基于物联网的智能家居系统设计毕业设计论文

III 基于物联网的智能家居系统设计毕业设计 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 基于物联网的智能家居系统设计 摘 要 智能家居系统是利用计算机、嵌入式系统和通信网络技术，将各种家用设施(如照明、安防、家电等)通过家庭网络连接到一起，从而为人们提供更为便利舒 适的生活。传统的智能家居系统一般是通过有线线路布线和进行各种控制和通信的，人们难以脱离各种线缆的羁绊，而且系统的可扩展性能也很差。现代近距无线通信技术的发展，使得人们能够冲破这种束缚，营造更舒适的家居生活。家居网络可以大致分为数据网络和控制网络两大部分，本文主要针对智能家居系统的控制网络相关技术进行研究，并进行了系统设计。 本文主要按照以下几部分展开论述: 首先分析了智能家居系统的一般构成以及控制系统在智能家居的地位，并通过传统智能家居的特点进行分析，指出了目前市场上的智能家居系统的局限性，提出了基于短距无线网络的现代智能家居系统是将来的发展趋势。接着对智能家居控制的系统构架以及相关关键技术进行了分析和比较，指出基于IEEE802.15.4的zigbee技术是目前最适合无线家居控制系统的无线标准，并对该标准进行了深入研究。然后从系统和应用的角度来研究智能家居控制网络，设计了一个基于近距无线技术的智能家居控制演示系统，包括主控制器与传感器、摄像头监控、开关控制等功能节点的设计。 关键词：家居控制网， Zigbee，物联网 Things Based System Design of Smart Home ABSTRACT Intelligent household system is using a computer, the embedded system and communication network technology, will all sorts of household facilities (such as lighting, security, home appliance, etc) through the family network connectivity to together, thus provide people with more convenient comfortable life. The traditional intelligent household system is generally through the cable line wiring and various control and communication, people is hard to escape the fetters of various cable, and system extensible performance is also very poor. Modern sidewall of wireless communication technology development makes the people can get the chains, build the household life more comfortable. Household networks can be roughly divided into data networks and control network of two parts, this article mainly aims at intelligent household system control network relevant technology and system design. This paper mainly according to the following several aspects to discuss. This paper firstly analyzes the general intelligent household system composition and control system in intelligent household position, and through the traditional intelligent household characteristics, the paper suggests that the current market the limitations of the intelligent household system, puts forward the short-range wireless network based on the modern intelligent household system is the future trend of development. Then the intelligent household control system architecture and related key technology are analyzed and compared, points out that the IEEE8O2. Based on zigbee technology 15.4 is the most suitable for wireless home control system's wireless standards, and the standards were studied. Then from the Angle of system and application research intelligent household control network, design of a close wireless technology based on the intelligent household control demonstration system, including the main controller and sensor, surveillance camera, switch control design of functional nodes. Keywords: home control nets, Zigbee, Content networking 目 录 摘要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1.1智能家居的发展及应用前景 1 1.2课题的目的和意义 2 1.3系统软件要求及通讯技术 2 1.4 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 论证及系统实现的功能目标 5 2 Zigbee技术 6 2.1 Zigbee联盟 6 2.2 Zigbee的技术参数 6 2.3 Zigbee协议栈 7 2.4 Zigbee的技术特点及其优势及工程应用： 8 2.5 Zigbee与蓝牙技术比较 9 2.6 Zigbee的应用领域和应用前景 10 3 基于Zigbee技术的智能家居系统构架 11 3.1 基于 ZigBee 技术的拓扑结构 11 3.2 家庭网关 11 3.3 传感器节点 13 3.4 Zigbee网络的构成 14 3.4.1设备分类及功能 14 3.4.2 地址分配模式 15 3.5 Zigbee的网络拓扑结构 15 3.5.1 星型网络 15 3.5.2 树形网络 16 3.5.3 网型网络 16 3.5.4 智能家居的网络拓扑选择 17 4 智能家居中的硬件设计 18 4.1 底层硬件模块及Zigbee硬件的实现 18 4.1.1 底层硬件模块 18 4.1.2　中间协议层 18 4.2　Zigbee硬件的实现 19 5 系统的软件设计及运行结果 21 5.1 Z-Stack平台软件结构及开发环境 21 5.1.1 Z-Stack平台软件结构 21 5.1.2 开发环境 21 5.2 软件结构及接口定义 24 5.2.1 软件结构的总体结构 24 5.2.2 接口定义 24 5.3 主节点的软件流程 24 5.4 终端节点软件设计 27 5.4.1 终端节点的功能及要求 27 5.4.2 终端节点的工作流程 27 5.4.3 终端节点的节能机制 27 5.4.4 系统运行结果及评价 27 6 家居四表抄送系统的典型应用 30 6.1 家居四表抄送系统方案 30 6.2 四表抄送系统家居智能节点 31 6.2.1 四表抄送系统家居智能节点 32 6.2.2 无线抄电表模块 33 6.2.3 模块中Zigbee 节点信息处理描述 34 7 结束语 35 参考文献 36 致谢 37 附录Ⅰ 38 附录 Ⅱ 39 1 绪论 1.1智能家居的发展及应用前景 近几年，在各大公司和媒体的强大概念宣传攻势下，智能家居行业逐渐形成，可用的、接近现实需求的产品不断增加，集成商、开发商以及装修公司已经积累了很多 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 。如何建立一个高效率、低成本的智能家居系统已成为当前社会一个热点问题。而国家政府机构及各大信息家电生产厂商不失时机地开展了中国智能家庭网络的标准化制定工作，为中国智能家居的发展提供了一个开放的标准化平台，指明了智能家居研究领域正确的发展方向。 但是，此行业仍存在几个问题。首先，定位偏高，目前智能家居的用户是中上档次的人群，而这类人群毕竟是少数，因此降低定位，让智能家居进入寻常百姓家，可扩大市场范围；其次，切实分析用户需求，否则就只是房地产开发商售楼时一个宣传卖点。 智能家居系统可以理解为利用电脑、网络和综合布线技术，通过家庭信息管理平台将与家居生活有关的各种通讯设备、家用电器和家庭保安装置经由家庭总线技术连接到一个家庭智能化系统上，从而形成一个有机的整体（数字家庭网络系统），进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。而无线网络技术的应用已经成了智能家居系统一个新选择。无线网络一般家庭网络通讯有以下几个特点：1、传输的数据量比较小,因而无需太大的传输速度；2、信息的实时性要好，时延要短，尤其在安防信息上；3、网络的容量要大，因家庭中各种设备、电器很多；4、无论采用何种方式建立家庭网络，都必须保证数据传送过程中的安全性和可靠性，不易被人窃取和破坏。在智能家居系统中，无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势，这不仅仅因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去了花在综合布线上的费用和精力，而且更符合家庭网络的通讯特点，同时随着无线网络技术的进一步发展，也必将大大促进家庭智能化、网络化的进程。 目前，无线网络技术主要可分为射频（RF）技术、红外线技术、IEEE802.11b和IEEE802.11a协议技术、Home RF协议、ZigBee 技术、蓝牙技术。其中射频(RF)技术已很成熟，它的成本低廉，穿透性较好，但抗干扰能力差，安全性差，最致命的缺陷是它没有统一的标准，各公司的通信协议都不一样；红外技术也比较成熟，但必须直线视距连接，限制太大，并不适合我们通常意义上的家庭网络；IEEE802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，主要用于办公室局域网和校园网，由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，IEEE小组又相继推出了IEEE802.11b和IEEE802.11a两个新标准，但无论是IEEE802.11b还是IEEE802.11a都是一种高速率传输协议，用在家居系统上有些大材小用，而且价格昂贵，它更适于办公室的无线网络；HomeRF无线标准是由HomeRF工作组开发的，旨在使计算机与其他电子设备之间实现无线通信的开放性工业标准，由于Home RF 网络没有密码因而它的安全性较差，且它的抗干扰能力很差；而ZigBee技术和蓝牙技术都属于IEEE802.15协议，在一定的范围内有重叠，但其各自的技术特点决定了其应用的侧重点仍有很大的不同。ZigBee作为一种低功耗、低数据速率、低成本的技术，更适合于家庭自动化、安全保障系统及进行低数据率传输的低成本设备之间，而蓝牙更适合于语音业务及需要更高数据量的业务，如移动电话、耳机等。 1.2课题的目的和意义 现代社会，商品经济竞争日益激烈，工作节奏不断加快。对于全身心投入竞争的人们，家务工作方面必然力不从心，家务管理因此就显得尤为重要。智能家居控制器可以提供智能控制方案，使家庭主人在处理家务方面，即快捷又省力。还提供舒适健康的环境，可以监视室内的温度、湿度，进而控制空调机的运行，达到人工模拟大自然的气息。使人们将来足不出户就能体验和享受到身临大自然的美好境地。加大了处理紧急情况的力度、增强了住户无人在家时的安全感，使人们能够全身心地投入工作，从而提高生活质量。住宅智能化控制的开发与建设是21世纪发展的必然趋势。由于信息技术的大力普及和应用，极大推动住宅小区智能化建设的进程，更为住宅小区智能化提供了可靠的技术保障，实施起来更加容易和简捷。智能信息家电及智能家居系统具有安网作为主干网，实现交互式数字视频业务。 系统硬件要求 1 小区物业管理智能化系统的硬件有信息网络、计算机、公用设备、计量仪表和电子器材等。系统硬件应具有先进性，避免短期内因技术陈旧造成整个系统性能不高和过早淘汰。 2 在充分考虑先进性的同时，硬件系统应立足于用户对整个系统的具体需求。应优先选择先进、适用、技术成熟，最大限度地发挥投资效益。 3 无论是系统设备还是网络拓扑结构，都应具有良好的开放性。网络化的目的是实现设备资源和信息资源的共享。因此，计算机网络本身应具有开放性，并应提供标准接口。用户可根据需求，对系统进行拓展或升级。 4 计算机网络选择和相关产品的选择要以先进性和适用性为基础，同时考虑兼容性.系统设备应优先选择根据己有国际标准设计、生产的标准化设备，避免因兼容性差造成系统难以升级或拓展。 5 随着社会的不断发展和进步，住宅小区物业管理智能化系统的规模、自动化程度会不断扩大和提高，用户的需求会不断变化。因此，系统的硬件应充分考虑未来可升级性。 1.3系统软件要求及通讯技术 （1）系统软件要求 系统软件是小区物业管理智能化系统的核心，它的功能好坏直接关系到整个系统的水平。系统软件包括:计算机及网络操作系统、应用软件及实时监控软件等。 1 系统软件应具有很高的可靠性和安全性。 2 系统软件操作方便，采用中文图形界面，采用多媒体技术，使系统具有处理声音及图像的能力。用户操作界面要适应不同层次住户及物业公司人员的素质。 3 系统软件应符合国家、行业标准以及国际标准，便于多次升级和支持新硬件产品。 4 系统软件应具有功能上的可扩充性。使用的元件的耐压要求比较高，在安全问题上有一定的隐患。