无线传感网络大作业--基于ZigBee技术的室内环境监控系统.
基于zigbee的无线环境监测系统.
一、课题介绍
本课题是以zigbee无线发射为核心技术的环境监测系统， 可以用来测量当前环境不同地点的实时温度，湿度，光 照强度和一氧化碳浓度。
温湿度，光照，一氧化碳等是最主要的环境参数，人们 的生活与其息息相关，在农业生产中也离不开这些环境 信息，在智能家居领域中也离不开这些环境信息的监测， 因此研究温湿度，光照，一氧化碳等数据的监测方法和 装置具有重要的意义。
二、总体方案设计
该系统主要由以下功能模块构成：协调器模块；传感 器节点模块；上位机显示界面等。
主要的系统电路有：电源电路、温湿度传感器电路、 光照传感器电路、一氧化碳传感器电路、显示电路、 报警电路、键盘设置阀值控制电路
二、总体方案设计-控制系统框图
三、系统组成
整个系统硬件由三大部分组成：以CC2530为核心的协 调器模块；以温湿度传感器、光照传感器、一氧化碳 传感器做组成的环境信息数据采集模块；以VB8.6编 译的上位机显示界面；以1602液晶显示器蜂鸣器为主 的显示报警模块；
物联网112班 zigbee的无线环境监测系统设计 指导老师：惠鹏飞 答辩人：王海超 专业：物联网工程 设计组成：硬件组合，上位机界面，系统测试，软件
测试，需求分析，文献综述，开题报告， 外文翻译，电路原理图
内容提要
1、课题介绍 2、总体方案介绍 3、系统组成 4、硬件调试
四、硬件调试-上位机界面显示
四、硬件调试-实物图
四、硬件调试-液晶屏显示
不足之处
本系统的光照和一氧化碳检测部分只是通 过模拟形式显示环境的变化。暂时没有实现 数字显示。
三、系统组成-各部分功能
➢ 1、温湿度检测传感部分：DHT11温湿度传感器 ➢ 2、光照检测传感部分：BH1750FVI光照传感器 ➢ 3、一氧化碳检测传感部分：CM-7一氧化碳传感器 ➢ 4、上位机显示界面部分：VB8.6 ➢ 5、蜂蜜器电路：PNP型晶体管S8550 ➢ 6、显示部分：LCD12864液晶显示器 ➢ 7、电源部分：3节1.5V干电池
基于ZigBee技术的无线传感器网络环境监控系统的开题报告
基于ZigBee技术的无线传感器网络环境监控系统的开题报告一、选题背景随着工业化和城市化进程的不断加快，环境问题也越来越受到人们的关注。
环境监测是通过感知环境中的物理、化学和生物量，对环境状态、变化趋势等进行分析、评估和控制的一项技术。
传统的环境监测方法主要采用人工监测和定点检测，不仅费时费力，而且效率低下、数据不准确、不能及时反馈和整合、不能远程监测等问题，因此需要利用现代科技手段来解决这些问题。
随着无线传感器网络技术的发展，无线传感器网络被广泛应用于环境监测系统中。
传感器节点可以通过无线信号进行信息传输，不需要现场维护，降低了人力和物力成本，可以实现自主组网，扩展性强、能够实现分布式监测等优势。
ZigBee技术是一种低功耗、低速率、短距离通信技术，因其低耗能、低成本、可靠性高等特点，被广泛应用在无线传感器网络中。
基于ZigBee技术的无线传感器网络可以实现间断型低功耗通信，无线节点自组网能力强，能快速、灵活地部署和运维无线传感器网络，可以用于环境监测等领域。
因此，本文将研究基于ZigBee技术的无线传感器网络环境监控系统。
二、研究意义1. 保护环境：通过对环境的实时监测，及时掌握环境变化情况，可以采取有效的措施保护环境。
2. 提高效率：传统的环境监测方式需要人工巡检，效率低下。
而无线传感器网络的环境监测系统可以实时监测并反馈数据，提高效率。
3. 降低成本：无线传感器网络系统的安装和维护成本远远低于传统环境监测设备，可以降低环境监测领域的成本。
4. 促进智能城市建设：无线传感器网络环境监测系统与云计算、大数据等技术结合，可以实现更智能、更高效的城市化建设。
三、研究内容和方法1. 系统功能要求分析：对无线传感器网络环境监控系统的功能要求进行分析，包括实时监测、数据处理、告警预警等方面。
2. 系统架构设计：包括无线传感器节点的选择、无线通信模块的选取、网关的设计等。
3. 系统实现及测试：包括软硬件设计及建立实验平台、联网测试等环节。
无线传感网络大作业基于ZigBee技术的室内环境监控系统
