毕业设计（论文）-智能家居网络无线传感器节点的硬件设计.pdf

天厚大挈。点孽第毕业设计（论文）任务书题目：智能家居网络无线传感器节点的硬件设计系 名信息工程系专 业 自动化学 号 6011XXXXXX学生姓名 XXXXX指导教师 XXXXX职 称 副教授一、原始依据家居智能化系统的概念起源于上世纪70年代的美国，随后，传播到欧洲|、日本等国并且得到了很好的发展。在我国，智能家居这一概念推广较晚，约在 90年代末家居智能化系统才得以进入国内，但发展速度惊人，至今已存在相当 数量的智能化小区及住宅。所谓智能家居是现代电子技术、自动化技术及通信技 术相结合的产物。它能够自动控制和管理家电设备，对家庭环境的安全进行监控 报警，并且能够为住户提供安全舒适、高效便利的学习生活及工作环境。无线传 感器网络是由传感器技术，微机电技术，现代网络技术和无线通信等技术有机综 合后得到的新产物。无线传感网络是一种融合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术的综合性传感器网络，能够实时地监测、感知和 采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息，从而使用户的操控能力 更强,更人性化。Layerextensioninthe2.4GhzbandS.I EEEPr ess,1999.8I EEEStd802.11a-1999.Wir elessLANMACandPHYspecifications:HigherspeedPhysicalLayerextensioninthe2.4GhzbandS.I EEEPr ess,1999.7I EEEStd802.1lb-1999.Wir elessLANMACandPHYspecifications:HigherspeedPhysical展,2005,42(7):15-17.6崔莉,鞠海玲,苗勇，李天璞,刘巍,赵泽.无线传感器网络研究进展J.计算机研究与发5马祖长,孙怡宁,梅涛.无线传感器网络综述J.通信学报,2004,25(10):3-5.通信,2005,12(1):7-8.4龙承志，马玉秋,沈树群.基于低速率的短距离无线通信网络新技术一ZigBeeJ.数据程，2003,11(6):10-13.3周敬利，陈太坤，余胜生,王有成.基于Blucotothd的WAPN的研究与实现J.计算机工2赵红礼,吴昊,黄清.无线局域网J.科学.,2004,10(5):9-10.17-19.1王锐化，益晓新.ZigBee与Bluetooth的比较及共存分析J.测控技术，2005,12(6)：二、参考文献9 I EEE Std 802.11g-1999.Wir eless LAN MAC and PHY specifications:Higher speed Physical Layer extension in the 2.4GhzbandS.I EEE Pr ess,2003.三、设计（研究）内容和要求基于研究无线数据采集与传输一体化集成技术在家庭智能化中的应用。采用 基于ZigBee技术的遵循I EEE802.15.4标准的低功耗无线收发器I P-Linkl000,进行无线传感器网络节点的开发，实现家庭无线监控网络与小区以太网互联。具 体要求如下：1、研究ZigBee技术的技术标准及技术优势,并分析ZigBee网络的协议框架 结构，对网络层、数据链接层、MAC层和物理层进行说明。2、熟悉智能家居系统整体架构与无线传感器节点结构。3、分析各节点之间的工作与通信原理,设计出传感器节点的核心处理器电路,供电电路,信号调理电路和通讯电路的设计。指导教师（签字）年 月 日审题小组组长（签字）年 月 日天津大学仁爱学院本科生毕业设计（论文）开题报告课题名称智能家居网络无线传感器节点的硬件设计系 名信息工程系专 业自动化学生姓名XXX指导教师XXX一、课题来源及意义智能家居系统真正起源于1985年，美国建成了首栋智能化的写字楼，其基 本理念就是利用计算机系统的处理能力，来实现对大楼的空调、电梯、照明设备 等进行智能的监测和控制，将以前采用人工控制的参数全部改为自动化设置，这 便是世界上第一栋智能型建筑，智能家居系统从此步入了实用阶段。所谓智能 家居是现代电子技术、自动化技术及通信技术相结合的产物。无线传感器网络是 由传感器技术，微机电技术，现代网络技术和无线通信等技术有机综合后得到的 新产物。