基于ZIGBEE无线网络技术的监控系统设计

论文摘要

无线网络是一种采用无线电信号为介质进行数据传输的网络,通过无线通信的方式组成的一个多跳自组织的网络系统,网络能够协作地感知、采集和处理覆盖区域中被监测对象的信息。与传统网络相比,它不需要对安装区域内的设备节点进行布线,因此,在信号覆盖范围内,所有节点设备均可以不受线缆的限制任意布置。本文应用TI公司推出开放式商业化ZIGBEE协议栈——Z-Stack,设计了-个应用于车间的树簇拓扑监控网络系统。ZIGBEE是一种短距离无线通信技术,其中物理层和MAC层协议由IEEE802.15.4协议定义,网络层和安全层由ZIGBEE联盟制定,应用层根据用户自己的需要,对其进行开发利用。本文是作者在工程硕士研究生期间的研究总结,通过对某工厂车间内的设备加装自动监控系统,利用ZIGBEE协议技术组建一套短距离、低速率、低成本、低功耗的无线通信组网,把无线通讯的方式应用到自动监控系统中。要构建此系统,需要进行以下几个步骤：（1）建立一个基于ZIGBEE通讯协议的无线网络模型。分析Z-Stack协议栈工作原理,包括对网络建立流程、树簇拓扑网络的建立、分布式网络地址分配、自愈路由算法等内容等,测试网络的连通性和可靠性。（2）数据需求分析：根据工厂生产的需要,分析需采集的信号类型、采集位置、工作方式以及车间环境,并根据这些因素设计传感器、采集器等硬件设备。（3）根据已ZIGBEE通讯协议的无线网络模型进行扩展,并根据各节点的数据类型,设计相关的硬件和软件,以满足实际生产中数据采集的需要。（4）根据工厂数据分析需要,编写上位机应用程序。包括设计数据库、应用软件的编写、报表以及分析图表等。该系统可取代有线传输方式进行通信和组网,与其目前其他一些主流无线网络技术相比,不仅降低系统复杂度,还提高系统可靠性和稳定性,实现自动化仪表纪录、远程视频监控,从而实现车间管理自动化、信息化。该系可基于工厂原有控制基础之上,且不需要进行额外布线改造,所以前期投入不高,后期使用成本也极低,因此该系统特别适合那些老旧设备或因厂房老旧难以进行布线的旧工厂车间的自动化改造。由于目前国内工厂自动化网络程度不高特别是无线自控网络,因此该系统的简历能为无线传感器网络技术在监控系统中的进一步应用和推广提供了思路和一些评估依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 绪论
• 0.1 课题背景及意义
• 0.2 ZIGBEE技术的特点及其应用
• 0.3 集中短距离无线通信技术的比较
• 0.4 项目研究的意义
• 1 ZIGBEE技术
• 1.1 ZIGBEE技术概述
• 1.1.1 IEEE802.15.4标准
• 1.2 ZIGBEE技术的协议架构
• 1.2.1 物理层规范
• 1.2.1.1 信道分配和信道编码
• 1.2.1.2 物理层协议数据单元（PPDU）结构
• 1.2.1.3 物理层的应用
• 1.2.2 MAC层服务规范
• 1.2.2.1 MAC层服务接口
• 1.2.2.2 MAC层协议数据单元
• 1.2.3 网络层管理服务
• 1.2.3.1 网络拓扑
• 1.2.3.2 网络层的组成和接口
• 1.2.3.3 网络层协议数据单元
• 1.2.4 应用层APL
• 1.2.4.1 应用支持子层（APS）
• 1.2.4.2 应用支持子层帧格式（APDU）
• 1.2.4.3 ZIGBEE设备对象
• 1.3 本章小结
• 2 ZigBee网络模型的建立
• 2.1. 硬件架构设计方案
• 2.1.1 关键芯片CC2430
• 2.1.2 射频与模拟收发器的设计
• 2.2 节点软件的设计
• 2.2.1 Z-Stack简介
• 2.2.2 Z-Stack的构建
• 2.3 网络建立流程
• 2.3.1 网络的建立
• 2.3.2 ZIGBEE模块的设置
• 2.4 模型测试
• 2.5 本章小结
• 3 无线车间监控系统的设计
• 3.1 无线监控系统设计基本要求和设计思想
• 3.2 网络的基本架构
• 3.3 传感器选取
• 3.3.1 语音/视频监控系统
• 3.3.2 感烟探测器
• 3.3.3 数据传输器
• 3.3.4 电源模块
• 3.3.5 计算机接口电路
• 3.4 本章小结
• 4 无线监控系统的软件设计
• 4.1 数据库的设计
• 4.1.1 表的设计
• 4.1.2 查询的设计
• 4.1.3 报表的设计
• 4.2 应用软件界面的设计
• 4.3 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