基于ZigBee的无线通信组网设计

目录1 前言 (1)2 系统总体方案设计 (1)2.1 系统结构示意图 (1)2.2系统总体说明 (3)3 系统硬件电路设计 (4)3.1 ZigBee无线通信网络 (4)3.1.1无线节点模块 (4)3.1.2光照传感器模块........................................................ 错误!未定义书签。

3.1.3控光电路模块............................................................ 错误!未定义书签。

3.2网关 (10)3.2.1 网络接口模块 (11)3.2.2 通信接口模块 (11)4 系统软件设计 (12)4.1 ZigBee无线通信网络软件设计 (14)4.1.1 协调器模块软件设计 (14)4.1.2 终端节点模块软件设计 (22)4.2 网关软件设计 (53)4.2.1 ARM 驱动程序开发 (53)4.2.2 ARM应用程序开发 (58)4.3 远程监控中心软件设计 (67)4.3.1 软件基本介绍与模块划分 (67)4.3.2 窗体设计与实现 (68)4.3.3 模块之间数据的相互交换与通信 (74)5 调试 (77)5.1 无线通信网络组网测试 (77)5.2 网关测试 (78)5.3远程监控中心测试 (82)1 前言随着人们生活水平的提高，人们对照明控制的要求越来越高，如营造舒适的照明环境、节约电能、提高光源寿命等。

目前，传统的照明控制系统实现方案有以下缺点：（1）基于有线方案，布线麻烦，增减设备需要重新布线，而且影响美观。

（2）标准不统一，照明控制系统中的控制器间进行通信没有规范的通信协议，通信命令帧编码混乱。

（3）只能实现就近控制，不能远程同步到网络。

为了满足现代社会对高效、自动化和节能照明技术的需求，本项目设计了一种基于ZigBee和ARM的网络智能照明节能系统，实现了照明系统远程控制、智能化调节，达到了节能、节电和提供人性化管理的目标。

0引言目前发展较成熟的几大无线通信技术，往往比较复杂，不但耗费较多资源，成本也较高，不适于短距离无线通信。

ZigBee 技术的出现就弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，大大减少资源的浪费，且有很大的发展前景。

ZigBee 技术是在IEEE 802.15.4协议标准的基础上扩展起来的，是一种短距离、低功耗、低传输速率的无线通信技术。

该技术主要针对低速率传感器网络而提出，能够满足小型化、低成本设备的无线联网要求，可广泛应用于工业、农业和日常生活中。

ZigBee 无线网络根据应用的需要可以组织成星型网络、网状网络和簇状网络三中拓扑结构。

ZigBee 网络有两种类型的多点接入机制。

在没有使能信标的网络中，只要信道是空闲的，任何时候都允许所有节点发送。

在使能信标的网络中，仅允许节点在预定义的时隙内进行发送。

协调器会定期以一个标知为信标帧的超级帧开始发送，并且希望网络中的所有节点与此帧同步。

在这个超级帧中为每个节点分配了一个特定的时隙，在该时隙内允许节点发送和接收数据。

超级帧可能还含有一个公共时隙，在此时隙内所有节点竞争接入信道。

1无线传感器网络节点硬件设计本文采用集成MCU+射频收发模块的SOC 设计方式，这种组合方式的兼容性与芯片之间的数据传输可靠性强，而且能实现节点的更微小化和极低的功耗。

1.1无线传感器网络节点组成无线传感器网络节点一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源管理模块组成，如图1所示。

数据采集单元用来采集区域的信息并完成数据转换，采集的信息包含温度、湿度、光强度、加速度及大气压力等；数据处理单元控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理和任务管理等；数据传输单元用于与其他节点进行无线通信、交换控制消息及收发采集数据；电源管理单元选通所用到的传感器。

