基于Zigbee监测网络的节点通讯设计

3.2节点的硬件设计
无线传感器网络节点一般由传感器模块、数据处理模块、数据传输模块和电源管理模块四部分组成，传感器模块负责采集监视区域的信息并完成数据转换，数据处理模块负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理以及任务管理等；数据通信模块负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源管理模块负责整个节点的电源提供。采用Chipcon公司推出的高度整合的系统级射频收发器CC2430，如图所示，CC2430芯片是TI公司生产的一款符合ZigBee技术的2.4GHz射频系统单芯片，适用于各种ZigBee技术的网络节点包括协调器，路由器和终端设备，CC2430时一颗真正的系统级芯片（SOC）系统级解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用对低成本、低功耗的要求。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8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器（ADC）、几个定时器（Timer）、AES-128协同处理器、看门狗定时器（Watchdog-timer）、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（Power-0n-Reset）、掉电检测电路（Brown-out-detection），以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用0.18μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27mA；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。
2、国内外发展现状
2.1国外发展概况
无线传感器网络的研究起始于20世纪90年代末期。由于无线传感器网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。从2000年起，国际上开始出现一些有关无线传感器网络的研究报道，美国自然科学基金委员会2003年制定了传感网络研究计划，支持相关基础理论的研究。无线传感器网络的研究首先源于美国军方。2001年，美国国防预先研究计划局(Defense AdvancedResearch Projects Agency,DARPA)在“网络嵌入式软件技术”(Network EmbeddedSoftware Technology,NEST)项目的支持下，资助加州伯克利大学开发了名为"SmartDust"(智能灰尘)或“Mote”的无线传感器网络开发系统。2001年8月，美国HONEYWELL等公司发起成立了ZigBee联盟，他们提出的ZigBee规范被确认为IEEE 802.15.4标准。2002年8月初，美国国家科学基金委(NSF)，DARPA，航空航天局(NASA)等12个重要研究机构在加州伯克利大学联合召开了“未来传感器系统”国家研讨会，旨在探讨传感器系统及其在工程应用中的前沿发展方向。2002年，摩托罗拉、飞利浦和三菱等企业加盟ZigBee联盟，2006年，中国的华为公司也加入了该联盟。目前该联盟已有180多个成员企业，包括终端产品商、软件供应商和系统集成商。2003年，IEEE 802.15.4标准获得通过，并在2004年12月推出了ZigBee技术规范1.0版本，正式对外公布。2006年12月份，ZigBee联盟正式推出ZigBee的升级规范－ZigBee 2006，也称为“增强型”ZigBee。
2.3发展趋势
现代信息的三大基础是传感器技术、通信技术与计算机技术，它们分别完成对被测量的信息提取、信息传输及信息处理，是当代科学技术发展的一个重要标志，随着科学技术的发展，数字化、智能化和网络化已成为时代发展趋势。当前，网络化智能传感技术已成为人们关注的热点。
(l)网络化智能传感技术