无线传感网络是一种融合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信 息处理技术和通信技术的综合性传感器网络，能够实时地监测、感知和采集节 点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息：如光强、温度、湿度、噪音和 有害气体浓度等物理现象，并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通 过无线网络最终发送给用户。从而使用户的操控能力更强,更人性化。二、国内外发展现状随着世界上第一例智能家居应用实例的出现，欧洲I，美洲等区域内的大部分 国家都推出了各种智能家居解决方案。目前,美国、英国、日本等国的智能家居 系统都开始充分的渗透进入居民的日常生活中去。无线传感器网络的出现是信息 感知和数据采集的一场革命。美国商业周刊和技术评论杂志在预测未来技 术发展的报告中，都不约而同的将无线传感器网络视作最具影响的21项技术和改 变世界的10大技术之一。无线传感器网络与塑料电子学和仿生人体器官并称为 全球未来发展的三大高科技产业。无线传感器节点是无线智能家居的基础单元,节点的能量成为无线传感器网络发挥效能的瓶颈。目前传感器网络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。美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划，投资3400 万美元，支持相关基础理论的研究。美国很多大学都已经开展传感器网络的研究,其中最具代表性的是加州大学伯克利分校和I ntel公司联合成立的“智能尘埃”实验室，它的目标是为美国军方提供能够在一立方毫米的体积内能自动感知和通 信的设备原型的研制。节点芯片上，有国际著名的芯片大厂如I T、Atmel公司 的处理器芯片、Chipcon公司的无线传输芯片等。软件上，很多著名的公司为节 点的组网开发了软件协议栈，加州伯克利大学研发的节点组网专用操作系统 TinyOS,为无线传感网的组建和其他方面的测试研究提供了基础。我国于2000年末才开始着手于智能家居技术的研究和开发，由于有其他国 家的经验和先例，加上国内企业的重视，经过近十年的研究和发展后正迅速逐步 走向成熟。比如电子科技大学无线传感器节点的硬件设计，采用自行设计的8 位RI SC结构低功耗MCU作为节点控制核心，使用门控时钟、两相时钟流水和休 眠唤醒机制实现MCU的低功耗操作，利用0.18 Li m CMOS工艺实现该MCU；设计并 实现了无线传感器网络节点硬件平台，在该平台上移植Tinyos操作系统，实现 了多跳路由结构的无线传感网皿o无线组网技术有HomeRF技术、I EEE802.11协议族无线局域网技术、I EEE802.15.1蓝牙传输技术以及I EEE802.15.4/ZigBee技术。早期还使用过I r DA 红外技术，不过因其只能在直线可视范围内通信并且可移动性差等缺点己经近乎 被淘汰，使用的范围已基本局限于遥控设备等领域。HomeRF技术常用于家居设备 语音和数据的传输叫I EEE802.11协议系列包括802.I la.802.11b、802.11g 与802.lln等众多版本，它们所使用的频段分别为5GHz、2.4GHz、2.4GHz和 2.4GHz,传输速率分别为 54Mbps、HMbps、54Mbps 和 300MbPs 及以上，I EEE802.11 协议族多用于家庭数据信息的传输。蓝牙技术主要在诸如移动电话、笔记本 电脑、PDA（个人数字助理）和无线耳机等无线个人局域网领域得到了广泛的应用 15o ZigBee技术是I EEE802.15.4的代名词,是一种新兴的技术,以其低功耗的 特点己经广泛地应用于智能家居领域3。一方面，虽然ZigBee技术的传输速率要低于其他几种无线组网技术,但是智 能家居控制网络无需传输很多的数据,应该说250KbPs传输速率（由于900MHz频 段被GSM通信占用，国内只能选择2.4GHz频段）对于智能家居领域来说己经够用。另一方面，ZigBee相对其他儿种无线通信技术的最大特点就是支持的网络节点数 目大、功耗低以及使用成本低等，方便于智能家居网络的扩展，而且符合当前社 会绿色、低碳、环保的时代要求。三、研究目标完成智能家居传感器节点模块的硬件设计,设计CC2430的应用电路、供电电 路I/O与AD转换电路、传感器信号调理电路以及PC通讯接口电路。四、研究内容1研究ZigBee技术的技术标准及技术优势,并分析ZigBee网络的协议框架 结构，对网络层、数据链接层、MAC层和物理层进行说明。