基于ZigBee技术的室内环境监控系统目录1 研究背景与意义 (12 研究内容 (13 ZigBee技术综述 (23.1 ZigBee特点 (23.2 ZigBee协议栈 (33.3 节点类型 (63.4 拓扑结构 (63.5 地址类型及ZigBee寻址 (74 室内环境监测系统设计 (84.1 系统架构 (84.2 硬件设计 (94.3 软件设计 (104.4 系统功能定义 (115 室内环境监控系统的特点 (126 总结 (137 参考文献 (13基于ZigBee技术的室内环境监控系统1 研究背景与意义随着人类进入信息时代,计算机技术、通信技术及网络技术都得到了迅猛的发展与提高,人们对居住环境也提出了更高的要求,希望自己能居住在一个生活现代化、居住环境安全化和舒适化的生活空间。
与此同时,生活节奏的不断加快,实时掌握大量信息和进行高效工作的需求日益凸显,但是繁重的家务和繁琐的家电操作占用人们大量的时间,这时就需要有一个方便快捷的智能化家居管理平台协助人们处理家居事务,将人们从家务和家电操作中解放出来。
在这种需求的驱动下,智能家居的概念也就应运而生。
人们希望通过这种技术将家庭中各种与信息相关的通讯设备、家用电器和家庭安防等装置连接到一个家庭智能化系统上进行集中或异地监视、控制和管理,保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调一致,从而满足用户对居住环境的需求。
智能家居系统的结构如图1所示:图1 智能家居系统结构图由图1可知,室内环境监控系统是智能家居系统中其必不可少的一部分,是实现智能家居系统功能的重要组成部分与基本条件,是给用户提供一个安全、舒适、便捷的生活环境的重要手段。
一个好的室内环境监控系统对于构建智能家居系统和提高用户的生活环境质量具有重要的意义。
2 研究内容本文以基于ZigBee技术的室内环境监控系统为研究背景,利用ZigBee技术作为支撑平台,将温湿度传感器、光照传感器、雨滴传感器、火灾传感器及人体感应传感器等传感器节点采集到的数据信息通过ZigBee 网络汇聚到网络中的网关节点,该网关节点再通过Wifi模块将处理后的数据传送给Android上位机软件,然后用户通过与上位机软件进行交互,通过显示的数据信息反馈控制诸如空调、电灯等电器,可营造一个安全、舒适、温馨的室内氛围。
基于ZigBee技术的室内环境监测系统设计
基于 ZigBee技术的室内环境监测系统设计摘要：基于ZigBee技术的室内环境监测系统设计。
它有三大部分组成，所有的数据的传输都在ZigBee搭建的无线传感网络工作。
ZigBee模块A用来发送数据，ZigBee模块B用来接受数据，上位机用来显示数据。
温湿度传感器和stm32单片机用来采集数据发送给ZigBee模块A。
同时用IAR软件编写和编译ZigBee的程序，保证数据的传输。
应用于对信息传递的大小的要求很低，对功耗的需求也比较低的场合。
关键词：Zigbee技术；环境监测；无线传感器引言：随着科技的发展、社会的进步，当今对无线技术需求日益增长，从而孕育出了无线传感网络(Wireless Sensor Network，简称WSN)。
无线通信技术WiFi、蓝牙已经被人们熟知，由于他们的功耗大、组网麻烦等原因，很难应用在工业自动化中。
为了满足市场的需求，ZigBee就这样诞生了。
它有成本低、组网方便、安全性高等优点。
应用ZigBee技术可以制造一种低成本、低功耗的检测仪器。
1主要功能本设计以STM32单片机作为核心控制元件，ZigBee无线模块作为通信模块，以及DHT11温湿度传感器设计的一款无线传输的温湿度检测仪，其中温湿度传感器DHT11和stm32单片机用来采集数据发送给ZigBee模块A，然后在ZigBee组网内，ZigBee模块A用来发送数据，ZigBee模块B用来接收数据，最后上位机用来显示数据。
2工作原理本设计采用STM32单片机作为核心控制元件，使用两块ZigBee无线模块作为通讯模块，首先使接收电路正常供电，进入接收数据状态，等待数据的到来，接着单片机上的程序运行，将单片机上事先存放的数据由ZigBee模块A发射出去，如若发射模块和接收模块在可接受范围内，无线ZigBee B模块接收到信号，在上位机实时显示温湿度数据。
3硬件设计本设计的方案是把温湿度传感器采集的数据通过单片机stm32发送给ZigBee模块A，再运用ZigBee无线通讯协议把数据传输给ZigBee模块B，最后通过串口把数据在上位机上显示出来。
基于Zigbee的智能家居环境监测系统的设计 毕业论文
