拓扑管理等功能。
4）数据链路层：该层包括LLC子层以及MAC子层。与IEEE802.2相同，LLC子层主要完成数据包分段和重组工作，提高数据包顺序传输的可靠性。MAC 子层在协议上支持LLC子层的标准，提供确认模式的帧传送和校验、无线链路的建立和拆迁等功能。
5）物理层：该层规定了三类流量等级：处于868MHz使用单信道，传输速率为20KB/s；处于915MHz使用10信道，传输速率为40KB/s；处于2.4GHz使用16信道，传输速率为250KB/s。
2.3.3 ZigBee网络拓扑结构
ZigBee协议栈中的网络层为控制各设备的加入和撤离以及为新建立的网络设备分别自动分配IP地址，提供数据安全和路由选择机制，通过网络层侦听，确保各网络设备之间路由能正常工作。
ZigBee网络层提供三类通信的网络拓扑结构，包括星型、网状以及树丛状网络拓扑。
星型网络是ZigBee最常用的网络，适合长时间运工作的网络系统；网状网络是较为可靠的可检测网络，它可提供多路数据通道，是一种高冗余型网络，当其中一个数据通道出现问题时，可以选择其它的通道进行传输；树丛状则综合了星型和网状网络的特点，平衡了成本和可靠性，属于一种混合型网络。
IEEE 802.15一般较为常用的有两种网络拓扑结构：星型和点对点网络通信结构。与IEEE802.15.4标准相比，ZigBee网络协议标准则提供了更多的网络拓扑结构，如星型、树型以及对等型网络拓扑结构，ZigBee网络结构如图2.3.3所示。
图2.3.3 ZigBee的三种网络拓扑结构
星型网络由一个ZigBee协调器设备作为中心节点，ZigBee协调器负责无线网络的初始化和允许其他路由器设备的加入。而在树型和对等拓扑结构中，ZigBee协调器负责建立无线网络和配置关键的函数参数，可以通过ZigBee路由器的设备加入扩展网络。
IEEE 802.15.4的LR-WPAN网络包括的设备：FFD（全能设备）以及RFD（简化功能设备）。其中FFD提供三种工作模式：个人区域网协调设备、终端设备和普通协调设备。个人区域网设备负责无线网络的核心控制任务。FFD不仅可以与FFD通信，同时也可以与RFD通信，然而RFD仅能和FFD之间进行数据传输，
不能和RFD相互通信。
在通信过程中，RFD发送很少的控制数据，这使得系统存储空间和资源占用大大减少，能实现低成本且操作简单的控制系统。星型网络只需要一个PAP协调设备，而对等型网络需要PAN协调设备以及其余的协调器设备才能正常工作。
星型系统有着成本低、耗电量少和组网简单的优点，同时也存在着网络覆盖范围窄以及可靠性低的缺点，当中心设备出现了故障，与中心设备通信的网络设备将无法正常工作。不仅如此，星型网络系统结构还存在着使用寿命短、路由管理和修复复杂的缺点。混合状拓扑结构则融合了以上二者的特点。综合分析了三种拓扑结构的优缺点以及本设计的应用情况，决定应用星型结构。
第3章硬件系统详述
3.1 硬件系统结构
本设计的硬件系统结构框图如图3.1所示。以STM32开发板为系统核心，无线网络使用ZigBee无线传感网。以太网模块通过SPI接口和STM32单片机相连，ZigBee协调器通过UART串口和STM32相连。用户可通过手机、平板、笔记本等上网设备登陆到Web服务器，浏览该网页系统。
图3.1 硬件系统结构框图
3.2 STM32单片机STM32F103RBT6
STM32F103RBT6采用了ARM最新的Cortex-M3内核，是32位的RISC处理器，提高了代码的运行效率。该单片机内置了ARM公司的Cortex-M3内核，因此它能与所有ARM软件开发工具相互兼容。
STM32F103RBT6具有主要以下优势：
（1）内置20KB的静态RAM，CPU几乎无需等待就能进行读写访问。
（2）内置128KB的Flash存储器，能储存大量的程序和数据。
（3）内置NVIC，最多可以处理43个可屏蔽和16个优先级中断通道。
（4）支持3种低功耗模式，可以平衡低功耗、快速启动和多事件唤醒的需求。
（5）内置高速USART，其一个通信速率可达4.5Mbit/s，其他的通信速率可达2.25Mbit/s。USART接口可以兼容DMA操作。
本设计的STM32系统结构如图3.2.1所示：
图3.2.1 STM32系统结构图
3.3 ENC28J60以太网控制器
ENC28J60 是带有行业标准串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）的独立以太网控制器。作为一个以太网接口控制器，它符合IEEE 802.3 的所有标准，还内置了一个DMA模块，在软件上实现数据高速吞吐，在硬件上支持IP
校验。该以太网控制器与MCU的通信通过2个中断管脚和一个SPI接口实现，最高传输速率为10M bps。2盏LED工作灯通过LEDA和LEDB引脚连接，用来指示以太网的工作状态。
ENC28J60由七个主要功能模块组成：
（1）SPI接口：是MCU和以太网控制器的数据通信通道。
（2）控制寄存器：控制和监视以太网控制器。
（3）双端口RAM缓冲器：接收和发送数据包。
（4）判优器：当DMA或接发单元发出请求时，对缓冲器的访问进行判优。
（5）总线接口：解析SPI接口所接收的数据和命令。
（6）MAC：实现符合IEEE 802.3标准的MAC逻辑。
（7）PHY：为双绞线提供接口，对模拟数据进行编码和译码。
本设计的ENC28J60接口如图3.3所示：
图3.3 ENC28J60接口图
3.4 CC2530模块
CC2530 方案是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的SoC解决方案，它能够以极低的总材料成本建立一个强大的无线网络。该芯片拥有高性能的射频收发器，引进了国际标准的增强型8051 内核，内置了可编程Flash，8KB RAM 和其它强大的功能。CC2530 共有4种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB 的闪存容量。CC2530 可切换不同的工作模式，通过功耗和性能的合理平衡，能实现超低功耗和超高效率的系统。
本设计的CC2530的系统框图如图3.4所示：
