基于ZigBee的无线温湿度采集系统设计毕业设计论文.docx
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1、摘要摘要在物联网盛行的今天,无线传感器网络(WSNM乍为物联网中核心技术之一, 应用更是日益广泛P IEEE802. 15. 4ZgBee技术是近些年来通信领域中的研究热点 它具有低成本、低功耗、低速率等特点和高可靠性、组网简单灵活等优势,逐步成 为WSN事实上的国际标准。ZlgBee技术凭借其优势,赢得了广阔的市场,国内 外企业纷纷展开了 ZlgBee产品的开发。本文设计的ZlgBee的无线温湿度采集系 统,移植性强,可广泛应用于大棚温湿度采集、家庭办公自动化温控、工业与环境 信息监测等场景,有广阔的市场前景。本文首先对ZlgBee协议栈架构进行了系统的分析,然后依据其特点对系统总 体方案进
2、行概要设计。本文设计了参照Tl公司的设计方案,硬件选用Tl公司的 CC2530芯片进行设计,软件选用ZlgBee协议栈2007 ZStack设计。文章接下来 又分别对软硬件进行详细地设计。对于系统的硬件电路设计主要包括,分析了 CC2530射频芯片的特性及使用,分别卡协调器、路由器和终端采集节点的核心电 路和外围电路原理图进行设计,其中外围电路部分主要包括电源电路、复位电路、 USB转串口电路、DebUg下载电路以及网络指示电路等的设计。在系统软件设计 部分,主要对ZlgBee协议栈的配置、网状网程序、设备间的通信、温湿度数据采 集和上位机界面等部分进行了设计,其中上位机界面设计程序使用Lab
3、VIEW2010 编写。系统设计完成后,又对所设计的系统进行了组网、通信以及系统功能的测试, 实现了网状网拓扑的组网采集功能,论证了方案的可实施性。接下来本文对ZlgBee 网络与C008网络通信进行了分析,给出了实现网络大范围覆盖的系统搭建方案, 用来。文章结尾对设计工作做了总结,并对接下来的进一步研究设计和系统的应用 进行了分析与展望。关键词无线传感器网络;ZlgBee;数据采集;Z-StackAbstractNowadays the IOT is prevalent, wireless sensor network is used wider and wider as the core
4、of die Internet teclology. IEEE802. 15. 4/ZigBee teclmology is燕山大学本科毕业设计(论文)a hot research u the field of connumcaton in recent years. It has the advantages of low cost, low power consumption, low rate, high reliability, simple, flexible and so on. Aiid it g adually become the de facto international
5、 standard of the WSN Llj. ZigBee teclology lias won the broad market, the domestic and foreign companies launched the development of ZigBee products. ZigBee wieless temperature and humidity acquisition system is designed in tlus paper, the portability is strong, can be widely applied in the greelous
6、e temperature and Iiunudity collection, family office automation control, Iiidustnal and enviouetal Iiifbniiatioii momtormg scene.This paper analyzes ZigBee protocol stack, then designs the scheme of the system. The hardware is designed by smg CC2530 clup of the TI, the software is designed by usmg
7、Z-Stack . The design of hardware circuit system Uicludes the core and peripheral circuit of the coordinator, router and end device. The peripheral cicit includes die design of the power circuit, reset circuit, USB conversion cu cut, Debug serial cucut and display cucut. Wlnle in the process of desig
8、iung the SOftWaie of the system, the configuration of the Z-Stack, netwok progranumg, devices Coniiiiuiucatioii, temperature and Iiunudity data acquisition are designed, and the PC Uiterface is designed by the LabVIEW2010.Then I test the system function of networking and Coiiiiiiuiiicatioii. Aiid th
