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用ZigBee实现无线IC卡考勤机设计.rar

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    编号:20180914220237870    类型:共享资源    大小:8.30MB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    ZigBee 实现 无线 IC 考勤 设计
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    1二 ○ 一 四 届 毕 业 设 计用 ZigBee 实现无线 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:席百强学 号:3201100433指导教师:李 刚完成时间:2014 年 6 月 11 日二〇一四年六月2摘要近距离无线通信技术在人们的生活中扮演者越来越重要的角色,基于Zigbee 网络的超低成本使得其发展速度非常快,目前 Zigbee 芯片价格已低于 3美元,随着技术的不断完善,它将成为当今最先进的数字化无线技术。Zigbee技术是随着工业自动化对于无线通信和数据传输的需求而产生的,Zigbee 网络(互联网 )省电、可靠、成本低、容量大、安全,可广泛应用于各种自动控制领域,Zigbee 技术主要嵌入在消费性电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控制装置、电脑外设、医用传感器、玩具和游戏机等设备中,支持小范围的基于无线通信的控制和自动化工业领域。本文主要以 WeBee Zigbee 套件为硬件开发平台,采用 TI 公司的 CC2530芯片来实现关于 IC 卡的几个简单的功能。传统的 IC 卡我们见到的很多,有了Zigbee 以后,它就可以变身成为无线 IC 卡考勤机,免去了布线的繁琐,在无线应用方面前景也很广。本次设计实现的功能为:将带网蜂 IC 卡模块的ZigBee 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,协调器接收后通过串口打印出来。整个实验在 SampleApp.eww 工程完成。设计过程分两个步骤:1)在裸机上完成对 IC 卡的防冲突处理,读卡号。2)在协议栈上完成程序相关功能终端读到 IC 卡号后无限发送到协调器。关键词:无线;Zigbee; IC 卡;协调器;协议栈3AbstractWireless communication technology plays a more and more important role in people's life in the near distance. The Zigbee network of ultra low cost makes it very fast development based on the Zigbee chip, the current price is less than $3, as the technology continues to improve, it will become the most advanced digital wireless technology. The technology of Zigbee is produced for industrial automation and wireless communication and data transmission requirements, Zigbee network energy saving, reliable, low cost, large capacity, security, can be widely applied in the automatic control field, Zigbee technology is embedded in consumer electronics, home and building automation, industrial control device computer, peripherals, medical sensor, toy and games machines and other equipment, wireless communication, control and automation industries based on the support of small range.This paper mainly use WeBee Zigbee suite as the hardware platform .We will achieve some simple functions on the IC card using CC2530 chip of TI company. The traditional IC card with Zigbee can be turned into a wireless IC card attendance machine, remove wiring complexity. This will have a wide use in the wireless application prospect. The design and implementation of the functions is: to take network bee IC module of Zigbee node through the induction IC card, IC card no. of ID remote transmission of collected to the coordinator, the coordinator receives printed out through serial port. The experiment was completed in the SampleApp.eww project. The design process consists of two steps: I) finished conflict prevention treatment for IC card on the bare metal, read the card number. II) completed the program related function terminal read IC card number infinite sent to the coordinator in the protocol stack.Key words :wireless;Zigbee;IC card;coordinator;Protocol stack4目录第一章 绪论 ........................................................61.1 zigbee 无线网络的研究背景 ........................................................................61.2 Zigbee 无线网络的技术研究现状 ................................................................71.3 