基于zigbeeCC2530的数据采集与传输系统的设计

1创作编号：GB8878185555334563BT9125XW创作者：凤呜大王*摘要随着网络的飞速发展，人们呼吁快速便捷的网络的呼声也越来越来强烈，无线网络必定是未来世界的网络主要发展方向。而3G时代无线应用的日渐丰富，以及无线终端设备的层出不穷，对于无线网络，尤其是基于802.11技术标准的Wi-Fi无线网络，802.11n产品技术应用逐渐成为市场主流应用。ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术。它是一种介于无限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。自己在学校学习期间熟悉了通信原理，简单的单片机知识，c语言编程等等。这些都能在这次的srtp里面得到体现。我们本次srtp重点研究了zigbee无线组网，结合TIz-stack无线传感协议，在cc2530芯片的基础上实现温湿度光敏等数据的无线监测，通过此次设计过程来验证zigbee无线网络的便捷性。关键词无线网络zigbee数据监测第一章绪论21课题背景机车在做牵引试验时，需对机车上的试验数据进行采集与传输系统，目前还是通过有线方式实现数据的采集与传输，由于线缆本身十分笨重，占用空间多，这就使得每次牵引试验时，不但接线非常繁琐，而且费时费力。又由于受到振动，连接电缆易损坏或者断线，大大影响了数据采集的可靠性。针对目前牵引试验数据采集与传输系统存在的不足，拟采用无线传感器网络来实现牵引试验数据的采集与传输。该系统采用无线传感器网络节点构成测量系统。由于该系统取消了常规的测量接线，采用无线传输采用由无线传感器节点构成的无线传感器网络，来实现机车牵引试验时，试验数据的采集与传输。所以采用ZigBee无线通信技术实现数据的无线传输。采用软测量方法实现试验数据的检测。测量数据，大大减少了试验所需的连线。提高了试验效率和试验的灵活性。本文通过对ZigBee无线网络的讨论，重点研究了无线传感器网络节点设备。无线技术在传感监测领域有自己独特的优势，传统的有线通信方式因为其成本高、布线复杂，已经不能完全满足人们的应用需求了。由此，无线通信技术应运而生。无线网络技术按照传输范围来划分，可分为无线广域网、无线城域网、无线局域网和无线个人域网。无线个人域网即短距离无线网络，典型的短距离无线传输技术有：蓝牙（Bluetooth）、ZigBee、WiFi等。在工业控制、家庭自动化和遥测遥感领域，蓝牙（Bluetooth）虽然成本较低，成熟度高，但是传输距离有限，仅为10米，可以参与组网的节点少。WiFi虽然传输速度较快，传输距离达到100米，但是其价格偏高，功耗较大，组网能力较差。相比之下ZigBee技术则主要针对低成本、低功耗和低速率的无线通信市场，具有如下特点：功耗低：工作模式情况下，ZigBee技术传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收发时间很短，其次在非工作模式时，ZigBee节点处于休眠模式。设备搜索时延一般为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入3时延为15ms。由于工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，使得ZigBee节点非常省电，ZigBee节点的电池工作时间可以长达6个月到2年左右。同时，由于电池时间取决于很多因素，例如：电池种类、容量和应用场合，ZigBee技术在协议上对电池使用也作了优化。对于典型应用，碱性电池可以使用数年，对于某些工作时间和总时间（工作时间+休眠时间）之比小于1%的情况.数据传输可靠：ZigBee的媒体接入控制层（MAC层）采用talk-when-ready的碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需求时则立刻传送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并进行确认信息回复，若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞，将再传一次，采用这种方法可以提高系统信息传输的可靠性。同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。同时ZigBee针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。网络容量大：ZigBee低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。ZigBee定义了两种器件：全功能器件（FFD）和简化功能器件（RFD）。对全功能器件，要求它支持所有的49个基本参数。而对简化功能器件，在最小配置时只要求它支持38个基本参数。一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话，可以按3种方式工作，分别为：个域网协调器、协调器或器件。而简化功能器件只能与全功能器件通话，仅用于非常简单的应用。一个ZigBee的网络最多包括有255个ZigBee网路节点，其中一个是主控（Master）设备，其余则是从属（Slave）设备。若是通过网络协调器（NetworkCoordinator），整个网络最多可以支持超过64000个ZigBee网路节点，再加上各个NetworkCoordinator可互相连接，整个ZigBee网络节点的数目将十分可观。兼容性：ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器（Coordinator）自动建立网络，采用载波侦听/冲突检测（CSMA-CA）方4式进行信道接入。为了可靠传递，还提供全握手协议。安全性：Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供了三级安全性。第一级实际是无安全方式，对于某种应用，如果安全并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，器件就可以选择这种方式来转移数据。对于第二级安全级别，器件可以使用接入控制清单（ACL）来防止非法器件获取数据，在这一级不采取加密措施。第三级安全级别在数据转移中采用属于高级加密标准（AES）的对称密码。