智能家居监测系统的设计Design of The Intelligent Home Furnishing Mornitorning System毕业设计成绩单毕业设计任务书毕业设计开题报告摘要随着嵌入式计算、传感器、无线通信等技术的飞速发展，无线传感网被广泛应用于环境监测、军事国防和工农业控制等诸多领域，已成为电子信息技术发展的一个热点。
CC2530是TI公司针对Zigbee的无线传感网芯片解决方案，具有功耗低，可靠性高，组网简单等优势。
基于CC2530和Zigbee协议，设计了温湿度数据采集系统。
在干扰环境下测试表明，网络具有较强的鲁棒性和自组能力。
本课题主要介绍基于CC2530为核心的家庭环境监测系统的硬件电路设计和软件流程设计，实现了在家庭环境中对温度、湿度、烟雾的监测。
将温度、湿度的信息量经过单片机处理后通过无线发送给上位机。
本设计使用Zigbee无线网络协议，将系统参数传输及控制，可与上位机实时通讯和监控。
关键词：CC2530 传感器Zigbee 环境监测ABSTRACTWith the rapid development of embedded computing, sensor, wireless communication technology, wireless sensor network is widely used in environmental monitoring, military defense, industrial and agricultural control fields, has become a hotspot in the development of electronic information technology. CC2530 is a wireless sensor network chip for Zigbee TI solution, with low power consumption, high reliability, simple networking advantages. CC2530 and based on Zigbee protocol, design the temperature and humidity data acquisition system, the software algorithm coordinator and ordinary nodes are given respectively, tested in interference environment, the network has strong robustness and self-organizing ability.This paper mainly introduces the design of hardware circuit and software flow design of family environment monitoring system based on CC2530 as the core, realizes in the home environment of temperature, humidity. Among them, the analog temperature, humidity, light sensor through the SCM processing output control action corresponding adjusting the corresponding parameters; SCM outputs corresponding protection control: instantaneous over current protection. This design uses Zigbee wireless network protocol, the system parameters of transmission and control, is also available with a PC real-time communication and monitoring.Key words: CC2530 Sensor Zigbee Environmental