mm基于zigbee无线传感网络的家居环境监测系统的设计(另有任务书与开题报告上传于人人公共主页：单片机).doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流mm基于zigbee无线传感网络的家居环境监测系统的设计(另有任务书与开题报告上传于人人公共主页：单片机).精品文档.南京XXXX大学本科毕业设计（论文）题目：以无线传感器网络为基础的家居环境监控系统的设计学 院：机械XXXXXX学院专 业： 测控XXXXXX 学 号： XXXXXXXX 学生姓名： XXX 指导老师： 褚XX 职 称： X级职称 另有实物实验视频，由于上传内容不能大于10MB，故可单独联系我，发给你，加群:6。或者关注人人网公共主页：单片机。另外如果你们也需要实物的话就到淘宝上的这家店买吧，老板服务挺好的，我当初就是在他家买

2、的二零一二年五月十七日摘要随着各种现代化信息技术的迅猛发展和进步，以及人们生活水平的提高，人们越来越对自己所处的环境有了更高的要求。人们都想要自己的生活环境健康、舒适。近些年，特别是人类在信息技术上的快速发展，使得各种有线无线通信技术有了前所未有的突破，未来，随着各种无线技术的成熟和成本应用的下降，有线将慢慢离开技术舞台的中央。因此，本文为此而专门设计了无线家居环境监测系统。为了以较小的成本，较高的安全性和可靠性，并且能够实时准确地监控家庭环境的参数，供PC决策以确保人们的居住环境的健康性，最大程度地减少人们因长时间在受污染的家居环境中而生病，本文利用ZigBee技术而开发设计出了这一智能家居

3、中的子系统环境监测系统。其最大的优点在两个方面，一是无线，这样可以使地方占用小，方便安装，不会给家居环境增加视觉干扰；二是功耗低，其使用两节干电池即可工作半年以上。本论文以ZigBee无线传感网络技术为核心，与各种传感器技术相结合，设计出一套方便实用的家居环境监测系统，为家居中的管理中心（PC）提供准确无误的决策参数，是智能家居系统中不可缺少的子系统之一。其中终端传感器节点可以选择温度、湿度、亮度、一氧化碳等传感器，并且可以根据需求增加或减少终端。故本文无线网络终端模块选用的是CC2430芯片为平台，以实现信息数据的接收与发送，此芯片内置8051内核的单片机内核，并有一定的内存空间，故只要加上

4、些少许外围电路就可以实现功能，无需再加单片机。在数据接收端（即协调器节点）收到的数据处理并上传到PC以供其分析控制家居中智能电器调节各项环节参数，以此可以实现快速、实时并且方便的家居环境信息的监测功能。关键词：，无线传感器网络，环境监测，智能家居AbstractWith the rapid development and progress of a variety of modern IT, and humans Standards of living improve, more and more people demand to live in a healthy and comfortab

5、le environment. In recent years, especially human beings in the rapid development of information technology, making a variety of wired and wireless communications technology has been an unprecedented breakthrough. With a variety of wireless technologies mature and costs decline, the cable will slowl

6、y leave technology center. As a result, the wireless smart home system came into being, while the wireless home environment monitoring system discussed in this article is one of the subsystems.Inordertohavelesscost, highersecurity and reliability,and the ability tomonitorthe home environmentin real

7、time,to minimizepeoplesick, thispaperusetheZigBee wirelesssensornetwork technologydevelopment and design ofEnvironment Monitoring Systeminthissmart home.It has two biggest advantages. First, the wireless can make the place occupied by small, easy to install, will not increase the visual interference

8、 to the home environment; Second, low power consumption: it can be used with more than six months by two dry batteriesIn this thesis, a ZigBee-based wireless sensor network technology for the core and the combination with a variety of sensor technology, designed a set of excellent home environment m

9、onitoring system for smart home management center to provide accurate decision-making parameters, smart home an integral subsystem of the system. Terminal sensor nodes can select the temperature, humidity, brightness, and carbon monoxide sensors, and can increase or decrease according to demand term