目前国际上采用电力线作为联网介质推出的解决方案有--xOI，CEBUS等。 （2）智能家居系统的通讯技术 家庭网络的通讯主要是以物理媒体层的实际电磁信号为主要传输载体，所以物理媒体层传输介质是整个家居网络的物质基础。因而家庭网络的通讯媒体的选用是很重要的。目前，家庭网络的通讯媒体主要有以太网(双绞线)、电话线、电力线、无线射频、红外线、电缆和光纤等几种，但当前主要以双绞线、电话线和电力线为主，家庭无线网络主要采用红外、无线方式等，将以其灵活方便和可移动计算的特点而成为未来发展的方向。 根据接入设备的类型及实际需要，家庭局域网可以用有线或无线方式实现，也可以用混合型网络实现。以下我们分别对这几种方案进行比较: 有线通讯技术 有线通讯方式主要利用家庭中的电话线、有线电视线、交流电力线等己经存在的配线进行通讯。 (1)电话线网络 计算机厂商与消费电子厂商成立了一个名为HomePNA(家庭电话线网络联盟)的组织来推广利用电话线建立家庭网络。它是通过在电话线加载高频载波信号来实现信息的传递，可以同时满足电话业务、家庭内部数据传输，互相不干扰。可以达到1Mbit/s的传输速率。该方案采用802.3标准，支持即S机制，HomePNA在撇C层制订了八种优先级，改进了冲突解决技术，保证音频类实时数据延迟控制在10一2h(as。电话线网络利用住宅内现有电话线路的家庭网络具有较好的发展前景，因为电话应用已经普及，施工和安装比较方便，通过频分多角技术可以使一根电话线利用不同频率同时传输数据、Inertnet信息和声音。相对其它技术而言，基于电话线路的连网产品价格较低，数据传输不容易受到干扰。利用电话按键可实现简单、方便、廉价的远程控制。 (2)电力线网络 采用电力线作为传输介质一般使用窄带通讯方式和扩频通讯方式，在家庭网络中适合采用扩频通讯方式。使用电力线的最大优点在于不用改动家庭布线，利用现有的插座就可以实现家用电器的方便联网，因此施工和安装更为方便。但对于家庭中所使用的手持移动设备来说无法采用电力线连入家庭网络。它的缺点在于传输速率只有300Kbps，躁声和干扰比较大，不能满足数字视频和音频信号的传输，保密性较差，而且没有统一的标准。此外由于信号与家用电器在同一对线上传输，对所全、方便、高效、快捷、智能化、个性化的独特魅力，它对于改善现代人类的生活质量，创造舒适、安全、便利的生活空间有着非常重要的意义。 国家智能家居建设纲要对于智能家居系统的要求 国家智能家居建设纲要对于智能家居系统的要求如下: 系统的功能要求 住宅小区智能化系统示范工程功能要求，按不同标准，应分别做到以下功能: 一星级 1 安全防范子系统 (l)出入口管理及周界防越报替 (2)闭路电视监控 (3)对讲与防盗门控 (4)住户报警 (5)巡更管理 2 信息管理子系统 (1)对安全防范系统实行监控 (2)远程抄收与管理或Ic卡 (3)车辆出入与停车管理 (4)供电设备、公共照明、电梯、供水等主要设备监控管理 (5)紧急广播与背景音乐系统 (6)物业管理计算机系统几， 3 信息网络子系统 (1)为实现上述功能科学合理布线 (2)每户不少于两对电话线和两个有线电视插座 (3)建立有线电视网 二星级 二星级除应具备一星级的全部功能之外，同时在安全防范子系统和信息管理子系统的建设方面，其功能及技术水平应有较大提升。信息传输通道应采用高速宽带数据网作为主干网。物业管理计算机系统应配置局部网络，并可供住户联网使用。 三星级 三星级应具备二星级的全部功能。其中信息传输通道应采用宽带光纤用户接入题。有线和无线技术，既是相互竞争的也是相互补充的，既有各自的优点也有各自的缺点，目前是多种技术的混合和共存的局面。但随着无线技术的发展成熟，无线技术必将取代优先技术，成为最终的发展趋势。 1.4 方案论证及系统实现的功能目标 （1）远程家居智能管理系统设计原则 优秀的家庭自动化产品应该具有以下设计原则: 标准化:家庭自动化产品应当依照国际上流行的相关协议进行设计，充分保证各厂家产品间的兼容性和相互操作能力。 开放性:目前，在智能住宅、家庭自动化、家电网络领域尚处于一家一户自行开发的局面，而实际上用户不可能全部使用同一厂家生产的产品，这将极大阻碍互联互通和长远发展。因此，家庭自动化系统应该具有开放的协议、统一的接口。 模块化:采用模块化的设计可以适应各种场合的需要，保障用户的利益并允许系统的逐步到位。模块之间遵循一定的协议，可以相互通讯和协调。 实用性:人们购买家庭自动化产品是为了享有更加便利舒适的生活，绝非追逐潮流的概念。 普及化:家庭自动化系统应该面向低成本、高性能的目标设计，住户对价格较为敏感，所以智能住宅采用的技术要较为经济。同时，家庭自动化系统应该能最大程度兼容用户原有电器设备，保护用户投资。 简洁易用:高科技带来的应该是一种享受而绝不是一种负担。好的家庭自动化产品应该简便易用、用户界面友好，并且不需要使用者花上太多的精力就能掌握。 （2）系统实现的功能目标 智能家居控制系统是由基于电话网络的远程控制和本地集中控制两大部分组成。具体功能目标是: 1 远程控制实现人在异地能通过电话网络对家中的电器设备进行控制的功能。 2 本地集中控制实现在近距离通过键盘控制家用电器设备的工作状态。 3 安全防盗报警。 4 三表(电表、水表、气表)的数据采集。 5 实时时钟显示的功能。 2 Zigbee技术 Zigbee技术综述 Zigbee技术是主要应用于自动控制的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。它主要工作在无须注册的2.4GHz ISM频段，数据速率为20—250kbit/s，最大传输范围在10～75m，典型距离为30m。基于Zigbee 的无线模块由高度集成的天线、电池及频率控制器组成。在以Zigbee构成的WPAN网络中能支持高达254个用户节点，外加一个全功能器件或主器件，可实现双 向通信。Zigbee主要通过降低收发信机的忙闲比及数据传输的频率，降低帧开销以及实行严格的功率管理机制，例如关机及睡眠模式等方式来降低设备的综合功耗。IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz 物理层。两个物理层都基于DSSS（Direct Sequence SpreadSpectrum，直接序列扩频），使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。Zigbee MAC 层的设计则主要考虑到尽可能地降低成本，容易实现，可靠的数据传输，短距离操作及非常低的功耗。在Zigbee 网络中传输的数据可分为3 类，周期性数据如家庭中水、电、气三表数据的传输; 间断性数据如电灯、家用电器的控制即安防报警数据的传输; 还有反复性的低反应时间的数据如无线鼠标、游戏杆传输的数据。为了提高传输数据的可靠性，Zigbee采用了载波侦听多址/冲突避免（CSMA/CA）的信道接入方式和完全握手协议。 2.1 Zigbee联盟 Zigbee联盟成立于2002年8月,由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司及荷兰飞利浦半导体公司组成,如今已吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入。Zigbee联盟负责制定网络层及以上层协议。 2.2 Zigbee的技术参数 Zigbee协议定义了两个物理层标准,它们分别是2.4 GHz物理层和868/915 MHz物理层。两个物理层都基于直接序列扩频DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)技术,使用相同的物理层数据包格式,区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速Zigbee无线信道的组成, 图2-1所示; Zigbee的其它技术参数,见图2-2所示。2.4 GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段,有助于Zigbee设备的推广和生产成本的降低。2.4 GHz的物理层通过采用16相高阶调制技术能够提供250 Kbps的传输速率,有助于获更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期,从而更加省电。 图2-1 图2-2 2.3 Zigbee协议栈 Zigbee协议栈[5]采用分层结构，包括:物理层(PHY Layer)、媒体接入控制层(MAC Layer)、网络层(NWK Layer)和应用层，如图2-3所示。 图2-3 Zigbee协议栈结构 网络层以上协议由Zigbee联盟制定,IEEE组织负责定制PHY层和MAC层标准。应用层包括应用对象终端设备和应用接口层,且最多只能包含31个应用对象。应用接口层将主要负责把不同的应用映射到Zigbee网络层上,其中包括:安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现及业务发现。网络层主要考虑采用基于ad-hoc技术的网络协议,应包含以下功能:通用的网络层功能,拓扑结构的搭建和维护,命名和关联业务,包含了寻址、路由和安全;同Zigbee协议标准一样,非常省电;有自组织、自维护功能,以最大程度减少消费者的开支和维护成本。Zigbee协议的媒体接入控制层协议包括以下功能:设备间无线链路的建立、维护和取消;确认模式的帧传送与接收;信道接入控制;帧校验;预留时隙管理;广播信息管理。Zigbee协议MAC层定义的4种帧结构:数据帧、标志帧、确认帧和MAC命令帧,如图2-4所示。 图2-4 Zigbee的帧结构图 2.4 Zigbee的技术特点及其优势及工程应用： （1）Zigbee的技术特点及其优势 1 安全性：Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。 2 可靠性：采用了碰撞避免机制，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。MAC 层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息； 3 成本低：模块的初始成本估计在6美元左右，很快就将降到1.5美元到2.5美元之间，且Zigbee协议是免专利费的； 4 省电：由于工作周期很短、收发信息功耗较低、并且采用了休眠模式，Zigbee技术可以确保两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间，当然不同的应用功耗是不同的； 5 网络容量大：一个Zigbee 网络可以容纳最多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； 6 时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms。 （2）工程应用 Zigbee技术已成功应用于智能家居系统中，比如在某教育社区DCA3000系统中，就是采用Zigbee技术来实现家庭内部的无线网络通迅的。在这款系统中主要由家庭网关和网络中各子节点组成，网络中各子节点采用Zigbee技术与家庭网关进行无线通讯，其中各子节点实现的功能分别为（水、电、气）三表数据采集、安防报警数据采集、电灯及家用电器的控制。在家庭网关和每个字节点上都接有一个采用Zigbee技术设计无线网络收发模块,通过这些无线网络收发模块在网关和子节点之间进行数据的传送。之所以采用Zigbee 技术除了上面所述的优点外，还因为这些应用不需要很高的数据吞吐量和连续的状态更新，更为重要的是系统中子节点采用电池供电，因而需要极低的功耗且在通常状态下应具有休眠状态，而这正是Zigbee所具备的，它的优势之一就在于低功耗，从而最大程度地延长电池的寿命，减少网络的维护费用，降低系统的成本。 2.5 Zigbee与蓝牙技术比较 IEEE 802.15 委员会制定了三种不同的WPAN标准，区别在于通信速率、QoS能力等。IEEE 802.15.3标准是高速率的WPAN标准，适合于多媒体应用，有较高的QoS保证。802.15.1标准即蓝牙技术，具有中等速率，适合于从蜂窝电话到PDA的通信，其QoS机制适合于语音业务。802.15.4标准也就是Zigbee技术，目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本无线通信的应用，对数据速率和QoS的要求不高。图2-5 Zigbee不同速率下的传输功耗。 图2-5 Zigbee不同速率下的传输功耗 图2-6 Zigbee与蓝牙比较 Zigbee与蓝牙技术相比较有许多相似点，但其优点更显而易见。蓝牙的传输距离小于10 米，这在大一点的家庭住宅中是一个极大的障碍，因而很难构成无线通信网络，而Zigbee 的最大传输范围在10-75 米，非常适合家庭网络的建立；其次，在一个蓝牙网络中最多可容纳8个节点，而Zigbee可容纳255个节点，而一般每个家庭网络中需要100-150 个设备节点；最后，蓝牙模块的成本较高，这也成为其没有广泛应用的原因之一，此外蓝牙的功耗与Zigbee相比要大很多，而Zigbee则成本低廉，而且其功耗极低，如图2-6所示。虽然蓝牙的传输数据速率要大过Zigbee，但Zigbee的250kbit/s传输速率在家庭网络中已足够使用。可以说，采用Zigbee技术所架构的无线智能家居系统网络，由于其低成本、低功耗，较远的覆盖范围及它在全球范围内的通用，将使其成为智能家居系统中的又一亮点，必将给现代智能家居系统带来一场新的变革。 2.6 Zigbee的应用领域和应用前景 Zigbee技术将主要嵌入在消费性电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控制装置、电脑外设、医用传感器、玩具和游戏机等设备中,应用于小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域中。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。通常,符合如下条件之一的应用,均可以考虑采用Zigbee技术作无线传输. (1)设备成本较低,传输的数据量较小。 (2)设备体积较小,不便放置较大的充电电池或者电源模块。 (3)没有充足的电力支持,只能使用一次性电池。 (4)频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难。 (5)需要较大范围的通信覆盖,网络中的设备非常多,但仅仅用于监测或控制。 3 基于Zigbee技术的智能家居系统构架 3.1 基于 ZigBee 技术的拓扑结构 基于Zigbee技术的智能家居系统的拓扑选择涉及许多 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 的权衡。