2、熟悉智能家居系统整体架构与无线传感器节点结构。3、分析各节点之间的工作与通信原理,设计出传感器节点的核心处理器电 路,供电电路,信号调理电路和通讯电路的设计。五、研究方法与手段1、通过研究参考文献，熟悉设计原理。2、采用CC2430作为无线传感网络节点的核心，对核心电路、电源电路、自 充电供电模块、充电自检模块设计等进行试验。3、根据试验结果、针对试验过程中出现的问题提出相应的解决方案，写出 毕业设计论文电源模块六、可行性方案分析采用CC2430作为无线传感网络节点的核心，通过查找资料熟悉CC2430的工 作原理，阅读相关文献及论文，分析设计要求并合理设计原理，通过现场调试、数据处理，最终完成设计。七、进度安排2014.12.162015.03.242015.03.252015.04.082015.04.092015.04.242015.04.252015.05.102015.05.112015.06.01八、参考文献课题准备工作，撰写开题报告。收集国内外相关资料整理,熟悉设计原理对设计方案进行模拟实验。对实验数据进行分析。撰写毕业论文，准备答辩。12I EEEStd802.1lb-1999.Wir elessLANMACandPHYspecifications:HigherspeedPhysical221-224.11沈永增，杨利亚.智能家居无线数据的安全传输J.计算机系统应用，2010,19(8)：10周亮.无线传感器网络节点的硬件设计J.单片机与嵌入式系统应用.2007(7)：14T6.4-5.9周怡硕，凌志浩，等.ZigBee无线通信技术及其应用探讨J.自动仪表，2005,H(6)：8李海光.基于I EEE+802.15.4-ZigBee的无线传感器网络研究R.硕士论文.20080408.研究,2005,5(5):10-11.7刘刚,周兴社，谷建华,李志刚.自组织、自适应无线传感器网络理论研究J.计算机应用展，2005,42(7):15-17.L6崔莉,鞠海玲,苗勇，李天璞,刘巍,赵泽.无线传感器网络研究进展J.计算机研究与发5马祖长,孙怡宁,梅涛.无线传感器网络综述J.通信学报,2004,25(10):3-5.信，2005,12(1):7-8.4龙承志，马玉秋,沈树群.基于低速率的短距离无线通信网络新技术一ZigBeeJ.数据通程，2003,11(6):10-13.3周敬利，陈太坤，余胜生,王有成.基于Blucotothd的WAPN的研究与实现J.计算机工2赵红礼,吴昊,黄清.无线局域网J.科学.,2004,10(5):9-10.17-19.1王锐化，益晓新.ZigBee与Bluetooth的比较及共存分析J.测控技术，2005,12(6)：issuesJ.Wir elessCommunicationsandNetwor king,2003.8(3):20-32.23HowittI,Gutier r ezJ A.I EEE802.15.4lowr ate-wir elessper sonalar eanetwor kcoexistence(4)：100-102.22王久鹏，尚春阳，ZigBee和GPRS技术在无线监控系统中的应用J.电讯技术,2008,4521郑少仁，王海涛,赵志峰.AdHoc网络技术M.北京:人民邮电.,2005,15-50.息，2009,93(1):29-30.20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15.4.Wir elessMediumAccessAr eaNetwor ks(LR-WPANs)S.I EEEPr ess,2003,26-38.19I EEEStd.802.15.4-2003.I EEEStandar dforLocalandMetr opolitanAr eaNetwor ksPar tandZigBeefJ I EEEtr ansactionsonconsumerElectr onics.2010,56(3):1403-1410.18Dae-ManHan,J ae-HyunLim.Smar tHomeEner gyManagementSystemusingI EEE802.15.4I ntelligence(I CMTMA2010).Sanya:I EEEpr ess,2010:290-293.TechnologyC/2010I nter nationalConfer enceonAr tificialI ntelligenceandComputational17XiangGao,LiZhao.Resear chandDesignofsmar tHomeSystemBasedOnZigBeePr ess,2010V2:650-653.Confer enceonAdvancedComputerTheor yandEngineer ing(I CACTE).Chengdu:I EEE16DongmeiYan,ZhiguangDan.ZigBee-basedSmar tHomeSystemDesignC/3r dI nter national15沈玉龙，王馄.