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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流地下车库车牌识别及灯光导航系统智能网关设计.精品文档.本科毕业设计说明书题 目：地下车库车牌识别及灯光导航系统智能网关设计 院 （部）： 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 完成日期： 目 录摘 要IIIABSTRACTIV1前 言1.1 地下车库发展历程11.2 国内外发展现状21.2.1 地下车库管理系统发展现状21.2.2 智能网关发展现状31.3 论文的研究内容42系统总体设计及分析2.1 地下车库系统需要实现的功能52.2 地下车库系统的总体设计方案62.3 地下车库网关平台硬件结构72.4 智能网关的硬件选型72.
2、4.1 MSP430F149处理器72.4.2 电源芯片选型82.4.3 以太网模块选型92.4.4 通信模块选型92.4.5 串口模块选型173硬件电路设计与实现3.1 控制系统的连接183.2 TTL/RS232接口电路的设计与实现183.3 供电模块设计与实现193.4 晶振及复位电路203.5 网络接口模块213.6 ZigBee通信模块电路设计223.7 JTAG接口电路设计234系统软件设计与实现4.1 主控制器程序设计254.2 ZigBee模块程序设计274.2.1 ZigBee协议274.2.2 Z-Stack协议栈介绍284.2.3 ZigBee模块数据收发304.3 以太
3、网模块程序设计304.3.1 uIP 协议栈304.3.2 基于uIP的TCP协议的实现 314.3.3 uIP与设备驱动接口334.3.4 uIP与系统计时接口344.3.5 uIP协议栈与应用程序的接口344.4 串口通信子程序345结束语35谢 辞36参考文献37附 录39摘 要本文作为整个地下车库车牌识别及灯光导航系统课题的一部分,设计并实现了以太网接入ZigBee网络的网关系统。在TI公司公开的ZigBee解决方案基础上,分析当今流行的嵌入式Internet技术,综合考虑成本、功能要求等因素,设计了基于ZigBee技术的地下车库车牌识别及灯光导航系统的整体方案。以低功耗、资源丰富的M
4、SP430F149单片机为核心,通过网络芯片CS8900A和符合IEEE8O2.15.4协议的芯片CC2530,分别接入以太网和ZigBee网络,设计并制作了微控制器电路、以太网接入电路和CC2530射频模块。研究实现TI提供的ZigBee协议Z-stack,建立了ZigBee节点。然后对嵌入式TCP/IP协议以及Z-Stack进行协议融合,提出了基于ZigBee技术的无线传感器网络网关的协议模型,即在同一个MCU中实现了两个不同的协议栈,使用嵌入式C语言在应用层编写程序交换报文。关键词：地下车库；ZigBee；TCP/IP；网关License Plate Recognition and Un
5、derground Garage Lighting Navigation System - Intelligent Gateway ABSTRACT As a part of the whole license plate recognition and underground garage lighting navigation system, this paper presents the gateway between Internet and ZigBee. Based on ZigBee solutions provided by TI company, and analysis o
6、f popular embedded Internet technology, taking cost and demand into account, this paper designed a ZigBee based gateway solution. Taking MSP430F149 as MCU, connecting Internet and ZigBee network individually through CS8900A and CC2530.MCU circuit, Internet interface circuit, auxiliary circuit and CC
