ZigBee无线传感器毕业论文
用程序从一个硬件平台移植到另外一个硬件平台，只需要修改MAC、PHY与硬件相关的层，MAC、PHY的硬件驱动程序完成后会向上提供程序接口，这样网络层等就可以屏蔽硬件差异直接运行。
IEEE 802.15.4协议MAC层采用CSMA-CA机制来控制信道接入，主要负责传输信标帧、同步以及提供可信赖的传输机制。
应用 应用接口 用户 安全 网络层 ZigBee 联盟 MAC层 MAC层 PHY层 IEEE 802.15.4
图2.3 ZigBee协议架构
网络层的主要职责包括提供设备加入网络和离开网络的机制，提供数据帧传输的安全机制和路由机制。另外，发现并保持设备间的路由，发现一跳邻居并存储潜在邻居信息也是由网络层完成的。ZigBee协调器的网络层还必须负责启动一个新的网络，给新的关联设备分配地址等工作。
2.6 ZigBee的网络配置
(1)设备功能类型
ZigBee网络含全功能设备FFD(Full Function Device)和精简功能设备RFD(Reduced Function Device)两种功能类型的设备。全功能设备(FFD)支持标准定义的所有功能和特性:精简功能设备(RFD)功能简洁，存储器容量要求最少。
FFD可以和FFD、RFD通信；而RFD只能和FFD通信，RFD之间需要通信时只能通过FFD转发。FFD不仅可以发送和接收数据，还具备路由器的功能。
(2)节点类型
ZigBee网络含三种类型的节点，即协调器(Coordinator)、路由节点(Router)和
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终端节点(Endpoint)，其中协调器和路由节点均为全功能设备(FFD)，而终端节点用精简功能设备(RFD)。
协调器:一个ZigBee网络PAN(Personal Area Network)有且仅有一个协调器，该设备负责启动网络，配置网络成员地址，维护网络，维护节点的绑定关系表等，需要最多的存储空间和计算能力。
路由节点:主要实现扩展网络及路由消息的功能，扩展网络，即作为网络中的潜在父节点，允许更多的设备接入网络，路由节点只有在簇树网络和网状网络中存在。
终端节点:不具备成为父节点或路由节点的能力，一般作为网络的边缘设备，负责与实际的监控对象相连，这种设备只与自己的父节点主动通讯，具体的信息路由则全部交由其父节点及网络中具有路由功能的协调器和路由节点完成。
(3) ZigBee网络拓扑结构
ZigBee网络支持星型，簇树和网状三种网络拓扑结构，如图2.4所示，从左到右依次是星型网络，簇树网络和网状网络。
网络协调器 全功能设备 精简功能设备
图2.4 ZigBee网络拓扑结构
星型网络由一个PAN协调器和多个终端节点组成，只存在PAN协调器与终端节点的通讯，终端节点间的通讯都需通过PAN协调器的转发。
簇树网络由一个协调器和一个或多个星型结构连接而成，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，其他只能通过簇树路由完成消息传输。
网状网络是簇树网络基础上实现的，与簇树网络不同的是，它允许网络中所有具有路由功能的节点直接互连(如图2.4中虚线所示)，由路由节点中的路由表配
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合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。
(4)工作模式
ZigBee网络的工作模式可以分为信标(Beacon)和非信标(Non-beacon)两种模式，信标模式实现了网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度的功耗节省，而非信标模式则只允许终端设备进行周期性休眠，协调器和所有路由节点必须长期处于工作状态。
信标模式下，协调器负责以一定的间隔时间(一般在15ms-4mins之间)向网络广播信标帧，两个信标帧发送间隔之间有16个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两个部分，消息只能在网络活动区的各时槽内发送。
非信标模式下，ZigBee标准采用父节点为终端设备子节点缓存数据，终端节点主动向其父节点提取数据的机制，实现终端节点的周期性(周期可设置)休眠。网络中所有父节点需为自己的终端子节点缓存数据帧，所有终端子节点的大多数时间都处于休眠模式，周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15ms。
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第三章 ZigBee无线传感器及数据采集的方案设计与实现
3.1 基于ZigBee的无线传感器网络总体设计方案
本方案基于环境监测背景，设计一个可适用星型网络和簇树网络的无线传感器网络方案，图3.1所示为本方案的示意图。在网络协调器的无线覆盖范围之内，布置若干个路由节点和终端节点，实现网络管理和相互通信。
终端节点 协调器 服务端 路由节点
图3.1 ZigBee网络平台示意图
本方案旨在搭建一个基础的无线传感器网络平台。在这个平台上，能够传输传感器的采集数据，并且通过某些手段降低网络功耗。由此，给出了一些搭建平台的特定条件:
(1)协调器及网络节点传输的信道和PAN ID为静态指定； (2)簇树网中，路由节点在编译下载程序时静态指定； (3)终端节点之间不能通信；
(4)除协调器外，各网络节点初始能量相同。
在以上既定前提下，我们设计实现星型网络由1个网络协调器和4个网络终端节点构成;簇树网络由1个协调器和3个路由节点、若干个传感器终端节点构成。网络中协调器负责网络的管理工作，路由节点负责路径查询和数据转发，而传感器终端节点则把采集到的数据通过无线网络发送给协调器。
3.2 平台硬件与软件设计
3.2.1 开发平台的选择
IEEE 802.15.4/ZigBee技术的诞生吸引了世界各大无线芯片公司的注意。随着
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SOC(片上操作系统)技术和MEMS(微机电系统)技术的不断成熟，ZigBee产品也由最初的仅提供无线收发功能的芯片，发展到将MCU(微处理器)和无线射频控制器等集成到一个芯片中，大大缩小了产品体积，同时也方便了开发应用。
通过不同公司的ZigBee SOC芯片参数综合比较，我们选择了TI公司的CC2430芯片，它将MAC层与PHY层集成在一起，MAC固化在收发器中。此方案是一个真正的SoC CMOS解决方案，它能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用对低成本和低功耗的要求。该芯片包含一个高性能2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。其中MCU包括存储器及外围，其他模块提供电源管理、时钟分配和测试等重要功能。同时，TI公司也推出了配合CC2430芯片的一组开发系列套件，能够更好的发挥CC2430芯片的功能。因此，我们选择了TI公司CC2430开发套件的国内复制版TSZ-CC2430开发系统作为我们的开发平台。
3.2.2 TSZ-CC2430开发平台介绍
TSZ-CC2430开发系统包含两块可直接与计算机相连的开发主板，三个可利用1.5V干电池供电的节点模块。开发系统可组成含有一个协调器和四个网络节点的ZigBee无线网络平台，并且可以通过两块主板的串口与计算机的连接对收发数据进行监视，方便编程开发。
在TSZ-CC2430开发系统中，作为整个开发系统的核心的CC2430芯片是不可或缺的。CC2430芯片在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU(8051)，具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC),4个定时器(Timer),AES128协同处理器、看门狗定时器(Watchdogtimer),32kHz晶振的休眠模式定时器(Sleep Timer)、上电复位电路(Power On Reset),掉电检测电路(Brown out detection)，以及21个可编程I/O引脚。
3.2.3 开发环境介绍
开发系统采用IAR Embedded Workbench V7.20A for 8051集成开发环境，该环境是一个用于编译和调试嵌入式应用程序的集成开发环境，可支持种类众多的8051芯片。IAR的8051编译器支持C/C++, C-SPY调试器支持在硬件或模拟器上的RTOS调试。
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