图3.4 CC2530系统框图
3.5 传感器模块
传感器是通过敏感元件感受规定的被测量，再经过转换元件，把一定规律转
换成可用于输出电信号的器件，它是实现ZigBee无线传感网数据采集的重要环
节。
3.5.1 DS18B20温度传感器
DS18B20 温度传感器是DALLAS 公司的“一线”元器件，“一线”即仅使用单总线。DS18B20具有布线简便，体积小的特点。因此可以把多个传感器模块组成一个多点测温网络，该网络采用总线网络结构，通过一根数据线，就可以挂载多个温度传感模块，模块拓展也十分方便简单。
DS18B20 有以下特点：
（1）仅需要一根数据线就能实现数据传输。
（2）每个DS18B20都有唯一的S/N号。
（3）无需外加任何元器件便能实现测温功能。
（4）可测量温度范围在－55℃到＋125℃之间。
（5）可选择9 位到12位分辨率。
（6）可设置内部的上、下限温度。
本设计所采用的DS18B20的封装是TO－92，图3.5.1为DS18B20 的引脚图。其相对应的引脚功能描述见表 3.5.2。
图3.5.1 DS18B20引脚
表3.5.2 DS18B20引脚功能
物联网简介及基于ZigBee的无线传感器网络 摘要 物联网，是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，是一个全新的技术领域，给IT和通信带来了广阔的新市场。积极发展物联网技术，尽快扩展其应用领域，尽快使其投入到生产、生活中去，将具有重要意义。 ZigBee无线通信技术是一种新兴的短距离无线通信技术，具有低功耗、低速率、低时延等特性，具有强大的组网能力与超大的网络容量，可以广泛应用在消费电子品、家居与楼宇自动化、工业控制、医疗设备等领域。由于其独有的特性，ZigBee无线技术也是无线传感器网络的首选技术，具有广阔的发展前景。ZigBee协议标准采用开放系统接口(051)分层结构，其中物理层和媒体接入层由IEEE802.15.4工作小组制定，而网络层，安全层和应用框架层由ZigBee联盟制定。 本文首先从概念、技术架构、关键技术和应用领域介绍了物联网的相关知识，然后着重介绍了基于ZigBee的无线传感器网络，其中包括无线传感网简介、ZigBee技术概述和基于ZigBee的无线组网技术。 关键词：物联网；ZigBee；无线传感器网络
物联网简介 物联网概念 “物联网概念”是在“互联网概念”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络概念。其定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。 最简洁明了的定义：物联网(Internet of Things)是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化3个重要特征。 技术架构 从技术架构上来看，物联网一般可分为三层：感知层、网络层和应用层。 感知层是物联网的皮肤和五官-用于识别物体，采集信息。感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、M2M终端、传感器网关等，主要功能是识别物体、采集信息，与人体结构中皮肤和五官的作用类似。 感知层解决的是人类世界和物理世界的数据获取问题。它首先通过传感器、数码相机等设备，采集外部物理世界的数据，然后通过RFID、条码、工业现场总线、蓝牙、红外等短距离传输技术传递数据。感知层所需要的关键技术包括检测技术、短距离无线通信技术等。 网络层是物联网的神经中枢和大脑-用于传递信息和处理信息。网络层包括通信网与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心等。网络层将感知层获取的信息进行传递和处理，类似于人体结构中的神经中枢和大脑。 网络层解决的是传输和预处理感知层所获得数据的问题。这些数据可以通过移动通信网、互联网、企业内部网、各类专网、小型局域网等进行传输。特别是在三网融合后，有线电视网也能承担物联网网络层的功能，有利于物联网的加快推进。网络层所需要的关键技术包括长距离有线和无线通信技术、网络技术等。 应用层是物联网的"社会分工"-结合行业需求，实现广泛智能化。应用层是物
无线传感网期末作业 ZigBee在智能家居领域的应用与前景 学院： 姓名： 2015.01.01
ZigBee无线传感网在智能家居领域中的应用前景分析 一、应用背景 智能家居的概念最早由美国、加拿大、欧洲、澳大利亚以及东南亚等经济比较发达的国家提出。世界上第一幢智能建筑于1984年在美国康涅狄格州出现，当时只是对一座旧式大楼进行了一定改造，采用计算机对大楼内的空调、电梯、照明灯设备进行监测和控制，并提供语音通信、电子邮件和情报资料灯方面的信息服务。而后涌现了各种不同的解决方案，涉及到生活的方方面面。 1998年5月新加坡举办的“98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过在场内模拟“未来之家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。它的系统功能包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和统软件配置等。 国内智能家居的控制系统产品十分繁多，由于入行门槛不高，技术水平要求较低，中国产生了数百个互不兼容的标准，直接导致了国内行业竞争激烈，标准不统一带来实际应用的的麻烦。而2005年以后，智能家居的野蛮成长和恶性竞争，给智能家居行业带来了极大的负面影响。导致实际使用效果差，产品可靠性、安全性缺乏。不少媒体对智能家居提出了质疑，一般民众也逐渐丧失了信心。 但是智慧家居是今后家居领域发展的必然趋势，虽然市场推广才刚刚开始，但行业的竞争已经很激烈，光是宁波就有不下5家企业专门从事这方面开发。面对中国庞大的需求市场，预计该行业将以年均19.8%的速率增长，在2015年产值达1240亿元。 二、技术分析 智能家居不同于数据通信网络，其要求低速率低成本的控制手段。其仅需要设备的互联和控制，故应该考虑以下特点： 1.低成本家庭控制网络中控制的对象主要是大量的家电和传感器终端节点，这种较大规模的网络需要一个低成本的节点组网技术。 2.标准化需要各个家居组成部件之间互相通信，标准化的工作非常重要。 3.跨平台使用环境是一个家居环境，整个系统中有着形形色色的平。
