1、I “留学梦，创未来”“留学梦，创未来”2016 中国留学生会 创业项目计划书 2016 中国留学生会 创业项目计划书 作品名称：基于 ZigBee 的多终端无线监测系统 作品名称：基于 ZigBee 的多终端无线监测系统 参赛单位：新加坡国立大学工学院 参赛单位：新加坡国立大学工学院 参赛队员：梁潇、罗意琳、郝彧、陆宇环、参赛队员：梁潇、罗意琳、郝彧、陆宇环、II 目录目录第第1章章 绪论绪论.11.1 ZigBee 技术.11.1.1 ZigBee 技术概述.11.1.2 ZigBee 无线传感网络概述.11.2 ZigBee 应用及研究现状.21.2.1 ZigBee 技术应用现状.212、.2.2 ZigBee 技术国内外研究现状.21.3 课题研究内容及意义.2第第2章章 ZigBee协议栈协议栈.42.1 基础概念.42.1.1 ZigBee 协议的体系结构.42.1.2 ZigBee 协议术语.62.2 Z-Stack 体系架构.72.2.1 系统初始化.72.2.2 操作系统执行过程.72.3 ZigBee 网络.82.3.1 网络的建立与加入.82.3.2 绑定.92.3.3 路由.9第第3章章 CC2530无线数据传输无线数据传输.103.1 引言.103.2 点对点数据传输.103.3 实验设计.15第第4章章 基于基于ZigBee的无线监测系统的无线监测系统.13、64.1 系统设计.164.1.1 系统总体设计.164.1.3 温湿度传感器采集模块.174.2 软件设计与实现.184.2.1 片上系统编程.184.2.2 PC 端程序设计.194.2.3 Android 手机平台程序设计.224.3 小结.22第第5章章 总结与展望总结与展望.235.1 特色与创新.235.2 存在的问题.235.3 扩展与展望.235.4 总结.24参考文献参考文献.25 1 第第1章章绪论绪论1.1ZigBee技术技术1.1.1 ZigBee技术概述技术概述 Zigbee 是基于 IEEE802.15.4 标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离4、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee 就是一种低成本的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee 是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee 协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循 IEEE 802.15.4 标准的规定。ZigBee 网络支持大量节点、支持多种网络拓扑、快速、可靠、安全。ZigBee 网络中设备的可分为协调器(Coordinator)、5、路由器(Router)、终端节点(EndDevice)等三种角色。与此同时，ZigBee 作为一种短距离无线通信技术，由于其网络可以便捷的为用户提供无线数据传输功能，因此在物联网领域具有非常强的可应用性。1.1.2 ZigBee无线传感网络概述无线传感网络概述 无线传感网络是“物联网”时代的研究热点，是典型的具有交叉学科性质的高科技技术，可以广范应用于军事，国家安全，交通管理，灾害预测，医疗卫生，制造业和城市信息化建设等领域。无线传感网络由许许多多功能相同或不同的的无线传感节点组成，每一个传感节点又由数据采集模块（传感器,A/D 转换器），数据处理和控制模块（微处理器，存储器），通信模块（无线6、收发器）和供电模块（电池，DC/AC 能量转换器）等组成，以 TI 公司的CC2530 为代表的 ZigBee 芯片，内置增强型 8051 CPU，结合优良的 RF 收发特性，为无线传感网络的实现提供了一种切实可行的解决方案。加上 ZigBee 本身自组网，路由中继的特点，辅以 TI 公司业界领先的 ZigBee 协议栈，不但扩展了无线传感网络的范围，更是实现了快速方便地扩大无线传感网络的规模，进而进行大规模的数据采集。