Zigbee 无线网络技术的发展前景 ................................................................81.4 本章小结 ........................................................................................................9第二章 Zigbee 简介和开发环境快速建立 .............................................................112.1 Zigbee 简介 ..................................................................................................112.1.1 Zigbee 技术基本简介 ...........................................................................112.1.2 Zigbee 无线网络技术特点 ...................................................................112.1.3 zigbee 协议概述 ...................................................................................132.1.4 Zigbee 网络的拓扑结构 .......................................................................142.1.5 Zigbee 应用领域 ...................................................................................142.2 ZigBee 软件开发平台 ................................................................................152.3 Zigbee 硬件开发平台 ..................................................................................162.3.1 CC2530 核心板介绍 .............................................................................162.3.2 IC 卡模块简介 ......................................................................................212.4 本章小结 ......................................................................................................22第三章 Zigbee 协议栈 .............................................................................................233.1 认识 Zigbee 协议栈 .....................................................................................233.2 设备类型 ......................................................................................................273.2.1 协调器 ..................................................................................................273.2.2 路由器 ..................................................................................................273.2.3 终端设备 ..............................................................................................283.2.4 栈配置 ..................................................................................................283.3 路由 ..............................................................................................................283.3.1 概述 ......................................................................................................2853.3.2 路由协议 ..............................................................................................283.3.3 路径的发现和选择 ..............................................................................293.3.4 路径保持维护 ......................................................................................303.3.5 路径期满 ..............................................................................................303.3.6 路由表 ..................................................................................................303.4 绑定 ..............................................................................................................313.5 寻址 ..............................................................................................................313.5.1 地址类型 ..............................................................................................313.5.2 