ZigBee远程数据采集系统的设计与实现

ZigBee远程数据采集系统的设计与实现

武汉理工大学

硕士学位论文

ZigBee远程数据采集系统的设计与实现

姓名：黄永军

申请学位级别：硕士

专业：信号与信息处理

指导教师：杨杰

20090401

ZigBee远程数据采集系统的设计与实现

武汉理’ｒ大学硕十学位论文

摘要

随着无线网络技术的飞速发展和同益普及，低速、低功耗、低成本的ＺｉｇＢｅｅ无线网络技术，己成为当前传感器网络及自动化控制领域中的一个重要研究课题。本论文对ＺｉｇＢｅｅ技术进行广泛深入的分析和研究，使用ＺｉｇＢｅｅ协议设计应用程序并结合硬件进行实验，主要研究工作如下：

（１）介绍了ＺｉｇＢｅｅ技术相关概念、应用前景和研究现状、体系结构、优缺点以及网络拓扑、设备类型、ＺｉｇＢｅｅ网络的基本框架、功能、特点等内容。

（２）对ＺｉｇＢｅｅ网络层、应用层及ＺｉｇＢｅｅ应用程序框架结构、功能进行了研究。分析了ＺｉｇＢｅｅ协议栈的总体功能结构，着重讨论网络建立、路由机制、数据帧结构和数据传输模式、数据处理模式以及编程接口，展示了整个系统的应用程序编写过程。

（３）分析了ＺｉｇＢｅｅ设备组成结构及硬件设计思路。在具体介绍ＪＮ５１２１处理器模块、电源模块、时钟模块、存储器模块以及各个接口模块的基础上给出了硬件设计的整体方案及硬件原理图。

（４）讨论了ＺｉｇＢｅｅ网络与因特网的互联及数据交换方式。研究了ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ．ｎｅｔ嵌入式操作的定制及嵌入式数据库的应用。

（５）组建基于ＺｉｇＢｅｅ技术的无线数据采集系统，以ＪＮ５１２１单片机和数字式温湿度传感器ＳＨＴｌ０设计出了传感器网络节点，￥３Ｃ２４４０控制器作为ＺｉｇＢｅｅ网关。传感器节点通过无线通信方式将数据发送到ＺｉｇＢｅｅ网关。ＺｉｇＢｅｅ网关通过以太网网络将数据传输给监测中心主机，并对实验结果进行分析。

该系统具有良好的人机交互界面和远程访问功能，良好的可移植性和扩展性，可以根据具体要求方便地在数据采集模块上进行传感器的扩充以实现更多功能。

关键词：ＺｉｇＢｅｅ技术，ＩＥＥＥ８０２．１５．４，无线网络，ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ．ｎｅｔ

ZigBee远程数据采集系统的设计与实现

武汉理工大学硕士学位论文

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｐｏｐｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｎｅｔｗｏｒｋｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ

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ｉｎＺｉｇＢｅｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ

ａｒｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍｍｅｒｐｒｏｔｏｃｏｌｌａｙｅｒｈａｓｂｅｅｎｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｍａｉｎｒｅｓｅａｒｃｈ

ｒｅｃａｐｉｔｕｌａｔｅｄａｓｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｆｏｌｌｏｗｓ：

（１）ＴｈｅｃｏｎｃｅｐｔｓｏｆＺｉｇＢｅｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄｆｅａｔｕｒｅｓ，ｔｈｅ

ａｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈ，ａｓｗｅｌｌａｓｉｎａｄｅｑｕａｔｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋ’

ｔｏｐｏｌｏｇｙ，ｄｅｖｉｃｅｔｙｐｅ，ＺｉｇＢｅｅ

ｗｉｌｌｂｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｏｏ．ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｆｒａｍｅｗｏｒｋ，ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ｆｅａｔｕｒｅｓ

（２）Ｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｆｏｒｅｉｇｎｒｅｌａｔｅｄｐａｐｅｒｓｈａｓｂｅｅｎｒｅｆｅｒｅｅｄｔｏ Ｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅｌａｙｅｒ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｌａｙｅｒａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｆｒａｍｅｗｏｒｋｏｆＺｉ．ｇＢｅｅ

ａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．ＴｈｅｏｖｅｒａｌｌｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅＺｉｇＢｅｅｐｒｏｔｏｃｏｌｓｔａｃｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｆｏｃｕｓｅｄｏｎｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋ，ｒｏｕｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｄａｔａｆｌａｍｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｄａｔａｔｒａｎｓｆｅｒｍｏｄｅ，ｄａｔａ．ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｏｄｅｌａｎｄｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ，ｗｉｌｌｂｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｗｈｏｌｅｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｉｌｌｂｅｅｌａｂｏｒａｔｅｌｙｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ

