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1、 中山大学硕士学位论文中山大学硕士学位论文 基于基于 ZigBee 技术的技术的 智能楼宇管理系统智能楼宇管理系统 Technology of Intelligent Building Management System Based on ZigBee 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人 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结果由本 人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
2、 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料 室被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、 缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 II 摘摘 要要 ZigBee 技术是一种新的低功耗、短距离、低速率、网络可靠性高的无线通 信技术，主要应用于自动控制和近距离数据传输等领域，同时我们还可以将 ZigBee 技术应用于室内定位领域。
3、 在传统的楼宇管理系统中，考勤功能一直是大家关注焦点，而当大楼出现 险情或楼内人员有突发情况时，如何能够快速有效地营救出事人员也一直是科 研人员一直致力解决的问题。 本论文讨论的是基于 ZigBee 技术的智能楼宇管理系统，该系统具有大楼内 部人员定位、大楼环境温度监测、人员考勤、危险报警、遇险求救，远程监控 等一系列的功能。 本文提出了一种基于 ZigBee 与 GPRS（General Packet Radio Service）结合 的楼宇管理系统技术方案。利用 ZigBee 技术和各种传感器组成无线传感器网络， 对大楼内的人员位置和环境温度进行准确、有效的实时监控，并将采集到的信 息通过
4、 GPRS 远传至主控计算机，同时，主控计算机端通过软件的图形界面实 时了解大楼内部情况，当有人员发出报警或者大楼内部出现险情时，主控计算 机自动通过 GPRS 向大楼内部的 ZigBee 网络发送危险信号，ZigBee 网络受命 令影响立即向大楼内部人员发出撤离信息。该方案结合了 ZigBee 和 GPRS 技术 各自的特点，以 M2M 的方式实现了对大楼及内部人员进行环境温度检测、定 位、报警。该系统对物联网的发展有重要的意义。 关键词：关键词：ZigBee、人员定位、楼宇管理、GPRS。 III IV AbstractAbstract ZigBee is a new generation
5、 of wireless communication technology which has many features such as low power、low rate、short-range and high reliability and so on. It is mainly applied to fields like automatic control and short distance digital communication. Meanwhile, we can use ZigBee for indoor location. In the traditional bu
6、ilding management systems，work attendance function has always been the focus. And when building shows dangerous or people in the building have urgent cases, how to quickly and efficiently rescue incident has also been a problem to the researchers. This paper discusses Intelligent Building Management
