畢業(yè)論文：ZigBee技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡設計

畢業(yè)論文：ZigBee技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡設計

摘要

火災自動報警系統(tǒng)是樓宇自動化的重要組成部分�，F(xiàn)有的火災自動報警系統(tǒng) 大多是以有線方式連接，這會造成布線繁瑣，系統(tǒng)維護成本太高等問題。由于無 線通信方式具有靈活，不需布線等優(yōu)勢，使得火災報警系統(tǒng)的智能化、無線化成為國內(nèi)外火災探測報警領域最受關(guān)注的兩個研究方向。
本設計基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡，網(wǎng)絡通過自動捕捉探測區(qū)域內(nèi)火災發(fā)生時的煙霧,及時發(fā)現(xiàn)和通報火情,實現(xiàn)監(jiān)測、報警。系統(tǒng)由火災探測器、報警控制器組成。系統(tǒng)的無線通信模塊有CC2430組成，煙霧傳感器模塊采用MQ-2氣敏元件和LM324組成，當煙霧超出限定濃度時，其輸出電平發(fā)生變化，并通過火災探測器通知報警控制器，實現(xiàn)檢測、報警。經(jīng)試驗和應用結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，且安裝簡單。

關(guān)鍵詞：火災報警，ZigBee，CC2430，煙霧傳感器


Abstract

Automatic fire alarm system is an important part of building automation. Most of the e*isting automatic fire alarm systems are connected by cable, which would bring some wiring problems. Meanwhile, system maintenance cost is too high when using cable. As wireless communications is fle*ible and need not wiring, it takes advantages.Intelligent and Wireless Fire alarm system attracts the most of attention in the field of fire detection and alarm both at home and abroad.
The design is based on ZigBee wireless sensor networks, network within the region through the automatic capture detection of smoke when the fire broke out, timely detection and notification of fire to achieve monitoring and alarm. System consists of fire detectors, alarm controller. Wireless communication module system composed of CC2430, smoke sensor module using MQ-2 gas sensor and the LM324 formed when the concentration of smoke beyond the limit, the output level changes, and notify the alarm controller through the fire detector to achieve detection Alarm. The test and application results show that the system is stable and easy to install.

Keywoeds: Fire Alarm，ZigBee，CC2430, smoke sensor

目錄：


摘 要 ………………………………………………………………III
ABSTRACT ………………………………………………………III
1、緒論 …………………………………………………………1
2、系統(tǒng)方案設
……（新文秘網(wǎng)http://jey722.cn省略2694字，正式會員可完整閱讀）……　
節(jié) 點，如探測器節(jié)點或者聯(lián)動節(jié)點，它們可以具備路由器功能。如果具備路由器功 能，那么就是全功能節(jié)點，否則就是精簡功能節(jié)點，即沒有路由功能終端節(jié)點。
ZigBee協(xié)議協(xié)調(diào)器是一種特殊FFD，它可以完成ZigBee協(xié)議所設置的大量服 務。而終端設備可能是FFD，也可能是RFD。RFD是一個小的、簡單的ZigBee協(xié) 議節(jié)點，它僅僅可以實現(xiàn)ZigBee協(xié)議所提供服務中的最小部分，網(wǎng)絡中可選用 ZigBee協(xié)議路由器。
ZigBee技術(shù)具有強大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹型和MESH網(wǎng)狀網(wǎng)，可 以根據(jù)實際項目需要來選擇合適的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。圖2-2所示的是星型網(wǎng)絡、簇—樹型 網(wǎng)絡和網(wǎng)狀網(wǎng)絡的拓撲圖。



1.1.4 Zigbee的發(fā)展前景

Zigbee技術(shù)和RFID 技術(shù)在2004年就被列為當今世界發(fā)展最快，市場前景最廣闊的十大最新技術(shù)中的兩個。關(guān)于這方面的報道，你只需在百度，或GOOGLE搜索欄中鍵入“Zigbee”,你就會看到大量的有關(guān)報道�？傊�，今后若干年，都將是Zigbee技術(shù)飛速發(fā)展的時期。