（３）Ｗｅ

ＢａｓｅｄｏｎａｎａｌｙｚｅｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｄｅｖｉｃｅｓａｎｄｈａｒｄｗａｒｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｄｅａｓｏｆＺｉｇＢｅｅ．ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｓｐｅｃｉｆｉｃｐｒｏｃｅｓｓｏｒｍｏｄｕｌｅｓ，ｐｏｗｅｒｍｏｄｕｌｅｓ，ｃｌｏｃｋ

ａｓｍｏｄｕｌｅｓ，ｍｅｍｏｒｙｍｏｄｕｌｅｓ，ａｓｗｅｌｌ

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ｔｈｅａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｓ．（４）Ｄｉｓｃｕｓｓ

Ｉｎｔｅｒｎｅｔ．ＳｔｕｄｙｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｄａｔａｅｘｃｈａｎｇｅｓｏｆｔｈｅｂｅｔｗｅｅｎＺｉｇＢｅｅｎｅｔｗｏｒｋｓｙｓｔｅｍａｎｄｏｆｔｈｅｃｕｓｔｏｍｉｚａｔｉｏｎｅｍｂｅｄｄｅｄｏｐｅｒａｔｉｏｎ

ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ．ｎｅｔａｎｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｅｍｂｅｄｄｅｄｄａｔａｂａｓｅ．

（５）ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＺｉｇＢｅｅｗｉｒｅｌｅｓｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｄａｔａ

ｓｅｎｓｏｒａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄａｎｄ

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ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ￥３Ｃ２４４０ｉｓｕｓｅｄａｓｚｉｇａｅｅｇａｔｅｗａｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．ＤａｔｕｍｃｏｌｌｅｃｔｅｄｂｙｓｅｎｓｏｒｎｏｄｅｓｗｉｌｌｂｅｓｅｎｔｔｏｔｈｅＺｉｇＢｅｅＧａｔｅｗａｙ．ＺｉｇＢｅｅｇａｔｅｗａｙｔｒａｎｓｍｉｔｓｔｈｅｄａｔｕｍｔｏｔｈｅｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｃｅｎｔｅｒｃｏｎｓｏｌｅｖｉａＥｔｈｅｒｎｅｔｎｅｔｗｏｒｋ，ａｎｄａｌｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｃｏｕｌｄｂｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅ

ｃａｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｇｏｏｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｉｓｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ，ａｎｄｂｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎ

ｉｎｄｕｓｔｒｙ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＺｉｇＢｅｅ，ＩＥＥＥ，８０２．１５．４，ＷｉｒｅｌｅｓｓＮｅｔｗｏｒｋ，ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ ｎｅｔ

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独创性声明

本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

签名日期：

学位论文使用授权书

本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。

（保密的论文在解密后应遵守此规定）

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第１章

‘１．１课题的研究背景绪论

ＺｉｇＢｅｅ网络１１Ｊ主要用于自动化控制数据传输，是一个由可多到６５０００个无线模块组成的一个数据传输网络平台，十分类似现有的移动通信的ＣＤＭＡ网或ＧＳＭ网，每一个ＺｉｇＢｅｅ网络节点类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信。每个网络节点间的距离可以从标准的７５米，到扩展后的几百米，甚至几公里。ＺｉｇＢｅｅ网络节点本身不仅可以进行数据采集和监控，还具有路由功能，可以自动转发其他网络节点的数据。

尽管ＺｉｇＢｅｅ仅仅是一个局域网，覆盖区域有限，但它却可以与现有的移动网、互联网和其它通信网络相连接【２１，将许多ＺｉｇＢｅｅ局域网连成为～个整体，具有高度的灵活性。因此可以通过使用覆盖距离不同，功能不同的ＺｉｇＢｅｅ网络节点，建立起一个ＺｉｇＢｅｅ局部控制网（这个网络可以是星型，树状，网状及其共同组成的复合网结构），再通过互联网或移动网与远端的计算机相连，从而实现低成本，高效率的远程监测控制。