7、 System based on ZigBee. This system has a series of functions, including the building condition monitoring、 work attendance function、danger alertion、distress for help and so on. Now we project a scheme, Intelligent Building Management System, which is base on the combination of ZigBee and GPRS（Gene
8、ral Packet Radio Service）. We will use ZigBee and some sensors to form a wireless sensor network，which can get the location of personnel within the building and the accurate environment temperature by effective real-time monitoring. And these data will automatically transmit to the remote computer b
9、y GPRS. When an alarm or emergency occurs in the building, the remote computer can send the dangerous to the ZigBee network in the building automatically by GPRS. Then ZigBee network will send the evacuation information to people in the building precisely and efficiently in time. In this way， we com
10、bine the advantages of both ZigBee and GPRS to achieve those series of functions posed above. And this system is significant for development of the Internet of Things. Key Words： ZigBee、Personnel Positioning、Building Management、GPRS. V 目目 录录 摘摘 要要I ABSTRACT .III 第第 1 章章绪绪 论论.1 1.1ZIGBEE技术介绍.1 1.2GPR
11、S 技术简介.3 1.3典型室内定位系统5 1.4ZIGBEE定位技术研究现状和发展.6 1.5论文研究意义与创新点6 第第 2 章章系统硬系统硬件件开发平台开发平台.9 2.1CC2430 简介 .9 2.2系统开发套件13 第第 3 章章系统软件开发系统软件开发平平台台.17 3.1ZIGBEE协议栈概述.17 3.2ZIGBEE2006 协议栈 22 3.3系统软件开发环境24 第第 4 章章系统方系统方案案的设计的设计.29 4.1系统总体设计方案29 4.2区域定位功能模块的设计31 4.3环境温度采集功能模块的设计39 4.4上下行紧急呼救功能模块的设计40 4.5后台界面的设计4
12、4 第第 5 章章系统系统测测试试.53 5.1ZIGBEE网络测试.53 5.2定位功能测试55 5.3环境温度测试57 5.4上下行紧急呼救测试57 5.5考勤功能测试60 5.6GPRS 远传测试.62 5.7系统测试总结65 第第 6 章章总总结结和展和展望望.69 6.1论文总结69 6.2工作展望69 参考文献参考文献71 第 1 章 绪 论 1 第第 1 1 章章 绪绪 论论 1.1 ZigBeeZigBee 技术介绍技术介绍 随着科技不断发展，通信技术已深入人类生活的各个方面，人们提出了在 人自身附近几米范围内的通信需求，这样就出现了无线个人区域网络（wireless pers