1.2 ZigBee協(xié)議簡介

1.2.1體系結(jié)構(gòu)

ZigBee協(xié)議層是由ZigBee聯(lián)盟和IEEE802.15.4的任務小組共同完成的。IEEE802.15.4標準只定義了PHY層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層。IEEE 802.15.4協(xié)議基于 開放系統(tǒng)互連模型（OSI），每一層都實現(xiàn)一部分通信功能，并向高層提供服務。即 由 數(shù) 據(jù) 服 務 實 體 提 供 數(shù) 據(jù) 傳 輸 服 務 ；管 理 實 體 提 供 所 有 的 其 他 管 理 服 務 。每 個 服 務 實 體 通 過 相 應 的 服 務 接 入 點 ( S A P ) 為 其 上 層 提 供 一 個 接 口 ， 每 個 服 務 接 入 點通 過 服 務 原 語 來 完 成 所 對 應 的 功 能 。 Z i g B e e 協(xié) 議 的 體 系 結(jié) 構(gòu) 如 下 圖 所 示 ：




圖1.2.1 Zigbee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

 物理層 （PHY）
物 理 層 定 義 了 物 理 無 線 信 道 和 M A C 子 層 之 間 的 接 口 ，提 供 物 理 層 數(shù) 據(jù) 服 務 和 物 理 層 管 理 服 務 。
物 理 層 內(nèi) 容 ：

1 ) Z i g B e e 的激活 ；2) 當 前 信 道 的 能 量 檢 測 ；3) 接 收 鏈 路 服 務 質(zhì) 量 信 息 ；
4 ) Z i g B e e信 道 接 入 方 式 ； 5) 信 道 頻 率 選 擇 ； 6) 數(shù) 據(jù) 傳 輸 和 接 收。
 介質(zhì)接入控制子層 （ M A C ）
M A C 層 負 責 處 理 所 有 的 物 理 無 線 信 道 訪 問 ，并 產(chǎn) 生 網(wǎng) 絡 信 號 、同 步 信 號 ； 支 持 PA N 連 接 和 分 離 ， 提 供 兩 個 對 等 M A C 實 體 之 間 可 靠 的 鏈 路 。
M A C 層 功 能 ：
1 ） 網(wǎng) 絡 協(xié) 調(diào) 器 產(chǎn) 生 信 標 ；
2 ） 與 信 標 同 步 ；
3 ）支持 PA N ( 個 域 網(wǎng) ) 鏈 路 的 建 立 和 斷 開 ；
4 ） 為 設 備 的 安 全 性 提 供 支 持 ；
5 ） 信 道 接 入 方 式 采 用 免 沖 突 載 波 檢 測 多 址 接 入 ( C S M A - C A ) 機制；
6 ） 處 理 和 維 護 保 護 時 隙 ( G T S ) 機制；
7 ） 在 兩 個 對 等 的 M A C 實 體 之 間 提 供 一 個 可 靠 的 通 信 鏈 路 。

 網(wǎng)絡層 （ N W K ）
Z i g B e e協(xié)議棧的核心部分在網(wǎng)絡層，網(wǎng)絡層主要實現(xiàn)節(jié)點加入或離開網(wǎng)絡、接收或拋棄其他節(jié)點、路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能。
網(wǎng) 絡 層 功 能 ：
1) 網(wǎng) 絡 發(fā) 現(xiàn) ； 2) 網(wǎng) 絡 形 成 ； 3) 允 許 設 備 連 接 ； 4) 路 由 器 初 始 化 ； 5) 設 備 同 網(wǎng) 絡連接； 6) 直接將設備同網(wǎng)絡連接； 7) 斷開網(wǎng)絡連接； 8) 重新復位設備； 9) 接收機 同 步 ； 1 0 ) 信 息 庫 維 護 。