１．２ＺｉｇＢｅｅ技术的发展与现状

ＺｉｇＢｅｅ技术自被提出以来，得到广泛应用。在ＺｉｇＢｅｅ联盟展览会上，ＴＩ、飞思卡尔、ＮＥＣ等多家供应商展示了ＺｉｇＢｅｅ技术的美好应用前景１３Ｊ。ＺｉｇＢｅｅ的初期应用领域有家庭自动化应用，楼宇自动化，工业自动化，以及能源管理等。在ＺｉｇＢｅｅ联盟的推动下，ＺｉｇＢｅｅ技术结合其他无线技术，将可以实现无所不在的网络，非常适合用于需要传输周期性数据、间歇性数据的场合：在比如ＰＣ外设（鼠标、键盘、游戏操控杆）、消费类电子设备（ＴＶ、ＶＣＲ、ＣＤ、ＶＣＤ、ＤＶＤ等设备上的遥控装置）、家庭内智能控制（照明、煤气计量控制及报警等）、玩具（电子宠物）、医护（监视器和传感器）、工控（监视器、传感器和自动控制设备）、带负载管理功能的自动抄表（ＡＭＲ）系统、油气生产遥测遥控通信系统、农田耕作、环境监测、工业制造过程遥测遥控、照明监控、安防报警系统等等。

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ＺｉｇＢｅｅ硬件平台【４】具有很强的实际应用价值，能够在任何时间，任何地点来有效地获取和发送物理数据，是无线自动数据采集和监控系统的一种非常灵活的解决方案１５Ｊ。ＺｉｇＢｅｅ技术方兴未艾，还处于发展之中，不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域具有巨大的运用价值，而且其应用将来还可以涉及更多领域。

虽然前景一片大好，但是我们应该清楚认识到由于各方面的制约１６１，ＺｉｇＢｅｅ技术的大规模商业应用还有待时日，基予ＺｉｇＢｅｅ技术的无线网络【７ｌ应用还远谈不上成熟，主要表现在：ＺｉｇＢｅｅ市场仍处于起步探索阶段，终端产品和应用大多处于研发阶段，真正上市的少，且以家庭自动化为主；潜在应用多，但具有很大出货量的典型应用少，市场缺乏明确方向；使用点对多点星状拓扑的应用较多，体现ＺｉｇＢｅｅ优势【８ｌ的网状网络应用少；基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４底层协议的应用多，而基于ＺｉｇＢｅｅ标准协议的应用少。

１．３本文主要研究内容

根据目前的ＺｉｇＢｅｅ技术的发展状况、研究热点，结合实际情况，本文深入研究了ＺｉｇＢｅｅ技术的工作原理及应用，主要研究内容有以下几个方面：

（１）详细分析了ＺｉｇＢｅｅ技术优缺点，并与其它无线技术作比较，选择采用ＺｉｇＢｅｅ作为本系统的通信方式。

（２）深入研究了ＺｉｇＢｅｅ技术在数据采集和远程控制领域的应用。、ＺｉｇＢｅｅ网络的结构及工作原理、网络节点硬件和控制程序的设计。

（３）研究了ＺｉｇＢｅｅ网络与因特网的连接及数据交换方式以及ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ．ｎｅｔ嵌入式操作系统和嵌入式数据库的应用。

（４）在前面工作基础之上将系统分解成子模块，然后对各模块分别设计，最后组合成一个完整系统，并进行组网实验，记录实验结果，同时对实验数据进行分析。

１．４本章小结

本章简要地介绍了课题研究的意义和背景和所涉及到的主要技术的现状与发展前景，概括了本论文的主要研究内容。

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第２章ＺｉｇＢｅｅ技术及ＺｉｇＢｅｅ协议栈

２．１ＺｉｇＢｅｅ技术及其优势

ＺｉｇＢｅｅ是一种新兴的短距离、低功耗、低速率、低成本、低复杂度的无线网络技术１９Ｊ。ＺｉｇＢｅｅ基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４无线标准，ＩＥＥＥ８０２．１５．４仅处理ＭＡＣ层和物理层协议１１０１，ＺｉｇＢｅｅ联盟对其网络层协议和ＡＰＩ进行了标准化，ＺｉｇＢｅｅ具有ＩＥＥＥ８０２．１５．４强有力的无线物理层所规定的全部优点１１１Ｊ：省电、简单、低成本。ＺｉｇＢｅｅ是由ＺｉｇＢｅｅＡｌｌｉａｎｃｅ所主导的标准【１２】，定义了网络层（ＮｅｔｗｏｒｋＬａｙｅｒ）、安全层（ＳｅｃｕｒｉｔｙＬａｙｅｒ）、应用层（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＬａｙｅｒ）、以及各种应用产品的资料（Ｐｒｏｆｉｌｅ）。ＺｉｇＢｅｅ具有以下技术优势【１３Ｊ：网络容量大；功耗低；成本低，ＺｉｇＢｅｅ协议免收专利费；采用了完全确认的数据传输机制；具有数据完整性检查功能，采用了碰撞避免机制，避免了发送数据时的竞争和冲突；工作频段及有效覆盖范围灵活；网络的自动组织、自愈能力强【１４】，网络节点能感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络，增加、删除或移动节点，部分节点发生故障，网络仍然能正常工作。

