無線測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、題目：無線測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì) 無線測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集傳感器、無線通信和網(wǎng)絡(luò)三大技術(shù)于一體的信息獲取與處理技術(shù)，主要用于實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境下各種參數(shù)的檢測。最新的發(fā)展方向在于減小體積，簡化布局以及在低能條件下盡可能延長生命周期。而Zigbee技術(shù)擁有網(wǎng)絡(luò)容量大，架構(gòu)簡單，低功耗，低速率等特點(diǎn)，十分適合用來組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本文針對現(xiàn)實(shí)環(huán)境中對溫度了解的需要，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)。該技術(shù)有組網(wǎng)方便，自愈能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠穩(wěn)定準(zhǔn)確地獲得環(huán)境溫度。系統(tǒng)以CC2530無線射頻芯片為主控芯片，DS18B20數(shù)字式溫度傳感器組成測溫節(jié)點(diǎn)，運(yùn)用無線方式并通過串口與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)

2、通訊。實(shí)驗(yàn)表明，在溫度監(jiān)測過程中，該系統(tǒng)能靈活組網(wǎng)，測量精確。關(guān)鍵詞： CC2530；溫度監(jiān)測；ZigBee；DS18B20Wireless Temperature Measurement System DesignABSTRACTWireless Sensor Networks (WSN) setting sensors with wireless communications and network is a kind of information acquisition and processing technology , mainly used to implement the de

3、tection of slow parameters under different circumstances. The newest development direction is to reduce the volume, to simplify the layout and to extend the life cycle in the low-energy conditions much as possible. However, Zigbee technology, with large network capacity, simple structure, low rate a

4、nd power consumption , is especially suitable for the formation of the WSN.The paper based on the requirement of knowing the practical environment of the temperature,this paper design a temperature monitoring system which is based on ZigBee since network technologyThis technology has networking conv

5、enient,selfhealing capability etc advantages,stable to obtain the accurate temperatureSystem to RF transceiver CC2530 as the main chip,DS18B20 digital temperature sensor as temperature sensor node,by wireless way and through a serial port with a PC to realize communication. Experimental results show

6、 that in the temperature monitoring process,the system can flexible networkKey words:CC2530；temperature monitoring；ZigBee；DS18B20目錄緒論11.1選題依據(jù)和意義11.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究背景及意義11.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡介21.3.1國內(nèi)外發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀31.3.2未來前景展望42ZigBee協(xié)議簡介62.1ZigBee的概述62.1.1物理層62.1.2MAC層82.1.3網(wǎng)絡(luò)層（NWK）112.1.4應(yīng)用層（APL層）112.1.5安全服務(wù)提供層（SSP層

7、）122.2ZigBee的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)122.2.1網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型122.2.2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?22.3ZigBee的工作模式133核心板介紹153.1CC2530核心板153.1.1CC2530介紹153.1.2CC2530引腳描述153.2普通底板163.3仿真器173.4溫度傳感器介紹173.4.1DS18B20溫度傳感器特性173.4.2DS18B20管腳介紹174開發(fā)環(huán)境快速建立194.1相關(guān)軟件和驅(qū)動安裝194.2TI協(xié)議棧的安裝214.3仿真器驅(qū)動安裝方法225系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)235.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)235.1.1協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)245.1.2測溫節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)255.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)255.2.

8、1協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)265.2.2采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)275.2.3溫度傳感器程序296運(yùn)行結(jié)果326.系統(tǒng)結(jié)果分析33總結(jié)34參考文獻(xiàn)35致謝36緒論1.1選題依據(jù)和意義現(xiàn)今社會無線取代有線已經(jīng)是信息通訊領(lǐng)域的一個(gè)主流趨勢，用便捷快速的方式傳遞信息是信息工程的一個(gè)重要的研究目標(biāo)。就這樣，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)漸漸走近進(jìn)了我們的視野。隨著它的發(fā)展，用于設(shè)計(jì)無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議逐漸地多元化，無線局域網(wǎng)（WLAN）、藍(lán)牙（BlueTooth）技術(shù)、無線保真（WiFi）、超寬帶（UWB）以及Zigbee技術(shù)等熱點(diǎn)技術(shù)相繼出現(xiàn)，均展現(xiàn)出各自的應(yīng)用特點(diǎn)和市場潛力。而ZigBee技術(shù)因其功耗低、網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點(diǎn)而非常適用于

9、傳感器網(wǎng)絡(luò)，作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要支撐技術(shù)獲得廣泛的關(guān)注，作為一種新興的短距離無線通信協(xié)議，在國外已經(jīng)有了一定的應(yīng)用。ZigBee協(xié)議是由IEEE 802154標(biāo)準(zhǔn)的PHY層和MAC層再加上ZigBee聯(lián)盟定義的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層所組成，其突出的特點(diǎn)是擁有網(wǎng)絡(luò)支持低成本、低功耗、低速率、短距離的數(shù)據(jù)傳輸能力。在日益追求信息通信和交換的快速，簡便，低能耗，傳輸穩(wěn)定的信息技術(shù)發(fā)展方向上，研究Zigbee技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用十分迫切和有效。并且，對于我們這些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足、理論知識學(xué)習(xí)比較淺顯的大學(xué)生來說，以ZigBee這種通信數(shù)據(jù)量不大、低數(shù)據(jù)傳輸率、低成本、低功耗而且具有安全可靠性的這種無線

10、通信技術(shù)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)通信方式的研究對象，既不會太過艱難，也不會流于淺表，最為合適不過。1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究背景及意義 21世紀(jì)以來，隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步極大地推動了計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備的普及個(gè)迅猛發(fā)展，PC機(jī)、掌上電腦、移動電話、無繩電話等進(jìn)入了人們?nèi)粘：凸ぷ髦校蔀榱巳藗兩钪胁豢扇鄙俚囊徊糠?。但大多?shù)這些設(shè)備和使用終端間的信息傳送都是依靠有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的。各種總線技術(shù)，局域網(wǎng)技術(shù)等有線網(wǎng)絡(luò)的使用的確給人們的生產(chǎn)和生活帶來了便利，改變了我們的生活，對社會的發(fā)展起到了極大的推動作用。有線網(wǎng)絡(luò)速度快，數(shù)據(jù)流量大，可靠性強(qiáng)，對于基本固定的設(shè)備來說無疑是比較理想的選擇，的確在實(shí)際應(yīng)用