 應用層 （ A P L ）
Z i g B e e 應 用 層 框 架 包 括 應 用 支 持 層 ( A P S ) 、Z i g B e e 設 備 對 象 ( Z D O ) 和 制 造 商 所 定 義 的 應 用 對 象 。
應 用 支 持 層 的 功 能 包 括 ： 維 持 綁 定 表 、 在 綁 定 的 設 備 之 間 傳 送 消 息 。
Z i g B e e 設 備 對 象 的 功 能 包 括 ： 定 義 設 備 在 網(wǎng) 絡 中 的 角 色 ( 如 Z i g B e e 協(xié) 調(diào) 器 和 終 端 設 備 ) ， 發(fā) 起 和 響 應 綁 定 請 求 ， 在 網(wǎng) 絡 設 備 之 間 建 立 安 全 機 制 。 Z i g B e e 設備 對 象 還 負 責 發(fā) 現(xiàn) 網(wǎng) 絡 中 的 設 備 ， 并 且 決 定 向 他 們 提 供 何 種 應 用 服 務 。
Z i g B e e 應 用 層 除 了 提 供 一 些 必 要 函 數(shù) 以 及 為 網(wǎng) 絡 層 提 供 合 適 的 服 務 接 口 外 ， 一 個 重 要 的 功 能 是 應 用 者 可 在 這 層 定 義 自 己 的 應 用 對 象 。
 應用程序框架（ AF ）：
運 行 在 Z i g B e e 協(xié) 議 棧 上 的 應 用 程 序 實 際 上 就 是 廠 商 自 定 義 的 應 用 對 象 ，并 且遵 循 規(guī) 范 （ p r o f i l e ） 運 行 在 端 點 1 ~ 2 4 0 上 。 在 Z i g B e e 應 用 中 ， 提 供 2 種 標 準 服 務 類 型 ： 鍵 值 對 （ K V P ） 或 報 文 （ M S G ）

 Z i g B e e 設 備 對 象 （ Z D O ）：
遠 程 設 備 通 過 Z D O 請 求 描 述 符 信 息 ， 接 收 到 這 些 請 求 時 ， Z D O 會 調(diào) 用 配 置 對 象 獲 取 相 應 描 述 符 值 。 另 外 ， Z D O 提 供 綁 定 服 務 。
協(xié) 議 棧 體 系 分 層 架 構(gòu) 與 協(xié) 議 棧 代 碼 文 件 夾 對 應 表 如 下 ：

協(xié)議棧體系分層架構(gòu) 協(xié)議棧代碼文件夾
物理層（PHY） 硬件層目錄（HAL）
介 質(zhì) 接 入 控 制 子 層 （ M A C ） 鏈路層目錄（MAC 和 Zmac）
網(wǎng) 絡 層 （ N W K ） 網(wǎng)絡層目錄（NWK）
應 用 支 持 層 ( A P S ) 網(wǎng)絡層目錄（NWK）
應 用 程 序 框 架 （ AF ） 配置文件目錄（Profile）和應用程序（sapi）
Z i g B e e 設 備 對 象 （ Z D O ） 設備對象目錄（ZDO）

1.2.2 ZigBee 協(xié)議術(shù)語

 設備（ d e v i c e ）
一 個 節(jié) 點（ F F D / R F D ）就 是 一 個 設 備 ，對 應 一 個 無 線 單 片 機（ C C 2 4 3 0 ）；一 個 設 備 有 一 個 射 頻 端 ， 具 有 唯 一 的 I E E E 地 址 （ 64 位 ） 和 網(wǎng) 絡 地 址 （ 16 位 ）。 在協(xié) 議 棧 中 不 同 的 設 備 有 相 應 的 配 置 文 件 ：
協(xié) 調(diào) 器 （ 全 功 能 設 備 F F D ） 配 置 文 件 ： f 8 w C o o r d . c f g
路 由 器 （ 全 功 能 設 備 F F D ） 配 置 文 件 ： f 8 w R o u t e r. c f g
終 端 設 備 （ 半 功 能 設 備 R F D ） 配 置 文 件 ： f 8 w E n d e v. c f g