智能家居控制系统设计J.电子科技,2004,(5):47-50,54.Layerextensioninthe2.4GhzbandS.I EEEPr ess,2003.14I EEEStd802.1lg-1999.Wir elessLANMACandPHYspecifications:HigherspeedPhysicalLayerextensioninthe2.4GhzbandS.I EEEPr ess,1999.13I EEEStd802.11a-1999.Wir elessLANMACandPHYspecifications:HigherspeedPhysicalLayerextensioninthe2.4GhzbandS.I EEEPr ess,1999.选题是否合适：是口否口课题能否实现：能口不能口指导教师（签字）年 月 日选题是否合适：是口否口课题能否实现：能口不能口审题小组组长（签字）年 月 日摘要随着科技的持续发展以及人们对于家居环境的不断追求，智能家居得到了飞 速发展，具有巨大的市场潜力。相比于其它各种组网方式,ZigBee无线组网方式 具有网络规模大、功耗低、使用成本低以及便于扩展等优点；传感器网络技术通 过布置各种传感器，能够方便地感知各种家居信息，在智能家居领域有着独特的 优越性，同时借由ZigBee技术的独特优势，以它为核心搭建的无线智能家居系统 成为目前最优秀的智能家居解决方案，也是几年内智能家居发展的一个重要方 向。在介绍了智能家居的背景与ZigBee技术之后，分别对无线传感器节点的硬 件与软件进行设计。硬件部分主要进行了 CC2430核心电路、电源电路、品振、复位电路与AD基准电压电路、传感器模块和通信模块等设计。软件部分主要设 计了基于CC2430的TinyOS移植和传感节点通讯功能实现等内容。最后对整篇 论文进行了总结与展望。关键词：智能家居，硬件设计，无线传感器节点，ZigBee,CC2430AbstractWith the continuous development of technology and peoples constant pur suit for home envir onment,Smar t Home is developing r apidly and has huge mar ket Potential.Compar ed with other networ king technologies,ZigBee suppor ts a lar ge number of networ k nodes,consumes less power,costs less and easy to expand.By using sensor s to easily achieve home infor mation,sensor networ k technology has gr eat advantages in Smar t Home industr y.At the same time taking advantage of the unique ZigBee technology to build its cor e wir eless smar t home system has become the most excellent smar t home solutions,and within a few year s,this is also an impor tant dir ection to which the smar t home will develop.After the intr oduction of smar t home technology backgr ound and ZigBee,I am going to r espectively intr oduce the har dwar e and