无线传感器网络简介 2007年01月06日星期六下午04:29 ［来源：仪器仪表与传感器网］ 科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。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。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带来一场信息革命。 发展历程 早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。 无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家如美国，非常重视无线传感器网络的发展，IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，波士顿大学(Boston Unversity)还于最近创办了传感器网络协会(Sensor Network Consortium)，期望能促进传感器联网技术开发。除了波士顿大学，该协会还包括BP、霍尼韦尔(Honeywell)、Inetco Systems、Invensys、 L-3 Communications、Millennial Net、Radianse、 Sensicast Systems及Textron Systems。美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，《商业周刊》预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中。可以预计，无线传感器网络的广泛是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。 应用现状 虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域： 1. 环境的监测和保护 随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网，以读出缅因州"大鸭岛"上的气候，用来
Zigbee Wireless Sensor Network in Environmental Monitoring Applications I. ZIGBEE TECHNOLOGY Zigbee is a wireless standard based on IEEE802.15.4 that was developed to address the unique needs of most wireless sensing and control applications. Technology is low cost, low power, a low data rate, highly reliable, highly secure wireless networking protocol targeted towards automation and remote control applications. It’s depicts two key performance characteristics – wireless radio range and data transmission rate of the wireless spectrum. Comparing to other wireless networking protocols such as Bluetooth, Wi-Fi, UWB and so on, shows excellent transmission ability in lower transmission rate and highly capacity of network. A. Zigbee Framework Framework is made up of a set of blocks called layers.Each layer performs a specific set of services for the layer above. As shown in Fig.1. The IEEE 802.15.4 standard defines the two lower layers: the physical (PHY) layer and the medium access control (MAC) layer. The Alliance builds on this foundation by providing the network and security layer and the framework for the application layer. Fig.1 Framework The IEEE 802.15.4 has two PHY layers that operate in two separate frequency ranges: 868/915 MHz and 2.4GHz. Moreover, MAC sub-layer controls access to the radio channel using a CSMA-CA mechanism. Its responsibilities may also include transmitting beacon frames, synchronization, and providing a reliable transmission mechanism. B. Zigbee’s Topology The network layer supports star, tree, and mesh topologies, as shown in Fig.2. In a star topology, the network is controlled by one single device called coordinator. The coordinator
