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ZigBee无线IC卡考勤机设计.rar

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    ZigBee 无线 IC 考勤 设计
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    二 ○ 一 五 届 毕 业 设 计ZigBee 无线 IC 卡考勤机设计学 院:电子与控制工程学院专 业:自动化姓 名:孟 未学 号:201132010334指导教师:李 刚完成时间:2015 年 6 月 12 日二〇一五年六月毕业设计报告纸1摘 要无线传感器网络是当今国际备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域,被评为未来高科技的三大产业之一。它通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,这些信息通过无线方式被发送,并以自组多跳的网络方式传送到用户终端,从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的联通。无线传感器网络的特性决定了其不需要较高的传输带宽,而要求较低的传输延时和极低的功率消耗。而 ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,主要适合自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备中,适合担当无线传感器网络的重任,有着极其重要的研究价值。本设计提出了一种利用 ZigBee 无线网络技术来实现无线 IC 卡打卡的功能。该方法为带网蜂 IC 卡模块的 ZigB 节点通过感应 IC 卡,将采集到的 IC 卡的 ID 编号远程发送给协调器,协调器接受后通过串口打印出来。在 IAR 开发环境下编写和编译程序,实现了无线 IC 卡打卡功能。测试结果表明,本文设计的基于 ZigBee 技术的 IC 卡打卡系统能够实时可靠地进行无线通信。关键词:ZigBee,IC 卡模块,IC 卡,CC2530,无线传感网络,数据采集毕业设计报告纸2AbstractNowadays,Wireless Sensor Network is one of the international hottest highly knowledge-integrated cross-subject researching fields,Which is appraised as one of the three future high-tech industries.It uses all kinds of integrated micro-sensors for cooperatively real-time monitoring,sensing and collecting information of monitored environments or objects,which is then transmitted wirelessly and transferred to user terminal by self-organizing and multi-hop network.So realistic world,computer world and human society are connected each other by Wireless Sensor Network.Wireless Sensor Network doesn’t need wide transmission bandwidth but requires small transmission delay and very low power consumption.ZigBee technology,with the characters of low-complication,low-power,low-cost and low-date-rate is suitable to take onthe task of building the wireless sensor networks.Thus ZigBee has an extremely importantworth for reaserch.This paper proposes a ZigBee wireless network technology to achieve wireless IC card punch function.ID number for the remote method with net bee IC card module Zigbee nodes induction IC card, IC card will be collected to be sent to the coordinator, the coordinator after receiving through the serial port to print out.Written and compiled program in IAR development environment to achieve the wireless IC card punch function.Test results show that based on ZigBee technology, IC card punch system designed in this paper is capable of wireless communication in real time and reliably.KEY WORDS: ZigBee,IC card module,IC card,CC2530,Wireless sensornetworks,Data acquisiti目录摘 要 ...................................................................1毕业设计报告纸3Abstract................................................................2第一章 引言 ............................................................61.1 研究背景和意义 ..................................................61.2 国内外研究现状 ..................................................71.2.1 国外研究现状 ..............................................71.2.2 国内研究现状 ..............................................81.3 本文的主要内容和组织结构 ........................................9第二章 ZigBee 技术 ....................................................102.1 ZigBee 技术概述 ................................................102.2 ZigBee 技术特点 ................................................102.2.1 自动动态组网、自主路由 ...................................102.2.2 网络时延短 ...............................................102.2.3 数据传输率低 .............................................102.2.4 网络容量大 ...............................................112.2.5 传输距离可扩展 ...........................................112.2.6 低功耗 ...................................................112.2.7 成本低 ...................................................112.2.8 可靠性好,安全性高 ........................................112.2.9 抗干扰性好 ...............................................112.3 ZigBee 网络拓扑 ................................................122.4 ZigBee 协议栈 ..................................................152.4.1 物理层(PHY) ..............................................162.4.2 介质访问控制层(MAC) ....................................172.4.3 网络层(NWK) ............................................172.4.4 应用层(APL) ............................................182.5 本章小结 .......................................................18第三章 系统方案设计与开发 .............................................193.1 总体网络架构 ...................................................19毕业设计报告纸43.2 硬件设计 .......................................................193.2.1 MCU+RF 单元 ..............................................203.2.2 ZigBee 模块(CC2530F256) ................................203.2.3 ZigBee PA 模块(CC2530F256+CC2591) ......................213.2.4 ZigBee 模块配套功能底板 ..................................223.2.5 供电模块设计 .............................................233.2.6 IC 卡模块 ................................................233.2.7 IC 卡 ....................................................243.3 软件设计 .......................................................253.3.1 系统初始化及定义 .........................................293.3.2 终端节点核心代码 .........................................303.3.3 协调器节点核心代码 .......................................313.4 软件开发环境 ...................................................323.5 本章小结 .......................................................33第四章 系统功能测试 ...................................................344.1 在裸机上驱动 ...................................................344.2 通信测试 .......................................................344.3 本章小结 .......................................................35第五章 总结与展望 .....................................................365.1 今后的工作 .....................................................365.1.1 实现多树型和网状网络拓补 .................................365.1.2 实现检测卡号是否与预存卡号匹配 ...........................36参考文献 ...............................................................37致谢 ...................................................................40附录 ...................................................................41毕业设计报告纸5第一章 引言1.1 研究背景和意义近几年,随着无线通信、传感器、集成电路和微机电系统等技术的快速发展,毕业设计报告纸6从而可以大量的生产低成本、多功能、低功耗的微型无线传感器,这些微型无线传感器具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能。因此传感器网络的应用前景非常广泛。无线传感器网络就是有这些传感器节点协同组织起来的,传感器网络的节点可以随机或特定的布置在目标环境中,它们之间通过特定的协议自组织起来,能够获取周围环境的信息从而相互协同配合工作完成特定的任务。从硬件上看,WSN 节点主要由数据采集单元、数据处理单元、无线数据收发单元以及小型电池单元组成,通常 尺寸很小,具有低成本、低功耗、多功能等特点 [1];从软件上看,它借助于节点中内置传感器有效探测所处区域的温度、湿度、光强度、压力等环境参数以及待测对象 的电压、电流等物理参数,并通过无线网络将探测信息传送到数据汇聚中心进行处理、分析和转发。WSN 与传统传感器和测控系统相比具有明显的优势。它采用点对点或点对多点的无线连接,大大减少了电缆成本,在传感器节点端即合并了模拟信号/数字信号转换、数字信号处理和网络通信功能,节点具有自检功能,系统性能与可靠性明显提升而成本明显缩减。无线传感器网络所隐藏的巨大的价值,已经引起了国际社会的广泛关注,2003年,美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时,无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。同年,美国《商业周刊》未来技术专版,论述四大新技术时,无线感器网络也列人其中。美国《今日防务》杂志更认为无线传感器网络的应用和发展,将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革 [2]。2004 年(IEEE Spectrum)杂志发表一期专集:传感器的国度,论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。可以预计,无线传感器网络的发展和广泛应用,将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动 [3]。无线传感器网络领域中的 ZigBee 是一种新兴的短距离、低速率、低功耗的无线网络技术,它有自己的无线电标准,在数千个微笑的传感器之间相互协调实现同信,这些传感器值需要很低的功耗,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,因此它的通信效率非常高。