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zigbee自动组网毕设.pdf

发布时间：2022-06-10 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.31M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    摘要 摘 要 长期以来，低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。 自从蓝牙技术出现以后，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃 不已，但是蓝牙解决方案的价格很高，严重影响了这些厂商的使用意愿。在这种 条件下，Zigbee技术应运而生。它是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数 据速率、低成本的无线网络技术，是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提 案。 Zigbee技术在家庭和楼宇网络、工业控制、商业、公共场所、农业控制、医疗 等领域得到广泛应用。本文将其用于控制领域，建立无线控制网络，完成对监测 节点温度等信号的采集，通过zigbee无线网络将其传输到上位机进行监测，并在监 测数据超出预定范围的时候对监测节点进行控制。 本系统硬件部分采用的是“成都智感的开发套件”，主要包括网络开发板、电池 板、射频板。网络开发板主要包括LCD、LED串口、键盘、JTAG、USB等部分。 本系统软件部分是在TI的Z-STACK上进行开发。主要完成协调器、路由器、 终端软件的开发。使终端能够采集温度，片内电压等数据，然后将其传输给协调 器或路由器，并使终端的绿色LED能够受上位机控制；使协调器和路由器完成组 网，数据传输等功能，并使协调器和路由器的绿色LED也能受上位机的控制；使 协调器能够通过串口与上位机通信。 关键词： CC2530 Z-STACK Zigbee 无线网络 传感器
    ABSTRACT ABSTRACT For a long time, the market of wireless communication has been existed, which it is low-cost, low data rate, short-range and low-power. Since the emergence of the Bluetooth technology, it makes industry control, automatic controls for household, toy manufacturers and other industry jumping for joy. But the high price of Bluetooth solutions has seriously affected the willingness to use of these vendors. Zigbee technology has widely used in the fields of home and buildings, networks, industrial control, commercial, public places, agriculture control, medical and other areas. This paper will be used in control. It aims to set up a wireless control network to monitor node temperature, and transmit these data to the host computer by zigbee wireless network. And nodes can be controlled when their data exceed the predetermined range. The hardware of this system uses the development kit of “ChengduZhiGan”. It includes network development boards, panels, and RF board, and network development board consists of LCD, LED, serial, keyboard, JTAG, USB, and other part. The software of the system is developed on TI's Z-STACK. The paper completes the software development of coordination, routers and terminal. It makes terminal collect temperature, voltage and other data in the chip, and then transmits the data to coordinator or router. It also make coordinator communicate with the host computer. In addition, the green LED of terminal, coordinator and router are also can be controlled by the host computer by Zigbee wireless network. Keywords: CC2530 Z-STACK Zigbee Wireless Network Network Sensor
    目录 目录 i 第一章 绪 论 .......................................................................................................... 1 1.1 Zigbee 技术简介 ............................................... 1 1.2 ZigBee 自身的技术优势 ......................................... 1 1.3 Zigbee 无线网络的发展历程 ..................................... 2 1.4 Zigbee 无线网络的应用前景 ..................................... 3 1.5 论文基本内容 .................................................. 4 第二章 CC2530 芯片 ................................................................................................ 5 2.1 CC2530 芯片简介 ............................................... 5 2.2 CC2530 芯片引脚功能 ........................................... 5 2.3 CC2530 功能介绍 ............................................... 7 第三章 Zigbee 无线网络硬件设计 ........................................................................... 9 3.1 系统功能及原理框图 ............................................ 9 3.2 射频板 ....................................................... 11 3.3 网络开发板 ................................................... 13 3.4 电池板 ....................................................... 15 第四章 TI Z-STACK 软件构架及开发 .................................................................... 17 4.1 Z-STACK 体系结构 ............................................. 17 4.2 Z-STACK 软件构架 ............................................. 19 4.2.1 系统初始化 .................................................................................................. 20 4.2.2 操作系统的执行 .......................................................................................... 21 4.2.3 在项目中组织 Z-STACK 文件 ....................................................................... 24 4.3 应用层开发 ................................................... 26 4.3.1 绑定 .............................................................................................................. 26 4.3.2 配置文件、簇、属性 .................................................................................. 29 4.3.3 端点 .............................................................................................................. 30 4.3.4 一些标识符 .................................................................................................. 30 第五章 Zigbee 无线网络软件设计 ......................................................................... 31 5.1 软件部分简介 ................................................. 31
