開題報告--基于zigbee的無線通訊裝置設計

1、<p><b>　　畢業(yè)設計方案</b></p><p>　　題 目 基于zigbee的無線通訊裝置設計 </p><p>　　學 院 自動化與電氣工程學院 </p><p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動化 </p><p><b>　　

2、二〇一三年四月二日</b></p><p>　　設計題目 基于zigbee的無線通訊裝置設計 </p><p><b>　　一、選題背景與意義</b></p><p><b>　　選題的目的及意義</b></p><p>　　當今社會，商

3、品經濟競爭日益激烈，工作節(jié)奏不斷加快。對于一心致力于努力工作，創(chuàng)造一番事業(yè)的人們來說，有一個良好的工作生活環(huán)境就顯得尤為重要。而作為智能裝置的中間傳輸模塊，zigbee在數據傳輸范圍、電池壽命、網絡容量、網絡拓撲、成本上等等一些方面都有著優(yōu)于Bluetooth、WiFi一些無線傳輸裝置的性能。智能家居、辦公系統(tǒng)可以提供智能控制方案，為家居主人和廣大工作者提供舒適健康的環(huán)境，既快捷又省力。可以監(jiān)視室內的溫度、濕度，進而控制空調機的運行，達

4、到人工模擬大自然的氣息。使人們將來足不出戶就能體驗和享受到身臨大自然的美好境地。加大了工作生活環(huán)境的自動調節(jié)力度、及時報告不良因素，增強了人們的安全感，使人們能夠全身心地投入工作，從而提高工作、生活質量。一切發(fā)明和創(chuàng)造都是為了人類的生活更加方便和舒適。智能控制的開發(fā)與建設是2l世紀發(fā)展的必然趨勢。由于信息技術的大力普及和應用，極大推動了家居、辦公智能化建設的進程，更為家居、辦公智能化提供了可靠的技術保障，實施起來更加容易和簡捷。智能家居

5、、辦公系統(tǒng)具有安全、方便、高效、快捷、智能化、個性化的獨特魅力，它對于改善現(xiàn)代人類的生活質量，創(chuàng)造舒適、安全</p><p><b>　　國內外研究狀況</b></p><p>　　Zigbee聯(lián)盟成立于2001年8月。2002年下半年，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導體公司四大巨頭共同宣布，它們將加盟“Zigbee聯(lián)盟”

6、，以研發(fā)名為“Zigbee”的下一代無線通信標準，這一事件成為該項技術發(fā)展過程中的里程碑。    到目前為止，除了Invensys、三菱電子、摩托羅拉和飛利浦等國際知名的大公司外，該聯(lián)盟大約已有20多家成員企業(yè)，并在迅速發(fā)展壯大。其中涵蓋了半導體生產商、IP服務提供商、消費類電子廠商及OEM商等，例如Honeywell、Eaton和Invensys Metering Systems等工業(yè)控制和家用自動化

7、公司，甚至還有像Mattel之類的玩具公司。所有這些公司都參加了負責開發(fā)Zigbee物理和媒體控制層技術標準的IEEE 802.15.4工作組。    根據Zigbee聯(lián)盟目前的設想，Zigbee的目標市場主要有PC外設(鼠標、鍵盤、游戲操控桿)、消費類電子設備(TV、VCR、CD、VCD、DVD等設備上的遙控裝置)、家庭內智能控制(照明、煤氣計量控制及報警等)、玩具(電子寵物)、醫(yī)護(監(jiān)視器和<

8、/p><p>　　在國內，目前ZigBee網絡的應用范圍非常廣泛，很多我們想象不到的地方也在使用ZigBee技術。例如，在工業(yè)領域，ZigBee技術不僅用來控制照明燈的開關，它還有一個用途是檢查高速路上照明燈的工作情況。以前工程師要開車到高速路上檢查哪些照片燈已經壞掉了，需要維修，但因為車速較快，不能記下所有要檢修燈的編號，但通過ZigBee網絡，工程師只需坐在計算機前，就可以很清楚地監(jiān)測到整個高速路上照明燈的工作情

9、況，這是目前的一個熱點應用。再如，ZigBee技術用于進出的控制，可以記錄汽車的進出，也可以在人員進出時用于傳輸相關指紋來識別數據，進行身份認證。此外，通過ZigBee網絡的路由器功能，它還可以用來實時監(jiān)控煤礦內各點的安全狀況，防止事故的發(fā)生。在加油站，一些客戶不希望布線，他們正在考慮采用ZigBee無線技術來傳輸相關數據。在消費類電子方面，ZigBee技術可以替代現(xiàn)在的紅外遙控，于紅外遙控相比，ZigBee的優(yōu)勢在于每一個操作都會有反