11、中也達(dá)到了比較滿意的效果。但例如布線麻煩、線路故障難以檢查、設(shè)備重新布局就要重新布線、不能隨意移動等這些有線網(wǎng)絡(luò)先天帶有的缺憾卻愈發(fā)地突出，漸漸阻礙了有線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。同時(shí)，隨著近年來射頻技術(shù)、集成電路技術(shù)的發(fā)展，無線通信功能的實(shí)現(xiàn)越來越容易，數(shù)據(jù)傳輸速度和穩(wěn)定性都有了飛躍性的提高，體現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。在追求自由和便捷通信的今天，人們不禁把目光轉(zhuǎn)向了無線通信方式，尤其是一些機(jī)動性要求較強(qiáng)的或在人們不方便隨時(shí)到達(dá)現(xiàn)場的條件下使用的設(shè)備。因此，一些典型的無線應(yīng)用產(chǎn)品順勢而生，如：無線智能家居，無線抄表，無線點(diǎn)菜，無線數(shù)據(jù)采集，無線設(shè)備管理和監(jiān)控，汽車儀表數(shù)據(jù)的無線讀取等等。但隨著各種網(wǎng)絡(luò)終端的出

12、現(xiàn)、工業(yè)控制的自動化和家庭的智能化的快速發(fā)展、各種便攜式個(gè)人通信設(shè)備和家用電器設(shè)備的增加，人們享受無線信息傳輸系統(tǒng)帶來的便利的同時(shí)，又同時(shí)針對發(fā)展的新的需求而不斷探索。而在傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)取得突破性進(jìn)展之后，一種名叫無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信系統(tǒng)躍然而出，它以其低成本、低功耗、對等通信等三大優(yōu)勢漸漸成為新興通信技術(shù)中的一大熱點(diǎn)?，F(xiàn)如今，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為21世紀(jì)最具有影響力的改變世界的10大技術(shù)之一。伴隨著傳感器技術(shù)本身不斷地在發(fā)展、深化和交叉，從原先單一的敏感元件發(fā)展到混合集成傳感器、智能傳感器等，真正朝著無所不在的信息獲取技術(shù)方向邁進(jìn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)異軍突起，包括在國防安全、工農(nóng)業(yè)領(lǐng)

13、域各種控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險(xiǎn)救災(zāi)、防恐反恐、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等許多領(lǐng)域都體現(xiàn)了重要的科研價(jià)值和實(shí)用價(jià)值，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。于是，深化研究無線傳感網(wǎng)絡(luò)、為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)尋找一種具備成本低廉，節(jié)約功耗而有組網(wǎng)能力較強(qiáng)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的需求變得十分迫切，也是當(dāng)今通信科技發(fā)展的主題。 1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡介無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息，并報(bào)告給用戶。它的英文是Wireless Sensor Network, 簡稱WSN。由大量節(jié)點(diǎn)組成的面向任務(wù)的分布式網(wǎng)絡(luò)

14、，綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信、分布式信息處理等多領(lǐng)域技術(shù)，通過各類微型傳感器對信息目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，由嵌入式微處理器對信息進(jìn)行加工處理，并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至遠(yuǎn)程用戶，然后通過相應(yīng)的規(guī)則進(jìn)行。在這個(gè)定義中，傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸三種功能，而這正對應(yīng)著現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)技術(shù)，即傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以看成是由數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分布網(wǎng)絡(luò)和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)通過協(xié)議自組成一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)，再將采集來的數(shù)據(jù)通過優(yōu)化后經(jīng)無線電波傳輸給信息處理中心。WSN是由一組

15、傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織的方式構(gòu)成的有線或無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。硬件上，WSN節(jié)點(diǎn)主要由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、無線數(shù)據(jù)收發(fā)單元以及小型電池單元組成，因其尺寸較小，故具有低成本、低功耗、多功能等特點(diǎn)；而從軟件上看，借助于節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置傳感器有效探測所處區(qū)域的溫度、濕度、光強(qiáng)度、壓力等環(huán)境參數(shù)以及待測對象的電壓、電流等物理參數(shù)，它可以接收記錄并通過無線網(wǎng)絡(luò)將探測信息傳送到數(shù)據(jù)匯聚中心進(jìn)行處理、分析和轉(zhuǎn)發(fā)。WSN與傳統(tǒng)傳感器和測控系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢。它采用點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)的無線連接，大大減少了電纜成本，在傳感器節(jié)點(diǎn)端即合并了A/D

16、信號轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理和網(wǎng)絡(luò)通信功能，與此同時(shí)，節(jié)點(diǎn)還具有自檢功能，能夠完成后期自我的維護(hù)和檢測，讓系統(tǒng)性能與可靠性明顯提升的同時(shí)成本卻明顯地縮減。1.3.1國內(nèi)外發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀國外對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，尤其是Zigbee技術(shù)的研究起步較早，研究也較成熟。早在2000年12月IEEE成立了IEEE 802.15.4工作組。這個(gè)工作組致力于定義一種供廉價(jià)的固定、便攜或移動設(shè)備使用的低成本、低功耗、低速率的無線連接技術(shù)。ZigBee正是這種技術(shù)的商業(yè)化命名，這個(gè)名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式。Zigbee聯(lián)盟由Chaddrcon、Ember、FreeScale、Honeywll、Moto

17、rala、Philaddrs和Sansung等公司于2002年8月成立，旨在推動Zigbee技術(shù)的發(fā)展，如今有上百家芯片公司、無線節(jié)點(diǎn)公司和開發(fā)商的加入，包括有許多IC設(shè)計(jì)、家電、通訊節(jié)點(diǎn)、ADDR服務(wù)提供、玩具等廠商。目前該聯(lián)盟已經(jīng)擁有150多家會員，并且還有許多廠商已將Zigbee納入產(chǎn)品中。在標(biāo)準(zhǔn)化方面，IEEE 802.154工作組主要負(fù)責(zé)制定物理層和MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，高層應(yīng)用、測試和市場推廣等方面的工作由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)。國際上已經(jīng)有許多公司提供ZigBee-Stack，例如：Ember、AirBee、Figure8·Wireless等，其