该网络自身也是一个动态系统，不断与外界环境相互影响。人们的移动、不间断地使用电器和外界的干扰源等都可以影响网络性能。对电池供电的设备来说，复杂的设计目标就是保存电池消耗。通常拓扑结构的选择要考虑以下几个问题：首先，我们要考虑最糟情况下和一般情况下的连通性拓扑：应用需要的节点密度和周围环境状况；其次，评估可选择的情况。最后，还要考虑系统的可升降性和权衡能耗/资源的限制。本文智能家居系统的实际情况如下：1、传感器节点由电池供电，而家庭网关通过电源供电，所以应该尽量减少传感器节点的工作量，以节约传感器节点用电。2、智能家居中接入的主要是传感器和开关，网络中数据量不大，没有必要采用复杂的网络拓扑来保证数据通信。因此，星形拓扑结构完全能满足要求，并且实现简单，不涉及路由寻址等功能。基于Zigbee技术的智能家居系统的网络拓扑结构如图3-1所示。家庭网关和若干个无线通信Zigbee传感器节点模块组成星形结构的家庭传感器网络。其中，家庭网关是全功能设备，它充当网络协调器，由它主导网络的建立，监督网络的正常运行。它配置较多的存储空间，完成网络初始化，数据采集，设备控制等功能。另外，它配置16bit本地地址给设备以节省带宽。其他的无线通信Zigbee子节点模块则是精简功能设备，完成传感器状态采集，查询响应、控制设备等，它们只能与家庭网关之间进行通信，相互之间不能进行通信。 图3-1 3.2 家庭网关 智能家居中的各传感器开关节点与家庭网关互连成家居内部信息网，内部信息网络还需要和外部网络联通，否则无法实现小区集中化管理，不能实现设备诊断和更新，以及远程配置和维护，用户也无法对家中的设备进行远程控制和管理。家庭内部信息网络和外部网络互联，有两种选择，一是公用电话网，而是因特网。这就对应着两种设备，电话接口和家庭网关。电话接口的数据传输能力和控制功能都十 分有限，扩展性不好，因此，采用家庭网关的方式比较可取。家庭内部信息网的通信协议比较简单，要实现它与外部 TCP/IP 的互联，必须实现协议的转换，这是家庭网关一个非常重要的作用。从结构上来看，家庭网关就是外部 TCP/IP 网络与家庭内部信息网络的一个连接点。家庭网关并不只是一个简单的协议转换设备，更是一个对外的家庭内部网络控制接口，一方面是因为家庭内部通信协议功能远不如 TCP/IP 功能强大，另一方面也是因为家庭内部网络的接口规范和协议缺乏统一的标准。家庭网关要做到对外的控制接口，需要考虑一下几个问题： 1）功能接口，必须有一个完备的接口，能够通过该接口实现智能家居的全部功能。 2）数据帧格式，包括内部网络的数据帧格式，协议的基本层次和各层次头部信息格式的确定，协议的指定必须充分考虑到未来的发展和扩充。 3）传输方式，包括数据帧的丢失、超时和校验等情况的处理，尽量做到与物理介质无关，在不同的物理介质上运行，只需要修改最底层的物理协议即可。 家庭网关是一个由硬件和软件共同组成的功能实体，通常是采用 PC 实现。因为PC 功能强大，支持多种设备接口，还包括操作系统和应用软件、网络支持等，能很方便的实现控制和网关功能。但是以 PC 做家庭网关也有它的不足，体积大、功耗大且成本高，因此 PC 并不是家庭网关的最佳选择。我们可以采用嵌入式系统来实现家庭网关，嵌入式系统面向应用，可以根据实际需要定制软硬件和接口，使它的功能、可靠性和成本等各方面更适应要求。但相对 PC 来说，嵌入式不仅包括软件开发，还要完成硬件开发，难度增大。家庭网关从功能结构上分主要包括功能实现、数据处理平台和网络接口控制器三部分。它实现的功能包括：对传感器节点的管理、与外界的信息交互、集成家庭服务、人机界面和对内通信。传感器节点的管理。基本必须实现对传感器节点的状态变化的管理、自动对传感器节点进行操作、生成管理日志。状态变化包括传感器节点的添加、移除和异常情况的管理。对传感器节点进行的操作包括传感器节点的初始设定、传感器节点工作状态的更改（停用、启动等）、对传感器节点发布命令（报警等）。生成管理日志应该包括所有可以采集得到的家庭事务。如传感器节点状态的改变、中继器的报告数据等。 与外界的信息交互。基本必须实现外部的数据的认证、外部指令的执行、内部状态的汇报集成家庭服务。根据系统和用户需求开发的各种应用程序，并整合传感器节点，使其完成特定的服务。如对传感器节点的重载，光照强度传感器可以用于灯光的控制服务，也可用于窗帘的开关服务等。人机界面。基本必须实现传感器节点初始设定界面、家居管理界面。该处的简单性、易用性和灵活性关系到整个系统性能的发挥，对用户的接受程度有很大的影响。 对内通信。包括和中继器之间的通信，规定一套实现以上各种功能的通信协议。 3.3 传感器节点 智能家居传感器网络在家庭环境中布置传感器节点以无线通信方式组织成网络，传感器节点负责监视周围一定范围内的环境，接收信号，并进行数据处理和通信。它集成传感器件、数据处理单元和通信模块，并通过自组织的方式构成网络。借助于传感器节点中各类型的传感器件，可以测量家庭内部和周边环境的温度、湿度、光强度、入侵等。 网络的信息管理的核心部分为物理接口，作为家庭网关和传感器节点之间的桥梁，物理层接口完成家庭网关和传感器节点间通信，并且能使家庭网关和传感器节点之间能够相互理解通信的内容。所以家庭网关和传感器节点都配置同样的无线收发模块作为物理接口。除了无线收发模块之外，传感器节点还包括具有一定处理能力的 MCU 芯片，单片机根据预先写入的程序，能够采集传感器信息、转发命令和状态信息和控制设备，并能对子网上的节点进行统筹管理，维护整个传感器系统的运转状况。根据前面的分析，传感器节点包括两个模块： 1、功能模块由三个部分组成： 应用：负责对传感器节点的信号采集功能、通信行为等进行初始化，并根据实是外部 TCP/IP 网络与家庭内部信息网络的一个连接点。家庭网关并不只是一个简单的协议转换设备，更是一个对外的家庭内部网络控制接口，一方面是因为家庭内部通信协议功能远不如 TCP/IP 功能强大，另一方面也是因为家庭内部网络的接口规范和协议缺乏统一的标准。家庭网关要做到对外的控制接口，需要考虑一下几个问题： 1）功能接口，必须有一个完备的接口，能够通过该接口实现智能家居的全部功能。 2）数据帧格式，包括内部网络的数据帧格式，协议的基本层次和各层次头部信 息格式的确定，协议的指定必须充分考虑到未来的发展和扩充。 3）传输方式，包括数据帧的丢失、超时和校验等情况的处理，尽量做到与物理介质无关，在不同的物理介质上运行，只需要修改最底层的物理协议即可。 2、家庭网关 家庭网关是一个由硬件和软件共同组成的功能实体，通常是采用 PC 实现。因为PC 功能强大，支持多种设备接口，还包括操作系统和应用软件、网络支持等，能很方便的实现控制和网关功能。但是以 PC 做家庭网关也有它的不足，体积大、功耗大且成本高，因此 PC 并不是家庭网关的最佳选择。我们可以采用嵌入式系统来实现家庭网关，嵌入式系统面向应用，可以根据实际需要定制软硬件和接口，使它的功能、可靠性和成本等各方面更适应要求。但相对 PC 来说，嵌入式不仅包括软件开发，还要完成硬件开发，难度增大。 家庭网关从功能结构上分主要包括功能实现、数据处理平台和网络接口控制器三部分。它实现的功能包括：对传感器节点的管理、与外界的信息交互、集成家庭服务、人机界面和对内通信。传感器节点的管理。基本必须实现对传感器节点的状态变化的管理、自动对传感器节点进行操作、生成管理日志。状态变化包括传感器节点的添加、移除和异常情况的管理。对传感器节点进行的操作包括传感器节点的初始设定、传感器节点工作状态的更改（停用、启动等）、对传感器节点发布命令（报警等）。生成管理日志应该包括所有可以采集得到的家庭事务。如传感器节点状态的改变、中继器的报告数据等。智能家居中的各传感器开关节点与家庭网关互连成家居内部信息网，内部信息网络还需要和外部网络联通，否则无法实现小区集中化管理，不能实现设备诊断和更新，以及远程配置和维护，用户也无法对家中的设备进行远程控制和管理。家庭内部信息网络和外部网络互联，有两种选择，一是公用电话网，而是因特网。这就对应着两种设备，电话接口和家庭网关。电话接口的数据传输能力和控制功能都十分有限，扩展性不好，因此，采用家庭网关的方式比较可取。家庭内部信息网的通信协议比较简单，要实现它与外部 TCP/IP 的互联，必须实现协议的转换，这是家庭网关一个非常重要的作用。从结构上来看，家庭网关就验需要建立统计指标。 网络协议栈：负责模拟传感器节点中无线通信的各层协议。 传感模块：也称为传感协议栈，负责检测和处理来自传感器信道的信号，将其送往上层应用。 能耗模块：节点的能量产生和能量消耗过程，主要包括电池、无线收发设备、数模转换器和信号采集设备等硬件。如图3-2所示： 图3-2 传感器节点模型体系结构 3.4 Zigbee网络的构成 3.4.1设备分类及功能 在ZigBee的网络中，支持两种类型的物理设备:全功能设备和精简功能 设备。全功能设备(FFo，FullFunctionoevice)特点:支持任何拓扑结构;可以成为网络协调器或路由;能和任何设备通信。精简功能设备(盯。，ReducedFunctionDevice)特点:只用在星型拓扑中;不能成为网络协调器;只能和网络协调器通信;实现非常简单。 此外，ZigBee网络按照节点类型来分，支持三种节点:主节点，路由节点以及终端节点。主节点就是协调器，必须由一个FFD构成，它是网络的核心，负责建立一个网络并下发地址。路由节点也是一个FFD，搜索网络并加入，给加入路由的终端节点分配地址。路由节点仅仅是网络中的一个无线收发器，它负责转发通讯和维护网内路径。终端节点是网络中最简单的节点，它可以是一个FFD或者RFD。 3.4.2 地址分配模式 所有Zigbee设备均将有一个64bit的IEEE地址，这是一个全球唯一的设备地址，需要得到Zigbee联盟的许可和分配。在子网内部，可以分配一个16 bit的地址作为网内通信地址，以减小数据包的大小。地址模式有两种: (1)星型拓扑:网络号加设备标识，本文中采用这种分配模式。 (2)点对点拓扑:直接使用源/目的地址。 这种地址分配模式，决定了每个zigbee网络协调器可以支持多于64000个设备，而个协调器可以互连从而可以构成更大规模的网络，逻辑上网络规模取决于频段的选择，节点设备通信的频率以及该应用对数据丢失和重传的容纳程度。 3.5 Zigbee的网络拓扑结构 前面提到过，Zigbee的网络拓扑结构有三种:星型网络，树形网络，网型网络。下面对这三种拓扑网络进行描述和介绍，并比较选定智能家居所选用的拓扑网络。 3.5.1 星型网络 如下图五星型网络是一个辐射状系统，数据和网络命令都通过中心节点传输。如果用通信模块构造星形网络，只需要一个模块被配置成中心节点，其他模块可以配置成终端节点。 图3-3 星型拓扑网络 星型路由拓扑的最大优点是结构简单。这种简单带来的是很少有上层协议需要执行、较低的设备成本、较少的上层路由信息和管理简便。中心节点可以承担许多管理工作。但是这种简单是以灵活的牺牲为代价的。因为需要把每个终端节点放在中心节点的通信范围之内，这必然会限制无限制网络的覆盖范围。并且星型拓扑很难实现高密度的扩展。集中的信息涌向中心节点，容易形成热点，导致网络拥塞、丢包、性能下降等，这取决于数据量的情况。目前为止，星型拓扑是最常见的网络配置结构，被大量用在远程监测和控制中。 3.5.2 树形网络 树型拓扑是多个星型拓扑的集合。如下图六所示，若干个星型拓扑连接到一起，扩展到更广阔的区域，就象是植物学中的分支一样。 从技术的观点来看，树型拓扑是可以实现网络范围内“多跳”信息服务的最单的拓扑结构。树型拓扑结构。树型拓扑是最值得注意的地方就是它保持了星型拓扑的简单性：较少的上层路由信息、较低的存储器需求，这样成本必然也较低。 图3-4 树形网络 然而，树形结构也不能很好的适应外部的动态环境。树形结构的最佳应用是在稳定的无线电射频环境中，也可以很好地用在一些简单的低据量的大规模集合的应用之中。如果应用需要有一定的覆盖范围，网络有一定的稳定性和扩展性，树形结构将是一个简单的选择。 3.5.3 网型网络 网型网络是一个自由设计的拓扑，具有很高的适应环境的能力。网络中的每个节点都是一个小的路由器，都具有重新路由选择的能力，以确保网络最大限度的可靠性，可以看出网络中任意两个节点的通讯路径不是唯一的。 图3-5 网型网络 网络拓扑与星型、树形相比，更加复杂，其路由拓扑是动态的，不存在一个固定可知的路由模式。这样信息传输时间更加依赖瞬时网络连接质量，因而难以预计。更重要的是，既是对一个经验丰富的网络设计师来说，定性地分析网型算法也是一件极具挑战的工作。网络设计师通常在需要高度可靠、可实现的场合应用网型结构。 3.5.4 智能家居的网络拓扑选择 建立一个网络的前提和基础是选择一个合理的网络拓扑，网络拓扑的结构可以决定网络的成本、速度、特点和实现的功能。像家庭这样的小型局域网通常采用的是星型网络，如图三，成本低廉，结构简单，连接容易，容易扩充和管理。这种星型网络结构的特点是对中心节点的依赖性很大，中心节点出现问题可能造成整个网络的瘫痪。家庭内部无线网络连接距离较短，一般在100米以内，家用电器位置容易改变，家庭电器的数量也容易变化，网络中的信息传达主要在无线数字家居服务器和其他室内终端之间。根据家庭网络的这些特点以及以上介绍的无线技术最大传输距离150米，完全满足家庭网络需要。通过使用证明，星型家庭网络组网简单，使用可靠。 4 智能家居中的硬件设计 相对于其他无线通信标准, Zigbee协议栈显得更为紧凑和简单。如图4-1所示, Zigbee协议栈的体系结构由底层硬件模块、中间协议层和高端应用层3部分组成。 图4-1 Zigbee协议体系结构 4.1 底层硬件模块及Zigbee硬件的实现 4.1.1 底层硬件模块 底层硬件模块是ZigBee技术的核心模块,所有嵌入ZigBee技术的设备都必须包括底层模块。它主要由射频RF(Radio Frequency)、ZigBee无线RF收发器和底层控制模块组成。Zigbee标准协议定义了两个物理层(PHY)标准,分别是2.4 GHz物理层和868/915 MHz物理层。两个物理层都基于直接序列扩频DSSS技术,使用相同的物理层数据包格式;区别在于工作频率、调制方式、信号处理过程和传输速率。 底层控制模块定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口,提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据;物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。数据服务主要包括:激活和休眠射频收发器,收发数据,信道能量检测,链路质量指示和空闲信道评估。信道能量检测:为网络层提供信道选择依据。它主要测量目标信道中接收信号的功率强度,由于这个检测本身不需要进行解码操作,所以检测结果是有效信号功率和噪声信号功率之和。链路质量指示:为MAC层或者应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量信息。与信道能量检测不同的是，它要对信号进行解码,生成一个信噪比指标。