毕业设计(论文)-Zigbee无线路由器的设计.doc
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1、江江 苏苏 科科 技技 大大 学学 本本 科科 毕毕 业业 设设 计(论文)计(论文) 学 院 电气与信息工程学院 专 业 电子信息工程 学生姓名 班级学号 指导教师 二零一一年六月 江苏科技大学本科毕业设计论文 毕业设计(论文)题目: Zigbee 无线路由器的设计 一、一、毕业设计(论文)内容及要求(包括原始数据、技术要求、 达到的指标和应做的实验等) 1 提供条件: zigbee 开发板,IAR 开发环境、PROTEL99 软件等 2 设计内容与要求: (1) 调研收集分析有关资料,总结 Zigbee 无线路由器的结构特点; (2) 确定 Zigbee 无线路由器的结构设计总体方案; (
2、3) 绘制 Zigbee 无线路由器的电路框图、程序流程图等; (4) 设计 Zigbee 无线路由器的电路图和程序。 江苏科技大学本科毕业设计论文 二、二、完成后应交的作业(包括各种说明书、图纸等) 1. 开题报告一份; 2. 毕业设计论文一份(不少于 1.5 万字); 3. 外文译文一篇(不少于 5000 英文单词); 4. 毕业设计源程序一份(含相关使用说明)。 三、三、完成日期及进度 2011 年 3 月 1 日至 2011 年 7 月 2 日,共 18 周。 进度安排: 起止日期工 作 内 容目 标 3.13.7理解毕业设计任务,查阅相关资料。开题报告 3.83.28熟悉软件。 3.
3、294.11系统设计。 4.126.13系统调试。中期检查 6.146.27整理文档,撰写毕业设计论文。毕业设计论文 江苏科技大学本科毕业设计论文 6.287.2上交材料;答辩。 江苏科技大学本科毕业设计论文 四、主要参考资料(包括书刊名称、出版年月等): 1电子技术基础 高等教育出版社 1998。7 2模拟电子线路2 电子科技大学出版社 2004.7 3SP430 系列 16 位超低功耗单片机原理与实践 沈建华 编著 北京航空航天大学出版社 2008.7 4MSP430 单片机基础与实践 谢兴红 编著 北京航空航天大学 出版社 2008.1 5MCS-51 单片机原理及应用实例 清华大学出版
4、社 2004.3 6单片机应用系统设计 北京航空航天大学出版社 1996.12 7.8051 单片机基础教程 科学出版社 2003.9 8.基于 MCS-51 单片机的嵌入式系统设计 电子工业出版社 2004.7 系(教研室)主任: (签章) 年 月 日 学院主管领导: (签章) 年 月 江苏科技大学本科毕业设计论文 日 江苏科技大学本科毕业论文 Zigbee 无线路由器的设计 The ZigBee Wireless Router Design 江苏科技大学本科毕业设计论文 江苏科技大学本科毕业设计论文 第 I 页 摘摘 要要 ZigBee 是一种网络容量大,节点体积小,架构简单,低速率,低功
5、耗的无 线通信技术。由于节点体积小,且能自动组网,所以布局十分方便。网络具有 很强的自愈能力,任何一个节点的失效都不会影响整体,特别适合用来组建无 线传感网络,而这里的一个重要逻辑设备就是 ZigBee 无线路由器,起中继转发 的作用。zigbee 技术由 ZigBee 联盟开发,这是一个由原始设备制造商,技术供 应商和半导体产商加盟的组织。ZigBee 的基础是 IEEE 802.15.4,这是 IEEE 无 线个域网工作组的一项标准被称作 IEEE 802.15.4(ZigBee)技术标准。 ZigBee 技术的应用前景被看好。在未来的几年里,它将在工业控制,工业 无线定位,家庭网络,汽车
6、自动化,楼宇自动化,消费电子,医用设备控制等 多个领域实现广泛的应用。特别是家庭自动化和工业控制将成为今后 ZigBee 芯 片的主要应用领域。 本文将对应用开发的软件核心 ZigBee 协议栈的组成结构和实现方法进行介 绍,完成 ZigBee 无线路由器的硬件设计和软件配置,实现开关控制灯的路由功 能演示实验。设计中采用了 CC2430EB 开发板和 Altium designer,IAR Embedded Workbench for MCS 51 等软件开发环境。 关键词关键词:ZigBee 协议栈;无线路由器;IEEE 802.15.4; 江苏科技大学本科毕业设计论文 第 II 页 Ab
7、stract ZigBee is a kind of Wireless communications technology ,the network capacity is large, the nodal point volume is small, the structure is simple, low speed rate and low-power.Because the nodal point volume is small, and it can organize the network automatically, so Layout is very convenient.Th
8、e network has very strong capability of automatic heal, the lapse of the whichever nodal point cant effected whole, specially suited to be used to organize a Wireless Sensor Network, an important logic equipment here is a wireless ZigBee router,playing the role of the relay. ZigBee is developed by t