9、e net acquisition function of mesh topology is realized, demonstrates the implementation of the scheme. Next tlus paper analyzs the bridging of the ZigBee network and C008 wireless network, and gives the system COnStrUCtlOn scheme for network coverage. At die end of the paper the design work is sunu
10、arzed, and the future design of the study is analyzed and forecasted.Key words wueless sensor netwoik; data acquisition; ZigBee; Z-Stack#目录目录摘要IAbstractII第1章绪论1LI课题的研究背景及意义11.2国内外研究的现状2L 3无线温湿度采集系统设计思路2L 4组织架构3第2章ZlgBee协议简介52. 1 ZIgBee技术简介 53. 2 ZigBee网络设备54. 3 ZlgBee协议栈架构72. 4本章小结9第3章系统硬件设计103.1系统整
11、体方案103. 2系统硬件平台选择 113. 3协调器电路设计123. 3. 1 CC2530核心电路设计 134. 3. 2外围电路设计 143. 4终端节点电路设计 163. 5路由器电路设计 173. 6本章小结 17第4章系统软件设计184.1系统软件平台概述 184. 2 ZigBee设备通信设计 194.2. 1 ZlgBee协议栈配置194. 2. 2网状网程序设计254. 2. 3数据的收发27m燕山大学本科毕业设计(论文)4. 2. 4温湿度数据采集301. 3 LabVlEW上位机设计354. 3.1后砸程序实现355. 3. 2前砸布局376. 3. 3应用程序和安装程序
12、的生成 374. 4本章小结38第5章网络测试与分析395.1组网测试395. 2设备通信测试405. 2. 1空旷无障碍测试试验407. 2. 2有障碍测试418. 2. 3温湿度采集系统功能测试 425. 3测试结果与分析446. 4 COO8搭载ZlgBee网络实现方案445. 5本章小结46总结47参考文献48致谢50附录1硬件原理图51附录2 ZigBee程序53附录3 LabVlEW程序图67附录4外文翻译69附录5开题报告85附录6文献综述91附录7中期报告96#第1章绪论第1章绪论ZigBee技术是一种介于蓝牙和无线标记之间的无线技术方案。ZigBee技术是 一种新兴的短距离、
13、低功耗、低速率、低成本的无线通信技术。它采用CSMA-CA 方式接入信道,可有效地避免通信冲突叫ZigBee网络拓扑结构主要有星型网、 树状网或网状网三种。设备地址分为16位短地址和64位长地址,具有较大网络容 量。它的应用层可根据用户需要进行开发。1.1 课题的研究背景及意义在物联网盛行的今天,无线传感器网络作为物联网中的核心技术之一,应用 更是日益广泛。无线传感器网络(WUeless SeiisoiNetwoiks, WSN)是通 过各类传感器协作地实时感知和采集环境信息,通过无线发送,以自组多跳 的方 式传送到一个特定的节点进行信息收集的网络。WSN的特性决定了其不需要较高 的传输带宽,
14、而需要较低的传输延时和极低的功率。ZIgBee技术是近年来通信领 域中的研究热点,具有低成本、低功耗、低速率的特点和高可靠性、组网简单、 灵活等优势,逐渐成为WSN实际上的国际标准。ZlgBee技术应用广泛,主要领域有大棚温湿度采集控制、家庭办公自动化、 工业与环境监测及人员定位与医疗护理等。温室大棚可以通过ZlgBee技术完成温 湿度采集,并通过无线网络传输到后台,方便管理员调节大棚温 湿度,节省了人 力;家中具有ZlgBee系统,可以方便的监控家中的整体运作,有效掌握电力、自 来水等的使用状况,智能化控制空调、灯光、火灾等感应系统,节约能源;在社 区老年福利院,使用ZlgBee人员定位系统
15、,可以动态的监测各人员位置,方便人 员的及时护理。运用ZlgBee等技术的无线传感器网络,相比于传统的布线方式,省去了电 缆安装和网络架设等环节,大大节省了人力、财务等,系统的灵活性、可维护性 与扩展性也大大提高。基于ZlgBee技术的无线传感器网络,能够实时地监测环 境的信息,其网络节点可以自组织的随时加入/退出网络,不需要人为管理。ZigBee 技术满足了无线通信、网络大范围覆盖、网络灵活性高以及维护管理方便等要求, 是将来物联网发展的趋势。1燕山大学本科毕业设计(论文)1.2 国内外研究的现状WSN的巨大应用价值,引起了国际上的广泛重视。美国自然科学基金 委员 会于2003年制定了 WS
