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研究生:陳文杰
研究生(外文):Chen, Wen Chieh
論文名稱:ZigBee 無線感測網路應用程式介面設計與實作
論文名稱(外文):Design and implementation of a ZigBee sensor network application programming interface
指導教授:陳恭陳恭引用關係
指導教授(外文):Chen, Kung
學位類別:碩士
校院名稱:國立政治大學
系所名稱:資訊科學學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:105
中文關鍵詞:ZigBee無線感測網路無線感測網路應用程式
外文關鍵詞:ZigBeeWireless Sensor NetworkWSNAPI
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ZigBee在無線網路技術中,乃屬較新之無線傳輸技術, 其特色為低電耗、可控制大量感測裝置、反應時間短、建置成本低廉等。其遵循IEEE802.15.4標準與ZigBee通訊協定標準,目前已有ZigBee Alliance制定相關標準與推動此技術,而控制晶片以德州儀器(TI)為主要制訂及生產供應商。ZigBee網路支援星狀、樹狀、網狀三種網路架構,其裝置角色有Coordinator、Router, End Device三種。目前主要應用有軍事為健康、環境、健康、家庭及商業等方面。應用上除了利用韌體方式實作裝置對裝置的控制,有些應用尚需借由應用程式才能達成。本論文主要強調利用API讓應用程式控制裝置取得感測資料更為容易,其亦可解決同時回報或監測所有裝置之問題。

目前整個API針對裝置晶片控制指令集定義成一類別,此部份可依不同晶片版本做類別庫切換。另外,定義如何與Serial Port溝通,以及傳輸指令或資料時是否符合ZigBee通訊協定要求之判斷。基於以上類別庫之定義,最後定義DeviceManager類別,當作管理裝置之物件,而該類別中,為讓開發者更容易操作,將各類感測讀取動作,封裝成方法(Method)定義之。

基於已定義完成之API,為讓開發者更了解ZigBee運作,列出主要七種運作流程, 並說明讀取感測資料之程式控制方式,以及如何擴充新類型感測裝置之方法(Method),而這些流程與控制方式透過整個網路管理軟體的實作更能體現之。
ZigBee is a cutting-edge wireless transmission technology, characterized by consuming little power, controlling multiple sensor devices, reacting quickly, and needing low implementing costs, etc. This technology follows IEEE802.15.4 and ZigBee communications protocol. ZigBee-based sensors are widely used in many domains, such as military, natural environments, health, family, and business. Many existing applications of ZigBee use firmware controlling devices, but higher-level application programs are still required to realize some applications.
This thesis focuses on how to use Application Programming Interface (API) for controlling devices to collect sensor data and how to solve the problems on reporting data and monitoring all the devices used. In particular, we define the DeviceManager class that controls the set of instructions of device chips and communicates with serial ports as well as determines whether transfer instructions and data by following the standard of ZigBee protocol. For developers' convenience, we further encapsulate different sensor-reading actions into method.
Based on the above API definitions, we list seven implementation flows for developers to understand the implementation of ZigBee. This thesis also describes how to use programming control to read sensor data and how to expand new sensor devices. These flows and control methods can be easily achieved by network management software.

第一章 導論 1
1.1研究動機 1
1.2研究目標 2
1.3本論文的貢獻 2
1.4 本論文的限制 3
1.5 論文章節架構 3
第二章 相關知識與原理說明 4
2.1無線感測網路 4
2.1.1 什麼是無線感測網路? 4
2.1.2 無線感測網路基本元素 4
2.2 ZigBee無線通訊協定 6
2.2.1 什麼是ZigBee? 6
2.2.2 ZigBee特色 7
2.2.3 ZigBee七層模型 8
2.2.4 ZigBee網路裝置與拓撲結構 9
2.2.5 ZigBee相關應用 12
2.2.6無線技術比較 16
2.3 ZigBee無線網路連線原理 17
2.3.1 ZigBee網路建立 17
2.3.2 ZigBee網路位址分配 17
2.3.3 資料傳輸 18
2.4 軟體平台開發工具 20
2.4.1 Visual Studio 20
2.4.2 Visual C#語言 21
2.4.3 MS SQL Server 22

第三章 系統架構設計與處理流程 25
3.1 系統平台介紹 25
3.1.1 整體架構 25
3.1.2 系統平台架構 26
3.1.3 程式控制架構 27
3.1.4 現有ZigBee運作方式之差異比較 28
3.2 應用程式介面(API)介紹 31
3.2.1 設計考量 31
3.2.2 API架構 33
3.2.3 CC2530-ZNP資料傳輸格式介紹 35
3.2.4 CC2530晶片INTERFACE與指令介紹 40
3.2.5類別庫介紹 45
3.2.6新種類感測器類別庫新增 56
3.2.7裝置控制晶片換版 60
3.3 ZigBee裝置感測值讀取流程 62
3.3.1裝置運作控制流程 62
3.3.2如何讀取裝置測值感 72

第四章 ZigBee裝置空制實作 75
4.1 網路裝置管理實作說明 75
4.1.1節點管理流程 75
4.1.2節點管理功能 77
4.2 ZigBee裝置控制實作說明 84
4.2.1 ZigBee裝置相互控制實作 84
4.2.2 ZigBee裝置感測回報實作 87
4.2.3 ZigBee裝置動態感測顯示 89
第五章 結論 91
第六章 參考文獻 92

附錄A Zigbee 指令控制類別定義 93
附錄B 新類型感測器類別庫新增相關程式碼 102
附錄C 裝置控制API實作相關程式 105

【1】IEEE P802.15 Working Group, Part 15.4: Wireless Medium Access
Control (MAC) and Physical (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless
Personal Area (WPANs), IEEE Computer Society, 8 September 2006.
【2】潘貞君、林致廷,「無線感測網路概論與示範應用」,自動化學會會刊,2009年4月.
【3】曾煜棋、潘孟鉉、林致宇,無線區域及個人網路:隨意及感測器網路之技術與應用,知城,2007年1月.
【4】呂學士、潘敏治,無線感測網路科技,2008年9月.
【5】李國維,無線感測網路系統之發展與應用,國立臺灣師範大學機電科技
研究所碩士論文,2007.
【6】TEXAS INSTRUMENT,ZigBee PRO Network Processor CC2530-ZNP,2010.
【7】ZigBee Alliance,http://www.zigbee.org/.
【8】ZigBee of Wikipedia,http://en.wikipedia.org/wiki/ZigBee.
【9】TI ZigBee Solution
http://focus.ti.com/analog/docs/gencontent.tsp?familyId=367&genContentId==241902419.
【10】Damon Stewan,電子工程專輯,”如何開發ZigBee解決方案”,
http://www.eettaiwan.com/ART_8800462319_617723_TA_c1b6363b.HTM,April 2007.
【11】ZigBee專題討論區,http://bjbcycu.blogspot.com.
【12】 張書源,Visual C# 2008精研講座,悅知文化,2008年3月.
【13】 張書源,Visual C# 2010與UML開發實戰,悅知文化,2010年7月.
【14】 呂高旭,Entity Framework與LINQ開發實戰,悅知文化,2010年7月.

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