57/64基于ZigBee技術的家居環境監測系統的設計與實現摘要：環境是人們賴以生存的必要條件，隨著現代化信息技術的迅猛進展和提高，人們對自己的生活環境有了更高的要求，希望自己的生活環境健康、舒適。近些年，特不是人類在信息技術上的快速進展，使得各種無線通信技術有了前所未有的突破，無線技術在智能家居上的應用將越來越廣泛。因此，本文利用ZigBee技術設計出了這種無線家居環境監測系統。該系統中，傳感器節點（即終端節點）能夠選擇溫度、濕度、亮度等傳感器，同時能夠依照需求添加或減少傳感器節點。因此本文無線網絡終端模塊選用的CC2530芯片為平臺，以實現信息數據的接收與發送。此芯片內置8051內核的單片機內核，并有一定的內存空間，故只要加上些少許外圍電路就能夠實現功能，無需再加單片機。在數據接收端（即協調器節點）收到的數據處理傳送到PC機上顯示。為了讓用戶方便監測數據，本文在PC機上設計了顯示界面，讓人們更加方便操作及監測數據。本系統運行可靠，能正確獵取環境數據，實現實時監測。關鍵詞：ZigBee;無線傳感器網絡;環境監測;智能家居Design

and

Realization

of

Household

Environment

Monitoring

System

Based

on

ZigBee

TechnologyAbstract：Environmentisanecessaryconditionforsurvival.Withtherapiddevelopmentandimprovementofmoderninformationtechnology,peoplehavehigherrequirementsfortheirlivingenvironment.Theyhopetheylivehealthilyandcomfortably.Duringrecentyears,especiallythequickdevelopmentofinformationtechnologywhichenablesallkindsofwirelesscommunicationtechnologytoimproveunprecedentedly.So,thethesisutilizesZigBeetechnologytoexploitanddesignthewirelesshomeenvironmentalmonitoringsystem.Inthesystem,thesensornode(aswellasterminalnode)canchoosetemperature,humidity,brightnessetc.Therefore,thewirelessnetworkterminalmoduleofthethesischoosetheCC2530chipastheplatformforrealizingreceivingandsendingoftheinformationdata.Thechiphasasinglechipwith8051coreandhascertainmemoryspace.Thus,itcanrealizeitsfunctionbyaddingalittleperipheralcircuitwithoutextrasinglechip.Thereceiveddataprocessinginthedatareceivingterminal(thatiscoordinatornode)sendtoPCforpeople’sreal-timemonitoring.ThethesisdesignedthedisplayinterfaceinPCforpeople’soperationanddatamonitoringconveniently.Thesystemworksreliablywhichcanobtaincorrectenvironmentaldataandrealizerealtimemonitoring.Keywords：ZigBee;Wirelesssensornetworks;environmentalmonitoring;smarthome目錄TOC\o"1-3"\u前言 1第1章緒論 21.1本文的研究背景 21.2智能家居環境監測系統的特點 21.3本文要緊研究內容 31.4開發工具及開發環境的介紹 31.4.1系統軟件開發環境介紹 41.4.2上位機軟件開發環境介紹 5第2章ZigBee技術的概述 72.1ZigBee技術的概念 72.2ZigBee技術的特點 82.3ZigBee網絡設備組成和網絡結構 82.4ZigBee的協議分析 102.4.1網絡層（NWK） 102.4.2應用層（APP） 112.5本章小結 12第3章系統的總體設計 133.1系統結構 133.2系統功能定義 133.3系統設計要求 153.4本章小結 15第4章系統的硬件設計 164.1ZigBee硬件選型 164.2節點硬件設計 184.3本章小結 21第5章系統的軟件設計及實現 225.1軟件部分總體介紹 225.1.1軟件設計整體流程 225.1.2協調器的自動組網流程 225.2協調器節點軟件實現 255.3傳感器節點軟件設計 275.4本章小結 28第6章上位機軟件實現及測試 296.1上位機軟件實現 296.2軟件測試 306.3本章小結 32結束語 33參考文獻 34致謝 35前言自人類誕生以來，人們一直都在努力改善和提高著自己的生活和居住條件。隨著工業革命和信息技術革命的成功，進入21世紀后，人類的各種技術包括通信技術、計算機網絡、操縱理論、互聯網等都有了專門大的進展，另外，經濟的進展也使我們都希望居住在一個舒適的家居環境中，只有如此我們的生活才會更好，軀體才會健康。由于人們又了這種方法，由此智能家居(SmartHome)[1]系統也就越來越多的被人們所重視了。研究人員希望能通過這種新的技術將家居中各種智能化的設備、家用電器和家庭安防設備等整合一個智能化的系統上進行資源共享、分析、操縱和治理這些設備，操縱這些設備來對家居中的環境參數符合人們舒適居住使用的要求，營造一個良好的環境[2]，從而可使用戶能夠居住在一個更高要求的環境中。本文研究設計了一種智能家居環境監測子系統，實現對家庭環境的實時監測，實時為用戶提供可靠同時全面的環境信息。智能家居系統中一個特不重要的部分確實是本文所研究的環境監測子系統。在那個系統中，人們能夠獲得實時的居住環境信息，如溫度和濕度、各種有害氣體的濃度、光照強度、火災信息等。同時，此系統中傳感器所得到的環境參數能夠為其它家居設備做決策參考，最終由智能家居系統實現對家庭環境的智能調節，比如，當測量到的光照強度高于用戶設定的一定值的時候，系統就將啟動自動窗簾系統的馬達，自動將窗簾關到一定程度，以降低室內的光強度，適合居住；又如，當溫度值偏低時，系統就將啟動空調設備進行工作，來增高室內溫度。因此，智能家居系統為用戶提供了安全、舒適、便捷生活的環境，從而使環境監測子系統成為了智能家居系統的一個特不重要關鍵部分與差不多環節，能否擁有一個好的智能家居系統的關鍵在于能否設計出好環境監測子系統，這對改善人們生活環境的舒適度具有特不重要的意義。