2 1.2ZigBee应用及研究现状应用及研究现状1.2.1 ZigBee技术应用现状技术应用现状 由于 ZigBee 技术低复杂度、自组织、低功耗、低成本的特点，广泛应用于智7、能家居，无线抄表，工业控制，医疗监控等领域。随着物联网技术的日渐兴起，ZigBee 技术将扮演更加重要的角色，但又由于 ZigBee 传输距离短，数据传输速率低，使其受到了一定的制约。虽然不可否认，未来的应用前景一片美好，但就目前而言，ZigBee 技术的大规模商用仍有待时日，目前基于 ZigBee 的产品大多数处于研发阶段，且大多数终端产品主要面向家庭自动化，传输距离与传输速率要求较低。潜在应用多，但不存在大量出货的典型应用，市场缺乏明确的方向，大多数产品使用点对点传输，真正利用 ZigBee 的优势网络特性的应用少之又少。1.2.2 ZigBee技术国内外研究现状技术国内外研究现状 Zig8、Bee 作为一种新兴的国际标准短距离无线通信协议，其协议栈体系结构是基于标准七层开放式系统互联参考模型(OSI)，IEEE 802.15.4-2003 标准定义了下面的两层：物理层和媒体接入控制子层；网络层、应用会聚层、应用层由 ZigBee 联盟制订。2002 年,ZigBee联盟创立，创始者包括 IC 供应商、无线 IP 提供商、设备制造商、测试设备制造商和最终产品制造商等，这些企业能提供适应 ZigBee 的产品和解决方案。ZigBee 联盟于 2004 年底发布了 ZigBee 协议 1 0 版本规范，2006 年 11 月发布了 ZigBee协议 11 版本规范，2007 年 10 9、月发布了 ZigBee Pro 版本规范。ZigBee 联盟的主要目标是以通过加入无线网络功能，为消费者提供更富有弹性、更容易使用的电子产品。ZigBee 技术能融入各类电子产品，应用范围横跨全球的民用、商用、公共事业以及工业等市场。使得联盟会员可以利用 ZigBee 这个标准化无线网络平台，设计出简单、可靠、便宜又节省电力的各种产品来。1.3课题研究内容及意义课题研究内容及意义工业生产中某些特定场景空间是封闭的，将由 ZigBee 组建的无线传感网络布置到相关场景内，由终端传感节点采集空间内环境参数，通过布置在关键位置的路由转发，将环境参数传输到协调器，这样即实现了无线传感网络的功能，通过 10、USB/RS232 将协调器与 PC 端相连，在 PC 平台将协调器收集到的环境参数以及环境参数所来源的传感器节点显示出来。由值班人员分析传感器节点采集的数据，并判断是否需要找到相关责任人对情况进行处理，3 当值班人员处于因公外出或有事无法对 PC 平台显示的数据进行监控时，这时可选择无线网络将协调器数据传送到安卓智能手机，值班人员可通过手机实时查看监控数据，再根据情况进行判断及处理。这个由 ZigBee 无线传感网络，传感器采集模块，PC 端，安卓智能手机构成的多终端无线监测系统极大程度地利用了 ZigBee 优良的网络特性，通过路由的转发扩大了数据传输的范围，又通过 PC 与安卓智能手机将11、 ZigBee 网络的数据与宽带网络和手机通讯网络相连接，大大地扩大了人工监测数据的范围，稍加扩展即可实现远距离的人工控制，为 ZigBee 技术在远距离的监测方面提供了一个切实可行的应用范例。4 第第2章章 ZigBee协议栈协议栈2.1基础概念基础概念2.1.1 ZigBee协议的体系结构协议的体系结构 ZigBee 的体系结构由称为层的各模块组成。每一层为其上层提供特定的服务：即由数据服务实体提供数据传输服务；管理实体提供所有的其他管理服务。每个服务实体通过相应的服务接入点(SAP)为其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。ZigBee 协议的体系结构如下图所示12、：5 物理层（物理层（PHY）物理层定义了物理无线信道和 MAC 子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层内容：1)ZigBee 的激活；2)当前信道的能量检测；3)接收链路服务质量信息；4)ZigBee 信道接入方式；5)信道频率选择；6)数据传输和接收。介质接入控制子层（介质接入控制子层（MAC）MAC 层负责处理所有的物理无线信道访问，并产生网络信号、同步信号；支持 PAN 连接和分离，提供两个对等 M AC 实体之间可靠的链路。