18、中以Figure8·Wireless(F8W)所設(shè)計(jì)的Z-Stack最負(fù)盛名。而在Chipcon收購了F8W后，Chipcon就成為ZigBee的完全解決方案的提供者。于是，Chipcon CC2420+Z-Stack就成為從事ZigBee開發(fā)人員的最佳選擇。雖然在現(xiàn)代意義上的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究及其應(yīng)用方面，我國與發(fā)達(dá)國家?guī)缀跬絾?，我國甚至成為信息領(lǐng)域位居世界前列的少數(shù)國家之一。但是，國內(nèi)對于以Zigbee技術(shù)為基礎(chǔ)的無線組網(wǎng)技術(shù)卻起步較晚，國內(nèi)Zigbee模塊生產(chǎn)廠家一般都受芯片廠家數(shù)量等限制價(jià)格，國內(nèi)市場只要被國外儀器所占領(lǐng)，國內(nèi)未見成熟的自主研發(fā)的Zigbee產(chǎn)品，只有一些

19、研究性和簡單應(yīng)用文章出現(xiàn)于期刊雜志。到目前為止，國內(nèi)目前除了成都無線龍科技公司真正將Zigbee技術(shù)開發(fā)成產(chǎn)品并成功用于幾個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際生產(chǎn)問題外，尚未有其他的相關(guān)企業(yè)和高校拿出了過硬的產(chǎn)品。不過隨著這幾年無線技術(shù)發(fā)展大幅度的加速，很多高校和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)著手無線組網(wǎng)、無線技術(shù)的應(yīng)用方面的研究。特別是與我們?nèi)粘Ｉ钕嚓P(guān)的及距離無線組網(wǎng)技術(shù)的研究和應(yīng)用。我們的政府牽頭我們將會投入更多的精力到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究之中。在2006年我國發(fā)布的國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要中，為信息技術(shù)確定了三個(gè)前沿方向，其中有兩項(xiàng)就與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)，這就是智能感知和自組網(wǎng)技術(shù)。國內(nèi)的一些大學(xué)也在積極開展Zigbee

20、技術(shù)的組網(wǎng)和實(shí)現(xiàn)，利用國外廠商的開發(fā)平臺和芯片建立Zigbee網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用于智能家居，無線抄表和物流管理方面。相信隨著無線技術(shù)的深入，會有更多的國產(chǎn)Zigbee和其他無線產(chǎn)品投入市場。雖然無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，由于技術(shù)等方面的制約還有待時(shí)日，但是最近幾年，隨著計(jì)算成本的下降以及微處理器體積越來越小，已經(jīng)為數(shù)不少的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開始投入使用。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要集中在以下領(lǐng)域：(1)環(huán)境監(jiān)測和保護(hù)：隨著人們對于環(huán)境問題的關(guān)注程度越來越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來越多，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利，并且還可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞。(2)

21、醫(yī)療護(hù)理：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療研究、護(hù)理領(lǐng)域也可以大展身手?，F(xiàn)如今有種系統(tǒng)通過在鞋、家具以家用電器等家中道具和設(shè)備中嵌入半導(dǎo)體傳感器，幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以及殘障人士的家庭生活。利用無線通信將各傳感器聯(lián)網(wǎng)可高效傳遞必要的信息從而方便接受護(hù)理。而且還可以減輕護(hù)理人員的負(fù)擔(dān)。(3)軍事領(lǐng)域：由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有密集型、隨機(jī)分布的特點(diǎn)，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判斷生物化學(xué)攻擊等多方面用途。(4)商業(yè)化用途：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還被應(yīng)用于其他一些領(lǐng)域。比如一些危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過它來

22、實(shí)施安全監(jiān)測。也可以用在交通領(lǐng)域作為車輛 監(jiān)控的有力工具1。1.3.2未來前景展望現(xiàn)如今，國內(nèi)外致力于ZigBee技術(shù)的研究的權(quán)威機(jī)構(gòu)和知名公司越來越多，這也將大力推動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，加速其更新?lián)Q代和研發(fā)。對于這種新興的近距離、低功耗、低傳輸率的技術(shù)，人們把更多的目光投向了無線組網(wǎng)技術(shù)方面的研究，為下一步無線網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的研制做準(zhǔn)備。從ZigBee協(xié)議規(guī)范的研究及完善方面來看，Zigbee協(xié)議規(guī)范從推出至今，已有大量研究者對Zigbee網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步、廣播問題、安全機(jī)制等進(jìn)行了研究，并且Zigbee協(xié)議正在繼續(xù)改進(jìn)并將提供更多的功能，但目前仍然存在一些例如無固定地址、容量極限較低

23、、能源利用效率不高等問題。這些都需要在未來的研究中亟待解決。同時(shí)，ZigBee規(guī)范及其應(yīng)用仍在不斷的發(fā)展和完善之中，眾多廠商、高校和研究機(jī)構(gòu)都對ZigBee技術(shù)展現(xiàn)了極大的研究興趣，進(jìn)行了大量的研究工作。我們未來研究的重點(diǎn)將主要集中以下幾個(gè)方面：（1）Zigbee芯片和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)：不少廠商推出了Zigbee的產(chǎn)品和全套解決方案。如Freescale公司的第三代PADDR晶片MCl322x；Helicomm公司推出的ADDR Link 1200 Zigbee開發(fā)套件；Jennic公司的JN5121513X等。（2）Zigbee技術(shù)的具體應(yīng)用研究：目前，不管國內(nèi)國外，已有大量的研究者和廠商提出了Z