16、N研究计划,日本、英国、意大利、巴西等国也陆续展开 该领域的研究工作。在温总理2009年提出的感知中国”中,物联网正式列为我 国五大新兴战略性产业之一。ZlgBee作为物联网的骨干 之一,在中国引起了企业 的高度重视,许多企业纷纷展开了基于ZlgBee的研究,推动了 ZlgBee技术在中 国的发展。现如今,许多芯片厂商已推出自己的SOC解决方案,并免费提供了基于自家 芯片的ZIgBee协议栈。随着ZIgBee协议标准的逐步完善和物联网的带动,以及5 大芯片厂商(Jenmc, TI, Frescale, Ember, Ateml)和ZigBee联 盟的不断努力推 动,基于ZlgBee的应用层出不
17、穷。ZlgBee技术具有广阔的应用前景,在未来可以涉及到人类日常生活和社会生 产的众多领域。从技术层面上来看,ZlgBee技术在未来将迎合物联网的发展,扮 演好传输层的角色,朝着开发更廉价,更省电,更快速的SoC发展。从应用领域上 来看,ZIgBee相比于蓝牙、WiFi,它具有低功耗的优势,有机会开拓在智能手机 等领域的市场。目前ZlgBee技术仍然处于起步探索阶段,主要表现在可应用的终端产品真 正上市的不多,典型应用少、网状网应用少、缺乏体现ZlgBee优势的大型组网应 用。ZigBee的大规模商业应用还有待时日,但已经展示出了其 非凡的应用价值, 相信随着技术的发展和推进,一定会得到更广阔
18、的应用。1. 3无线温湿度采集系统设计思路本文设计的基于ZigBee的温湿度采集系统,选用2. 4GHz的CC2530作 为核心芯片,参考Tl的设计方案进行软硬件设计。在网络覆盖范围内,分布着协 调器、路由器和终端采集节点。系统运行时,终端节点实现数据的采集和上传; 协调器将各终端节点上传的数据汇总、处理,并通过串口发送至上位机界面显示 并存储;当传输距离达不到时,采用路由器对数据进行转发,达到中继路由功能, 同时路由器也具备采集功能。对于该无线温湿度采集系统的实现,主要从以下几个方面进行了设计:第1章绪论(1)系统硬件部分的设计,主要包括协调器、路由器及终端采集节点的硬件 整体方案设计和的硬
19、件各组成部分的设计。(2)系统软件部分的设计,主要包括Z-StaCk协议分析、系统网络设计、节 点间通信设计、数据采集程序设计以及上位机软件界面设计。温湿度采集系统本文温湿度采集系统设计思路如图1-1所示。系统硬件设计系统软件设计-协调器路由器采集系统系统设备DHTll上位机节点电节点电节点电协议网络通信数据采软件路设计路设计路设计设计设计设计集设计设计图IT温湿度监测系统整体设计框图1. 4组织架构本文可以分为七章,下面分别介绍每章的主要内容:第1章简要介绍了基于ZigBee无线温湿度采集系统的研究背景及意义、国 内外的研究现状以及本文的设计思路。最后给出了本文的组织架构。第2章主要包括Zl
20、gBee技术简介,网络中的设备、拓扑结构以及ZIgBee协 议栈架构的各主要部分。第3章给出了基于ZlgBee技术的无线温湿度采集系统的总体设计,并给出 了系统的硬件平台和软件平台的选择方案。第4章主要介绍了无线通信模块的设计,并根据网络中各节点类型,分别对 协调器、路由器和终端节点进行硬件设计。第5章对系统的软件部分进行了设计,主要包括协议栈的配置、各模块间数 据通信以及温湿度的采集和上传,同时还用LabVIEW设计了上位机界 面,用以 实时显示存储采集到的温湿度数据。3燕山大学本科毕业设计(论文)第6章主要进行了组网、通信以及系统功能的测试。在上位机界面上显示并 存储协调器上传的数据。并根
21、据测试过程中遇到的问题提出了相应的解 决方案。第7章结合实习工作单位的C008设备,将ZlgBee协调器接到C008设 备的 终端,实现大范围无线网络覆盖。最后对设计工作进行了总结,并对今后的系统的进一步设计进行了分析与展望。#第2章ZlgBee协议简介第2章ZigBee协议简介2. 1 ZigBee技术简介物联网就是物物相连的互联网。通过红外感应器、射频识别(RFID)、全球定 位等信息传感设备,按照约定的协议,把互联网与任何物体相连接,实现双方间 的信息通信,以实现对物体的智能化识别、定位跟踪和管理的一种网络。无线传感器网络是物联网中核心技术之一。WSN可以采用ZlgBee技术、蓝 牙、W
22、lFI和红外等技术实现。其中ZIgBee技术是一种新兴的短距离、低复杂度、 低功耗、低数据速率、低成本的无线通信技术。它采用CSMA-CA方式接入信道, 可有效地避免通信冲突。随着ZlgBee技术走进国内市场,许多公司均在着手开 发基于ZlgBee的产品。其应用领域有大棚温湿度采集控制、家庭办公自动化、工 业与环境监测及人员定位与医疗护理等。3. 2 ZigBee网络设备IEEE(Isttute OfElectncal and Electronics Engineers,电气和电子工程师 协会)定义了两种不同类型的设备:一种是全功能设备(FFD),另一种是简化功能 设备(RFD) FFD能够转
23、发其他设备的数据帧,与多个其它的FFD或多个RFD进 行通信;RFD不能同其他终端节点通信,只能同FFD进行通信。依据设备在网络中承担的任务的不同,可以将ZlgBee网络中的设备分 为协 调器、路由器和终端节点。FFD在任何网络拓扑结构的中,能够成为网络中的协 调器、路由器或终端节点,而RFD只能充当终端节点四。一个ZlgBee网络中只有 一个协调器,它是整个网络的核心,负责网络的建立,向周围的设备发送信标帧 并为其分配地址,并将数据上传或命令下发。路由器协助协调器建立网络,并在 协调器和终端节点间起到路由中继的作用。终端节点的主要功能是将采集的数据 发送给协调器或接收协调器下达的命令。(1)
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