基于Zigbee无线传感网的温湿度信息线监测系统设计.pptx

基于Zigbee无线传感网的温湿度信息线监测系统设计.pptx

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,基于ZigBee的无线温湿度采集系统设计,1/29/2019,中北大学,学院：

仪器与电子学院年级专业：

微电子科学与技术指导教师：

丑修建研究生：

燕乐学生姓名：

龚世铖,内容提要,1/29/2019,绪论ZigBee协议简介SHT75传感器介绍系统总体方案设计系统硬件设计系统软件设计系统测试8谢谢,1绪论,1/29/2019,1.1课题的研究背景及意义,ZigBee技术具有低成本、低功耗、低速率的特点和高可靠性、组网简单、灵活等优势。

ZigBee技术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。

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。

本文设计了基于ZigBee技术的温湿度在线监测系统，采用星形网络拓部结构构建ZigBee无线传感网络，传感器选用SHT75型温湿度传感器，主控制芯片采用CC2530芯片控制温湿度数据采集、处理、无线收发功能的实现。

软件基于IEE802.15.4/ZigBee协议栈进行了设计，最终在串口调试助手上实现在线监测功能。

1绪论,1/29/2019,1.2系统设计思路,ZigBee系统设计思路如下图：

温湿度采集系统,系统硬件设计,系统软件设计,1绪论,1/29/2019,ZigBee终端采集的数据传给ZigBee协调器，ZigBee协调器再通过USB上传给电脑，实现温湿度的ZigBee网络的远程监控，网络如下图：

1.3ZigBee网络实现方案,2ZigBee协议简介,1/29/2019,ZigBee网络设备IEEE（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，只能够同FFD进行通信。

ZigBee技术支持星型网、树状网和网状网三种网络拓扑，其网络中有三种的数据通信机制：

单播（Unicast）、组播（Multicast）和广播（Broadcast）。

ZigBee协议栈架构ZigBee协议分两部分，IEEE802.15.4标准定义了物理层（PHY）和介质访问层（MAC）技术规范；ZigBee联盟定义了网络层（NWK）、应用层（APL）技术规范。

2ZigBee协议简介,1/29/2019,3SHT75传感器介绍,SHT75传感器介绍SHT75型号温湿度传感器结构如下图所示芯片结构:

内部集成有温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线。

分辨率:

湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位可通过软件编程为12位和8位。

测量精度:

湿度测量精度为1.8RH，温度测量精度为0.3工作电压:

2.4V5.5V（注：

不同工作电压下的温度系数不同）SHT75型号温湿度传感器引脚结构如下图所示,3系统整体设计,3.1系统整体设计本文设计的系统，主要由1台PC机、1台协调器、1台终端。

协调器负责建立网络，终端（采集节点）加入网络后，终端将采集的数据上传给协调器；协调器通过usb上传数据至PC机，PC机通过串口调试助手显示。

硬件平台的选择：

本文设计的系统选用TI的CC2530SoC芯片作为ZigBee1/29/2019无线网络的硬件解决方案。

4系统硬件设计,1/29/2019,4.1协调器电路设计CC2530核心电路设计,4系统硬件设计,1/29/2019,CC2530核心电路设计,4系统硬件设计,1/29/2019,4.2终端节点电路设计,5系统软件设计,1/29/2019,软件平台概述系统设备软件部分选择TI的Z-Stack2007协议栈；采用软件平台IAR开发。

ZigBee设备通信ZigBee协议栈：

使用ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0协议栈的Generic-App进行设计开发。

Z-Stack由main（）函数开始执行，main（）函数共做了2件事：

一是系统初始化，另外一件是开始执行轮转查询式操作系统。

用户自己添加的应用任务程序在Zstack中的调用过程为：

main（）-osal_init_system（）-osalInitTasks（）-SampleApp_Init（），具体如右图：

执行操作系统,系统初始化,开始,5系统软件设计,1/29/2019,macEventLoop（）,本任务当前最高优先级事件,Hal_ProcessEvent（）,nwk_event_loop（）,APS_event_loop（）,SAPI_ProcessEvent（）,开始,本任务当前最高优先级事件,系统消息事件ZDO状态改变事件网络初始化事件网络启动事件网络更新NV事件设备重启事件,系统消息事件允许绑定时间事件绑定时间事件进入事件用户事件,本任务当前最高优先级事件,ZDApp_event_loop（）,系统消息事件LED闪烁事件键盘事件,Y,Y,Y,Y,Y,Y,N,N,N,N,N,Z-Stack中操作系统是基于优先级的轮转查询式操作系统，执行流程图如右图：

5系统软件设计,1/29/2019,星形程序设计:

星形拓扑是最简单的一种拓扑形式，他包含一个协调器节点和一系列的终端节点。

每一个终端节点只能和协调器节点进行通讯。

如果需要在两个终端节点之间进行通讯必须通过协调器节点进行信息的转发。

数据的收发：

ZigBee设备间通信：

设备发送端，调用自定义的发送函数（GenericApp_SendTheMessage）发送数据；接收端就调用事件任务处理（GenericApp_ProcessEvent）、消息处理函数（GenericApp_MessageMSGCB）接收数据。

设备发送的数据包括发送设备的64位扩展IEEE地址和SHT75的采集温湿度。

其中跟据SHT75的传输时序编写温湿度采集程序，程序主要包括：

延时函数，SHT75传感器启动、读取数据。

6实践测试,1/29/2019,6.1组网测试建立一个简单的网络，该网络包括1个协调器、1个终端节点。

协调器采用usb供电，终端节点采用电池或者USB供电。

依次给协调器、终端节点上电。

观察到，所有节点的LED灯均闪烁然后常亮，协调器建网成功；终端节点成功加入了网络。

测试现象如下图：

协调器,终端节点,6网络测试与分析,1/29/2019,6.4温湿度采集系统功能测试,搭建了一个简易的小型ZigBee网络，由1台PC机、1个协调器1个终端节点组成。

终端节点连接SHT75温湿度传感器。

6网络测试与分析,1/29/2019,6.4温湿度采集系统功能测试,6网络测试与分析,1/29/2019,6.5结果与讨论,针对试验中出现的问题，提出以下建议：

1.如何扩大网络的覆盖范围。

一般有两种方法：

完善网络拓扑结构，增加路由节点，但会增大网络时延。

发射功率，增加功率放大芯片。

增强了信号，提高了系统通信的可靠性，但增大了功耗。

网络拓扑规划，根据应用场景构建网络拓扑。

网络节能，根据实际应用调节CC2530的发射功率，有效节能，延长寿命。

上位机显示界面还有一些设计漏洞需要改进。

谢谢观赏,1/29/2019,