第1章緒論1.1本文的研究背景隨著計算機軟硬件技術、網絡技術和工業綜合自動化系統整合水平的不斷進展，對監控數據傳輸的實時性、數據接口的開放性以及數據鏈接的安全性的要求越來越高，有線操縱網絡的局限性也越來越突出，無線的優勢也越來越明顯。其中ZigBee短程無線網技術以其數據傳輸安全可靠、組網簡易靈活、設備成本低、電池壽命長等優勢，在工業操縱領域中展現了深厚的進展潛力[2]。將設備數據采集之后再通過無線ZigBee網絡進行傳輸是ZigBee技術在工業現場環境中的一種應用，這種新興的技術必將給工廠現代化注入新的活力。傳統的工業數據采集與操縱系統，其數據傳輸一般以工業操縱總線作為介質，以致大都局限于本地的近距離范圍之內應用。隨著國民經濟進展，企業及機構的治理規模不斷擴大，其需要治理與操縱的對象更趨多樣性，甚至具有流淌性，分布的范圍也涉及到不同的地域。為了對這些分散的對象進行有效的集中治理，對遠程及移動數據采集與操縱的需求也就日益迫切[3-4]。ZigBee技術填補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空白，其使用的便捷性是該技術成功的關鍵，它適用于短距離小范圍的基于無線通信的操縱領域，必將在工業自動化等領域得到廣泛的應用[5]。數據采集技術差不多相對成熟，將它重新構建于ZigBee網絡平臺之上，將成熟技術的穩定性和新技術的便捷性充分結合起來，這種結合關于工業現場十分必要。減少了在某些場所有線網絡布線以及工人人工采集數據的不便，同時能夠方便的于各種傳感器搭配用于不同的場合[6]。1.2智能家居環境監測系統的特點無線環境監測系統擁有全面、可靠的環境信息采集分析能力。為了實現環境信息監測的精確性、全面性同時方便使用，本文的環境監測系統應具有以下各種特點：(1)多對象監測環境監測系統需要檢測多種環境信息，如：溫度、濕度、有害氣體濃度、光照強度等。如此才能為用戶提供全面的環境信息參考。(2)多點監測需要對同一環境參數在不同地點和不同時刻分不進行測量，這是因為環境中各種環境信息不同的時刻和空間上分布不具有均勻性，由此實現監測的全面性和高精度性，甚至有時需要對同一環境參數在多點進行測量。(3)系統靈活當有新的環境參數被要求測量時，系統的可擴展性要求靈活，方便增加節點，以降低成本。1.3本文要緊研究內容隨著我國經濟和科技的迅猛進展，人們的生活水準越來提高，日常家居的環境更受到了人們的關注。近年來隨著家庭裝修時工業板材及其他有毒氣體釋放源的使用，室內的環境不容樂觀。這就要求有各種有害氣體監測功能的家居環境監測系統介入，為我們營造一個安全健康的家居環境。此課題旨在設計出一款能夠快速、實時、準確連續地測出空氣中溫濕度、一氧化碳、光照強度等的環境監測系統，使用基于ZigBee短距無線通訊技術，環境信息采集模塊與顯示終端實現無線通信，省去了傳統布線的苦惱。依照以上介紹，本文的要緊研究如下：(1)ZigBee協議的介紹。要緊介紹了ZigBee協議中各個部分的組成和數據結構，并對各層中的重點內容進行了詳細的分析；(2)本文以無線傳感網絡為基礎，以ZigBee技術紐帶，詳細設計出的家居環境監測系統中的兩種節點--協調器節點（操縱中心）和傳感器節點。在協調器節點中，本文實現了電源、串口通信、PCB天線等要緊電路的設計；而在傳感器節點中，由于其與協調器類似，故僅針對不同的環境信息，設計出了不同的傳感模塊；(3)本論文還設計了串口調試操作界面，能夠方便用戶的調試和使用，由此用戶就能夠實時的了解到家庭中個中環境信息的參數。1.4開發工具及開發環境的介紹1.4.1系統軟件開發環境介紹IAREmbeddedWorkbench(簡稱EW)的C/C++交叉編譯器和調試器是目前為止是業界較易使用和較完整的的專業嵌入式應用開發工具。EW對不同的微處理器提供了統一的直觀用戶界面。EW今天差不多能夠支持35種以上的8位/16位/32位的各種微處理器結構。EW包括：嵌入式C/C++優化編譯器，編輯器，連接定位器，匯編器，庫治理員，C-SPY調試器中和項目治理器。使用IAR的編譯器能夠得到較緊湊簡介的代碼，從而節約硬件資源，最終得以最大限度地降低產品的成本，從而以提高產品的競爭力。EW8051目前是IAR公司進展較快的產品，EW8051差不多進展到了8系列版本，同時在同類產品中具有明顯價格優勢。其編譯器能夠對一些SOC芯片進行專門的優化.如Atmel,TI,ST,Philips。除了EWMCS-51標準版外，IAR公司還專門為ARM、MP430等微處理器開發出專門的版本，方便了不同客戶的需求。IARSystem是嵌入式領域唯一能夠提供這種解決方案的公司。EW支持35種以上的8位/16位/32位的微處理器結構。它配合TI公司的仿真器能夠直接將程序下載到CC2530中[7]。IAREmbeddedWorkbench集成的編譯器要緊產品特征：?完全兼容標準C語言。?內建對應芯片的程序速度和大小優化器。?高效PROMable代碼。?目標特性擴充。?瓶頸性能分析。?高效浮點支持。?便捷的中斷處理和模擬。?工程中相對路徑支持。?版本操縱和擴展工具支持良好。?內存模式選擇。本文使用的是IAREW8.10的版本的軟件，其與WindowsXP系統的兼容性專門好，在國內研究CC2X30系列芯片的人應用此軟件較多。圖1-1為IAREmbeddedWorkbench8.10的軟件界面。圖1-1IAR軟件界面1.4.2上位機軟件開發環境介紹Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面庫，有挪威TrollTech公司開發，目前包括Qt/X11、基于Framebuffer的Qt/Embedded、快速開發工具QtDesigner以及國際化工具QtLinguist等。人們所熟知的Linux下面的KDE環境確實是基于Qt開發而成的。Qt支持Unix和Linux系統以及Windows系統。Qt的要緊特點有：面向對象，專門容易擴展，同時同意真正的組件編程；Qt對各個模塊進行了良好的封裝，使各模塊可重用性較好；優良的跨平臺特性，使用Qt類編寫的程序能夠實現“一次編碼，到處編譯”，極大的降低了跨平臺開發的難度；構件支持，關于對象間通信Qt沒有采納函數回調的方法，而是采納了一種全新同時可選的被稱為“信號與槽”的對象間通信機制，通過一個對象信號的發射，另一個槽函數的響應，使各個對象之間的通信安全而且高效。Qt的這些特點使它特不適合于真正的構件編程，同時使各個組件之間的協同工作變得十分簡單，同時Qt是直接基于Xlib的，不依靠Motif工具包，因此它的執行效率比一般的基于平臺的代碼的執行效率要高。圖1-2為Qt的軟件界面圖1-2Qt軟件界面

