基于zigbee的無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ZigBee 一詞來源于蜜蜂賴以生存的通信方式 Zigzag 形狀的舞蹈，是一種低成本、低功耗的近距離無線組網(wǎng)通信技術(shù)。 ZigBee 協(xié)議是基于 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的，由 IEEE 和 ZigBee 聯(lián)盟共同制定。 IEEE 工作組制定 ZigBee 協(xié)議的物理層（ PHY）和媒體訪問控制層（ MAC 層）協(xié)議。 ZigBee 聯(lián)盟成立用于 20xx 年，定義了 ZigBee 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 5 （ NWK）、應(yīng)用層（ APL）和安全服務(wù)規(guī)范。協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖 32。 應(yīng)用層（含應(yīng)用接口層） 用戶 安全層 ZigBee 聯(lián)盟 網(wǎng)絡(luò)層 MAC 層 IEEE 物理層 圖 32 ZigBee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu) ZigBee 協(xié)議由物理層 (PHY)、介質(zhì)訪問控制子層 (MAC)、網(wǎng)絡(luò)層 (NWK)，應(yīng)用層(APL)及安全服務(wù)提供層 (SSP)五塊內(nèi)容組成。其中 PHY 層和 MAC 層標(biāo)準(zhǔn)由 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)定義， MAC 層之上的 NWK 層， APL 層及 SSP 層，由 ZigBee 聯(lián)盟的 ZigBee標(biāo)準(zhǔn)定義。 APL 層由應(yīng)用支持層 (APS)，應(yīng)用框架 (AF)以 及 ZigBee 設(shè)備對(duì)象 (ZDO)及ZDO 管理平臺(tái)組成。 PHY 層定義了無線射頻應(yīng)該具備的特征，提供了 、902MHz928MHz 和 2400MHz24835MHz 三種不同的頻段，分別支持 20kbps、 40kbps和 250kbps 的傳輸速率， 1 個(gè)、 10 個(gè)以及 16 個(gè)不同的信道Ⅲ。 ZigBee 的傳輸距離與輸出功率和環(huán)境參數(shù)有關(guān)，一般為 10～ 100 米之間。 PHY 層提供兩種服務(wù)： PHY層數(shù)據(jù)服務(wù)和 PHY 層管理服務(wù)， PHY 層數(shù)據(jù)服務(wù)是通過無線信道發(fā)送和接收物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (PPDU)， PHY 層的特性是激活和關(guān)閉無線收發(fā)器、能量檢測(cè)、鏈路質(zhì)量指示、空閑信道評(píng)估、通過物理媒介接收和發(fā)送分組數(shù)據(jù)。 MAC 層使用 CSMACA 沖突避免機(jī)制對(duì)無線信道訪問進(jìn)行控制，負(fù)責(zé)物理相鄰設(shè)延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 6 備問的可靠鏈接，支持關(guān)聯(lián) (Association)和退出關(guān)聯(lián) (Disassociation)以及 MAC層安全。 MAC 層提供兩種服務(wù)： MAC 層數(shù)據(jù)服務(wù)和 MAC 層管理服務(wù)， MAC 層數(shù)據(jù)服務(wù)通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)送和接收 MAC 層協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (MPDU)。 MAC 層的主要功能是：進(jìn)行信標(biāo)管理、信道接入、保證時(shí)隙 (GTS)管理、幀確認(rèn)應(yīng)答幀 傳送、連接和斷開連接。 NWK 層提供網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址分配，組網(wǎng)管理，消息路由，路徑發(fā)現(xiàn)及維護(hù)等功能。NWK 層主要是為了確保正確地操作 IEEE ． 20xxMAC 子層和為應(yīng)用層提供服務(wù)接口。 NWK 層從概念上包括兩個(gè)服務(wù)實(shí)體：數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體和管理服務(wù)實(shí)體。 NWK層的責(zé)任主要包括加入和離開一個(gè)網(wǎng)絡(luò)用到的機(jī)制、應(yīng)用幀安全機(jī)制和他們的目的地路由幀機(jī)制， ZigBee 協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)層還負(fù)責(zé)建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)。 ZigBee 應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層 (APS 子層 )、應(yīng)用框架 (AF)和 ZigBee 設(shè)備對(duì)象(ZDO)。 APS 子 層負(fù)責(zé)建立和維護(hù)綁定表，綁定表主要根據(jù)設(shè)備之間的服務(wù)和他們的需求使設(shè)備相互配對(duì)。 ZigBee 的應(yīng)用框架 (AF)為各個(gè)用戶自定義的應(yīng)用對(duì)象提供了模板式的活動(dòng)空間，并提供了鍵值對(duì) (KVP)服務(wù)和報(bào)文 (MSG)服務(wù)供應(yīng)用對(duì)象的數(shù)據(jù)傳輸使用。一個(gè)設(shè)備允許最多 240 個(gè)用戶自定義應(yīng)用對(duì)象，分別指定在端點(diǎn) l 至端點(diǎn) 240 上。 ZDO 可以看成是指配到端點(diǎn) O 上的一個(gè)特殊的應(yīng)用對(duì)象，被所有 ZigBee設(shè)備包含，是所有用戶自定義的應(yīng)用對(duì)象調(diào)用的一個(gè)功能集，包括網(wǎng)絡(luò)角色管理，綁定管理，安全管理等。 ZDO 負(fù)責(zé)定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色 (例如是 ZigBee 協(xié)調(diào)器或者 ZigBee 終端設(shè)備 )、發(fā)現(xiàn)設(shè)備和決定他們提供哪種應(yīng)用服務(wù)，發(fā)現(xiàn)或響應(yīng)綁定請(qǐng)求，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立可靠的關(guān)聯(lián)。 