基于ZigBee的无线监测监控网络系统研究

论文摘要

在现代无线通信技术和网络技术的发展下,本文提出了基于ZigBee技术的无线监测监控网络技术。随着电子技术和嵌入式技术的进步,业界对通信技术的要求是越来越高了,从先前的有线通信技术到现在的无线通信技术,特别是对目前较为先进的无线监测监控网络通信技术。通过对无线技术的认识,本文设计了基于ZigBee技术的无线监测监控网络的研究。ZigBee无线网络是基于ZigBee技术而构造的一种低功耗、低成本、高速率的无线通信网络。在目前国内外通信技术行业中,无线网络通信技术在各个领域内得到了广泛的应用。尤其是无线监测监控网络技术在目前国内外是备受关注的研究主题。无线监测监控网络技术包含了计算机技术、通信技术和传感器技术。目前电子通信领域内,存在着很多的无线技术,比如:蓝牙、无线近场通信、UWB和ZigBee技术。而且,ZigBee技术是一种新兴的无线通信技术,虽然ZigBee技术在国内市场出现的较晚,但是基于它的低功耗、短延时、低成本、近距离传输等优点。ZigBee无线技术在无线通信行业发展很迅速。所以,在目前所有的无线技术领域内,ZigBee技术发展的相当快。它主要运用于工业控制、智能家庭网络、国防工业、汽车行业和环境监测等。本文首先详细介绍了无线监测监控网络系统的发展和目前国内外的研究动态。在此基础上分析了基于ZigBee技术的无线监测监控网络技术。在多种无线通信技术的选择下,最后选用了ZigBee技术作为基本通讯协议核心。并且详细介绍了ZigBee技术的发展和背景、协议栈结构、网络拓扑和CC2430芯片。并且利用ZigBee技术协议栈实现了该无线监测监控网络系统的要求。基于此平台上实现了树型、星型和网络型网络拓扑结构。其次,研究了基于ZigBee技术的无线网络的工作原理和协议栈结构,并且分析了其物理层、网络层、媒体访问控制层和应用层。本文选用了最新的ZigBee技术芯片CC2430芯片,并且运用无线单片机核心的HFZ-SmartRF04EB为主要控制单元。同时对CC2430进行了配置,设置了低成本的无线通信模块,采用RS232串口通信和PC机相连接,设计了它们之间的接口通信协议,并且利用此技术实现了简单的点对点无线通信技术试验。通过对CC2430芯片的入网和退网以及节点是否成功加入网络。实现了可以在远程监控环境当中的参数,在此平台上设计了协调器节点、路由器节点和终端节点的绑定和数据收发的功能。验证了ZigBee无线通信技术的稳定性。最后,通过结合最新ZigBee技术的通信规范设计了ZigBee技术的协议栈组网模式。在实验室完成了基于ZigBee技术的点对点实验和树型拓扑结构的无线通信组网实验,并且肯定了基于ZigBee无线技术的传感器网络的可行性和稳定性。经过系统的软件和硬件联合试验调试,实验结果表明,本文所设计的基于ZigBee无线通信技术的无线监测监控网络系统的稳定性,基本满足所有的系统要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 无线监测监控网络系统介绍
• 1.2 无线监测监控网络的发展过程
• 1.3 无线监测监控网络的研究动态
• 1.4 ZigBee 技术的发展和应用
• 1.5 本课题研究的主要内容
• 1.5.1 本课题主要研究的内容
• 1.5.2 论文内容安排
• 1.6 本章小结
• 第2章 ZigBee 技术简介
• 2.1 ZigBee 技术的概述
• 2.1.1 ZigBee 技术的特点
• 2.1.2 ZigBee 网络中的设备
• 2.2 ZigBee 网络系统中的协议栈
• 2.2.1 物理层规范
• 2.2.2 媒体访问控制层（MAC）规范
• 2.2.3 网络层（NWK）规范
• 2.2.4 ZigBee 应用层规范
• 2.3 ZigBee 网络拓扑结构
• 2.3.1 两种功能的类型设备
• 2.3.2 三种节点类型
• 2.3.3 三种网络拓扑结构
• 2.4 CC2430 芯片概述
• 2.4.1 CC2430 的特点
• 2.4.2 CC2430 引脚和I/0 配置
• 2.5 射频天线
• 2.6 数据传输方式
• 2.7 本章小结
• 第3章 无线监测监控网络系统的硬件设计
• 3.1 无线监测监控系统的要求
• 3.2 无线监测监控系统的总体方案
• 3.3 系统硬件设计
• 3.3.1 CC2430 处理器模块
• 3.3.2 复位电路模块设计
• 3.3.3 电源以及供电模块设计
• 3.3.4 终端节点A/D 采集电路设计
• 3.4 终端节点的硬件设计
• 3.5 路由器节点的硬件框图设计
• 3.6 协调器节点的硬件设计
• 3.7 本章小结
• 第4章 无线监测监控网络系统的软件设计
• 4.1 ZigBee 网络原语的概念
• 4.2 协调器节点的软件设计
• 4.3 协调器节点与PC 机通信的设计
• 4.4 终端节点的信息采集软件设计
• 4.5 节点间通信协议的实现原理
• 4.6 ZigBee 网络的组网过程
• 4.7 路由器节点的设计
• 4.7.1 路由算法基本概念
• 4.7.2 路由算法
• 4.7.3 路由方式
• 4.7.4 路由过程
• 4.8 路由算法的设计
• 4.9 本章小结
• 第5章 系统的实验与调试
• 5.1 实验的环境
• 5.2 协调器节点、路由器节点和终端节点的调试
• 5.2.1 终端节点的调试
• 5.2.2 路由器节点的调试
• 5.2.3 协调器节点的调试
• 5.3 点对点实验
• 5.4 星型网络参数测试
• 5.5 网络性能测试
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 存在的不足
• 6.3 工作展望
• 参考文献
• 作者读研期间的主要科研成果
• 致谢
• 附录1 终端节点原理图
• 附录2 硬件设计原理图
• 附录3 终端节点PCB 图
• 附录4 系统软件结构图
• 附录5 路由器实现代码