第2章ZigBee技術的概述2.1ZigBee技術的概念ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協議，依照此協議的規定，ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱來源于蜜蜂的一種名叫Zig的舞蹈，由于通過持續不斷地跳這種舞蹈來實現對新發覺的食物或其他信息的傳遞，換句話講蜜蜂是依靠如此的通信方式來實現了一個通信網絡，而每個個體則是網絡中的一個節點。如此做的好處是不需要專門的通信蜜蜂，通過信息接力就完成了整個通信，從而實現了蜜蜂的低成本、低數據速率、自組織、低功耗、近距離、低復雜度等的信息傳遞方式。受蜜蜂的這種專門的通信方式的啟發，ZigBee技術的研究也要緊是在低速率、低功耗通信領域進行應用，亦能夠低成本地嵌入各種設備中組成龐大的網絡?？偠灾甖igBee技術確實是一種低功耗，低成本的無線網絡通信技術[8]。ZigBee技術要緊用于低數據傳輸速率同時傳輸距離要求不是專門遠的各種通信設備之間。ZigBee聯盟則于2001年成立，而在2002年下半年，Invensys、Mitsubishi、Motorola以及Philips四大半導體公司共同宣布加盟ZigBee技術聯盟，以研發名為“ZigBee”的新一代無線通信標準，而在2006年作為中國通信行業龍頭的華為公司亦加入了此聯盟。截至目前，該聯盟大約已有約27家成員企業，所有這些公司都參加了負責開發ZigBee協議物理層（PHY）和媒體操縱層（MAC）技術標準的IEEE802.15.4工作組。ZigBee聯盟負責開發網絡層及以上的協議。ZigBee協議則比藍牙技術、高速率個人區域網或802.11x無線局域網等技術更簡單而有用。ZigBee使用的是2.4GHz波段，采納了跳頻技術，這和藍牙技術相似，能夠講是同族兄弟了。但相比之下ZigBee協議比藍牙更簡單、速率更慢、功率及費用也更低。ZigBee的差不多速率是250kb/s，而若當其速率降到28kb/s時，傳輸半徑可擴大到134米，并可得到更低的功耗和更高的可靠性。此外，單個ZigBee無線模塊就可與254個節點互聯，若網絡中加入路由節點，則網絡最大承載量可支持65535個節點設備互聯。由于它的低延遲和低功耗性能優越性，因此在支持鼠標、鍵盤等電腦周邊產品和家庭自動化儀器等低速率應用時能夠比藍牙做地更好，人們更希望能在無線玩具、傳感器網絡、家庭監控、工業監控和安全系統等眾多領域拓展ZigBee的應用[9]。2.2ZigBee技術的特點ZigBee網絡采納的是無線自組織網絡技術，與蜜蜂的通信類似，網絡中的各個節點間通信以一跳或多跳的形式自動建立網絡。網絡節點則以ZigBee協議為基礎進行通信，與各種傳統無線網絡相比，其要緊優點有以下幾個方面:(1)網絡穩定性好。其設計的網絡自己組織性能使網絡各個節點在無需人工干預的情況下自己組網并實現數據傳輸的任務，當添加或去除網絡中某個節點時，其余節點能夠自行查找其他節點替代中轉信息，具有較強網絡自愈能力。(2)成本低。由于ZigBee聯盟差不多有二十多家，他們的研發實力都專門強，好多公司均已在2003年正式推出自己的ZigBee芯片，競爭較大，近年來應用于主機端的芯片成本將會比藍牙等模塊更具價格上的優勢；另外，因為ZigBee技術的速率要求低，協議內容簡單，從而節約了開發的成本，目前常州市場CC2XX0等芯片的零售價格在20~30元之間不等。(3)功耗低。它的超低功耗也使得在應用中三節1.5v干電池即可使用6個月至2年的時刻，這也是ZigBee的最大的一個優勢。(4)網絡容量大。每個ZigBee設備能夠與另外254臺節點設備相連接，而加入路由節點的ZigBee網絡最多可容納多達65，000多個節點的網絡。(5)數據傳輸速率低。只有10kb/s～250kb/s，符合本設計需求。(6)工作頻段靈活。使用的頻段中2.4GHz全世界通用，歐洲使用868MHz，美國則使用915MHz頻段，但這些均是免申請頻段，能夠直接使用。(7)網絡延遲時刻短?；顒釉O備信道接入延時和休眠激活延時均僅為15ms，而搜索設備延時時刻達到[10]。2.3ZigBee網絡設備組成和網絡結構依照ZigBee聯盟所設定的技術標準，按功能分其網絡設備劃分為三種：ZigBee協調器(ZigBeeCoordinator)，ZigBee路由器(ZigBeeRouter)，Zig,Bee終端設備(ZigBeeEndDevice)。他們的功能分不如下：(1)ZigBee協調器(ZigBeeCoordinator)：它是個全功能的設備，包含所有的網絡功能，是3種設備中功能最全面亦最復雜的一種，特點是計算能力強、存儲量大。它的作用是發送網絡信標、建立同時治理一個網絡及網絡節點、存儲節點信息同時不斷地接收下級節點所發來的信息。(2)ZigBee路由器(ZigBeeRouter)：它也是全功能設備在加入網絡后，協調器就會分配給它一定量的十六位地址空間，再由其分不分配給下級節點使用，方便每個節點接入或離開網絡，具有數據轉發及路由之功能。(3)ZigBee終端設備(ZigBeeEndDevice)：其一般的簡化的功能設備。只能自己的與上一級如協調器或路由器之間通信，包括獵取網絡地址等。在ZigBee協議規范中，組網時有三種網絡拓撲結構可供選擇：星型結構(Star)，網狀結構(Mesh)和簇樹型結構(ClusterTree)，圖2-1所示。星狀星狀（start）網狀（Mesh）