 端點（ e n d p o i n t ）
它 是 一 個 8 位 的 字 段 ， 描 述 一 個 射 頻 端 所 支 持 的 不 同 應 用 。
端點 0 * 0 0 ： 用 于 尋 址 設 備 配 置 文 件 ， 這 是 每 個 Z i g B e e 設 備 必 須 使 用 的 端 點 ；
端點 0 * f f ： 用 于 尋 址 所 有 活 動 端 點 ；
端點 0 * f 1 ~ 0 * f e ： 保 留 ；
端點 0 * 0 1 ~ 0 * f 0 ： 共支持 2 4 0 個 應 用 ，即 一 個 物 理 信 道 最 多 支 持 2 4 0 個 虛 擬 鏈 路 。
 簇（ c l u s t e r ）
多 個 屬 性 的 匯 集 形 成 了 簇 ，簇 是 屬 性 的 集 合 ，每 個 簇 也 擁 有 一 個 唯 一 的 ID 。譬 如 ，
S i m p l e S ensor .c
const cId_t zb_OutCmdList[NUM_OUT_CMD_SENSOR] = //輸出簇列表
{
SENSOR_REPORT_CMD_ID //簇 ID, 1
};

S i m p l e C o llector. c
const cId_t zb_InCmdList[NUM_IN_CMD_COLLECTOR] = //輸入簇列表
{
SENSOR_REPORT_CMD_ID //簇 ID, 1
};
 屬性（ a t t r i b u t e ）
設 備 之 間 通 信 的 每 一 種 數(shù) 據(jù) 像 開 關(guān) 的 狀 態(tài) 或 溫 度 計 值 等 皆 可 稱 為 屬 性 。 每 個 屬 性 可 得 到 唯 一 的 ID ， 它 們 都 用 結(jié) 構(gòu) 體 來 描 述 。
typedef struct
{
uint16 attrId; // Attribute ID
uint8 dataType; // Data Type - defined in AF.h
uint8 accessControl; // Read/write - bit field
void *dataPtr; // Pointer to data field
} zclAttribute_t;


typedef struct
{
uint16 clusterID; // Real cluster ID
zclAttribute_t attr;
} zclAttrRec_t;

 描述符（ D e s c r i p t or ）
一 個 設 備 ( d e v i c e ) 可以有 2 4 0 個 端 點 （ e n d p o i n t 1 ~ e n d p o i n t 240 ）， 每 一 個 端 點 必 須 有 一 個 端 點 描 述 符 e n d P o i n t D e s c ， 端 點 描 述 符 里 包 括 一 個 簡 單 描 述 符 S i m p l e D e s c r i p t i o n F o r m a t ， 它 們 都 用 結(jié) 構(gòu) 體 來 描 述 。
Typedef struct
{
Byte endPoint; //端點號 1-240
byte *task_id; //任務 ID 號
SimpleDescriptionFormat_t *simpleDesc; //簡單描述符
afNetworkLatencyReq_t latencyReq; //延時請求
} endPointDesc_t; //端點描述符
特 別 的 ，端點 0 的 端 點 描 述 符 為 ：
endPointDesc_t ZDApp_epDesc =
{
ZDO_EP, //端點 0 ID, 0
&ZDAppTaskID,
(SimpleDescriptionFormat_t *)NULL, // No Simple description for ZDO
(afNetworkLatencyReq_t)0 // No Network Latency req
};
typedef struct
{
byte EndPoint; //端點號 1-240
uint16 AppProfId; //支持的 Profile ID
uint16 AppDeviceId; //支持的設備 ID
byte AppDevVer:4; //執(zhí)行的設備描述的版本
byte Reserved:4; //保留
byte AppNumInClusters; //終端支持的輸入簇數(shù)目
cId_t *pAppInClusterList; //指向輸入 Cluster ID 列表的指針
byte AppNumOutClusters; //終端支持的輸出簇數(shù)目
cId_t *pAppOutClusterList; //指向輸出 Cluster ID 列表的指針
} ……（未完，全文共42057字，當前僅顯示7564字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：ZigBee技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡設計》）