10、饋信息，告訴他們是否實現(xiàn)了相關操作?，F(xiàn)今我們也可以看到ZigBee用于家庭保安，消費者在家中的門和窗上都安裝了ZigBee網絡，當有人闖入時，ZigBee可以</p><p>　　更重要的是，預測未來6到7年內，家庭用戶將占有Zigbee2/3的市場。在可以預期的將來，Zigbee無線傳感將切實改變你我的生活。 基于zigbee的智能家居、辦公系統(tǒng)將成為未來國際研發(fā)的新方向和重點。</p><

11、p><b>　　二、設計內容</b></p><p>　　首先，了解和掌握Zigbee通訊協(xié)議，包括數據格式、通訊規(guī)約、通訊方式等。在此基礎上，完成無線通訊發(fā)送和接收裝置的硬件電路設計，包括通訊接口電路（發(fā)送、接收），信息存儲和處理、顯示等各種功能。要求采用電池和220v雙供電，電路設計采用低功耗設計，操作要簡便，易于使用。軟件設計合理，要優(yōu)化，采用軟件抗干擾技術，提高裝置的抗干擾能力

12、。系統(tǒng)設計控制總的成本造價，體積要小，便于使用。整體系統(tǒng)設計要合理，方案正確易于實現(xiàn)。</p><p><b>　　三、設計方案</b></p><p>　　本次設計要求做到基于zigbee的基礎上設計無線通訊裝置，考慮到人類一切的發(fā)明創(chuàng)造都是為了更好的服務人民，為人們提供更好的學習生活環(huán)境，也基于目前zigbee的發(fā)展趨勢，固將本次設計目標鎖定在智能家居、辦公。由于

13、時間和技術的限制，本次設計主要圍繞家庭辦公室溫濕度的智能監(jiān)控調節(jié)為主。傳統(tǒng)的智能家居辦公系統(tǒng)可擴展性差，系統(tǒng)安裝和維護成本高，移動性能差。標準不統(tǒng)一，內部設備的通信和控制在國際上沒有一個統(tǒng)一的標準。對PC的依賴性也很強?，F(xiàn)有的智能家居系統(tǒng)中的家電需要依靠家庭內部PC。PC必須一天24小時工作，否則家庭內部的管理就無法進行，無論是升級和維護都不方便。從實用的角度來看，系統(tǒng)需要的是能提供更為便利的低成本組網。在家居網絡中，應該要考慮以下特點

14、：（1）低成本（2）標準化（3）自組織（4）可擴展性（5）可嵌入式</p><p>　　優(yōu)秀的家居自動化產品應該具有以下設計原則：</p><p>　　1．標準化：家居、辦公自動化產品應當按照國際上流行的相關協(xié)議進行設計，充分保證各生產廠家產品間的兼容性和操作能力。</p><p>　　2．開放性：目前，在智能住宅、家庭自動化領域尚處于一家一戶自行開發(fā)的局面而實際上

15、用戶不可能都使用同一廠家生產的產品，這將極大阻礙互聯(lián)互通和長遠發(fā)展。因此，家居自動化系統(tǒng)應該具有開放的協(xié)議、統(tǒng)一的接口。</p><p>　　3．模塊化：采用模塊化的設計可以適應各種場合的需要，保障用戶的利益并允許系統(tǒng)的逐步到位。模塊之間遵循一定的協(xié)議，可以相互通訊和協(xié)調。</p><p>　　4．實用性：人們購買家庭自動化產品是為了享有更加便利舒適的生活，絕非追逐潮流，設計應該貼近生活，

16、能過解決人們生活中的現(xiàn)實問題，有效的改善生活節(jié)奏。</p><p>　　5．普及化：設計應該面向低成本、高性能的目標設計，用戶對價格較為敏感，所以智能家居、辦公裝置采用的技術要較為經濟。同時，系統(tǒng)應該能最大程度兼容用戶原有電器設備，保護用戶投資。</p><p>　　6．簡潔易用：高科技帶來的應該是一種享受而絕不是一種負擔。好的家庭自動化產品應該簡便易用、用戶界面友好，并且不需要使用者花上

17、太多的精力就能掌握。</p><p>　　本課題的智能家居系統(tǒng)的設計方案是參照國內外相關技術的發(fā)展狀況，根據我國住宅辦公的實際情況以及用戶的需要來確定的。主要方案的制定包括內部控制聯(lián)網方式和模塊的選擇。下面將分別進行討論。</p><p><b>　　內部控制聯(lián)網方式</b></p><p>　　傳統(tǒng)的有線通信方式，布線麻煩，成本較高，且功能升