计算机与信息技术学院 课程教案 专业物联网工程 课程Zigbee网络原理与应用 讲授人姚建峰 2015 年 9月10日
(一) 课程名称：Zigbee网络原理与应用 (二) 学时学分：周4学时，3学分 (三) 预修课程：电子线路、数字逻辑、计算机组成原理、高级语言程序设计 (四) 使用教材 ZigBee技术与实训教程――基于CC2530的无线传感网技术，清华大学出版社，2014年5月第1版 (五) 教学参考书(3本以上) 1、李文仲编著：《Zigbee2006无线网络与无线定位实战》，北京航空航天大学出版社，2008年1月第1版； 2、王小强编著：《Zigbee无线传感器网络设计与实现》，化学工业出版社，2012年6月第1版； 3、郭渊博编著：《Zigbee技术与应用》，国防工业出版社，2010年6月第1版。 （六）教学方法：课堂讲授，课堂演示，师生互动，理论与实验结合教学。 (七) 教学手段：多媒体教学。 (八) 考核方式：闭卷考试。 (九) 学生创新精神与实践能力的培养方法：结合实验、具体应用、小组讨论等方式使学生掌握Zigbee技术开发的基本方法，提高学生分析问题和解决问题的能力，培养学生的动手能力和创新能力。 (十) 其它要求：严格考勤，学生课堂表现和实验完成情况占学生成绩的30%，期末成绩占70%。
第一章无线传感器网络 教学时数：2学时 教学目的与要求：主要让学生理解无线传感网络的主要概念，了解无线传感网络的发展历程、研究现状与研究前景、应用领域，掌握无线传感网络的特点、网络体系结构、关键技术。 教学重点：无线传感器网络体系结构。 教学难点：无线传感器网络的关键技术。 第一节无线传感器网络概述(了解) 1.无线传感器网络的概念： 无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。 2.无线传感器网络的发展历程： 第一阶段:最早可以追溯至越战时期使用的传统的传感器系统。当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量，“胡志明小道”是胡志明部队向南方游击队输送物资的秘密通道，美军对其进行了狂轰滥炸，但效果不大。后来，美军投放了2万多个“热带树”传感器。“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。只要对方车队经过，传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送到指挥中心，美机立即展开追杀，总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。 第二阶段:二十世纪80年代至90年代之间。主要是美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。因此在1999年，商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一。 第三阶段:21世纪开始至今，也就是9·11事件之后。这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。除了应用于反恐活动以外，在其它领域更是获得了很好的应用，所以2002年美国国家重点实验室－－橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。 3.无线传感器网络研究现状： （1）国外无线传感器网络的研究现状 1998年，美国国防部提出了“智能尘埃”的概念，最先开始无线传感器网络技术的研究，目的是为监控敌方的活动情况而不被察觉。2001年，美国陆军提出“灵巧传感器网络通信”计划，将无人值守式弹药、传感器和未来战斗系统
2012第四次国际会议“计算智能，建模与仿真” 基于ZigBee的无线传感网络与IP连接Alaparthi Narmada Parvataneni Sudhakara Rao 欧洲经委会JNTU 欧洲经委会 技术科学Vignan研究所，技术科学Vignan研究所 Deshmukhi，Nalgonda DT，印度安得拉邦。Deshmukhi，Nalgonda DT，安得拉邦，印度 Email: a.narmada@https://www.doczj.com/doc/c517079594.html, Email: sparvata@https://www.doczj.com/doc/c517079594.html, 摘要 -无线传感器网络（WSN ）包括在远程位置的分布式传感器节点，用于测量在远程位置的传感器数据。无线传感器网络中的每个节点都包括一个无线微控制器接口与传感器。用户面临着独立工作和多样化的电子设备，如电视，掌上电脑，笔记本电脑等。必须要有中间软件来粘合这些异构设备。它还集成了无线传感器网络和IP ，以满足现实世界需求并且能够基于IP的无线传感器网络的电子设备来访问相同或不同网络的其他设备。 TCP / IP堆栈不适合被移植到无线传感器网络节点的内存。它占用更多的内存，并导致更多的开销的无线传感器网络。实现基于IP的无线传感器网络的技术有两种基本方法：基于网关的方法和虚拟网关的方法。一种新的基于无线微控制器的新的网络来集成IP和无线传感器网络被提了出来。硬件采用一个协调员，三台路由器和集成IP和无线传感器网络的一台手持设备。大会提出了新的寻址机制来建立虚拟IP和无线传感器网络地址作为这个集成的一部分。 关键词：无线传感器网络; PAN; PANM; IP I.引言