13、onal area network，简称WPAN）的概念，WPAN网络就是把近距离范围内 的多个设备通过无线方式连接在一起，为几米范围内的设备建立无线连接，使 它们可以相互通信甚至接入互联网和局域网1。在ZigBee、蓝牙、Wi-Fi、超宽 带等众多能够组建WPAN的无线通信技术中，ZigBee的快速发展无疑成为了这 当中的明星2。 ZigBee 技术是一种新兴的无线网络技术它具有低速率、短距离、低功耗的 优点，并且是一种介于无线标记和蓝牙之间的技术提案，它能够实现数千个微 小的传感器之间相互协调通信，主要用于近距离无线连接3。ZigBee 的基础是 IEEE 802.15.4，这是 IEEE
14、 无线个人区域网工作组的一项标准，被称为 IEEE 802.15.4（ZigBee）技术标准34。 1.1.11.1.1 ZigBee 技术的发展技术的发展 早在 2001 年 12 月，IEEE 就专门成立了无线个人局域网工作组，致力于定 义无线个人局域网的无线通信协议，并于 2003 年 10 月发布了针对低成本、低 速率应用的 IEEE.802.15.4 标准，该标准涉及无线通信协议的 MAC 层和物理层 5。 ZigBee 联盟成立于 2001 年 8 月，但当时成立时还什么公司加入直到一年 之后，三菱电气公司、Invensys 公司、摩托罗拉公司以及飞利浦半导体公司四 大巨头共同宣布
15、，它们将加入“ZigBee 联盟” ，以研发名为“ZigBee”的下一 代无线通信标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑6。 随着 ZigBee 技术的逐步发展，到目前为止，该联盟已有 200 多家成员企业， 并在迅速的发展壮大，ZigBee 联盟涵盖了绝大部分 IP 服务提供商、半导体生产 商、OEM 商及消费类电子厂商等等，包括像 Mattel 之类的玩具公司，还有像 硕士学位论文 2 Eaton 和 Invensys Metering Systems 等工业控制和家用自动化公司，所有这些公 司都参加了负责开发媒体控制层技术标准的 IEEE802.15.4 工作组和 ZigBee 物
16、理 层5 7。 1.1.2 ZigBee 技术的主要特性技术的主要特性 和其他的无线通信技术而言，ZigBee 技术的主要特性如下348： （1）低速率：ZigBee 的三个频段中，其传输速率都比较较低，2.4GHz 频段 为 250Kb/s，9l5MHz 频段为 40Kb/s，868MHz 频段只有 20Kb/s; （2）低功耗：这是 ZigBee 技术使其处于优势地位的特点，ZigBee 的传输 速率低、数据量小，发射功率仅为 1mW，在非工作模式时处于休眠状态，功耗 极低。 （3）低成本：ZigBee 协议是免专利费的，降低了软件的应用费用；并且 ZigBee 协议栈相对于蓝牙、Wi-F
17、i 等要简单得多，降低了对通信控制器的要求。 （4）短时延：从休眠状态激活和通信时延的时延都比预期的短，比如典型 的休眠激活的时延是 15ms，搜索设备时延为 30ms，活动设备信道接入的时延 为 15ms。 （5）多种组网方式：ZigBee 网络可以通过网络协调器组成树状、星状、网 状等多种组网方式。组网方式灵活，并可动态的让节点设备退出和加入网络。 （6）可靠数据传输：ZigBee 的 MAC 层采用 CSMA/CA 算法，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。 （7）大容量网络：一个星型的 ZigBee 网络最多可以容纳 255 个从设备和 一个主设备
18、，一个 ZigBee 协调器可容纳 65535 个设备。 （8）近距离通信： ZigBee 节点的有效传输范围一般为 10-75m，能覆盖普 通的家庭和办公场所。 （9）安全：采用了三级安全模式，采用了AES- 128 的加密算法，提供基 于循环冗余校验(CRC) 的数据包完整性检验，支持鉴权和认证。 第 1 章 绪 论 3 1.1.3 ZigBee 技术的应用领域技术的应用领域 ZigBee 技术以其低速率、低功耗、可靠、安全等特点，在智能家居、环境 科学、医疗健康、商业应用、工业应用等领域有着广泛的应用前景10。主要应 用领域介绍如下11-13： （1）智能家居：ZigBee 技术可以应用
19、于温湿度控制、家庭的照明等。 ZigBee 模块可以安装于遥控器、玩具、灯泡、空调系统、门禁系统和其它家电 产品中，并实现智能控制。 （2）环境科学：随着人们需要采集的数据也越来越多，对环境问题的关注 程度越来越高，ZigBee 技术为获取各种数据提供了便利。比如，ZigBee 技术可 以用于监测海洋、大气和土壤的成分等。 （3）医疗健康：借助 ZigBee 网络，医生的工作量可以大大的减少，因为 借助它，可以实时监测病人的、血压和心跳速度等信息，同时帮助医生快速做 出反应，利用定位技术还能实时知道病人的具体位置。 （4）工业控制：通过 ZigBee 可以实现厂房照明系统感侧和温湿度监控， 及