10、inal. Due to the CC2480 chip does not have built-in microprocessor core, and few user use it as a ZigBee module. So terminal module of the wireless network choice of TIs CC2430 chip as a platform to receive and send sensor collected data, the chip microcontroller core of the 8051 core and a certain

11、amount of memory space, so adding a little more peripheral circuit can functionality without the need coupled with the microcontroller. Coordinate data receiver (node) receives the data processing and uploaded to the management center (PC) for analysis to adjust the link parameters to control smart

12、appliances in the home, this can be achieved fast convenient, real-time, home environment monitoring function.Keywords： ZigBee，Wireless sensor networks, smart home, environmental monitoring目录摘要IAbstractII目录III1. 绪论- 5 -1.1 本文研究背景与意义- 5 -1.2 智能家居环境监测系统的特点- 5 -1.3 国内外发展现状及分析- 6 -1.4典型无线网络技术介绍- 7 -1.4.

13、1 ZigBee技术- 7 -1.4.2 Wi-Fi技术- 7 -1.4.3蓝牙技术- 8 -1.4.4 超宽频技术(UWB)- 8 -1.4.5近距离无线传输(NFC)- 9 -1.4.6红外线数据通信- 9 -1.5 本文研究内容及创新点- 10 -1.5.1 本文主要研究内容- 10 -1.5.2本文主要研究创新点- 10 -2. ZigBee技术综述- 11 -2.1 ZigBee技术介绍- 11 -2.1.1 ZigBee技术特点- 11 -2.1.2 ZigBee网络设备组成和网络结构- 12 -2.2 IEEE802.15.4协议分析- 13 -2.2.1物理层（PHY）- 14

14、 -2.2.1.1物理层的载波调制- 14 -2.2.1.2物理层的帧结构- 15 -2.2.2介质访问控制层(MAC)- 15 -2.2.2.1 IEEE 802.15.4 MAC层超帧结构- 16 -2.2.2.2 CSMA/CA工作机制- 16 -2.3 ZigBee协议分析- 18 -2.3.1 网络层（NWK）- 19 -2.3.1.1 网络层数据实体（NLDE）- 19 -2.3.1.2网络层管理实体（NLME）- 19 -2.3.2 应用层（APP）- 20 -2.3.2.1应用支持子层- 20 -2.3.2.2 应用层框架- 20 -2.3.2.3 ZigBee设备对象- 21

15、 -2.4 本章小结- 21 -3. 家居环境监测系统设计- 22 -3.1 系统结构- 22 -3.2 系统功能定义- 23 -3.3 系统设计要求- 24 -3.4 本章小结- 25 -4. 系统硬件设计- 26 -4.1 ZigBee硬件选型- 26 -4.2 节点硬件设计- 28 -4.2.1 协调器节点设计- 28 -4.2.2传感器节点设计- 31 -4.2.2.1 温湿度传感器（SHT11）- 32 -4.2.2.2一氧化碳传感器（CO/MF-500）- 33 -4.2.2.3 光强度传感器（BH1750FIV）- 34 -4.3本章小结- 35 -5. 系统软件设计- 36 -

16、5.1 开发环境介绍- 36 -5.2协调器节点软件设计- 37 -5.3 传感器节点软件设计- 39 -5.4 本章小结- 41 -结束语- 41 -致谢- 42 -参考文献- 43 -1. 绪论1.1 本文研究背景与意义千百年来，人类都在关注着自身的生活和居住条件，并努力改善和提高之。随着工业革命和信息技术革命的成功，进入21世纪后，人类的各种技术包括通信技术、计算机网络、控制理论、互联网等都有了很大的发展，另外，经济的发展也使我们都希望居住在一个舒适的家居环境中，只有这样我们的生活才会更好，身体才会健康。由于人们又了这种想法，由此智能家居(Smart Home)系统也就越来越多的被人们所