MAC 层功能：1）网络协调器产生信标；2）与信标同步；3）支持 PAN(个域网)链路的建立和断开；4）为设备的安全性提供支持；5）信道接入方13、式采用免冲突载波检测多址接入(CSMA-CA)机制；6）处理和维护保护时隙(GTS)机制；7）在两个对等的 M AC 实体之间提供一个可靠的通信链路。网络层（网络层（NWK）ZigBee 协议栈的核心部分在网络层。网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能。网络层功能：1)网络发现；2)网络形成；3)允许设备连接；4)路由器初始化；5)设备同网络 连接；6)直接将设备同网络连接；7)断开网络连接；8)重新复位设备；9)接收机 同步；10)信息库维护。应用层（应用层（APL）ZigBee 应用层框架包括应用支持层(APS)、ZigBee 设备对象(ZDO)和制14、造商所定义的应用对象。应用支持层的功能包括：维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。ZigBee 设备对象的功能包括：定义设备在网络中的角色(如 ZigBee 协调器和终端设备)，发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制。ZigBee 设备对象还负责发现网络中的设备，并且决定向他们提供何种应用服务。ZigBee 应用层除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。6 应用程序框架（应用程序框架（AF）：）：运行在 ZigBee 协议栈上的应用程序实际上就是厂商自定义的应用对象，并且遵循规范（profile）运行在端点 1 2 40 15、上。在 ZigBee 应用中，提供 2 种标准服务类型：键值对（KVP）或报文（MSG）。ZigBee 设备对象（设备对象（ZDO）：）：远程设备通过 ZDO 请求描述符信息，接收到这些请求时，ZDO 会调用配置对象获取相应描述符值。另外，ZDO 提供绑定服务。2.1.2 ZigBee协议术语协议术语 设备设备(device)一个节点就是一个设备，对应一个无线 SoC CC2530，一个射频发射端，具有唯一的 64位 IEEE 地址与唯一的 16 位网络地址，节点包括全功能设备（协调器、路由器），精简功能设备（终端）。端点端点(endpoint)8 位字段，描述协议栈上的不同应用。簇簇(clu16、ster)簇是属性的集合，多个属性汇集成了簇，每个簇拥有唯一的 ID。属性属性(attribute)设备之间通信的每一种数据即可称为一种属性，每个属性拥有唯一 ID，用结构体描述。typedef struct uint16 attrId;uint8 dataType;uint8 accessControl;void *dataPtr;zclAttribute_t;typedef struct uint16 clusterID;zclAttribute_t attr;zclAttrRec_t;描述符描述符(descriptor)设备的每一个端点必须拥有一个端点描述符，且其中需要包含一个简单描述符17、，均由结构体定义。7 绑定绑定(binding)通过 Cluster ID 为不同设备上的端点建立一个逻辑连接，具体过程如下：设备将绑定请求发送到网络内唯一的协调器，由协调器分析设备端点的 Cluster ID，若符合建立绑定条件，由协调器将绑定的设备地址写入绑定表，这样既可建立设备之间通信的逻辑链路，而通信的物理链路是通过协调器分析绑定表将数据转发。2.2Z-Stack体系架构体系架构作为 ZigBee 开发的重要工具，Z-Stack 协议栈为开发人员提供了大量的 API 函数，将ZigBee 协议底层的功能通过函数封装直接提供给用户，方便调用，整个协议栈实现了 ZigBee的全部功能，包括18、网络发现、绑定等，用户只需将自己所要实现的功能添加到应用层即可。Z-Stack 由 main 函数开始执行，main 函数一共做了两件事，系统初始化与开始一个轮询操作系统。