基于ZigBee技术的信息发布/订阅与信号控制系统的应用研究

论文摘要

无线传感器网络是继因特网之后，将对21世纪人类生活方式产生重大影响的IT热门技术。如果说英特网改变了人与人的交互方式，那么，传感器网络把逻辑信息世界与真实人类世界相融合，将改变未来人与自然的交互方式。ZigBee技术就是ZigBee联盟推广的一种无线传感器网络。本文研制了一个在小区域智能交通模拟平台上基于ZigBee技术的信息发布／订阅与信号控制系统。主要完成的工作有两项：第一项，研究与分析协议栈，使用与开发协议栈，建立了一个基于ZigBee协议栈的软件使用平台。（一）研究与分析：Microchip ZigBee协议栈是一个完全开放源代码的协议栈，为深入协议栈内部的研究提供了条件。本文对协议栈内部的程序流程、数据结构、重要参数、原语和函数都进行了较深入的研究分析。参考和查阅了目前关于ZigBee的大量重要的中文文献和英文文献，研究的范围主要包括应用支持子层和网络层。（二）使用与开发：Microchip ZigBee协议栈的所有资源都可以由开发人员使用，本文对协议栈提供的资源进行了较详细的研究，开发了一个使用协议栈的软件程序流程。（三）建立：根据ZigBee联盟的协议规范《ZigBee Specification》，对Microchip zigBee协议栈程序中地址分配等部分进行了改进，从而能够更规范地使用ZigBee协议栈。在合理使用协议栈所提供的资源和本文对协议栈所做的改进的基础上，建立了一个基于ZigBee协议栈的软件使用平台。第二项，设计开发了三类节点，设计制作了节点的硬件电路，设计开发了节点与上位机的通信，与小区域智能交通模拟系统平台相衔接，搭建了基于ZigBee技术的信息发布／订阅与信号控制系统。本文主要设计了在电子沙盘显示屏上的实物节点，实物节点有三类：信号控制从节点、信息发布／订阅从节点、协调器主节点。使用本文所建立的基于ZigBee协议栈的软件使用平台开发了节点软件程序。节点的硬件电路包括PIC18F4620单片机处理器模块、串口通信模块、电源模块、CC2420射频电路模块。节点与上位机的通信使用RS-232方案，并设计了通信帧格式。在内容安排上，文章首先介绍了目前无线传感器网络的研究意义和国内外研究的现状。第二章详细深入的研究与分析了无线传感器网络ZigBee协议栈的应用支持子层（APS）和网络层（NWK），各层的服务接入点（SAPs）包括的部分重要函数和功能说明。第三章设计了基于ZigBee技术的信息发布／订阅与信号控制系统的硬件。第四章设计和开发了节点的硬件，详细说明了组成节点的各个电路模块的设计与实现。第五章设计和开发了节点的软件，详细说明了组成节点设备内部的端点设计，协调器节点、信号控制从节点、信息发布／订阅者从节点的软件设计，节点软件中如何使用zigBee协议栈，最后介绍了两个子系统：信号控制子系统和信息发布／订阅子系统。第六章设计和开发了上位机和协调器节点间的通信协议和帧结构。最后的第七章对全文做了总结，并对未来的工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图索引
• 表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 美国军方NSOF系统
• 1.2.2 加州大学伯克利分校的GDI系统
• 1.2.3 国内研究情况
• 1.3 论文主要内容简介
• 第2章 ZigBee协议的深入研究与理解
• 2.1 概述
• 2.1.1 无线传感器网络概述
• 2.1.2 ZigBee和IEEE 802.15.4概述
• 2.2 ZigBee协议架构
• 2.3 应用支持子层及其服务接入点（APS SAPs）
• 2.3.1 APS层的通用帧格式，APDU
• 2.3.2 健值对（KVP）和报文（MSG）
• 2.3.3 绑定
• 2.3.4 传输，接收，应答
• 2.4 网络层及其服务接入点（NWK SAPs）
• 2.4.1 组建网络
• 2.4.2 发现网络
• 2.4.3 加入网络++
• 2.4.4 通过关联方式加入网络
• 2.4.5 通过直接方式加入网络
• 2.4.6 接收机同步问题
• 2.4.7 NWK层的通用帧格式，NPDU
• 2.4.8 地址分配算法与程序实现
• 2.5 无线网络分析仪ZENA
• 2.6 以数据为中心的和基于内容的网络
• 2.6.1 覆盖网络和分布式散列表模式
• 2.6.2 数据库模式
• 2.6.3 发布/订阅（Publish/subscribe）模式
• 第3章 系统的平台和硬件设计
• 3.1 智能交通模拟系统简介
• 3.2 智能交通软件Tiss介绍
• 3.3 ZigBee技术在智能交通模拟系统中的应用
• 3.4 基于ZigBee的信息发布/订阅与信号控制系统
• 3.5 信号控制子系统
• 3.6 信息发布/订阅子系统
• 第4章 节点的硬件设计与实现
• 4.1 ZigBee节点的总体硬件设计
• 4.2 ZigBee节点母板的硬件设计与实现
• 4.2.1 串口通信模块
• 4.2.2 电源模块
• 4.2.3 射频电路模块
• 4.3 处理器模块
• 4.3.1 主控同步串行端口（MSSP）模块
• 4.3.2 并行从动端口（PSP）模块
• 4.3.3 捕捉/比较/PWM（CCP）模块
• 4.3.4 增强型通用同步/异步收发器（EUSART）模块
• 第5章 ZigBee节点的软件设计与实现
• 5.1 节点设备内的端点设计
• 5.2 三类节点的软件设计
• 5.2.1 协调器节点的软件设计与状态机模型
• 5.2.2 信号控制从节点的软件设计与状态机模型
• 5.2.3 信息发布/订阅者从节点的软件设计
• 5.3 基于ZigBee协议栈的节点程序设计
• 5.3.1 组建网络
• 5.3.2 发现网络和加入网络
• 5.3.3 地址分配机制
• 5.3.4 绑定
• 5.3.5 使用KVP方式传输控制信息
• 5.3.6 使用KVP方式传输数据信息
• 5.4 信号控制子系统的实现
• 5.4.1 信号灯相序
• 5.4.2 信号灯速度
• 5.5 信息发布/订阅子系统的实现
• 第6章 上位机和下位机通信协议的设计与实现
• 6.1 信号控制子系统
• 6.1.1 上位机发送的控制信息帧
• 6.1.2 上位机发送的相序数据帧
• 6.2 信息发布/订阅子系统
• 6.2.1 上位机发送部分
• 6.2.2 上位机接收部分
• 第7章 总结与展望
• 附录
• 附录1 节点母板原理图
• 附录2 节点母板PCB图
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 作者攻读硕士学位期间完成的学术论文