AES可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件。实现成本低：模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1.5-2.5美元，且Zigbee协议免专利费用。目前低速低功率的UWB芯片组的价格至少为20美元。而ZigBee的价格目标仅为几美分。由于ZigBee技术具有上述特点，因而广泛应用在短距离低速率电子设备之间的数据传输。ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。2课题研究的目的意义ZigBee技术具有低成本、低功耗、近距离、短时延、高容量、高安全及免执照频段等优势，广泛应用于智能家庭、工业控制、自动抄表、医疗监护、传感器网络应用和电信应用等领域。智能家庭：现今家用电器已经随处可见了，如何将这些电器和电子设备联系起来，组成一个网络，甚至可以通过网关连接到Internet，使得用户可以方便地在任何地方监控自己家里的情况？ZigBee技术提供了家庭智能化的技术支持，在ZigBee技术的支持下，家用电器可以组成一个无线局域网，省却了在家里布线的烦恼。工业控制：工厂环境当中有大量的传感器和控制器，可以利用ZigBee技术把它们连接成一个网络进行监控，加强作业管理，降低成本。自动抄表：现在在大多数地方还是使用人工的方式来逐家逐户进行抄表，十分不方便。而ZigBee可以用于这个领域，利用传感器把表的读数转化为数字信号，通过ZigBee网络把读数直接发送到提供煤气或水电的公司。使用ZigBee进行抄表还可以带来其它好处，比如煤气或水电公司可以直接把一些信息发送给用户，或者和节能相结合，当发现能源使用过快的时候5可以自动降低使用速度。医疗监护：医疗工作中，时常要获得病人的生理指标、环境指标，可以通过放置传感器构成传感器网络，实时监测这些数据。由于是无线技术，传感器之间不需要有线连接，被监护的人也可以比较自由的行动，非常方便。传感器网络应用：传感器网络也是最近的一个研究热点，像货物跟踪、建筑物监测、环境保护等方面都有很好的应用前景。传感器网络要求节点低成本、低功耗，并且能够自动组网、易于维护、可靠性高。ZigBee在组网和低功耗方面的优势使得它成为传感器网络应用的一个很好的技术选择。此外，ZigBee技术也可以应用到汽车电子、农业生产和军事领域中。随着物联网技术的日渐兴起，ZigBee技术将会扮演更为重要的角色。但是，物联网的全面普及将是一个十分漫长的过程，至少目前还在探索和实验阶段，距离实用还有很长的路要走。虽然前景一片大好，但是我们应该清楚认识到由于各方面的制约，ZigBee技术的大规模商业应用还有待时日，基于ZigBee技术的无线网络应用还远远说不上成熟，主要表现在：ZigBee市场仍处于起步探索阶段，终端产品和应用大多处于研发阶段，真正上市的少，且以家庭自动化为主；潜在应用多，但具有很大出货量的典型应用少，市场缺乏明确方向；使用点对多点星状拓扑的应用较多，体现ZigBee优势的网状网络应用少；基于IEEE802.15.4底层协议的应用多，而基于ZigBee标准协议的应用少3设计的准备工作及预期实现的目的1熟悉通信原理zigbee是一种无线网络技术，在组网过程中涉及到的广播原理以及网络标识等都需要我去补充通信原理方面的知识2熟悉掌握IAR软件的应用zigbee硬件里面的程序大部分是在IAR环境下完成编译调试的3掌握基础的射频知识cc2530的芯片就是右51单片机跟射频前端组成的，信息的发送与接受是靠射频前端完成的4熟悉c语言网络硬件编程，在设计传感器网络的时候需要在zigbee网络的应用层做编程工作，用到的语言就是c语言。5了解TI的z-stack协议6预期实现的效果：把调试完成的程序烧写进zigbee硬件后可以成功组网，通过电脑可以观察到网络拓扑结构，在电脑上可以监测节点的温湿度光敏数值。第二章zigbee无线网络概述2.1ZigBee概述ZigBee一词来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络，它是一种低成本、低功耗的近距离无线组网通信技术。2000年，IEEE802.15工作组成立的任务组TG4（TaskGroup，TG）制定了IEEE802.15.4标准。该标准以低能耗、低速率传输、低成本为重点目标，为设备之间的低速无线互连提供了统一标准，就是ZigBee无线通信技术。ZigBee协议是基于IEEE802.15.4标准的，由IEEE802.15.4和ZigBee联盟共同制定。IEEE802.15.4工作组制定ZigBee协议的物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC层）协议。ZigBee联盟成立用于2002年，定义了7ZigBee协议的网络层（NWK）、应用层（APL）和安全服务规范。协议栈结构如图2-1。应用层（含应用接口层）用户应用支持子层ZigBee联盟创作编号：GB8878185555334563BT9125XW创作者：凤呜大王*网络层MAC层IEEE802.15.4物理层图2-1ZigBee协议栈结构ZigBee协议由物理层(PHY)、介质访问控制子层(MAC)、网络层(NWK)，应用层(APL)及安全服务提供层(SSP)五块内容组成。其中PHY层和MAC层标准由IEEE802.15.4标准定义，MAC层之上的NWK层，APL层及SSP层，由ZigBee联盟的ZigBee标准定义。APL层由应用支持层(APS)，应用框架(AF)以及ZigBee设备对象(ZDO)及ZDO管理平台组成[1]。PHY层定义了无线射频应该具备的特征，提供了868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz和2400MHz-24835MHz三种不同的频段，分别支持20kbps、40kbps和250kbps的传输速率，1个、10个以及16个不同的信道Ⅲ。ZigBee的传输距离与输出功率和环境参数有关，一般为10～100米之8间。PHY层提供两种服务：PHY层数据服务和PHY层管理服务，PHY层数据服务是通过无线信道发送和接收物理层协议数据单元(PPDU)，PHY层的特性是激活和关闭无线收发器、能量检测、链路质量指示、空闲信道评估、通过物理媒介接收和发送分组数据。MAC层使用CSMA-CA冲突避免机制对无线信道访问进行控制，负责物理相邻设备问的可靠链接，支持关联