簇狀（Cluster）

協調器路由器終端設備圖2-1ZigBee網絡拓撲結構圖在星狀結構中不管是路由器或終端設備差不多上直接與協調器進行通信，而ZigBee協調器則負責運作與維護著整個網絡；在簇狀和網狀網絡結構中，協調器負責初始化和建立網絡的操作，而路由器則對網絡進行擴展，終端設備的信息由路由器進行轉發,只只是在簇狀結構中終端間的信息交換只能通過一級級向上傳遞到協調器，再由協調器將信息分發下去[11]。2.4ZigBee的協議分析2.4.1網絡層（NWK）ZigBee網絡層的要緊功能確實是確保ZigBee的MAC層(IEEE802.15.4)正常工作，同時定義了一些必須的函數，同時為應用層提供適合的服務接口。網絡層提供了兩個必須的功能服務實體來向應用層提供服務接口，它們分不是治理服務實體和數據服務實體。通過網絡層數據服務實體服務接入點（NLDE-SAP），網絡層的數據實體（NLDE）得以提供數據傳輸服務；網絡層治理實體(NLME)與之不同，它是通過網絡層治理實它體服務接入點(NLME-SAP)來提供網絡治理服務的。網絡層治理實體則是利用網絡層數據實體完成一些網絡的治理工作，同時網絡信息庫(NIB)理是網絡層治理實體完成的。1、網絡層數據實體（NLDE）網絡層數據實體為數據提供服務，在兩個或多的設備之間進行數據傳送任務時，則是按照顧用協議數據單元(APDU)的格式進行傳送的，同時所有的這些設備必須是在同一個網絡中，即要求在同一個個域網中。網絡層數據實體提供的服務如下三項：(1)指定拓撲傳輸路由，網絡層數據實體發送一個網絡層的協議數據單元到一個合適的同意設備，此設備可能是一個在通信鏈路中的中間通信設備，也可能是最終的目的通信設備。(2)生成網絡層的協議數據單元(NPDU)：通過增加一個適當的協議頭，網絡層數據實體從應用支持層協議數據單元中生成網絡層的協議數據單元。(3)安全：確保通信的機密性和真實性。2、網絡層治理實體（NLME）絡層治理實體同意應用與堆棧相互作用，同時提供網絡治理服務。網絡層治理實體提供了以下的幾種服務：(1)配置一個新的設備：設備應具有足夠的堆棧來保證其正常工作的需要，同時滿足配置的需要。配置選項包括對連接一個現有網絡設備或一個ZigBee協調器的初始化的操作。(2)初始化一個網絡：使設備有能力建立一個新的網絡。(3)連接和斷開網絡。要求設備具有斷開網絡的能力和具有連接一個新的網絡的能力，以建立一個ZigBee協調器或者路由器。(4)鄰居設備發覺：需要具有發覺、匯報和記錄相鄰設備信息的能力。(5)尋址：ZigBee協調器和路由器具有分配地址給新加入網絡的設備的能力。(6)路由發覺：具有發覺同時記錄傳送信息的網絡路由的能力。(7)接收操縱：具有操縱設備是否處于接收狀態的能力，即操縱接收機接收信息時刻的長短和什么時候來接收信息，以此來保證MAC層的正常接收和同步等。2.4.2應用層（APP）應用層要緊由用戶依照具體的應用進行自我開發，用以維持節點的各種功能，發覺此節點工作空間范圍內其他節點的工作，再依照服務的需求為各個不同的節點提供通信服務。ZigBee應用層有三個不同的部分分不是：應用支持(ApplicationSupportSub1ayer，簡稱APS)子層、ZigBee設備對象(ZigBeeDeviceObject，簡稱ZDO)和制造商定義的應用對象。1、應用支持子層APS層提供了如此的接口：在NWK層和APL層間，從設備對象到供應商的應用對象的通用服務集。這服務由兩個實體得以實現：APS治理實體(APSDE)和APS數據實體APSDE。(1)APSME通過APSME服務接入點(APSME-SAP)；(2)APSDE通過APSDE服務接入點(APSDE-SAP)。APSDE提供了多種服務給應用對象，維護治理對象的數據庫，也確實是我們常講的AIB，同時這些服務包括綁定設備和安全服務。APSDE則提供在同一個網絡中的兩個或多個應用實體間進行數據通信的服務。2、應用層框架為存在ZigBee設備中的應用對象提供活動的環境的是ZigBee中的應用框架。其最多能夠定義240個較為獨立的應用程序對象，任意一個對象的端點編號差不多上從1到240。另外還有兩個附加的節點終端為了APSDE-SAP的使用：端點號0專門應用于ZDO數據接口；而另外一端的端點號255則專門應用于所有應用對象廣播數據的數據接口；最后，端點241-254則是要保留給有需要擴展的時候使用的。3、ZigBee設備對象ZigBee設備對象(ZDO)，描述了一個差不多的功能函數，那個函數為在應用對象、設備profile和APS之間提供了一個接口。ZDO位于應用支持子層和應用框架之間，在ZigBee協議棧中應用操作的一般需求它有所滿足。ZDO還有以下作用：(1)初始化安全服務規范(SSS)，應用支持子層(APS)和網絡層(NWK)。(2)從終端的應用中集合配置的信息來執行和確定發覺、網絡治理、綁定治理，以及安全治理等作用。ZDO描述了應用框架層的應用對象的網絡功能和應用對象的公用接口用以操縱設備。在終端節點0處,ZDO則提供了與協議棧中低一層進行連接的接口，若同意的是數據，則通過APSME-SAP接入點，而若是操縱信息則通過APSME-SAP的接入點。ZDO公用接口則在ZigBee協議棧的應用框架中提供設備發覺、綁定、以及安全等各種功能的地址治理服務。ZigBee設備對象的要緊功能如下：(1)初始化網絡層、應用支持子層和安全服務層；(2)發起或響應綁定請求；(3)在網絡內部發覺設備，同時確定為此發覺的設備提供的應用服務種類；(4)定義設備在網絡中的各種角色，如，終端設備、路由器或協調器；(5)從終端的應用來收集各個配置信息來確定和執行發覺治理、網絡治理、安全治理和綁定治理等；(6)在網內各個設備之間建立起安全又可靠的關系。2.5本章小結本章對ZigBee技術進行了要緊討論。首先對ZigBee技術進行了概述，其次簡單介紹了ZigBee技術的各種特點及網絡拓撲圖，最后對ZigBee的協議，MAC層，還有網絡層和應用層的各要緊功能都進行了介紹，為下面的研究工作提供了有力基礎。特不對最后在程序設計時起了專門大的作用。

