基于ZigBee技术的森林火灾监测系统的节点设计.docx

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基于ZigBee技术的森林火灾监测系统的节点设计

1.绪论

1.1课题背景

信息技术发展日新月异，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[1]：

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，电池的寿命甚至可以超过10年。

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。

1.2课题研究的目的和意义

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。

1.3国内外研究概况

ZigBee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），IEEE802.15.4-2003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1．1版本规范，2007年10月发布了ZigBeePro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。

飞思卡尔推出了全球首个符合ZigBee标准的平台，使得制造商能够将ZigBee技术应用于传感和监控领域。

截止至2005年4月，已有TexasInstruments（收购Chipcon）、Freeseale、CompXs、Ember等四家公司通过了ZigBee联盟对其产品所作的测试和兼容性验证。

目前市场上RF主流芯片的供应商包括TI、EMBER、FREESCALE以及JENNIC，他们分别推出单芯片解决方案CC2430／CC2431、EM250、MCl321x以及JN5121，在市场上极具竞争力。

主流的商用ZigBee的协议栈为Figure8wireless提供的F8wZ-Stack。

1.4论文的主要研究内容及论文安排

本文主要研究了基于ZigBee的温度检测系统的设计，包括节点的硬件设计、无线传感器网络的组建以及上位机的编程实现。

本文的安排如下：

第一部分阐述了设计的背景、目的和意义以及目前国内外的ZigBee研究发展情况。

第二部分介绍了ZigBee的协议栈结构、各层的功能、ZigBee的网络节点类型、网络体系结构及工作模式，此外简要介绍了CC2430芯片。

第三部分介绍了本设计的开发环境以及相关的软硬件设计，包括上位机的设计。

第四部分介绍了该设计的测试过程和调试过程。

第五部分对全文进行了总结以及一些个人心得。

第六部分为致谢部分，对本次设计中给与帮助和执导的老师以诚挚的感谢。

第七部分为参考文献，是本次设计中所用到的知识点参考资料等。

2.ZigBee协议及所采用的芯片介绍

2.1ZigBee概述

ZigBee一词来源于蜜蜂赖以生存的通信方式ZigZag形状的舞蹈，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ZigBee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

安全层

ZigBee联盟

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（Association）和退出关联（Disassociation）以及MAC层安全。

MAC层提供两种服务：

MAC层数据服务和MAC层管理服务，MAC层数据服务通过物理层数据服务发送和接收MAC层协议数据单元（MPDU）。

MAC层的主要功能是：

进行信标管理、信道接入、保证时隙（GTS）管理、帧确认应答帧传送、连接和断开连接。

NWK层提供网络节点地址分配，组网管理，消息路由，路径发现及维护等功能。

NWK层主要是为了确保正确地操作IEEE802.15.4．2003MAC子层和为应用层提供服务接口。

NWK层从概念上包括两个服务实体：

数据服务实体和管理服务实体。

NWK层的责任主要包括加入和离开一个网络用到的机制、应用帧安全机制和他们的目的地路由帧机制，ZigBee协调器的网络层还负责建立一个新的网络。

ZigBee应用层包括应用支持子层（APS子层）、应用框架（AF）和ZigBee设备对象（ZDO）。

APS子层负责建立和维护绑定表，绑定表主要根据设备之间的服务和他们的需求使设备相互配对。

ZigBee的应用框架（AF）为各个用户自定义的应用对象提供了模板式的活动空间，并提供了键值对（KVP）服务和报文（MSG）服务供应用对象的数据传输使用。

一个设备允许最多240个用户自定义应用对象，分别指定在端点l至端点240上。

ZDO可以看成是指配到端点O上的一个特殊的应用对象，被所有ZigBee设备包含，是所有用户自定义的应用对象调用的一个功能集，包括网络角色管理，绑定管理，安全管理等。

ZDO负责定义设备在网络中的角色（例如是ZigBee协调器或者ZigBee终端设备）、发现设备和决定他们提供哪种应用服务，发现或响应绑定请求，在网络设备之间建立可靠的关联。

安全服务提供者SSP（SecurityServiceProvider）向NWK层和APS层提供安全服务。

ZigBee协议层与层之间是通过原语进行信息的交换和应答的。

大多数层都向上层提供数据和管理两种服务接口，数据SAP（ServiceAccessPoint）和管理SAP（ServiceAccessPoint）。

数据服务接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务，管理服务接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制。