2.2.1 系统初始化系统初始化 有一些工作需要在正式开始轮转查询操作系统之前完成，如：关闭所有终端，初始化系统时钟，检查芯片电压，初始化堆栈、硬件模块、Flash 存储器，确定 IEEE 地址，初始化MAC 层，使能全部中断，初始化操作系统分配任务优先级。2.2.2 操作系统执行过程操作系统执行过程 Z-Stack 中操作系统是基于优先级的轮转查询式操作系统，其执行过程就是根据任务优先级不断查询当前任务是否有事件发生，如果19、有事件发生，开始对相应事件进行处理，否则开始对下一任务查询。Z-Stack 协议栈中，通过注册函数将消息时间注册给相对应的任务，当该事件的消息被触发时，对应任务的事件处理函数会对这个消息进行处理。例如注册了按键事件，则当有按键的状态变化时，操作系统会进入按键事件注册的任务处理函数中，对该事件进行处理并执行相应操作，这样即可实现用户所期望的功能。8 2.3ZigBee网络网络2.3.1 网络的建立与加入网络的建立与加入 协调器启动并建立网络协调器启动并建立网络 协调器启动时首先进行任务初始化，osalInitTasks()，应用层的任务初始化工作有：分配任务 ID 号，设置绑定标志位（默认不允许20、绑定），初始化端点描述符，在 AF 层注册该端点描述符，默认关闭匹配描述符的响应，注册键盘事件，设置进入事件。协调器首次启动时，NV 中的 StartOption 默认值为 0 x0，因此不能建立网络。直到触发按键事件，使 StartOption 值变为 0 x4，才开始建立网络，zb_StartRequest()，通过对网络层API 的调用，定义信道频率，超帧长度，信标事件，当网络层执行网络建立函数后会反馈信息给 ZDO 层，当确认网络建立成功后，继续执行后续功能。路由器或终端加入网络路由器或终端加入网络 设备首次启动时，NV 中的 StartOption 默认值为 0 x0，因此不能加入网21、络。直到触发按键事件，使 StartOption 值变为 0 x4，才开始执行 zb_StartRequest()，由于设备类型原因，终端及路由器不能建立网络，但是会与协调器建立的网络通道匹配，当发现网络存在时，有网络层向 ZDO 层反馈信息，并发出加入网络请求，如加入成功，会向 ZDO 层反馈加入成功的信息，继而执行后续操作。由于 Z-Stack 协议栈为用户提供了现成的函数实现网络的建立与加入，极大地降低了开发难度，只需调用相关函数，操作系统就会根据设备类型判断是应该建立网络或是发现并加入已有网络，这即是 ZigBee 的自组网特性。具体过程如图 2.1 所示：图图2.1 ZigBee组网22、流程组网流程 9 2.3.2 绑定绑定 绑定是信息流在两个设备应用层之间流动的一种机制，绑定允许应用层发送信息而无需指定目的地址，而从绑定表格中确定目的地址，然后在信息前段将地址加入。绑定是两个设备应用层上的逻辑连接，一旦绑定被创建，可以不指定目的地址，将 0 xFFFE 作为目的地址即可将数据发送到目的设备。绑定建立的具体流程为：绑定建立的具体流程为：1.目标设备允许绑定，zb_AllowBind()。2.目标设备定义按键事件，在事件处理函数中调用 zb_AllowBindRequest()，发出匹配相应，zb_BindDevideREquence()函数带着空地址发出，最终使用 APSME23、_BindRequest()创立绑定，由于不能使用扩展地址，会利用匹配描述符获得短地址，调用 ZDP_IEEEAddrReq()，获取扩展地址并完成绑定的建立过程。2.3.3 路由路由 ZigBee 设备工作在 2.4GHz 频段上，这一基本特性限制了 ZigBee 设备的数据传输距离，路由器就是突破这一限制的有力工具。路由器的本职工作是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的节点。在 ZigBee 无线网络中，路由是非常重要的节点设备，不仅完成了路由功能，更是在数据传输过程中起到了接力棒的作用，转发数据，大大扩展了传输距离。选择最佳路径的策略即路由算法是路由器24、的关键，Z-Stack，提供了完整高效的路由算法，路由对于应用层来说完全透明，应用程序只需将数据下发到协议栈中，协议栈会自己负责寻找路由，通过多跳的方式将数据传送到目的地址。路由还能够自愈网络，极大提高网络可靠性，是 ZigBee 自组网特性的重要体现。