网络化智能传感器是以嵌入式微处理器为核心，集成了传感单元、信号处理单元和网络接口单元，使传感器具备自检、自校、自诊断及网络通信功能，从而实现信息的采集、处理和传输真正统一协调的新型智能传感器。一方面，该种传感器具备智能化功能。随着嵌入式技术、集成电路技术和微控制器的引入，使传感器成为硬件和软件的结合体，传感器的功耗降低、体积减小、抗干扰性和可靠性提高;同时能够自识别和自校正功能，利用软件技术实现传感器的非线性补偿、零点漂移和温度补偿等。另一方面，具有网络通信功能。网络接口技术的应用使传感器方便地接入工业控制
1、课题来源和意义
近年来，随着无线通信技术、半导体技术、微机电子系统技术、现代网络技术、嵌入式计算机技术、传感器技术、分布式信息处理技术等的飞速发展和日益成熟，低成本、低功耗、多功能的无线传感器网络技术能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需注。
网络，为系统的扩充和维护提供了极大的方便。
(2)基于现场总线的智能传感技术
现场总线技术是在仪表智能化和全数字控制系统的需求下产生的，现场总线是连结智能化现场设备和控制室之间全数字式、开放式和双向的通信网络。现场总线技术自20基于zigbee的无线智能传感节点设计与实现世纪80年代产生以来，一直受到人们的极大关注，被誉为自控领域的一次革命。进入90年代以来，现场总线控制系统一度成为人们的研究热点，各种各样的现场总线产品不断涌现。随着现场总线控制系统在生产现场的实际应用，基于现场总线的智能传感技术也面临着诸多问题。首先，现场总线国际标准的制定因技术、商业利益等原因造成多种标准共存。其中，IEC61158规定了FF、Profibus等8种现场总线标准，另IECTC17已通过了3种现场总线国际标准(IEc62026)，目前现场总线国际标准共有12种之多，其中最具影响力就有5种(FF、Profitbus、HART、CAN)。由于各个标准采用的通信协议完全不同，存在着智能传感器的兼容和互换性问题，影响了总线式智能传感器的应用。其次，现场总线还存在着瓶颈问题。如现场总线切断后，系统有可能产生不可预知的后果;系统参数过于复杂，且其设定的好坏对系统性能影响很大;生产运行需大量人机数据交换，现场总线系统的通信容量有限，容易造成信息流的阻塞。
(3)基于正EE1451标准的网络化智能传感技术
为解决现场总线多样性导致不同厂商网络化智能传感器接口不兼容问题，从1993年9月开始，美国国家标准技术协会(NIST)与国际电气和电子工程师协会(IEEE)联合组织了智能传感器通用通信接口问题讨论和相关标准的制定，即IEEE1451智能变送器接口标准。IEEE1451标准目的是开发一种软硬件的连接方案，将智能变送器连接到控制网络或者用以支持现有的各种网络技术，包括各种现场总线。IEEE1451标准建立了标准的变送器数据、控制、时序、配置和校正模型，把变换器节点设计与网络实现分隔开来，这其中包括变换器自识别、自配置、远程自校、长期自身文档维护、简化变换器升级维护以及增加系统与数据可靠性等。IEEE1451标准定义的功能框架包含了一系列数据与对象模型，以使传感器数据能够和网络连通，为变送器和控制网络的连接提供了标准的接口，变送器在现场级采用有线或无线的方式实现网络连接，大大简化由变送器构成的各种网络控制系统，解决不同网络之间的兼容性问题，并能够最终实现各个厂家产品的互换性与互操作性。
3、研究内容及实验方案
3.1系统的总体需求分析
目前，如何降低能耗成为社会所关注的一个重要话题。尤其在炎热的夏天，空调的使用，使电能消耗居高不下，许多地方不得以采取拉闸限电的措施。通常，在一个区域内，例如工作室或数据中心的机房，人们很难判断空调系统是否合理正常运行，因为无法清楚区域内任一点的温度，绝大多数情况下只能最大化限度地使用空调，造成了电能的浪费，所以有必要建立温度测量系统。构建温度测量系统的最初目的在于希望通过获取区域的温度来控制空调系统的开关频率，同时根据测量结果对空调出风口摆放的位置进行调整。在有些地方，有一些监测点的位置是不确定的。以机房设备为例，由于不同的IT设备发热量不同，散热方式也不同，所以主机区的温度是不均匀的。传统的机房整体制冷方式在解决现代机房局部“热点”的问题时事倍功半，违反当今绿色数据中心的建设潮流。每台IT设备的摆放位置在机房建设阶段往往不明确，所以机房内的热点难以预知。即使在一台机柜里，大热量的设备放置在机柜内的上部、中部或下部，对气流的影响及制冷效果都是不同的。另一方面，数据中心IT设备的布局会随着用户应用的变化而变化，客观上造成热点发生变化。在这种情形下，无线传感网络成为机房集控系统的有力“触角”。