17、重视了。研究人员希望能通过这种新的技术将家居中各种智能化的设备、家用电器和家庭安防设备等整合一个智能化的系统上进行资源共享、分析、控制和管理这些设备，控制这些设备来对家居中的环境参数符合人们舒适居住使用的要求，营造一个良好的环境杨士元数字家居网络技术及应用M电子工业出版社，2002，从而可使用户能够居住在一个更高要求的环境中。本文研究设计了一种智能家居环境监测子系统，实现对家庭环境的实时监测，实时为用户提供可靠并且全面的环境信息。智能家居系统中一个非常重要的部分就是本文所研究的环境监测子系统。在这个系统中，人们可以获得实时的居住环境信息，如温度和湿度、各种有害气体的浓度、光照强度、火灾信息等。

18、同时，此系统中传感器所得到的环境参数可以为其它家居设备做决策参考，最终由智能家居系统实现对家庭环境的智能调节，比如，当测量到的光照强度高于用户设定的一定值的时候，系统就将启动自动窗帘系统的马达，自动将窗帘关到一定程度，以降低室内的光强度，适合居住；又如，当温度值偏低时，系统就将启动空调设备进行工作，来增高室内温度。因此，智能家居系统为用户提供了安全、舒适、便捷生活的环境，从而使环境监测子系统成为了智能家居系统的一个非常重要关键部分与基本环节，能否拥有一个好的智能家居系统的关键在于能否设计出好环境监测子系统，这对改善人们生活环境的舒适度具有非常重要的意义。1.2 智能家居环境监测系统的特点无线环

19、境监测系统拥有全面、可靠的环境信息采集分析能力。为了实现环境信息监测的精确性、全面性并且方便使用，本文的环境监测系统应具有以下各种特点：(1)多对象监测环境监测系统需要检测多种环境信息，如：温湿度、有害气体浓度、光照强度等。这样才能为用户提供全面的环境信息参考。(2)多点监测需要对同一环境参数在不同地点和不同时间分别进行测量，这是因为环境中各种环境信息不同的时间和空间上分布不具有均匀性，由此实现监测的全面性和高精度性，甚至有时需要对同一环境参数在多点进行测量。(3)系统灵活当有新的环境参数被要求测量时，系统的可扩展性要求灵活，方便增加节点，以降低成本。1.3 国内外发展现状及分析随着经济的发展

20、和我们生活质量的提高，智能家居的智能化要求也是愈来愈高，智能家居亦成了近几年来学者们的一个研究热点。现有的智能家居产品大部分是以有线网络做为家庭的内部网络，有线网络布线麻烦，终端节点数量多而需要数量庞大的电缆，而无线通讯技术能很好的解决以上问题。国际上的家庭智能化系统已经形成集中以有线为基础的标准，包括有：美国的XlO和CEBus、欧洲的EIB、日本的HBS等。目前，国内的这些智能家居系统还处于萌芽的阶段。近些年来，在各个大公司和媒体的大力宣传下，我国的家居环境监测行业开始起步，已经有一些前瞻性很强的公司在从事此类系统的开发。另外，国内亦有些电器厂家也在市场上推出了自主的智能家居系统，类似的系

21、统在家居环境的监测中均可以实现各种功能。虽然现在的各种有线技术亦能够对环境信息进行监测与处理，让各种监测设备之间进行连接通信。但当采用有线技术方案时，根据智能家居环境监测系统的特点，它存在一些缺点，如下面几项所示：(1)系统布线麻烦。采用有线技术时，对各个监测点分别进行布线将是一份复杂庞大的工作，特别是当系统监测对象的数量较多时更是如此，又容易破坏家庭之前装修的完整性；(2)安装与维护成本高。在安装系统时，需要安装大量的线缆，家居装修建材等，特别是当用户要需要增加节点以增加系统功能时，更是要重新对其进行布线。(3)系统可扩展性差。增加或减少新的监测对象必将要求系统具有良好的软件与硬件扩展性。硬