这个信噪比指标和物理层数据单元一起提交给上层处理。空闲信道评估:判断信道是否空闲。Zigbee协议标准定义了3种空闲信道评估模式:第一种是判断信道的信号能量,若信号能量低于某一个门限量,则认为信道空闲;第二种是判断无线信道的特征,这个特征主要包括两方面,即扩频信号和载波频率;第三种模式是前两种模式的综合,同时检测信号强度和信号特征,给出信道空闲判断。 4.1.2　中间协议层 中间协议层由IEEE 802.15.4 MAC子层、IEEE 802.15.4链路控制(LLC,Logical Link Control)子层、网络层NWK以及通过业务相关聚合子层SSCS(Service SpecificConvergence Sublayer)协议承载的IEEE 802.2 LLC子层(选用协议层)组成。MAC子层:使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输,而LLC子层在MAC子层的基础上,在设备间提供面向连接和非连接的服务。MAC子层提供两种服 务：MAC层数据服务和MAC层管理服务。前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发;后者维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。NWK层:负责建立和维护网络连接。它独立处理传入数据请求、关联、解除关联和孤立通知请求。SSCS和IEEE 802.2 LLC：只是ZigBee标准协议中可能的上层协议,并不在IEEE 802.15.4标准的定义范围之内。SSCS为IEEE 802.15.4的MAC层接入IEEE 802.2标准中定义的LLC子层提供聚合服务。LLC子层可以使用SSCS的服务接口访问IEEE 802.15.4网络,为应用层提供链路层服务。 高端应用层 高端应用层位于Zigbee协议栈的最上面,主要包括以下5部分:应用支持(APS)子层、Zigbee设备对象(ZDO)子层、Zigbee设备配置(ZDC)子层、应用层(APL)和用户应用程序组成。APS子层:主要提供Zigbee端点接口。应用程序将使用该层打开或关闭一个或多个端点,并且获取或发送数据。ZDO子层:通过打开和处理目标端点接口来响应接收和处理远程设备的不同请求。与其他的端点接口不同,目标端点接口总是在启动时就被打开并假设绑定到任何发往该端口的输入数据帧。 ZDC子层:提供标准的Zigbee配置服务,定义和处理描述符请求。远程设备可以通过ZDO子层请求任何标准的描述符信息。当接收到这些请求时,ZDO会调用配置对象以获取相应的描述符值。APL层:提供高级协议栈管理功能。用户应用程序使用此模块来管理协议栈功能。用户应用程序:主要包括厂家预置的应用软件。同时,为了给用户提供更广泛的应用,该层还提供了面向仪器控制、信息电器和通信设备的嵌入式API,从而可以更广泛地实现设备与用户的应用软件间的交互。 4.2　Zigbee硬件的实现 随着ZigBee标准的发布,世界各大无线芯片生产厂商陆续推出了支持Zigbee的节点模块。图4-2为Zigbee单芯片硬件模块结构图。微处理器通过SPI总线和一些离散控制信号与RF收发器相连。微处理器充当SPI主器件,而RF收发器充当从器件。控制器实现了IEEE 802.15.4 MAC子层和Zigbee协议层,还包含了特定应用的逻辑,并且使用SPI总线与RF收发器交互。 图4-2 Zigbee单芯片硬件模块结构图 总结起来,一个典型的Zigbee节点模块至少必须具备以下组件: 1、一片带SPI接口的微处理器,如ATmega128、PIC18F和HCS08等。微处理器主要用于处理射频信号、控制和协调各部分器件的工作,具体地说,就是负责比特流调制和解调后的所有比特级处理、控制RF收发器等。 2、一个带有所需外部元件的RF(射频)收发器,如Freescale公司推出的MC13192和Chipcon公司推出的CC2420等。射频收发器是Zigbee设备的核心,任何Zigbee设备都要有射频收发器。它与用于广播的普通无线收发器的不同之处在于体积小,功耗低,支持电池供电的设备。射频收发器的主要功能包括:信号的调制与解调、信号的发送和接收,以及帧定时恢复等。 3、一根天线,可以是PCB上的引线形成的天线或单根天线。近程通信中最常用的天线有单极天线、螺旋形天线和环形天线。对于低功耗应用,建议使用范围最佳且简单的1/4波长单极天线。天线必须尽可能靠近集成电路连接。如果天线位置远离输入引脚,则必须与提供的传输线匹配(50Ω)。Freescale公司推出的Zigbee节点模块的应用模型如图4-3所示。 图4-3 Zigbee节点模块应用模型 5 系统的软件设计及运行结果 5.1 Z-Stack平台软件结构及开发环境 5.1.1 Z-Stack平台软件结构 Zigbee协议栈依据 IEEE802.15.4 标准和Zigbee协议规范。Zigbee网络中的各种操作需要利用协议栈各层所提供的原语操作来共同完成。原语操作的实现过程往往需要向下一层发起一 个原语操作并且通过下层返回的操作结果来判断出下一条要执行的原语操作。IEEE 802.15.4 标准和Zigbee协议规范中定义的各层原语操作多达数十条，原语的操作过程也比较复杂，它已经不是一个简单的单任务软件。对于这样一个复杂的嵌入式通信软件来说，其实现通常需要 依靠嵌入式操作系统来完成。挪威半导体公司 Chipcon( 目前已经被TI 公司收购)作为业界领先的Zigbee一站式方案供应商，在推出其 CC2530开发平台时，也向用户提供了自己的Zigbee 协议栈软件-Z-Stack。这是一款业界领先的商业级协议栈，使用 CC2530 射频芯片，可以使用户很容易的开发出具体的应用程序来。Z-Stack使用瑞典公司 IAR 开发的 IAR Embedded Workbench for MCS ．51作为它的集成开发环境。Chipcon公司为自己设计的 Z-Stack 协议栈中提供了一个名为操作系统抽象层 OSAL 的协议栈调度程序。对于用户来说，除了能够看到这个调度程序外，其它任何协议栈操作的具体实现细节都被封装在库代码中。用户在进行具体的应用开发时只能够通过调用API 接 口来进行，而无权知道Zigbee 协议栈实现的具体细节。 Z-Stack由 main（）函数开始执行，main（）函数共做了2件事：一是系统初始化，另外一件是开始执行轮转查询式操作系统。 图5-1 5.1.2 开发环境 系统软件设计是在硬件设计的基础上进行的，良好的软件设计是实现系统功能的重要环节，也是提高系统性能的关键所在。节点设计基于通用性及便于开发的考虑，移植了TI公司的Z-Stack协议栈，其主要特点就是其兼容性，完全支持IEEE 802. 15. 4/Zigbee的CC2430片上系统解决方案。Z-Stack还支持丰富的新特性，如无线下载，可通过Zigbee网状网络（Mesh Network）下载节点更新。 系统初始化 系统上电后，通过执行ZMain文件夹中ZMain.c的ZSEG int main( )函数实现硬件的初始化，其中包括关总中断osal_int_disable( INTS_ALL )、初始化板上硬件设置HAL_BOARD_INIT( )、初始化I/O口InitBoard( OB_COLD )、初始化HAL层驱动HalDriverInit( )、初始化非易失性存储器sal_nv_init( NULL )、初始化MAC层ZMacInit( )、分配64位地址zmain_ext_addr( )、初始化操作系统osal_init_system( )等。 硬件初始化需要根据HAL文件夹中的hal_board_cfg.h文件配置寄存器8051的寄存器。TI官方发布Z-stack的配置针对的是TI官方的开发板CC2430DB、CC2430EMK等，如采用其他开发板，则需根据原理图设计改变hal_board_cfg.h文件配置，例如本方案制作的实验板与TI官方的I/O口配置略有不同，其中状态指示LED2的需要重新设置LED2控制引脚口、通用I/O口方向和控制函数定义等。 当顺利完成上述初始化时，执行osal_start_system( )函数开始运行OSAL系统。该任务调度函数按照优先级检测各个任务是否就绪。如果存在就绪的任务则调用tasksArr[ ]中相对应的任务处理函数去处理该事件，直到执行完所有就绪的任务。如果任务列表中没有就绪的任务，则可以使处理器进入睡眠状态实现低功耗。程序流程如图3-13所示。osal_start_system( )一旦执行，则不再返回Main( )函数。 OSAL任务 OSAL是协议栈的核心，Z-stack的任何一个子系统都作为OSAL的一个任务，因此在开发应用层的时候，必须通过创建OSAL任务来运行应用程序。通过osalInitTasks( )函数创建OSAL任务，其中TaskID为每个任务的唯一标识号。任何OSAL任务必须分为两步：一是进行任务初始化；二是处理任务事件。任务初始化主要步骤如下： （1）初始化应用服务变量。 const pTaskEventHandlerFn tasksArr[ ]数组定义系统提供的应用服务和用户服务变量，如MAC层服务macEventLoop、用户服务SampleApp_ProcessEvent等 （2）分配任务ID和分配堆栈内存 void osalInitTasks( void )主要功能是通过调用osal_mem_alloc( )函数给各个任务分配内存空间，和给各个已定义任务指定唯一的标识号。 （3）在AF层注册应用对象 通过填入endPointDesc_t数据格式的EndPoint变量，调用 afRegister( )在AF层注册EndPoint应用对象。 通过在AF层注册应用对象的信息，告知系统afAddrType_t地址类型数据包的路由端点，例如用于发送周期信息的SampleApp_Periodic_DstAddr和发送LED闪烁指令的SampleApp_Flash_DstAddr。 （4）注册相应的OSAL或则HAL系统服务 在协议栈中，Z-stack提供键盘响应和串口活动响应两种系统服务，但是任何Z-Stask任务均不自行注册系统服务，两者均需要由用户应用程序注册。值得注意的是，有且仅有一个OSAL Task可以注册服务。例如注册键盘活动响应可调用RegisterForKeys( )函数。 （5）处理任务事件 处理任务事件通过创建“ApplicationName”_ProcessEvent( )函数处理。一个OSAL任务除了强制事件（Mandatory Events）之外还可以定义15个事件。 SYS_EVENT_MSG（0x8000）是强制事件。该事件主要用来发送全局的系统信息，包括以下信息： AF_DATA_CONFIRM_CMD：该信息用来指示通过唤醒AF DataRequest( )函数发送的数据请求信息的情况。ZSuccess确认数据请求成功的发送。如果数据请求是通过AF_ACK_REQUEST置位实现的，那么ZSussess可以确认数据正确的到达目的地。否则，ZSucess仅仅能确认数据成功的传输到了下一个路由。 AF_INCOMING_MSG_CMD：用来指示接收到的AF信息。 KEY_ CHANGE：用来确认按键动作。 ZDO_ NEW_ DSTADDR：用来指示自动匹配请求。 ZDO_STATE_CHANGE：用来指示网络状态的变化。 网络层信息 Zigbee设备有两种网络地址：1个是64位的IEEE地址，通常也叫作MAC地址或者扩展地址（Extended address），另一个是16位的网络地址，也叫做逻辑地址（Logical address）或者短地址。64位长地址是全球唯一的地址，并且终身分配给设备。这个地址可由制造商设定或者在安装的时候设置，是由IEEE来提供。当设备加入Zigbee网络被分配一个短地址，在其所在的网络中是唯一的。这个地址主要用来在网络中辨识设备，传递信息等。 协调器（Coordinator）首先在某个频段发起一个网络，网络频段的定义放在DEFAULT_ CHANLIST配置文件里。如果ZDAPP_ CONFIG_ PANID定义的PAN ID是0xFFFF（代表所有的PAN ID），则协调器根据它的IEEE地址随机确定一个PAN ID。否则，根据ZDAPP_ CONFIG_ PANID的定义建立PAN ID。当节点为Router或者End Device时，设备将会试图加入DEFAULT_ CHANLIST所指定的工作频段。如果ZDAPP_ CONFIG_ PANID没有设为0xFFFF，则Router或者End Device会加入ZDAPP_ CONFIG_ PANID所定义的PAN ID。 设备上电之后会自动的形成或加入网络，如果想设备上电之后不马上加入网络或者在加入网络之前先处理其他事件，可以通过定义HOLD_AUTO_START来实现。通过调用ZDApp_Start UpFromApp( )来手动定义多久时间之后开始加入网络。 设备如果成功的加入网络，会将网络信息存储在非易失性存储器（NV Flash）里，掉电后仍然保存，这样当再次上电后，设备会自动读取网络信息，这样设备对网络就有一定的记忆功能。对NV Flash的动作，通过NV_RESTORE( )和NV_ITNT( )函数来执行。 有关网络参数的设置大多保存在协议栈Tools文件夹的f8wConfig.cfg里。 Z-Stack采用无线自组网按需平面距离矢量路由协议AODV，建立一个Hoc网络，支持移动节点，链接失败和数据丢失，能够自组织和自修复。当一个Router接受到一个信息包之后，NMK层将会进行以下的工作：首先确认目的地，如果目的地就是这个Router的邻居，信息包将会直接传输给目的设备；否则，Router将会确认和目的地址相应的路由表条目，如果对于目的地址能找到有效的路由表条目，信息包将会被传递到该条目中所存储的下一个hop地址；如果找不到有效的路由表条目，路由探测功能将会被启动，信息包将会被缓存直到发现一个新的路由信息。 Zigbee End Device不会执行任何路由函数，它只是简单的将信息传送给前面的可以执行路由功能的父设备。因此，如果End Device想发送信息给另外一个End Device，在发送信息之间将会启动路由探测功能，找到相应的父路由节点。 5.2 软件结构及接口定义 5.2.1 软件结构的总体结构 软件分为三层:系统平台层、协议层和应用层。系统平台层通过 API(Application Programming Interface)应用程序接口来给协议层提供服务。协议层则实现了基于 802.15.4 的物理层和链路层以及基于Zigbee 的网络层协议。应用层通过 API 来调用协议层提供的服务，实现网络的管理和数据传输等任务。 5.2.2 接口定义 接口提供上下层相邻模块之间交互的方式，一般有两种方式:基于消息的方式和直接函数调用的方式。直接函数调用就是上层模块直接调用下层模块的函数，优点是效率比较高，缺点是上下层模块的耦合性太强。