24、igbee可能的應(yīng)用。如智能家居、智能公交車、嵌入式方面、傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。另外，Jennie公司的JenNET應(yīng)用在路燈控制、環(huán)境監(jiān)控、生產(chǎn)線數(shù)據(jù)收集，以及ZigBee結(jié)合RFID等。（3）和其它技術(shù)共存研究：對Zigbee網(wǎng)絡(luò)與其它無線網(wǎng)絡(luò)共存的問題也有大量的研究，如Zigbee網(wǎng)絡(luò)和藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)共存、WiFi的共存與干擾問題。（4）網(wǎng)絡(luò)性能評估：對Zigbee網(wǎng)絡(luò)性能的研究也是一大熱點(diǎn)，如研究Zigbee底層的802.15.4標(biāo)準(zhǔn)在競爭時(shí)期(CAP)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和能量消耗、Zigbee網(wǎng)絡(luò)在不同的通信參數(shù)下，網(wǎng)絡(luò)的通信量及穩(wěn)定性、在Zigbee網(wǎng)絡(luò)的低負(fù)載的情況下，調(diào)整其活動時(shí)期節(jié)點(diǎn)的能量消

25、耗，使得網(wǎng)絡(luò)的生命延長等。（5）路由算法：Zigbee的路由是基于Ad Hoe按需距離矢量(AODV算法)路由算法，這樣ZigBee的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)建立與數(shù)據(jù)傳播方式和Ad Hoe網(wǎng)絡(luò)很類似。而傳統(tǒng)的AODV算法的路由開銷和路由發(fā)現(xiàn)可能會干擾網(wǎng)絡(luò)性能，特別是節(jié)點(diǎn)密集的網(wǎng)絡(luò)，會直接影響端到端時(shí)延和數(shù)據(jù)包的傳遞的時(shí)延。因此很有必要提高路由算法的高效性和可擴(kuò)展性。目前一些國內(nèi)外期刊和論文針對AODV路由算法提出了一些改進(jìn)路由算法，如：ZiCL(ZigBee Cluster Label)算法、MACAODV算法、EAODV算法、QAODVl361算法等2。 就目前而言，Zigbee主要廣泛應(yīng)用于傳感器、玩具

26、等方面，也大量在軍事和環(huán)境監(jiān)控以及醫(yī)療監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域使用。隨著Zigbee功能的強(qiáng)大和開發(fā)的完善，它本身的特性決定它將是未來將大量使用于小至居民家庭大至軍事和航天事業(yè)方面。2ZigBee協(xié)議簡介2.1ZigBee的概述ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),其突出優(yōu)點(diǎn)是工作頻段靈活,低復(fù)雜度，低數(shù)據(jù)速率,低成本,高可靠性,具有自組網(wǎng)和自恢復(fù)能力等。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)成單位,主要負(fù)責(zé)對周圍信息的采集和處理,并發(fā)送自己采集的數(shù)據(jù)給相鄰節(jié)點(diǎn)或?qū)⑾噜徆?jié)點(diǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)或更靠近協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通常由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊

27、構(gòu)成。但早些設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)的處理器模塊多數(shù)采用TI第一代產(chǎn)品如CC2430,CC2420等,存在無線通訊距離短,通訊可靠性不能保證等缺點(diǎn),一般傳輸距離都在100M內(nèi),有的不到50M。本文采用TI公司最新的第二代片上系統(tǒng)CC2530，比以前產(chǎn)品有更卓越的RF性能,可編程的256KB 閃存,更小的封裝尺寸和IR 產(chǎn)生電路,支持多種協(xié)議如igBee PRO、ZigBee RF4CE 等;所設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)在視野好的空曠室外傳輸距離可達(dá)400M 以上。ZigBee協(xié)議是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的，由IEEE 802.15.4和ZigBee聯(lián)盟共同制定。IEEE 802.15.4工作組制定Z

28、igBee協(xié)議的物理層（PHY）和媒體訪問控制層（ MAC層）協(xié)議。4ZigBee聯(lián)盟成立用于2002年，定義了ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）和安全服務(wù)規(guī)范。協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖2-1。圖2-1協(xié)議棧結(jié)構(gòu)2.1.1物理層物理層定義了物理無線信道和與MAC層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)是從無線信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務(wù)維護(hù)一個(gè)與物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。(1) 無線信道的分配IEEE 802.15.4規(guī)范的物理層定義了三個(gè)載波頻段用于收發(fā)數(shù)據(jù)：868MHz（歐洲）、915北美）和2400 MHz（全球范圍）。在這三個(gè)頻段上發(fā)送數(shù)據(jù)使用的速率

29、信號處理過程以及調(diào)制方式等方面存在一定差異，其中2400 MHZ頻段的數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kbit/s。915 MHz、868 MHZ分別為40 kbit/s和20 kbit/s。IEEE 802.15.4規(guī)范定義了27個(gè)物理通道，新到編號從0至26，每個(gè)具體的信道對應(yīng)著一個(gè)中心頻率，覆蓋了以上的3個(gè)不同的頻段。不同的頻段所對應(yīng)的寬度不同。868 MHz頻段定義了1個(gè)信道（0號信道）；915 MHz定義了10個(gè)信道（110號信道）2400 MHz定義了16個(gè)信道（1126信道）5。這些信道的中心頻率定義如下：Fc =8683MHz，k=0；（2-1）Fc=906MHz+2(k-1)MHz，k

30、=l，2，10； （2-2）Fc=2405MHz+5(k-11)MHz，k=1l，12，26。 （2-3）(2) 物理層主要功能物理層功能相對簡單，主要用于硬件驅(qū)動程序的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)距傳輸和物理信道的管理。其模型如圖2-2所示。圖2-2PHY模型其中，RF-SAP是有驅(qū)動程序提供的接口，PD-SAP是PHY層提供給MAC層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口，PLAME-SAP是PHY層給MAC層提供的管理服務(wù)接口。 物理層主要完成：激活/休眠無線收發(fā)設(shè)備，對當(dāng)前頻道進(jìn)行能量檢測，鏈接質(zhì)量指示，為載波檢測多址與碰撞避免（CSMACA）進(jìn)行空閑頻道評估，頻道選擇，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等。在PHY層有關(guān)函數(shù)中，傳輸能量