7、2530 RF module are made. Transplanting embedded Internet, implementing Z-Stack, this paper also setup a ZigBee node. After analyzing the implementation of TCP/IP and Z-Stack, this paper raised the gateway protocol model of ZigBee based wireless sensor network which mean to run two protocols in one s
8、imple MCU, and programmed in embedded C to exchange packet on the application layer.Key Words: underground garage basement parking；ZigBee；TCP/IP；gateway1前 言1.1 地下车库发展历程地下车库管理系统是伴随着公用收费停车场这一新生事物而诞生的。它的出现克服了人工收费方式存在的收费过程繁琐，通行效率低下以及票款流失严重难以解决的问题。随着经济的发展以及技术的进步，种类繁多的地下车库管理系统竞相出现。许多现代技术控制领域及智能交通领域的前沿技术在停
9、车场管理系统中得到广泛的应用，使当今地下车库管理系统越来越智能化的特点。80年代酝酿：上世纪80年代左右，随着汽车数量在我国的逐步增多，地下车库成了一项新的建筑设施，其主要任务是保管停放车辆。一个人，一个板凳一个包，就是当时停车管理的真实写照。90年代起步：地下车库规模有所扩大，但人们对相关配套设施的关注还仅仅停留在收费系统上。出入口控制系统的出现，是模仿国外的停车收费系统，结合门闸设施，在停车场的出入口设置的管制设备，主要用于对停车费用的收取和安防防盗方面。它最早是在传统的门锁基础上发展而来，从一定程度上提高了人们对出入口通道的管理程度，使通道管理进入了电子时代。虽然出入口控制系统的应用领域
10、越来越广，但国内的相关产品在在工艺和外观处理上不够精细，而且由于国外的收费系统主要是向无人职守方向发展，而国内企业由于历史的原因，几乎都是走出口收费的模式，因此在国外市场上的竞争力较弱，没有树立起坚实的企业品牌，在国外发达国家市场几乎难有建树。发展稳定阶段：从1990年开始，市场的需求，推动了行业的发展，同时也促进了产品技术的更新。我国车位引导系统从早期的城市诱导系统发展而来。早期的城市停车诱导旨在指引车辆停放到地下车库中，只能实现简单的指引功能，各方面都很不完善，数据存在严重的累积性误差。当地下车库规模逐步扩大，就出现了将车辆直接引导到空车位的需求，车位引导技术由是进入人们的视野。在车位引导
11、系统中融入车位指示灯，通过指示灯红绿灯显示颜色的转变，车位空满状况一目了然。车位引导技术进入可视化时代。车位指示灯的引入真正带动了车位引导系统的浪潮，第一次让业主认识到车位引导的价值，车位引导系统销售终于迎来井喷 。全面创新时期：随着城市停车管理需求步伐的加快，城市为解决停车难问题而大量兴建地下车库，商业地产的停车场规模空前，数千个车位在缓解了停车难问题的同时带来了新的麻烦找车难。当“找车难”状况加剧，成为与“停车难”并肩的城市交通难题时，专为解决这一问题的视频寻车系统的诞生，标志着新一代停车场管理系统的日趋成熟完善，向智能化、现代化、专业化的方向迈进。 调研人员发现，车主在返回停车场时时往往
12、由于地下车库空间大、环境及标志物类似而导致的方向不易辨别等原因，容易在停车场内迷失，存在耗时长久而难以找到自己车辆的情况。地下车库找车机系统的出现不仅保有车位引导系统引导车辆、疏通道路的作用，更重要的是其通过视频图像处理技术，能够自动抓拍车牌号存储在服务器中，使得车主返回寻车时只需在寻车查询终端中输入车牌号，系统就能显示车主及车辆所处的位置，给出到达车位的最优路线，帮助其尽快寻回爱车。在使用更为先进的收费介质的同时，地下车库管理系统的另一技术发展方向是智能化管理。以智能化设备取代人的劳动，实现停车场车辆出入、场内监控以及收费所有过程的完全无人化，是地下车库管理系统智能化的最终目标。1.2 国内
