基于ZigBee技术的自习室人数监测系统研究

论文总字数：22014字

目 录

第一章 绪论 5

1.1设计的背景和研究意义 5

1.2 自习室监测系统的特点 5

1.3国内外研究现状 6

1.3.1 ZigBee技术的国内外研究现状 6

1.3.2人数监测系统的国内外研究现状 6

1.4论文的内容及安排 7

1.4.1主要内容 7

1.4.2论文的安排 7

第二章 ZigBee技术的概述 9

2.1 ZigBee的介绍 9

2.1.1 ZigBee技术的特点 9

2. 1.2 ZigBee与其它通信方式的比较 10

2.1.3 ZigBee的网络拓扑结构 11

2.2 ZigBee的协议标准 12

2.2.1物理层（PHY） 12

2.2.2 介质访问层（MAC） 12

2.2.3 网络层（NWK） 12

2.2.4应用层（APP） 13

2.3本章小结 13

第三章 系统硬件电路 14

3.1设计原则 14

3.2系统的总体设计 14

3.3 CC2530核心模块 15

3.3.1 CC2530芯片介绍 15

3.3.2 CC2530外围电路设计 16

3.4电池板模块 18

3.5光电传感器模块 21

3.6本章小结 22

第四章 系统的软件设计 23

4.1 ZigBee开发平台 23

4.1.1 IAR Embedded Workbench7.60 23

4.1.2 Z-Stack协议栈 23

4.2 ZigBee网络的建立 24

4.3 ZigBee网络的加入 25

4.4终端程序设计 26

4.5本章小结 27

第五章 系统软硬件的调试 28

5.1搭建实验平台 28

5.2本章小结 29

第六章 总结和展望 30

6.1 本文工作总结 30

6.2 工作展望 30

参考文献 31

致 谢 32

第一章 绪论

1.1设计的背景和研究意义

随着我国人民受教育水平的不断提高，读大学对于大部分人来说已经是必不可少的学习阶段。同时，国家的经济社会也在持续的进步，在教育经费上的投资不断的增长，大学的扩招已是大势所趋。学生人数的增加，势必让图书馆、自习室等学习的地方成了紧缺资源。尤其是自习教室紧张，课余时间常看到许多学生穿梭于各个自习室之间为了找到自习室座位。在学生选择自习室的时候会遇到以下的问题：（1）周一到周五的白天时间，大部分教室都会有课程安排。在不去教室查看的前提下，学生肯定不知道具体哪间教室有课哪间没课。要想找到自习的教室就需要花费时间在寻找空教室上，这样就会浪费很多时间和精力。所以说，不提倡这样的方法。（2）晚上将会有一大部分教室空闲出来，但是又是学生自习的高峰时间，当学生随机挑选自习室时就会出现教室人数分布不均的情况。一些自习室人满为患，又会有一些自习室门可罗雀。所以很多时间又要浪费在找教室上，在教室走动不但会影响自己的情绪，还会给已经在教室学习的同学造成一定的干扰，得不偿失。为了帮助学生节省时间和实现自习室资源的充分利用，开发了一套自习室人数检测系统就显得十分必要、有价值。

基于以上考虑，以能让想也是快速找到自习教室为目的，以自习室资源的充分利用和人数监测为手段，以无线通信技术个显示技术的发展为依托，提出设计一个基于ZigBee技术的自习室人数监测系统具有较好的现实意义和应用价值。

1.2 自习室监测系统的特点

自习室监测系统为学生提供教室的座位总数以及已被占用的座位数信息，同时将测得的数据通过无线的方式传输的LED屏上显示出来。该显示屏可以安放在教学楼门口或者大厅等方便学生查询的地方。为了可以方便自习室人数监测以及测得结果的真实可靠准确，本次设计的自习室监测系统具备下列特点：

1. 多节点监测

一栋教学楼中拥有着很多数量的教室。要想监测到每个教室的人数就需要在相应的教室的门口安装一个传感器监测模块（红外光电模块），再将每个节点的检测到的结果传送的到协调器上显示。

（2）系统灵活

当被测量的对象数目比较庞大的时候，系统就要具备一定的灵活性。教室数目的增减都能保证系统的完整性，新系统也能够方便搭建。

1. 无线传输

采用无线通信的数据传输方式，打破传统意义上的有线连接，避免了不必要的线路布置。在没有电线限制，终端节点的位置就不会被限制在某一点，这样节点的安排就显得更加的灵活。可以随意的移动到自己想要放置的地方。这样也可以降低施工的难度和操作的成本，系统的美观也得到了提升。