基于消息的接口方式相当于间接函数调用，因为本质上还是通过调用下层模块的函数来实现服务，但是上层模块完全不知道下层模块是如何实现的，仅是发出消息要求服务，然后再从通过消息来得知服务的结果。这样的接口方式降低模块间的逻辑耦合，接口比较清晰，付出的成本是执行效率比较低。所以在模块接口方式的选择上应充分考虑硬件电路的时间要求，软件整体模块的结构性和移植性。 5.3 主节点的软件流程 这里主要对软件的设计流程作介绍，没有具体的介绍软件设计的细节，重点是突出整体的设计思想。所设计的程序实现的功能有:系统初始化，包括 MCU 的初始化和 CC2430的初始化;通信协议栈的实现;系统应用程序的实现。系统的应用程序可分为：数据采集端应用程序和接入点的应用程序。 1. 系统主程序设计 网络协调器以及节点的程序流程图，分别见图12以及图13主程序源代码见附录 C。在网络协调器中先初始化液晶及射频芯片，然后程序开始初始化协议栈并打开中断。之后程序开始格式化一个网络。之后程序进入应用层，处理函数 apsFSM监控空中的Zigbee信号。如果现在有节点加入网络，则液晶和串口输出都回给节点分配网络地址。同样函数 apsFSM( )里接收节点发送过来的温度等传感器采集到的数值及一些按键操作，并在液晶上显示出来，也同时从串口发送出来。 网络协调器节点流程图： 图5-2 网络协调器节点流程图 2. 中断和初始化程序设计 图 5-1和图 5-2分别为CC2430 中断处理过程与 MCU 初始化过程的流程图： 图5-3 节点程序流程图 中断处理过程： 图5-4 中断处理过程 初始化过程 图5-5 初始化过程 5.4 终端节点软件设计 5.4.1 终端节点的功能及要求 协调器节点是一个Zigbee 网络的第一个开始的设备，或者是一个Zigbee 网络的启动或建立设备。协调器节点选择一个信道和网络标志符（也叫 PAN ID），然后开始建立一个网络。协调器节点在网络中可以使用，比如建立安全机制、网络中的绑定的建立等等。 5.4.2 终端节点的工作流程 对于一个加入网络的终端设备来说程序分为两大部分，网络通信功能部分和设备功能部分。终端节点的网络通信功能部分相对于主节点来说比较简单，要使终端节点能够响应网络的请求，就要在网络通信功能与设备功能之间建立连接，也就是要建立应用程序和网络通信功能之间的接口。在程序中，连接的建立其实就是定义了相关的应用协议，接收到的不同的代码代表不同的操作，终端节点根据接收到的不同的代码调用相应的操作子程序完成代码要求的功能。代码格式已经在主节点软件部分说明，这里不再赘述。本课题设计的温度调节终端设备以及湿度调节终端设备的网络通信功能与设备功能均已实现，并建立了连接，使得它们真正成为了家庭Zigbee网络中的节点，具有了远程监控功能。图12-13是本课题设计的智能家居中终端节点设备的通用软件流程图，所有新加入网络的终端设备均可按照此方法具备网络服务功能，但是，对于新加入的设备，要具体定义新的代码，并更新代码功能表，让设备能够识别与自己有关的代码，执行相应的操作。 5.4.3 终端节点的节能机制 在无线系统中，网络的节能是一个非常重要的问题。用户往往希望终端设备上的电池能够经久耐用，不用经常更换。ZigBee网络的节能机制正好可以满足用户的这种需求，终端设备电池使用时间可长达2年。我们可以在许多方面采取措施来降低终端的能耗，既可以在硬件方面进行专门设计，也可以在软件上进行改进。在硬件方面，可以利用低功耗CMOS器件、低功耗显示技术、低功耗MCU等采取专门措施来降低终端能耗。软件方面，可以通过对各个协议层的优化达到节能的目的。网络层的能量效率问题是无线网络节能问题研究的一个热点，但是对于网络层节能的研究及应用主要集中在有路由功能的无线网络，在无路由网络中效果不明显。因此本课题主要根据所设计终端节点设备的特点，对Zigbee无线通信协议栈物理层和MAC层进行了相应的节能设计，从而降低终端通信子系统的功耗，以延长系统工作的时间。 5.4.4 系统运行结果及评价 (1)系统运行结果 本系统作为智能家居的简化系统(没有包括智能家居全部功能)，证明了无线控制网络在家居控制中的可行性和优势，为进一步的家居系统的开发和实用化提供了初步的基础。系统完成了无线智能家居主节点和两个终端节点的设计，实现了控制功能，数据查询功能，无线监控功能。系统基本包括一个无线家居控制系统所具有的基本功能，成功地完成了可靠的无线控制。然而整个系统还不是很完整，需等待课题组其他成员完成各自的任务，然后进行总体整合的调试，使整个系统能够协调稳定的工作。 Zigbee新一代SOC 芯片CC2430 是真正的片上系统解决方案，支持IEEE802.15.4标准/Zigbee/ RF4CE 和能源的应用。拥有庞大的快闪记忆体多达 256 个字节，CC2430 是理想Zigbee 专业应用。支持新 RemoTI 的Zigbee RF4CE ，这是业界首款符合Zigbee RF4CE 兼容的协议栈，和更大内存大小将允许芯片无线下载，支持系统编程。此外，CC2430结合了一个完全集成的，高性能的 RF 收发器与一个 8051 微处理器，8 kB 的 RAM，32/64/128/256 KB 闪存，以及其他强大的支持功能和外设。CC2430 提供了 101dB 的链路质量，优秀的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性，四种供电模 式，多种闪存尺寸，以及一套广泛的外设集 —— 包括 2 个 USART、12 位 ADC 和 21 个通用 GPIO ，以及更多。除了通过优秀的RF 性能、选择性和业界标准增强 8051MCU 内核，支持一 般的低功耗无线通信，CC2430 还可以配备 TI 的一个标准兼容或专有的网络协议栈（RemoTI ，Z-Stack ，或 SimpliciTI）来简化开发，使你更快的获得市场。CC2430 可以用于的应用包括远程控制、消费型电子、家庭控制、计量和智能能源、楼宇自动化、医疗以及更多领域。 (2)系统的评价 特性描述 1、 强大无线前端 2.4 GHz IEEE 802.15.4 标准射频收发器。 出色的接收器灵敏度和抗干扰能力。 可编程输出功率为＋4.5 dBm ，总体无线连接 102dbm。 极少量的外部元件。 支持运行网状网系统，只需要一个晶体。 6 毫米× 6 毫米的 QFN40 封装。 适合系统配臵符合世界范围的无线电频率法规：欧洲电信标准协会 ETSIEN300 328和 EN 300 440 （欧洲），FCC 的 CFR47 第 15 部分（美国）和 ARIB STD-T-66（日本）。 2、低功耗 接收模式：24 毫安。 发送模式 1dBm：29 毫安。 功耗模式1（4微秒唤醒）：0.2毫安。 功率模式2（睡眠计时器运行）1微安。 功耗模式3（外部中断）：0.4微安。 宽电源电压范围（2 V －3.6V）。 3、微控制器 高性能和低功耗 8051 微控制器内核。 32/64/128/或256/kB系统可编程闪存。 8 KB的内存保持在所有功率模式。硬件调试支持。 4、外设 强大五通道DMA。 IEEE 802.15.4标准的MAC定时器，通用定时器（一个16位，2个8位）。 红外发生电路。 32KHZ 的睡眠计时器和定时捕获。 CSMA/CA 硬件支持。 精确的数字接收信号强度指示/ LQI 支持。 电池监视器和温度传感器。 8 通道 12 位 ADC 在，可配臵分辨率。 AES 加密安全协处理器。 两个强大的通用同步串口。 21 个通用I/O引脚。 看门狗定时器。 应用范围 2.4GHz IEEE802.15.4 标准系统。 RF4CE遥控控制系统（需要大于64KB）。 ZigBee系统/楼宇自动化。 照明系统。 工业控制和监测。 低功率无线传感器网络。 消费电子。 健康照顾和医疗保健。 6 家居四表抄送系统的典型应用 随着信息技术的飞速发展，家居设施、工业控制的智能化、自动化水平越来越高，将室内家用计量仪表、工业自动化控制仪表中的数据自动抄收已逐渐成为人们追求的目标。水、电、气、热等公共事业管理部门也希望新技术的应用能解决长期困扰他们的抄表难、收费难等问题，从而实现节省人力、减少企业流动资金占用、方便用户及提高管理水平的目的。现有国内外抄表方式主要有人工抄表、IC 卡预付费抄表、有线抄表系统及无线抄表系统。人工抄表、人工收费、手工结算，效率低、误差大，已不适应企业管理现代化的要求。用户、收费人员窃气、窃水、窃电、作弊、拒交费用时有发生，造成各类费用不能及时准确的收缴。IC 卡预付费抄表也存在一些问题：IC 卡表具直接与用户接触，极易造成人为破坏;不能及时监控，未能完全解决盗用及表具损坏、故障问题：管理部门不能准确知道用户的实际使用情况。有线抄表系统也存在很多自身无法解决的问题，涉及布管问题、穿线问题，需要预先设计;施工周期长、工程安装成本及维护成本高:系统的扩展升级和与其他网络的兼容等问题。由于线路的铺设和维护都十分麻烦，因而，这种系统也受到很大的限制；人们开始考虑使用无线的方案，然而，由于现有一般无线方案的成本，以及工作的可靠性都还存在着相当的问题，无线方案的实施当然也就难以普及；低成本的 Zigbee 无线网络技术的出现，无疑将为小区物业管理实现真正智能化做出具重要的贡献。 6.1 家居四表抄送系统方案 系统总体结构 在家庭内采用 Zigbee 的无线数据传输技术，将数据收集到一个 Zigbee 网关中，然后借助 GPRS 远程的无线通讯技术，把获得的数据送到远程的服务器，同时，远程服务器可以访问和控制任何一个在 Zigbee 网络中的设备，来实现远程控制等功能。在系统中终端模块完成数据的读写存储在本地，然后等待时机把获得的数据再通过无线信道发送到网络当中，同时接受网络中的信息，如果本节点是一个网络中的路由节点，还要负责网络中信息的路由。网关模块是整个网络的发起者，管理整个网络的深度，整个网络的规模，存储有 Zigbee 网络中各个节点的信息。但当起 Zigbee 网络中的协调器的角色，主要任务就是收集 Zigbee 网络中各个节点发出的信息，存储本地，经过处理后，通过 GPRS 模块把数据发送到远程服务器上。同时，能够接收和解析从远程服务器上传来的命令信息，来控制整个 Zigbee 网络。远程服务器能够上网，有数据库管理系统，接收和分析来自网关模块的信息，同时，能够通过网络发出命令信息，被网关模块接收，主要功能就是，数据存储和接收，远程控制。本典型应用设计中的星型网络，由一个网络协调者和若干个网络终端设备构成。网络协调者负责网络的管理工作，而终端设备一方面采集模拟数据，同时把这些模拟数据通过无线网络发送给协调者。在硬件平台选型时，可能并非是成本最低的方案，而是选择了功能相对较强的处理器。网络协调器的 MCU 选择 32位的 ColdFire521X 系列，网络终端的 MCU 选择为 HCS08 微处理器。 6.2 四表抄送系统家居智能节点 系统上电后，完成初始化组网。完成初始化的节点进入相应的低功耗模式。此后，家庭网关以 SPI 中断的方式唤醒处在等待模式的节点，然后进行通信。处于停止模式的微型节点被实时中断(中断周期为固定间隔加上随机时延)唤醒，进行传感器)状态采集，并设定下一次实时中断的随机时延。处于停止模式的微型节点被报警信号 IRQ 中断唤醒，该节点首先进行低电压检测，电压正常的情况下向家庭网关上传报警信息。通信过程中，微型节点发送连接请求若是失败，则随机延时后重新发送连接请求。通信连接成功以后，若是通信失败，家庭网关随机延时一段时间后再重新发起连接，连续三次通信失败则判定相应的微型节点异常，家庭网关通知拆除该微型节点。微型节点在等待和停止模式下具有低电压检测功能，若检测到电压低，则会发出告警信号给家庭网关。数据采集终端由 PC 机、CC2430 等组成；远程用户终端由 MC9SO8GB60、CC2430、水表传感器、电磁阀及电源监控部分等组成。系统工作原理：当用户用水时，传感器测试到用水量并将其转化为电脉冲信号输入到单片机系统中，单片机系统进行计数和相应从所存金额中扣除用水量；数据采集终端的 PC 机可以随时发出抄表指令对用户用水金额进行读取。当用水的金额不足时，单片机系统通过 LCD 显示器和蜂鸣器提示用户及时到管理中心存入金额；否则当金额为零时，单片机将发出关断电磁阀指令来停止用户用水，缴纳金额后再发出打开电磁阀指令，用户才能正常用水。存入金额的过程也是无线通信的过程，即系统管理中心将用户缴纳的金额通过串口发送给单片机，单片机将此值通过射频发射模块发射出去，用户端通过射频接收模块将此值存入单片机系统。该系统的软件由数据采集终端程序和远程用户终端程序组成，均包括初始化程序、发射程序和接收程序。初始化程序主要是对单片机、射频芯片、SPI 等进行初始化；发射程序将所建立的数据包通过单片机 SPI 接口送至射频发射模块输出；接收程序完成数据的接收并进行处理。 SPI 通信程序 uintl6 drv read_spi l( uint8 addr){ ／*SPI读函数*／ uintl6_w； ／*w[O]是高字节，w[1]是低字节*／ uint8_ temp_value； ／*用来暂存SPI数据寄存器的值*／temp_value = SPI1S； ／*清状态寄存器*／ temp_value = SPI1D；／*清接收数据寄存器*／ irq_value = IRQSC； ／*保存IRQSC的值*／ MC13192_ IRQ_SOURCE = irq_value&～(0x06)； ／*禁止MC13192产生中断请求*／ AssertCE ／*使能MC13192的SPI接口*／ SPI1D =addr＆0x3F)1 0x80； ／*写人要访问的6位地址，设置读*／ while(!(SPI1S_ SPRF))； ／*等待接收满标志SPI1S_SPRF置1*／ Temp_value=SPI1 D； SPI1D =addr； while(!(SPI1S_SPRF))； ((_ uint8_ *)&w)[0]=SPI1D；／*将高字节存人w[0]*／ 6.2.1 四表抄送系统家居智能节点 在本系统中主要由家庭网关和网络中各子节点组成，网络中子节点采用Zigbee 技术与家庭网关进行无线通讯．其中子节点实现的功能分别为(水、电、气、热)四表数据采集。在家庭网关和每个字节点上都接有一个采用 Zigbee 技术设计无线网络收发模块，通过这些无线网络收发模块在网关和子节点之间进行数据的传送。星型网之间组成家庭骨干网，然后通过基于 Zigbee 主器件家庭网关与小区监控网连接， 最终由小区网与公共服务网络相连，实现对家庭设备的远程和本地的实时控制。本次实现采用间接接入的组网方式，基于主控制器的设备组成星型网，主控制器和无线网关之间组成对等网。本文给出了无线抄水表模块和无线抄电表模块的组成原理图。 6.2.1 无线抄水表模块 无线抄水表模块包括水表脉冲信号采集部分、MCU、无线发射与接收部分、按键显示部分等组成。无线抄水表组成原理框图见图16。 图6-1 无线抄水表组成原理框图 无线水表功能要求： （1）脉冲信号采集功能。