13、外发展现状1.2.1 地下车库管理系统发展现状目前，国外地下车库管理系统经过多年的发展，已基本进入智能无人化收费的阶段。其使用的收费介质已由传统接触读写类型收费介质转变为非接触类型的新型收费介质。国外地下车库收费系统一般采用高度智能化的专用设备，可以实现收费系统的无人化操作。设备制作工艺精良，系统稳定性和产品技术水平达到较高水平。地下车库管理系统的一个显著特点是停车交易支付手段的电子化程度非常高，基本上不存在现金交易的现象。许多国外管理系统配备停车车位引导系统、地下车位查询系统等智能化设备，使地下车库管理系统的功能更加丰富。一些国外停车设备厂商正在研究能够实现“网络化存车”的地下车库管理系统。
14、这种收费系统依靠INTERNET网络连接，能够实现在一个相对广阔的地域内（例如一座城市甚至一个国家）的多个地下车库随意停车。管理系统会统一调度车位资源，统一进行交易结算。停车用户在家中通过国网络就可以预定停车车位，交纳停车费用，查询出行目地的各类停车信息。这种新型地下车库管理方式适应了INTERNET网络在人们日常生活中越来越重要的现状，使地下车库管理系统的作用范围和功能得到了极大的扩展和延伸。国内地下车库管理系统是伴随着国内公用地下车库的大量出现而出现的。最初国内地下车库管理系统是引进和消化吸收国外同类系统的基础上研发成功的。由于有许多关键设备国内没有生产，系统采用了较多的国外产品，因此这一
15、阶段的国内地下车库管理系统带有较多集成的意味1。近年来随着国内停车产业的壮大，国内地下车库管理系统厂商的技术实力得到迅速增强。国内地下车库管理系统也由单纯的引进和仿制转向真正意义上的技术研发阶段。一些国际先进的地下车库管理技术和理念都可以在新型管理系统中得到迅速应用。许多停车系统关键设备已经可以在国内研发制造。许多厂家推出的管理系统在技术上能够紧跟国际先进技术潮流，体现出较强的生产研发水平。应该看到，国内地下车库管理系统的核心技术和设备水平与国外同类系统仍存在一定的差距。地下车库管理系统使用的一些核心技术如远距离读卡技术等仍是国外厂商的技术专利。如何提高地下车库管理系统核心技术研发水平，如何提
16、高停车管理系统设备制造水平，是目前国内地下车库管理系统厂商普遍面临的两个问题。国内停车管理系统目前正面临着老式管理系统向新型管理系统升级换代的高峰期，落后的以传统接触读写收费介质为特征的管理系统正在被逐渐淘汰，而新型的以非接触式IC卡、远距离射频电路电子标识、车牌图像识别技术等非接触类型收费介质为特征的新型停车场管理系统正处于应用初级阶段。1.2.2 智能网关发展现状作为地下车库管理系统中的一个非常关键的部分，智能网关的研究一直非常活跃。智能网关主要具备两个主要功能：1. 作为所有外部接入网连接到地下车库内部网络，同时将地下车库内部网络连接到外部的一种物理接口；2. 对信息家电、照明系统、仪表
17、设备、安防系统等家庭内部设备自动控制和统一管理平台。 智能网关主要经历了三个发展阶段。早期的PC架构的智能网关出现于中国智能地下车库管理系统的萌芽阶段，基本上停留在向使用者展示的概念，实用性不强，属于第一阶段。目前很多国内外地下车库厂商研制的基于单片机架构的智能车库控制系统在实用性、易用性和专业性方面有了很大程度上的提高，属于第二阶段。而基于嵌入式系统的地下车库系统在国内才刚刚出现，随着嵌入式技术更加厂泛的应用，随着成本的逐步降低，中国的地下车库管理系统最终将走向嵌入式。与PC机相比，系统的设计更加有针对性质，省去不必要的硬件资源，根据需要加入更加合适的硬件资源，能最大限度的利用硬件资源。与单
18、片机构架的系统相比，系统的处理能力大大增强，性能更加优越，可以外接的功能设备也更多，能提供的功能服务更加齐全。软件开发方面，系统可以根据自身的硬件资源定制相应的实时操作系统，最大限度的利用硬件资源。嵌入式系统软件多采用分层设计，利于维护和升级，大大的体统了代码的利用率,缩短了开发周期。因为嵌入式技术是伴随着Internet而生的，所以它具有更加卓越的网络性能，可以增加更多的网络应用。1.3 论文的研究内容智能网关是无线网络传输的核心部分，各个不同协议子网之间的互连和信息共享都需要通过网关进行，而且网关还负责地下车库系统的Internet的接入。网关一般设计嵌入式设备，采用TCPIP技术和高性能
