毕业论文：ZigBee技术无线传感器网络设计

毕业论文：ZigBee技术无线传感器网络设计

摘要

火灾自动报警系统是楼宇自动化的重要组成部分。现有的火灾自动报警系统 大多是以有线方式连接，这会造成布线繁琐，系统维护成本太高等问题。由于无 线通信方式具有灵活，不需布线等优势，使得火灾报警系统的智能化、无线化成为国内外火灾探测报警领域最受关注的两个研究方向。
本设计基于ZigBee技术的无线传感器网络，网络通过自动捕捉探测区域内火灾发生时的烟雾,及时发现和通报火情,实现监测、报警。系统由火灾探测器、报警控制器组成。系统的无线通信模块有CC2430组成，烟雾传感器模块采用MQ-2气敏元件和LM324组成，当烟雾超出限定浓度时，其输出电平发生变化，并通过火灾探测器通知报警控制器，实现检测、报警。经试验和应用结果表明，该系统工作稳定，且安装简单。

关键词：火灾报警，ZigBee，CC2430，烟雾传感器


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

目录：


摘 要 ………………………………………………………………III
ABSTRACT ………………………………………………………III
1、绪论 …………………………………………………………1
2、系统方案设
……（新文秘网https://www.wm114.cn省略2694字，正式会员可完整阅读）……
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节 点，如探测器节点或者联动节点，它们可以具备路由器功能。如果具备路由器功 能，那么就是全功能节点，否则就是精简功能节点，即没有路由功能终端节点。
ZigBee协议协调器是一种特殊FFD，它可以完成ZigBee协议所设置的大量服 务。而终端设备可能是FFD，也可能是RFD。RFD是一个小的、简单的ZigBee协 议节点，它仅仅可以实现ZigBee协议所提供服务中的最小部分，网络中可选用 ZigBee协议路由器。
ZigBee技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和MESH网状网，可 以根据实际项目需要来选择合适的网络结构。图2-2所示的是星型网络、簇—树型 网络和网状网络的拓扑图。



1.1.4 Zigbee的发展前景

Zigbee技术和RFID 技术在2004年就被列为当今世界发展最快，市场前景最广阔的十大最新技术中的两个。关于这方面的报道，你只需在百度，或GOOGLE搜索栏中键入“Zigbee”,你就会看到大量的有关报道。总之，今后若干年，都将是Zigbee技术飞速发展的时期。

1.2 ZigBee协议简介

1.2.1体系结构

ZigBee协议层是由ZigBee联盟和IEEE802.15.4的任务小组共同完成的。IEEE802.15.4标准只定义了PHY层和数据链路层的MAC子层。IEEE 802.15.4协议基于 开放系统互连模型（OSI），每一层都实现一部分通信功能，并向高层提供服务。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 ( S A P ) 为 其 上 层 提 供 一 个 接 口 ， 每 个 服 务 接 入 点通 过 服 务 原 语 来 完 成 所 对 应 的 功 能 。 Z i g B e e 协 议 的 体 系 结 构 如 下 图 所 示 ：




图1.2.1 Zigbee协议体系结构

 物理层 （PHY）
物 理 层 定 义 了 物 理 无 线 信 道 和 M A C 子 层 之 间 的 接 口 ，提 供 物 理 层 数 据 服 务 和 物 理 层 管 理 服 务 。
物 理 层 内 容 ：

1 ) Z i g B e e 的激活 ；2) 当 前 信 道 的 能 量 检 测 ；3) 接 收 链 路 服 务 质 量 信 息 ；
4 ) Z i g B e e信 道 接 入 方 式 ； 5) 信 道 频 率 选 择 ； 6) 数 据 传 输 和 接 收。
 介质接入控制子层 （ M A C ）
M A C 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 PA N 连 接 和 分 离 ， 提 供 两 个 对 等 M A C 实 体 之 间 可 靠 的 链 路 。
M A C 层 功 能 ：
1 ） 网 络 协 调 器 产 生 信 标 ；
2 ） 与 信 标 同 步 ；
3 ）支持 PA N ( 个 域 网 ) 链 路 的 建 立 和 断 开 ；
4 ） 为 设 备 的 安 全 性 提 供 支 持 ；
5 ） 信 道 接 入 方 式 采 用 免 冲 突 载 波 检 测 多 址 接 入 ( C S M A - C A ) 机制；
6 ） 处 理 和 维 护 保 护 时 隙 ( G T S ) 机制；
7 ） 在 两 个 对 等 的 M A C 实 体 之 间 提 供 一 个 可 靠 的 通 信 链 路 。