现在的数字远传水表可以将水流转换成脉冲信号,通常有每脉冲 10L 和每脉冲 100L 两种,可以通过脉冲信号的采集来实现计量功能; （2）无线接口功能。无线水表需要无线接口来实现各个用户的水表的计量信息的集中抄录, 可以采用 Zigbee 无线网络技术; （3）监控器功能。各个用户的水表的信息最终要通过抄表器传送到统一监控系统上来。设计的无线水表抄表系统包括一个监控器和几个终端水表，使用 Zigbee 技术来实现无线通信网络,。这样各个中间水表也可以具有路由功能,方便网络信息的传递。在硬件方面,主板包括一个 Zigbee 无线通信模块和一个脉冲信号采集器。Zigbee 无线通信部分选择 Freescal 公司的解决方案 , 使用 MC9S08GT60+CC2430 来实现 Zigbee 通信, 自己通过设计模块实现。信号采集器部分,主要通过 CPU 的通用外部中断来采集脉冲信号。这样设计功耗很低, CPU 可以在空闲的时候处于休眠状态。在软件方面,通过对 Zigbee 协议栈的操作,实现 Zigbee无线通信。监控器需要把监控信息上传到上位机,也可以处理来自上位机的命令。 6.2.2 无线抄电表模块 无线抄电表模块两部分构成：电能测量与处理部分和无线接收/发送部分。而硬件具体实现的功能则由烧写入单片机的程序来决定。无线抄表系统的硬件结构电能数据采集模块的核心是美国 ADI 公司的一款高精度单相有功电能计量芯片 ADE7753。该芯片集成了数字积分、参考电压源和温度传感器。它提供了一个和有功能量成比例的脉冲输出(CF)和数字系统校准误差电路(通道偏置校准、相位校准及能量校准)。该芯片适用于单相电路中有功功率、无功功率和视在功率的测量。ADE7753 有电流和电压两个通道，共两路模拟量输入，分别是电流通道 V1P、V1N 和电压通道 V2P、V2N。电压信号经可编程放大器(PGA)放大和模数转换器进行 A/D 转换变为数字信号，然后，电流信号经电流通道内的高通滤波器 HPF 滤除 DC 分量并数字积分后，与经相位校正后的电压信号相乘，产生瞬时功率；此信号经低通滤波 LPF2 产生瞬时有功功率信号。利用功率偏差校准寄存器的值对有功功率进行校准，放入采样波形数据寄存器中，然后对采样波形数据寄存器的值进行累加，将功率累加值(电能值)存放在电能寄存器中，经DOUT 引脚输出。电流和电压采集电路把交流电变为可供 ADE7753 输入的电压。在电流通道中，通过 di/dt 微分电流传感器实现电流/电压变换。无线抄电表组成原理框图见图6-2。 图6-2 无线抄电表原理框图 6.2.3 模块中Zigbee 节点信息处理描述 CC2430 与 MCU 的接口简单，只需四线的 SPI，一个 IRQ 中断请求线和三个控制线。SPI 用于 CC2430 和 MCU 进行双向的数据通信，MCU 对 CC2430的配置和控制命令也通过 SPI 进行。CC2430 发生的事件通过 IRQ 管脚通知MCU，并由 MCU 作相应的仲裁处理。CC2430有两种数据传递方式：数据分组模式数据在片上 RAM 中缓存，以分组的形式发送与接收；数据流模式数据以字为单位进行处理，然后发射和接收。芯片主要由模拟接收发射部分、数字调制解调部分、片内频率合成器、电源管理部分以及与 MCU 接口部分组成。从天线接收进来的射频信号经过两次下变频之后变成两路正交信号(I 和 Q)，片内集成的 CCA(空闲信道评估)模块根据接收到的基带信号的能量进行空闲信道评估检测。CCA 和前端的 LNA(低噪声放大器)都要受到 AGC(自动增益控制)的控制。数字接收端通过差分码片检测(DCD)后经过相关器对直接序列扩频(DSSS) 进行解扩，经过符号同步检测和包处理以后最终得到接收到的数据。通过 SPI 接口传送到 MCU。要发送的 128 字节信号由 MCU 通过 SPI 接口传送到CC2430 的发送缓冲器中，头帧和帧检测序列由CC2430 产生，根据正 EE802.15.4 标准，所要发送的数据流的每 4 个比特被 32码片的扩频序列扩频，扩频以后的信号送到相位开关调制器上 O-QPSK 的方式通过直接上变频调制到载波后通过天线发射出去。 7 结束语 目前，在无线传输技术种类多样，各有优势。ZigBee作为一种新出现的无线通信技术，以其协议简单、成本低、功耗小、组网容易等特点，在家用系统控制、楼宇自动化、工业监控领域具有广阔的市场空间，本文研究该技术在智能家居行业的应用方案，这在家居行业的技术发展和应用方面的研究具有前沿性和实用性。本文主要完成的工作有以下几部分: (1) 在分析传统智能家居特点与不足基础上，提出了设计智能家居系统应该主要考虑的因素，并建立了本课题智能家居的模型。 (2) 通过对比的方法分析了蓝牙ZigBee无线技术各自特点及应用领域，阐明了选用ZigBee无线技术作为智能家居的组网技术原因及优势。 (3) 通过对ZigBee技术各个协议层以及网络拓扑结构的分析，并结合智能家居系统网络的特点，设计了智能家居星形网络拓扑结构。 (4) 采用模块化的思想，设计了主节点与网关的硬件接口，并制定了网关与主节点间的通讯协议，解决了主节点的可移植性问题，提高了主节点应用的灵活性。 (5) 分别设计了具有温度调节功能和湿度调节功能的终端节点设备，并进行了硬件搭接与测试，根据主节点与终端节点不同的功能特点，分别设计编写了主节点与终端节点的软件流程，并对系统进行了相应的测试。 (6) 根据终端节点要求低功耗的特点，通过对ZigBee物理层、媒体访问控制层的设置实现了节能要求，提高了电池寿命。 本课题采用遵循IEEE802.15.4标准的低功耗无线收发器CC2430，开发无线数字家居，开发出两个典型无线传感器网络节点，实现家庭无线监控网络。经过运行测试和应用验证，系统运行正常可靠。本文的研究成果具有良好的通用性，为ZigBee无线技术在智能家居中的应用可行性提供了理论依据。本文的结论具有重要的理论价值和实际价值。 ZigBee技术刚刚出现，相关资料相对欠缺，市场上基于ZigBee技术的模块也不多，加上个人经验有限，论文改进之处在于: (1) 增加无线模块与不同处理器接口设计，以适应目前多种处理器的应用需求。 (2) 改进硬件电路，优化程序设计，提高系统性能。 (3) 协议标准的研究工作还需要得到更多的相关技术的支持，要立足于国内的发展情况，建立适合于我国无线电标准和行业市场情况的技术标准。 参考文献 [1]瞿雷，刘盛德，胡咸斌. ZigbeeE技术及应用.北京航空航天大学出版社，2007.9. [2]李文仲，段朝玉. Zigbee2006无线网络与无线定位实战.北京航空航天大学出版社，2008.1. [3]宁焕生，张彦.RFID与物联网—射频、中间件、解析与服务.电子工业出版社.2008.4. [4]金纯，罗祖秋，罗凤，陈前斌.Zigbee技术基础及案例分析.国防工业出版社.2008.1. [5] 张瑞武.智能建筑.北京:清华大学出版社，1996. [6] 李斌，田亚萍. 基于无线传感器网络的安防系统设计 [7] ]赵晨，何波，王睿.基于射频芯片CC2420实现的Zigbee无线通信设计［J］．微计算机信息，2007，1-2：101-102. [8] ]杨佑禄，童玲，田雨.基于CC2430的无线传感器网络节点的硬件电路设计[J].自动化信息，2009，93(l):29-3 . [9] 黎连业，郭春芳，向东明.无线网络及其应用技术［M］.北京:清华大学出版社，2005，20-75. [10] 周怡硕，凌志浩，等.ZigBee无线通信技术及其应用探讨［J］.自动化仪表，2005，H(6):4-5. [11] 张维勇，冯琳，魏振春。 ZigBee 实现家庭组网技术的研究。《合肥工业大学学报》，2005，7(7):2-3. [12] 王秀梅，刘乃安.2.4GHz射频芯片cc2420实现ZigBee无线通信设计[J].国外电子元器件，2005，8(4):11一15. [13] ZigBee Protocol Specification.http://www.ZigBee.org. [14] Amitava Dutta-Roy. Networks for Home [J]. IEEE Spectrum,Dec. 1999, 36(12): 26-33. [15] ]ChiPeonAS.CC2420PreliminaryDatasheet(rev1.2) [S].2004，6(5):23一34. [16] IEEE Standards 802.15.4TM-2003,Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications for Low–Rate Wireless Personal Area Net2 works (LR-WPANs)[S]. 致谢 岁月如梭，时间如白驹过隙一般从我们眼前划过，转眼四年的大学生活即将结束，在这短短四年紧张而又充实的学习生活中，我学到了许多专业知识，结识了许多良师益友，更为重要的是这个过程培养和锻炼了自己分析问题和解决问题的能力，我感到无比高兴。马上就要踏入人生的另一个旅程了，还有更多的知识等着我去学习，新的环境等着我去适应，新的困难等着我去克服。但是我充满信心，充满激情和希望。 此时此刻，我首先要感谢我的导师李斌老师，他引导我进入研究的殿堂，让我看到了一个更精彩更广阔的世界。导师为人热情，学识渊博，治学严谨，不仅在学术上对我们严格要求，生活上也给予无微不至的关怀和照顾，使我终身受益。在此对导师表示衷心的感谢！ 当然我还要感谢陪伴我四年的同窗挚友们，特别是甄对林同学，他给了我许多帮助，我对他深表谢意！ 最后还要感谢我的父母和亲人，是他们把我培养成人。他们多年来默默的支持和殷切期望是我不断前进的动力，是他们的支持和理解，使我顺利完成学业! 附录Ⅰ 附录 Ⅱ （1）DS18B20程序 /****************************************************** 文件名称：DS18B20 c语言驱动程序 功能描述：读取温度数据，并可以重写报警数据和配置寄存器 注意事项：改驱动适用于12M晶阵条件下，如果晶阵频率改变请 调整延时时间 *******************************************************/ #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int //----------------------------- //DS18B20函数声明段 //----------------------------- bit DS18B20_Init()；//初始化DS18B20函数声明 void DS18B20_Write(uchar data Wrt_data)；//DS18B20写字节函数声明 uchar DS18B20_Read()；//DS18B20读字节函数声明 void DS18B20_Delay(uchar data Time)； //----------------------------- //IO端口定义段 //----------------------------- sbit DS18B20_DB=P3^7；//定义温度传感器数据总线 //================================= //函数功能：DS18B20采集温度数据子程序 //名 称：DS18B20_GetTmp() //全局变量：无 //出口参数：温度数据Tmp_data //================================= uint DS18B20_GetTmp() { uint data Tmp_data；//温度数据 uchar data a，b；//低字节温度数据，高字节温度数据 DS18B20_DB=1；//数据线拉高 DS18B20_Init()；//初始化DS18B20 DS18B20_Write(0xcc)；//跳过ROM匹配 DS18B20_Write(0x44)；//发转换温度指令 DS18B20_Init()；//初始化DS18B20 DS18B20_Write(0xcc)；//跳过ROM匹配 DS18B20_Write(0xbe)；//发读温度命令 a=DS18B20_Read()；//读入低字节温度数据 b=DS18B20_Read()；//读入高字节温度数据 Tmp_data=b； Tmp_data<<=8； Tmp_data=Tmp_data+a； return(Tmp_data)；//返回温度数据 } //================================= //函数功能：DS18B20初始化程序 //名 称：DS18B20_Init() //全局变量：无 //返回内容：0-未找到传感器，1-找到传感器 //================================= bit DS18B20_Init() { bit bdata Common_bit； DS18B20_DB=1；//数据线拉高 DS18B20_Delay(8)；//稍做延时 DS18B20_DB=0；//数据线拉低 DS18B20_Delay(250)；//延时500us DS18B20_DB=1；//数据线拉高 Common_bit=DS18B20_DB；//转换为输入口 DS18B20_Delay(40)；//延时80us if(DS18B20_DB==1) return(0)；//返回0说明器件不存在 else { DS18B20_Delay(100)；//延时200us DS18B20_DB=1；//数据线拉高 Common_bit=DS18B20_DB；//转换为输入口 return(1)； //返回1说明器件存在 } } //================================= //函数功能：DS18B20写一个字节子程序 //名 称：DS18B20_Write() //全局变量：无 //入口参数：写入的数据Wrt_data //================================= void DS18B20_Write(uchar data Wrt_data) { uchar data Bit_cnt； for(Bit_cnt=8；Bit_cnt>0；Bit_cnt--)//写入数据位数 { DS18B20_DB=0；//数据线拉低 DS18B20_DB=(Wrt_data&1)；//发送当前位 DS18B20_Delay(10)；//延时20us DS18B20_DB=1；//数据线拉高 Wrt_data>>=1；//数据右移 } } //================================= //函数功能：DS18B20读一个字节子程序 //名 称：DS18B20_Read() //全局变量：无 //出口参数：读出的数据Rd_data //================================= uchar DS18B20_Read() { uchar data Bit_cnt，Rd_data； bit bdata Common_bit；//临时位变量 for(Bit_cnt=8；Bit_cnt>0；Bit_cnt--)//读数据循环 { DS18B20_DB=0；//数据线拉低 Rd_data>>=1；//数据右移 DS18B20_DB=1； // 给脉冲信号 Common_bit=DS18B20_DB；//转换为输入口 if(DS18B20_DB) Rd_data=(Rd_data|0x80)；//最低位写1 DS18B20_Delay(5)；//延时10us } return(Rd_data)； } //================================== //延时程序 //================================== void DS18B20_Delay(uchar data Time) { while(Time--)； } 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 ​​​​​​​​​​​​ 指导教师签名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 ​​​​​​​​​​​​ 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权　　 　 　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 独 创 声 明 本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律后果由本人承担。   