31、（POWER），傳輸中心頻率的兼容性及頻率穩(wěn)定度(標(biāo)識了無線解碼器工作頻率的穩(wěn)定程度)，接收器之感度，接收信號強(qiáng)度指示的測量時(shí)較為重要的參數(shù)。(3) IEEE 802.15.4的調(diào)制方式圖2-3描述了2.4 GHz物理層調(diào)制及擴(kuò)頻功能模塊。圖2-3 2.4G調(diào)制和擴(kuò)展模塊2.4G物理層將數(shù)據(jù)每字節(jié)的低四位和高四位分別映射組成數(shù)據(jù)符號，每個(gè)數(shù)據(jù)符號又被映射成32位偽隨機(jī)噪聲數(shù)據(jù)碼片。數(shù)據(jù)碼片采用半正弦脈沖波形的偏移正交四相相移鍵控技術(shù)（O-QPSK）調(diào)制。每片的形狀如同半個(gè)正弦波，交替在同相(I)信道和正交相位(Q)信道傳送。每個(gè)信道占用半個(gè)片碼偏移周期。(4) PPDU格式PPDU 報(bào)文數(shù)據(jù)是

32、用于數(shù)據(jù)流同步的同步頭、含有幀長度信息的物理層報(bào)頭以及承載有MAC幀數(shù)據(jù)的凈荷組成。具體結(jié)構(gòu)如表2-1所示。表2-1PPDU格式字 節(jié)11可變前同步碼（preamble）幀定界符（SFD）幀長度(7 bit)保留(1 bit)物理層數(shù)據(jù)(PSDU)同步頭(SHR)物理層報(bào)頭(PHR)物理層凈荷(PHY payload)同步報(bào)頭由前同步碼和幀定界符組成，用于獲取符號同步、擴(kuò)頻碼同步和幀同步。物理層報(bào)頭指示凈荷部分的長度，凈荷部分含有MAC層數(shù)據(jù)包，最大長度是127字節(jié)。當(dāng)數(shù)據(jù)包的長度類型為5字節(jié)或大于8字節(jié)時(shí)，那么物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元（PSDU）就會攜帶著MAC層的幀信息（即MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元）

33、。2.1.2MAC層MAC層提供兩種服務(wù)：MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和MAC層管理服務(wù)。前者保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中的正確收發(fā)，而后者從事MAC層的管理活動，并維護(hù)一個(gè)信息數(shù)據(jù)庫。 MAC層的主要功能包括如下7個(gè)方面：（1）網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者產(chǎn)生并發(fā)送信標(biāo)幀；（2）設(shè)備與信標(biāo)同步；（3）支持RAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)操作； （4）為設(shè)備的安全性提供支持； （5）信道接入方式采用免沖突載波檢測多路訪問機(jī)制（CSMA-CA）； （6）處理和維護(hù)保護(hù)時(shí)隙機(jī)制（GTS）； （7）在兩個(gè)對等的MAC實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的通信鏈路。圖2-4MAC模型和物理層類似，MAC層也包括一個(gè)管理實(shí)體（MLME），MA

34、C層管理實(shí)體提供可以喚醒MAC層管理服務(wù)的服務(wù)接口（MLME-SAP），同時(shí)也維護(hù)一個(gè)與MAC層相關(guān)的管理對象數(shù)據(jù)庫（MIB）。(1) 超幀結(jié)構(gòu)在IEEE 802.15.4協(xié)議中，通過基于競爭的信道接入方式，提高了信道的利用率，增大了網(wǎng)絡(luò)效能，而固定時(shí)隙的分配，滿足了有特殊需求和一些重要的數(shù)據(jù)傳送。周期性進(jìn)入休眠期關(guān)閉信道接入，則節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)的能耗。超幀結(jié)構(gòu)中同時(shí)包含了三種不同的信道接入周期，從而多樣化信道的接入方式同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性。在超幀零時(shí)隙中定義了一個(gè)信標(biāo)幀（beacon），beacon除了信標(biāo)的意思外，還能理解為燈塔。正如字面意思所述，信標(biāo)幀在整個(gè)超幀結(jié)構(gòu)中的地位就好比燈塔的導(dǎo)航作

35、用一樣，不僅界定了超幀的起始以用來設(shè)定固定分配時(shí)隙周期的有無以及其長度，換言之，信標(biāo)幀決定了超幀的構(gòu)架。如果不存在信道固定分配周期的話，所有的數(shù)據(jù)傳送將完全通過CSMA/CA競爭機(jī)制來接入信道6。(2) 數(shù)據(jù)傳輸模式LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中存在著三種數(shù)據(jù)傳輸方式：數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器、數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)器發(fā)出、對等數(shù)據(jù)傳送。星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中只存在前兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，因?yàn)閿?shù)據(jù)只在協(xié)調(diào)器和設(shè)備之間交換；而在點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中，三種數(shù)據(jù)傳輸方式都存在。 數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器在信標(biāo)和非信標(biāo)模式下，主要區(qū)別是器件是否先要從協(xié)調(diào)器獲得信標(biāo)，接著利用帶時(shí)槽的CSMA/CA來傳送資料。如圖2-5。圖2-5數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器 數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)

36、器傳出 在信標(biāo)使能方式中，協(xié)調(diào)器會利用信標(biāo)中的字段來告知有資料要傳送。而網(wǎng)絡(luò)終端則會周期性的監(jiān)聽信標(biāo)，如果自己是協(xié)調(diào)器傳送對象，則該器件利用開槽CSMA/CA將MAC命令請求控制信息傳給協(xié)調(diào)器。在非信標(biāo)使能方式中，終端器件利用無槽CSMA/CA將MAC命令請求控制信息給協(xié)調(diào)器，若協(xié)調(diào)器有數(shù)據(jù)要傳送，也是利用無槽CSMA/CA方式將資料傳出。流程圖如下圖2-6。圖2-6數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)器傳出 對等數(shù)據(jù)傳送在對等的PAN中，任一器件可同其射頻范圍內(nèi)的其它器件通信。預(yù)通信的器件只有定時(shí)接收和彼此完全同步兩種狀態(tài)。(3) MAC層幀結(jié)構(gòu)MAC層幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是用最簡單方法實(shí)現(xiàn)在多噪聲無線信道環(huán)境下的可靠數(shù)