ZigBee 终端节点不执行路由功能，路由功能是全功能设备所特有的，中端接点将数据发送到父节点，由父节点代为执行路由，同样向终端节点发送数据将由父节点代为回应。10 第第3章章 CC2530无线数据传输无线数据传输3.1引言引言作为无线传感网络最为重要的组成部分，无线数据传输的质量决定了无线传感网络能否应用于实际生活当中。ZigBee 本身的传25、输距离就不是很远，加上传感网络需要应用在封闭的楼宇内，更是将传输距离近一步地降低，因而，准确地获取 ZigBee 在相对独立而封闭的空间内的数据传输效果就显得尤为重要。又由于 ZigBee 优良的网络特性，加之路由器在扩大网络传输方面所起到的关键作用，只要根据数据的传输效果，并结合楼宇内部结构，在关键位置用路由器作为中继节点转发数据，就可以获取任意位置传感节点所采集到的数据。3.2点对点数据传输点对点数据传输 实验设计实验设计 包含两个节点的点对点传输，其中一个作为发送器，另一个作为接收器，信道设置为2405MHz，发送器设置增益可选，发送数据总数 1000 个，传输速率 100 个/秒，用 26、LCD 屏幕显示收到的数据个数。改变发送器与接收器的空间位置与距离，通过接收器收到的数据个数分析 CC2530 无线数据传输的效果。电路图电路图 CC2530 射频发送模块电路：11 电源供电模块：片上系统程序设计片上系统程序设计 主函数：主函数：void main(void)/等待进入菜单选项 while(halButtonPushed()!=HAL_BUTTON_1);halMcuWaitMs(350);halLcdClear();/设置物理信道频率 basicRfConfig.channel=11;/选择作为发送或接收端 appMode=appSelectMode();/发送端功能 if27、(appMode=MODE_TX)appTransmitter();/接收端功能 else if(appMode=MODE_RX)appReceiver();12 HAL_ASSERT(FALSE);发送端函数：发送端函数：static void appTransmitter()/初始化 RF，读出配置 basicRfConfig.myAddr=TX_ADDR;if(basicRfInit(&basicRfConfig)=FAILED)HAL_ASSERT(FALSE);/设置功率增益 appTxPower=appSelectOutputPower();halRfSetTxPower(appT28、xPower);/设置总数为 1000 burstSize=1000;/关闭 RF 的接收功能 basicRfReceiveOff();/设置发送速率 100/s n=100;appConfigTimer(n);/初始化按键 halJoystickInit();/初始化包序列，为后续判断是否丢包做准备 txPacket.seqNumber=0;for(n=0;n sizeof(txPacket.padding);n+)txPacket.paddingn=n;13 /LCD 清屏，并显示提示信息 halLcdClear();halLcdWriteLines(PER Tester,Joystick29、 Push,start/stop);/发送数据的循环 while(TRUE)/等待用户开始应用 while(!halJoystickPushed();while(appStarted)if(pktsSent 0)halLedSet(3);/更改字节顺序 /获取序列数目 segNumber=rxPacket.seqNumber;/为计算丢包数目做准备 if(resetStats)rxStats.expectedSeqNum=segNumber;resetStats=FALSE;/收到的数据就是目标收到数据时 if(rxStats.expectedSeqNum=segNumber)rxStats.30、expectedSeqNum+;/反之存在丢包情况 else if(rxStats.expectedSeqNum segNumber)rxStats.lostPkts+=segNumber-rxStats.expectedSeqNum;rxStats.expectedSeqNum=segNumber+1;/如果序列数小于原有数目可认为有新的序列发送 