基于ZigBee的现场参数无线检测装置的研究与设计

摘要

随着无线通信技术的发展，利用无线传感器网络实现现场参数无线检测将是未来工业检测领域的发展趋势。无线传感器网络是由部署在监测区域内大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织的网络系统，能够协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内被监测对象的实时信息，并通过无线网络传送给观察者。在无线网络技术中，IEEE802.15.4/ZigBee技术是一种近几年才推出的无线通信技术，具有低成本、低功耗、近距离、低复杂度和高可靠性的特点，是构建无线传感器网络的首选技术平台。 本文在深入研究IEEE802.15.4/ZigBee技术，并仔细分析工业现场参数无线检测应用要求的基础上，设计了适用于现场参数检测的网络结构，构建了底层为若干终端节点，中间层为数据协调节点，上层为通用计算机的多层网络结构。本文采用TI(Chipcon)公司最新生产的ZigBeeSOC解决方案CC2430无线单片机作为节点装置的硬件核心。采用源代码公开，易移植、易维护、易扩展、代码空间较小(不超过32KB)的MSSTATE_LRWPAN协议栈作为网络通信协议。选择高精度数字式温湿度传感器SHT11进行节点数据的检测，组成了低成本、低功耗、高效率的现场参数无线检测装置。在上位计算机端，利用VisualC++6.0编写了串口收发程序和Access2003数据库访问程序，实现检测数据的实时显示和数据库海量存储。 论文工作完成了小型ZigBee现场参数无线检测网络的搭建、温湿度传感器的数据采集和无线网络传输。通过对网络性能进行测试，表明本装置具有很高的接收灵敏度，较为理想的通信距离，网络通信的时延短，数据传输效率高，网络自组织自修复能力强和具有良好的网络延展性。 ZigBee无线传感器网络可以代替设备复杂，需要大量布线，需建设大量基础设施，监测点位置不易变化的传统现场参数检测装置，为现场参数无线检测装置的设计和实际网络应用提供新的解决方案。

目录

文摘

英文文摘

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引 言

1 绪论

1.1 无线传感器网络概述

1.1.1无线传感器网络的发展态势

1.1.2无线传感器网络研究方向

1.1.3无线传感器网络的特点

1.2无线传感器网络的体系结构

1.2.1无线传感器网络结构

1.2.2无线传感器网络协议栈

1.2.3无线传感器节点结构

1.3无线传感器网络的关键技术

1.4无线传感器网络的应用

1.5课题研究目的、内容和意义

1.6本章小结

2 IEEE802.15.4/ZigBee网络结构及协议综述

2.1 IEEE802.15.4短距离无线通信标准概述

2.1.1物理层简介

2.1.2 MAC(介质接入控制子层)层简介

2.1.3 网络层简介

2.2 ZigBee标准概述

2.2.1 ZigBee简介

2.2.2 ZigBee与IEEE802.15.4的区别

2.2.3 ZigBee技术特点

2.2.4 ZigBee应用

2.2.5 ZigBee技术与其它无线通信技术的比较

2.3 ZigBee网络结构

2.3.1 ZigBee网络中的节点设备配置

2.3.2 ZigBee网络拓扑结构

2.4 ZigBee网络协议栈

2.4.1 ZigBee物理层

2.4.2 ZigBee介质接入控制(MAC)子层

2.4.3 ZigBee网络层(NWK)

2.4.4 ZigBee应用层(APL)

2.5本章小结

3 ZigBee现场参数无线检测装置硬件平台设计

3.1 ZigBee网络硬件解决方案选择

3.2 ZigBee无线检测装置核心模块——CC2430

3.2.1 CC2430芯片概述

3.2.2 芯片内部资源及封装形式

3.2.3外设资源

3.2.4芯片无线收发器性能分析

3.2.5 CC2430内部集成无线通信技术解析

3.3无线检测装置硬件总体方案设计

3.4 CC2430基本工作电路与天线电路实现

3.5 ZigBee节点外围电路设计与实现

3.5.1 电源供电电路

3.5.2数据采集电路设计

3.5.3协调节点与上位机通信电路

3.5.4 节点程序下载调试电路建立

3.5.5 ZigBee节点其它基本功能电路

3.6本章小结

4 Zi gBee现场参数无线检测装置软件平台设计

4.1 ZigBee网络开发环境选择

4.2 ZigBee协议方案选择及MSSTATE_LRWPAN协议栈概述

4.3 基于MSSTATE_LRWPAN协议栈的无线检测网络实现

4.3.1 无线检测网络组网实现机制程序开发

4.3.2协议栈数据包帧格式设计

4.3.3协议栈存储空间分配设计

4.3.4非关联检测与短地址冲突处理

4.4 ZigBee无线检测节点应用程序设计

4.4.1 无线检测网络路由实现

4.4.2传感器数据采集软件设计

4.4.3 CRC校验探讨

4.4.4 RS232串口通信程序

4.5本章小结

5 上位计算机程序设计与网络功能测试

5.1 无线检测节点上位机串口通信软件开发

5.2节点参数实时显示软件设计

5.3 网络节点历史数据查看程序

5.4 ZigBee无线检测节点性能检测

5.5本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