1.2CC2430模块本文采用CC2430芯片为核心来设计传感器节点。

CC2430芯片是挪威Chipcon 公司推出的符合IEEE 802.15.4标准ZigBee 协议的Soc 解决方案。

zigbee组网方案Zigbee组网方案简介Zigbee是一种低功耗、近距离的无线通信技术，主要应用于物联网领域。

它基于IEEE 802.15.4标准，通过无线信号传输数据，可以实现设备之间的互联和通信。

本文将介绍Zigbee组网的原理以及常见的组网方案。

Zigbee组网原理Zigbee组网主要由三个组成部分组成：协调器（Coordinator），路由器（Router）和终端设备（End Device）。

协调器是整个网络的中心，负责管理和控制整个网络，并在必要时与外部网络通信。

路由器可以通过多跳方式将数据传输到不同的节点，终端设备是网络中的终端节点，主要用于数据的采集和传输。

Zigbee网络采用星状拓扑结构，协调器位于网络的中心，路由器和终端设备通过与协调器的连接来建立网状拓扑结构。

这种结构可以保证网络的稳定性和可靠性。

组网过程中，首先需要进行网络的初始化和配置。

协调器将会发出一个网络启动信号，其他设备在接收到信号后可以加入已有网络或创建一个新的网络。

随后，设备会通过Zigbee的网络协议进行数据的传输和交换。

协议包括了设备之间的通信规则、数据的格式和传输的方式。

Zigbee组网方案Zigbee组网方案有两种常见的方式：单主结构和多主结构。

单主结构在单主结构中，只有一个协调器作为网络的中心，其他设备通过与协调器的连接来进行通信。

这种结构的优点是简单和易于部署，适用于规模较小的网络。

然而，由于只有一个协调器，整个网络的稳定性和可靠性会受到限制。

多主结构多主结构中，可以有多个协调器作为网络的中心。

这种结构的优点是能够提供更高的灵活性和可扩展性，并且可以实现区域之间的连接和通信。

每个协调器都可以管理一部分设备和节点，通过多跳方式实现数据的传输。

然而，多主结构的部署和管理相对复杂，需要更多的设备和资源。

Zigbee网络拓扑结构除了单主结构和多主结构之外，Zigbee还支持多种拓扑结构，包括星状、网状、树状和混合结构。

基于ZigBee的无线通信组网设计一、ZigBee协议栈ZigBee协议栈是ZigBee通信协议的基础，由物理层、MAC层、网络层和应用层组成。

物理层定义了无线信道的调制、频率和功率等参数；MAC层负责数据的传输和接收，实现了信道共享和帧格式的定义；网络层处理路由选择和网络拓扑结构的管理；应用层实现了不同应用的数据处理和交互。

这些层次的协议组成了整个ZigBee协议栈，为ZigBee的无线通信提供了可靠的基础。

二、网络拓扑结构ZigBee的网络拓扑结构包括星型、网状和混合型等几种形式。

星型拓扑结构适用于简单的小范围通信，一个集中控制器连接多个设备；网状拓扑结构适用于大范围通信和设备密集的场景，任意两个设备之间都可以通过中继节点进行通信；混合型拓扑结构将星型和网状结合起来，适用于较大规模和多样化的应用场景。

不同的网络拓扑结构适用于不同的场景和需求，设计者可以根据实际情况选择合适的网络结构。

三、节点类型ZigBee网络中的节点主要分为协调器、路由器和终端设备三种类型。

协调器是网络中的主节点，负责网络的组建和管理；路由器用于数据的中继和转发，拥有一定的计算和存储能力；终端设备是网络中的终端节点，通常功耗较低，只负责数据的采集和传输。

这三种节点类型相互配合，形成了稳定的通信网络。

四、通信机制ZigBee的通信机制主要包括数据传输、路由选择和能耗管理等方面。

数据传输采用了低功耗的无线通信技术，使用低频率和短数据包进行数据的传输；路由选择采用了基于跳数的路由协议，实现了快速且稳定的数据传输；能耗管理采用了低功耗的设计，通过睡眠模式和功耗优化实现了长时间的运行。

这些通信机制使得ZigBee具有了良好的稳定性和低功耗的特点。

基于ZigBee的无线通信组网设计是一项复杂而重要的工作。

设计者需要根据实际应用场景和需求，选取合适的ZigBee协议栈、网络拓扑结构、节点类型和通信机制，才能设计出稳定、高效、低功耗的无线通信系统。

第４期（总第１７３期）２０１２年８月机械工程与自动化ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．４Ａｕｇ．文章编号：１６７２－６４１３（２０１２）０４－０１９８－０３基于ＣＣ２４３０的ＺｉｇＢｅｅ无线通信模块设计郝永亮，杨铁梅（太原科技大学电子信息工程学院，山西　太原　０３００２４）摘要：ＣＣ２４３０芯片是Ｃｈｉｐｃｏｎ公司推出的用来实现嵌入式ＺｉｇＢｅｅ应用的片上系统，它支持２．４ＧＨｚ　８０２．１５．４ＩＥＥＥ／ＺｉｇＢｅｅ协议。