Monitoring目录第1章绪论 (1)1.1 本文研究背景与意义 (1)1.2 智能家居环境监测系统的特点 (1)1.3 国内外发展现状及分析 (2)1.4 典型无线网络技术介绍 (2)1.4.1 Zigbee技术 (2)1.4.2 Wi-Fi技术 (3)1.4.3 蓝牙技术 (3)1.5.1 本文主要研究内容 (3)1.5.2 本文主要研究创新点 (4)第2章Zigbee技术综述 (5)2.1 Zigbee技术介绍 (5)2.2 Zigbee技术的特点 (6)2.3 Zigbee网络设备组成和网络结构 (6)2.4 Zigbee协议分析 (7)2.4.1 网络层(NWK) (7)2.4.2 应用层(APP) (8)第3章家居环境监测系统方案 (11)3.1 系统结构 (11)3.2 系统功能定义 (12)3.3 系统设计要求 (12)第4章家居环境监测系统硬件设计 (14)4.1 系统电源电路 (14)4.2 Zigbee芯片CC2530 (15)4.3 家居环境参数采集模块 (15)4.3.1 数字温湿度传感器DHT11 (15)4.3.2 烟雾传感器MQ-2 (16)4.4 CC2530通讯 (17)4.5 LCD液晶显示模块 (18)第5章系统软件设计 (19)5.1 Zigbee无线通讯协议 (19)5.2 温湿度传感器程序 (20)5.3 烟雾传感器程序 (20)第6章系统性能测试与评述 (21)6.1 硬件测试 (21)6.2 软件测试 (21)第7章结论与展望 (22)7.1 结论 (22)7.2 展望 (22)总结 (23)参考文献 (24)致谢 (25)附录 (26)附录A 外文文献 (26)附录B 中文翻译 (34)附录C 程序 (39)第1章绪论1.1 本文研究背景与意义千百年来，人类都在关注着自身的生活和居住条件，并努力改善和提高之。
基于Zigbee技术的无线环境监测系统的设计
题目基于Zigbee技术的无线环境监测系统的设计学生姓名学号所在学院数学与计算机科学技术学院专业班级计算机科学与技术班指导教师完成地点陕西理工学院201年 6月13日本科毕业设计任务书院(系) 数学与计算机科学学院专业班级计算机科学与技术(计算机) 学生姓名一、毕业设计题目基于Zigbee技术的无线环境监测系统的设计二、毕业设计工作自 201 年 11 月_ 27__日起至 201 年 6 月 20 日止三、毕业设计进行地点: 陕西理工学院四、毕业设计内容要求：指导教师系(教研室) 计算机工程教研室系(教研室)主任签名批准日期接受设计任务开始执行日期 201 学生签名基于zigbee技术的无线环境监测系统的设计与实现马强（陕西理工学院数学与计算机科学学院计算机科学与技术专业13班）指导教师：陈【摘要】本系统研究分析了传感器、ZigBee技术的基本理论，设计实现了基于zigbee无线环境监测系统。
系统采用80C52单片机控制DHT11度传感器采集温湿度数据、zigbee无线模块进行数据传输，用户在服务器端可实时的对环境参数进行监测。
经过测试系统运行稳定，采集数据准确，可用于各种不同环境下的信息监测。
【关键词】DHT11；无线传感器； ZigBee；80C52Design and implementation of wireless environmental monitoring system based on ZigBee TechnologyMa longqiang(Shaanxi Institute of mathematics and computer science, computer science and technology professional103 class)Teacher: Chen YongAbstract:The system analysis of the basic theory of the sensor, the ZigBee technology,design and implementation of wireless environmental monitoring system based on zigbee. The system uses 80C52 SCM control DHT11 temperature and humidity data collected by sensors, ZigBee