无线技术（如蓝牙，IEEE 802.11无线局域网和IEEE802.15.4无线传感器网络）的出现奠定了机器之间（M2M）通信的基础。在这一方面，一个设备能协同工作并服务人类的系统是必需的。具有多个输入输出单元，提供了一个连贯和环绕接口的虚拟设备具有许多优点，包括安全性[1]。设备可以共享资源如：处理能力，内存，数据，应用网络接入点和用户借口。 在家的设备将形成一个个人区域网（PAN），其中的设备可能会在网络中动态地出现和消失。这个需求可以通过使用一个能够在PAN内简历虚拟设备的PAN 中间件（PANM）来实现。它可以处理设备的动态存在或消失和设备类型的多样化。本文着重论述在PAN内介于网络层和应用层之间的应用互连。它隐藏了PAN内参与的各个独立的设备，并提出应用程序在设备上运行的与在单独计算机上一样的能力。中间件包含一些智能化功能，同时，它有助于用户控制PAN，提高了人机交互（HCI）。 II.Z IGBEE 技术 为了实现这一引人注目的理念，并让设备到设备的协作，通信和网络必须建立。传统的PAN一直被认为实现了蓝牙技术。使用ZigBee的基于IP的PAN的建立是一个自下而上的网络方式，这是一个明智的一步进程。在“PAN外围（ZigBee 设备）'必须建立链路层连接到邻近的设备。当链路已建立连接，该设备可能会继续配置IP网络层并将它的地位提升到“ZigBee PAN主机”。当IP连接[3]建立后，设备可能会继续配置IP网络层来参与网络运营和管理，其中包括作为'zigbee PAN - 路由器‘的[4]PAN路由协议。该网络建立过程开始于两个设备发现对方，洽谈，互相配对，并在设备发现和连接建立阶段形成初始PAN网络。这有两个方面的考虑：1，形成家庭网络和人机界面；2，利用IP连接到外部世界。 IEEE 802.15.4协议被采纳为低速率无线局域网的个人区域网络（LR-WPAN）的一个通信标准[2]。ZigBee是一种无线网络标准，其目的是遥控和传感器的应用，它适用于在恶劣的无线环境和在隔离的位置。它建立在标准IEEE802.15.4，其中定义了物理层和MAC层。Zigbee的还定义了应用程序和安全[1]层规范实现来自不同厂商的产品之间的互操作性。图1显示了Zigbee协议作为一个超集的IEEE 802.15.4的。
Ｚigbee Wｉreｌess Sensor Ｎetworｋin Eｎvironmｅntal Monｉ ｔoｒｉng Applicaｔions I.?ZIGBEＥTECHNOLＯGＹ Ｚigbeｅis a wiｒeless stanｄarｄbasｅd oｎIEEE8０2.15．４ｔｈaｔw ａs deveｌopeｄto ａｄdｒeｓs the unique nｅeds of most wiｒeｌess seｎｓｉｎg ａｎｄcｏntrol aｐplｉcationｓ. Tｅｃｈｎoｌｏｇy iｓlow cost, ｌow power，a ｌｏｗdａtａｒatｅ，highly rｅliable，ｈighly secure ｗireleｓs net ｗoｒkiｎg protｏcol tａrgeｔed towａrｄsａｕｔomａｔiｏn ａnd ｒｅmote con ｔｒol apｐlicatiｏns.It’s ｄepictｓｔwo keｙpｅrｆormance chaｒａｃterisｔicｓ–wirelｅｓs radio rａnｇe and ｄata trａnｓmissiｏｎｒatｅｏｆthｅｗｉrelesｓspeｃtrum.Cｏmpaｒｉnｇto otheｒwｉｒeless neｔwｏrking prｏｔｏco ｌｓｓuch as Bluｅtoｏth, Wi-Fi, UWB andｓoｏｎ, shoｗｓｅｘcｅｌlent ｔranｓmissioｎabilityｉｎlｏweｒｔransmissｉoｎraｔe and higｈｌy capacity of nｅｔwork. A. ZｉgｂeｅFramework Ｆrameworｋis ｍade up of a set oｆbｌocｋs called ｌayeｒs.Ｅach layｅｒpｅrforｍｓa specifｉc set oｆservices for the layer abovｅ.Ａs shｏｗｎin Fｉg.1. Ｔｈe IEＥE 8０2.15.４ｓｔandarｄdefinｅs thｅtwo loｗｅr ｌayers: ｔｈｅｐhysiｃaｌ（PHY)ｌaｙer aｎd thｅmediumａｃｃeｓs ｃoｎtｒｏｌ(MAC)lａｙer. Ｔhe Alｌiａncｅbｕiｌds ｏn this foundation by pｒoviding the ｎｅtｗork ａnd seｃurity ｌaｙｅr and the framework for the ａpｐliｃａtion layeｒ. Fig.1 Fraｍewｏrk The IEＥE 802．1５.4ｈａs two PHY lａyerｓthat ｏperate ｉn tｗo separate ｆrequenｃy ranges: 8６８／９15ＭHz and ２.4ＧHz. Mｏreoveｒ，ＭAC suｂ－layｅr c
福建农林大学学报（自然科学版）第40卷第4期Journal of Fujian Agriculture and Forestry University（Natural Science Edition）2011年7月 基于ZigBee无线传感器网络 的森林环境监测系统 狄飞，张莉君 （中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院，湖北武汉430074） 摘要：设计了一种基于ZigBee无线传感器网络的森林环境监测系统；描述了该系统的构成原理与整体结构，以及基于CC2430芯片的传感器节点和网关的硬件设计和系统软件工作流程．采用的星—簇首—路由的拓扑结构，具有低成本、易于部署、使用寿命长等优点． 关键词：无线传感器网络；ZigBee；数据传输 中图分类号：TP277文献标识码：A文章编号：1671-5470（2011）04-0435-04 Design of forest environment monitoring system based on Zigbee wireless sensor network DI Fei，ZHANG Li-jun （Faculty of Mechanical＆Electronic Information，China University of Geosciences，Wuhan，Hubei430074，China） Abstract：A forest environment monitoring system based on ZigBee wireless sensor network was researched and designed．