网络地址分配 ......................................................................................323.5.3 Z-Stack 寻址 .........................................................................................333.5.4 单点传送 ..............................................................................................343.5.5 间接传送 ..............................................................................................343.5.6 广播传送 ..............................................................................................343.5.7 组寻址 ..................................................................................................353.5.8 重要设备地址 ......................................................................................353.6 安全 ..............................................................................................................353.7 本章小结 ......................................................................................................36第四章 无线 IC 卡考勤机的实现与分析 ................................................................384.1 认识 IC 卡 ....................................................................................................384.1.1 简介 ......................................................................................................384.1.2 无线 IC 卡的特点 ................................................................................384.2 系统的整体实现及简介 ..............................................................................394.3 读 IC 卡号 ....................................................................................................404.4 IC 卡号的无线发送 .....................................................................................454.5 本章小结 ......................................................................................................51结论 ..............................................................................................................................52参考文献 ......................................................................................................................53致谢 ..............................................................................................................................546第一章 绪论1.1 Zigbee 无线网络的研究背景当今世界通信技术迅猛发展,随着 Internet 的迅速发展和个人对数据通信需求的快速增长,全球通信产业技术的发展呈现三大趋势:无线化、宽带化和 IP化。互联网业务的发展推动了市场对宽带网络的需求,宽带用户数量在全球呈现出非常强势的增长态势。在众多的宽带技术中,无线技术尤其是移动通信技术成为近年来通信技术市场的最大亮点,是构成未来通信技术的重要组成部分。无线通信技术满足了用户对在不同移动状态下获取网络信息的强烈需求,也符合当今社会人员流动性大、工作生活节奏紧张的发展趋势。另一方面,无线通信技术具有网络部署迅速便捷的特点,对于缺乏线缆资源的新兴运营商来说,无线通信技术是成功部署通信网络,迅速为用户提供语音和数据服务的最佳手段。目前,各类网络中最具增长潜力的是无线网络,许多机构会选择采用无线局域网(WLAN)来拓展他们的现有网络,获得在机构区域内部移动接入网络的能力。近距离无线通信技术在人们生活中扮演着越来越重要的作用。ZigBee 作为一种新兴的短距离无线通讯技术,正有力地推动着低速率无线个人区域网络 LR-WPAN(Low-Rate WirelessPersonal Area Network)的发展。但随着通讯设备的复杂度,功耗以及系统成本的增加,相对于其他无线通讯技术,Zigbee 的低成本,低功耗等诸多优势在其激烈的竞争中脱颖额而出 [1]。Zigbee 一词源于蜜蜂群发现花粉外置时,通过跳 Zigbee 舞蹈来告知同伴,达到交换信息的目的。可以说是小动物通过简捷的方式实现“无线”通讯。人们借此称呼一种专注于低功耗,低成本,低复杂度,低速率的近程无线通讯技术。这种低速率无线通讯技术更接近人们的日常生活,可以满足工业、家居、医学等用途的低成本和低功耗需求。信息化时代的到来,人们对网络通信技术的要求越来越高。传统的数字化设备的有线连接给人们的灵便生活带来的诸多不便。发展无线网络技术,将设备从有线连接的束缚中解脱出来,方便人们的使用,已经成为一种趋势,将无线技术运用到智能车设计中,从而使汽车轻松实现无线数据传输、语言通讯、7目标跟踪、自动报警灯功能已经是必然的趋势,但传统的无线技术大多成本高、结构复杂、不利于无线技术的推广。近几年来,一些公司和标准化组织就开始探寻在不同领域的无线网络连接技术,并且开发出一系列技术标准。