softwar e design of wir eless sensor nodes.I mainly car r y out CC2430 cor e cir cuit,power cir cuit,oscillator,r eset cir cuit and AD r efer ence voltage cir cuit,the sensor module,and communication module design on har dwar e.I mainly design softwar e based on the TinyOS CC2430 tr ansplant and sensor node communication function r ealization and so on.Finally,T summar y the entir e paper and look to the futur e.Key words:intelligent home,har dwar e design,wir eless sensor-node,ZigBee,CC2430目 录第一章绪论.11.1 课题来源及意义.11.2 国内外发展现状.11.2.1 国外发展现状.11.2.2 国内发展现状.21.2.3 无线组网技术概述.21.3 文章结构.3第二章 ZigBee技术探究.42.1 传感器技术概述.42.2 无线传感器网络技术概述.52.2.1 无线传感器网络结构.52.2.2 无线传感器网络节点设计原则.62.3 ZigBee技术的标准.72.4 ZigBee协议结构.82.4.1 网络层.92.4.2 数据链接层.112.4.3 MAC 层.112.4.4 物理层.122.4.5 应用层.132.5 本章小结.14第三章 无线传感器节点的硬件设计.153.1 节点概述.153.2 智能家居系统整体架构与无线传感器节点结构.153.3 CC2430核心电路设计.163.4 电源电路设计.193.4.1 自充电供电模块设计.20342 充电自检模块设计.20343降压电路模块设计.213.5 晶振、复位电路与AD基准电压电路设计.223.5.1 晶振、复位电路设计.223.5.2 AD基准电压电路设计.23I3.6 传感器模块设计.243.6.1 温度采集调理电路.253.6.2 湿度采集调理电路.263.7 通信模块设计.273.7.1 RS232接口电路设计.273.7.2 USB接口电路设计.283.8 本章小结.28第四章 无线传感器节点的软件设计.294.1 网络协议算法概述.294.2 基于 CC2430 的 TinyOS 移植.294.2.1 TinyOS 简介.294.2.2 necC编译过程分析.324.2.3 TinyOS 的移植.324.2.4 基于CC2430的组件编写.334.3 传感节点通讯功能实现.334.3.1 通讯机制.334.3.2 数据包格式化.344.3.3 发送数据包.354.3.4 接收数据包.364.4 本章小结.37第五章总结与展望.38参考文献.39外文资料中文译文致谢II天津大学仁爱学院2015届本科生毕业设计（论文）第一章绪论1.1课题来源及意义智能家居系统真正起源于1985年，美国建成了首栋智能化的写字楼，其基 本理念就是利用计算机系统的处理能力，来实现对大楼的空调、电梯、照明设备 等进行智能的监测和控制，将以前采用人工控制的参数全部改为自动化设置，这 便是世界上第一栋智能型建筑，智能家居系统从此步入了实用阶段。所谓智能 家居是现代电子技术、自动化技术及通信技术相结合的产物。无线传感器网络是 由传感器技术，微机电技术，现代网络技术和无线通信等技术有机综合后得到的 新产物。无线传感网络是一种融合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信 息处理技术和通信技术的综合性传感器网络，能够实时地监测、感知和采集节 点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息：如光强、温度、湿度、噪音和 有害气体浓度等物理现象，并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通 过无线网络最终发送给用户。从而使用户的操控能力更强,更人性化。1.2 国内外发展现状随着世界上第一例智能家居应用实例的出现，欧洲，美洲等区域内的大部分 国家都推出了各种智能家居解决方案。