19、微处理器实现。智能网关是能完成RS232、ZigBee之间的协议转换，同时具有Internet、串口等接口，支持各类数据的传输。用户可通过有线和无线的以太网授权远程浏览和控制地下车库。本论文的主要研究内容包括：(1) 对现有地下车库系统的分析研究； (2) 借鉴现有方案的基础上，提出了自己的总体方案； (3) 构建地下车库系统硬件平台结构，对硬件进行选型；(4) 以MSP430F149为硬件平台完成了中央控制器的设计与实现； (5) 外围模块方面，实现了ZigBee射频模块、以太网接入模块的自主设计和实现； (6) 通过地下车库子网将各个模块与中央控制器紧密的联系在一起组成了一套完整的系统。2
20、系统总体设计及分析2.1 地下车库系统需要实现的功能车牌识别技术（License Plate Recognition， LPR）以计算机技术、图像处理技术、模糊识别为基础，建立车辆的特征模型，识别车辆特征，如号牌、车型、颜色等。它是一个以特定目标为对象的专用计算机视觉系统，能从一幅图像中自动提取车牌图像，自动分割字符，进而对字符进行识别，它运用先进的图像处理、模式识别和人工智能技术，对采集到的图像信息进行处理，能够实时准确地自动识别出车牌的数字、字母及汉字字符，并直接给出识别结果，使得车辆的电脑化监控和管理成为现实。灯光导航技术是将无线通信技术、计算机视觉技术、神经网络系统技术、机械电子自动化
21、设备、数据库技术有机的结合起来，控制地下车库的照明系统，达到节电节能的目的，同时保证对进入车库的权限车辆提供有效的灯光导航服务和管理。包括物联网通信系统、照明控制系统、信息管理系统、能耗分析系统。车库的照明灯具平时全部处于关闭状态。有车辆到达车库入口，摄像头拍摄车牌图像，通过车牌号判断是否具有进入权限，道闸自动开启。该车辆入场时间等信息记入数据库，同时从数据库中提取出该车辆的车位位置、住宅位置信息，根据车库照明系统的布置情况，规划出该车进入车库后的正确行驶路径，以及驾驶员下车后步行回家的路径，并依次开启相应的灯光作为导航。主控制器通过无线网络发出控制命令，依此打开该路径上的所有照明灯具，引导车
22、辆沿正确路线行驶。车库中的运动传感器实时判断车辆的当前位置，车辆驶过之后的路径上的灯具自动熄灭。如果车辆未按规划路径行驶，运动传感器判断出车辆位置后，也会将车辆附近的照明灯具打开，为车辆行驶提供方便。同样，车辆驶过之后，关闭这些灯具2。另外，根据运动控制器的信息，可获取车辆的实际停泊位置。车辆驶离车位时，系统根据运动控制器的信息可获得驶离车辆信息，启动灯光导航系统，依此打开相应灯光，引导车辆正确到达出口。当人或车辆在车库内随机即运动时时，被触发的运动传感器通知相应智能灯光控制节点打开相应的灯光，随触发随打开，随离开随关闭，从而达到灯随人行的效果，光明在前头。同时，运动传感器信息被上传至系统，此
23、信息可引导视频监控切至相应的摄像头，实现视频联动的功能，从而达到安全监控的效果。本系统还可以实现一个扩展功能：车位实施管理。车辆通过车牌号判断进入车库时，系统从数据库中提取出该车辆的车位位置，并解除该车为车位锁（电动升降柱），使车辆顺利停泊到自己车位上。车辆驶离时，系统获取驶离车辆信息，开启该车位锁，关闭该车位。这样就有效实现了车位专位专属的管理模式，保证业主的权益3。2.2 地下车库系统的总体设计方案本文设计的地下车库及智能网关系统由控制中心、数据库、路由器、多功能网关、协调器以及节点设备组成。从信息流的方向分，从上往下：用户通过控制中心输入控制查询命令以有线或者无线的方式传输至路由器，路由
24、器再由TCP/IP、WLAN、LAN方式传到多功能网关，或者在多功能网关直接输入命令；多功能网关通过无线 ZigBee 技术把命令传输至协调器；协调器同样以无线 ZigBee 技术转发给相应的终端设备，并执行命令。从下往上，节点设备通过传感器获得温度、湿度、光照强度等一个或者多个环境参数，据此直接控制相关受控设备或将信息上传至协调器；协调器再通过无线 ZigBee 技术把数据传输至多功能网关，由用户决定如何处理这些信息45。地下车库控制系统整体架构如图2.1所示。 图2.1 地下车库控制系统整体架构在这一方案中，嵌入式处理器和ZigBee组网技术的使用可以说完全打破了传统地下车库的一些不足和局