wireless data transmission module,users can real-time monitoring of environmental parameters on the server. After the test system is stable, accurate data collection, can be used for monitoringvarious environment.Keyword:DHT11 ; environmental monitoring wireless sensor ; ZigBee ; 80C52目录引言 (1)1 绪论 (2)1.1 研究背景及现状 (2)1.2 研究目的及意义 (2)1.3 开发工具的选择 (2)2 硬件系统设计 (4)2.1 设计原则 (4)2.2 硬件系统结构 (4)2.3 数据采集模块 (6)2.4 串口通信模块 (8)2.5 相应供电模块 (9)3软件系统设计 (11)3.1 设计原则 (11)3.2 软件系统结构 (11)3.3 上位机监控软件设计 (11)3.4 单片机软件设计 (11)3.6 zigbee网络节点软件设计 (14)3.7 串口软件设计 (15)4 系统测试与实验结果分析 (17)4.1 软件编译与烧写 (17)4.2 软件测试 (17)4.3 硬件测试 (17)4.4 温湿度传感器节点测试结果分析 (17)致谢 (20)参考文献 (21)科技外文文献 (1)附录A：源程序代码 (29)附录B：系统使用说明 (34)引言环境监测的主要目标是通过检测环境变量参数及变化趋势的数据，判断环境质量，评价当前主要环境问题，为环境管理服务。
基于ZigBee技术的监控系统设计的开题报告
基于ZigBee技术的监控系统设计的开题报告一、选题背景目前随着社会的发展，人们对居住、工作和生活环境的要求越来越高，以致于对于室内空气质量、温度、湿度、光照等环境参数的监控变得愈发重要。
而基于 ZigBee 技术的监控系统可以通过低功耗、低数据传输速率等特点来满足室内环境监控的需求，具有广泛的应用前景。
二、研究内容本课题将基于 ZigBee 技术设计一种室内环境监控系统，实现以下功能：1.监测室内温度、湿度、氧气含量、PM2.5、CO2、光照等环境参数；2.通过 ZigBee 网络将所监测的环境参数传输到中央控制器；3.中央控制器将接收的数据进行处理和分析，反馈给用户。
如果环境参数超出规定的范围，监控系统将发出警报。
三、研究意义本课题设计的 ZigBee 监控系统可以有效地监控室内环境参数，对于实现智能家居、智能办公室等应用场景具有十分重要的意义。
通过实现智能环境监控，可以有效提升室内环境的质量，降低室内环境对健康造成的潜在危害，并且可以有效地降低能源的浪费，减少环境压力。
四、研究方法1.确定监控系统所需的环境参数、监测范围和精度要求；2.选用 ZigBee 技术实现环境参数的采集与传输，选用传感器和模块进行硬件的设计和实现；3.设计中央控制器，实现数据处理、存储和报警功能，实现用户界面设计与开发；4.进行实验测试，验证所设计的监控系统在硬件和软件方面的可行性和可靠性。
五、预期成果1.基于 ZigBee 技术实现的环境参数采集与传输系统；2.中央控制器的硬件和软件设计与开发，包括数据处理、存储和报警功能的实现；3.用户界面设计与开发；4.监控系统的测试报告和使用手册。
六、研究计划1.前期准备（1个月）：明确研究目标和研究内容，并开展相关背景调查和采购工作；2.系统设计（2个月）：包括硬件和软件系统设计，及用户界面的设计和开发；3.系统实现（3个月）：包括硬件和软件系统的实现与测试，及用户界面的调试；4.系统测试（1个月）：进行系统测试和性能评估；5.论文写作（1个月）：包括论文的撰写、修改和打印。
无线传感器网络基于Zigbee协议的环境监测系统
无线传感器网络基于Zigbee协议的环境监测系统无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）基于Zigbee协议的环境监测系统在近年来得到了广泛的应用和研究。
该系统通过无线传感器节点实时采集环境数据，并通过Zigbee协议进行数据传输和协调，为环境监测提供了更加便捷和高效的解决方案。