20、时得到运转状况的信息和进行生产线流程控制，用 ZigBee 网络取代有线控制 系统，能大幅度降低工业生产成本8。 （5）智能交通：ZigBee 无线网络能够比 GPS 系统覆盖更全面，并能够得 到比 GPS 更多的信息，如道路是双行线还是单行线等，各条街的交通情况和事 故信息等。 1.2 GPRSGPRS 技术简介技术简介 GPRS（General Packet Radio Service）即通用无线分组业务，它是介于 2G 和 3G 之间的一种技术，通常称为 2.5G14。相对于原来 GSM 拨号方式的电路 交换数据传送方式，GPRS 属于分组交换技术，它能够提供广域的无线、端到 端 IP
21、连接，并且具有 “按量计费”、 “实时在线”、 “高速传输”、“快捷登录”、 “自如切换”等优点14。 硕士学位论文 4 1.2.11.2.1 GPRS 的技术特点的技术特点 GPRS 技术可以让我们在任何时间都能快速方便地实现连接，并且费用也 很合理。它有如下的一些特点15： （1）接入速度快：GPRS 平均接入时间不超过两秒，接入等待时间短，提 供了与现有数据网的无缝连接； （2）高速数据传输速率：能够提供 9.05-171.2kbit/s 的数据传输速率速 度，并且可以稳定地传送大容量高质量视频和音频文件； （3）收费更为合理：即根据传输数据量来计费，当无数据传输时，用户在 线也不会占用
22、信道，实现了用户“永远在线”，真正体现了多用多付费的原则。 （4）无线资源利用率高：新的无线资源管理技术，使得用户能够在有数据 发送时占用信道，数据发送完之后释放信道，供其他用户使用，这大大提高了 无线资源的利用率； （5）良好的移动性：采用 IP 作为核心网技术，使用一种隧道协议作为 SGSN 和 GGSN 的通信接口，保证了用户 IP 地址和网络 IP 地址的隔离，无长 途概念实现 IP 的“可移动性”15。 1.2.2 GPRS 技术的应用技术的应用 GPRS特别适用于间断的、少量的数据传输、突发性的或者频繁的，而且也 适用于偶尔的大数据量的传输16。具体来说，GPRS无线数据传输系统应
23、用领 域有如下几个方面： （1）车辆调度：通过GPS的定位功能和GPRS的远程数据传输功能可以实现车 辆调度，从而对车辆进行有效地调度18。 （2）移动上网：GPRS移动终端可实现诸如收发E-mail、网页浏览和图像发 送等功能17。 （3）远程智能监控：GPRS可以应用于、工业遥信；水表、电表等数据的自 动传输；电信行业无人值守机房监控和远程维护；闸门、煤气管道、加压站的 监控；供热系统实时监控与维护；市政系统（路灯夜景照明系统管理）、公安 系统（查询人口信息、在逃犯信息等）；环境参数监测，如气象数据采集与传 第 1 章 绪 论 5 输、水文监测等19。 基于GPRS数据远程传输的各种优势，
24、我们可以开发多种前景极其乐观的各 类应用，GPRS网络经过通信企业的多年建设已成为稳定、成熟、可靠的通信网 络，为SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制 系统)系统提供廉价、快速最佳的数据传输解决方案20。本论文将结合ZigBee和 GPRS在智能监控方面的优势，将两者应用于智能楼宇管理系统中。 1.3 典型室内定位系统典型室内定位系统 1.3.1 室内室内 GPS 定位技术定位技术 当今世界运用最多的定位技术即GPS。尽管它广泛运用，但当它在室内时 仍然有大量问题如定位精度降低，因为它还是不能像在室外一样工作不能直接
25、 从卫星广播中提取导航数据和时间信息，但我们可以换个思路可以考虑延长在 每个码上的停留时间，尽可能的提高信号的灵敏度。室内GPS技术做了大量的改 进，比如说采用大量的相关器并行地搜索可能的延迟码，这样就可以更方便的 实现快速定位，为什么要用GPS进行定位呢，它的优势就是定位导航信号免费并 且覆盖范围大 21。当然也有缺点，就是定位信号不能穿透建筑物，到达地面时 较弱。 1.3.2 室内无线定位系统室内无线定位系统 (l)RADAR系统21 RADAR室内定位系统是Microsoft公司利用“指纹识别技术进行定位进行 开发的，它主要依据是对特定环境下的RF信号衰落特征值进行处理，主要依据 即RA