第3章系統的總體設計3.1系統結構本論文是基于ZigBee技術的無線傳感器網絡環境監測系統，因此依照ZigBee技術的標準和特點設計了由多傳感器節點，協調器節點和PC組成的該系統。其中，傳感器節點通過ZigBee無線技術與協調器進行信息的交換，協調器則通過串口RS-232與PC進行相連通信。本文設計的系統結構如圖3-1所示PCPC協調器傳感器節點傳感器節點傳感器節點圖3-1系統結構圖由圖3-1可知，本系統中傳感器節點要緊負責的是環境信息的采集與發送，協調器節點要緊負責的是網絡的建立、終端節點治理、數據處理和對PC端的數據通信。因此在實踐過程中能夠依照家庭居住環境的大小和所需監測的內容，來增加或減少傳感器節點。當監測區域較大時，可用增加傳感器節點的方法來保證網絡的連通性，相反區域較小時能夠依照情況減少路由器節點的設置以節約系統資源，降低成本。在本設計的實踐環節，本人只是用了一個溫度傳感器做了演示。3.2系統功能定義為了實現基于ZigBee技術的家居環境監測系統的設計，現對系統的各種功能作出以下定義：(1)治理中心(PC)：實時顯示家庭中各種的環境信息，同時用戶可通過PC實現對網絡中各個節點設置與治理，如：治理網絡各個節點的節點信息，發送數據采集命令，發送休眠指令，設置傳感器節點采集環境信息的周期的長短；(2)協調器節點：組建并初始化ZigBee無線網絡，治理各傳感器節點終端，發送與接收網絡數據與指令，同時與治理中心(PC)進行通信；(3)傳感器節點：對周圍環境信息進行實時采集，并通過ZigBee無線網絡實時將環境信息發送到協調器節點。本文設計的環境監測系統要緊是獵取家庭環境中的一些環境參數，以實現對環境信息的全面監控，從而為用戶的決策提供有利的參考。以下是對各種參數的介紹：(1)溫度人體對溫度的變化甚為敏感，在環境溫度高于36攝氏度后，每增加一度對人體的負面阻礙差不多上幾何級的增加，故此系統中最重要也是最差不多的確實是環境中溫度的采集。溫度傳感器能夠在用戶設定的頻率下采集區域的溫度信息，并將其發送到協調器節點進行處理，再由協調器將處理結果數據通過串口發送到PC，現在，PC可按之前用戶設置好的參數和程序對空調系統進行操縱，從而實現對室內溫度的操縱，因此這些是后續操縱，不在本文討論范圍內。家庭中的每個房間能夠多放幾個如此的類似節點，可實現在同一個房間進行多點的溫度信息采集，以提高溫度測量的準確度。(2)濕度人類對濕度盡管不是特不敏感，但其時時刻刻亦阻礙著人們的健康，尤其是老年與兒童。目前人們經常是通過一般的加濕器來調節室內濕度，此類加濕器一般只是手動操作，如此就存在著人為的主觀不確定性，最終也有可能不利于環境之改善。而在本系統中，通過濕度傳感器對濕度信息的采集，再經由PC的處理后，對加濕器進行操縱，即可達到科學明了地操縱室內的濕度。(3)一氧化碳氣體燃氣的要緊成分確實是一氧化碳當燃氣發生泄漏時，空氣中一氧化碳濃度達到一定時，就會對家庭人員生命帶來威脅。故對一氧化碳氣體濃度監測也是必不可少的一部分。當系統檢測到一氧化碳氣體濃度大于用戶設定是初值時，PC會立即發送報警信號到報警裝置或者是家庭成員的手機或直接報警，PC在啟動報警裝置的同時，或能夠自動操縱開窗，以達到室內空氣流通的效果，保證家庭成員的安全。(4)亮度亮度的監測能夠利用分布在各個房間里的光敏傳感器來實現。光敏傳感器能夠將感知的光線強度信息發送到協調器節點，協調器則將信息傳輸到PC，通過處理和推斷光線強度，來操縱窗簾的開關或燈的開關。當光線過強時，能夠操縱窗簾自動合起或電燈關閉，反之則能夠操縱其打開或電燈打開。因此，本系統能夠依照用戶的不同需求增加或減少傳感器的數量，及使用不同的傳感器進行監測。3.3系統設計要求本系統是在家庭環境中實現各種功能，依照此特點，能夠總結出以下幾種要求。分不從軟硬件兩個方面來得以實現。1、硬件要求(1)低功耗：由因此無線傳感網絡，節點較多，因此只能由電池供電，故要求低功耗以延長使用，減少電池更換次數。(2)安全性：本系統為家居環境操縱系統做前期的數據采集，若出現錯誤，則可導致PC推斷錯誤，導致錯誤操縱。如，未發生一氧化碳泄露即報警等。故要求系統的安全性(3)外觀：由于要安裝在家庭各個地點，故要求其盡量小巧，美觀。(4)可擴展：能夠依照用戶的不同需求，隨時增加或減少傳感器節點設置。2、軟件要求軟件方面要求程序模塊化設計，能夠使系統升級方便以備增加節點時修改其中一個模塊而其他地點無需改動；程序設計要簡單，數據傳輸格式要統一。3.4本章小結本章要緊是對系統的總體的方案以及各個組成部分進行了設計。同時，對不同的環境參數做了介紹，以本系統對環境監測功能的需要。最后，對系統的整體設不提出了設計要求，為系統后續的軟硬件設計提供了要求和設計基礎。第4章系統的硬件設計4.1ZigBee硬件選型在介紹整個系統的硬件設計方案之前，首先對目前市場上售賣的要緊的幾款基于ZigBee技術的硬件平臺及其各平臺的自身特點進行一一介紹。目前要緊有TI/CHIPCON、EMBER(ST)、JENNIC(捷力)、FREESCALE（飛思卡爾）等幾家公司有ZigBee產品。TI/CHIPCON公司公布了單芯片ZigBee解決方案CC2530的片上系統級芯片(SOC)，結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051CPU，系統內可編程閃存，8-KBRAM和許多其他強大的功能。