由于它的便利性、低功耗、低成本的特性，使得它具有很好的市场潜力。

对ＣＣ２４３０芯片独具一格的特点和引脚进行了分析，给出了无线通信模块的设计方案及电路原理图。

关键词：ＺｉｇＢｅｅ；ＣＣ２４３０；无线通信模块；设计中图分类号：ＴＮ９２ 文献标识码：Ｂ收稿日期：２０１２－０２－２８；修回日期：２０１２－０３－２０作者简介：郝永亮（１９８５－），男，河北内丘人，在读硕士研究生，研究方向：模式识别与故障诊断。

１　ＺｉｇＢｅｅ技术ＺｉｇＢｅｅ技术是一种新兴的低功耗、短距离、低功率无线通信组网技术，是一种介于无线标记与蓝牙技术之间而提出的技术，目的是为了使用近距离无线通信领域。

每种通信都有特殊的通信协议，同样ＺｉｇＢｅｅ技术也有着自己的无线通信标准。

监测区域内数以千计的微小的传感器通信，是通过彼此间的相互协调作用来实现的。

ＺｉｇＢｅｅ的无线数据传输网络平台由６５　０００个无线数传模块构成，其监测空间很广阔。

在现实环境中，建立的此种网络平台类似于移动通信的ＣＤＭＡ网络和ＧＳＭ，而作为平台当中的每一个无线通信模块就类似于移动通信网站中的一个基站，在整体的网络范围内，彼此之间的相互通信可以互通，并且ＺｉｇＢｅｅ的整体网络本身还可以与其他的各种网络进行连接［１，２］。