else /更新统计信息 rxStats.expectedSeqNum=segNumber+1;15 rxStats.rcvdPkts=0;rxStats.lostPkts=0;rxStats.rcvdPkts+;/重置统计信息 if(halBut31、tonPushed()=HAL_BUTTON_1)resetStats=TRUE;rxStats.rcvdPkts=1;rxStats.lostPkts=0;/在 LCD 上面显示接收到的数据数目以及丢失的数据数目 3.3实验设计实验设计设计：将发送端与接收端分别在以下情况进行测试设计：将发送端与接收端分别在以下情况进行测试 1.封闭楼宇内无障碍无遮挡，例如走廊的两端。2.封闭楼宇内有障碍物遮挡，例如将发送端置于封闭房间内，接收端置于与房间有一定间隔的走廊内。基于成本的考虑，射频部分分别采用成本最低的 PCB 天线，成本适中的鞭状天线，以及加入 2591PA模块再由鞭状天线发射。测试数据为接收32、端收到的数据多少以判断传输效果。其中封闭楼宇内无障碍传输只考虑在走廊的两侧分别放置发送端与接收端，直线距离约为120 米，封闭楼宇有障碍物遮挡考虑发送端置于走廊一侧房间内，接收端置于走廊中，与发送端直线距离大约 80 米与 100 米，其中有大约两堵墙作为障碍物间隔其中。设计：实验结果表格设计：实验结果表格 方案 室内无遮挡 120 米 室内有遮挡 80 米 室内有遮挡 100 米 PCB 天线 实验数据 实验数据 实验数据 鞭状天线 实验数据 实验数据 实验数据 加 PA 模块的鞭状天线 实验数据 实验数据 实验数据 通过对以上表格中的数据进行分析，可以直观反映最佳方案。16 第第4章章基于33、基于ZigBee的无线监测系统的无线监测系统 4.1系统设计系统设计4.1.1 系统总体设计系统总体设计 基于 ZigBee 的无线监测系统主要由温湿度采集终端、ZigBee 中继节点、PC 机以及安卓智能手机控制终端四个部分组成，系统总体结构框图如图 4.1 所示。图图4.1基于基于ZigBee的数据采集系统总体结构框图的数据采集系统总体结构框图 温湿度采集终端采集数据后，通过 CC2530/ZigBee 无线通信模块将数据发往 ZigBee 中继节点，ZigBee 中继节点通过 RS232 转 USB 与 PC 总控中心进行通信，PC 机接收到数据后进行相应的处理，同时 ZigBee 中继34、节点通过蓝牙与 Android 手机通信，在 Android 手机端也会将收到的数据进行相应的处理。PC 机 ZigBee 中继节点 Android 手机 USB/RS232 蓝牙 CC2530/ZigBee 无线通信模块 CC2530 温湿度传感器 温湿度传感器 温湿度采集终端 1 温湿度采集终端N c 17 4.1.2 CC2530/ZigBee无线通信模块结构无线通信模块结构 CC2530/ZigBee 无线通信模块的原理框图如图 4.2 所示。图图4.2 CC2530/ZigBee无线通信模块的原理框图无线通信模块的原理框图 CC2530/ZigBee 无线通信模块使用了 CC253035、 芯片，其内嵌了 8051CPU 内核。本系统中温湿度采集终端及中继节点都应用了 CC2530/ZigBee 无线通信模块。对于温湿度采集终端来说，传感器将采集到的模拟量或数字量通过通用 I/O 传递给 CC2530，再由 CC2530 直接或进行 A/D 转换后通过收发天线发送出去。对于中继节点，其接收到数据后将通过 RS232转 USB 与 PC 通信，PC 设置网络与 Android 手机通信。4.1.3 温湿度传感器采集模块温湿度传感器采集模块 系统中采集温湿度的传感器是DHT11数字温湿度传感器，传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该36、产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达50米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。