有关基于Zigbee的校园节能监管系统网关的研究与设计论文

摘要

随着社会和经济的飞速发展，校园能耗高的问题日益突出，校园能源利用存在较大的浪费现象。为了保证校园能源需求，并实现有效节能，应建立能源远程监控与管理平台，获取校园水、电、暖、气等能耗的即时数据，从而有效地监测和管理校园的能源系统。

如何高效地将校园的能耗数据采集、整合以及分析，从而实现对能耗的远程监控和管理，这对于高校的绿色节能建设尤为重要。因此，本论文针对基于Zigbee传输的校园节能监管平台的无线网关进行了相关研究。论文主要工作如下：

1、从建设节能校园背景和意义出发，简要介绍了国内外高校的能耗现状，并重点分析了合肥工业大学的能耗现状，阐释了建设校园节能平台的必要性以及基本构架。

2、校园节能监管是基于生态系统良性循环的原则，以电子信息、互联网技术为支撑而建立的新型体系。为此引入基于Zigbee传输无线网关这一解决方案，无线网关是一个开放的，模块化的，可编程的通入接入平台，其可以实现将不同使用标准，不同频段的传感网络汇集到通信网络，研究需求分析后得出其功能。无线网关通过使用开放的、可插拔的无线传感网络Zigbee接入模块，可以及时响应传输数据，从而实现物理世界、计算机世界以及管理人员的即时沟通。

3、介绍Zigbee测试方案的内容，包括其平台相容性以及互通性测试，最后总结了本论文主要工作和创新之处并对此提出改进意见。

ABSTRACT

As the fast development of the society and economy, the issue of terrible energy consumption of the campus construction is increasingly prominent, the campus energy there is a big waste. In order to guarantee normal operation of the campus in all areas of energy demand, and realize effective energy saving, shall establish energy remote monitoring and management system, obtain the real-time data of campus energy consumption , on the campus of various energy system for distributed monitoring and centralized management.

For the energy consumption, how to efficiently collect, integrate and analysis data, so that realize to remote monitor and manage of energy consumption remotely, for the construction of green energy-saving campus and the society are important. Therefore, this paper based on the campus of Zigbee transmission wireless gateway has carried on the related research of energy saving supervision platform. Main works are as follows:

1、Starting from the background of the construction of energy saving campus and significance, introduced the energy consumption status of campus at home and abroad briefly, and analyzed the detailed situation of energy consumption in Hefei university of technology, explains the necessity and the basic framework of campus energy saving platform.

2、Campus energy regulation is based on the principle of virtuous cycle of ecological system, relied on electronic information and Internet engineering to establish a new system. Introduced based on Zigbee transmission intelligent multifunctional gateway this solution, multifunctional gateway is an open, modular, programmable bubbled into access platform, it can realize to use different standards, different spectrum sensing network to communication network, the demand analysis after its function. Multifunctional gateway by using open and pluggable Zigbee wireless sensor network access module, can quickly adapt to all kinds of wireless sensor technology, realize to plug and use at any time.

3、At the end of this paper, we described the content of Zigbee test scheme, including its platform compatibility, product certification, and interoperability testing, and finally summarizes the main works and innovations in the dissertation and proposed improvements.

目录

摘要2

ABSTRACT3

第一章 绪论8

1.1 研究背景与意义8

1.2 研究现状8

1.2.1 国内的现状8

1.2.2 国外的现状10

1.3 本文研究内容12

第二章 Zigbee无线通信技术综述13

2.1 Zigbee无线技术概述13

2.2 Zigbee网络拓扑结构15

2.3 Zigbee协议规范17

2.3.1 物理层(PHY)18

2.3.2 媒体接入控制层(MAC)19

2.3.3 网络层(NWK)21

2.3.4 应用层(APL)23

2.4 Zigbee无线技术应用24

2.5 嵌入式UC/OS-Ⅱ操作系统26

2.5.1 体系结构26

2.5.2 任务管理26

2.5.3 任务间同步与通信27

2.5.4 内存管理28

2.5.5 移植29

2.6 LwIP网络协议栈29

2.6.1 LwIP简介29

2.6.2 LwIP分析31

2.6.3 移植36

第三章 基于Zigbee的网关系统架构的设计38

3.1 课题的设计任务38

3.2 方案提出39

3.2.1 Zigbee 无线芯片的选取39

3.2.3 方案的整体构思41

3.3 协议规范42

3.3.1 基本概念42

3.3.2 Zigbee网络拓扑结构42

3.3.3 各协议版本比较45

3.4 Zigbee网络体系结构设计45

3.4.1 Zigbee物理层设计46

3.4.2 Zigbee MAC层设计47

3.4.3 Zigbee网络层设计48

3.4.4 Zigbee应用层设计49

3.5 Zigbee网络内部通信设计51

3.5.1 应用层API51

3.5.2 程序设计51

3.5.3 连通性测试53

第四章 网关的Zigbee网络通信模块设计与实现55

4.1 系统开发环境55

4.1.1 系统的硬件设备选择55

4.1.2 终端节点射频芯片的选择56

4.2 系统实施步骤57

4.3 数据组织及编码规范58

4.4 网关串口驱动59

4.4.1 串口通信原理59

4.4.2 设计原理60

4.4.3 函数列表60

4.5 Zigbee模块串口61

4.6 实验准备61

4.6.1 硬件61

4.6.2 MfgTool仿真62

4.6.3 通过有线网络上网66

第五章 总结与展望68

参考文献69

第五章 总结与展望

本文的主要工作总结如下:

(1)首先通过对μC/OS-II的深入学习，了解其任务和机制。

(2)对LwIP协议栈寻找更多的知识和了解，并对其加强了分析。

(3)对Zigbee的发展展开了深入学习，并了解其发展史，在进行应用时能够对其更好地掌握。

(4)对IEEE 802.15.4标准和Zigbee协议规范进行深入了解，并且通过对其学习，得出其优缺点和应用特点，为之后的研究打下了基础。

(5)通过对Zigbee协议栈的应用层着重了解，并实现了Zigbee的应用系统的传输方式。

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