 网络层 （ N W K ）
Z i g B e e协议栈的核心部分在网络层，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。
网 络 层 功 能 ：
1) 网 络 发 现 ； 2) 网 络 形 成 ； 3) 允 许 设 备 连 接 ； 4) 路 由 器 初 始 化 ； 5) 设 备 同 网 络连接； 6) 直接将设备同网络连接； 7) 断开网络连接； 8) 重新复位设备； 9) 接收机 同 步 ； 1 0 ) 信 息 库 维 护 。

 应用层 （ A P L ）
Z i g B e e 应 用 层 框 架 包 括 应 用 支 持 层 ( A P S ) 、Z i g B e e 设 备 对 象 ( Z D O ) 和 制 造 商 所 定 义 的 应 用 对 象 。
应 用 支 持 层 的 功 能 包 括 ： 维 持 绑 定 表 、 在 绑 定 的 设 备 之 间 传 送 消 息 。
Z i g B e e 设 备 对 象 的 功 能 包 括 ： 定 义 设 备 在 网 络 中 的 角 色 ( 如 Z i g B e e 协 调 器 和 终 端 设 备 ) ， 发 起 和 响 应 绑 定 请 求 ， 在 网 络 设 备 之 间 建 立 安 全 机 制 。 Z i g B e e 设备 对 象 还 负 责 发 现 网 络 中 的 设 备 ， 并 且 决 定 向 他 们 提 供 何 种 应 用 服 务 。
Z i g B e e 应 用 层 除 了 提 供 一 些 必 要 函 数 以 及 为 网 络 层 提 供 合 适 的 服 务 接 口 外 ， 一 个 重 要 的 功 能 是 应 用 者 可 在 这 层 定 义 自 己 的 应 用 对 象 。
 应用程序框架（ AF ）：
运 行 在 Z i g B e e 协 议 栈 上 的 应 用 程 序 实 际 上 就 是 厂 商 自 定 义 的 应 用 对 象 ，并 且遵 循 规 范 （ p r o f i l e ） 运 行 在 端 点 1 ~ 2 4 0 上 。 在 Z i g B e e 应 用 中 ， 提 供 2 种 标 准 服 务 类 型 ： 键 值 对 （ K V P ） 或 报 文 （ M S G ）

 Z i g B e e 设 备 对 象 （ Z D O ）：
远 程 设 备 通 过 Z D O 请 求 描 述 符 信 息 ， 接 收 到 这 些 请 求 时 ， Z D O 会 调 用 配 置 对 象 获 取 相 应 描 述 符 值 。 另 外 ， Z D O 提 供 绑 定 服 务 。
协 议 栈 体 系 分 层 架 构 与 协 议 栈 代 码 文 件 夹 对 应 表 如 下 ：

协议栈体系分层架构 协议栈代码文件夹
物理层（PHY） 硬件层目录（HAL）
介 质 接 入 控 制 子 层 （ M A C ） 链路层目录（MAC 和 Zmac）
网 络 层 （ N W K ） 网络层目录（NWK）
应 用 支 持 层 ( A P S ) 网络层目录（NWK）
应 用 程 序 框 架 （ AF ） 配置文件目录（Profile）和应用程序（sapi）
Z i g B e e 设 备 对 象 （ Z D O ） 设备对象目录（ZDO）

