基于zigbee技术的温度采集系统设计毕业论文(编辑修改稿)

基于zigbee技术的温度采集系统设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

备自组织、自愈功能。 IEEE 规范 作为低速无线个域网（ LR—WPAN）技术， Zigbee 协议栈的物理、 MAC 层即是 协议。 它是具有低复杂度、应用成本小、设备功耗低等优势，能在低成本设备之间进行低速率信息传输规范。 表 是 的主要协议框架。 基于 Zigbee 技术的温度采集系统设计 10 表 主要协议框架 应用层 网络层 数据链路层 MAC 层 868/915 PHY 层 PHY 层 物理层规范 物理层 (PHY)给出了两种类型的服务：管理服务和数据服务。 物理层主要完成以下几项任务：开启和关闭无线收发信机、能量检测（ ED）、链路质量指示（ LQI）、空闲信道评估（ CCA）、信道选择、数据发送和接收。 物理层定义了 868MHz、 915MHz 和。 在这三个频段上物理层一共划分了 27 个信道，信道编号 k 为 0~26。 2450MHz频段上划分了 16 个信道， 915MHz 频段上有 10 个信道， 868MHz 频段只有 1 个信道。 27个信道的中心频率和对应的信道编号定义 如公式（ ）所示。 1 1 , 1 2 . . . 2 6k 11k2409F1 , 2 . . . 1 0k 1k2906 0k c ）（）（ccFF () 其中 k——信道号； Fc——频段（ MHz） 物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从 MAC 层到物理层无线信道的接口。 在物理层中，包含一个物理层管理实体（ PLME），该尸体通过点用物理层的管理功能函数，为物理层管理服务提供其接 口，同时，还负责维护由物理层所管理的目标数据库，该数据库包含有物理层个域网络的基本信息。 物理层的接口结构如 图 所示。 基于 Zigbee 技术的温度采集系统设计 11 图 物理层接口结构 MAC 层规范 IEEE 标准把数据链路层分为逻辑链路控制子层（ LLC）和介质接入控制子层（ MAC）。 MAC 子层提供两种服务： MAC 层数据服务和 MAC 层管理服务（ MAC sublayer management entity,MLME）。 前者保证 MAC 协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，后者维护一个存储 MAC 子层协议状态相关信 息的数据库。 MAC 子层主要负责以下几项任务：协调器产生网络信标；信标同步；支持 PAN 关联和解关联； CSMA—CA信道访问机制；处理和维护保证时隙（ GTS）机制；在两个对等 MAC 实体间提供可靠链路。 MAC 层参考模型如 图 所示。 图 MAC 层参考模型 基于 Zigbee 技术的温度采集系统设计 12 MAC 帧的基本组成部分 如表 所示。 (1)MAC 帧头 MHR，它包含帧控制域、序列号和地址信息。 (2)MAC 净载荷子域 (动态长度 )，帧的类型是由包含在其内部的信息来确定的。 净载荷子域不包含在应答信号帧内。 (3)MAC，其中含有单个帧校验的序列 (FCS)。 表 MAC 帧格式 2byte 1byte 0/2/8byte 0/2byte 0/2/8byte 0/2/8byte 可变 2/byte 帧控制 序列号 目的 PAN标示符 目的地址 源 PAN 标示符 源地址 帧净载荷 FCS 地址域 MHR MAC净载荷 MFR 无线温度采集系统的整个网络配置由单个协调器节点与 N 个终端数据采集节点构成，在星形拓扑结构的网络内部的所有终端温度采集设备都只能够和协调器节点进行对应的双向通信，为了实现该功能，协调器节点需要保存 N 个终端数据采集节 点的 16 位网络短地址，这就要求每个终端设备节点在入网请求得到允许以后，把 16 位网络短地址发送给协调器节点建立地址表，以满足用户对于特定区域采集数据的需求。 低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议 MAC 数据包最长为 127 个字节，所有的数据包的信息组成都是由 16CRC 值以及头字节组成，在数据传输过程里我们设置了 ACK 标志位为 1 的帧，以此作为应答传输机制的信号帧，假如在规定时间里仍然没有收到反馈回来的应答信号，就说明终端温度采集节点出现异常。 