其接口电路原理图如图4.3所示。CC2530 电源管理 晶振 收发天线 通用I/O口(用于数字量的输入或A/D转换的输入)18 图图4.3温湿度传感器接口电路原理图温湿度传感器接口电路原理图 4.2软件设计与实现软件设计与实现4.2.1 片上系统编程37、片上系统编程 ZigBee协调器，即中继节点协调器，即中继节点 在系统中主要实现建立网络的功能，并负责将采集节点的数据通过 RS232 或蓝牙发送到 PC或者 Android 手机端。系统初始化后，启动建立网络功能，通过寻址方式找到最佳传输信道，广播数据等待其他节点加入并允许绑定。当有节点发现网络并加入后，处理节点发送的数据，并通过 8051CPU 的 UART 功能由 RS232将数据传向 PC 端。ZigBee路由器路由器 在系统中实现中继转发数据，扩展系统范围的功能，路由器加入协调器建立的网络后，广播数据，当有节点收到路由器广播的数据后即可触发节点加入网络的函数，进而加入协调器建立的网络38、，当有传感节点向路由发送数据时，路由进行判断并将数据发送至上一层节点，直至网络中唯一的协调器，这样即实现了数据转发。ZigBee终端，即温湿度采集终端终端，即温湿度采集终端 在系统中实现采集温湿度传感器数据，向上级节点发送数据。通过 8051CPU 的 AD 电压转换采集温湿度传感器模块的电压，并将其转换成相对应的温湿度，将转换后的温湿度数据，以及一些重要参数发送到上级节点，经过一定的时间周期不断重复该过程。网络的建立网络的建立 由于 ZigBee 自组网的特性，加上上一章 ZigBee 数据传输效果的支持，只要传感节点与上级路由器或协调器的距离满足条件，就可以很容易地加入到网络当中，并将采集39、到的数据发送到协调器。网络建立后的拓扑图：网络建立后的拓扑图：通过 TI 公司 Z-Sensor Monitor 获得，如图 4.4 所示 19 图图4.4 无线传感网络拓扑图无线传感网络拓扑图 其中蓝色节点代表路由器，黄色节点代表终端采集设备，由于软件只能分析温度数据，故在节点上只能显示温度。可以看出路由在网络中承担了数据转发的作用。4.2.2 PC端程序设计端程序设计 PC 机的主要功能是通过 RS232 转 USB 与 ZigBee 中继节点通信，将接收到的数据进行处理并实时显示在程序中，由于本系统可随时增加数据采集的节点，所以如果发现有新增节点，则会在程序界面中新增加显示的节点。此外，40、如果处理中发现温度湿度等测量参数超出之前用户设定的阈值，计算机则将发出警告。系统软件基于对话框的 MFC 编程，调用了 MSCOMM 控件以接受通过串口传过来的数据。MSCOMM 有事件驱动与查询两种工作方式，为了达到实时监测的目的，选择事件驱动的方式，一旦收到数据就调用数据处理函数进行分析处理。PC 机系统软件的程序流程图如20 图 4.5 所示。图图4.5 PC机系统软件的程序流程框图机系统软件的程序流程框图 程序初始化 收到数据？解析数据 UI 界面加入新节点 新节点加入？更新 UI 数据 Y Y N N 21 软件运行界面如 4.6 4.7 所示：图图4.6 PC端软件运行界面端软件运41、行界面 图图4.7 设置网络服务部分设置网络服务部分 22 4.2.3 Android手机平台程序设计手机平台程序设计 通过软件设置 PC 端作为服务器启用网络服务，Android 智能手机连接 PC 端通信，将采集的数据显示在手机上，如果有参数超出之前用户设定的阈值，软件将会震动亮灯警报。安卓智能手机端软件运行如图 4.8 所示 图图4.8 安卓手机端程序运行界面安卓手机端程序运行界面 4.3小结小结基于 ZigBee 在封闭楼宇内的传输效果构建的传感网络在实地环境中测试效果良好，由于路由可以转发数据，延展网络传输距离，可以完成任意位置环境参数的采集并且 PC 端与手机端程序正常运行，当温湿42、度处于警报范围内，系统将作出正确的预警反应，验证了方案的可行性，满足设计需求。整体成本控制良好。终端部署方式灵活，并有很高的可扩展性。作为一种新型的监控系统实现方案具有相当的现实意义。23 第第5章章总结与展望总结与展望5.1特色与创新特色与创新基于 ZigBee 的多终端无线监测系统，是利用 ZigBee 优良的无线传输及组建网络特性，将无线传感网络实现的具体应用，配合 PC 与安卓智能手机，突破 ZigBee 传输距离的限制。