２．２ＺｉｇＢｅｅ网络基础

ＺｉｇＢｅｅ网络的基础主要包括设备类型，拓扑结构和路由方式三个方面的内容，ＺｉｇＢｅｅ标准规定所有的ＺｉｇＢｅｅ网络节点分为Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ、Ｒｏｕｔｅ、ＥｎｄＤｅｖｉｃｅ三种类型１１５Ｊ，节点类型只是网络层的概念，反映了网络的拓扑形式，而ＺｉｇＢｅｅ网络采用任何一种拓扑形式只是为了实现网络中信息高效稳定的传输１１６１，在实际的应用中是不必关心ＺｉｇＢｅｅ网络的组织形式【１７】的，节点类型的定义和节点在应用中所起到的功能并不相关１１８ｌ。

２．２．１网络节点类型

（１）Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ

不论ＺｉｇＢｅｅ网络采用何种拓扑方式，网络中有一个并且只能有一个Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ节点，它在网络层的任务是：选择网络所使用的频率通道、建立网

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络并将其它节点加入网络、提供信息路由、安全管理和其它的服列１９ｌ。Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ在系统初始化时起重要作用，某些应用中网络初始化完成后，即使关闭了Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ节点，网络仍然可正常工作，但若Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ在应用层提供一些服务，就必须持续的处于工作状态。

（２）Ｒｏｕｔｅｒ

如果ＺｉｇＢｅｅ网络采用了树形和星形拓扑结构就需要用到Ｒｏｕｔｅｒ这种类型的节点，负责数据的路由，路由建立由ＺｉｇＢｅｅ协议的算法决定，它入网后可以加入其它Ｒｏｕｔｅｒ节点，也可以加入协调器，是网络远距离延伸的必要部件。此类节点的主要功能是：发送和接收节点自身信息；在节点之间转发信息；容许子节点通过他加入网络。

（３）Ｅｎｄ

ＥｎｄＤｅｖｉｃｅＤｅｖｉｃｅ节点的主要任务就是发送和接收信息，不能够转发信息也不能够让其他人加入网络。通常一个ＥｎｄＤｅｖｉｃｅ节点不处在数据收发状态的时候可进入休眠状态以节省耗电。

２．２．２网络拓扑形式

ＺｉｇＢｅｅ网络具有三种拓扑形式：星形拓扑、树形拓扑、网状拓扑。

（１）星形拓扑

星形拓扑是最简单的拓扑形式如图２．１所示，包含一个Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ节点和一系列的ＥｎｄＤｅｖｉｃｅ节点。每一个ＥｎｄＤｅｖｉｃｅ节点只能和Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ节点进行通讯，在两个ＥｎｄＤｅｖｉｃｅ节点之间进行通讯必须通过Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ节点进行转发。这种拓扑形式的缺点是节点之间的数据路由只有唯一路径，Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ可能成为整个网络的瓶颈。

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ｐ图２。１星状拓扑结构

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（２）树形拓扑

树形拓扑结构如图２．２所示，Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ可以连接Ｒｏｕｔｅｒ和ＥｎｄＤｅｖｉｃｅ，其子节点的Ｒｏｕｔｅｒ也可以连接Ｒｏｕｔｅｒ和ＥｎｄＤｅｖｉｃｅ，多个层级的树形拓扑中，信息具有唯一路由通道，直接通信只可以在父节点与子节点之间进行，非父子关系的节点需间接通信。

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２．２．３路由方式

协调器和路由器管理区域内与其具有邻接关系的设备表，如果目标设备在物理区域内可见，那么信息就可以根据路由表记录中的路径直接发送。当目标设备不具备局部的邻接关系，就要启动路由发现过程：一个设备发出路由请求命令侦启动路由发现过程，对应的接收者收到该命令，给出路由回复命令侦，对潜在的各条路径的跳转次数、延迟时间进行评估比较，把最佳路由记录添加到此路途上各个设备的路由表中。ＺｉｇＢｅｅ协议栈定义了三种路由方式：禁止路由发现方式、使能路由发现方式和强制路由发现方式，路由流程如图２－４所示。