基于 Zigbee 技术的温度采集系统设计 13 第 3 章 温度采集系统的硬件设计 无线温度采集系统解决了传统有 线的温度传感系统布线繁琐，监测过程受限的缺点。 而基于 Zigbee 的这种短距离无线通信系统以其低功耗、高性价比，系统安装维护便捷，而且该系统拥有摆脱数据采集监测过程上空间限制，可应用到更多场合中。 系统整体设计 无线传感器温度采集系统主要由 PC 机、 ZigBee 协调器和放置在各处的温湿度采集节点 ——ZigBee 终端设备组成。 协调器自动组网传感器终端节点自动联网构建星形拓扑网络。 终端数据采集节点的结构较为简化，仅由一个 CC2530 模块，Flash 存储和数字 SHT10 温度传感器组成，各个终端节点被初始化为无 信标网络中的终端设备。 终端设备上电复位后，便启动搜索指定信道上的 PAN 协调器，并发送连接请求，终端设备在成功入网后，启动休眠定时器，间隔 10 秒钟唤醒一次，醒来后使用一种简单的非时隙 CSMACA，通过竞争机制取得信道使用权，通过PC 机向协调器节点发送请求数据 [20]。 利用模块上的温度传感器模块采集环境温度，并上传给协调器节点，而后立即再次进入休眠状态，以达到最少能耗来延长电源续航时间，网络中的协调器节点负责搜集各温度采集节点的信息，并将信息快速的通过 RS232 串口按事先定义好的格式上传 PC 机，随即解析并显示 出来。 上位机监控界面可以用来监控温度传感器模块的工作状态，在监控界面上通过读取所有温度采集节点的地址以及它们的温度数据来预判温度走势。 图 示例了Zigbee 系统的组网模式。 基于 Zigbee 技术的温度采集系统设计 14 图 Zigbee系统传感网例图 该实验实现的功能主要是协调器自启动 (组网 )，节点设备自动入网。 之后两者建立无线通讯，数据的发送主要有 2 种方式，一种为周期定时发送信息 (本次实验采用该方法测试 )，另一种需要通过按键事件触发发送 FLASH 信息。 由于实验配套 ZIGBEE 模块硬件上与 TI公司的 ZIGBEE 样板有差异，因此本次实验 没有采用按键触发方式。 而是采用周期定时广播的方式来发送 ZIGBEE 节点端采集到的温湿度数据。 硬件设计 系统硬件平台 无线温度传感网络的硬件平台如 图 所示，由于终端数据采集节点与协调器节点仅仅在传感器模块跟串口通信模块上的差别，所以这里拿出协调器节点模块介绍该模块上的各个主要的电路部分设计。 基于 Zigbee 技术的温度采集系统设计 15 图 系 统硬件平台 ZigBee 通信模块 ZigBee 通信模块采用德州仪器（ Texas Instrument）公司的 CC2530 通信芯片。 CC2530 是挪威 Chipcon公司的一款真正符合 IEEE802． 15． 4 标准的片上 ZigBee产品。 CC2530 采用 Chip公司最新的 SmaitRF03 技术和 造，采用 77 mmQLP48 封装。 该芯片除了包括 RF 收发器外，还集成了加强型805lMCU、 32/64/128kB 的 Flash内存、 8KB 的 RAM、 ADC、 DMA 和看门狗等。 CC2530 工作在 ，采用低电压 (～ )供电，且功耗很低 (接收数据时为 27mA，发送数据时为 25mA)、灵敏度高 (97dBm)、最大输出为 24dBm、最大传送速率为 250kb/s。 CC2530 的外围元件数目很少，它使用非平衡天线，因为连接非平衡变压器可使天线性能更好。 CC2530 无线单片机在待机时的电流消耗仅基于 Zigbee 技术的温度采集系统设计 16 ，在 32kHz晶体时钟下运行时的电流消耗小于 1μA。 因此，使用小型电池寿命可以长达 10 年 [13]。 通信模块电路设计 由于 CC2530 芯片的高集成度，设计 通信模块的外围电路时仅需少量外围元件即可完成数据处理和传输功能，可显著降低系统成本。 图 出了 CC2530 芯片的外围电路，主要由电源模块、晶振电路、天线电路等部分组成。 图 CC2530芯片外围电路 基于 Zigbee 技术的温度采集系统设计 17 在硬件设计上它采用流水线结构，机器周期由标准的 12 个系统时钟周期降到1 个，因此指令执行速度有很大的提高。 具有 64 个 I/O 引脚 ,每个端口都可以配置成推挽或漏极开路输出，可以满足本系统 IO 口需要。 