目前，美国、英国、日本等国的智能家居 系统都开始充分的渗透进入居民的日常生活中去。无线传感器网络的出现是信息 感知和数据采集的一场革命。美国商业周刊和技术评论杂志在预测未来技 术发展的报告中，都不约而同的将无线传感器网络视作最具影响的21项技术和 改变世界的10大技术之一。无线传感器网络与塑料电子学和仿生人体器官并 称为全球未来发展的三大高科技产业。无线传感器节点是无线智能家居的基础 单元，节点的能量成为无线传感器网络发挥效能的瓶颈。1.2.1国外发展现状目前传感器网络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。美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计戈”,投资3400 万美元，支持相关基础理论的研究。美国很多大学都已经开展传感器网络的研究，其中最具代表性的是加州大学伯克利分校和I ntel公司联合成立的“智能尘埃”实验室，它的目标是为美国军方提供能够在一立方毫米的体积内能自动感知和通 信的设备原型的研制。节点芯片上，有国际著名的芯片大厂如I T、Atmel公司 的处理器芯片、Chipcon公司的无线传输芯片等。软件上，很多著名的公司为节 1天津大学仁爱学院2015届本科生毕业设计（论文）点的组网开发了软件协议栈，加州伯克利大学研发的节点组网专用操作系统 TinyOS,为无线传感网的组建和其他方面的测试研究提供了基础。1.2.2 国内发展现状我国于2000年末才开始着手于智能家居技术的研究和开发，由于有其他国 家的经验和先例，加上国内企业的重视，经过近十年的研究和发展后正迅速逐步 走向成熟。比如电子科技大学无线传感器节点的硬件设计，采用自行设计的8 位RI SC结构低功耗MCU作为节点控制核心，使用门控时钟、两相时钟流水和 休眠唤醒机制实现MCU的低功耗操作，利用0.18nm CMOS工艺实现该MCU；设计并实现了无线传感器网络节点硬件平台，在该平台上移植TinyOS操作系统，实现了多跳路由结构的无线传感网期。随着知识创新工程试点工作的深入，2001年中科院依托上海微系统所成立 微系统研究与发展中心，引领院内的相关工作，并通过该中心的无线传感网的方 向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，参加单位包括上海微系统所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、软件所、中科大等十余个校所，初步建 立传感网络系统研究平台，在无线智能传感网络通信技术、微型传感器、传感器 节点、簇点和应用系统等方面取得很大的进展，2004年9月相关成果在北京进 行了大规模外场演示，部分成果已在实际工程系统中使用。国内的许多高校也掀 起了无线传感网的研究热潮。传感网在民用方面，涉及城市公共安全、公共卫生、安全生产、智能交通、智能家居、环境监控等领域。1.2.3 无线组网技术概述随着物联网概念的兴起，一些国际著名公司和组织对此投入了极大的热情。无线组网技术有HomeRF技术、I EEE802.11协议族无线局域网技术、I EEE802.15.1蓝牙传输技术以及I EEE802.15.4/ZigBee技术。早期还使用过 I r DA红外技术，不过因其只能在直线可视范围内通信并且可移动性差等缺点己 经近乎被淘汰，使用的范围已基本局限于遥控设备等领域。HomeRF技术常用于 家居设备语音和数据的传输。I EEE802.11协议系列包括802.11a、802.11b、802.11g与802.Un等众多版本，它们所使用的频段分别为5GHz、2.4GHz、2.4GHz 和2.4GHz,传输速率分别为54Mbps、11 Mbps 54Mbps和300MbPs及以上，I EEE802.il协议族多用于家庭数据信息的传输。蓝牙技术主要在诸如移动 电话、笔记本电脑、PDA（个人数字助理）和无线耳机等无线个人局域网领域得到 了广泛的应用口叫ZigBee技术是I EEE802.15.4的代名词，是一种新兴的技术，2天津大学仁爱学院2015届本科生毕业设计（论文）以其低功耗的特点己经广泛地应用于智能家居领域口6-网。1.3 文章结构本论文各个章节的结构与主要内容如下：第一章主要介绍本文的课题来源与意义、国内外发展现状及无线组网技术概 述。第二章主要介绍了无线传感器技术、ZigBee技术。并对ZigBee技术的特点、协议框架和各层协议进行了分析。第三章主要完成了无线传感器节点的硬件设计。