18、級困難，不便于應用在智能家居系統(tǒng)中，目前將無線網絡技術應用于家庭網絡已成為勢不可擋的趨勢。這不僅僅是因為無線網絡可以提供更大的靈活性、流動性，省去花在綜合布線上的費用和精力，而且更因為它符合家庭網絡的通訊特點。隨著無線網絡技術的進一步發(fā)展，必將大大促進家庭網絡智能化的進程。</p><p>　　目前比較流行的無線標準有WiFi技術、藍牙技術、GPRS／GSM等等。</p><p><

19、b>　　表格1.</b></p><p>　　從上表可以看出可以清楚的看出，ZigBee技術是最適合應用在家居網絡通信上的無線技術之一，它具有低成本低功耗高可靠性的特點。其250kbps的傳輸率也足可以滿足家居控制的要求。因此，選擇ZigBee技術作為智能家居系統(tǒng)的內部聯(lián)網技術非常的適合。</p><p>　　ZigBee無線網絡可采用多種類型的網絡配置。本設計使用星型網

20、絡實現(xiàn)通信。星型網絡配置由一個協(xié)調器節(jié)點（主設備）和一個或多個終端設備（從設備）組成。在星型網絡中，所有的終端設備都只與協(xié)調器通信。</p><p><b>　　模塊的選擇</b></p><p>　　本次設計主要實現(xiàn)家居、辦公地點的實時溫度濕度的監(jiān)控。要實現(xiàn)人工設定和自動調節(jié)的功能，并且是對多地點的監(jiān)控調節(jié)。硬件的設計可分為數據采集模塊、數據傳輸接收模塊、主控制模塊

21、和控制執(zhí)行模塊。其中主控制模塊中又可細化分為顯示模塊、輸入模塊和數據處理模塊。</p><p>　　圖1.數據采集與執(zhí)行部分</p><p>　　上圖.1為設計裝置的數據采集與執(zhí)行部分原理圖，通過數據采集模塊將預監(jiān)控地區(qū)的溫濕度數據采集，通過單片機系統(tǒng)的處理后，將數據通過數據傳輸模塊無線上傳給主機部分，經過主機的分析處理，再將反饋結果無線傳輸給此部分，通過單片機控制執(zhí)行模塊對本地區(qū)的溫濕度

22、進行相應的調整。</p><p>　　下圖.2為主控部分，主要負責無線接受終端設備傳輸的信息的分析和處理工作，通過鍵控模塊預先做出溫濕度的設定，在接收模塊接受到數據后，單片機完成數據分析、比對，將原始數據通過顯示模塊顯示出來，再將分析結果無線傳輸給設備終端。</p><p><b>　　圖.2主控部分</b></p><p>　　其中，幾個模塊

23、的控制器均選用具有納瓦技術的單片機PIC16XXX，這是一款低功耗的單片機。符合設計要求。工作電壓為3.3V，而且具有睡眠—喚醒機制。它擁有64K的程序存儲器，不用擴展內存，能夠滿足系統(tǒng)對存儲信息的設計要求。無線收發(fā)模塊射頻芯片使用CC2530，CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應用的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節(jié)點。CC253

24、0 結合了領先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內可編程閃存，8-KB RAM 和許多其他強大的功能。CC2530 有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB 的閃存。CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗?？刂破鳎≒IC16XXX）充當主器件而RF收發(fā)器充當從器件?？刂破?/p>

25、實現(xiàn)了IEEE802.15.4MAC層和Zigbee協(xié)議層。它還包含了特定應用的邏輯。另外, 通過CCA管</p><p>　　圖3.微控制器與射頻芯片的連接</p><p>　　溫濕度信號采集部分（數據采集模塊）選用數字式SHT10溫濕度傳感器，顯示部分選用液晶顯示，輸入模塊采用鍵盤。</p><p>　　軟件設計部分主要包括主程序、顯示程序、zigbee無線通訊

26、接受傳輸程序、原始數據設定程序。程序的編寫使用C語言編寫,簡單易懂.</p><p><b>　　圖4.主程序流程圖</b></p><p><b>　　四、參考文獻</b></p><p>　　[1]李念強、王玉泰、張魯、張羽.單片機原理及應用 北京：機械工業(yè)出版社，2007年3月.</p><p&g

27、t;　　[2]劉和平．PlCl8Fxxx單片機程序設計及應用 北京：北京航空航天大學出版社，</p><p><b>　　2005年2月．</b></p><p>　　[3]周明德.微型計算機系統(tǒng)原理及應用 北京：清華大學出版社，2007年1月.</p><p>　　[4] 金純，蔣小宇，羅祖秋．ZigBee與藍牙的分析與比較，標準與技術追蹤，

28、2004年，</p><p><b>　　第6期.</b></p><p>　　[5] 施旭燕．智能家居自動化技術研究．哈爾濱工程大學碩士論文．2002：5—19．</p><p>　　[6] 王權平, 王莉. Zigbee技術簡析[J]. 通訊世界, 2003, 4.</p><p><b>　　五、指導教師