一、无线传感器网络基础介绍无线传感器网络是由大量的无线传感器节点组成的分布式传感器系统，这些节点能够自主感知和处理环境中的各种信息，并能互相之间进行通信和协作。
无线传感器网络具有自组织、自适应、低功耗、大规模部署等特点，被广泛应用于环境监测、智能家居、军事侦查等领域。
二、Zigbee协议介绍Zigbee是一种基于IEEE 802.15.4无线标准的短距离、低功耗、低速率的无线通信协议。
Zigbee协议具有低复杂性、低功耗和低数据速率的特点，适用于对数据传输要求不高但功耗要求较低的应用场景。
Zigbee协议的引入使得无线传感器网络的建立和管理更加简单和高效。
三、环境监测系统的设计与实现1. 网络拓扑结构设计无线传感器网络的网络拓扑结构对系统的性能和能耗有着重要的影响。
常用的网络拓扑结构包括星型结构、树状结构和网状结构等。
根据环境监测的需求和应用场景的特点，选择合适的网络拓扑结构可以提高系统的稳定性和可靠性。
2. 传感器节点设计传感器节点是无线传感器网络的基本组成单位，负责采集环境数据、通信和数据处理等功能。
传感器节点的设计需要考虑功耗、通信距离、数据处理能力等因素。
合理设计传感器节点的硬件和软件结构可以提高系统的性能和功耗控制能力。
3. 数据传输和协调无线传感器网络中的数据传输和协调是环境监测系统的核心功能。
利用Zigbee协议进行数据传输和协调可以提高系统的实时性和可靠性。
节点之间通过Zigbee协议进行数据传输和通信，通过集中控制器进行数据处理和协调，实现环境数据的准确采集和监测。
四、无线传感器网络基于Zigbee协议的环境监测系统的优势1. 低功耗：无线传感器节点采用低功耗设计，系统整体功耗较低，能够满足长时间连续监测的需求。
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基于ZigBee技术的室内环境监控系统目录1 研究背景与意义 (12 研究内容 (13 ZigBee技术综述 (23.1 ZigBee特点 (23.2 ZigBee协议栈 (33.3 节点类型 (63.4 拓扑结构 (63.5 地址类型及ZigBee寻址 (74 室内环境监测系统设计 (84.1 系统架构 (84.2 硬件设计 (94.3 软件设计 (104.4 系统功能定义 (115 室内环境监控系统的特点 (126 总结 (137 参考文献 (13基于ZigBee技术的室内环境监控系统1 研究背景与意义随着人类进入信息时代,计算机技术、通信技术及网络技术都得到了迅猛的发展与提高,人们对居住环境也提出了更高的要求,希望自己能居住在一个生活现代化、居住环境安全化和舒适化的生活空间。
与此同时,生活节奏的不断加快,实时掌握大量信息和进行高效工作的需求日益凸显,但是繁重的家务和繁琐的家电操作占用人们大量的时间,这时就需要有一个方便快捷的智能化家居管理平台协助人们处理家居事务,将人们从家务和家电操作中解放出来。
在这种需求的驱动下,智能家居的概念也就应运而生。
人们希望通过这种技术将家庭中各种与信息相关的通讯设备、家用电器和家庭安防等装置连接到一个家庭智能化系统上进行集中或异地监视、控制和管理,保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调一致,从而满足用户对居住环境的需求。
智能家居系统的结构如图1所示:图1 智能家居系统结构图由图1可知,室内环境监控系统是智能家居系统中其必不可少的一部分,是实现智能家居系统功能的重要组成部分与基本条件,是给用户提供一个安全、舒适、便捷的生活环境的重要手段。
一个好的室内环境监控系统对于构建智能家居系统和提高用户的生活环境质量具有重要的意义。
2 研究内容本文以基于ZigBee技术的室内环境监控系统为研究背景,利用ZigBee技术作为支撑平台,将温湿度传感器、光照传感器、雨滴传感器、火灾传感器及人体感应传感器等传感器节点采集到的数据信息通过ZigBee 网络汇聚到网络中的网关节点,该网关节点再通过Wifi模块将处理后的数据传送给Android上位机软件,然后用户通过与上位机软件进行交互,通过显示的数据信息反馈控制诸如空调、电灯等电器,可营造一个安全、舒适、温馨的室内氛围。
根据以上介绍,本文的研究内容主要包括以下几部分:1.ZigBee协议介绍。
详细介绍了ZigBee 协议中各层的功能及参考模型推荐。
2.ZigBee技术应用。