The prin-ciple and architecture of the system were described．The sensor node using CC2430chip and gateway were illustrated in detail，and the system software work process was demonstrated．The system applied star-cluster first-route topological structure，with the advan-tages of low cost，easy-to-use and long life cycle，etc． Key words：wireless sensor network；ZigBee；data transmission 森林环境监测是森林资源保护与管理的基础，是建设现代林业、实现森林科学经营的重要保障．第七次全国森林资源清查结果显示，仅森林的固碳释氧、涵养水源、保育土壤等6项生态价值就超过了10．01万亿元［1］．此外，森林是社会、经济发展不可或缺的资源，它作为陆地生态系统的主体，在减少温室气体排放中发挥着举足轻重的作用．因此，做好森林环境监测工作对于我国可持续发展和节能减排具有重要的价值与意义［2］． 本文设计了一种森林环境监测系统，该系统是基于ZigBee无线传感器网络（wireless sensor network，WSN），能够实时监测林区的大气温湿度及火灾烟雾浓度等参数，具有监测范围广、部署性好、数据传输可靠性高、对生态环境影响小等优点，在森林环境监测中有着广阔的应用前景． 1ZigBee无线传感器网络技术 无线传感器网络是部署在区域内的大量具有传感、计算和通信能力的传感器节点通过自组织方式构成的多跳无线网络，是无线通信、嵌入式计算和分布式数据处理等多领域技术的交叉融合［3－5］．传感器节点通常包括处理器、存储器、传感器、无线通讯和电源等组件，能够同时进行数据的采集、处理以及无线传输，具有低功耗、小体积等优点［6］．传感器节点之间分工协作，可实时感知、监测和采集分布区域内监测对象或周围环境的信息． ZigBee基于IEEE802．15．4协议标准，是一种短距离、低速率的无线通信技术．ZigBee采用了直接序列扩频技术，可以工作在868MHz、915MHz或2．4GHz频段［7］．与其它无线通信技术相比，ZigBee具有架构简单、成本低、可靠性高、组网能力强等特点［6－7］，因此，ZigBee非常适用于无线传感器网络［5－7］． 收稿日期：2011－01－12修回日期：2011－05－12 作者简介：狄飞（1986－），男，硕士研究生．研究方向：嵌入式系统及计算机软件．通讯作者张莉君（1965－），女，副教授．研究方向：智能检测及工业控制．
基于Zigbee 协议无线传感网络的应用 曹庆年,曹 蕾,孟开元 (西安石油大学计算机学院,陕西西安710065) 摘 要:介绍了Zigbee 技术的概念及协议框架,以小区供热管网检测系统为例,着重讲述Zigbee 技术在工业领域的应用。关键词:Zigbee 技术;无线传感网络;RTU 中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:167227800(2010)0320106202 1 Zigbee 协议概述 Zigbee 是一种新兴的无线网络技术,其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本。主要适用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。Zigbee 的传世速率是10~250KB /s,时延在15~30ms 之间,有效通信范围是10~75m,工作频段为2.4GH z 、868MH z(欧洲)及915MH z(美国),单个Zigbee 网络可支持255个节点。Zigbee 主要是在短距离范围之内传输小量的数据,传感器数据、控制命令和重复行数据是其主要的传输对象。 1.1 Zigbee 协议栈简介 完整的Zigbee 协议自上而下由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成,如图1 所示。 图1 Zigbee 协议栈组成 应用层定义了各种类型的应用业务,是协议栈的最上层用户。应用汇聚层负责把不同的应用映射到Zigbee 网络层上。网络层的功能包括拓扑管理、MAC 管理、路由管理和安全管理。数据链路层有分为逻辑链路控制子层(L LC)和介质访问控制子层(MA C)。LLC 子层的功能包括传输可靠性保障、数据包的分段与重组、数据包的顺序传输。MAC 子层的功能包括设备间无线链路的建立、维护和拆除,确认模式的帧传送与接收,信道接入控制、帧校验、预留时隙管理和广播信息管理。物理层定义了3种流量等级:当频率采用2.4GH z 时,使用16 信道,能够提供250kbit /s 的传输速率;当采用915MH z 时,使用10信道,能够提供40kbit /s 的传输速率;当采用868MH z 时,使用单信道,能够提供20kbit/s 的传输速率。 1.2 Zigbee 的网络拓扑结构 Zigbee 支持3种通信设备的网络拓扑,即Star 、Mesh 和Cluster T ree 。其中,Star(星形)网络是一种常用且适用于长期运行使用操作的网络;Mesh 网络是一种高可靠性检测网络,它通过无线网络连接可提供多个数据通信通道,即它是一个高级别的冗余性网络,一旦设备数据通信发生故障,则存在另一个路径可供数据通信,这一点和Z 2Wave 一样Clust er T ree 网络是Star/Mesh 的混合型拓扑结构,结合了上述两种拓扑结构的优点。 