26、DAR系统主要利用信号强度作为估算接收器与射频发射器间距的依据，当 得到信号强度后就以此确定信号衰减与接收器间发射器、墙壁数量的关系，并 且可以通过信号强度来建立射频信号的传输信道模型21。 RADAR系统是由Microsoft公司开发的，是一种前沿技术，有很多优点的主 要优点就是只需要很少基站，并且还采用了无线网络结构，但是任何事物都有 两面性，反倒由于它过于依赖无线局域网技术，制约了其节点的种类和电源情 硕士学位论文 6 况21。 1.4 ZigBeeZigBee 定位技术研究现状和发展定位技术研究现状和发展 ZigBee 技术是一种新技术，而随着它的出现，出现了很多关于它的定位研 究。总
27、体而言，基于 ZigBee 的研究在国内才刚开始，现阶段还处于利用国外芯 片应用开发的层面。表面上国外在硬件芯片、定位算法的理论研究上都已经实 现了产品化，但是在实际应用还是处于初级阶段，还是有很多算法存在改进。 总体而言在目前还只有 4 个设备生产商(OEM)的 ZigBee 套件符合 ZigBee 联盟 规定的标准21。虽然这 4 个公司都推出了符合 ZigBee 标准的通信套件，但它们 的芯片功能都各有特点可以适合于不同的应用场合。市场上主流的芯片为 Freeseale 公司的芯片 MCl3193 和 Chipecon 公司的芯片 CC2420、CC2430，所以 用于研究 ZigBee
28、 技术的定位系统也以它们的芯片为主要核心器件。总体而言， 目前存在两种 ZigBee 定位解决方案21。 (l)第一种方案就是基于 CC2431 片上系统的单芯片定位方案就是在 CC2430 基础之上增加了基于 RSSI 的硬件定位引擎，通过输入参考节点的坐标信息，即 可输出未知节点的坐标 21，但是 CC2431 的定位系统要求比较理想化的场地如 空旷地才能有较好的效果，不符合复杂的楼道环境，所以在适合本系统。 (2)第二种方案就是 CC2430/(MCU+CC2420)定位算法，首先它是通过将定 位方法前期输入到芯片内部一起处理，然后由 CC2430 实现网络中节点中信息 的传输，它有一个
29、最大的优点就是其定位算法就很灵活的选择21，本文就是利 用 CC2430 芯片进行定位实现的。 1.5 论文研究意义与创新点论文研究意义与创新点 1.5.1 研究意义研究意义 随着社会的发展，城市化的脚步进一步加快，越来越多的高楼矗立起来， 同时对于高楼的管理却越来越欠缺，据不完全统计近两年就发生了多起火灾事 第 1 章 绪 论 7 故，例如 2009 年 2 月 9 日晚 21 时许，在建的央视新台址园区文化中心发生特 大火灾事故，造成直接经济损失 16383 万元；2010 年 11 月 15 日 14 时，上海 余姚路胶州路一栋高层公寓起火，大火已导致 58 人遇难，另有 70 余人正在
30、接 受治疗；2010 年 3 月 15 日 20 时 30 分左右，河南省郑州市新密市东兴煤业有 限公司发生重大火灾事故，造成 25 人死亡等等。造成如此严重的损失纵然有很 多原因，但如果我们从一开始就采用智能楼宇管理系统，对内部人员的所在位 置情况了解很清楚，可以减少损失。 1.5.2 创新点创新点 本论文研究的是基于 ZigBee 技术的智能楼宇管理系统。论文通过对目前 各种国内外无线定位技术的分析研究，借鉴了无线局域网的经典定位技术，利 用 RSSI 和 LQI 值进行定位，并添加了考勤管理，紧急呼救，温度测试等一系 列功能，形成一套完整的智能楼宇管理系统。 1.5.3 文章内容安排文章
31、内容安排 第 1 章介绍 ZigBee 技术和 GPRS 技术的研究概况，并对几种典型的室内定位技 术进行了分析，在这基础上，提出本文研究的意义与创新点。 第 2 章介绍了 ZigBee 技术所依托的硬件平台。 第 3 章介绍了 ZigBee 技术软件开发系统，包括组网方式、拓扑结构等一系列功 能。 第 4 章提出了智能楼宇管理系统的设计方案，并对各个功能模块进行逐一分析， 搞清其工作原理。 第 5 章对系统进行实地测试，并对误差进行分析。 第 6 章对论文进行总结，提出有待于进一步研究的问题。 硕士学位论文 8 9 第第 2 2 章章 系统硬件开发平台系统硬件开发平台 本项目主要采用成都无线