2.2ZigBee网络基础

ZigBee网络基础主要包括设备类型，拓扑结构和路由方式三方面的内容，ZigBee标准规定的网络节点分为协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端节点（EndDevice）。

节点类型是网络层的概念，反映了网络的拓扑形式。

ZigBee网络具有三种拓扑形式：

星型拓扑、树型拓扑、网状拓扑[2]。

2.2.1网络节点类型

（1）协调器（Coordinator）

在各种拓扑形式的ZigBee网络中，有且只有一个协调器节点，它负责选择网络所使用的频率通道、建立网络并将其他节点加入网络、提供信息路由、安全管理和其他服务。

（2）路由器（Router）

当采用树型和网状拓扑结构时，需要用到路由器节点，它也可以加入协调器，是网络远距离延伸的必要部件。

它负责发送和接受节点自身信息；节点之间转发信息；允许子节点通过它加入网络。

（3）终端节点

终端节点的主要任务就是发送和接收信息，通常一个终端节点不处在数据收发状态时可进入休眠状态以降低能耗。

2.2.2网络拓扑形式

（1）星型拓扑

星型拓扑是最简单的拓扑形式，如图2-2。

图中包含一个协调器节点和一些终端节点。

每一个终端节点只能和协调器节点进行通讯，在两个终端节点之间进行通讯必须通过协调器节点进行转发，其缺点是节点之间的数据路由只有唯一路径。

图2-2星形拓扑结构

（2）树型拓扑

树型拓扑结构如图2-3。

协调器可以连接路由器节点和终端节点，子节点的路由器节点也可以连接路由器节点和终端节点。

直接通信只可以在父节点和子节点之间进行，非父子关系的节点只能间接通信。

图2-3树状拓扑结构

（3）网状拓扑

网状拓扑如图2-4。

网状拓扑具有灵活路由选择方式，如果某个路由路径出现问题，信息可自动沿其他路径进行传输。

任意两个节点可相互传输数据，网络会自动按照ZigBee协议算法选择最优化路径，以使网络更稳定，通讯更有效率。

图2-4网状拓扑结构

2.2.3工作模式

ZigBee网络的工作模式可以分为信标（Beacon）模式和非信标（Non-beacon）模式两种。

信标模式可以实现网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度地节省功耗，而非信标模式只允许ZE进行周期性休眠，协调器和所有路由器设备长期处于工作状态。

在信标模式下，协调器负责以一定的间隔时间（一般在15ms--4mins之间）向网络广播信标帧，两个信标帧发送间隔之间有16个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两个部分，消息只能在网络活动区的各个时槽内发送。

非信标模式下，ZigBee标准采用父节点为子节点缓存数据，终端节点主动向其父节点提取数据的机制，实现终端节点的周期性（周期可设置）休眠。

网络中所有的父节点需要为自己的子节点缓存数据帧，所有子节点的大多数时间都处于休眠状态，周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，并向父节点提取数据，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15ms。

2.3CC2430芯片

2.3.1CC2430概述

CC2430是一颗真正的系统芯片（SoC）CMOS解决方案。

这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHzISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求。