本文通过这些传感器的协同感知打造一个更加人性化的室内环境,实现了温湿度传感器、光照传感器、雨滴传感器、火灾传感器及人体感应传感器等传感器的集成应用。
例如通过温湿度传感器采集的数据反馈控制空调的工作参数,通过光照传感器采集的室内外光照信息,控制窗帘的闭合程度及灯光亮度的PWM调节等等。
3.本室内环境监控系统的整体架构、功能及各模块结构介绍。
4.本室内环境监控系统的硬件与软件设计。
3 ZigBee技术综述3.1 ZigBee特点ZigBee是一种短距离、低功耗的无线网络技术,主要由ZigBee联盟制定,其底层是采用IEEE 802.15.4 标准规范的MAC与PHY层。
ZigBee 是一个标准,它为低数据速率、窄带无线网络定义了一系列通信协议。
ZigBee可工作在2.4GHz、868MHz和915 MHz这3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。
作为一种无线通信技术,ZigBee具有如下特点:1.低功耗。
由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。
据估算,ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。
2.开发成本低。
由于网络协议简单,开发时间成本较低,而且ZigBee 协议免除专利费。
同时,各大半导体公司也设计出了适合ZigBee 技术规范的价格低廉的芯片,低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。
3.时延短。
通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。
因此ZigBee 技术适用于对时延要求苛刻的无线控制应用。
4.网络容量大。
一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备,一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络, 而且网络组成灵活。
5.可靠。
采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。
MAC层采用了完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。
如果传输过程中出现问题可以进行重发。
6.安全。
ZigBee提供了基于循环冗余校验的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。
3.2 ZigBee协议栈ZigBee协议的体系结构如图2所示:ZigBee协议体系结构图2 ZigBee协议体系结构ZigBee 协议栈建立在IEEE802.15.4 的PHY 层和MAC子层规范之上,它实现了网络层和应用层。
在应用层内提供了应用支持子层和ZigBee设备对象,应用框架中则加入了用户自定义的应用对象ZigBee的体系结构由称为层的各模块组成。
每一层为其上层提供特定的服务:即由数据服务实体提供数据传输服务;管理实体提供所有的其他管理服务。
每个服务实体通过相应的服务接入点为其上层提供一个接口,每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。
下面介绍一下各分层及其参考模型。
物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口,提供物理层服务和物理层管理服务。
图3 物理层参考模型MAC层负责处理所有的物理无线信道访问,并产生网络信号、同步信号;支持PAN连接和分离,提供两个对等MAC实体之间可靠的链路。
图4 介质控制子层参考模型网络层是ZigBee协议栈的核心部分。
网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能。
图5 网络层参考模型ZigBee应用层框架包括应用支持层、ZigBee设备对象和制造商所定义的应用对象。
应用支持层的功能包括:维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。
ZigBee设备对象的功能包括:定义设备在网络中的角色,发起和响应绑定请求,在网络设备之间建立安全机制。
