本科生课程设计（论文）
第3章ZigBee技术
3.1ZigBee技术
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。
Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前ZigBee也被称为“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”无线电技术，统称为ZigBee。简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。
3.2 ZigBee技术特点
ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)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) 成本低Zig：Bee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5—2.5美元, 并且ZigBee协议是免专利费的。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(如工业控制场合等)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(CRC)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。
8
本科生课程设计（论文）
3.3 ZigBee的应用
我ZigBee 模块是一种物联网无线数据终端，利用ZigBee网络为用户提供无线数据传输功能。
该产品采用高性能的工业级ZigBee方案，提供SMT与DIP接口，可直接连接TTL接口设备，实现数据透明传输功能；低功耗设计，最低功耗小于1mA；提供6路I/O，可实现数字量输入输出、脉冲输出；其中有3路I/O还可实现模拟量采集、脉冲计数等功能。
该产品已广泛应用于物联网产业链中的M2M行业，如智能电网、智能交通、智能家居、金融、移动POS终端、供应链自动化、工业自动化、智能建筑、消防、公共安全、环境保护、气象、数字化医疗、遥感勘测、农业、林业、水务、煤矿、石化等领域。
如下图图3.1所示为ZigBee 组网模式：
图3.1 Zigbee组网模式图
3.4 标准限定
IEEE组织早在2003年就开始制定IEEE802.15.4标准并发布，2006年进行标准更
9
本科生课程设计（论文）
新，最新针对智能电网应用制定了IEEE802.15.4g标准，针对工业控制应用制定了IEEE802.15.4e标准。IEEE802.15.4系列标准属于物理层和MAC层标准，由于IEEE组织在无线领域的影响力，以及TI、ST、Ember、Freescale、NXP等著名芯片厂商的推动，该标准已经成为无线传感器网络领域的事实标准，符合该标准的芯片已经在各个行业得到广泛应用。
ZigBee联盟对ZigBee标准的制定:IEEE802.15.4的物理层、MAC层及数据链路层，标准已在2003年5月发布。ZigBee网络层、加密层及应用描述层的制定也取得了较大的进展。V1.0版本已经发布。其他应用领域及其相关的设备描述也会陆续发布。由于ZigBee不仅只是802.15.4的代名词，而且IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。
2001年8月，ZigBee Alliance成立。2004年,ZigBee V1.0诞生。它是zigbee的第一个规范.但由于推出仓促，存在一些错误。2006年，推出ZigBee 2006，比较完善;2007年底，ZigBee PRO推出;2009年3月，zigbee RF4CE推出，具备更强的灵活性和远程控制能力;2009年开始，zigbee采用了IETF的IPv6 6Lowpan标准作为新一代智能电网Smart Energy(SEP 2.0)的标准，致力于形成全球统一的易于与互联网集成的网络，实现端到端的网络通信。随着美国及全球智能电网的大规模建设和应用，物联网感知层技术标准将逐渐由zigbee技术向IPv6 6Lowpan标准过渡。
10
本科生课程设计（论文）
第4章 系统详细设计与编码
4.1系统设计模块
软件采用模块化设计思想，以主程序为核心设置了多个功能模块子程序，使大量的功能在子程序中实现，简化了设计结构。运行过程中通过主程序调用各功能模块子程序。
该系统有二个功能模块：信息的获取，并且显示给我们实现相应信号通过无线传感器件传递；信号信息处理模块，实现对信号的处理；信号输出模块，实现处理结果的编码输出，再通过显示页面来显示系统所收集到的有关所测出的火车车速运输状态的状态图，达到报警提示火车车速的目的。
硬件信号传递分为两部分信号，即通过利用物联网技术中的RFID技术的阅读器读取阅读卡片信息，从而得到火车经过阅读卡的时间，在利用相同的方法测出火车经过下一个阅读器卡片的时间，并通过无线传输技术将所得信息传递给中央处理模块进行处理，后再传递给火车上的显示页面进行报警处理。
系统信息传递的流程图如图4.1所示
图4.1 系统的信息走向
载我们的日常生活当中也有一些方面已经用到了物联网类的智能系统控制，当然我们应该通过不断的努力来增长我们在智能控制方面的知识，来充实我们的生活。那么就让我们通过下面的一个物联网智能控制连接设备来了解一下他，希望能够给我们带来一些进步。通过对本次设计的火车车速监控系统的设计，让我们来画一下其网络的扩谱图像。
11
本科生课程设计（论文）
如下图图4.2所示，为物联网智能系统实际设计图
图4.2 系统设计图
4.2程序代码
1.主机程序
如下代码为在系统中设计的基于2.4GHz读卡模块的火车车速监控系统的源代码，通过代码进行控制及生成控制设备的页面，极大地加强了我们在火车对车速的监控能力，也大大地方便了我们的生活。
如下代码为引入的功能等的包。 #include
以下的两段代码定义了两个在整个过程当中都能够用到的方法，通过这两个方法，我们能够更加方便设计代码思路。
#define uchar unsigned char #define uint unsigned int void
12