图２．４路由流程

２．３ＺｉｇＢｅｅ协议栈及开发接口ＡＰＩ

ＺｉｇＢｅｅ协议栈【２０】构建在ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准基础之上，确保无线设备在低成本、低功耗和低据速率网络中的互操作性ｆ２ｌＪ。ＭＡＣ和ＰＨＹ层是射频以及相邻网络设备之间的通讯标准，ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准定义了ＭＡＣ和ＰＨＹ层的协议标准，而ＺｉｇＢｅｅ协议栈则定义了网络层，应用层和安全服务层的标准，ＺｉｇＢｅｅ协

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议栈的层次架构如图２．５所示。

图２－５ＺｉｇＢｅｅ协议框架

图２－６开发接口ＡＰＩ结构

ＪＥＮＮＩＣ的ＺｉｇＢｅｅ协议栈提供以下四类开发接口ＡＰＩ：

（１）ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ（ＡＤ）ＡＰＩ

（２）ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＦｒａｍｅｗｏｒｋ（ＡＦ）ＡＰｌｓ

（３）ＺｉｇＢｅｅ

（４）ＢａｓｉｃＤｅｖｉｃｅＰｒｏｆｉｌｅ（ＺＤＰ）ＡＰＩｓＳｙｓｔｅｍ（ＢＯＳ）ＡＰＩＯｐｅｒａｔｉｎｇ

ＡＤＡＰＩ用于设置节点类型、解析接收到的数据帧；ＡＦＡＰＩｓ用于创建、发送数据请求以及添加、修改、删除设备描述符；ＺＤＰＡＰＩｓ用于获取网络中其他节点的地址、网络设备信息、管理信息，绑定或解除网络设备，在网络节点间

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建立直接的通信关系；ＢＯＳＡＰＩ用于与ＢＯＳ进行交互，提供注册用户任务以及处理应用程序与ＢＯＳ问的消息、中断管理和内存管理等功能，图２－６显示了这．些ＡＰＩ函数在软件层次上如何交互。

２．４ＺｉｇＢｅｅ应用程序架构

ＡｐｐＣｏｌｄＳｔａｒｔＵｓｅｒｔａｓｋ

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ＢＯＳ／Ｓｔａｃｋｔａｓｋ

ＢＯＳ／Ｓｔａｃｋ

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图２．７应用程序框架

为了实现ＺｉｇＢｅｅ应用程序与ＺｉｇＢｅｅ协议栈交替对处理器和外围部件进行操作，Ｊｅｎｎｉｃ在ＺｉｇＢｅｅ协议栈的基础上提供了ＢａｓｉｃＯｐｅｒａｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍ（ＢＯＳ），定义了ＢＯＳ调用用户程序的接口ＡＰＩ。ＺｉｇＢｅｅ应用程序架构如图２．７所示，图中阴影部分就是ＢＯＳ调用用户程序的接口，这些函数好比整个应用程序的骨架，把应用程序的代码和ＺｉｇＢｅｅ协议栈紧密联系。在实际开发过程中要在这些开发接口上添加应用逻辑，定义数据处理过程并且通过接口函数在适当时机调用。下面介绍基于ＪｅｎｎｉｃＺｉｇＢｅｅ协议栈丌发的基本接口函数，任何ＺｉｇＢｅｅ的应用程序都包含以下函数，这些函数是应用程序和ＺｉｇＢｅｅ协议栈进行交互的基本接口，主要分成以下三类：

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第一类是应用的初始化函数，它们用于在设备上电时对协议栈进行初始化，包括ＡｐｐＣｏｌｄＳｔａｒｔ０和ＡｐｐＷａｒｍＳｔａｒｔ０；

第二类是应用程序调用协议栈的函数，这类函数通常由第一类函数进行调用，包括ＪＺＳ和

第三类是协议．ｕ３栈２１调ｎｉ用ｔＳ应ｙｓ用ｔｅｍ程０序的函Ｊ数ＺＳ，ｖ作Ｓ为ｔａｒ协ｔＳ议ｔａ栈ｃｋ和０应：用程序通讯接口，包括

ＪＺＡ＿ｂｏＡｐｐＳｔａｒｔ０，ＪＺＡ＿ｖＳｔａｃｋＥｖｅｎｔ０、ＪＺＡ＿ｖＰｅｒｉｐｈｅｒａｌＥｖｅｎｔ０，ＪＺＡ＿ｖＡｐｐＥｖｅｎｔＨａｎｄｌｅｒ０，ＪＺＡ＿ｖＡｐｐＤｅｆｉｎｅＴａｓｋｓ０、ＪＺＡ＿ｅＡｆＫｖｐＯｂｊｅｃｔ０、ＪＺＡ＿ｖＡｆＫｖｐＲｅｓｐｏｎｓｅ０、