1.2.2 ZigBee 协议术语

 设备（ d e v i c e ）
一 个 节 点（ F F D / R F D ）就 是 一 个 设 备 ，对 应 一 个 无 线 单 片 机（ C C 2 4 3 0 ）；一 个 设 备 有 一 个 射 频 端 ， 具 有 唯 一 的 I E E E 地 址 （ 64 位 ） 和 网 络 地 址 （ 16 位 ）。 在协 议 栈 中 不 同 的 设 备 有 相 应 的 配 置 文 件 ：
协 调 器 （ 全 功 能 设 备 F F D ） 配 置 文 件 ： f 8 w C o o r d . c f g
路 由 器 （ 全 功 能 设 备 F F D ） 配 置 文 件 ： f 8 w R o u t e r. c f g
终 端 设 备 （ 半 功 能 设 备 R F D ） 配 置 文 件 ： f 8 w E n d e v. c f g

 端点（ e n d p o i n t ）
它 是 一 个 8 位 的 字 段 ， 描 述 一 个 射 频 端 所 支 持 的 不 同 应 用 。
端点 0 * 0 0 ： 用 于 寻 址 设 备 配 置 文 件 ， 这 是 每 个 Z i g B e e 设 备 必 须 使 用 的 端 点 ；
端点 0 * f f ： 用 于 寻 址 所 有 活 动 端 点 ；
端点 0 * f 1 ~ 0 * f e ： 保 留 ；
端点 0 * 0 1 ~ 0 * f 0 ： 共支持 2 4 0 个 应 用 ，即 一 个 物 理 信 道 最 多 支 持 2 4 0 个 虚 拟 链 路 。
 簇（ c l u s t e r ）
多 个 属 性 的 汇 集 形 成 了 簇 ，簇 是 属 性 的 集 合 ，每 个 簇 也 拥 有 一 个 唯 一 的 ID 。譬 如 ，
S i m p l e S ensor .c
const cId_t zb_OutCmdList[NUM_OUT_CMD_SENSOR] = //输出簇列表
{
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] = //输入簇列表
{
SENSOR_REPORT_CMD_ID //簇 ID, 1
};
 属性（ a t t r i b u t e ）
设 备 之 间 通 信 的 每 一 种 数 据 像 开 关 的 状 态 或 温 度 计 值 等 皆 可 称 为 属 性 。 每 个 属 性 可 得 到 唯 一 的 ID ， 它 们 都 用 结 构 体 来 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 个 设 备 ( d e v i c e ) 可以有 2 4 0 个 端 点 （ e n d p o i n t 1 ~ e n d p o i n t 240 ）， 每 一 个 端 点 必 须 有 一 个 端 点 描 述 符 e n d P o i n t D e s c ， 端 点 描 述 符 里 包 括 一 个 简 单 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 们 都 用 结 构 体 来 描 述 。
Typedef struct
{
Byte endPoint; //端点号 1-240
byte *task_id; //任务 ID 号
SimpleDescriptionFormat_t *simpleDesc; //简单描述符
afNetworkLatencyReq_t latencyReq; //延时请求
} endPointDesc_t; //端点描述符
特 别 的 ，端点 0 的 端 点 描 述 符 为 ：
endPointDesc_t ZDApp_epDesc =
{
ZDO_EP, //端点 0 ID, 0
&ZDAppTaskID,
(SimpleDescriptionFormat_t *)NULL, // No Simple description for ZDO
(afNetworkLatencyReq_t)0 // No Network Latency req
};
typedef struct
{
byte EndPoint; //端点号 1-240
uint16 AppProfId; //支持的 Profile ID
uint16 AppDeviceId; //支持的设备 ID
byte AppDevVer:4; //执行的设备描述的版本
byte Reserved:4; //保留
byte AppNumInClusters; //终端支持的输入簇数目
cId_t *pAppInClusterList; //指向输入 Cluster ID 列表的指针
byte AppNumOutClusters; //终端支持的输出簇数目
cId_t *pAppOutClusterList; //指向输出 Cluster ID 列表的指针
} ……（未完，全文共42057字，当前仅显示7564字，请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文：ZigBee技术无线传感器网络设计》）