25、限性。嵌入式设备不仅功耗低、体积小、成本低，而且稳定性、实时性好，同时也可以方便地接入Internet，完全摆脱了对PC的依赖。而同样低成本、低功耗的ZigBee技术，不仅组建网络方便快捷，免除了布线的麻烦，更为地下车库内部的各种节点设备制定了统一的标准，十分适合组建无线地下车库网络。他们的使用，方便了用户对整个系统的管理，也便于用户今后对系统进行维护和升级。2.3 地下车库网关平台硬件结构本系统总体硬件结构如图2.2所示，主要包括中央处理器、网络模块、通信模块、扩展接口几个部分6。 图2.2 地下车库网关平台硬件结构2.4 智能网关的硬件选型嵌入式智能网关是整个系统的核心部分，在系统中发挥着
26、至关重要的作用。而嵌入式处理器则是网关的核心部件，其性能的好坏直接决定整个系统的运行效果。为了让网关实现系统所需要的全部功能，并且最大程度的提高整个系统的效率，选择一款成本低且合理实用的嵌入式处理器是十分必要的。而对于大量的低档的嵌入式系统，利用16位甚至8位单片机用软件实现嵌入式TCP/IP协议，再通过网络芯片接入Internet网络具有更大的意义。本设计系统采用MSP430系列。2.4.1 MSP430F149处理器MSP430系列单片机是美国TI公司开发的16位单片机,其突出优点是低电源(1.8-3.6v)超低功耗,有多个系列和型号。该系列单片机具有FLASH型存储器,在系统设计开发调试
27、以及实际应用中都表现出较明显的优点。MSP430 系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer_A0）、定时器A1（Timer_A1）、定时器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位- ADC、DMA、I/O端口、基本定时器（Basic Timer）、实时时钟（RTC）和USB控制器等若干外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D 转换器；16 位定时器（Timer_A0 和 Timer_A1）具
28、有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口，可方便的实现多机通信等应用；具有较多的 I/O 端口，P0、P1、P2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件 A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达200Kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达 160 段；实现两路的 12 位D/A转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA模块。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。另外，MSP430系列单片
29、机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需5us。MSP430F149具有60KB+256B Flash Memory能够存储ZigBee协议栈和精简的TCP/IP协议栈，它提供两个双工串口UARTO和UART1，可实现与PC机的连接调试等，提供两个SPI口与CC25300进行通信，并且提供了足够的外围接口用于与以太网的接入控制。JTAG接口方便程序的下载与调试以及除正常工作模式之外的空闲/休眠模式，很适合在无线传感器网络中应用7。MSP430F149的具体功能与特性如下：1.8V3.6V超宽供电电压5种低功耗模式，从standby模式唤醒时间
30、小于6us0.1uA RAM 保持0.8uA 实时时钟模式2K RAM，60KB+256B Flash Memory（支持IAP）片内硬件乘法器支持四种乘法运算两个具有PWM输出单元的16-Bit定时器（TimerA3，TimerB7）两个UART接口，两个SPI接口（与UART复用）一个8通道12-Bit模数转换器(ADC)，具有片内参考电压源一个模拟比较器，看门狗电路等2.4.2 电源芯片选型系统中处理器需用到3.3v和5v稳定直流电压。综合考虑，选择LM1117-3.3分别来生成5V和3.3V电压。LM1117有两个版本：固定输出版本和可调版本，固定输出电压为1.5V、1.8V、2.5V