由此CC2530得以廣泛應用于工控系統、汽車和無線傳感網絡等各種領域；EMBER(ST)推出首款符合IEEE802.15.4標準的ZigBee單芯片方案EM250。它集成了可編程處理器、RF射頻、網絡協議及存儲器；JENNIC(捷力)公司的JN5121芯片則在業界屬于第一款兼容于IEEE802.15.4的低功耗，低成本無線微型操縱器；而FREESCALE（飛思卡爾）目前主推的完全兼容IEEE802.15.4標準并獲認證ZigBee射頻芯片為MC13193。TI/CHIPCONTI公司的TCC2530是用于2.4-GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案。它能夠以特不低的總的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051CPU，系統內可編程閃存，8-KBRAM和許多其他強大的功能。CC2530有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分不具有32/64/128/256KB的閃存。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉換時刻短進一步確保了低能源消耗。EMBER(ST)EM250半導體系統提供更長的距離和可靠的共存性，包括低功耗16位微操縱器，128KB閃存，5KRAM，2.4GHz無線電和Ember公司的EmberZNet2.1軟件。EmberZNet2.1是ZigBee兼容的網絡堆棧，具有獨特的能擴展ZigBee功能性，簡單性和性能的增強特性。這些特性包括支持移動節點，大/密的網絡，以及能在節點和授權分布式構造間提供更加可靠無線通信的傳輸層。EM250具有用作ZigBee位標器節點，全功能設備(FFD)或降功能設備(RFD)所需的資源。JENNIC(捷力)JN-5139芯片是一個低功率及低價位的無線微處理器，要緊針對無線感測網絡的產品為主，JN-5139整合了32-bitRISC微處理器，完全兼容2.4GHzIEEE802.15.4的送收器，192kROM，另外，可選擇搭配RAM的容量從8KB至96KB(不同料號)，也整合一些數字及模擬周邊線路，大幅降低外部零件的需求。內建的內存要緊是用來儲存系統的軟件，包含了通訊協議堆棧，路徑表，應用程序代碼與資料。也包含了硬件的MAC地址與AES加解密的加速器，并擁有省電與定時睡眠模式，另外還有安全碼與程序代碼加密機制。FREESCALE（飛思卡爾）MC1320x是飛思卡爾公司推出的符合802.15.4標準的下一代收發信機，它包括一個集成的發送/接收（T/R）開關，能夠關心降低對外部組件的需求，進而降低原料成本和系統總成本。該收發信機支持飛思卡爾的軟件棧選項、簡單MAC（SMAC）、802.15.4MAC和全ZigBee堆棧。集成了MC9S08GTMCU和MC1320x收發信機，閃存能夠在16~60KB的范圍內選擇。MC13211提供16KB的閃存和1KB的RAM，特不適合采納SMAC軟件的點到點或星形網絡中的經濟高效的專屬應用。關于更大規模的聯網，則能夠使用MC13212（具有32KB的內存和2KB的RAM內存）和IEEE802.15.4MAC。此外，MC13213（帶有60KB的內存和4KB的RAM）和ZigBee協議堆棧設計用于關心設計人員開發完全可認證的ZigBee產品。MC13213能夠提供全面的編碼和解碼、用于基帶MCU的可編程時鐘、以4MHz（或更高）頻率運行的標準4線SPI、外部低噪聲放大器和功率放大器（PA）實現的功能擴展以及可編程的輸出功率。以上的硬件平臺都適用于ZigBee應用的開發。由于任務書上和市場上應用的稍多的芯片是CC2530，其系統的集成性和通用性都較好同時其集成的51微處理器內核亦較為熟悉，另外，CC2530芯片優性能也是本文硬件選擇的一個較為重要的因素。CC2530芯片的性能如下：具有USB高速下載、支持IAR集成開發環境；具有在線下載、調試、仿真功能；提供ZigBee2007/PRO/RF4CE協議棧；例程豐富，同時所有例子程序以源代碼方式提供并附實驗手冊；靈活配置。依照需求可選配多種擴展開發板；開發方便、快捷、簡單；C51編程。熟悉、順手、入手快；具有液晶顯示。直觀、明了；配套提供多種傳感器(光敏/溫度/可調電阻)；具有多年高頻設計工程師提供專業、經驗豐富技術支持；功能強大的C51RF仿真器。能夠實現對CC2530開發仿真調試。多種擴展板既有簡單開發按鍵、又有液晶顯示及傳感器。不但可實現簡單的CC2530開發，還可作于復雜的ZigBee無線網絡。硬件系統、軟件代碼程序自主設計完成保證長期技術支持。4.2節點硬件設計1、協調器節點設計協調器節點在ZigBee網絡中要緊負責的是無線網絡的建立和節點治理等各種任務。在本系統中它還需要對同意的數據的進行處理，以及USB轉串口與PC進行連接通信。它的硬件系統結構設計圖如圖4-1所示。CC2530CC2530電源天線USB串口口圖4-1終端結構圖