9、he ZigBee Alliance. It is an organization of semiconductor manufacturers,technology providers,and Original Equipment ManufactureThe ZigBee foundation is IEEE 802.15.4, this is a IEEE wireless Personal Area Network teams standard called as IEEE 802.15.4 (ZigBee) the technical standard. The ZigBee tec
10、hnologys application foreground is been optimistic about. In the next few years, it will realize the widespread application in the industrial control, the industry wireless localization, the family network, the autocar automation, the building automation, the consumer electronics, the medical device
11、 control and so on many domains. Specially the household automation and the industrial control will become the ZigBee chip main application domain from now on. This article will introduce ZigBee Protocol stack of the Application development s software core ,composition structure and the method to ca
12、rry on, that completes the hardware design and the software disposition of the ZigBee wireless router , realizes the light switch control for routing function demonstration experiment. This design use CC2430EB evaluation board , Altium designer and IAR Embedded Workbench for 8051. Keywords:ZigBee Pr
13、otocol stack; wireless router; IEEE 802.15.4; 江苏科技大学本科毕业设计论文 第 III 页 目 录 第一章第一章 绪论绪论1 1.1 引言.1 1.2 ZigBee 技术.2 1.2.1 ZigBee 技术的发展.2 1.2.2 国内外的发展现状2 1.2.3 ZigBee 技术的特点和关键技术.3 1.3 选题的目的和意义4 1.4 本文的工作内容.5 第二章第二章 IEEEIEEE 802.15.4802.15.4 通信层通信层6 2.1 物理层(PHY)6 2.1.1 无线信道的分配.6 2.1.2 物理层的主要功能.7 2.1.3 IEEE
14、 802.15.4 的调制方式.8 2.1.4 PPDU 格式9 2.1.5 数据的发送与接收.10 2.2 介质访问控制层规范(MAC)10 2.2.1 信标和非信标模式.11 2.2.2 数据传送模式.12 2.2.3 MAC 层通用帧格式.13 第三章第三章 ZIGBEEZIGBEE 的基本概念和基本术语的基本概念和基本术语.16 3.1 ZigBee 的基本术语.16 3.1.1 设备类型(Device Types)16 3.1.2 端点(endpoint).17 3.1.3 Zigbee 网络中的三类地址.18 3.1.4 属性(attribute).18 3.1.5 簇(clust
15、er)19 3.1.6 配置文件(profile)19 3.1.7 绑定(binding).19 第四章第四章 ZIGBEEZIGBEE 协议栈的体系结构和原理协议栈的体系结构和原理.20 4.1 ZigBee 体系结构20 4.2 网络层的原理.21 4.2.1 网络层帧结构21 4.3 网络层管理服务功能22 4.3.1 网络维护之建立网络23 江苏科技大学本科毕业设计论文 第 IV 页 4.3.2 .怎样加入网络25 4.3.3 怎样离开网络26 4.4 网络层数据的发送与接送.27 4.4.1 各层帧结构的构成29 4.5 路由选择29 4.5.1 路由成本29 4.5.2 路由表.3
16、0 4.5.3 路由选择30 4.6 网络层的地址分配32 4.7 基本路由算法.33 4.7.1 路由函数34 第五章第五章 ZIGBEEZIGBEE 无线路由器硬件设计无线路由器硬件设计.37 5.1 主电路设计37 5.1.1 CC2430 外围电路设计37 5.1.2.电源电路与上电复位电路.38 5.1.3.串口电路.38 5.1.4.按键电路.39 5.1.5.LED 显示39 5.1.6 排针引出调试端口和部分芯片引脚.40 5.2 PCB 的设计.40 第六章第六章 ZIGBEEZIGBEE 无线路由器的软件设计无线路由器的软件设计41 6.1 操作系统抽象层(OSAL).41
17、 6.1.1 OS 术语.41 6.1.2 协议栈的架构42 6.1.3 Z-Stack 相关的 IAR 工程选项设置45 6.2 Z-STACK 软件架构46 6.2.1 任务的初始化和处理函数47 6.2.2 任务的调度.48 6.3 时间管理 API.52 6.4 建立自己的应用.53 6.4.1 设备信息配置56 6.4.2 协调器的建网59 6.4.3 绑定.60 6.4.4 绑定解除61 6.5 路由功能演示.61 第七章第七章 协议分析仪的使用协议分析仪的使用64 7.1 协议分析仪64 7.2 灯开关实验中的数据捕获.64 江苏科技大学本科毕业设计论文 第 V 页 结结 语语.