37、據(jù)傳輸。每個(gè)MAC子層的幀都由幀頭、負(fù)載和幀尾三部分組成。幀頭由幀控制信息、幀序列號和地址信息組成。幀尾是幀頭和負(fù)載數(shù)據(jù)的16位CRC校驗(yàn)序列。MAC子層負(fù)載具有可變長度，具體內(nèi)容由幀類型決定7。表2-2MAC幀的通用格式字節(jié)210/21/2/80/20/2/82幀控制序列號目的PAN標(biāo)識符目的地址源PAN標(biāo)志符源地址幀校驗(yàn)地址幀MAC幀頭MAC幀尾IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)共定義了四種類型的幀：信標(biāo)幀，數(shù)據(jù)幀，確認(rèn)幀和MAC命令幀。信標(biāo)幀信標(biāo)幀的負(fù)載數(shù)據(jù)單元由四部分組成：超幀描述字段、GTS分配字段、待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)目標(biāo)地址字段和信標(biāo)幀負(fù)載數(shù)據(jù)。在信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器通過向網(wǎng)絡(luò)中的所有從設(shè)備發(fā)送

38、信標(biāo)幀，以保證這些設(shè)備能夠同協(xié)調(diào)器進(jìn)行同步，從而保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的成本維持在最低水平。 數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀用來傳輸上層發(fā)到MAC層的數(shù)據(jù)，它的負(fù)載字段包含上層需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)負(fù)載傳到MAC層時(shí)，被稱為MSDU。MAC幀傳送至物理層后，就成為了物理幀的負(fù)載PSDU。確認(rèn)幀如果設(shè)備收到目的地址為其自身的數(shù)據(jù)幀或MAC命令幀，并且?guī)目刂菩畔⒆侄蔚拇_認(rèn)請求位被置1，設(shè)備需要回應(yīng)一個(gè)確認(rèn)幀。確認(rèn)幀的序列號應(yīng)該與被確認(rèn)幀的序列號相同，并且負(fù)載長度應(yīng)該為零。命令幀MAC命令幀只是在格式上和其他類型的幀的幀控制字段的幀類型位有所不同。幀頭的幀控制字段的幀類型為011B就表示這是一個(gè)命令幀。命令幀的具體功能由幀的負(fù)

39、載數(shù)據(jù)表示。負(fù)載數(shù)據(jù)是一個(gè)變長結(jié)構(gòu)，所有命令幀負(fù)載的第一個(gè)字節(jié)是命令類型字節(jié)，后面的數(shù)據(jù)針對不同的命令類型有不同的含義。命令幀主要完成三方面的功能：把設(shè)備關(guān)聯(lián)到PAN網(wǎng)絡(luò)，與協(xié)調(diào)器交換數(shù)據(jù)，分配GTS，可以用于組建PAN網(wǎng)絡(luò)，傳輸同步數(shù)據(jù)等。2.1.3網(wǎng)絡(luò)層（NWK）主要功能：NWK層提供網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址分配，組網(wǎng)管理，消息路由，路徑發(fā)現(xiàn)及維護(hù)等功能。NWK層主要是為了確保正確地操作IEEE 802.15.42003MAC子層和為應(yīng)用層提供服務(wù)接口。NWK層從概念上包括兩個(gè)服務(wù)實(shí)體：數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體和管理服務(wù)實(shí)體。 網(wǎng)絡(luò)層的功能有以下幾個(gè)方面： NWK層的責(zé)任主要包括加入和離開一個(gè)網(wǎng)絡(luò)用到的機(jī)制、應(yīng)用

40、幀安全機(jī)制和他們的目的地路由幀機(jī)制；ZigBee協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)層還負(fù)責(zé)建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)； 網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)； 網(wǎng)絡(luò)形成；允許設(shè)備連接；斷開網(wǎng)絡(luò)連接；接收機(jī)同步； 信息庫維護(hù)。2.1.4應(yīng)用層（APL層） ZigBee應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層(APS子層)、應(yīng)用框架(AF)和ZigBee設(shè)備對象(ZDO)。APS子層負(fù)責(zé)建立和維護(hù)綁定表，綁定表主要根據(jù)設(shè)備之間的服務(wù)和他們的需求使設(shè)備相互配對。ZigBee的應(yīng)用框架(AF)為各個(gè)用戶自定義的應(yīng)用對象提供了模板式的活動空間，并提供了鍵值對(KVP)服務(wù)和報(bào)文(MSG)服務(wù)供應(yīng)用對象的數(shù)據(jù)傳輸使用。一個(gè)設(shè)備允許最多240個(gè)用戶自定義應(yīng)用對象，分別指定在端點(diǎn)l至端

41、點(diǎn)240上。ZDO6可以看成是指配到端點(diǎn)O上的一個(gè)特殊的應(yīng)用對象，被所有ZigBee設(shè)備包含，是所有用戶自定義的應(yīng)用對象調(diào)用的一個(gè)功能集，包括網(wǎng)絡(luò)角色管理，綁定管理，安全管理等。 ZDO負(fù)責(zé)定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色(例如是ZigBee協(xié)調(diào)器或者ZigBee終端設(shè)備)、發(fā)現(xiàn)設(shè)備和決定他們提供哪種應(yīng)用服務(wù)，發(fā)現(xiàn)或響應(yīng)綁定請求，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立可靠的關(guān)聯(lián)。2.1.5安全服務(wù)提供層（SSP層） 安全服務(wù)提供者SSP(Security Service Provider)向NWK層和APS層提供安全服務(wù)。ZigBee協(xié)議層與層之間是通過原語進(jìn)行信息的交換和應(yīng)答的。大多數(shù)層都向上層提供數(shù)據(jù)和管理兩種服務(wù)接口

42、，數(shù)據(jù)SAP(Service Access Point)和管理SAP(Service Access Point)。數(shù)據(jù)服務(wù)接口的目標(biāo)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)，管理服務(wù)接口的目標(biāo)是向上層提供訪問內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機(jī)制。2.2ZigBee的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)ZigBee網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)主要包括設(shè)備類型，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由方式三方面的內(nèi)容，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器(Router)和終端節(jié)點(diǎn)（End Device）。節(jié)點(diǎn)類型是網(wǎng)絡(luò)層的概念，反映了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫问?。ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有三種拓?fù)湫问剑盒切屯負(fù)?、樹型拓?fù)?、網(wǎng)狀拓?fù)?。2.2.1網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主