并且它采用碰撞避免机制,每个发送的控制命令或者传输的数据都由接收方确认收到,并回复一个确认的信息,如果没有得到信息的回复就表示发生了碰撞,将再次传送,使得系统信息的传输变得非常可靠。由于以上这些优点,使得 ZigBee 在各个领域中得到了广泛的应用 [4-6]。本课题通过对 IEEE 802.15.4/ZigBee 标准进行相关分析和研究,基于 ZigBee 技术进行网络节点的设计,实现了简单无线传感器网络的组建。在此基础上,实时采集传感器节点 IC 卡信息的同时,以无线方式与协调节点进行通信,经过串口实现人毕业设计报告纸7机交互。整个系统设计具有一定的通用性,可作为硬件平台,在其他传感控制过程中加以应用。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状WSN 的基本思想起源于 30 实际 70 年代。1978 年, DARPA 在卡耐基梅隆大学成立了分布式传感器网络工作组;1980 年,DARPA 的分布式传感器网络项目正式开启了传感器网络的研究。2000 年起国际上开始出现有关无线传感器网络研究结果的报道。无线传感器引起了世界各国军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国军方有包括 C4KISR 计划、Smart Sensor Web、灵巧传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统 CEC 等研究 [7]。美国 Intel 公司在 2002 年进行了基于微型传感器网络的新型计算发展规划。美国 DustNetworks 和 CrossbOWTechnologies 等公司研究的“智能尘埃、Mote”己进入应用测试。在英国、日本、意大利等国家,已经开展了该领域的研究工作 [8-9]。2003 年开始,有关无线传感器网络的国际会议和杂志大量涌现 [10-12]。很多大学和研究机构如 UC/Berkdey、UCLA 和 MIT 等都有丰富的研究成果。其中,UC/Berkdey 和 Intel 联合成立的智能尘埃实验室具有代表性;UCLA的 WINS 实验室对如何为嵌入式系统提供分布式网络和互联访问进行了大量研究,提供了在同一系统中综合微型传感器技术、低功耗信号处理、低功耗计算、低成本无线网络等技术的解决方案;MIT 以节能、自组织、可重构的无线传感器网络为目标,设计了低功耗的 μAMPS 传感器节点,提出了成组递阶网络通信协议 LEACH[13-15]。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元,帮助大学进行无线传感器网络技术的研发。美国国家自然基金委员会(NSF)也开设了大量与其相关的项目。NSF 于 2003 年制定了 WSN 研究计划,每年拨款 3400 万美元支持相关研究项目,并在 加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心 [16]。此外,美国交通部、能源部美国国家航空航天局也相继启动了相关研究项目。美国所有著名的院校几乎都设有专门的研究小组对 WSN 进行相关技术的研究。加州大学洛杉矶分校、麻省理工学院、康奈尔大学、哈佛大学、卡耐基梅隆大学等在 WSN 研究领域获得较为突出的成绩。国际想过学术会议中对 WSN 的研讨大幅度增加。美国的 Inter 等公司也展开了对 WSN 的研究工作 [17]。此外,加拿大、英国、芬兰、德国、意大利和日本国家的研究机构也加入了WSN 的研究。欧盟第 6 个框架计划将“信息社会技术”作为优先发展的领域之一,毕业设计报告纸8其中多出涉及到对 WSN 的研究。韩国信息通信部制定了信息技术“839”战略,企业界,欧盟的 Philips、Siemens 、Ericsson、ZMD、France Telecom 等公司;日本的NEC、OKI、Sky2leynetworks 、等公司都开展了对 WSN 的研究 [18]。1.2.2 国内研究现状1999 年中国科学院《知识创新工程点领域方向研究》的“信息与自动化领域研究报告”中首次提出对万象传感器网络的研究。2001 间中国科学院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心,旨在引领中科院 WSN 的相关工作。国家自然科学基金已经审批了与 WSN 相关的一个重点课题和多项课题。 2004 年,将一项无线传感器网络项目列为重点研究项目。2005 年,将网络 传感器中的 而基础理论和关键技术列入计划。国家发改委下一代互联网(CNGI)示范工程中,也提出了 WSN 相关课题。2006 年初发布的《国家中长期科学与技术 发展规划纲要》为信息技术定义了 3 个前沿方向,其中两个域 WSN 的研究直接相关。我国 2010 年的远景规划和“十五”计划中,将 WSN 列为重点发展领域之一 [19]。此外,我国无线传感器网络研究已经在很多高校和研究所展开。中科院上海微系统所凭借他们在微系统和微机电系统技术方面的良好基础,从 1998 年开始就对无线传感器网络进行了跟踪和研究,并且已经通过系统集成的方式完成了一些基站和终端节点的研发。中科院电子所对传感器技术和控制技术进行研究,他们主要对控制执行部分进行研究。浙江大学现代控制工程研究所成立了“无线传感器网络控制实验室” ,联合相关单位准们对面向无线传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面研究 。浙江大学现代控制工程研究所成立了“无线传感器网络控制实验室” ,联合相关单位专门从事面向无线网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面的研究。此外,中科院自动化所、中科院软件所、清华大学、北京邮电大学、哈尔滨工业大学、山东大学等高校在无线传感器网络网面也开展了一定的研究工作[20]。我国现代意义的无线传感器网络及其应用研究首次正式出现于 1999 年中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的《信息与自动化领域研究报告》中,作为该领域提出的五个重大项目之一。但是我国在无线传感器网络方面的研究工作与西方发达国家相比还很少。国内研究机构如中科院、清华大学、国防科技大学。电子科技大学、哈尔滨工业大学以及浙江大学等学术团体对传感器网络进行了跟踪研究。中国计算机学会青年计算机科技论坛于 2004 年 11 月在北京召开了中国第一次关于Wireless sensor network 的专题报告会。讨论了 Wireless sensor network 技术及其在中国的发展问题。总体上来讲,由于传感器网络是一门新兴技术,国内与国际水平的差距并不毕业设计报告纸9很大,及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究,对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。1.3 本文的主要内容和组织结构本文对无线传感器网络以及 ZigBee 技术进行了全面、具体的分析和研究,主要对 ZigBee 网络的组网进行了深入分析,从网络的建立与保持、设备入网流程等关键点上突破,深入研究 ZigBee 技术的组网方法,并结合 TI CC2530ZigBee 开发套件,以 IEEE 802.15.4 协议为基础,搭建了一个无线 IC 卡打卡网络。本论文内容分为以下五个部分:第一章简要介绍了无线传感器网络课题研究的背景和意义以及国内外研究现状。第二章对 ZigBee 技术进行了相关介绍。第三章采用 CC2530 芯片作为网络终端节点及协调节点的核心芯片,搭建了无线传感器网络,分模块介绍了硬件设计及具体的软件实现。第四章对系统可靠性进行相关分析,取得实验数据,对系统进行了验证。第五章对本文所阐述的内容进行总结,并提出进一步工作建议。第二章 ZigBee 技术2.1 ZigBee 技术概述ZigBee 是基于 IEEE802.15.4 标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技
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