22、件可扩展性是有线技术方案的主要技术难点之一。(4)移动性较差。由于有线的束缚和影响，其美观性较无线系统差，不利于家居的后续装修。1.4典型无线网络技术介绍1.4.1 ZigBee技术ZigBee 技术主要用于低数据传输速率并且传输距离要求不是很远的各种通信设备之间。ZigBee的名字主要来源于蜜蜂通过跳 ZigZag形状的舞蹈来传递所发现的食物的位置、距离和方向等信息，一只一只的传递下去，此种技术与蜜蜂的这种通信方式相类似。ZigBee联盟则于2001年成立，而在2002年下半年，以及四大半导体公司共同宣布加盟ZigBee技术联盟，以研发名为“ZigBee”的新一代无线通信标准，而在2006年

23、作为中国通信行业龙头的华为公司亦加入了此联盟。截至目前，该联盟大约已有约27家成员企业，所有这些公司都参加了负责开发ZigBee协议物理层（PHY）和媒体控制层（MAC）技术标准的工作组。ZigBee联盟负责开发网络层及以上的协议。ZigBee协议则比蓝牙技术、高速率个人区域网或 802.11x无线局域网等技术更简单而实用。ZigBee使用的是波段，采用了跳频技术，这和蓝牙技术相似，可以说是同族兄弟了。但相比之下， ZigBee协议比蓝牙更简单、速率更慢、功率及费用也更低。ZigBee的基本速率是，而若当其速率降到时，传输半径可扩大到米，并可得到更低的功耗和更高的可靠性。此外，单个ZigBee

24、无线模块就可与254个节点互联，若网络中加入路由节点，则网络最大承载量可支持65535个节点设备互联。由于它的低延迟和低功耗性能优越性，所以在支持鼠标、键盘等电脑周边产品和家庭自动化仪器等低速率应用时可以比蓝牙做地更好，人们更希望能在无线玩具、传感器网络、家庭监控、工业监控和安全系统等众多领域拓展ZigBee的应用2。1.4.2 Wi-Fi技术Wi-Fi，是由一个名为“无线以太网相容联盟”（Wireless Ethernet Compatibility Alliance, WECA）的组织所发布的业界术语，中文翻译为“无线相容认证”。 Wi-Fi或802.11G在2.4Ghz频段工作，所支持的

25、速度达54Mbps（802.11n工作在2.4Ghz或者5.0Ghz，理论最高速度600Mbps)。另外它还有两种空间的协议，分别是，但随着技术的进步，其速度在目前看来较慢，现逐渐退出市场主流，目前世界上最常用的是制式。热点是通过将访问点安装在互联网连接上来创建的。这个访问节点通过无线信号将信息传到互联网上， 一般覆盖到200米以内3。虽然Wi-Fi有覆盖范围较广等特点，但是其的基带协议和射频协议比较复杂，实现成本较高，而且其功耗比较大，根本上满足不了电池供电的要求。1.4.3蓝牙技术爱立信公司制定了初始的蓝牙技术，此技术一开始是爱立信公司的1994的一个研究在移动电话和其他配件间进行的低功耗

26、、低成本的无线通信连接方法的方案。1999年正式公布蓝牙1.0版，确定了使用的频段，最高数据传输速度达，和红外技术相比，蓝牙有着较高的传输速率，而且不需要像红外线那样进行口对口的连接才能传输数据，所有的蓝牙终端基本上只要在有效的范围（10米）内使用，就随时可以进行连接收发数据。2001年的蓝牙1.1版正式列入IEEE标准，Bluetooth 1.1即IEEE 802.15.1。同年，蓝牙标准的成员公司达到并超过了家。为了扩宽蓝牙的应用层面和传输速度，蓝牙标准先后推出了1.2、2.0版直到现在的蓝牙4.0规范，以及其他附加新功能，例如EDR（Enhanced Data Rate，配合2.0的技术