    ii 目录 5.2 与 Z-STACK 相关的 IAR 工程选项设置 ............................. 31 5.3 LED 的控制 .................................................... 34 5.4 LCD 的控制 .................................................... 36 5.5 串口部分 ..................................................... 36 5.6 网络自启动 ................................................... 39 5.7 预定义网络启动类型 ........................................... 40 5.8 采用的绑定方法 ............................................... 44 5.9 通信中数据帧格式 ............................................. 44 5.10 Zigbee 网络中数据传输 ........................................ 45 5.11 路由器设计 .................................................. 49 第六章 系统结果分析与改进 ................................................................................ 55 6.1 系统结果分析 ................................................. 55 6.2 系统的改进 ................................................... 57 致谢 ....................................................................................................................... 59 参考文献 ............................................................................................................... 61
    第一章 绪论 1 第一章 绪 论 1.1 Zigbee 技术简介 蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位 置等信息，这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方 式。借此意义Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前Zigbee也被称为 “HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”无线电技术，目前统称为Zigbee[1]。 简单的说，Zigbee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。 Zigbee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里， 并且支持无限扩展。 Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台， 在整个网络范围内，每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点 间的距离可以从标准的75m无限扩展。 与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，Zigbee网络主要是为工业现场自 动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格 低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万 元人民币以上，而每个Zigbee“基站”却不到1000元人民币。每个Zigbee网络节点不 仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还 可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个Zigbee网络节点 (FFD-全功能设备)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务 的孤立的子节点(RFD-精简功能设备)无线连接。 1.2 ZigBee 自身的技术优势 Zigbee技术具有以下主要优势： 1、低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个 月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周，WiFi可工作 数小时。
    2 Zigbee 无线网络的设计 2、低成本。通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要 求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子 功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元。 3、低速率。ZigBee工作在20～250kbps的较低速率，分别提供250kbps(2.4GHz）、 40kbps(915MHz）和20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应 用需求。 4、近距离。传输范围一般介于10～100m之间，在增加RF发射功率后，亦可 增加到1～3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力， 传输距离将可以更远。 5、短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节 点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3～10s，WiFi 需要3s。 6、高容量。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若 干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节 点管理，最多可组成65000个节点的大网。 7、高安全。ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清 单（ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128)的对称密码，以灵 活确定其安全属性。 8、免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗（ISM)频段，2.4GHz（全 球）、915MHz（美国）和868MHz（欧洲）。 1.3 Zigbee 无线网络的发展历程 ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4的无线通讯技术，其主要发展历程如下： 2000年12月成立了工作小组起草IEEE 802.15.4标准； 2001年8月，ZigBee Alliance成立； 2004年,ZigBee V1.0诞生。它是zigbee的第一个规范。但由于推出仓促，存在 一些错误； 2006年，推出ZigBee 2006，比较完善； 2007年底，ZigBee PRO推出；
    第一章 绪论 3 2009年3月，zigbee RF4CE推出，具备更强的灵活性和远程控制能力。 在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许 多缺陷。对工业、家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言蓝牙技术显得太复杂， 功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化，对无线数据通信的需求越来 越强烈，而且，对于工业现场，这种无线数据传输必须是高可靠的，并能抵抗工 业现场的各种电磁干扰。因此，经过人们长期努力，ZigBee协议在2003年正式问 世。另外，Zigbee使用了在它之前所研究过的面向家庭网络的通信协议Home RF Lite。 长期以来，低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。 自从Bluetooth出现以后，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃 不已，但是Bluetooth的售价一直居高不下，严重影响了这些厂商的使用意愿。如 今，这些业者都参加了IEEE802.15.4小组，负责制定ZigBee的物理层和媒体介质访 问层。IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率、工作在2.4GHz和 868/928MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网络。它是ZigBee应用层和网络 层协议的基础。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、 低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主 要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协 调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据 从一个网络节点传到另一个节点，所以它们的通信效率非常高[2]。 1.4 Zigbee 无线网络的应用前景 ZigBee并不是用来与蓝牙或者其它已经存在的标准竞争，它的目标定位于现 存的系统还不能满足其需求的特定的市场，它有着广阔的应用前景。ZigBee联盟 预言，在未来的四到五年，每个家庭将拥有50个ZigBee器件，最后将达到每个家 庭至少150个。其应用领域主要包括： 1、家庭和楼宇网络：空调系统的温度控制、照明的自动控制、窗帘的自动控 制、煤气计量控制、家用电器的远程控制等； 2、工业控制：各种监控器、传感器的自动化控制； 3、商业：智慧型标签等；
    4 Zigbee 无线网络的设计 4、公共场所：烟雾探测器等； 5、农业控制：收集各种土壤信息和气候信息； 6、医疗：老人与行动不便者的紧急呼叫器和医疗传感器等。 1.5 论文基本内容 本文设计基于Zigbee网络的各种设备节点，意在实现无线网络控制。本网络由 协调器、路由器、终端三部分构成。协调器负责组建网路，通过串口与上位机通 信；路由器主要完成拓展网络的功能；终端主要完成传感器数据的采集、传输功 能。最终在上位机上能显示出每个终端的温度、片内电压的信息，并能通过上位 机分别控制终端、路由器、协调器的LED。 论文的主要内容安排如下： 第二章 CC2530芯片。对核心芯片CC2530进行简要的介绍，包括芯片的资源、 引脚功能、寄存器等。 第三章 Zigbee无线网络硬件设计。对硬件开发平台进行介绍，主要包括对网 络开发板、电池板、射频板。然后对这三块板子上的主要模块进行介绍。网络开 发板主要包括：LCD模块、LED模块、串口模块、键盘模块等。 第四章 TI Z-STACK软件构架及开发。对TI的Z-STACK进行介绍，主要包括 Z-STACK的基本概念、软件结构、任务机制、消息机制等内容。 第五章 Zigbee无线网络软件设计。对应用层软件开发进行介绍，主要包括软 件开发环境的配置、LED的控制、LCD的控制、串口部分、绑定部分、数据帧格 式、路由器设计等内容。 第六章 系统结果分析与改进。对系统结果与性能进行分析与小结，提出可以 改进的地方。
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