2 系统设计 2.1 系统概述 小区供热管网监测系统采用IEEE 802.15.4技术标准和 Zigbee 网络协议设计,它采用三级控制结构,由大量的数据采集站点、汇聚点和系统中心控制室组成。系统中心控制室为一级结构,汇聚点RT U 为二级结构,数据采集站点为三级结构。系统的中心控制室负责监视、管理和控制等工作。RTU 负责收集多个数据采集站点采集到的数据,并通过无线GPRS 网络上传给中心控制室。DCU 负责采集各个供热管网的数据,并把采集到的数据实时地上传给RTU 。中心控制室与RTU 之间通过GPRS 模块采用GPRS 无线通信方式,RTU 和数据采集站点之间通过Zigbee 模块进行无线通信(如图2所示)。 在小区供热管网监测系统中,数据采集器主要完成数据采集并将数据上传给RT U 的功能。这就要求现场使用的数据采集器电流消耗尽可能小,以降低系统的功耗,延长电池的供电时间。在以往的小区供热管网的监测系统中,数据采集站点与RTU 之间采用的是GPRS 传输技术,也就是将采集到的数据 作者简介:曹庆年(19632),男,陕西西安人,硕士,西安石油大学计算机学院副教授,研究方向为通信工程、嵌入式系统;曹蕾(19852),女, 河南南阳人,西安石油大学计算机学院硕士研究生,研究方向为嵌入式系统、计算机体系结构;孟开元(19682),男,江苏海安人,硕士,西安石油大学计算机学院副教授,研究方向为嵌入式系统、计算机体系结构。
1、RFD通常只能用作zigbee 网络中的终端设备。 2、Zigbee 网络中设备地址分配的方式有分布式分配机制和随机分配机制两种。 3、zigbee 网络工作频带为868MHz 时，其数据传输速率为20kbps 。 4、zigbee 技术的安全性高，其加密技术采用了AES-128 算法。 5、ZigBee 采用了 CSMA/CA 的碰撞避免机制，以提高系统的兼容性。 6、ZigBee 无线传感器网络由PC 机、网关、路由节点、传感器节点四部分组成。 7、无线传感网络中网关的作用是完成通过计算机发送的指令发送或接收路由节点或者传感 器节点数据，并将接收到的数据发送给计算机。 8、在 LBee 系列模块中， AT 指令集使用统一通用帧命令格式，包括帧头、全局帧、校验位三部分。 1、下面哪个不是Zigbee 技术的优点 ( B ) A 、近距离 B 、高功耗 C 、低复杂度 D 、低数据速率 2、作为 ZigBee 技术的物理层和媒体接入层的标准协议是(A)。 A、 IEEE 802.15.4协议 B、 IEEE802.11b C、 IEEE802.11a D、 IEEE802.12 3、ZigBee 中每个协调点最多可连接( D )个节点，一个ZigBee 网络最多可容纳 ( )个节点。 A、 255 65533 B 、 258 65534 C、258 65535 D、255 65535 4、ZigBee 网络中传输的数据可分为哪几类(D ) A 周期性的，间歇性的、固定的数据 B 周期性的，间歇性的 C 周期性的发复兴的反应时间低的数据 D 周期性，间歇性，反复性的、反应时间低的数据 5、下列哪项不是FFD通常有的工作状态 ( D ) A、主协调器 B、协调器 C、终端设备 D、从设备 6、下列哪项不是WPAN 的特点 ( B ) A、有限的功率和灵活的吞吐量 B、可靠性监测 C、网络结构简单 D、成本低廉 7、 Zigbee 的接收灵敏度的测量条件为在无干扰条件下，传送长度为(B )个字节的物理层数据包 A 10 B 20 c 30 D 40 8、PAN 标识符值为 0xffff, 代表的是 ( A ) A、以广播传输方式 B、短的广播地址 C、长的广播地址 D、以上都不对 9、Zigbee 是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术。主要用于(A C )无线连接 A 近距离 B 远距离 C 低速率 D 高速率 10、 Zigbee 使用了 3 个频段，其中2450MHz 定义了 ( C )个频道 A 1 B 10 C 16 D 20 11、 ZigBee 物理层通过射频固件和射频硬件提供一个从( C )到物理层的无线信道接口。 A.网络层 B.数据链路层 C.MAC 层 D .传输层 12、在 IEEE802.15.4标准协议中，规定了 2.4GHz 物理层的数据传输速率为 ( A ) A.250kb/s B.300kb/s C.350kb/s D.400kb/s 13、 Zigbee 不支持的网络拓扑结构式:( C ) A(星型 B(树型 C(环型 D(网状 14、 ZigBee 应用层由什么组成 ( C ) A、应用支持层 B、应用支持层、 ZigBee 设备对象 C、应用支持层、 ZigBee 设备对象和制造商所定义的应用对象 D、 ZigBee 设备对象 15、下列在 ZigBee 技术中，各英文缩写与汉语解释对应错误的是( C ) A.FFD –完整功能的设备 B.RFD–简化功能的设备
1、RFD通常只能用作zigbee网络中的终端设备。 2、Zigbee网络中设备地址分配的方式有分布式分配机制和随机分配机制两种。 3、zigbee网络工作频带为868MHz时，其数据传输速率为20kbps。 4、zigbee技术的安全性高，其加密技术采用了AES-128算法。 5、ZigBee采用了CSMA/CA 的碰撞避免机制，以提高系统的兼容性。 6、ZigBee 无线传感器网络由PC机、网关、路由节点、传感器节点四部分组成。 7、无线传感网络中网关的作用是完成通过计算机发送的指令发送或接收路由节点或者传感器节点数据，并将接收到的数据发送给计算机。 8、在LBee系列模块中，AT指令集使用统一通用帧命令格式，包括帧头、全局帧、校验位三部分。 1、下面哪个不是Zigbee技术的优点( B ) A 、近距离 B 、高功耗 C 、低复杂度 D 、低数据速率 2、作为ZigBee技术的物理层和媒体接入层的标准协议是(A)。 A、IEEE 802.15.4协议 B、IEEE802.11b C、IEEE802.11a D、IEEE802.12 3、ZigBee中每个协调点最多可连接( D )个节点，一个ZigBee网络最多可容纳( )个节点。 