1.3国内外研究现状

1.3.1 ZigBee技术的国内外研究现状

国外很早就对ZigBee技术有所研究，在通信方式及其通信协议方面的研究也是相当的成熟，也作出了相应的标准规定。从2001年zigbee Alliance（zigbee 联盟）的成立，再到2002年，英国英维斯公司、Freescale公司、日本三菱电气公司以及荷兰 PHILIPS半导体公司等公司对ZigBee技术产生了浓厚的兴趣，投入了一定的资金对ZigBee进行了研究。后来也相继的加入到ZigBee Alliance之中。将“ZigBee”作为新一代的无线技术的通信标准，该项技术日益完善不断的壮大发展起来。至今，zigbee联盟已有超过300家的会员。2006年和2007年zigbee联盟先后规范了zigbee的通信协议标准。逐渐完善的体系，该无限通信得以在各个领域的应用，如：交通运输、农业、楼宇自动化等方面。

国内对于ZigBee的研究基础较为薄弱，起步也落后于外国。但是发展的速度是相当的惊人。就目前来说了也取得了很多进展。zigbee技术的应用领域也不断的扩大。华为是国内知名的通信设备销售公司，2006年以会员的身份加入到ZigBee通信技术的研究之中，对ZigBee协议规范的制定起到了积极的作用的。2008年ZigBee产业基地在吉林建成，曼博得到了ZigBee联盟的独家授权，成为了ZigBee在中国市场的首家权威研究公司。另外，上海顺舟网络科技有限公司是吸引风险投资成立的科技型企业，公司主要从事无线通信技术与产品的研究、开发、生产与销售，他们公司的产品已经得到了广泛的应用^[2]。将ZigBee技术成功应用到智能家居、无限工业控制、将抗医疗服务等，在国内起到了较好领导作用。国内的很多院校也意识到ZigBee无线发展前景，学生对该技术也有着浓厚的兴趣，便纷纷成立专门研究团队，致力于ZigBee的开发，浙江大学在次方面起到了带头作用。结合已有的协议和芯片的，ZigBee在国内的发展会非常的迅速。经过几年的发展会有一系列国产ZigBee产品投入市场。

1.3.2人数监测系统的国内外研究现状

人数统计因为在生活中有重要的价值，因此受到广泛的关注。国内外的很多公司或者高校都参与其中，对不同的人数统计方法展开研究与应用。人数统计的方法可分为两种，一种是视频监控，对动态视频数据进行分析处理来计数。还有一种是传感器识别计数。本次设计采用的是第二种计数方法。该方法在国内得到了广泛的应用。2012年，北京交通大学利用单片机技术设计了自习室的人数监测系统，但是仅仅只完成了对单个教室的人数统计，没有组成一个网络系统，也无法对人数查询。如东南大学设计的基于zigbee和单片机的教室情况查询系统，利用zigbee完成各个传感器模块的相连，实现对教室信息的掌握与了解^[3]。

1.4论文的内容及安排

1.4.1主要内容

本文以人数监测技术为研究背景，终端节点上红外光电模块对采集到的数据进行处理，包括教室总人数的显示和流动人数的计数。再利用ZigBee通信将数据传输到协调器上，协调器节点完成对收到数据的处理工作后再通过串口发送数据到OLED显示屏上。实现教室人数的监测和显示，从而为学生提供一个良好舒适的学习环境。

根据这些介绍，本文的主要内容大概如以下几点：

1. 简单介绍了ZigBee协议中每一层在网络中的作用和各层之间的关系，并对一些重要环节做出相似的介绍，如组网、联网、数据传输等。
2. 设计了基于ZigBee技术的自习室人数监测系统。包括协调器节点电路与传感器节点电路。在协调器节点中,本文实现了电源、JTAG接口、核心通信模块、串口通信、按键、OLED的设计。在终端节点上连接了两个红外光电传感器，实现了对进出自习室人数的统计。
3. 进行系统软件的设计。在IAR Embedded workbench IDE软件工具上完成系统的数据采集程序、系统的组网程序、数据的传输程序、串口通信的程序的软件设计等。