如红外、蓝牙(Bluetooth) 、Wi-Fi(IEEE802.11b) 、家用射频等。无线传感器网络技术的研究热潮掀起了一场后 PC 时代革命。WSNs (无线传感网络)作为综合了传感器、嵌入式计算及无线通信等三大技术的新兴领域,可以实现人与自然以及物与物对话的无处不在的通信、计算和处理。同时无线传感网络针对不同的应用对象体现了很强的适应性和灵活性,这也使得无线传感网络得到广泛的应用。2004 年,在 IEEE802.15.4 基础上建立了 Zigbee 标准,进而推出符合该标准的芯片的开发平台。Zigbee 标准包括 IEEE802.15.4 协议制定的物理层和介质访问层,以及 Zigbee 联盟制定的网络层和部分应用层。Zigbee 具有成本低、低功耗、网络容量大、实时性强、安全性高等特点。Zigbee 作为新型的无线通信技术在需要无线通信交换信息的低成本装置,数据的交换量较小、传输的速率要求不高,功耗要求极低,采用电池供电且需要维持较长时间,需要多个(尤其是大量)设备组成无线通信网络,主要进行检测主控制的场合有很大的优势。Zigbee 以其优越的性能和廉价的市场定位,正逐步走向市场的舞台,在当前低速率无线个人区域网络中的应用十分广阔。1.2 Zigbee 无线网络的技术研究现状 目前,Zigbee 技术的产业链已经基本完成。芯片达批量生产阶段,Chipcon、Freescale、Ember、RadioPulse、OKI、Helicomm、Jennic 、Microchip等公司纷纷推出 Zigbee 解决方案,其中 Atmel 与 Chipcon 已开发出 Zigbee 单芯片,二者都是选用全球通用的 2.4GHz 频道,其他厂商如 Ember 搭配 Atmel 及NEC 搭配 Chipcon 芯片,已完成开发套件,能够提供系统厂商整合方案。芯片商 Helicomm 则是自行推出整合方案 IP-Link2000,有 2.4GHz 与 915MHz 两版本,该方案可与 GPRS/CDMA 相连接。Freescale 、 Oki 等也表示将推出 2.4GHz整合 RF、PHY 与 MAC 的芯片。在系统厂商方面,海尔采用 Helicomm 方案研制家庭无线网络控制系统,中国台湾地区则有厂商开发结合保安功能的家庭网8关器(HomeGateway)等项目。2005 年 Zigbee 联盟选择德国莱茵 TUV 集团作为唯一的全世界无线实验室测试 Zigbee 技术产品的代表,在世界各地提供 Zigbee 联盟认可的商标认证和一致性平台测试服务。将新的 Zigbee 认证项目推向市场。紧接着 Zigbee 联盟发布了首批成功完成互操作性测试的四款平台。这些平台将用来测试未来数月内推出的 Zigbee 产品,从而为 Zigbee 标准在工业控制、 HVAC、空调系统与家庭自动化等领域的实际应用铺平道路。目前企业正积极开发四大 Zigbee 市场,分别为家庭与楼宇自动化、消费电子、自动读表一其他方面,包括工业自动化、监控检测、医疗、幼儿监护、物流管控、低温连锁管理与农业监控等。目前国内因众多厂商从事 Zigbee 家庭网关的开发,也有部分城镇利用 Zigbee 读取水电表资料,韩国厂商则在手机中加入 Zigbee,进行客厅家电遥控与家庭保安功能。预计 4~5 年内,每个家庭将会安装大约 50 个 Zigbee 设备,最终达到 150 个Zigbee 设备。加州大学伯克利分校开发了 TinyOS,是针对于无线传感网络的开源操作系统。TinyOS 同时兼容 IEEE802.15.4 标准和 Zigbee 协议。我国开展Zigbee 研究的科研机构主要有浙江大学、苏州大学、东南大学等一些高校,目前大都还处于起步阶段 [2]。1.3 Zigbee 无线网络技术的发展前景ZigBee 技术的应用前景被非常看好。ZigBee 在未来的几年里将在工业控制,工业无线定位,家庭网络,汽车自动化,楼宇自动化,消费电子,医用设备控制等多个领域具有广泛的应用前景,特别是家庭自动化和工业控制,将成为今后 ZigBee 芯片的主要应用领域。 在工业领域,利用传感器和 ZigBee 网络,使得数据的自动采集,分析和处理变得更加容易,可以作为决策辅助系统的重要组成部分。在汽车领域,主要是传递信息的通用传感器。由于很多传感器只能内置在飞转的车轮或者发动机中,比如轮胎压力监测系统,这就要求内置无线通信设备使用的电池有较长的寿命,同时应该克服嘈杂的环境和金属结构对电磁波的屏蔽效应 [3]。 在精确农业领域,传统农业主要使用孤立的,没有通信能力的机械设备,主要是依靠人力监测作物的生产状况,采用了传感器和 ZigBee 网络后,农业将9可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式,使用更多的自动化,网络化,职能化和远程控制的设备来耕种。 在家庭和楼宇自动化领域,家庭自动化系统作为电子技术的集成得以迅速扩展,易于进入,简单明了和廉价的安装成本等成了驱动自动化居家,建筑开发和应用无线技术的主要原因。在医学领域,将借助于各种传感器和 ZigBee 网络准确而且实时地监测病人的血压,体温和心跳速度等信息,从而减轻医生的查房的工作负担,有助于医生做出快速的反应,特别是对重病和病危患者的监护和治疗。 在消费和家用自动化市场,可以联网的家用设备有电视,录像机,无线耳机,PC 外设,运动与休闲器械,儿童玩具,游戏机,窗户和窗帘,照明设备,空调系统和其他家用电器。虽然 Zigbee 在艰难中前进,但未来整个 Zigbee 产品还是值得我们期待,从技术标准层面上来看,未来 Zigbee 将紧密迎合物联网大概念方向趋势的发展,努力扮演好传输层界面上的角色,在 Zigbee 联盟的推动下, Zigbee 技术将朝着开发 Soc(片上系统) ,更多浏览,于 IPV6 结合,更廉价,更省电,更快速等方向发展。从应用领域和方向方面看,Zigbee 完全有机会开拓在目前的智能手机中的应用,目前智能手机里短距离数据传输主要是通过蓝牙方式实现的,但相比于蓝牙,Zigbee 的低功耗更具有优势,两节 5 号干电池可支持一个节点连续工作 6-24 个月,甚至更长,相比较,蓝牙能工作数周,WiFi 只能工作数小时,同时,贵重设备的定位也是未来值得关注的一个大的潜在应用领域,加大在大型停车场,矿井人员定位等方面的应用 [4]。作为离我们最近的中国市场,Zigbee 产品的应用爆发可能需要的时间更长,中国的无线网络市场还未成熟,本土厂商的参与度还非常有限,未来 Zigbee 产业人士要加大无线自动抄表系统,车用无线领域等工业应用,便捷式设备等高端市场的应用。综上所述,作为新兴的短距离无线通信技术,Zigbee 产品将以各种各样的方式快步向我们走来,成为人类工作和生活中不可或缺的一部分。101.4 本章小结本章主要对 Zigbee 无线网络技术做了简单的介绍以及其将来得发展前景展望,Zigbee 技术其实是一种先进的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本、高可靠性、高安全性的双向无线通信技术,其基础是 IEEE 802.15.4 国际标准协议。由于具有以上技术优点,因此在无线传感网络中得以脱颖而出。Zigbee 技术的目标就是针对工业,家庭自动化,遥测遥控,汽车自动化、农业自动化和医疗护理等,例如灯光自动化控制,传感器的无线数据采集和监控,油田,电力,矿山和物流管理等应用领域。另外它还可以对局部区域内移动目标例如城市中的车辆进行定位 [5]。
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