作者签名: 二〇一〇年九月二十日   毕业设计（论文）使用授权声明 本人完全了解**学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。 本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。 （保密论文在解密后遵守此规定）   作者签名: 二〇一〇年九月二十日 基本要求：写 毕业论文 毕业论文答辩ppt模板下载毕业论文ppt模板下载毕业论文ppt下载关于药学专业毕业论文临床本科毕业论文下载 主要目的是培养学生综合运用所学知识和技能，理论联系实际，独立分析，解决实际问题的能力，使学生得到从事本专业工作和进行相关的基本训练。毕业论文应反映出作者能够准确地掌握所学的专业基础知识，基本学会综合运用所学知识进行科学研究的方法，对所研究的题目有一定的心得体会，论文题目的范围不宜过宽，一般选择本学科某一重要问题的一个侧面。 毕业论文的基本教学要求是： 1、培养学生综合运用、巩固与扩展所学的基础理论和专业知识，培养学生独立分析、解决实际问题能力、培养学生处理数据和信息的能力。2、培养学生正确的理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度。3、培养学生进行社会调查研究；文献资料收集、阅读和整理、使用；提出论点、综合论证、总结写作等基本技能。 毕业论文是毕业生总结性的独立作业，是学生运用在校学习的基本知识和基础理论，去分析、解决一两个实际问题的实践锻炼过程，也是学生在校学习期间学习成果的综合性总结，是整个教学活动中不可缺少的重要环节。撰写毕业论文对于培养学生初步的科学研究能力，提高其综合运用所学知识分析问题、解决问题能力有着重要意义。 毕业论文在进行编写的过程中，需要经过开题报告、论文编写、论文上交评定、论文答辩以及论文评分五个过程，其中开题报告是论文进行的最重要的一个过程，也是论文能否进行的一个重要指标。 撰写意义：1.撰写毕业论文是检验学生在校学习成果的重要措施，也是提高教学质量的重要环节。大学生在毕业前都必须完成毕业论文的撰写任务。申请学位必须提交相应的学位论文，经答辩通过后，方可取得学位。可以这么说，毕业论文是结束大学学习生活走向社会的一个中介和桥梁。毕业论文是大学生才华的第一次显露，是向祖国和人民所交的一份有份量的答卷，是投身社会主义现代化建设事业的报到书。一篇毕业论文虽然不能全面地反映出一个人的才华，也不一定能对社会直接带来巨大的效益，对专业产生开拓性的影响。但是，实践证明，撰写毕业论文是提高教学质量的重要环节，是保证出好人才的重要措施。 2.通过撰写毕业论文，提高写作水平是干部队伍“四化”建设的需要。党中央要求，为了适应现代化建设的需要，领导班子成员应当逐步实现“革命化、年轻化、知识化、专业化”。这个“四化”的要求，也包含了对干部写作能力和写作水平的要求。 3.提高大学生的写作水平是社会主义物质文明和精神文明建设的需要。在新的历史时期，无论是提高全族的科学文化水平，掌握现代科技知识和科学管理方法，还是培养社会主义新人，都要求我们的干部具有较高的写作能力。在经济建设中，作为领导人员和机关的办事人员，要写指示、通知、总结、调查报告等应用文；要写说明书、广告、解说词等说明文；还要写科学论文、经济评论等议论文。在当今信息社会中，信息对于加快经济发展速度，取得良好的经济效益发挥着愈来愈大的作用。写作是以语言文字为信号，是传达信息的方式。信息的来源、信息的收集、信息的储存、整理、传播等等都离不开写作。 论文种类：毕业论文是学术论文的一种形式，为了进一步探讨和掌握毕业论文的写作规律和特点，需要对毕业论文进行分类。由于毕业论文本身的内容和性质不同，研究领域、对象、方法、表现方式不同，因此，毕业论文就有不同的分类方法。 按内容性质和研究方法的不同可以把毕业论文分为理论性论文、实验性论文、描述性论文和设计性论文。后三种论文主要是理工科大学生可以选择的论文形式，这里不作介绍。文科大学生一般写的是理论性论文。理论性论文具体又可分成两种：一种是以纯粹的抽象理论为研究对象，研究方法是严密的理论推导和数学运算，有的也涉及实验与观测，用以验证论点的正确性。另一种是以对客观事物和现象的调查、考察所得观测资料以及有关文献资料数据为研究对象，研究方法是对有关资料进行分析、综合、概括、抽象，通过归纳、演绎、类比，提出某种新的理论和新的见解。 按议论的性质不同可以把毕业论文分为立论文和驳论文。立论性的毕业论文是指从正面阐述论证自己的观点和主张。一篇论文侧重于以立论为主，就属于立论性论文。立论文要求论点鲜明，论据充分，论证严密，以理和事实服人。驳论性毕业论文是指通过反驳别人的论点来树立自己的论点和主张。如果毕业论文侧重于以驳论为主，批驳某些错误的观点、见解、理论，就属于驳论性毕业论文。驳论文除按立论文对论点、论据、论证的要求以外，还要求针锋相对，据理力争。 按研究问题的大小不同可以把毕业论文分为宏观论文和微观论文。凡届国家全局性、带有普遍性并对局部工作有一定指导意义的论文，称为宏观论文。它研究的面比较宽广，具有较大范围的影响。反之，研究局部性、具体问题的论文，是微观论文。它对具体工作有指导意义，影响的面窄一些。 另外还有一种综合型的分类方法，即把毕业论文分为专题型、论辩型、综述型和综合型四大类： 1．专题型论文。这是分析前人研究成果的基础上，以直接论述的形式发表见解，从正面提出某学科中某一学术问题的一种论文。如本书第十二章例文中的《浅析领导者突出工作重点的方法与艺术》一文，从正面论述了突出重点的工作方法的意义、方法和原则，它表明了作者对突出工作重点方法的肯定和理解。2．论辩型论文。这是针对他人在某学科中某一学术问题的见解，凭借充分的论据，着重揭露其不足或错误之处，通过论辩形式来发表见解的一种论文。3．综述型论文。这是在归纳、总结前人或今人对某学科中某一学术问题已有研究成果的基础上，加以介绍或评论，从而发表自己见解的一种论文。4．综合型论文。这是一种将综述型和论辩型两种形式有机结合起来写成的一种论文。如《关于中国民族关系史上的几个问题》一文既介绍了研究民族关系史的现状，又提出了几个值得研究的问题。因此，它是一篇综合型的论文。 写作步骤：毕业论文是高等教育自学考试本科专业应考者完成本科阶段学业的最后一个环节，它是应考者的 总结 性独立作业，目的在于总结学习专业的成果，培养综合运用所学知识解决实际 问题 的能力。从文体而言，它也是对某一专业领域的现实问题或 理论 问题进行 科学 研究 探索的具有一定意义的论说文。完成毕业论文的撰写可以分两个步骤，即选择课题和研究课题。 首先是选择课题。选题是论文撰写成败的关键。因为，选题是毕业论文撰写的第一步，它实际上就是确定“写什么”的问题，亦即确定科学研究的方向。如果“写什么”不明确，“怎么写”就无从谈起。 教育部自学考试办公室有关对毕业论文选题的途径和要求是“为鼓励理论与工作实践结合，应考者可结合本单位或本人从事的工作提出论文题目，报主考学校审查同意后确立。也可由主考学校公布论文题目，由应考者选择。毕业论文的总体要求应与普通全日制高等学校相一致，做到通过论文写作和答辩考核，检验应考者综合运用专业知识的能力”。但不管考生是自己任意选择课题，还是在主考院校公布的指定课题中选择课题，都要坚持选择有科学价值和现实意义的、切实可行的课题。选好课题是毕业论文成功的一半。 第一、要坚持选择有科学价值和现实意义的课题。科学研究的目的是为了更好地认识世界、改造世界，以推动社会的不断进步和发展 。因此，毕业论文的选题，必须紧密结合社会主义物质文明和精神文明建设的需要，以促进科学事业发展和解决现实存在问题作为出发点和落脚点。选题要符合科学研究的正确方向，要具有新颖性，有创新、有理论价值和现实的指导意义或推动作用，一项毫无意义的研究，即使花很大的精力，表达再完善，也将没有丝毫价值。具体地说，考生可从以下三个方面来选题。首先，要从现实的弊端中选题，学习了专业知识，不能仅停留在书本上和理论上，还要下一番功夫，理论联系实际，用已掌握的专业知识，去寻找和解决工作实践中急待解决的问题。其次，要从寻找科学研究的空白处和边缘领域中选题，科学研究。还有许多没有被开垦的处女地，还有许多缺陷和空白，这些都需要填补。应考者应有独特的眼光和超前的意识去思索，去发现，去研究。最后，要从寻找前人研究的不足处和错误处选题，在前人已提出来的研究课题中，许多虽已有初步的研究成果，但随着社会的不断发展，还有待于丰富、完整和发展，这种补充性或纠正性的研究课题，也是有科学价值和现实指导意义的。 第二、要根据自己的能力选择切实可行的课题。毕业论文的写作是一种创造性劳动，不但要有考生个人的见解和主张，同时还需要具备一定的客观条件。由于考生个人的主观、客观条件都是各不相同的，因此在选题时，还应结合自己的特长、兴趣及所具备的客观条件来选题。具体地说，考生可从以下三个方面来综合考虑。首先，要有充足的资料来源。“巧妇难为无米之炊”，在缺少资料的情况下，是很难写出高质量的论文的。选择一个具有丰富资料来源的课题，对课题深入研究与开展很有帮助。其次，要有浓厚的研究兴趣，选择自己感兴趣的课题，可以激发自己研究的热情，调动自己的主动性和积极性，能够以专心、细心、恒心和耐心的积极心态去完成。最后，要能结合发挥自己的业务专长，每个考生无论能力水平高低，工作岗位如何，都有自己的业务专长，选择那些能结合自己工作、发挥自己业务专长的课题，对顺利完成课题的研究大有益处。 致 谢 这次论文的完成，不止是我自己的努力，同时也有老师的指导，同学的帮助，以及那些无私奉献的前辈，正所谓你知道的越多的时候你才发现你知道的越少，通过这次论文，我想我成长了很多，不只是磨练了我的知识厚度，也使我更加确定了我今后的目标：为今后的计算机事业奋斗。在此我要感谢我的指导老师——***老师，感谢您的指导，才让我有了今天这篇论文，您不仅是我的论文导师，也是我人生的导师，谢谢您！我还要感谢我的同学，四年的相处，虽然我未必记得住每分每秒，但是我记得每一个有你们的精彩瞬间，我相信通过大学的历练，我们都已经长大，变成一个有担当，有能力的新时代青年，感谢你们的陪伴，感谢有你们，这篇论文也有你们的功劳，我想毕业不是我们的相处的结束，它是我们更好相处的开头，祝福你们！我也要感谢父母，这是他们给我的，所有的一切；感谢母校，尽管您不以我为荣，但我一直会以我是一名农大人为荣。 通过这次毕业设计，我学习了很多新知识，也对很多以前的东西有了更深的记忆与理解。漫漫求学路，过程很快乐。我要感谢信息与管理科学学院的老师，我从他们那里学到了许多珍贵的知识和做人处事的道理，以及科学严谨的学术态度，令我受益良多。同时还要感谢学院给了我一个可以认真学习，天天向上的学习环境和机会。 即将结束*大学习生活，我感谢****大学提供了一次在**大接受教育的机会，感谢院校老师的无私教导。感谢各位老师审阅我的论文。 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 ​​​​​​​​​​​​ 指导教师签名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 ​​​​​​​​​​​​ 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权　　 　 　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 独 创 声 明 本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律后果由本人承担。   作者签名: 年 月 日   毕业设计（论文）使用授权声明 本人完全了解**学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。 本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。 （保密论文在解密后遵守此规定）   作者签名: 年 月 日 基本要求：写毕业论文主要目的是培养学生综合运用所学知识和技能，理论联系实际，独立分析，解决实际问题的能力，使学生得到从事本专业工作和进行相关的基本训练。毕业论文应反映出作者能够准确地掌握所学的专业基础知识，基本学会综合运用所学知识进行科学研究的方法，对所研究的题目有一定的心得体会，论文题目的范围不宜过宽，一般选择本学科某一重要问题的一个侧面。 毕业论文的基本教学要求是： 1、培养学生综合运用、巩固与扩展所学的基础理论和专业知识，培养学生独立分析、解决实际问题能力、培养学生处理数据和信息的能力。2、培养学生正确的理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度。3、培养学生进行社会调查研究；文献资料收集、阅读和整理、使用；提出论点、综合论证、总结写作等基本技能。 毕业论文是毕业生总结性的独立作业，是学生运用在校学习的基本知识和基础理论，去分析、解决一两个实际问题的实践锻炼过程，也是学生在校学习期间学习成果的综合性总结，是整个教学活动中不可缺少的重要环节。撰写毕业论文对于培养学生初步的科学研究能力，提高其综合运用所学知识分析问题、解决问题能力有着重要意义。 