27、标准，将最大传输速度提高到3Mbps）、A2DP（Advanced Audio Distribution Profile）、ACRCP（A/V Remote Control Profile）等。Bluetooth 2.0将传输率提升至2Mbps、3Mbps。蓝牙协议栈的大小在到左右，协议较复杂，功耗较大，而且若需用蓝牙技术实现无线通信，则需专门的蓝牙芯片来实现，并且其对内存的需求也较大，从这方面看，其增加了额外的成本4。1.4.4 超宽频技术(UWB) 超宽频技术适用于高速、近距离的无线个人通信，它是一种利用纳秒级窄脉冲发射无线信号的技术。它是使用在到之间频宽的无线通信技术，即利用纳秒级的非正

28、弦波窄脉冲传输数据，而不是利用正弦载波来传输数据，所以其所占的频谱范围非常之宽。按照的规定，从到之间的的频率都是所使用的频率范围。从频域来看，它的频带更宽。宽带是指相对带宽在1到25之间，窄带是指相对带宽(信号带宽与中心频率之比)小于1，但相对带宽大于而且中心频率大于500MHz的则被称为超宽带。从时域上讲，传统的通信技术和超宽带通信技术有所不同，普通系统对信号进行调制是通过发送射频载波来实现的，而超宽带通信技术是利用起、落点的时域脉冲(通常只有几十纳秒)直接实现调制。超宽带的信息传输是把调制信息的过程放在一个非常宽的频带上进行的，而且在这一过程中所持续的时间决定了带宽所占的带宽频率的范围。其

29、特点是传输速度较快，系统容量大和抗干扰能力强，但相对来讲其耗电量仍然较大，硬件系统较为复杂。1.4.5近距离无线传输(NFC) NFC（Near Field Communication，近距离无线传输）是由飞利浦，诺基亚和索尼主推的一种类似于非接触式射频识别技术（）的短距无线通信技术。其在20cm距离范围内工作于13.56MHz的频率范围，这一点和RFID技术不同，NFC技术采用了双向的识别和连接。NFC一开始仅仅是遥控识别和网络技术的合并，但随着技术的进步现在已一种无线连接技术，它的短距离交互则大大简化了整个识别和认证的过程，更直接、更安全和更清楚地使两个设备间互相访问，而不用再听到各种电子

30、噪声。它能快速自动地建立无线网络，为蜂窝网络、蓝牙、Wi-Fi网络提供一个“虚拟链接”，使电子设备可以在短距离范围进行方便快捷地通讯，有了NFC，多个设备如数码相机、智能手机、智能TV、电脑、平板电脑等之间的无线链接，互相进行数据的传输都将变得简单快捷。另外，NFC也可以帮助解决记忆多个密码的麻烦，其通过在单一设备上组合所有的身份识别应用和服务，同时又保证了数据的安全性，此外NFC还可以为它类型无线通讯(如Wi-Fi和蓝牙)提供中继服务，扩大其服务的范围，从而提供了更快和更远距离的数据传输服务。在每个电子设备中都有自己专用的应用菜单，而通过NFC技术，无需在众多接口的菜单中进行选择，即可以创建

31、安全并且快速的连接，另外，NFC技术不需要像蓝牙技术那样要有对应的加密设备，因为他的通信范围较小，所以在无需加密时就可作到较安全的通信 5。1.4.6红外线数据通信IrDA（Infrared Data Association）是第一种实现无线个人局域网（PAN）的技术，它是一种利用红外线进行点对点通信的技术。IrDA成立于上个世纪90年代初，起初IrDA标准只能在一米范围内以100KB/S左右速率进行通信，后来逐步发展到 4Mb/s至16Mb/s的传输速率。其具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点，但目前来讲岁软它的软硬件技术都很成熟，其使用成本也较低，但在小型移动设备（如

32、手机）的使用上已经消失殆尽。此外，红外线发射角度较小，衰减快，传输距离短。事实上，它的短距传输的缺点注定它终将被淘汰。IrDA技术的不足恰恰在于它是一种超短距直线传输，只能是两个设备的传输口对口对准，且中间不能存在其他障碍物，故此技术只适用于两台设备间的通信。而ZigBee技术是利用2.4GHz进行通信的，所以不存在上述问题，况且IrDA目前也已经消失殆尽了。1.5 本文主要研究内容及创新1.5.1 本文主要研究内容随着我国经济和科技的迅猛发展，人们的生活水准越来提高，日常家居的环境更受到了人们的关注。近年来随着家庭装修时工业板材及其他有毒气体释放源的使用，室内的环境不容乐观。这就要求有各种有

