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基于zigbeeCC2530的数据采集与传输系统的设计.doc
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2022-07-16
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基于zigbeeCC2530的数据采集与传输系统的设计.doc
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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 TI z-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
1 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
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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 X 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,
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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(Network
Coordinator),整个网络最多可以支持超过 64000 个 ZigBee 网路节点,再加上
各个 Network Coordinator 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。
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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 IEEE 802.15.4 底层协议的应用多,而
基于 ZigBee 标准协议的应用少
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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
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。
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