毕业论文在进行编写的过程中，需要经过开题报告、论文编写、论文上交评定、论文答辩以及论文评分五个过程，其中开题报告是论文进行的最重要的一个过程，也是论文能否进行的一个重要指标。 撰写意义：1.撰写毕业论文是检验学生在校学习成果的重要措施，也是提高教学质量的重要环节。大学生在毕业前都必须完成毕业论文的撰写任务。申请学位必须提交相应的学位论文，经答辩通过后，方可取得学位。可以这么说，毕业论文是结束大学学习生活走向社会的一个中介和桥梁。毕业论文是大学生才华的第一次显露，是向祖国和人民所交的一份有份量的答卷，是投身社会主义现代化建设事业的报到书。一篇毕业论文虽然不能全面地反映出一个人的才华，也不一定能对社会直接带来巨大的效益，对专业产生开拓性的影响。但是，实践证明，撰写毕业论文是提高教学质量的重要环节，是保证出好人才的重要措施。 2.通过撰写毕业论文，提高写作水平是干部队伍“四化”建设的需要。党中央要求，为了适应现代化建设的需要，领导班子成员应当逐步实现“革命化、年轻化、知识化、专业化”。这个“四化”的要求，也包含了对干部写作能力和写作水平的要求。 3.提高大学生的写作水平是社会主义物质文明和精神文明建设的需要。在新的历史时期，无论是提高全族的科学文化水平，掌握现代科技知识和科学管理方法，还是培养社会主义新人，都要求我们的干部具有较高的写作能力。在经济建设中，作为领导人员和机关的办事人员，要写指示、通知、总结、调查报告等应用文；要写说明书、广告、解说词等说明文；还要写科学论文、经济评论等议论文。在当今信息社会中，信息对于加快经济发展速度，取得良好的经济效益发挥着愈来愈大的作用。写作是以语言文字为信号，是传达信息的方式。信息的来源、信息的收集、信息的储存、整理、传播等等都离不开写作。 论文种类：毕业论文是学术论文的一种形式，为了进一步探讨和掌握毕业论文的写作规律和特点，需要对毕业论文进行分类。由于毕业论文本身的内容和性质不同，研究领域、对象、方法、表现方式不同，因此，毕业论文就有不同的分类方法。 按内容性质和研究方法的不同可以把毕业论文分为理论性论文、实验性论文、描述性论文和设计性论文。后三种论文主要是理工科大学生可以选择的论文形式，这里不作介绍。文科大学生一般写的是理论性论文。理论性论文具体又可分成两种：一种是以纯粹的抽象理论为研究对象，研究方法是严密的理论推导和数学运算，有的也涉及实验与观测，用以验证论点的正确性。另一种是以对客观事物和现象的调查、考察所得观测资料以及有关文献资料数据为研究对象，研究方法是对有关资料进行分析、综合、概括、抽象，通过归纳、演绎、类比，提出某种新的理论和新的见解。 按议论的性质不同可以把毕业论文分为立论文和驳论文。立论性的毕业论文是指从正面阐述论证自己的观点和主张。一篇论文侧重于以立论为主，就属于立论性论文。立论文要求论点鲜明，论据充分，论证严密，以理和事实服人。驳论性毕业论文是指通过反驳别人的论点来树立自己的论点和主张。如果毕业论文侧重于以驳论为主，批驳某些错误的观点、见解、理论，就属于驳论性毕业论文。驳论文除按立论文对论点、论据、论证的要求以外，还要求针锋相对，据理力争。 按研究问题的大小不同可以把毕业论文分为宏观论文和微观论文。凡届国家全局性、带有普遍性并对局部工作有一定指导意义的论文，称为宏观论文。它研究的面比较宽广，具有较大范围的影响。反之，研究局部性、具体问题的论文，是微观论文。它对具体工作有指导意义，影响的面窄一些。 另外还有一种综合型的分类方法，即把毕业论文分为专题型、论辩型、综述型和综合型四大类： 1．专题型论文。这是分析前人研究成果的基础上，以直接论述的形式发表见解，从正面提出某学科中某一学术问题的一种论文。如本书第十二章例文中的《浅析领导者突出工作重点的方法与艺术》一文，从正面论述了突出重点的工作方法的意义、方法和原则，它表明了作者对突出工作重点方法的肯定和理解。2．论辩型论文。这是针对他人在某学科中某一学术问题的见解，凭借充分的论据，着重揭露其不足或错误之处，通过论辩形式来发表见解的一种论文。3．综述型论文。这是在归纳、总结前人或今人对某学科中某一学术问题已有研究成果的基础上，加以介绍或评论，从而发表自己见解的一种论文。4．综合型论文。这是一种将综述型和论辩型两种形式有机结合起来写成的一种论文。如《关于中国民族关系史上的几个问题》一文既介绍了研究民族关系史的现状，又提出了几个值得研究的问题。因此，它是一篇综合型的论文。 写作步骤：毕业论文是高等教育自学考试本科专业应考者完成本科阶段学业的最后一个环节，它是应考者的 总结 性独立作业，目的在于总结学习专业的成果，培养综合运用所学知识解决实际 问题 的能力。从文体而言，它也是对某一专业领域的现实问题或 理论 问题进行 科学 研究 探索的具有一定意义的论说文。完成毕业论文的撰写可以分两个步骤，即选择课题和研究课题。 首先是选择课题。选题是论文撰写成败的关键。因为，选题是毕业论文撰写的第一步，它实际上就是确定“写什么”的问题，亦即确定科学研究的方向。如果“写什么”不明确，“怎么写”就无从谈起。 教育部自学考试办公室有关对毕业论文选题的途径和要求是“为鼓励理论与工作实践结合，应考者可结合本单位或本人从事的工作提出论文题目，报主考学校审查同意后确立。也可由主考学校公布论文题目，由应考者选择。毕业论文的总体要求应与普通全日制高等学校相一致，做到通过论文写作和答辩考核，检验应考者综合运用专业知识的能力”。但不管考生是自己任意选择课题，还是在主考院校公布的指定课题中选择课题，都要坚持选择有科学价值和现实意义的、切实可行的课题。选好课题是毕业论文成功的一半。 第一、要坚持选择有科学价值和现实意义的课题。科学研究的目的是为了更好地认识世界、改造世界，以推动社会的不断进步和发展 。因此，毕业论文的选题，必须紧密结合社会主义物质文明和精神文明建设的需要，以促进科学事业发展和解决现实存在问题作为出发点和落脚点。选题要符合科学研究的正确方向，要具有新颖性，有创新、有理论价值和现实的指导意义或推动作用，一项毫无意义的研究，即使花很大的精力，表达再完善，也将没有丝毫价值。具体地说，考生可从以下三个方面来选题。首先，要从现实的弊端中选题，学习了专业知识，不能仅停留在书本上和理论上，还要下一番功夫，理论联系实际，用已掌握的专业知识，去寻找和解决工作实践中急待解决的问题。其次，要从寻找科学研究的空白处和边缘领域中选题，科学研究。还有许多没有被开垦的处女地，还有许多缺陷和空白，这些都需要填补。应考者应有独特的眼光和超前的意识去思索，去发现，去研究。最后，要从寻找前人研究的不足处和错误处选题，在前人已提出来的研究课题中，许多虽已有初步的研究成果，但随着社会的不断发展，还有待于丰富、完整和发展，这种补充性或纠正性的研究课题，也是有科学价值和现实指导意义的。 第二、要根据自己的能力选择切实可行的课题。毕业论文的写作是一种创造性劳动，不但要有考生个人的见解和主张，同时还需要具备一定的客观条件。由于考生个人的主观、客观条件都是各不相同的，因此在选题时，还应结合自己的特长、兴趣及所具备的客观条件来选题。具体地说，考生可从以下三个方面来综合考虑。首先，要有充足的资料来源。“巧妇难为无米之炊”，在缺少资料的情况下，是很难写出高质量的论文的。选择一个具有丰富资料来源的课题，对课题深入研究与开展很有帮助。其次，要有浓厚的研究兴趣，选择自己感兴趣的课题，可以激发自己研究的热情，调动自己的主动性和积极性，能够以专心、细心、恒心和耐心的积极心态去完成。最后，要能结合发挥自己的业务专长，每个考生无论能力水平高低，工作岗位如何，都有自己的业务专长，选择那些能结合自己工作、发挥自己业务专长的课题，对顺利完成课题的研究大有益处。 致 谢 这次论文的完成，不止是我自己的努力，同时也有老师的指导，同学的帮助，以及那些无私奉献的前辈，正所谓你知道的越多的时候你才发现你知道的越少，通过这次论文，我想我成长了很多，不只是磨练了我的知识厚度，也使我更加确定了我今后的目标：为今后的计算机事业奋斗。在此我要感谢我的指导老师——***老师，感谢您的指导，才让我有了今天这篇论文，您不仅是我的论文导师，也是我人生的导师，谢谢您！我还要感谢我的同学，四年的相处，虽然我未必记得住每分每秒，但是我记得每一个有你们的精彩瞬间，我相信通过大学的历练，我们都已经长大，变成一个有担当，有能力的新时代青年，感谢你们的陪伴，感谢有你们，这篇论文也有你们的功劳，我想毕业不是我们的相处的结束，它是我们更好相处的开头，祝福你们！我也要感谢父母，这是他们给我的，所有的一切；感谢母校，尽管您不以我为荣，但我一直会以我是一名农大人为荣。 通过这次毕业设计，我学习了很多新知识，也对很多以前的东西有了更深的记忆与理解。漫漫求学路，过程很快乐。我要感谢信息与管理科学学院的老师，我从他们那里学到了许多珍贵的知识和做人处事的道理，以及科学严谨的学术态度，令我受益良多。同时还要感谢学院给了我一个可以认真学习，天天向上的学习环境和机会。 即将结束*大学习生活，我感谢****大学提供了一次在**大接受教育的机会，感谢院校老师的无私教导。感谢各位老师审阅我的论文。 _1234567897.vsd 传感器 物理层 传感模块 应用 网络层 链路层 物理层 功能模块 电池模块 CPU ADC 无线模块 能耗模块 _1234567901.vsd 用户应用程序 应用层（APS） 设备配置（ZDC）子层 设备对象（ZDO）子层 用户支持（APS）子层 网络层（NWK） IEEE802.15.4 LLC IEEE802.2LLC SSCS IEEE802.15AMAC IEEE802.15.4 868/915MHzPHY IEEE 802.15.4 2.4GHzPHY 底层控制模块 RF收发器 高端应用层 中间协议层 底层硬件模块 软件实现 硬件实现 _1234567905.vsd 定时发送信标帧 初始化网络信息（深度规模） 系统初始化作为协调器节点 等待中断信息 是来自网 络中数据信息中断？ 是来自网络中管理信息中断？ 是来自底层的硬件中断？ 处理硬件信息中断（例如：来自GPRS模块的控制信息，按键信息） 应答信息完成 丢弃 处理网络信息管理中断（例如：有新的节点申请加入本网络） 产生应答信息给网络中节点 在本地存储数据和其来源信息（64位地址，16位网络地址等信息）进行整理 把信息发送给GPRS模块进行远程发送 产生应答信息给网络中节点 是 否 是 是 否 否 _1234567907.vsd 进入中断处理 软件去毛刺 是否为真中断 读取CC2530中断状态字 分析中断状态字 执行相应的中断处理程序 中断处理结束 N Y _1234567909.vsd 串口部分 MC9S08GT60 CC2430 脉冲信号采集部分 按键显示部分 RS232 _1234567910.vsd _1234567911.vsd _1234567908.vsd 上电 进入复位矢量 系统寄存器的设置 PLL初始化 看门狗初始化 清除BSS数据段 拷贝FLASH数据 堆栈初始化 MCU初始化结束 _1234567906.vsd 发现网络操作 发送读/写表命令？ 系统初始化作为协调器节点 等待中断信息 是来自网 络中数据信息中断？ 是来自网络中管理信息中断？ 是来自底层的硬件中断？ 处理硬件信息中断（例如：来自串口中断） 应答信息完成 能加入网络？ 处理网络信息管理中断（例如：有新的节点申请加入本网络） 产生应答信息给网络中节点 是 否 是 是 否 否 丢弃 孤立节点 采取一定的路由算法转发信息 重新发送命令 命令应答成功 要求操作？ 相应应答的应答信息给网络 是 是 否 能 否 _1234567903.vsd 天线 ZigBee RF收发器 模拟 接收器 接受 基带 频率 发生器 模拟 发生器 电源管理 SPI 控制器 发射 基带 8位微处理器 传感器 应用网络 传感器驱动器 传感器 ZigBee NWK IEEE802.15.4MAC _1234567904.vsd 开始 系统初始化 执行操作系统 _1234567902.vsd 晶振 _1234567899.vsd _1234567900.vsd _1234567898.vsd _1234567893.vsd 最大127字节 2字节 1字节 0-20字节 可变值 2字节 帧控制域 帧控制域 帧控制域 帧控制域 帧序号域 帧序号域 帧序号域 帧序号域 地址域 地址域 地址域 帧校验 帧校验 数据 帧校验 帧校验 信标 信标 MAC协议数据单元（MAC帧）� 物理层服务数据单元 物理层协议数据单元 同步头 PHY头 物理层 媒体接入 控制层 数据帧 确认帧 命令帧 标志帧 _1234567895.vsd 蓝牙 Zigbee PHY FHSS DSSS 协议层 250KB 28KB 电池 可充 不可充 设备/网络 8 连接速度 250kbps 1Mbps -10m ~30m 有效距离 _1234567896.vsd 灯光控制节点 火警 可控开关节点 门磁传感器节点 光照传感器节点 三表采集节点 家庭网关 Zigbee Zigbee Zigbee Zigbee Zigbee Zigbee _1234567894.vsd 速率/转换功率 1mW(0dbm) 10mv(10dbm) 100mW(20dbm) 250kbps 28kbps 13m 23m 29m 54m 66m 134m _1234567891.vsd 名称 内容 传输距离 可达10-75m 依赖功率输出和环境特性。 通信时延 15-30ms(典型搜索时延30ms,休眠激活时延15ms,活动接入时延15ms)。 寻址时延 64bit的IEEE地址，16bit的本地地址。 网络容量 � 网络拓扑 星型。点对点。网状。 安全机制 提供了数据完整性检查及鉴权功能，加密算法采用A-ES128、同时各个应用可灵活确定采用何种安全机制 成本估算 模块初始化成本约6美元，随着市场成熟，会很快将到1.5-2.5美元，并且Zigbee协议免专利费。非常低的占空比，可小于0.1%；具有工作周期短，收发功耗低的特点。并且有休眠模式，一般 耗电情况 情况下两节5号电池可工作6个月到2年左右。 _1234567892.vsd 应用对象终端2 应用对象终端3 媒体接入控制层（MACSub-layer）IEEE802.15.4 物理层（PHY Layer）IEEE802.15.4 安全服务提供商SSP 应用层（APS Laywe） Zigbee设备对象 应用对象终端1 ... 应用接口层（APS Sub-laywe） 网络层（NWKLayer）IEEE802.15.4 IEEE平台 Zigbee联盟平台 AOSDE-SAP NLDE-SAP APSME-SAP NLME-SAP M-ME-SAP PLME-SAP MCPS-SAP PD-SAP _1234567890.vsd 中心频率 /MHz 869.3 906+32(k-1) 2405+(k-11) 信道编号 K=0 K=1.2...26 K=11.12…26 频率数量 1 10 16 信道间隔/MHz _ 2 5 速率/Kbps 20 40 250 调制 方式 BOSK HPSK O-QPSK 频率上限/MHz 868.2 928.0 2483.5 频率下限/MHz 868.0 902.0 2400.0