ZigBee组网及实时网络状态管理方法的研究

论文摘要

本文针对ZigBee无线传感器网络组网以及实时网络状态管理进行了研究。近年来,基于ZigBee的无线传感器网络经迅猛发展,已经渗透到我们生产生活的各个领域,其典型应用包括无线工业测控网络、节能照明系统、智能家居、无线抄表等,ZigBee技术已经向世人展示出强大的技术优势与活力。但鉴于ZigBee技术涉及到传感器技术、无线通信技术以及网络技术等较复杂的技术门槛,设计出一套稳定易用的ZigBee无线传感器网络平台具有实际意义。本课题在借鉴国内WSN传感器网络模块的基础上,设计出自己的ZigBee测控网络平台,并提出了基于WinCC的上位机软件进行网络状态管理。本课题完成的的主要工作内容有:简要介绍ZigBee技术国内外发展现状,ZigBee技术规范、无线传感器网络构成与应用领域、发展水平与现状;结合ZigBee无线传感器网络技术特点,提出ZigBee网络平台设计要求,主要包括通信模块设计、具有数据采集功能的网络节点设计、系统软件设计;根据ZigBee网络平台设计要求,完成基于CC2430芯片的ZigBee通信模块、小信号放大模块和模数装换模块硬件设计,最终完成具有较高灵敏度的ZigBee网络节点硬件设计工作并完成调试;通过系统的ZStack1.4.3协议栈的研究,根据ZigBee网络模块硬件特点,向协议栈操作系统中添加具体任务,编写出具有通用的数据采集功能的下位机程序代码,并移植到硬件模块中进行组网测试和数据采集测试;使用WinCC软件上位机监控界面,通过RS232串口反馈的信息实现对整个ZigBee网络平台的监控,如节点设备的网络状态、数据实时更新。本文的创新处有两点:一是根据设计网络平台的指导思想,保证了网络兼容性,使得不同的生产应用可以轻易地架构到这个平台上,无需重复设计;二是将设计仪表的设计思路应用到这个平台上来,这就为生产参数的测量保证了测量精度。该系统已完成鉴定,是一套性能可靠的ZigBee网络测控平台。本论文实现整个ZigBee系统网络布建、节点数据自动采集、网络状态监控等功能,经实地测试证实,本文通过系统的网络平台设计为ZigBee技术的大规模应用降低了门槛,对于Zigbee技术的普及与发展具有重要意义。这个平台可以适用于大多数的工业生产领域,可以广泛应用于网络监控、生产监控。该系统平台运行稳定、通信可靠。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.1.1 ZigBee 技术概述
• 1.1.2 短距离无线通信的技术比较
• 1.1.3 研究目的与意义
• 1.2 课题研究现状与进展
• 1.3 论文的主要工作
• 第2章 ZigBee 测控网络平台总体结构设计
• 2.1 ZigBee 网络拓扑
• 2.2 设计要求与步骤
• 2.3 ZigBee 网络节点方案选择
• 2.4 网络平台集成开发环境
• 第3章 ZigBee 测控网络硬件系统设计
• 3.1 网络节点设计
• 3.1.1 ZigBee 网络节点设计要求
• 3.1.2 芯片选型
• 3.1.3 电路图设计
• 3.1.4 PCB 设计
• 3.1.5 硬件制作过程
• 3.2 接口电路设计
• 3.2.1 串行通信接口电路
• 3.2.2 液晶接口电路
• 3.3 小信号调理模块
• 3.3.1 基于PT100 的温度检测
• 3.3.2 基于LM324 的单极信号放大
• 3.3.3 基于IN128 的小信号调理
• 3.4 A/D 模块
• 3.4.1 基于片内A/D 的模数转换
• 3.4.2 基于AD7706 的模数转换
• 3.5 电源模块
• 3.5.1 ±5V 电源取电
• 3.5.2 3.3V 供电电路
• 3.5.3 参考电压设计
• 3.6 工艺设计
• 第4章 嵌入式实时操作系统 ZStack 移植
• 4.1 ZigBee 协议规范
• 4.1.1 协议规范简介
• 4.1.2 应用层规范
• 4.1.3 网络规范
• 4.1.4 安全服务规范
• 4.2 ZStack 协议栈运行机制
• 4.3 接口驱动程序
• 4.4 数据采集与传输
• 4.5 协议栈移植与调试
• 第5章 网络平台软件设计
• 5.1 网络监控
• 5.2 人机界面设计
• 5.3 软件测试
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间主要科研成果
• 一、发表学术论文
• 二、其它科研成果