43、要包括協(xié)調(diào)器（Coordinator），路由器（Router），終端節(jié)點(diǎn)（End Device）三部分。（1）協(xié)調(diào)器在各種拓?fù)湫问降腪igBee的網(wǎng)絡(luò)中，有且只有一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，他負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)所使用的頻率通道、建立網(wǎng)絡(luò)并在其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)、提供信息路由、安全管理和其他服務(wù)。 （2）路由器當(dāng)采用樹型和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，需要用到路由器節(jié)點(diǎn)，它可以加入?yún)f(xié)議。是網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離延伸的必要部分。它負(fù)責(zé)發(fā)送和接受節(jié)點(diǎn)自身信息；節(jié)點(diǎn)自身會轉(zhuǎn)發(fā)信息，允許子節(jié)點(diǎn)通過它加入網(wǎng)絡(luò)。（3）終端節(jié)點(diǎn)終端節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)就是發(fā)送和接受信息，通常一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)不處在數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)時(shí)可進(jìn)入休眠狀態(tài)以降低能源消耗。2.2.2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问絑igb

44、ee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中定義了三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?，分別為星形拓?fù)洹湫瓮負(fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)?，如圖2-7所示。圖2-7三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问叫切尉W(wǎng)絡(luò)是三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中最簡單的，因?yàn)樾切尉W(wǎng)絡(luò)沒用到Zigbee協(xié)議棧，只要用802154的層就可以實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器和一系列的路由器和終端設(shè)備構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸都要通過協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)。節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)路由只有唯一的一個(gè)路徑，沒有可選擇的路徑，假如發(fā)生鏈路中斷時(shí)，那么發(fā)生鏈路中斷的節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信也將中斷，此外協(xié)調(diào)器很可能成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。在樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都只能和他的父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)之間通信，也就是說，當(dāng)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，信息將沿著樹的路徑向上傳遞

45、到最近的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)然后再向下傳遞到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。這這種拓?fù)浞绞降娜秉c(diǎn)就是信息只有唯一的路由通道，信息的路由過程完成是由網(wǎng)絡(luò)層處理，對于應(yīng)用層是完全透明的。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)除了允許父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)之間的通信，也允許通信范圍之內(nèi)具有路由能力的父子關(guān)系的鄰居節(jié)點(diǎn)之問進(jìn)行通信，它是樹形網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，與樹形網(wǎng)絡(luò)不同的是，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的、按接力方式傳輸?shù)狞c(diǎn)對點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其路由可自動建立和維護(hù)，并且具有強(qiáng)大的自組織、自愈功能，網(wǎng)絡(luò)可以通過“多級跳”的方式來通信，可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，具有很大的路由深度和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是減少了消息延時(shí)，增強(qiáng)了可靠性，缺點(diǎn)是需要更多的存儲空間的開銷。2.3Zig

46、Bee的工作模式ZigBee網(wǎng)絡(luò)的工作模式可以分為信標(biāo)(Beacon)模式和非信標(biāo)(Non-beacon)模式兩種。信標(biāo)模式可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的同步工作和同步休眠，以達(dá)到最大限度地節(jié)省功耗，而非信標(biāo)模式只允許ZE進(jìn)行周期性休眠，協(xié)調(diào)器和所有路由器設(shè)備長期處于工作狀態(tài)。 在信標(biāo)模式下，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)以一定的間隔時(shí)間(一般在15ms到4mins之間)向網(wǎng)絡(luò)廣播信標(biāo)幀，兩個(gè)信標(biāo)幀發(fā)送間隔之間有16個(gè)相同的時(shí)槽，這些時(shí)槽分為網(wǎng)絡(luò)休眠區(qū)和網(wǎng)絡(luò)活動區(qū)兩個(gè)部分，消息只能在網(wǎng)絡(luò)活動區(qū)的各個(gè)時(shí)槽內(nèi)發(fā)送。 非信標(biāo)模式下，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)采用父節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)，終端節(jié)點(diǎn)主動向其父節(jié)點(diǎn)提取數(shù)據(jù)的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)

47、的周期性(周期可設(shè)置)休眠。網(wǎng)絡(luò)中所有的父節(jié)點(diǎn)需要為自己的子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)幀，所有子節(jié)點(diǎn)的大多數(shù)時(shí)間都處于休眠狀態(tài)，周期性的醒來與父節(jié)點(diǎn)握手以確認(rèn)自己仍處于網(wǎng)絡(luò)中，并向 父節(jié)點(diǎn)提取數(shù)據(jù)，其從休眠模式轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)傳輸模式一般只需要15ms。3核心板介紹3.1CC2530核心板功能特點(diǎn)： 高性能、低功耗的8051微控制器內(nèi)核；適應(yīng)2.4GHz IEEE 802.15.4的RF收發(fā)器；開放頻段，工作頻段為2.4GHz；16個(gè)傳輸信道，根據(jù)環(huán)境進(jìn)行切換可靠通信信道； 無線傳輸速率達(dá)250kbps；具有8路輸入 814位ADC；使用2.4G全向天線，可靠傳輸距離達(dá)250米。自動重連距離高達(dá)110米。 3.1.