该芯片除了具有标准 8051的数字外设之外，片内还集成了许多有用的模拟和数字外设及功能部件，如模拟多路开关、可 编程增益放大器、 ADC、 DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、看门狗定时器等 ,支持在系统编程和调试等，本系统主控单元由单片机与CC2530 共同完成数据的收集、存储、显示。 串口电路用于 CC2530 将接收到的数据传送给上位工控机，由于上位工控机与 CC2530 的电平不一致，所以需要一个MAX232 电平转换电路 [8]。 该节点由无线收发器 CC25射频天线 RF、电源模块、晶振电路和串口电路组成。 RF 的输入 /输出是高阻和差动的，用于 RF 口最合适的差动负载是(115+j180)Ω。 当使用不平衡天线 (例如单极天线 )时，为了优化性能，应当使用不平衡变压器。 不平衡变压器可以运行在使用低成本的单独电感器和电容器的场合。 电源模块用于 CC2530 的数字 I/O 和部分模拟 I/O 的供电，供电电压为 ～。 CC2530 可以同时接 32MHz 和 的两种频率的晶振电路，以满足不同的要求。 外设与 CC2530 的连接非常简单，仅需一根接口线，接口十分方便。 由于每片 DSl8820 均有唯一的产品序列号，所以允许在单总线上挂接数十至上百片数字式传感器，并可以非常方便地构成多路温度测量系统。 温湿度数据采集原理 温湿 度探头直接使用 IIC 接口进行控制。 其电路原理图如 图 所示 基于 Zigbee 技术的温度采集系统设计 18 图 温湿度传感器硬件接口电路 ZIGBEE(CC2530)模块硬件上设计有 2 个 LED 灯，用来编程调试使用。 分别连接 CC2530 的 P1_0、 P、 1_1 两个 IO引脚。 从原理图上可以看出， 2 个 LED 灯共阳极，当 P1_0、 P1_1 引脚为低电平时候， LED 灯点亮。 系统配套的温湿度传感器，与 ZIGBEE 模块的 J5 排线相连，这样我们可以知道，温湿度传感器模块的时钟线与 ZIGBEE 模块的 P0_0 IO 引脚相连，温湿度传感器的数据线与 P0_1 IO 引脚相连。 因此我们需要在代码中将相应引脚进行输入输出控制模拟该传感器时序，来监测温湿度传感器状态。 温湿度传感器 SHT10 SHT10 是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全标定的数字输出。 它采用专利的 CMOSens 技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。 传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与 14 位的 A/D 转换器以及串行接口电路实现无缝连接。 SHT10 引脚特性如下 ： 基于 Zigbee 技术的温度采集系统设计 19 ， GNDSHT10 的供电电压为 ~。 传感器上电后，要 等待 11ms以越过 ―休眠 ‖状态。 在此期间无需发送任何指令。 电源引脚（ VDD， GND）之间可增加一个 100nF 的电容，用以去耦滤波。 用于微处理器与 SHT10 之间的通讯同步。 由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小 SCK 频率。 3. DATA 三态门用于数据的读取。 DATA 在 SCK 时钟下降沿之后改变状态，并仅在 SCK 时钟上升沿有效。 数据传输期间，在 SCK 时钟高电平时， DATA 必须保持稳定。 为避免信号冲突，微处理器应驱动 DATA 在低电平。 需要一个外部的上拉电阻（例如： 10kΩ）将信号提拉至高电平。 上拉电阻通常已包含在微处理器的 I/O 电路中 [26]。 基于 Zigbee 技术的温度采集系统设计 20 第 4 章 温度采集系统的软件设计 系统软件平台概述 本系统所用的开发环境是 ，采用的协议栈为 TI 的ZSTACK—— 协议栈。 Z—Stack采用操作系统的思想来构建，采用事件轮询机制，当各层初始化之后，系统进入低功耗模式，当事件发生时，唤醒系统，开始进入中断处理事件，结束后继续进入低功耗模式，如果同时有几个事件发生，判断优先级，逐次处理事件。 整个 Z—Stack的主要工作流程，大致分为系 统启动，驱动初。