31、、2.85V、3.0V、3.3v、5V。具有1%的精度。2.4.3 以太网模块选型以太网控制器的核心选择CS8900A芯片，这是由Cirrus Logic公司生产的一款单芯片、全双工高集成的芯片。它完全符合IEEE802.3以太网10Mbps标准，100脚TQFP封装；其主要特点有：单芯片的IEEE802.3以太网控制器,带有直接的ISA-Bus接口；高效的PacketPage结构,可以操作在I/O、Memory以及DMA模式；芯片内部带有接收和发送帧的缓冲区；1OBASE-T端口带有模拟滤波器,提供自动极性监测和校正；可编程的接收特点:自动冲突冲发,自动补充和生成CRC；可编程的发送特点:在
32、DMA和芯片内部存储器之间自动切换,帧预处理的中断,自动拒绝不正确的数据包。如图2.3所示是CS8900A的内部功能框图。主要的集成块有:ISA-Bus接口、802.3MAC引擎、集成的Buffer存储器、串行EEPROM接口、完全模拟的前端、10BASE-T/AUI接口。图2.3 CS8900A内部组成结构框图2.4.4 通信模块选型2.4.1.1 热门 WPAN 简介1) 蓝牙蓝牙（Bluetooth）起源于 20 世纪 90 年代爱立信公司对一种新的低功耗、低成本的空中接口研究，目前最流行的是 2004 年推出的 Bluetooth 2.0+EDR 标准，速度为 1.82.1 Mbit/
33、s。它是一种短距离无线通信技术的全球性开放式技术规范，支持语言传输。工作频段为 2.4 GHz（ISM 开放频段），整个带宽被分为 79 个物理信道，每个信道的带宽为 1 MHz，并采用 GFSK 调制。出于阻碍同频干扰和多路效应以及在不同的微微网中提供多种接入形式，蓝牙还采用了跳频（Frequency Hopping, FH）技术。蓝牙普遍应用于各种耳机、键盘和移动设备。它具有很高的安全性，芯片的价格也相对比较便宜，但由于采用了跳频技术，电池寿命没有 ZigBee 设备长。一般来说，蓝牙设备的电池寿命为几天，而 ZigBee 设备则为几个月甚至几年。此外，蓝牙最多支持 7 个节点设备，而 Z
34、igBee 理论上能支持 65000 个。2) Wi-FiWi-Fi，（Wireless Fidelity，无线保真），是“无线以太网相容联盟”（Wireless Ethernet Compatibility Alliance, WECA）发布的业界术语。它一开始指的是802.11b，现已经成了 IEEE 802.11 无线网络标准的代名词。Wi-Fi 工作在 2.4 GHz频段，采用 DSSS（Direct-Sequence Spread Spectrum, 直序扩频）。其标准传输速率为 11 Mb/s，当信号质量不能支持这个速度时，可动态地调整为 5.5 Mb/s,如果还不能维持当前的传输
35、速率，可再次降低至 2 Mb/s，甚至1 Mbps以下。传输速率的自动调整，使得在信号较弱或者有干扰的情况下提高了网络的稳定性和可靠性。Wi-Fi 也开始应用于传感器网络和控制领域。它是一种通用、易懂的无线局域网接入技术，之前主要致力于个人 PC 机和笔记本。其成本也比 ZigBee 设备高了很多，它需要更大的 CPU 来运行整个协议栈。Wi-Fi 也能和 ZigBee 一样组成网状网络，但是还没有可用于交互的标准。由于其高传输速率和复杂度，Wi-Fi 不太适合于采用电池供电，它能在几小时内耗尽电池的能源储备，而 ZigBee设备能用数月甚至几年，但并不是所有的控制网络都要求使用电池供电。3)
36、 超宽带技术（UWB）UWB 采用冲激无线电（IR， Impulse Radio）也称作脉冲无线电（Pulse Radio）它是以占空比很低的窄脉冲而不是以正弦波作为信息载体的无线电技术，工作频段为 3GHz。UWB 无线通信具有隐蔽性强、高处理增益、多径分辨能力、高传输速率、空间容量大、穿透能力强等特点。纳秒级的窄脉冲，使得超宽带技术用于定位时可达厘米级的定位精度，很容易将测距、定位和通信合一，而常规无线通信很难做到这一点。UWB 适用于室内外的短距离无线高速传输，速度可达 1 Gbps，如无线局域网、高速无线 LAN、无绳电话、短距离雷达等领域。由于其实现的复杂度，在成本方面相对来说比 Z