2、終端節點設計終端節點在ZigBee網絡中要緊負責的是將采集到的數據通過組建好的無線網絡發送到協調器節點。它的硬件系統結構設計圖如圖4-2所示。CC2530CC2530傳感器天線電源圖4-2終端結構圖

其中除了信號放大及傳感器模塊之前未介紹過，其余地點均與協調器節點同。故本節只介紹傳感器模塊。其中由于傳感器模塊有溫濕度測量，光度測量，一氧化碳測量等。其原理相似，故本文只選擇溫度傳感器模塊來做敘述。(1)電源部分設計本部分的設計采納外部三節干電池對系統進行供電，供電電壓為4.5V。系統工作電壓為3．3V，故需要實現5V到3.3V的電壓轉換。本文選用AS1117AR-3.3以實現電壓調節?？沙浞譂M足CC2530對電壓的要求。其電路如圖4-3。圖4-3電壓轉換電路(2)debuger口部分設計電路連接原理圖如圖4-4。圖4-4debuger部分電路圖傳感器的介紹：1.溫度傳感器（DS18B20）本設計使用的是DS18B20數字溫度傳感器，DS18B20數字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。要緊依照顧用場合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測溫，高爐水循環測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農業大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數字測和氣操縱領域。技術性能描述①、獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊。②、測溫范圍－55℃～+125℃，固有測溫誤差（注意，不是分辨率，那個地點之前是錯誤的）0.5℃。③、支持多點組網功能，多個DS18B20能夠并聯在唯一的三線上，最多只能并聯8個，實現多點測溫，假如數量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸的不穩定。④、工作電源:3~5V/DC（能夠數據線寄生電源）。⑤、在使用中不需要任何外圍元件。⑥、測量結果以9~12位數字量方式串行傳送。⑦、不銹鋼愛護管直徑Φ6。⑧、適用于DN15~25,DN40~DN250各種介質工業管道和狹小空間設備測溫。⑨、標準安裝螺紋M10X1,M12X1.5,G1/2”任選。⑩、PVC電纜直接出線或德式球型接線盒出線,便于與其它電器設備連接。2.光強度傳感器（BH1750FIV）本文采納了數字輸出型的環境光照傳感器BH1750FIV。它是一種兩線式串行總線接口光強度傳感器集成電路。芯片直接內含放大器、AD轉換器、光強度計算電路和總線接口。它的優點是輸出值無需換算，即是光強度值；無需其它外部元件；抑制50Hz/60Hz的光噪聲；其工作電壓在2.4V-3.6V之間，故無需電壓轉換，直接接3V的電源即可。在連接傳感器和CC2530時應注意BH1750FIV的DIV端口，因為DIV是總線的參考電壓終端，亦是異步重置終端。其要求是在VCC供電后DIV口必須有許多于的低電平?？?，以保證ADDR,SDA,SCL口的穩定。又因為CC2530無總線，因此直接接在其I/O口，再應用軟件編程來達到模擬出總線的效果。4.3本章小結本章要緊做了以下三個方面的工作：(1)依照目前ZigBee網絡技術的進展現狀，選擇了CC2530作為本設計的開發平臺。(2)介紹了協調器節點的硬件設計。(3)介紹了傳感器節點的硬件設計。通過上述工作，為系統的應用做好了硬件預備，為后續系統的軟件做好了預備。

第5章系統的軟件設計及實現5.1軟件部分總體介紹5.1.1軟件設計整體流程本設計的網絡拓撲結構選擇樹狀結構，樹狀結構必須有路由的加入，但路由實在終端節點和協調器之間的距離超過接收不到的情況下轉發協調器與終端節點所發送的數據，而本設計只設計了近距離的數據收發，因此本設計的軟件部分設計只要對協調器、終端節點分不進行設計。終端節點負責采集當前的溫度數據在現場實時的顯示，并最終發送給協調器，協調器在接收到終端節點發送過來的溫度數據后進行相應的處理，然后通過串口發送到上位機顯示。下圖為整個系統的流程圖:溫度溫度終端節點協調器節點上位機PC圖5-1系統整體流程路由器信號強信號弱從上圖能夠看出，終端節點有兩種與協調器的通信方式，當終端節點檢測到的協調器信號強度超過路由器時，將直接與協調器通信，相反假如檢測不到協調器的信號或者信號強度比路由節點的弱，則通過路由節點將數據傳送給協調器。在TI提供的z-stack協議上，設備啟動的過程都由協議棧本身做好，用戶只需指定其啟動身份即可。5.1.2協調器的自動組網流程第一步：Z_Stack由main()函數開始執行，main()函數做兩件事：一是系統初始化；二是開始執行輪詢式操作系統。第二步：進入osal_init_system();操作系統初始化。第三步：進入osalInitTasks();執行操作系統任務初始化函數。在那個函數中用戶需要考慮的有：Hal_Init(taskID++);硬件抽象層初始化。ZDApp_Init(taskID++);ZDApp層初始化。SampleApp_Init(taskID);應用層SampleApp層初始化。第四步：進入ZDApp_init()函數，執行ZDApp層初始化。這一步中又包含了專門多分支部分:Thefirststep：到里面去voidZDApp_Init(uint8task_id)，對ZDApp層初始化。Thesecondstep：執行ZDOInitDevice(0)。Thethirdstep：執行ZDOInitDevice（），ZDO層初始化設備。Thefouthstep：執行ZDApp_NetWorkInit()網絡初始化。Thefifthstep：觸發ZDO_NETWORK_INIT（網絡初始化）事件，進入ZDApp_event_loop()函數。Thesixthstep：ZDO_StartDevice（）；啟動設備，其中這函數的參數分不為：設備邏輯類型，啟動模式，信標時刻，超幀長度。ZDO向網絡發送一個組網請求，由于ZigBee協議棧是版開源的，網絡層的具體代碼無法看到，然而網絡組建成功后會發送一個確認信息給ZDO層，由ZDO_NetworkFormationConfirmCB（）函數來接收發送過來的確認信息。Theseventhstep：進入ZDO_NetworkFormationConfirmCB（），給予ZDO層網絡形成反饋信息（協調器），執行osal_set_event(ZDAppTaskID,ZDO_NETWORK_START);發送網絡啟動事件到ZDApp層，接著轉到ZDApp_event_loop（）函數，到里面去voidZDApp_NetworkStartEvt(void)處理網絡啟動事件；再執行osal_set_event(ZDAppTaskID,ZDO_STATE_CHANGE_EVT);，設置網絡狀態改變事件，發送到ZDApp層，觸發ZDO_STATE_CHANGE_EVT事件。Theeighthstep：執行ZDApp_event_loop（）函數，找到相對應的網絡改變事件。Theninthstep：執行ZDO_UpdateNwkStatus()函數，ZDO狀態改變事件。Thetenthstep：執行zdoSendStateChangeMsg（）函數，發送狀態改變消息。Theeleventhstep：執行MT_ProcessIncomingCommand()函數。Thetwelfthstep：執行MT_ZdoStateChangeCB自此協調器組網完畢。整個的組網流程圖如圖5-2所示：EndEndMain（）Osal_init_system()Osal_start_systemEventhappend?NYEndZDApp_Init()OsalInitTask()Osal_init_system()ZDO_NetWorkFormationConfirmCB()ZDApp_event_loop()ZDApp_NetworkInit()ZDO_Init()ZDOInitDevice(0)ZDApp_event_loop()ZDO_StartDevice()Osal_set_event()ZDO_UpdateNwkStatus()