48、1CC2530介紹CC2530是德州儀器(TI)推出的完整的用于2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee RF4CE/ZigBee和能源應(yīng)用的第二代片上系統(tǒng)解決方案，擁有龐大的快閃記憶體，多達(dá)256個(gè)字節(jié)，是理想ZigBee專業(yè)應(yīng)用。它結(jié)合了高性能的2.4GHz DSSS (直接序列擴(kuò)頻) 射頻收發(fā)器和一個(gè)高性能低功耗的8051微控制器,適合用于搭建功能健全價(jià)格低廉的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，支持新RemoTI的ZigBee RF4CE ，這是業(yè)界首款符合ZigBee RF4CE兼容的協(xié)議棧，并且擁有更大內(nèi)存將允許芯片無線下載，支持系統(tǒng)編程。CC2530在單個(gè)芯片上集成了IEEE802.1

49、5.4 標(biāo)準(zhǔn)2.4GHz頻段的RF 無線電收發(fā)機(jī),具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和抗干擾性。CC2530的睡眠模式和其與工作模式超短的激活轉(zhuǎn)換時(shí)間，使得其RF模塊成為針對超長電池使用壽命應(yīng)用的理想解決方案。CC2530可用于Zigbee協(xié)調(diào)器、路由器及終端設(shè)備，所以也是本文設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)的最理想載體。在結(jié)合了T1/Chipcon業(yè)界領(lǐng)先的Zigbee協(xié)議棧之后，CC2530被認(rèn)為是市面上最具競爭力的Zigbee解決方案。3.1.2CC2530引腳描述CC2530采用40腳QFN封裝，其引腳圖如圖3-1所示：圖3-1CC2530引腳描述表3-1CC2530部分引腳描述名稱序號特性描述DCOUPL40Po

50、wer(D)1.8V數(shù)字電源去耦，不使用外部電源供電DVDD139Power(D)連接2-3.6V 數(shù)字電壓源DVDD210Power(D)連接2-3.6V 數(shù)字電壓源GND41Ground連接接地面P0_019數(shù)字I/O端口0.0(ADC0)P0_118數(shù)字I/O端口0.1(ADC1)P0_712數(shù)字I/O端口0.7(ADC7)P1_011數(shù)字I/O端口1.0(具有20mA驅(qū)動能力/T1-2)P1_737數(shù)字I/O端口1.7(SPI1-MI/UART1-RX/T3-1)P2_036數(shù)字I/O端口2.0(T4-0)P2_234數(shù)字I/O端口2.2(DC)3.2普通底板功能特點(diǎn)： 供電方式：標(biāo)準(zhǔn)

51、USB、DC2.1電源座（5V）； 功能接口： Debug接口，兼容TI標(biāo)準(zhǔn)仿真工具，引出所有IO口，常用的串口引腳以及5V/3.3V引腳；功能按鍵：1個(gè)復(fù)位，1個(gè)普通按鍵；LED指示燈：電源指示燈、組網(wǎng)指示燈；模塊支持：支持 CC2530核心板,CC2530+PA（CC2591）核心板。3.3仿真器功能特點(diǎn)： 標(biāo)準(zhǔn)USB接口，直接使用；支持IAR在線調(diào)試下載和SmartRF STUDIO7packet sniffer協(xié)議分析功能；支持TI zigbee系列芯片，如：CC111x/CC243x/CC253x/CC251x。3.4溫度傳感器介紹DS18B20 是美國DALLAS 半導(dǎo)體公司推出的

52、第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易配微處理器等優(yōu)點(diǎn)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供處理器處理。3.4.1DS18B20溫度傳感器特性適應(yīng)電壓范圍寬，電壓范圍在3.0-5.5V，再寄生電源方式下可有數(shù)據(jù)線供電。獨(dú)特的單線接口方式，它與微處理器連接時(shí)僅需一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器DS18B20 的雙向通信。支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測溫。在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感器元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。測溫范圍-55-+125，在-10-+85時(shí)精度為+0.5?？删幊谭直媛蕿?-

53、12 位，對應(yīng)的可分辨率溫度為0.5,0.25,0.125和0.0625，可實(shí)現(xiàn)高精度測溫6。在9 位分辨率時(shí)，最多在93.75ms 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字；12 位分辨率時(shí)，最多在750ms 內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，顯然速度更快。測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳給CPU，同時(shí)可傳送CRC 校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯能力。負(fù)壓特性。電源極性接反時(shí)，芯片不會因?yàn)榘l(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。3.4.2DS18B20管腳介紹DS18B20有兩種封裝：三腳TO-92 直插式和八腳SOIC 貼片式，封裝引腳見圖3-2所示。表3-2列出了引腳定義。圖 3-2DS18B20 引腳封裝圖表3-2

54、DS18B20 引腳定義引腳定義GND電源負(fù)極DQ信號輸入輸出VDD電源正極NC空4開發(fā)環(huán)境快速建立記得以前我們學(xué)習(xí)51單片機(jī)的時(shí)候相信用得最多的是KEIL了，類似，這里我們使用IAR 7.60A，IAR 開發(fā)最大優(yōu)勢就是能夠直接使用TI公司提供的協(xié)議棧 Z-Stack 進(jìn)行開發(fā)，我們只需要調(diào)用API接口函數(shù)。這里我們選用ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0 （Zigbee 2007） ，網(wǎng)上也有用Zstack-CC2530-2.3.1-1.4.0等其他高版本的，基本相差無幾，但是目前2.3.0的通用性較高。這里要注意了，IAR 和Z-Stack的高低版本是互不兼容的10，所以我

55、們兩個(gè)東西的版本安裝選取一定要配合好。經(jīng)過測試，IAR 7.60A和 Zstack-CC2530-2.3.0-1.4.0 配合使用時(shí)從安裝到開發(fā)都很友好。4.1相關(guān)軟件和驅(qū)動安裝 安裝IAR 7.60A方法：打開安裝文件，選擇IAR安裝，官方推薦默認(rèn)安裝在系統(tǒng)盤。如下圖4-1所示。圖4-1安裝截面圖提示要求輸入License，由IAR 7.60注冊機(jī)生成，如圖4-2所示，選項(xiàng)正確后生成License,復(fù)制到License#處。圖4-2IAR生成圖輸入注冊碼后按提示一步步進(jìn)行安裝，直至完成程序安裝，安裝完成軟件界面如圖4-3：圖4-3完成安裝界面圖圖4-4IAR程序運(yùn)行界面運(yùn)行程序后，打開所要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的工程文件，再點(diǎn)擊Project欄下的Make進(jìn)行程序編譯，編譯成功后再點(diǎn)擊Project欄下的Download and Debug進(jìn)行下載。下載完畢后再運(yùn)行程序就可以了。4.2TI協(xié)議棧的安裝Z-stack的安裝比較簡單，同樣安裝在默認(rèn)路徑。圖4-5安裝過程4.3仿真