37、igBee 设备高，但传输速度比 ZigBee 设备高了很多。如果都应用于地下车库领域，UWB 更适合于多媒体、定位跟踪等，从而在某种程度形成互补，不会发生较大的冲突。4) ZigBee 技术ZigBee 是一个标准，它为低数据速率、窄带无线网络定义了一系列通信协议。基于 ZigBee 的无线设备工作在 2.4 GHz 频段，最大的通信速率是 250 Kbps。ZigBee 主要面向那些低传输速率、低成本、低功耗的用电池供电的应用。在很多的 ZigBee 应用中，无线设备处于任何一种活跃状态的总时间是非常有限的；设备在多数时间处于省电模式，或者称之为睡眠模式。因此，采用 ZigBee 方案的无
38、线设备能够运行几个月甚至数年而不用换电池8。表2.1 几种无线通信技术的比较ZigBee蓝牙Wi-FiUWB频段2.4 GHz2.4 GHz2.4 GHz3.110 GHz调制技术BPSK、O-OPSKGFSKQPSK(CCK)-最大数据传输速率250 Kbps13 Mbps111Mbps1 Gbps安全性高高高高可靠性高高一般高功耗低中等高低复杂度简单复杂非常复杂复杂网络节点数6500085010有效通信距离10100 m210 m30100 m010 m通过表2.1可以看出，ZigBee 无线通信技术跟蓝牙、Wi-Fi 一样工作在 ISM 免费频段；算法复杂度较低，意味着容易实现，代码所占
39、的空间小，这在一定程度上降低了专用芯片的成本和自身的功耗；较高的可靠性和安全性保证了 ZigBee无线通信的质量以及通信的保密性；100 米左右的有效通信距离保证了视距范围内的正常通信；与其他无线技术相比 ZigBee 的最大特点是网络容量大，理论上可达 65000 个；较低的数据传输率，但面对于一天开关 10 次左右的电器设备来说已经足以。所有这些特性使得ZigBee 技术非常适合于地下车库、楼宇自动化、医疗看护等领域910。2.4.4.2 ZigBee技术的概念及由来ZigBee技术是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的
40、技术提案。它依据IEEE802154标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这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，所以它们的通信效率非常高。说起ZigBee技术名称的由来还是比较有趣的，据说是来自于人们对蜜蜂采蜜过程的观察。蜜蜂在采蜜的过程中经常会跳着优美的舞蹈，排成规则的Zig Zig的形状，以此来实现彼此间信息的交互，以便获取共享食物源的方向、距离和位置等信息。因为蜜蜂自身体积小，所需要的能量少，又能传送所采集的花粉，因此人们从中得到启发，用ZigBee技术来代表具有成本低、体积小、能量消耗少和传输速率低的无线通信技术，中文译名通常
41、被称为“智蜂”或“紫峰”。2.4.4.3 ZigBee技术的特点作为一种新兴的无线通信技术，ZigBee技术之所以能够得到快速的发展和推广，在于它本身的许多技术特点相对于其他的无线传输技术而言具有很大的优势。ZigBee的技术特点主要包括以下内容：(1)功耗低：由于工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，使得ZigBee节点非常省电，工作时间可以长达6个月到2年左右。(2)数据传输可靠：ZigBee的媒体接入控制层(MAC层)采用talkwhenready的碰撞避免机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，避免了发送数据时的竞争和冲突。(3)网络容量大：一个ZigBee的网络最
42、多包括有255个网络节点，其中一个是主控(Master)设备，其余则是从属(Slave)设备。若是通过网络协调器(Network Coordinator)，整个网络最多可以支持超过64000个ZigBee网络节点，再加上各个Network Coordinator可互相连接，整个ZigBee网络节点的数目将十分可观。(4)时延短：通信时延和从休眠状态恢复到正常工作状态的时延都做了相应的优化，时延比较短。(5)兼容性：ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器(Coordinator)自动建立网络，采用载波侦听冲突检测(CSMA/CA)方式进行信道接入。为了可靠传递，还提供全握手