32、龙通讯科技有限公司生产的 C51RF-CC2430 系列 的开发系统，该系统的核心的部件为以 8051 为内核的 CC2430 无线片上系统， 系统的硬件开发平台包括23： （1）以 CC2430 芯片为主体的 2.4GHz ZigBee 高频无线模块，本项目用到 了成都无线龙公司生产的两种 CC2430 ZigBee 模块，一种为通信距离为 70 米的 模块； （2）具有 USB 接口的 CC2430 无线单片机实时在线仿真器； （3）GPRS DTU 远传模块； （4）配套的 USB、电源线、电池盒及其他配置器。 2.1 CC2430CC2430 简介简介 CC2430 是德州仪器（TI）
33、推出的用来实现嵌入式 ZigBee 应用的片上系统。 它硬件支持 2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee 协议，由于它结合一个高性能 2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧且高效的 8051 控制器芯片，使它具有了优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性8。 2.1.1 CC2430 芯片的主要特点芯片的主要特点 CC2430 的芯片依然是用了 CC2420 芯片架构并且有进一步的提升就是在单 个芯片整合了 ZigBee 射频(RF)前端与微控制器4。 CC2430 芯片有很多优点特别是在发射与接收的模式下电流损耗分别不高于 27mA，并且它的休眠模式
34、与转换到主动模式都只需要超短时间的特性所以非常 适合要求电池的寿命非常长的应用28。 硕士学位论文 10 图 2-1 CC2430 的结构图 CC2430 主要特点如下29： (1) 具备低功耗并且高性能的 8051 微控制器核； (2) 集成了符合 2.4 GHz 的 IEEE 802.15.4 标准的 2 RF 无线电收发机； (3) 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性； (4) 外部的中断或 RTC 都能唤醒系统，休眠模式时仅有 0.9A 的流耗； (5) 外部硬件支持 CSMA/CA 功能； (6) 具有很宽的电压范围(2.03.6 V)； (7) 具有 RSSI/LQI 支持与 D
35、MA 功能； (8) 带有 2 个的 USART、l 个 MAC 定时器、1 个常规的 16 位定时器与 2 第 2 章 系统硬件开发平台 11 个 8 位定时器29。 2.1.2 CC2430 芯片的封装和引脚功能芯片的封装和引脚功能 CC2430 芯片共有 48 个引脚29，图 2-2 为 CC2430 的引脚图，全部引脚可 分为 I/O 端口线引脚与电源线引脚三类。 图 2-2 CC2430 引脚封装图 CC2430 具有多个可编程的 I/O 口引脚，P0、P1 口是完全的 8 位口，P2 口 只有 5 个可使用的位29。通过软件设定某些 SFR 寄存器的位和字节，便可使 这些引脚作为通
36、常的 I/O 口或作为连接 ADC 与 USART 部件的外围设备 I/O 口使 用或计时器 29。 I/O 口具有如下特性29： （1） 可设为通用的 I/O 口，也可设置为外围 I/O 口使用； （2） 有上拉和下拉的能力； （3） 除了 P1_0、P1_1 具有 20 mA 的驱动能力外，其余 IO 口都只有 4 mA 的驱动能力； （4） 全部 21 个数字 I/O 口引脚都有响应外部的中断能力，外部设备可对 I/O 口引脚产生中断信号，且外部的中断事件也可被用来唤醒休眠模 式。 硕士学位论文 12 2.1.3 芯片典型应用电路芯片典型应用电路 它只需要很少的外围部件配合就能实现信号的
37、收发功能，因此 CC2430 芯 片内部结构很完善，图 2-3 为 CC2430 一种典型应用电路。 图 2-3 CC2430 典型应用电路 CC2430 的电路使用的是一个非平衡天线，如果用非平衡天线就可以使连接 非平衡变压器性能更好，LNA 与 PA 之间的交换是由内部的 T/R 交换电路完成 的。R221 和 R261 为偏置电阻，电阻 R221 是用来为 32MHz 的晶振提供合适 的工作电流30。2 个电容构成一个 32 MHz 的晶振电路与 1 个 32 MHz 的石英 谐振器（XTAL1） 。用 2 个电容构成一个 32.768 kHz 的晶振电路以及 1 个 32.768 kH