ＪＺＡｕ８ＡｆＭｓｇＯｂｊｅｃｔ０和ＪＺＡ＿ｖＺｄｐＲｅｓｐｏｎｓｅ０等。

２．５本章小结

本章对ＺｉｇＢｅｅ技术的特点进行了深入研究，详细阐述了ＺｉｇＢｅｅ网络的设备类型、网络拓扑及路由方式等内容，分析了ＺｉｇＢｅｅ协议栈的构成及开发接口ＡＰＩ的应用，给出了适合本采集系统的ＺｉｇＢｅｅ应用程序结构，为下文针对具体的温、湿度和电压数据采集任务进行程序设计打下基础。

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第３章ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ．ｎｅｔ平台与应用程序开发

３．１ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ．ｎｅｔ应用程序开发流程

ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ．ｎｅｔｌ２２】是功能强大的多任务实时嵌入式操作系统１２３１，可快速建立智能设备应用程序。ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ．ｎｅｔ具有很多高性能、高效率的操作系统特性：使用对象存储技术，包括文件系统、注册表及数据库；具有灵活的电源管理功能，包括睡眠唤醒模式；换页、共享存储、交叉处理同步功能，支持大容量堆栈；良好的通信能力，广泛支持各种硬件，包括设备与ＰＣ、内部网以及Ｉｎｔｅｍｅｔ的连接以及数据传输设备至设备间的连接；还提供与Ｗｉｎｄｏｗｓ９ｘＭ的最佳集成和通信；内置了多媒体功能及多种接口；图形用户界面相当出色，有丰富的控件库，应用程序开发流程如图３－１所示。

安装ＰｌａｔｆｏｒｍＢｕｉｌｄｅｒ开发、ｆ｜台

◆

安装补丁升级ＰＢ组件

◆

定制ｗＩＮＣＥ系统内核

◆

生成ＷＩＮＣＥ内核镜像

◆

定制生成ＳＤＫ

◆

安装内核镜像到ＡＲＭ开发板

◆

安装ｓＤＫ

◆

使用Ｖｓ２００８开发智能设箭程序

◆

部老应用稃序到智能设备

◆

（

图３．１结束）ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ．ｎｅｔ应用程序开发流程

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３．２安装ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ．ｎｅｔ操作系统内核开发环境ＰＢ５．０

嵌入式服务器程序使用ＳＱＬＣＥ３．５数据库【川，需要．ｎｅｔＣｏｍｐａｃｔＦｒａｍｅｗｏｒｋ３．５的支持【矧，在定制ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ．ｎｅｔ嵌入式操作系统时，需安装ＰＢ５．０并升级补丁添加ＳＱＬＣＥ３．５组件和．ｎｅｔ

ＰＢＣｏｍｐａｃｔＦｒａｍｅｗｏｒｋ３．５组件。使用５．０编译ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ内核映像，需要安装对应目标板的板级支持包（ＢＳＰ）１２６１。ＢＳＰ包含本系统需要的串口驱动，液晶触摸显示屏驱动，网卡驱动，是介于主板硬件和操作系统中驱动层程序之间的一层，实现对操作系统的支持，为上层的驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数，使硬件主板能够更好的运行。ＢＳＰ是相对操作系统而言的，不同的操作系统对应不同形式的ＢＳＰ，与上层ＯＳ保持正确的接口，良好地支持上层ＯＳ，安装ＢＳＰ流程如图３．２所示。

ｌ

Ｉ添加ＢｓＰ到Ｔ秤◆设置ＢｓＰ管理器

◆

导入ＣＥＣ文件

◆

添加Ｓ３Ｃ２４４０控制器组件

图３－２安装ＢＳＰ流程

３．３定制ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ．ｎｅｔ操作系统内核及ＳＤＫ

ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ．ｎｅｔ是应用于嵌入式设备的模块化的操作系统，而嵌入式设备多种多样，要求操作系统必须是可定制的，定制ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ．ｎｅｔ内核的丌发工具是ＰｌａｔｆｏｒｍＢｕｉｌｄｅｒｌ２７１是操作系统，内核定制流程如图３．３所示。应用程序开发是针对特定平台的，定制好操作系统内核之后导出ＳＤＫ安装文件ＳＤＫ，包含与定制平台有关的头文件、库、一些文档等内容。安装导出的ＳＤＫ后可以在ＶＳ２００８集成开发环境１２８ｌ中开发基于此定制平台的应用程序，具体的ＳＤＫ导出流程如图