33、害气体监测功能的家居环境监测系统介入，为我们营造一个安全健康的家居环境。此课题旨在设计出一款能够快速、实时、准确连续地测出空气中温湿度、一氧化碳、光照强度等的环境监测系统，使用基于ZigBee 短距无线通讯技术，环境信息采集模块与显示终端实现无线通信，省去了传统布线的麻烦。根据以上介绍，本文的主要研究如下：(1)ZigBee协议的介绍。主要介绍了ZigBee协议中各个部分的组成和数据结构，并对各层中的重点内容进行了详细的分析；(2)本文以无线传感网络为基础，以ZigBee技术纽带，详细设计出的家居环境监测系统中的两种节点-协调器节点（控制中心）和传感器节点。在协调器节点中，本文实现了电源、串口

34、通信、PCB天线等主要电路的设计；而在传感器节点中，由于其与协调器类似，故仅针对不同的环境信息，设计出了不同的传感模块；(4)本论文还设计了串口调试操作界面，可以方便用户的调试和使用，由此用户就可以实时的了解到家庭中个中环境信息的参数。1.5.2本文主要研究创新点本文利用ZigBee技术，以实现无线系统的组网，可以为家居环境提供多地点、多对象的监测，由于ZigBee技术的自组网性，在增加或减少监测终端时系统灵活性较大。同时此系统还省去了繁琐的有线系统布线对家居美观性的损害。终端通过显示器及数据上传到智能家居系统可以实时显示并控制空气净化器等为家居环境，实现健康家居。2. ZigBee技术综述Z

35、igBee是一种基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，根据此协议的规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的一种名叫Zig的舞蹈，由于通过持续不断地跳这种舞蹈来实现对新发现的食物或其他信息的传递，换句话说蜜蜂是依靠这样的通信方式来实现了一个通信网络，而每个个体则是网络中的一个节点。这样做的好处是不需要专门的通信蜜蜂，通过信息接力就完成了整个通信，从而实现了蜜蜂的低成本、低数据速率、自组织、低功耗、近距离、低复杂度等的信息传递方式。受蜜蜂的这种特殊的通信方式的启发，ZigBee技术的研究也主要是在低速率、低功耗通信领域进行应用，亦可以低成本地嵌入

36、各种设备中组成庞大的网络。总而言之ZigBee技术就是一种低功耗，低成本的无线网络通信技术5。2.1 ZigBee技术介绍ZigBee 技术主要用于低数据传输速率并且传输距离要求不是很远的各种通信设备之间。ZigBee的名字主要来源于蜜蜂通过跳 ZigZag形状的舞蹈来传递所发现的食物的位置、距离和方向等信息，一只一只的传递下去，此种技术与蜜蜂的这种通信方式相类似。ZigBee联盟则于2001年成立，而在2002年下半年，以及四大半导体公司共同宣布加盟ZigBee技术联盟，以研发名为“ZigBee”的新一代无线通信标准，而在2006年作为中国通信行业龙头的华为公司亦加入了此联盟。截至目前，该联

37、盟大约已有约27家成员企业，所有这些公司都参加了负责开发ZigBee协议物理层（PHY）和媒体控制层（MAC）技术标准的工作组。ZigBee联盟负责开发网络层及以上的协议。ZigBee协议则比蓝牙技术、高速率个人区域网或 802.11x无线局域网等技术更简单而实用。ZigBee使用的是波段，采用了跳频技术，这和蓝牙技术相似，可以说是同族兄弟了。但相比之下， ZigBee协议比蓝牙更简单、速率更慢、功率及费用也更低。ZigBee的基本速率是，而若当其速率降到时，传输半径可扩大到米，并可得到更低的功耗和更高的可靠性。此外，单个ZigBee无线模块就可与254个节点互联，若网络中加入路由节点，则网络