38、z 的石英谐振器（XTAL2） 。电压调节器可以为一切需要 1.8 V 电压的 引脚以及内部电源供电，C241 和 C421 电容用来电源滤波，这样就可以提高芯 片工作的稳定性30。 第 2 章 系统硬件开发平台 13 2.2 系统开发套件系统开发套件 2.2.1 CC2430 无线单片机实时在线仿真器无线单片机实时在线仿真器 在线仿真是该 ZigBee 开发系统的核心技术之一，实物图如图 2-4 所示， C51RF-CC2430-ZDS 仿真器包括一个复位按键，电源指示灯，一个 USB 接口及 一根仿真线。 图 2-4 ZigBee 在线仿真器 图 2-5 在线仿真连接图 硕士学位论文 14
39、 实时在线仿真器通过 USB 接口和计算机连接，支持在线下载、仿真和断点 调试，可以实现单步、变量观察等在线调试 Debug 功能，它能够提供高达 129kb/s 的下载速度2。图 2-5 为 ZigBee 模块和仿真器相连接。 2.2.2 C51RF 协议分析仪协议分析仪 C51RF 协议分析仪可以全面解码、了解复杂的 ZigBee 协议栈并可加速程序 的调试，它就相当于一台 2.4G 频谱分析仪、一台高档的逻辑分析仪和数字示波 器；C51RF 协议分析仪具有强大的数据分析功能，能够抓取空中符 IEEE802.15.4 的数据包并对其帧结构进行剖析3，图 2-6 为协议分析仪的开机 软件。
40、图 2-6 协议分析仪软件的开机画面 图 2-7 分析仪分析 ZigBee 数据包界面 第 2 章 系统硬件开发平台 15 图 2-7 为 ZigBee 协议包括分析界面，在此，我们可以清楚看到一个数据包 的帧结构；通过 ZigBee 协议分析仪，我们还能观察到出错的数据包以及接入错 误和信号的灵敏度。因此，协议分析仪有助于我们完全掌握 ZigBee 网络节点发 送所有数据包的情况，它对于 ZigBee 系统的设计开发者具有非常重要的意义。 2.2.3 GPRS 模块介绍模块介绍 GPRS模块采用的是广州致远电子有限公司生产的ZWG-23A GPRS DTU，DTU的英文全称为Data Tra
41、nsmit Unit，GPRS无线数传设备也称“GPRS DTU” 。DTU为用户的串口设备与远程的电脑之间建立一个数据传输通道31。 图2-8为ZWG-23A产品的外形图，我们可以看到，模块的SIM卡座、棒状天 线、LED指示灯电源接口、RS232接口。 图2-9为ZWG产品的内部结构，我们可以看到，模块内部是由CPU、电源 管理、GPRS模块、SIM卡组成的。 RS232电平 DB9接口 宽输入电压：526V 内置高效率开关电源 金属外壳，抗冲击 工业级温度：-25+70 天线接口 短棒天线 自锁SIM卡座 LED状态指示 图 2-8 ZWG-23A 产品外形 硕士学位论文 16 设备安全
42、监控 GPRS 模块 CPU （处理器） 电源管理 异步串行接口 UART RS232 电源接口 DC：+5-26V SIM 卡 图 2-9 ZWG-23A 产品内部结构 ZWG-23A 产品使用 5V26V 宽范围供电，支持数据中心域名或 IP 地址的访 问、点对点互连，具有断线自动重连、本地和远程固件升级、短信配置与维护 和短信和电话唤醒等功能，并支持永远在线、空闲下线和空闲掉电三种工作方 式31。 为了方便用户设置，ZWG-23A GPRS 模块提供三种配置方式，第一种为本地 配置工具配置，使用图形化的配置工具对模块进行配置，方便快捷；第二种为 本地串口命令行方式配置，用户可以使用超级终
43、端或者单片机对模块进行参数 配置；第三种为短信配置，用户可以使用手机对 DTU 进行配置，以应对紧急情 况31。 17 第第 3 3 章章 系统软件系统软件开发平台开发平台 3.1 ZigBeeZigBee 协议栈概述协议栈概述 ZigBee 协议栈架构是建立在 IEEE 802.15.4 标准基础之上，其媒体访问控制 层（MAC）和物理层（PHY）采用了 IEEE 802.15.4 标准；ZigBee 协议的网络 层（NWK） 、应用层（APL）和安全服务规范是由 ZigBee 联盟定义的32。 ZigBee 协议构架如图 3-1 所示。 图 3-1 ZigBee 协议栈构架 3.1.1 物
