基于ZigBee技术的传感器无线信息采集 - 图文

基于ZigBee技术的传感器无线信息采集

1.3 论文的主要工作

第1章绪论。介绍了课题研究的基本背景，概述国内外ZigBee技术的发展状况，阐述了探究方法。

第2章ZigBee技术。简要介绍了ZigBee技术的原理特点，组网方式及系统体系结构，介绍了各层的主要任务和功能。

第3章ZigBee网络层规范。对ZigBee网络层进行着重研究，包括其拓扑结构、服务规范以及帧格式，并介绍了常用路由算法。

第4章软件部分设计。介绍了软件开发环境，在了解ZigBee协议栈的基础上，完成温湿度采集、无线对节点的控制实验的软件设计。并完成了部分重要代码的书写。

第5章硬件部分。通过查询常见传感器的硬件接口电路，对温湿度传感器信息采集传输和串口无线控制节点LED亮灭实验硬件部分进行设计。

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第2章 ZigBee技术

2.1 ZigBee技术简介

ZigBee通信标准的设计基于IEEE 802.15.4协议。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是利用飞行中“嗡嗡”（Zig）振动翅膀的“舞蹈”与同伴分享花粉的位置，一群蜜蜂通过这样的“一对多”形式的通信方式组成了最简单的通信网络。这种肢体语言便是zigzag舞蹈，作为新一代无线通讯技术ZigBee借此命名。因为属于无线通信领域，ZigBee技术标准规定了三个使用频率2.4GHz（全球）、868MHz（欧洲）、915MHz（美国），传输速率分别对应于 250kbit／s，20 kbit／s，40 kbit／s。

与CDMA和GSM网络相似的是，ZigBee模块在网络中的角色相当于蜂窝网络的基站，与移动网络不同的是，ZigBee网络主要应用是工业领域完成数据传输和采集以达到实时监测控制的目的，例如利用ZigBee节点所连接的湿度传感器，可以实现对区域内各个点的湿度采集。每个ZigBee节点亦可在自身射频覆盖范围内与多个孤立子节点进行无线连接，这些节点不承担网络信息中转任务[3]。

2.2 ZigBee的技术特点

目前，较为常用的无线通信技术主要有红外数据通信（IrDA）、蓝牙（Bluetooth）、无线局域网Wi-Fi、超宽带（UWB），主要性能指标见表2.1。

表2.1 常用无线通信技术参数

通信种类 ZigBee IrDA Bluetooth Wi-Fi UWB

频段 2.4GHz —— 2.4GHz 2.4GHz 3.1GHz-10.6GHz

距离 10-75m 1m 1-10m 1-100m 10m

速率 10-250kbps 1-4Mbps 1Mbps 10Mbps 1Gbps

功耗 低 中 高 高 低

节点 255 2 7 32 100+

优点

低沉本、可靠性高、低功耗

短距离、低成本 短距离、易操作 便携性、高速、适应性强

分辨率高

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由于ZigBee具备自身完善的通讯标准，其被认为是最有可能应用在智能家居、传感网络、安全系统等领域之中。ZigBee技术的主要特点：

(1) 功耗低：由于其传输速率低，发射功率仅仅为1mV，并且采用了休眠技术，这是其他无线设备所不能匹及的。

(2) 传输速率低：介于10Kbps~250Kbps之间，相比其他无线通信技术速率极低。

(3) 成本低：由于协议的大幅度简化，减少了对网络中心控制单位的依赖，并且ZigBee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元。

(4) 网络容量大：ZigBee可采用星状、点对点型拓扑方式，一个协调器可以在其覆盖的通信范围内管理至多不超过254个子节点；网状结构中，节点可有父辈节点进行管理，进而组成一个六万五千节点的大网。

(5) 时延短：ZigBee有着极快的响应速度，正常情况下从休眠状态被唤醒进入工作状态间隔15ms，节点30ms即可完成入网过程，很大程度上节约了电能。作为比较，平均蓝牙用时3～10s、WiFi用时 3 s。

(6) 安全：ZigBee具有三级安全模型，分别为没有安全设置、访问控制列表（ACL）的使用来防止数据和使用高级加密标准（AES128）的对称密码，从而确定安全性能的灵活性。

(7) 自组网：ZigBee组网方式灵活，网络结构发生变化时，能构建新的网络拓扑结构。

2.3 ZigBee组网通信方式

ZigBee采用一种自组网方式，犹如一队伞兵队员在降落之前每个人配备一个ZigBee的节点模块，降落到地面上之后，彼此之间尚在网络通讯模块的通信范围之内，每个人的节点模块就会通过固定协议发送搜索信号自动寻找，短时间内就可以组成一个互相联通的ZigBee网络，整个网路不是固定不变的，由于人员的流动，节点信息会随着节点间连接信息的变化不断更新，变化的节点开始寻找新的网络连接，形成一个新的网络，完成了对旧网络的刷新。这就是自组织网。

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节点间的通道并不是一成不变的，也不仅仅只有一条，实际上在应用中，并不能保证每条线路都能够畅通无阻，就像城市的街道一样，会因为突发车祸、道路临时维修情况导致这条道路的交通出现暂时拥堵甚至中断，然而通往目的地的道路不只有一条，车辆（传输数据单元）可以迅速查找可替代的道路到达终点。这一点在工业现场控制中尤为重要。

自组网所使用的动态路由的指的是数据传输的路径并不是在数据单元发送之前就事先设定一成不变的，而是数据单元传输之前，节点路由会对查询路由表，通过对网络状况的连接状况进行搜索，综合分析各个节点距离的远近，最终选择一条最佳路径完成数据的传输。使用管理软件，通过“梯度法”的路径选择，并优先向最近的路径来完成数据的传输，如果发送失败，然后选择较近距离路径传输，以此类推，直到数据被送达到目的地址[4]。在实际应用中，预先设定的传输路径并不是一成不变的，往往会因为各种原因导致路径中断，或者通道过于拥堵导致数据无法传送的情况时有发生。一个很好地解决方法就是采用动态路由方式与网络拓扑结构相互结合互补的通信方式，进而保证数据的可靠传输。

2.4 ZigBee协议的体系结构

在ZigBee的体系结构中，各模块构成称为层，即采用分层结构。模型的最下面的两层，即物理层(PHY) 和媒体介质访问层(MAC)，是基于IEEE 802.15.4标准定义的[5]。协议的网络层(NWK)、应用层(APL)架构ZigBee联盟则是由定义，APL包括应用支持子层(APS)和ZigBee设备对象(ZDO)。应用框架中增加了用户自定义的应用对象[6]。图2.1所示为ZigBee协议的体系结构。

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