38、最大承载量可支持65535个节点设备互联。由于它的低延迟和低功耗性能优越性，所以在支持鼠标、键盘等电脑周边产品和家庭自动化仪器等低速率应用时可以比蓝牙做地更好，人们更希望能在无线玩具、传感器网络、家庭监控、工业监控和安全系统等众多领域拓展ZigBee的应用6。2.1.1 ZigBee技术特点ZigBee网络采用的是无线自组织网络技术，与蜜蜂的通信类似，网络中的各个节点间通信以一跳或多跳的形式自动建立网络。网络节点则以ZigBee协议为基础进行通信，与各种传统无线网络相比，其主要优点有以下几个方面:(1) 网络稳定性好。其设计的网络自己组织性能使网络各个节点在无需人工干预的情况下自己组网并实现数

39、据传输的任务，当添加或去除网络中某个节点时，其余节点可以自行寻找其他节点替代中转信息，具有较强网络自愈能力；(2)成本低。由于ZigBee联盟已经有二十多家，他们的研发实力都很强，好多公司均已在二零零三年正式推出自己的ZigBee芯片，竞争较大，近年来应用于主机端的芯片成本将会比蓝牙等模块更具价格上的优势；另外，因为ZigBee技术的速率要求低，协议内容简单，从而节省了开发的成本，目前南京市场CC2XX0等芯片的零售价格在2030元之间不等;(3)功耗低。它的超低功耗也使得在应用中两节普通AAA干电池即可使用6个月至2年的时间，这也是ZigBee的最大的一个优势；(4)网络容量大。每个ZigB

40、ee设备可以与另外254台节点设备相连接，而加入路由节点的ZigBee网络最多可容纳多达65，000多个节点的网络；(5) 数据传输速率低。只有10kb/s250kb/s，符合本设计需求；(6)工作频段灵活。使用的频段中2.4GHz全世界通用，欧洲使用868MHz，美国则使用915MHz频段，但这些均是免申请频段，可以直接使用；(7)网络延迟时间短。活动设备信道接入延时和休眠激活延时均仅为15ms，而搜索设备延时时间达到；2.1.2 ZigBee网络设备组成和网络结构根据ZigBee联盟所设定的技术标准，按功能分其网络设备划分为三种：ZigBee协调器(ZigBee Coordinator)，

41、ZigBee路由器(ZigBee Router)，Zig,Bee终端设备(ZigBee End Device)。他们的功能分别如下：（1）ZigBee协调器(ZigBee Coordinator)：它是个全功能的设备，包含所有的网络功能，是3种设备中功能最全面亦最复杂的一种，特点是计算能力强、存储量大。它的作用是发送网络信标、建立并且管理一个网络及网络节点、存储节点信息并且不断地接收下级节点所发来的信息。（2）ZigBee路由器(ZigBee Router)：它也是全功能设备在加入网络后，协调器就会分配给它一定量的十六位地址空间，再由其分别分配给下级节点使用，方便每个节点接入或离开网络，具有数

42、据转发及路由之功能。（3）Zig,Bee终端设备(ZigBee End Device)：其一般的简化的功能设备。只能自己的与上一级如协调器或路由器之间通信，包括获取网络地址等。 在ZigBee协议规范中，组网时有三种网络拓扑结构可供选择：星型结构(Star)，网状结构(Mesh)和簇树型结构(ClusterTree)，图2-1所示。图2-1 ZigBee网络拓扑结构图在星状结构中无论是路由器或终端设备都是直接与协调器进行通信，而ZigBee协调器则负责运作与维护着整个网络；在簇状和网状网络结构中，协调器负责初始化和建立网络的操作，而路由器则对网络进行扩展，终端设备的信息由路由器进行转发,只不过