43、协议。(6)安全性：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供了三级安全性。(7)实现成本低：模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1.5,2.5美元，且ZigBee协议免专利费用。目前低速低功率的UWB芯片组的价格至少为20美元，而ZigBee的价格目标仅为几美分。(8) ZigBee网络的自组织和自愈功能强：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络；而且当网络内节点产生故障或节点位置发生变动时，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，能保证整个系统的正常工作11。 2.4.4.4 ZigBee网络的拓扑结构与一般网络
44、的拓扑结构类似，ZigBee网络的拓扑结构一般有三种形式：星形拓扑、树形拓扑、网状拓扑。 (1)星形拓扑这是最简单的一种拓扑形式，在这种拓扑结构中主要包含一个Coordinator节点和一系列的End Device节点，如图2.4所示。Coordinator是任意两个End Device通信的中转站，也就是说End Device可以自如的与Coordinator进行通信，如果想与其他的End Device节点进行通信的话就必须先通过Coordinator节点进行信息的转发。不难发现，万一网络中的Coordinator发生了故障，整个网络就会陷入瘫痪的状态。图2.4 星形拓扑结构(2)树形拓扑树
45、形拓扑包括一个Coordinator以及一系列的Router和End Device节点，如图2.5所示。Coordinator既可以与Rout相连又可以与End Device相连，而它的Router子节点又可以连接一系列的Router和End Device节点，这样就形成了3车库适合于智能家居49一个层次清晰的通信网络。图2.5 树形拓扑结构在这种拓扑结构中，有同一个父节点的节点之间称为兄弟节点，而有同一个祖父节点的节点之间称为堂兄弟节点。每一个节点都只能和他的父节点和子节点之间进行通信，如果需要从一个节点向另一个节点发送数据，那么信息将沿着树的路径向上传递到最近的祖先节点然后再向下传递到目标
46、节点。同星形拓扑结构一样，信息具有唯一路由通道中间有一个路由节点发生故障就会造成局部或大面积的系统阻塞。3)网状拓扑同树形拓扑一样，网状拓扑结构也是由一个Coordinator以及一系列的Router和End Device节点组成，如图2.6所示。但是与树形拓扑相比，网状拓扑具有更加灵活的信息路由规则，在可能的情况下，路由节点之间可以直接的通讯。这种路由机制使得信息的通讯变得更有效率，而且即使网络中有某个节点出现了故障，信息也可以自动的沿着其他的路由路径进行传输，提高了信息传输的可靠性。 图2.6 网状拓扑结构很明显，在本系统中我们只需要用到最简单的星形拓扑结构。以网关为中心，向外发射连接到各
47、个信息收发点即可12。2.4.4.5 ZigBee技术方案的选择目前ZigBee技术提供方式主要有三种：(1)ZigBee兼容RF芯片+MCU，例如：TI的CC2520+MSP430、FREESCLAE的MCl3XX+GT60、MICROCHIP的MJ2440+PIC MCU；(2)单芯片集成SOC，如：TI的CC2530，CC2450(805l内核)、FREESCALEMCl321X、EM250；(3)单芯片内置ZigBee协议栈+外围芯片，如：JENNICSOC+EEPROM、EMBER260+MCUt231。目前市场上ZigBee芯片提供商主要有五家：TICHIPCON、EMBER(ST)、JENNIC(捷力)、FREESCALE、MICROCHIP。除了TI的CC2530 系列采用标准8051处理器外，其他四家公司都采用自己的微处理器为核心。本文选择了 TI 公司最新推出的 CC2530