它结合一个高性能2.4GHzDSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。

图2-5为芯片CC2430的引脚及外接电路图。

图2-5CC2430外接电路图

CC2430的尺寸只有7×7mm48-pin的封装，采用具有内嵌闪存的0.18微米CMOS标准技术。

这可实现数字基带处理器，RF、模拟电路及系统存储器整合在同一个硅晶片上。

CC2430包含一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核，运行时钟32MHz。

CC2430包含一个DMA控制器。

8K字节静态RAM，其中的4K字节是超低功耗SRAM。

32K，64K或128K字节的片内Flash块提供在电路可编程非易失性存储器。

CC2430集成了4个振荡器用于系统时钟和定时操作：

一个32MHz晶体振荡器，一个16MHzRC-振荡器，一个可选的32.768kHz晶体振荡器和一个可选的32.768kHzRC振荡器。

CC2430也集成了用于用户自定义应用的外设。

一个AES协处理器被集成在CC2430之中，用来支持IEEE802.15.4MAC安全所需的（128位关键字）AES的运行，以尽可能少的占用微控制器。

中断控制器为总共18个中断源提供服务，他们中的每个中断都被赋予4个中断优先级中的某一个。

调试接口采用两线串行接口，该接口被用于在电路调试和外部Flash编程。

I/O控制器的职责是21个一般I/O口的灵活分配和可靠控制。

CC2430包括四个定时器：

一个16位MAC定时器，用以为IEEE802.15.4的CSMA-CA算法提供定时以及为IEEE802.15.4的MAC层提供定时。

一个一般的16位和两个8位定时器，支持典型的定时/计数功能，例如，输入捕捉、比较输出和PWM功能。

CC2430内集成的其他外设有:

实时时钟；上电复位；8通道，8－14位ADC；可编程看门狗；两个可编程USART，用于主/从SPI或UART操作。

为了更好的处理网络和应用操作的带宽，CC2430集成了大多数对定时要求严格的一系列IEEE802.15.4MAC协议，以减轻微控制器的负担。

这包括：

自动前导帧发生器、同步字插入/检测、CRC-16校验、CCA、信号强度检测/数字RSSI、连接品质指示（LQI）和CSMA/CA协处理器。

2.3.2CC2430芯片的主要特点

CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。

它使用1个8位MCU（8051），具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器（ADC）、几个定时器（Timer）、AES128协同处理器、看门狗定时器（Watchdogtimer）、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（PowerOnReset）、掉电检测电路（Brownoutdetection），以及21个可编程I/O引脚。

CC2430芯片采用0.18μmCMOS工艺生产；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。

CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

3.基于ZigBee的温度采集系统

3.1开发环境简介

3.1.1C51RF-3-PKZigBee无线网络技术专业开发平台

成都无线龙ZigBee协议栈高级开发系统C51RF-3是一款经济、高效、方便的开发工具套装，满足IEEE802.15.4标准和ZigBee技术标准的无线网络技术设计开发。

C51RF-3-PK开发平台具有以下特点：

（1）具有USB高速下载、支持IAR集成开发环境；

（2）具有在线下载、调试、仿真功能；

（3）可以根据需求选配多种扩展开发板；

（4）开发方便、快捷、简单；

（5）功能强大的C51RF-3仿真器，不仅可以实现对CC2430/CC2431程序下载，还可实现开发仿真调试；

（6）多种扩展板既有简单开发按键、又有液晶显示及各种传感器，不但可以实现简单的CC2430/CC2431开发，还可作复杂的ZigBee无线网络。

3.1.2IAREmbeddedWorkbench简介

IAREmbeddedWorkbench（简称EW）的C/C++交叉编译器和调试器是今天世界最完整的和最容易使用专业嵌入式应用开发工具。

EW今天已经支持35种以上的8位/16位32位ARM的微处理器结构，对不同的微处理器提供一样直观用户界面。

EW包括：

嵌入式C/C++优化编译器，汇编器，连接定位器，库管理员，编辑器，项目管理器和C-SPY调试器。

使用IAR的编译器最优化最紧凑的代码，可以节省硬件资源，最大限度地降低产品成本，提高产品竞争力。

IAREmbeddedWorkbench集成的编译器主要产品特征：

•高效PROMable代码

•完全标准C兼容

•内建对应芯片的程序速度和大小优化器

•目标特性扩充

•版本控制和扩展工具支持良好

•便捷的中断处理和模拟

•瓶颈性能分析

•高效浮点支持

•内存模式选择

•工程中相对路径支持

IARSystems的C/C++编译器可以生成高效可靠的可执行代码，并且应用程序规模越大，效果明显。

与其他的工具开发厂商相比，系统同时使用全局和针对具体芯片的优化技术。

连接器提供的全局类型检测和范围检测对于生成目标的代码的质量是至关重要。

IAREmbeddedWorkbench是一套完整的集成开发工具集合：

包括从代码编辑器、工程建立到C/C++编译器、连接器和调试器的各类开发工具。

它和各种仿真器、调试器紧密结合，使用户在开发和调试过程中，仅仅使用一种开发环境界面，就可以完成多种微控制器的开发工作。

除上述的几点之外，在IAREmbeddedWorkbench，IARSystems还提供了visualSTATE和IARMakeApp两套图形开发工具帮助开发者完成应用程序的