43、在簇状结构中终端间的信息交换只能通过一级级向上传递到协调器，再由协调器将信息分发下去。2.2 IEEE802.15.4协议分析IEEE 802.15.4网络协议栈是基于开放的系统互连模型（OSI）发展出来的，每一层在实现一部分通信功能的同时也向着更高的层级提供着支持等服务。 IEEE 802.15.4标准定义了物理层和介质访问控制层，其中PHY层由射频收发器以及一些底层的控制模块构成，。但是MAC子层以上的几个层次，包括特定服务的链路控制子层（logical link control , LLC），聚合子层（Service Specific Convergence Sub layer, SSC

44、S）等，即ZigBee标准的上层协议则不在标准所定义的范围内。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子层则可以通过使用SSCS的服务接口来访问IEEE 802.15.4网络为其应用层提供链路层服务7。 2.2.1物理层（PHY）物理层为物理层管理物理层和数据服务提供服务而定义了MAC子层和物理无线信道之间的接口。物理层管理服务维护由物理层相关数据组成的一个数据库，物理层数据服务则是从无线物理信道上实现数据的收发。物理层数据服务提供了以下5个方面的服务：(1）激活或休眠射频收发器；(2）检测接收数据包的链路质量指示（lin

45、k quality indication , LQI）；(3）信道能量检测（energy detect）；(4）收发数据；(5）空闲信道评估（clear channel assessment, CCA）。信道的能量检测主要测量目标信道中接收信号的功率强度，从而为网络层提供信道选择依据，由于这个检测不进行任何的解码操作，故检测的结果则是有效信号功率与噪声信号功率的和。链路质量指示为应用层或网络层提供接收数据帧时无线信号的质量和强度信息，它要对信号进行解码，最后生成一个信噪比的指标，这一点是与信道能量检测不同的地方。最后得到的这个信噪比指标是和物理层数据单元一起上交给上层级进行处理。空闲信道评估（

46、CCA）则是来判断信道是否空闲的。IEEE 802.15.4标准则定义了三种空闲信道评估模式，它们分别为：（1）通过判断无线信号的特征来评估信道空闲判断。这主要包括载波频率和扩频信号两种特征；（2）判断信号能量是否低于某一阀值，如果低于阀值则认为是是信道空闲，即简单地判断信道的能量来判断信道是否空闲；（3）此模式是结合了上两种模式来运用，即同时检测信号强度和信号特征，给出信道空闲判断8。2.2.1.1物理层的载波调制物理层定义了三个载波频段以用于收发数据，但在这三个频段上，在发送数据使用的速率、信号的调制方式以及处理过程等方面存在有不同的地方。三个频段共为用户提供了27个信道（channel）

47、。其中2.4GHz频段提供16个信道；915MHz的频段提供了10个信道，868MHz频段则只有1个信道。在868MHz和915MHz这两个频段上，数据传输速率不同，但信号处理的过程是相同的。处理过程首先是将物理层协议数据单元的二制数据差分编码，然后再将位转换为长度15的片序列，最后调制到信道上。差分编码是将数据的前后差分编码所产生的不同的比特进行异或运算，公式为 ，其中是要编码的原始比特，而则是差分编码的结果， En-1则是上一次差分编码的结果。对于每个发送出去的数据包，计算E1时则设E0=0。差分解码过程则正好编码过程相反：，对于每个接收到的数据包， E1是第一个需要解码的比特，计算R1时则设E0=0。差分编码后，紧接着就是直接序列的扩频，每个比特则被转换为长度15的片序列。扩频按一定的规律进行，扩频后的序列则使用BPSK调制的方法调制到载波上。而频段的处理过程则先将的二进制数据中的每4位转换为一个符号（symbol），后将其分别都转成长度为三十二的片序列8。在把符号转换为片序列时候，用符号在十六个近似正的映射表，这个过程则是一直接序列扩频的过程。于是扩频后，信号则方式调制到载波上。2.2.1.2物理层的帧结构物理帧的收发器在接收前导码的期间，会据前导码序列的特征完成符号的同步和片的同步，它的第一字段则是四个字节的前导码。帧起始分隔符