由于 ZigBee 自组网的特性，节点总是能够寻找并加入最近的传感网络，因此终端节点可以突破原有有线数据传输位置的限制，任意摆放至需要的地方。路由设备以及 ZigBe43、e 的 RF传输质量保证了即使在封闭的楼宇内，仍可以使用路由将终端节点延伸到任意位置。目前应用在封闭内部的监测系统大多使用有线数据传输，这样的系统虽然可以保证传输速率，但是存在着成本高，维护困难，不易扩展等诸多方面的限制。而基于 ZigBee 的多终端无线监测系统虽然受到 ZigBee 本身低传播速率的限制，但是成本较低，易于维护且方便扩展，可以将终端任意添加或移除。而且终端可扩展性强，可以在传播速度允许的范围内添加功能。所采用的 DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性44、。该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11 传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达 80 米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则，应用于本系统，能在特定环境下有效地实施监控。5.2存在的问题存在的问题ZigBee 技术本身即存在传输速率低的问题，在传输环境参数时，因为数据只有几个字节，速率低的问题并未显现，但是如果将 ZigBee 无线传输用于几千字节甚至几万字节的数据，速率低以及丢包的问题就会被无限放大，怎样较好地解决数据传输与校验丢包的问题，将决定本系统45、的扩展性。5.3扩展与展望扩展与展望基于 ZigBee 的多终端无线监测系统为楼宇内的监监测制提供了一个切实可行的解决方案，利用由 ZigBee 组成的无线传感网络，可以实现远程数据采集，远程控制命令发送，如果终端节点接入到关键设备中，可实现用户通过手机或电脑经由 ZigBee 中继节点(即协调器)24 的 RS232 将命令发送到终端节点，进而实现远程控制，以更大程度上节约人力成本。由于 ZigBee 转以太网网关已经存在成熟的技术，大数据的发送可以经以太网，虽然无法避免接口固定移动不方便的限制，但是为采集终端发送大数据提供了一种解决手段。而随着计算机技术的发展，无线网络飞速发展，发展出成熟46、的 ZigBee 与 WLAN 的网关并非不可能，到那时，本系统会得到更大的扩展，虽然终端节点的功能不会扩展太多，但与互联网上丰富的应用相结合，以无线数据采集为基础的无线监测系统存在着广阔的前景。与此同时，ZigBee 技术可与 MQ-2 烟雾传感器、土壤温湿度传感器、粉尘传感器等多种传感器相结合，其数据采集范围相当广泛，在众多领域拥有广阔的应用前景。综上，随着 ZigBee 无线数据传输技术与传感器技术的发展，无线监测系统在物联网的洪流中必将占有一席之地，存在着良好的应用前景。5.4总结总结经过半个多月的讨论与努力，在老师的指导下，我们小组将自己对安全监测系统方面的设想通过作品表达了出来，并47、进行了试验确保本监测系统的可靠性。我们对于 Zigbee 技术与编程方面了解并不是很多，为了让项目顺利进行，我们查询了大量的资料，共同学习并讨论，在老师的帮助与建议下，经过多次修改下完成了系统设计。在监测系统设计与制作的过程中，我们不仅对所学的知识有了更深的认识，同时还拓展了自己的知识面，丰富了视野，也提高了动手能力。感谢大赛委员会给我们这样一个锻炼提高的机会，在实践中我们深刻意识纸上得来终觉浅绝知此事要躬行的道理，在合作中体会到团队力量之大，受益良多。25 参考文献参考文献1.王东东，郭文成基于ZigBee技术的路灯无线网络控制系统设计J天津工业大学 学报，2009，28（1）：pp8488.2.李小珉,赵志宏,郭志.ZigBee 无线传感器网络组网实验J.电子测量技术,2007,30(5):pp147-149.3.CC2530 Data Sheet OL.http:/ Embedded Workbench 8051 Help OL.http:/ 无线传感器网络设计与实现M.北京：化学工业出 版社,2012.6.