密级一般分类号TP393硕士学位论文作者：杨朋伟指导教师：侯宏录教授申请学位学科：2009年4月20日XI’ANTECHNOLOGICAL UNIVERSITY基于Zigbee的低功耗数据采集系统设计测试计量技术及仪器题目:基于Zigbee的低功耗数据采集系统设计学科：测试计量技术及仪器研究生签字：指导教师签字：摘要Zigbee无线传感器网络技术是一种全新的短距离无线通信技术，广泛应用于智能控制、无线监控及环境监测等领域。
目前，对于Zigbee无线传感器网络技术的应用还存在诸多问题，本文重点对无线传感器网络时间同步算法、低功耗系统设计开展深入研究。
1.对Zigbee无线传感器网络时间同步算法进行了全面分析研究,从降低同步开销和关键路径长度的角度出发，提出了两种应用于不同环境下的时间同步算法。
1）当网络规模较小时，采用二层拓扑结构的Zigbee时间同步算法，该算法通过构造二层拓扑结构和时延估计的方法实现了ms级的时间同步精度.降低了时间同步开销；2）当网络规模较大时，采用多跳传感器网络时间同步算法，该算法通过构造较优拓扑结构和累计时延估计的办法降低了时间同步开销及关键路径长度。
2.通过对Zigbee协议栈的研究及分析，从低功耗设计的角度出发，完成了Zigbee低功耗无线数据采集及传输系统设计。
主要内容包括如下几个方面：1）完成了Zigbee无线网络节点的电路设计及相关应用电路设计，在此基础上，应用IAR7.20H开发平台完成了Zigbee无线网络节点的功能软件设计。
2）使用TI公司的CC2430芯片完成了Zigbee节点点对点无线通信的设计及Zigbee 简单网络节点通信设计。
3）完成了多路传感器数据采集接口的设计及Zigbee无线网络监控管理软件设计。
4）研究了无线网络节点功能软件的低功耗设计方法。
5）搭建了Zigbee低功耗无线数据采集及传输系统，对其进行了调试和实验，结果表明该系统在70m范围内工作稳定，误码率较低，时间同步精度较高，能够满足工业环境下的参数远程监控。
关键词：数据采集及传输；低功耗；无线传感器网络；时间同步算法；ZigbeeDesign of Low-power Data Acquisition SystemBased on ZigbeeDiscipline:Measuring and Testing Technologies and InstrumentsStudent Signature:Supervisor:Ab Abstra stra stractct Zigbee wireless sensor network technology is a new short-range wireless communication`s technology,which is used widely in intelligent control,wireless control,environmental monitoring and other fields.At present,there are still some problems for Zigbee wireless sensor network technology.This paper focuses on wireless sensor network time synchronization algorithm and low-power system design.1.Wireless sensor network time synchronization algorithm is analyzed and studied deeply,then two time synchronization algorithms used in different environments are proposed from the reduced synchronization overhead and critical path length point of view.1)The Zigbee time synchronization algorithm with two-story topology which realize the ms-level time synchronization accuracy and reduces the time synchronization overhead through the methods of constructing two-story topology structure and estimating the time-delay can be used when the network size is small;2)The multi-hop sensor network time synchronization algorithm which realize the better time synchronization accuracy ,reduces the time synchronization overhead and critical path length through the methods of constructing better topology structure and estimating the cumulative time-delay can be used when the network size is larger.2.Through research and analysis for Zigbee protocol stack,the low-power wireless data acquisition and transmission system based on Zigbee is designed from low-power design point of view.The main work include the following aspects:1)The circuit design of a Zigbee wireless network node and system application are completed.on this basis,the software design with the Zigbee wireless network node are completed in development platform IAR 7.20H.2)The design of peer-to-peer wireless communications and Sample network node communication of those Zigbee nodes is completed by using TI's CC2430chip.3)The multi-channel sensor data acquisition interface and Zigbee wireless networkmonitoring and management software is designed.4)the low-power design methodology for a wireless network node software is studied.5)The low-power wireless data acquisition and transmission system based on Zigbee is builded and debugged.The results show that the system have some belifet with lower data error rate and high precision of time synchronization.It is able to meet the needs of remote monitoring of the parameters on industrial environment.Key Words:data acquisition and transmission;low-power;wireless sensor networks;time synchronization algorithm;Zigbee目录1绪论 (1)1.1Zigbee无线数据采集及传输网络描述 (1)1.2研究Zigbee低功耗数据采集及传输系统的必要性 (1)1.3本文的主要内容和结构 (2)2无线传感器网络及IEEE802.15.4/Zigbee技术 (3)2.1无线传感器网络技术 (3)2.1.1无线传感器网络发展概况 (3)2.1.2无线传感器网络的特点 (4)2.1.3无线传感器网络的体系结构 (4)2.2IEEE802.15.4/Zigbee技术 (5)2.2.1IEEE802.15.4/Zigbee协议 (5)2.2.2Zigbee无线传感器网络关键技术 (6)2.2.3Zigbee技术优势 (7)2.2.4Zigbee应用前景 (7)3无线传感器网络时间同步算法的研究 (8)3.1二层拓扑结构的Zigbee时间同步算法 (8)3.1.1求区域簇首节点集 (9)3.1.2求支配节点集 (9)3.1.3二层拓扑结构的构造 (10)3.1.4时间同步的实现 (10)3.1.5算法性能分析 (11)3.2无线传感器网络多跳时间同步算法 (11)3.2.1最优拓扑结构的构造 (11)3.2.2时间同步的实现 (12)3.2.3应用举例 (12)3.2.4算法性能实验分析 (13)4Zigbee无线传感器网络的设计和实现 (14)4.1Zigbee无线传感器网络的总体方案设计 (14)4.2Zigbee节点硬件电路设计及测试 (15)4.2.1硬件模块划分 (15)4.2.2Zigbee无线通信模块设计 (15)4.2.3系统应用电路设计 (21)4.2.4电路板PCB图及其布线规则 (25)4.2.5节点硬件实现 (26)4.3Zigbee节点软件设计及关键方法实现 (26)4.3.1液晶显示程序设计 (26)4.3.2按键ADC采样方法及多级菜单显示的实现 (29)4.3.3数据接收端程序 (29)4.3.4终端节点主程序 (35)4.3.5Zigbee网络节点发送及接收数据 (37)5Zigbee低功耗数据采集系统的设计和实现 (42)5.1A/D转换模块及数据采集程序设计 (42)5.1.1ADC参考电压 (42)5.1.2ADC初始化 (42)5.1.3单次数据采集程序设计 (43)5.1.4连续数据采集程序设计 (43)5.2节点低功耗设计 (45)5.2.1节点的休眠机制及节点休眠方法 (45)5.2.2节点的低功耗设计 (45)5.3Zigbee网络监控软件的设计 (46)5.3.1Zigbee网络监控软件的总体设计 (46)5.3.2网络监控软件关键方法及设计 (46)5.3.3实验结果 (49)6系统测试及结果 (50)6.1点对点数据传输测试 (50)6.2简单路由网络数据传输测试 (50)6.3系统的功耗测试 (51)6.4结果分析 (51)7结论 (52)参考文献 (53)攻读硕士学位期间发表的论文 (56)致谢 (57)学位论文知识产权声明 (58)学位论文独创性声明 (59)1绪论1绪论1.1Zigbee无线数据采集及传输网络描述Zigbee是一种短距离、低速率的无线传感器网络新技术，在非常短的时间内，Zigbee 技术得到了广泛的应用，它主要适合于自动控制和远程控制等领域。