‘

３．４所示。

ZigBee远程数据采集系统的设计与实现

选择ＢＳＰ

◆

选择模板

◆

添加ＵＳＢ、网卡、串Ｕ等驱动

◆

添加组件

◆

设置编译选项

◆

编译生成内核映像

◆

（

图３－３结束）ＷＩＮＣＥ．ＮＥＴ内核定制流程

编详内核Ｉ

Ｉ

Ｉ

Ｉ＋配置ｓＤＫ选项Ｊ选择ｓＤＫ支持语膏Ｊ编译、生成、输出ｓＤＫ

◆

（

图３．４结束）ＷＩＮＣＥ５．０ＳＤＫ导出流程

３．４ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ系统运行环境搭建和使用

安装ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ系统到智能设备主要有以下步骤：分区、安装ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ、安装Ｅｂｏｏｔ、安装ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ内核映俐２９１，详细的安装流程如图３．５所示。

对ＮａｎｄＦｌａｓｈ分区

◆

下载烧写引导程序ｓｕｐｅｒｖｉｖｉ

◆

Ｉ

Ｉ下载系统启动程序Ｅｂｏｏｔ◆下载内核镜像

图３．５安装ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ系统流程

ZigBee远程数据采集系统的设计与实现

安装ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ．ｎｅｔ５．０系统内核到智能设备以后，还要在ＰＣ上安装相应的ＳＤＫ［３０１才能用ＶＳ２００８开发运行在ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ．ｎｅｔ５．０平台上的程序。ＳＱＬＣＥ３．５是可以部署在智能设备上的压缩数据库（内核必须支持．ｎｅｔＣｏｍｐａｃｔＦｒａｍｅｗｏｒｋ３．５，并在设备应用程序中【３１】，添加对Ｓｙｓｔｅｍ．Ｄａｔａ．ＳｑｌＳｅｒｖｅｒＣｅ命名空ｆＥｔＪ（３２１的引用），若使用ＶＳ２００８生成使用ＳＱＬＣＥ３．５的应用程序【３３１，第一次部署该应用程序时会自动在设备上安装ＳＱＬＣＥ３．５引擎【州，应用程序开发流程如图３－６所示。

ｌ

ｌ安装ＰＢ５．０◆定制ｗＩＮｃＥ５．０内核

◆

ｌ

ｌ

Ｉ

Ｉ导出安装ｓＤＫ◆安装ＷＩＮＣＥ５．ｏ内核镜像到ＡＲＭ板◆用Ｖｓ２００８开发智能设符心用程序◆部署智能设符Ｊ妊用程序到ＡＲＭ板

◆

（结束）

图３－６编写ＷＩＮＣＥ应用程序流程

３．５本章小结

本章了主要阐述如何打造一个ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ．ｎｅｔ平台以及怎样在ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ平台‘丌发应用程序。首先介绍了ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ平台的基本知识和ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ应用程序开发流程，然后对开发应用程序要做的各项具体工作进行详细介绍，包括如何安装和配置定制嵌入式操作系统内核的开发平台、怎样在该平台上定制ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ操作系统内核及ＳＤＫ、如何在ＡＲＭ设备上安装和应用定制好的ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ系统等，为下文进行嵌入式服务器的设计打下基础。

ZigBee远程数据采集系统的设计与实现

第４章系统设计开发和实验

４．１系统结构和工作原理

图４．１系统总体结构图

ＺｉｇＢｅｅ远程数据采集系统的结构如图４．１所示，系统包括协调器、路由节点、嵌入式服务器和用户终端四大模块。路由节点包括ＺｉｇＢｅｅ无线通信模块【３５】和各种传感器，负责控制整个节点的采集处理操作、路由协议、功耗管理以及任务管理，使用ＺｉｇＢｅｅ协议栈与其他节点进行无线通信，交换控制消息和转发数据；协调器接收路由节点采集到的信息、并与嵌入式服务器进行通信；嵌入式服务器使用ＡＲＭ９控制器￥３Ｃ２４４０１３６１，运行ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ．ｎｅｔ操作系统、嵌入式服务器与因特网连接；网络客户端可以使用ＴＣＰ连接方式与服务器进行数据交换【３７１，各部分功能如下：