分析了各节点之间的工作与 通信原理，设计出传感器节点的核心处理器电路、供电电路、信号调理电路和通 讯电路。第四章完成了无线传感器节点的软件设计。介绍了传感器节点采用的网络协 议,然后完成了传感器收发信息的软件设计和通讯功能的实现。第五章是本文的总结与展望，总结本文所完成的工作及还需要改进的地方。3天津大学仁爱学院2015届本科生毕业设计（论文）第二章ZigBee技术探究2.1传感器技术概述感知层相当于人的眼耳鼻喉，其作用在于感知家居信息，信息感知常用传感 器技术。常见的传感器一般有三部分组成，如图2.1所示。其中敏感原件完成对 于被测量信息的感知，其输出的物理量和被测量信息满足确定的关系。转换原件 将敏感原件输出的物理量通过一定的方法转化为某种电量，其输出的电量和输入 的物理量也满足一定的对应关系o而变换电路的目的在于将转换原件输出的电量 变换为更易于处理的电信号。通常传感器还有一个为各部分供电的电源模块。图2.1传感器的组成电量输出,表2.1传感器的分类分类方法 种类 释义按被测量温度传感器、湿度传感器、气压传 感器、加速度传感器等根据被测量的对象来区分按测量原理电阻式传感器、电容式传感器、电 感式传感器、光电式传感器等根据测量原理来区分按信号变换结构型传感器根据传感器结构参数的变化实现信号转换特征物线型传感器根据传感器木身属性的变化实现信号转换按能量关系能量转换型传感器能量控制型传感器由被测对象为传感器提供能量从外部获得获得能量按输出信号模拟传感器、数字传感器根据输出的量是模拟的还是数字来区分4天津大学仁爱学院2015届本科生毕业设计(论文)传感器种类繁多，分类方法也有很多种，常用的分类方法以及典型的传感器 如表2.1所示。目前，传感器技术在家电控制系统、安防监控系统等诸多系统中 己得到较为普遍的应用，例如空调、自动电饭锅、自动热水器、电熨斗、报警器 等电器以及许多新建小区的安防监控系统等。2.2无线传感器网络技术概述2.2.1无线传感器网络结构无线组网方式在智能家居应用中有较大的优越性，无线传感器网络技术是本 文应用的一项关键技术。一个典型的无线传感器网络结构如图2.2所示，其中各 传感器节点以自组织多路由(Multi-hop)方式组建无线网络并分布于传感区域中，这些传感器节点负责采集数据，并将数据通过组建的无线网络传送给汇聚节点(sink),汇聚节点以无线或者有线的方式与互联网或卫星网络相连，任务管理节 点则通过互联网收集无线传感器网络采集到的数据，并可对无线传感器网络进行 管理与配置。图2.2无线传感器网络结构传感器节点通过特定传感器模块来完成对目标数据值的采集，同时还具备感 知模块、无线射频模块、处理器模块、电源模块以完成信息的感知、简单处理、5天津大学仁爱学院2015届本科生毕业设计（论文）储存、管理、转发功能和为各模块供电，其中传感器节点的结构如图2.3所示。但是，受限于节点体积、成本和电源供给方式等条件限制，传感器节点并不具备 很强的处理、存储能力，而且通信距离较短，只能采用多跳路由的方式来访问通 信半径外节点。为确保采集的数据信息能送达到汇聚节点，传感器节点的部署应 十分密集。从网络功能上看，传感器节点主要用来实现对指定检测目标的信息采 集和管理，同时还能够存储、转发其他节点采集的数据。图2.3传感器节点的结构汇聚节点较普通传感器节点略有不同，其一方面负责无线传感器网络和外部 网络之间的通信，一方面发布管理节点向传感器网络下发的控制信息，因此节点 硬件要求较高，具有更强的处理、存储和通信能力。任务管理节点处于处于检测区域外部，负责对整个传感器网络进行控制和维 护，其不仅向检测现场的汇聚节点发布任务、下达命令，而且接收和处理节点 上传的目标数据，现场管理人员可以通过管理软件系统对采集数据进行分析、处 理和实时观测。2.2.2无线传感器网络节点设计原则无线传感器网络的独特优势和应用领域的复杂性，决定了传感器节点在设计 时应主要从以下几个方面考虑：1、功耗最小化无线传感器网络大多数用于人类不能直接靠近的场所，不便进行人工更换供 电设备，而且节点数量十分庞大，若各个节点经常电力耗尽，则无线传感器网络 6天津大学仁爱学院2015届本科生毕业设计（论文）功效将大打折扣，因此无线传感器网络对节点功耗要求非常严格。我们在节点设 计是不仅要充分考虑硬件的能耗水平，而且还应通过优化通信协议，采用休眠机 制等手段，将节点功耗保持在较低数量级。2、成本低廉化这是无线传感器网络广泛应用的必备条件，只有售价低廉的节点才能满足其 在应用场合内海量部署的要求。低成本决定无线传感器节点各个模块不能采用昂 贵的芯片，节点设计应易于维护和管理，从而降低开发和维护成本。