A、255 65533 B 、258 65534 C、258 65535 D、255 65535 4、ZigBee网络中传输的数据可分为哪几类(D ) A周期性的，间歇性的、固定的数据 B 周期性的，间歇性的 C周期性的发复兴的反应时间低的数据D周期性，间歇性，反复性的、反应时间低的数据 5、下列哪项不是FFD通常有的工作状态( D ) A、主协调器 B、协调器 C、终端设备 D、从设备 6、下列哪项不是WPAN的特点( B ) A、有限的功率和灵活的吞吐量 B、可靠性监测 C、网络结构简单 D、成本低廉 7、Zigbee的接收灵敏度的测量条件为在无干扰条件下，传送长度为(B )个字节的物理层数据包 A 10 B 20 c 30 D 40 8、PAN标识符值为0xffff,代表的是( A ) A、以广播传输方式 B、短的广播地址 C、长的广播地址 D、以上都不对 9、Zigbee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术。主要用于(A C )无线连接 A 近距离 B 远距离 C 低速率 D 高速率 10、Zigbee使用了3个频段，其中2450MHz定义了( C )个频道 A 1 B 10 C 16 D 20 11、ZigBee物理层通过射频固件和射频硬件提供一个从( C )到物理层的无线信道接口。 A.网络层 B.数据链路层 C.MAC层D .传输层 12、在IEEE802.15.4标准协议中，规定了2.4GHz物理层的数据传输速率为( A ) A.250kb/s B.300kb/s C.350kb/s D.400kb/s 13、Zigbee不支持的网络拓扑结构式:( C ) A(星型B(树型C(环型D(网状 14、ZigBee应用层由什么组成( C ) A、应用支持层 B、应用支持层、ZigBee设备对象 C、应用支持层、ZigBee设备对象和制造商所定义的应用对象 D、ZigBee设备对象 15、下列在ZigBee技术中，各英文缩写与汉语解释对应错误的是( C ) A.FFD –完整功能的设备 B.RFD –简化功能的设备
Zigbee无线传感器网络 摘要：环境监测采用基于cc2430的无线传感器网络具有明显的优势。设 计的节点具有功耗低、体积小并且支持自组网。本文对网络节点设计的各个功能模块进行了阐述，设计一个小型的无线传感器网络；并通过上位机监测整个传感器网络区域内的各节点监测信息的实时变化。 关键字:无线传感器网络/自组网/cc2430 引言 近几十年来，我们生存的环境问题日趋严重，如温室效应和臭氧层空洞，正威胁着人类的生存和社会的发展。与此同时，各个国家开始意识到环境问题的严重性并且开始采取各种手段来治理环境。而对周围环境变化的了解是一切工作的前提，因此如何采用科学的方法来获取环境信息变得越来越重要。 传感器无疑是获取环境信息的一种有效工具，它将可接受的外来信号转换成可供传输、测量或进行过程控制的信号源。目前传感器在我国环境监测中的应用主要有气体传感器、温度传感器、噪声传感器、生物传感器等。环境监测业务所需的数据通信量不大，对数据率的要求不高，但是需要一个成本低、容易安装、配置灵活、具有移动功能的传感和控制网络。在现有的各种无线通信技术中，ZigBee 能更好适用于环境监测。 基于zigbee无线传感器网络的研究文献[1]：针对当前农业环境监测的需求，为精准农业提供科学依据，设计了将ZigBee无线传感器网络(Wireless SensorNetworks，WSN)与GPRS相结合的农业环境监测系统。系统实现了信息采集节点的自动部署、数据自组织传输，可以使人们实时、精确地获取作物环境信息，包括空气温湿度，土壤温湿度，土壤PH值，光照强度等，可应用于温室、农田等区域，有助于农业部门更加有效地提高农作物产量，初步测试结果验证了该系统的合理性与实用性。 文献[2]：为了满足矿井巷道环境多参数监测的需求，根据矿井巷道地形的特点，介绍了一种可靠的基于ZigBee无线传感器网络的矿井巷道监测系统。详细阐述了以CC2430为核心的传感器节点、以CC2430和MCP2515为核心的Sink
ZigBee 中英文资料对照外文翻译文献综述 ZigBee：无线技术，低功耗传感器网络 技师（工程师）们在发掘无线传感器的潜在应用方面从未感到任何困难。例如，在家庭安全系统方面，无线传感器相对于有线传感器更易安装。而在有线传感器的装置通常占无线传感器安装的费用80%的工业环境方面同样正确（适用）。而且相比于有线传感器的不切实际甚至是不肯能而言，无线传感器更具应用性。 虽然，无线传感器需要消耗更多能量，也就是说所需电池的数量会随之增加或改变过于频繁。再加上对无线传感器由空气传送的数据可靠性的怀疑论，所以无线传感器看起来并不是那么吸引人。 一个低功率无线技术被称为ZigBee，它是无线传感器方程重写，但是。一个安全的网络技术，对最近通过的IEEE 802.15.4无线标准（图1）的顶部游戏机，ZigBee 的承诺，把无线传感器的一切从工厂自动化系统到家庭安全系统，消费电子产品。与802.15.4的合作下，ZigBee提供具有电池寿命可比普通小型电池的长几年。ZigBee设备预计也便宜，有人估计销售价格最终不到3美元每节点，。由于价格低，他们应该是一个自然适应于在光线如无线交换机，无线自动调温器，烟雾探测器和家用产品。 （图1） 虽然还没有正式的规范的ZigBee存在（由ZigBee联盟是一个贸易集团，批准应该在今年年底），但ZigBee的前景似乎一片光明。技术研究公司In-Stat/MDR在它所谓的“谨慎进取”的预测中预测，802.15.4节点和芯片销售将从今天基本上为零，增加到2010年的165万台。不是所有这些单位都将与ZigBee结合，但大多数可能会。世界研究公司预测的到2010年射频模块无线传感器出货量4.65亿美量，其中77％是ZigBee的相关。 从某种意义上说，ZigBee的光明前途在很大程度上是由于其较低的数据速率20 kbps 到250 kbps的，用于取决于频段频率（图2），比标称1 Mbps的蓝牙和54的802.11g