１）协调器功能

（１）建立和维护网络；

（２）对网络节点实施监控，接收网络节点发来的数据；

（３）把采集到的数据发送给嵌入式服务器；

（４）接收来自远程客户端的数据请求。

２）路由模块功能

（１）周期性发送信标，用以显示该节点否则处于工作状态；

（２）低电压报警，如节点电压低于设定闽值则发出报警信号；

（３）利用自带的传感器进行数据采集；

ZigBee远程数据采集系统的设计与实现

（４）提供路由功能。

３１嵌入式服务器功能

（１）从串１：３接收协调器传入的数据，获取ＺｉｇＢｅｅ网络采集到的数据；

（２）对串行数据进行解包分析；

（３）创建和操作嵌入式数据库：

（４）建立ＴＣＰ服务器，侦听、接受客户端的连接请求，进行ＴＣＰ数据交换。４、网络客户端功能

（１）建立ＴＣＰ客户端，与嵌入式服务器进行连接；

（２）访问嵌入式服务器，获取远程数据信息。

４．２硬件平台

硬件平台有两部分组成，ＺｉｇＢｅｅ网络平台部分采用ＪＮ５１２１控制器，嵌入式平台部分采用ＡＲＭ９控制器￥３Ｃ２４４０。

４．２．１ＪＮ５１２１控制器结构及特性

、／厂

ｌＲＡＭＲＯＭ一、

２．４ＧＨｚｓＰｌ

９６ｋｂ６４ｋｂ—０３

ＲａｄｉｏＱ—ＱｌＰＳＫ

＜：》Ｍｏｄｅｍ｛｝｛ｉ车纠２．ｗｉｒｅｓｅｒ．ａｌｌ仁

ＲＩＳＣＣＰＵ一－——＿＾、ｒ－＿１１气Ｔｉｍｅｒｓ■＾——一

弋，

一１、ＵＡＲＴｓ，＾－一

ＩＥＥＥ８０２．１５．４

ＭＡＣＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ＜》１２一ｂｉｔＡＤＣ．

ｊＩ＜：≥ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ仁

Ｐｏｗｅｒ１２８－ｂｉｔＡＥＳ

Ｃｓ．Ｇ

ＭａｎａｇｅｍｅｎｔＥｎｃｒｙｐｔｉｏｎ＜＞≥ｌｌ—ｂｉｔＤＡＣ

ｔｅｍｐｓｅｎｓｏｒｓ

ｔ’＼Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ一／ｌ’

图４．２ＪＮ５１２１控制器结构图

ＪＮ５１２１是一款兼容于ＩＥＥＥ８０２．１５．４的低功耗、低成本无线微型控制器，控制器结构如图４．２所示。该ｊ占片内置一款３２位的ＲＩＳＣ处理器，配有２．４ＧＨｚ频

ZigBee远程数据采集系统的设计与实现

段的ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准的无线收发器，６４ｋＢ的ＲＯＭ和９６ｋＢ的ＲＡＭ，高度集成化的设计为无线传感器网络应用提供了多种多样的低成本解决方案。ＪＮ５１２１具有许多优良特性：内置的ＲＯＭ存储器中集成了点对点通信与网状网通信的完整协议找；其内置的ＲＡＭ存储器，可以支持网络路由和控制器功能而不需要外部扩展任何的存储空间；内置的硬件ＭＡＣ地址和高度安全的ＡＥＳ加密算法加速器，减小了系统的功耗和处理器的负载；支持晶振休眠和系统节能功能，同时提供了对于大量的模拟和数字外设的互操作支持，可以方便地连接到用户的外部应用系统。

４．２．２ＪＮ５１２１硬件节点电路

以ＪＮ５１２１控制器为核心的ＺｉｇＢｅｅ协调器和路由器硬件节点由ＪＮ５１２１模块、时钟电路模块、存储电路模块、模拟处理电路、通讯接口电路模块与电源处理模块共同组成，其结构如图４．３所示。

图４－３

４．２．３￥３Ｃ２４４０ＺｉｇＢｅｅ节点结构图ＡＲＭ９处理器

￥３Ｃ２４４０是基于ＡＲＭ９２０Ｔ内核，采用ＡＭＢＡ总线构架的高速低功耗微处理器。集成在一个芯片上的硬件资源包括：功能强大的电压管理模块；多种接口（含串口、ＳＰＩ接口、ＩＩＣ总线接口、ＩＩＳ音频总线接口、ＡＣ’９７解码总线接口、ＳＤ接口、２路ＵＳＢ主机控制器和１路ＵＳＢ设备控制器接口、触摸屏幕接口、摄像头接口）；专用外部存储器控制单元；ＬＣＤ专用控制器和专用ＤＭＡ

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