ＺｉｇＢｅｅ协议栈是由层次划分而成的，层与层之间紧密联系在一起，每层为其上一层提供特定的服务。

本科生毕业论文（设计）题目：基于ZigBee技术的无线传感器网络的研究与设计目录摘要： (IV)ABSTRACT (V)第一章绪论 (1)1.1 课题背景概述 (1)1.2 WSN简介 (2)1.2.1 WSN体系结构 (2)1.2.2 WSN的协议栈结构 (4)1.2.3 WSN特点及其关键问题 (6)1.2 几种常用的无线通信技术 (7)1.3.1 蓝牙技术 (7)1.3.2 红外技术 (7)1.3.3 ZigBee技术 (8)1.3.4 Wi-Fi技术 (8)1.3.5 RFID技术 (8)1.3.6 HomeRF技术 (9)1.3.7 UWB技术 (9)1.3.8 几种无线通信技术对比 (9)1.4 本文结构组织 (10)1.5 本章小结 (11)第二章 ZigBee/IEEE802.15.4技术标准 (12)2.1 ZigBee/IEEE802.15.4技术概述 (12)2.2 ZigBee技术特点 (12)2.3 ZigBee技术的体系结构 (13)2.4 ZigBee技术的网络配置 (15)2.4.1 两种功能设备 (15)2.4.2 三种节点类型 (15)2.4.3 三种拓扑结构 (16)2.4.4 两种工作模式 (17)2.5 ZigBee组网 (17)2.5.1 基本通信原语 (17)2.5.2 ZigBee网络的组网 (18)2.5.2.1 网络管理服务 (18)2.5.2.2 数据传输服务 (20)2.6 ZigBee 路由 (21)2.6.1路由协议 (21)2.6.2 路由过程 (22)2.7本章小结 (23)第三章基于ZigBee的无线传感器网络的硬件设计 (24)3.1 ZigBee的几种实现方案 (25)3.2 CC2430芯片介绍 (26)3.2.1 CC2430芯片概述 (26)3.2.2 CC2430引脚功能介绍 (29)3.2.3 CC2430的增强型8051内核 (31)3.2.4 CC2430的射频部分 (32)3.2.5 CC2430的其它外围设备 (34)3.2.5.1 直接存取（DMA）控制器 (34)3.2.5.2 MAC定时器 (35)3.2.5.3 模数转换器（ADC） (35)3.2.5.4 温度传感器 (36)3.3 节点的控制和显示电路 (36)3.3.1 控制电路 (37)3.3.2 状态显示电路 (38)3.4 节点的接口电路 (39)3.4.1 USART接口（串行通信接口） (40)3.4.2 JTAG接口 (40)3.5 节点实图 (41)3.6 本章小结 (41)第四章基于ZigBee2006协议栈的无线传感器网络的软件设计 (43)4.1 Z-Stack (43)4.1.1 Z-Stack软件架构 (43)4.1.1.1 系统初始化 (44)4.1.1.2 操作系统的执行 (44)4.1.2 Z-Stack项目中的文件目录 (49)4.2 Z-Stack开发软件 (51)4.2.1 IAR EW8051集成开发环境 (51)4.2.2 ZigBee2006协议栈 (52)4.2.3 SmartRF Flash Programmer软件 (54)4.2.4 ZigBee协议分析仪软件Packet Sniffer (55)4.3 Z-Stack开发的一些基本概念 (55)4.4 实验测试 (60)4.4.1 开关灯控制实验 (60)4.4.1.1 功能描述 (60)4.4.1.2 实验程序 (61)4.4.1.3 实验操作及其结果 (65)4.4.2 温度传输实验 (66)4.4.2.1 功能描述 (66)4.4.2.2 实验程序 (67)4.4.2.3 实验操作及其结果 (73)4.5 本章小结 (76)第五章总结与展望 (77)5.1 无线传感器网络的应用设想 (77)5.2 总结与展望 (78)5.2.1 本文总结 (78)5.2.2 展望 (78)参考文献 (79)附录 (80)致谢 (89)基于ZigBee技术的无线传感器网络的研究与设计作者：闫彦含指导老师：何自立摘要：无线传感器网络是涉及多学科、知识高度集中、在当今国际上备受关注的前沿热点和研究领域。

基于Zigbee 技术的通用无线通信模块设计殷 明 汪立伟(西南民族大学 成都610041)摘 要 总结了Zigbee 技术的特点和应用, 提出了基于Zigbee 技术的通用短距离无线通信模块的设计思路和设计方案。

介绍了模块的软硬件设计方案, 并对设计方案进行检测验证。

关键词 Zigbee; 无线通信模块; 通信接口中图法分类号: TN 924. 1 文献标识码:A1 Zigbee 技术1. 1 Zigbee 概述Zigbee 是一种短距离、低速率无线网络通信技术, 其开发是为了建立一种低成本、低功耗的小区域的无线通信方式, 在此基础上通过软件协议栈发展出易布建的大容量、不依赖现有通信网络和现有电力网络的无线网络。

Zigbee 在工业控制、家庭智能化、无线传感器网络等领域有广泛的应用前景[ 1 ]。

笔者利用Zigbee 技术, 设计了一种适合于短距离、低成本应用场合的通信模块。

Zigbee 技术采用直接序列扩频(DSSS) 的方式进行无线信号的收发, 其工作频率为2. 4 GHz 波段和868/9 15MHz 波段。

2. 4 GHz 波段射频支持250 kb/s 的数据速率和16 个不同的信道。

在868/915MHz 波段中, 868MHz 支持1 个数据速率为20 kb/s 的信道, 915MHz 支持10个数据速率为40 kb/s 的信道。

Zigbee 技术的无线网络连接功能非常丰富和强大。

Zigbee 技术的物理层、媒体存取控制层(m edia access con t ro l,MAC) 和链路层采用了EEE802. 15. 4 (无线个人区域网) 协议标准, 并在此基础上进行了完善和扩展。

其网络层、应用会聚层和高层应用规范(A P I) 由Zigbee 联盟进行了制定, 整个协议架构如图1 所示。

图1 Zigbee 协议栈架构在网络层方面, Zigbee 联盟制订Zigbee 可具备支持星状、树状及网状3种网络架构。