18、67 致致 谢谢.68 参参 考考 文文 献献69 附附 录录70 江苏科技大学本科毕业设计论文 第 1 页 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 引言引言 随着通信技术的发展,短距离无线通信技术已逐渐成为无线通信技术的 一个重要分支。这是因为在现实生活中,存在着许多这样的应用需求,系统所 传输的数据通常为小量的突发信号,即数据特征为数据量小,要求进行实时传 送。如采用传统的无线通信技术,虽然能满足上述要求,但存在着设备的成本 高、体积大和能源消耗较大、组网困难等问题。针对这样的应用场合,人们更 希望利用具有低成本、体积小、能量消耗小和传输速率低的短距离无线通信技 术。 无线传感网络是由大量体
19、积小,成本低,具有无线通信,传感,数据处理 能力的传感器节点组成的,传感器节点一般由传感单元,处理单元,收发单元, 电源单元等功能模块组成。 在无线传感网络中,大量的传感节点被布置在整个观测区域中,各个传感器 节点将所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合后传给用户,数据 传送的过程是通过相邻的节点接力传送的方式传送回基站。 无线传感器网络是新一代的传感器网络,具有非常广泛的应用前景,各国都 非常重视无线传感网络的发展,IEEE 正在努力推进无线传感网络的应用和发展, 波士顿大学还创办了传感器网络协会(sensor network consortium),美国 技术评论杂志在论述未来新兴
20、十大技术时,更是将无线传感器列入其中。 在“中国未来 20 年技术预见研究”中共 157 个技术课题,其中 7 项式直接论述 传感网络的。 本文主要研究具有近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本、大容 量、高可靠度、高安全性的无线传感器网络新技术ZigBee 技术,并给出 CC2430 的硬件设计,协议栈的实现,路由算法的流程,以及协议栈各层的详细 介绍。 江苏科技大学本科毕业设计论文 第 2 页 1.21.2 ZigBeeZigBee 技术技术 1.2.11.2.1 ZigBeeZigBee 技术的发展技术的发展 蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位 置等
21、信息,这种肢体语言就是 ZigZag 行舞蹈,是蜜蜂之间一种简单传达信息的 方式。借此意义 Zigbee 作为新一代无线通讯技术的命名。 简单的说,Zigbee 是一种高可靠的无线数传网络,类似于 CDMA 和 GSM 网络。Zigbee 数传模块 类似于移动网络基站。通讯距离从标准的 75m 到几百米、几公里,并且支持无 限扩展。 ZigBee 是一种新兴的短距离,低速率无线网络技术,它是一种介于无线标 记技术和蓝牙之间的技术提案。它此前被称作“HomeRF lite”或“FireFly”无 线技术,主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准,在数千个微小的 传感器之间相互协调实现通信。这
22、些传感器只需要很少的能量,以接力的方式 通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们之间的通信效 率非常高。 2002 年下半年,英国 Invensys 公司,日本三菱电子,Motorola 和 Philips 等国 际知名的大公司宣布加入 ZigBee 联盟,该联盟已有好几百家成员企业,并仍在 发展壮大。 1.2.2 国内外的发展现状国内外的发展现状 从 2003 年 12 月,CHIPCON 推出业界第一款 ZigBee 收发器 CC2420 以来, 各大半导体厂家可谓百家争鸣,先后推出许多款 ZigBee 收发芯片,其中仍然以 CHIPCON 最受关注。2004 年 12 月
23、,推出全球第一个 IEEE 802.15.4/ZigBee 片 上系统(SoC)解决方案-CC2430 无线单片机,该款芯片内部集成了一颗增 强型的 8051 内核以及业内性能卓越的 ZigBee 收发器 CC2420。2005 年 12 月, CHIPCON 再接再厉,推出内嵌定位引擎的 ZigBee/IEEE 802.15.4 解决方案 江苏科技大学本科毕业设计论文 第 3 页 CC2431。 2006 年 2 月 TI 公司收购 CHIPCON 公司,以壮大其在 RF 行业的龙头地位。 之后 TI 在发布的 ZigBee 收发器以及无线单片机上进行不断的修订,也陆续开 发出具有针对性的开
24、发系统,并于 2006 年 10 月把其自身的 MSP430 处理器用 于对于 ZigBee 收发器的控制。2008 年 2 月,推出第二代 ZigBee/IEEE 802.15.4 收发芯片 CC2520 ,2008 年 4 月推出 ZigBee 协处理器 CC2480,2008 年 6 月 推出 2.4G 放大芯片 CC2591。 对于 ZigBee 的协议栈,2004 年 12 月 ZigBee 1.0 标准(又称为 ZigBee2004)敲 定,之后于 2005 年 9 月公布并提供下载。于 2006 年 12 月进行标准修订,推出 ZigBee 1.1 版(又称为 ZigBee200
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