1.4.2论文的安排

1. ：绪论，对课题的研究背景和意义、本次设计的特点、ZigBee技术的国内外研究现状进行了介绍。
2. ：对ZigBee技术的介绍，包括ZigBee网络通信结构、ZigBee的协议标准、与其它无线通信的比较，也介绍了ZigBee技术的应用前景。
3. ：节点硬件电路的设计，包括了实现通信和数据处理的核心芯片，即ZigBee技术的核心模块的设计。同时还有方便外接与控制的电源板模块的设计。对设计中所要的的功能以及原理图进行了剖析。包括CC2530芯片和它的外围电路、供电电源、串口通信单元、无限传输单元等。

第四章：对本系统的软件开发环境 IAR Embedded Workbench 进行了介绍,IAR 拥有简洁的开发界面和舒适的编辑串口，开发者很容易掌握所有功能。选用IAR作为 ZigBee 协议栈的开发和设计环境非常适合。接着介绍一下整个网络的工作过程，包括网络的建立、网络的连结以及终端数据的采集过程。

第五、六章则是针对硬件的设计以及软件的调试过程遇到的问题情况的描述，和改进方法的提出以及针对以后设计的展望。

第二章 ZigBee技术的概述

2.1 ZigBee的介绍

ZigBee 技术作为一种无线网络标准,它是在 IEEE802.15.4 标准基础上发展而来的^[4]。ZigBee的传输距离不是很远，数据的传输速率相对来时也比较慢，这一系列的要求在该标准中都做了详细的阐述。该标准阐了明短距离、低速率的数据传输的无限通信所需要的一系列的标准。

ZigBee联盟制定的ZigBee标准包括四层：物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、网络层（NWK）、应用层（APL）^[5]。每层都有自己的所要完成的工作，各层之间也有一定的联系，共同完成整个网络的工作。其中物理层和MAC层是IEEE802.15.4工作组制定的，而ZigBee联盟之定义了网络层和应用层。ZigBee网络结构如图2.1所示。而本次设计的重心在放在应用层的设计。

应用层

应用层

MAC层

ZigBee联盟定义 IEEE802.15.4工作组

网络层 物理层

图 2.1

2.1.1 ZigBee技术的特点

1. 成本低：ZigBee的迅速发展，目前一个模块的开发成本在1.5-2.5美元左右，并且ZigBee协议可免费使用，不需要付专利费。很多半导体公司都推出了适合ZigBee开发的芯片。低成本对ZigBee技术应用的推广起到了关键作用。
2. 功耗低：正如上文提到的，ZigBee模块传输速率相对比较低，收发距离也很只有几十米，没有大功耗的模块存在。在电源模块设计的时候还加入了休眠模式，即在无人的时候自动切断电源，所以整个网络模块的功耗很低，每一个节点就需要两节5号电池供电就可以，续航时间在六个月以上。
3. 安全可靠：ZigBee信号的传输采用的是数据包的形式，为了防止传送数据的丢失，在数据的传输之前都会对数据包进行检查。通过检查后再进行数据的传输，而且每个应用都有自己的检查机制，彼此之间互不影响。另外，在数据收发时会产生竞争冒险冲突，为了阻止这一情况的发生，采用了避免数据碰撞方法，即在发送数据时，都需要得到接收方的确认之后才能送达^[6]。
4. 时间延时短：上电后网络连接、设备的加入、数据的传输延时都低于30ms。
5. 网络容量大：一个星形网络拓扑结构的ZigBee可以接入一个主设备和254个从设备。在网状网络中，在不考虑实际操作的情况下，可以有65536个节点可加入。但在实际布网中大约有64000左右的节点。ZigBee网络组成十分的灵活，所以ZigBee网络的一个显著的特点就是网络容量大。
6. 1.2 ZigBee与其它通信方式的比较^[7]

随着无线通信时代的到来，短距离无线通信受到关注度不断上升。近来无线通信技术的大力发展，许多新兴的短距离通信技术也是层出不穷。除了本文采用的ZigBee技术，还有一些其他方式，如WiFi、蓝牙等通信技术。ZigBee和这些通信技术比起来，传输速率较低，也是由于这一原因致使ZigBee技术的功耗低。但是相比较WiFi、蓝牙来说它的优点就在于庞大的网络容量。ZigBee技术和蓝牙、WiFi的比较如表2.1所示。

表2.1.2 三个短距离无线通信方式的比较