Osal_set_event()ZDApp_event_loop()MT_ProcessIncomingCommand()zdosendStateChangeMsg()MT_ZdoStateChangeCB()EndZDApp_NetworkStartEvt()ZDApp_Init()圖5-2協調器組網流程5.2協調器節點軟件實現協調器節點要緊實現ZigBee網絡的建立(如圖5-2)，指令的發送，數據的接收、轉發，與PC通信。同時，為了方便用戶使用，操縱中心節點也能夠單獨作使用，直接通過LCD顯示屏觀看監測數據。因此，協調器節點的軟件要緊由以下幾個模塊組成：(1)ZigBee數據收發模塊：此模塊的協議棧代碼是TI公司提供的，其符合802.15.4協議，下面分不是無線發收函數的程序。無線數據發送函數：voidzb_SendDataRequest(uint16destination,uint16commandId,uint8len,uint8*pData,uint8handle,uint8txOptions,uint8radius){afStatus_tstatus;afAddrType_tdstAddr;txOptions|=AF_DISCV_ROUTE;//分配地址if(destination==ZB_BINDING_ADDR){dstAddr.addrMode=afAddrNotPresent;//afAddrNotPresent=0}else{//應用短地址dstAddr.addr.shortAddr=destination;dstAddr.addrMode=afAddr16Bit;//afAddr16Bit=2if(ADDR_NOT_BCAST!=NLME_IsAddressBroadcast(destination)){txOptions&=~AF_ACK_REQUEST;}}//設置結束點dstAddr.endPoint=sapi_epDesc.simpleDesc->EndPoint;//發送數據status=AF_DataRequest(&dstAddr,&sapi_epDesc,commandId,len,pData,&handle,txOptions,radius);if(status!=afStatus_SUCCESS){SAPI_SendCback(SAPICB_DATA_CNF,status,handle);}}[12]//無線數據接收函數：voidSAPI_ReceiveDataIndication(uint16source,uint16command,uint16len,uint8*pData){#ifdefined(MT_SAPI_CB_FUNC)if(SAPICB_CHECK(SPI_CB_SAPI_RCV_DATA_IND)){zb_MTCallbackReceiveDataIndication(source,command,len,pData);}else#endif//MT_SAPI_CB_FUNC{zb_ReceiveDataIndication(source,command,len,pData);}}[13](2)串口通信模塊；在ZigBee協議棧中，協調器節點的串口通信單元差不多由硬件層實現了接口封裝，事實上現文件為hal_uart.c和hal_uart.h。后續開發人員在使用時，只需要對此單元進行適當的配置就能夠調用此單元，實現數據的收發，故此不再贅述。綜上，協調器節點的程序流程圖如圖5-2所示：

開始硬件網絡初始化初始化完成發送指令接收傳感器信息將信息發送給PC否是是否圖5-2協調器程序流程圖

5.3傳感器節點軟件設計傳感器節點實現的是數據的采集和發送，其啟動后和協調器一樣開始進行網絡初始化，然后開始與協調器通信，加入網絡。因此其收發程序與協調器相似，具體流程如圖5-3所示。每個不同的傳感器節點所測得環境信息不通，本文涉及有溫度，一氧化碳、亮度等。每個傳感器數據獵取傳輸過程相似，故本文只以溫度傳感器做介紹，其余不做敘述。

開始硬件網絡初始化初始化完成發送指令接收溫度傳感器信息將信息發送給協調器否是是否圖5-3傳感器節點程序流程圖

5.4本章小結本章先介紹了CC2530的開發環境，又要緊介紹了智能家居環境監測系統各個部分的軟件設計，包括協調器節點，傳感器節點的數據傳輸流程圖，都有介紹與講明，并給出了部分核心函數。

第6章上位機軟件實現及測試6.1上位機軟件實現上位機負責接收協調器通過串口發送來的數據并實時顯示。該上位機是用c++在Qt編譯環境下寫的一個簡單的軟件，實現簡單，由于技術有限不能開發出功能比較強的軟件，然而此上位機軟件能夠滿足我們現場監控的需要，能夠與協調器通信，還能在溫度過高或過低時發出警告。上位機軟件如圖6-1所示圖6-1上位機界面如上圖所示，該上位機軟件能夠滿足一般性監控需求，因此也有專門多的不足之處，其中像濕度，亮度的信息并未參加測試。因為資金問題只做了溫度檢測。在軟件中串口號和波特率是能夠選擇的，軟件中我們增加了能夠選擇節點的選擇，通過選擇節點能夠獵取不同地點、不同傳感器的數據，在本設計中我們只用了溫度且節點只有一個，因此默認都為節點1，通過下拉菜單能夠更改選擇。點開文件里面會有一個設置按鈕，點開設置按鈕會出現一個設置警報溫度值的窗口，能夠在里面進行設置，如圖6-2所示：圖6-2