基于ZigBee技术的室内环境监控系统
目录
1 研究背景与意义 ..................................................................................................... 1 2 研究内容 ................................................................................................................. 1 3 ZigBee技术综述 ..................................................................................................... 2
3.1 ZigBee特点 ................................................................................................... 2 3.2 ZigBee协议栈 ............................................................................................... 3 3.3 节点类型 ....................................................................................................... 6 3.4 拓扑结构 ....................................................................................................... 6 3.5 地址类型及ZigBee寻址 ............................................................................. 7 4 室内环境监测系统设计 ......................................................................................... 8
4.1 系统架构 ....................................................................................................... 8 4.2 硬件设计 ....................................................................................................... 9 4.3 软件设计 ..................................................................................................... 10 4.4 系统功能定义 ............................................................................................. 11 5 室内环境监控系统的特点 ................................................................................... 12 6 总结 ....................................................................................................................... 13 7 参考文献 ............................................................................................................... 13
基于ZigBee技术的室内环境监控系统
1 研究背景与意义
随着人类进入信息时代，计算机技术、通信技术及网络技术都得到了迅猛的发展与提高，人们对居住环境也提出了更高的要求，希望自己能居住在一个生活现代化、居住环境安全化和舒适化的生活空间。与此同时，生活节奏的不断加快，实时掌握大量信息和进行高效工作的需求日益凸显，但是繁重的家务和繁琐的家电操作占用人们大量的时间，这时就需要有一个方便快捷的智能化家居管理平台协助人们处理家居事务，将人们从家务和家电操作中解放出来。在这种需求的驱动下，智能家居的概念也就应运而生。人们希望通过这种技术将家庭中各种与信息相关的通讯设备、家用电器和家庭安防等装置连接到一个家庭智能化系统上进行集中或异地监视、控制和管理，保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调一致，从而满足用户对居住环境的需求。智能家居系统的结构如图1所示：
图1 智能家居系统结构图
由图1可知，室内环境监控系统是智能家居系统中其必不可少的一部分，是实现智能家居系统功能的重要组成部分与基本条件，是给用户提供一个安全、舒适、便捷的生活环境的重要手段。一个好的室内环境监控系统对于构建智能家居系统和提高用户的生活环境质量具有重要的意义。
2 研究内容
本文以基于ZigBee技术的室内环境监控系统为研究背景,利用ZigBee技术作为支撑平台,将温湿度传感器、光照传感器、雨滴传感器、火灾传感器及人体感应传感
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器等传感器节点采集到的数据信息通过 ZigBee 网络汇聚到网络中的网关节点,该网关节点再通过Wifi模块将处理后的数据传送给Android上位机软件，然后用户通过与上位机软件进行交互，通过显示的数据信息反馈控制诸如空调、电灯等电器，可营造一个安全、舒适、温馨的室内氛围。根据以上介绍，本文的研究内容主要包括以下几部分:
1．ZigBee协议介绍。详细介绍了ZigBee 协议中各层的功能及参考模型推荐。 2．ZigBee技术应用。本文通过这些传感器的协同感知打造一个更加人性化的室内环境，实现了温湿度传感器、光照传感器、雨滴传感器、火灾传感器及人体感应传感器等传感器的集成应用。例如通过温湿度传感器采集的数据反馈控制空调的工作参数，通过光照传感器采集的室内外光照信息，控制窗帘的闭合程度及灯光亮度的PWM调节等等。
3．本室内环境监控系统的整体架构、功能及各模块结构介绍。 4．本室内环境监控系统的硬件与软件设计。
3 ZigBee技术综述 3.1 ZigBee特点
ZigBee是一种短距离、低功耗的无线网络技术，主要由ZigBee联盟制定，其底层是采用 IEEE 802.15.4 标准规范的MAC与PHY层。ZigBee 是一个标准，它为低数据速率、窄带无线网络定义了一系列通信协议。ZigBee可工作在2.4GHz、868MHz和915 MHz这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．开发成本低。由于网络协议简单,开发时间成本较低,而且 ZigBee 协议免除专利费。同时,各大半导体公司也设计出了适合ZigBee 技术规范的价格低廉的芯片,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。
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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。
3.2 ZigBee协议栈
ZigBee协议的体系结构如图2所示：
ZigBee协议体系结构应用程序框架应用设备APSDE-SAP应用设备APSDE-SAP应用支持子层(APS)APS消息中转ZDO公共接口ZigBee设备对象(ZDO)APS安全管理安全服务供应商NLDE-SAPNWK安全管理MLDE-SAP反射器管理APSME-SAPMLME-SAPZDO管理面板网络层(NWK)NWK路由管理消息中转网络管理MLME-SAP媒体介质访问层(MAC)PD-SAP物理层(PHY)PLME-SAP2.4GHz868/915MHz各层功能各层接口
图 2 ZigBee协议体系结构
ZigBee 协议栈建立在 IEEE802.15.4 的 PHY 层和 MAC子层规范之上，它实现了网络层和应用层。在应用层内提供了应用支持子层和 ZigBee设备对象，应用框架中则加入了用户自定义的应用对象ZigBee的体系结构由称为层的各模块组成。每一层为其上层提供特定的服务：即由数据服务实体提供数据传输服务；管理实体提供所有的其他管理服务。每个服务实体通过相应的服务接入点为其上层提供一个
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接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。
下面介绍一下各分层及其参考模型。
物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层服务和物理层管理服务。
物理层数据服务访问点(PD-SAP)物理层PLY Layer物理层管理服务访问点(PLME-SAP)物理层个域网信息库(PHY PIB)射频服务访问点(RF-SAP)
图 3 物理层参考模型
MAC层负责处理所有的物理无线信道访问，并产生网络信号、同步信号；支持PAN连接和分离，提供两个对等MAC实体之间可靠的链路。
MAC层公共部分数据服务接入点(MCPS-SAP)MAC层管理服务访问点(MLME-SAP)介质访问控制层MAC LayerMAC层个域网信息库(MAC PIB)物理层数据服务访问点(PD-SAP)物理层管理服务访问点(PLME-SAP)
图 4 介质控制子层参考模型
网络层是ZigBee协议栈的核心部分。网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能。
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