安全服務(wù)提供者 SSP(Security Service Provider)向 NWK 層和 APS 層提供安全服務(wù)。 ZigBee 協(xié)議層與層之間是通過原語進(jìn)行信息的交換和應(yīng)答的。大多數(shù)層都向上層提供數(shù)據(jù)和管理兩種服務(wù)接口，數(shù)據(jù) SAP(Service Access Point)和管理SAP(Service Access Point)。數(shù)據(jù)服務(wù)接口的目標(biāo)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)，管理服務(wù)接口的目標(biāo)是向上層提供訪問內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機(jī)制。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)主要包括設(shè)備類型，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由方式三方面的內(nèi)容，延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為協(xié)調(diào)器（ Coordinator）、路由器 (Router)和終端節(jié)點(diǎn)（ End Device）。節(jié)點(diǎn)類型是網(wǎng)絡(luò)層的概念，反映了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫问健?ZigBee 網(wǎng)絡(luò)具有三種拓?fù)湫问剑盒切屯負(fù)洹湫屯負(fù)洹⒕W(wǎng)狀拓?fù)洹? 工作模式 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的工作模式可以分為信標(biāo) (Beacon)模式和非信標(biāo) (Nonbeacon)模式兩種。信標(biāo)模式可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的同步工作和同步休眠，以達(dá)到最大限度地節(jié)省功耗，而非信標(biāo)模式只允許 ZE 進(jìn)行周期性休眠，協(xié)調(diào)器和所有路由器設(shè)備長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)。 在信標(biāo)模式下，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)以一定的間隔時(shí)間 (一般在 15ms4mins 之間 )向網(wǎng)絡(luò)廣播信標(biāo)幀，兩個(gè)信標(biāo)幀發(fā)送間隔之間有 16 個(gè)相同的時(shí)槽，這些時(shí)槽分為網(wǎng)絡(luò)休眠區(qū)和網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)兩個(gè)部分，消息只能在網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)的各個(gè)時(shí)槽內(nèi)發(fā)送。 非信標(biāo)模式下， ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)采用父節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)，終端節(jié)點(diǎn)主動(dòng)向其父節(jié)點(diǎn)提取數(shù)據(jù)的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)的 周期性 (周期可設(shè)置 )休眠。網(wǎng)絡(luò)中所有的父節(jié)點(diǎn)需要為自己的子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)幀，所有子節(jié)點(diǎn)的大多數(shù)時(shí)間都處于休眠狀態(tài)，周期性的醒來與父節(jié)點(diǎn)握手以確認(rèn)自己仍處于網(wǎng)絡(luò)中，并向父節(jié)點(diǎn)提取數(shù)據(jù)，其從休眠模式轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)傳輸模式一般只需要 15ms。 ZigBee 無線組網(wǎng)及數(shù)據(jù)通信 ZigBee 通信協(xié)議采用分層結(jié)構(gòu) ,節(jié)點(diǎn)通過在不同層上的特定服務(wù)來完成所要執(zhí)行的各種任務(wù)。本系統(tǒng)采用 TI 提供的 ZigBee20xx 協(xié)議棧 ZStack,在 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)物理層 (PHY)和媒體訪問控制層 (MAC)基礎(chǔ) 上增加了網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和安全服務(wù)規(guī)范 ,是一種較好的無線傳感網(wǎng)絡(luò)組建方案。 ZigBee 設(shè)備類型按網(wǎng)絡(luò)功能分為三種 :協(xié)調(diào)器、路由器、終端。由于本系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ,所以只存在協(xié)調(diào)器和終端兩種設(shè)備。 本系統(tǒng)中主節(jié)點(diǎn)被初始化為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器包含所有的網(wǎng)絡(luò)消息 , 存儲(chǔ)容量最大、計(jì)算能力最強(qiáng)。它的功能是發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息、收發(fā)信息。從節(jié)點(diǎn)被初始化為無信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備。上電復(fù)位后 ,即開始搜索指定信道上的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 ,并發(fā)出連接請(qǐng)求。建立連接成功后 ,數(shù)據(jù)從括從節(jié)點(diǎn)編號(hào) ,CC2530的 I/O口編號(hào)以及此溫度傳感器的編號(hào) ,后 2個(gè)字節(jié)為溫度延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 采集數(shù)據(jù)。主