44、理层概述物理层概述 物理层主要负责开启和关闭无线收发信机、链路能量检测(ED) 质量指示 （LQI） 、信道选择、空闲信道评估(CCA)、数据发送和接收。ZigBee 协议定义 了两个物理层(PHY)标准，它们分别是 2.4 GHz 物理层以及 868/915 MHz 物理 层，这两个物理层使用了相同的物理层数据包，并且都是使用直接序列扩频 DSSS 技术，它们的区别在于工作频率、信号处理过程和传输速率3，具体如表 3-1 所示。 硕士学位论文 18 表 3-1 三个频段调制和扩频技术 扩展参数数据参数 频段/MHZ码片速率 /kcips-1 调制比特速率/Kbps符号速率 /kBauds-1
45、 符号 868868.6300BPSK2020二进制 902928600BPSK4040二进制 24002483.52000O-QPSK25062.516 相正交 由表 3-1 可以知道，ZigBee 所定义的两个物理层中有三个频段，这三个频 段一共是划分了 27 个信道，其中 868MHZ 频段有 1 个信道（信道 0） ，915MHZ 频段有 10 个信道（110） ，2.4GHz 频段有 16 个信道（1126） ，由于我国的 2.4G 为 ISM 免费的频段系统选择 2.4G 作为工作频段，2.4G 的各信道的中心频 率定义如式（3-1）所示22： （3-1） 24055(11),11
46、 26. c fkMHZ k 2.4GHz 的信道分布如图 3-2 所示。 图 3-2 2.4GHz 信道分布 物理层其中一个作用就是提供了一个从媒体访问控制层到物理层无线信道 接口但完成这个功能主要是借助射频硬件以及射频固件的，物理层有管理实体 服务的接入点与数据服务接入点，由图 3-3 可以看到，这两个服务点提供了如 下两种服务33： （1） 物理层主要作用就是维护一个由物理层相关的数据组成的信息库 （PIB） （2） 通过物理层的管理实体（PLME）服务的接入点（PLME-SAP）为物 第 3 章 系统软件开发平台 19 理层提供服务。 数据服务 接入点 物理层实体 服务接入点 物理层个
47、域 网络基本信息 无线射频服务接入点 物理层物理层 物理层管理实体物理层管理实体 图 3-3 物理层结构模型 3.1.2 MAC 层概述层概述 媒体访问控制层需要处理两层间发送过来的数据，并将处理结果转发给这 两层。ZigBee 网络的工作模式可以分为非信标(Non-Beaeon)和信标(Beaeon)两种 模式，非信标模式则只是允许 ZE 周期性睡眠，ZC 和所有 ZR 设备则必须长期 处于工作状态，而信标模式实现了网络中设备的同步工作和同步睡眠，以此达 到最大限度的功耗节省 8。 媒体访问控制层的参考模型如图 3-4 所示，由图可以看到，媒体访问控制 层包含一个管理实体，并有两个不同的接入
48、点提供不同的服务，管理实体通过 一个服务接口调用媒体访问控制层的管理功能，并负责维护管理对象的数据库， 而两个接入点是分别提供了数据服务和管理服务3。 硕士学位论文 20 MAC 层公共部分子层 服务接入点（MCPS-SAP） MAC 管理实体服务 接入点（MLME-SAP） 物理层数据服务接入点 （PD-SAP） 物理层管理实体服 务接入点（PLME- SAP） MAC 层 个域网信息库 MAC 层公共部分子层层公共部分子层 MAC 层管理实体层管理实体 图 3-4 MAC 层参考模型 IEEE802.15.4 媒体访问控制层实现包括确认模式的帧传送和接收、信道接 入、设备间的断开与控制、预
49、留时隙管理以及广播信息管理与无线链路建立、 维护等。媒体访问控制层处理所有物理层无线信道接入，它的主要功能有如下 几点3： （1） 与信标同步； （2） 网络协调器产生网络信标； （3） 处理与维护保护时隙(GTS)机制； （4） 个域网(PAN)链路的建立和断开； （5） 在两个对等的 MAC 实体之间提供一个可靠的通信链路。 （6） 为设备的安全提供支持； （7） 信道接入方式采用了免冲突载波检测多址接入(CSMA-CA)机制； 3.1.3 网络层概述网络层概述 ZigBee 网络层的基本功能就是提供必要的函数，确保 ZigBee 的媒体访问 控制层正常工作，并为应用层提供了合适的服务接口8。网络层提供了两个功 能服务实体，它们分别是网络层管理实体（NLME）以及网络层数据实体 （NLDE） ，以此向应用层提供接口8，具体如图 3-5 网络层参考模型所示。 第 3 章 系统软件开发平台 21 网