ZigBee设备对象还负责发现网络中的设备,并且决定向他们提供何种应用服务。
ZigBee应用层除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外,一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。
应用程序框架:运行在ZigBee协议栈上的应用程序实际上就是厂商自定义的应用对象。
图6 应用层参考模型3.3 节点类型一般一个ZigBee 网络由一个协调器以及多个路由器和多个终端设备组成,如图7所示。
协调器路由器端节点图7 ZigBee网络示意图1.协调器协调器负责启动整个网络。
它也是网络的第一个设备。
协调器选择一个通道和一个网络ID(也称之为PAN ID,随后启动整个网络。
协调器也可以用来协助建立网络中安全层和应用层的绑定。
协调器的角色主要涉及网络的启动和配置。
一旦这些都完成后,协调器的工作就像一个路由器。
2.路由器路由器的功能主要是允许其他设备加入网络,多跳路由和协助它自己的由电池供电的子终端设备的通讯。
通常,路由器希望是一直处于活动状态,因此它必须使用主电源供电。
但是当使用树型结构网络模式时,允许路由间隔一定的周期操作一次,这样就可以使用电池给其供电。
3.终端设备终端设备没有特定的维持网络结构的责任,它可以睡眠或者唤醒,因此它可以是一个电池供电设备。
通常,终端设备对存储空间的需要比较小。
3.4 拓扑结构ZigBee主要界定了网络、安全和应用框架层,通常它的网络层支持3种拓扑结构,包括星型结构、网状结构和簇树型结构,如图8所示。
协调器路由器端节点星型网络网状网络树状网络图8 拓扑结构星型网络星型网络由一个PAN 协调器和多个终端设备组成,只存在PAN 协调器与终端的通讯,终端设备间的通讯都需通过PAN 协调器的转发。
网状网络网状网络是树状网络基础上实现的,与树状网络不同的是,它允许网络中所有具有路由功能的节点直接互连,由路由器中的路由表实现消息的网状路由。
该拓扑的优点是减少了消息延时,增强了可靠性,缺点是需要更多的存储空间开销。
树状网络树状网络由一个协调器和一个或多个星状结构连接而成,设备除了能与自己的父节点或子节点进行点对点直接通讯外,其他只能通过树状路由完成消息传输。
3.5 地址类型及ZigBee寻址ZigBee设备有两种类型的地址。
一种是64位IEEE地址,即MAC地址,另一种是16位网络地址。
64位地址是全球唯一的地址,设备将在它的生命周期中一直拥有它。
它通常由制造商或者被安装时设置。
这些地址由IEEE来维护和分配。
16位网络地址是当设备加入网络后分配的。
它在网络中是唯一的,用来在网络中鉴别设备和发送或接收数据。
下面是寻址方式介绍:1.单点传送单点传送是标准寻址模式,它将数据包发送给一个已经知道网络地址的网络设备。
2.间接传送当应用程序不知道数据包的目标设备在哪里的时候,使用该模式。
3.广播传送当应用程序需要将数据包发送给网络的每一个设备时,使用该模式。
4.组寻址当应用程序需要将数据包发送给网络上的一组设备时,使用该模式。
4 室内环境监测系统设计4.1 系统架构根据室内环境与ZigBee技术的特点,本文设计的基于ZigBee技术的室内环境监控系统主要由多种传感器节点、路由器节点、网关节点与上位机软件组成。
其中,网关节点与传感器节点分别充当ZigBee网络中的协调器节点与端节点的角色,上位机软件通过Wifi与网关进行通讯,可以实时了解室内环境的相关参数及进行手动调节。
本文设计的室内环境监控系统的结构图如图9所示:图9监控系统结构图由上图可知,在本系统中,传感器节点主要负责数据的采集与发送;路由器节点主要负责网络的管理与数据的转发,当检测范围较大时,可通过增加路由器节点扩大网络的覆盖范围;网关节点主要负责网络的建立、节点的管理、数据的处理以及和上位机软件进行通讯。
整个ZigBee网络采用树型拓扑结构,传感器节点是整个网络的叶子节点,路由器节点是传感器节点的父节点,而网关节点又是路由器节点的父节点。
当监测区域较大时,可以通过增加路由器节点来保证网络的连通性与鲁棒性。
上位机软件是整个室内监控系统的中枢,实现对室内环境的集中控制与管理。
4.2 硬件设计本系统的硬件主要由网关节点、路由器节点以及各种传感器节点构成,实现对数据的采集、处理和无线信号的收发。