无线传感网络是由传感器节点通过无线通信技术自组织构成的网络，能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域内各种环境或监测对象的信息，并对其进行传输和处理。无线传感网络的自组织机制保证了其工作的可靠性。传感器节点加电自检后，由传感网络控制中心自动找到工作频率范围内干扰最小的信道，并建立网络。其余节点自动找到中心并申请入网。控制中心向节点发送网络参数，收到参数的节点保存参数并加入网络。当某节点由于距离或干扰而不能直接与中心通信时，则自动向周围节点广播自身信息，通过评价周围节点到中心的路由信息来决定使用哪个节点作为其父节点，从而完成入网过程。上述组网过程在无人工干预下自动完成，然后开始数据采集与传输。传感器节点受触发后开始采集环境信息，经过放大、滤波、数模转换、加密、暂存后进行收发地址的绑定。如遇入网信道受阻，则改变路径，调整射频，再次申请入网。控制中心收集各节点数据，分析处理，执行控制。当一个节点或部分节点失效时，剩余节点自动组成新的网络。
XX大学本科生毕业论文（设计）开题报告
（学生用表）
论文（设计）题目
基于Zigbee监测网络的节点通讯设计
学院
专业
学科
学生
指导教师
职称
（1、内容包括：课题的来源及意义，国内外发展状况，本课题的研究目标、内容、方法、手段及进度安排、实验方案的可行性分析和已具备的实验条件、具体参考文献等。2、撰写要求：字体为宋体、小四号，字数不少于1500字。）
2.2国内发展概况
我国现代意义的无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首次正式出现于1999年中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的“信息与自动化领域研究报告”中，作为该领域提出的五个重大项目之一。从2002年开始，国家自然科学基金委员会已经批准了和无线传感器网络相关的多个课题。国内在无线传感器网络领域的研究也己经在很多研究所和高校展开。2001年中国科学院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，在无线传感器网络方向上陆续部署了若干重大研究项目，经过几年的努力，初步建立了传感器网络系统的研究平台，在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器端机、移动机系统站等方面取得了重大进步。中国科学院计算技术研究所在IPv6无线传感器网络节点和适合于IEEE 802.15.4标准并满足ZigBee规范的无线传感器网络方面作了很多工作，推出了自主开发的GAINS系列无线传感器网络节点，并且实现了产业化。中科院电子所和沈阳自动化所也分别从传感器技术和控制技术角度入手开展工作，他们专注于传感或控制执行部分，对上层的通信技术和核心微处理器部分涉及较少；浙江大学现代控制工程研究所成立了“无线传感器网络控制实验室”，联合相关单位专门从事面向传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面的研究；山东省科学院于2004年10月启动了关于无线传感器网络节点操作系统的研究；另外国防科技大学、清华大学、中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、电子科技大学、武汉理工大学、南京航空航天大学、北京邮电大学、东南大学和大连理工大学等单位在无线传感器网络方面也都做了一定的工作。微型、高可靠、多功能、集成化的传感器；低功耗、高性能的专用集成电路；微型、大容量的能源；高效、高可靠的网络协议和操作系统；面向应用、低计算量的模式识别和数据融合算法；低功耗、自适应的网络结构以及在现实环境的各种应用模式等，这些技术使得无线传感器网络无论是在国家安全，还是国民经济诸方面均有着广泛的应用前景。未来，无线传感器网络将向空、海、陆、地下一体化综合无线传感器网络的方向发展，最终成为现实世界和数字世界的接口，深入到人们生活的各个层面，像互联网一样改变人们的生活方式。从总体来讲，国内关于无线传感器网络的研究还处于刚刚起步的阶段，但是由于无线传感器网络是一门新兴技术，国内与国际水平的差距并不很大，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。