但廉价的节 点，也一定程度上限制了传感器网络的生存周期和测量精度。3、可扩展性和灵活性根据无线传感器网络的应用场合不同，节点通常必须新增其他硬件，所以在 传感器节点设计中还需要考虑到节点的可扩展性问题。通过采用标准化的外部接 口，使得节点在不同的应用环境下，只需要在现有硬件基础上简单添加新组建，便可完成整体硬件框架的搭建。4、安全性和稳定性传感器节点通常部署在恶劣的环境下，无法人为的进行节点更换与维修，因 此在传感器节点软硬件设计时必须充分考虑其在复杂环境下（如较大电磁干扰或 苛刻的温度、湿度环境）应用的稳定性。节点安全性设计主要包括代码安全和通 信安全，代码安全可以保证节点内的程序源码不被非法捕获；通信安全设计，可 以通过采用一些能够提供硬件支持的芯片来实现。2.3 ZigBee技术的标准ZigBee是一个协议的名称，这一协议的核心基于正802.15.4标准，其目 的是为了适用于低功耗，无线连接的监测和控制系统。这一协议标准由ZigBee 联盟推出。ZigBee的基础是I EEE无线个域网工作组所制定的I EEE802.15.4技 术标准。I EEE802.15.4是ZigBee协议的底层标准,它主要规范了无线网络的物 理层和MAC层的协议，其标准是由国际电工学协会I EEE组织制定并推广。ZigBee和I EEE802.15.4标准都适用于低速率数据传输，最大传输速率为 250KBpS,与目前其他成熟的无线技术比较，ZigBee的缺点在于理论传输距离相 对较近，但是对于数据采集和控制信号的传输来说，首要考虑的是成本、功耗，距离和速率参数则是次要因素。所以目前ZigBee技术的主要应用定位在低速率、复杂网络、低功耗和低成本的应用。另外，基于ZigBee技术可以实现数千个微小的传感器之间实现相互协调的 通信，采用接力的方式通过无线电波信号将数据从一个传感器传到另一个传感 7天津大学仁爱学院2015届本科生毕业设计(论文)器，这使得网络间通信效率非常高对于无线网络来说，节点间通信距离越大，相 应的电气设备结构越复杂、系统功耗以及成本就越难控制。所以如何采取高效的 短距离传输才是比较理想的无线网络解决方案，相对于现有的各种无线通信技 术，ZigBee技术的短距离、低功耗、低速率、低陈本是最适合作为传感器网络 的标准。2.4 ZigBee协议结构ZigBee是专门为低速率控制网络制定的标准无线网络协议。它在物理层、MAC层和数据链路层上采用了 I EEE802.15.4协议标准，同时进行了完善和扩 展。其网络层、应用会聚层和高级应用规范接口(API)都由ZigBee联盟制定“咒 整个协议的框架结构如图2.4所示。应用层 应用层汇聚层网络层I EEE 802.2LLC其他LLC标准SSCSMAC(I EEE 802.15.4)2.4GHz PHY 868/915MHz PHY图2.4 ZigBee协议框架结构图ZigBee标准协议框架采用了多层结构，数据服务是由高层向底层提供：数 据传输服务由数据实体提供，其他相关服务则有管理实体提供。系统中所有的服 务实体接口都是由SAP接入点提供，并且每个SAP接入点都能提供大量的代码 来实现所需的功能。8天津大学仁爱学院2015届本科生毕业设计（论文）2.4.1网络层ZigBee协议规定的网络层的任务是识别进入网络的设备并建立各个网络设 备间的无线通讯，其网络层支持三种拓扑结构，分别是星型拓扑结构、树状拓扑 结构和网状拓扑结构等三种拓扑结构网络。星型拓扑结构的特点是采用一个协调器与其他的节点设备通信，各个节点只 与协调器进行数据交换，所有需要分析的数据和指令都由协调器来处理，星型拓 扑结构通常采用64位的扩展地址。同时，协调器负责给新加入网络中的设备分 配唯一的16位地址，以节省频宽。该网路的特点是，协调器不能断电，必须采 用不间断供电方式工作，而其他节点设备则可以使用普通电池工作，任何个节 点停止工作都不会对整个网络造成影响。星型网络结构特别适合于家居自动化、PC机外设以及个人健康护理等工作范围小的的室内应用。其结构图如图2.5所 不。全功能设备简功能设备图2.5星型拓扑结构图树状拓扑网络则是在星型拓扑的基础上增加了若干转发节点，形成一个串状 连接。树状拓扑网络结构相对更富有层次感，通过实现“多跳”的功能，充分解 决了星型拓扑网络覆盖范围小的问题。树状拓扑网络结构复杂导致其稳定性较 差，当主分支的全功能设备发生故障时，会引起此分支的全部节点离开网络。树 状拓扑网络结构如图2.6所示。9天津大学仁爱学院2015届本科生毕业设计（论文）