基于ZigBee技术的温度采集系统设计Word文档格式.docx

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Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofwirelesscommunications,computersensingtechnologyandthefusion,wirelesssensornetworktechnology（WSN）arisesatthehistoricmoment.knownforitslowcost,thecharacteristicsofthelowdatarate,lowpowerconsumptionZigbeesatisfythecurrentapplicationsofwirelesssensornetworktechnologyandpopularization.ThisthesisresearchtopicisbasedontheZigbeewirelesstemperatureacquisitionsystem,Thesystemcanbeappliedtothefieldofintelligenthouseholdsavingmanpowerandenergy.ithasverybroadapplicationprospectsandresearchvalue.

ThispaperintroducestheZigbeetechnologyandthenetworktopology,Throughtheintroductionofthebasicprincipleofwirelesstemperatureacquisitionsystem,thesystemoveralldesignscheme,Thencompletedthecontrolmodule,terminalnoderelatedhardwareandsoftwaredesign.SystemUSESthestarnetworktopologystructure,setupamasternodeandmultipleslavenodessetupad-hocnetwork,torealizewirelessdatatransmission.ThroughdigitaltemperaturesensorSHT11temperaturedatacollectedinZigbeeterminalnodesaccordingtosetgoodroutingprotocoljumpuploadedtothecoordinatornode,ThecoordinatornodewillbecollectedbythetemperaturedataprocessingbyaseriallinetotheupperPC,anddisplayedinrealtimeonPCserialportterminalmonitoringdatacollected.

Attheendofthesensormodule,wirelesstransceivermodulehardwarecircuitandthewholesystemistested,theresultsshowthatthesystemrunsstably,verifythefeasibilityofthesystemdesign.

KEYWORDS:

wirelesscommunication;

Wirelesssensornetwork；

temperatureacquisition

基于Zigbee技术的温度采集系统设计

第1章绪论

1.1课题背景与意义

在过去20年里，互联网（Internet）极大地方便和改变了我们的生活。

就我们所熟知的几种短距离无线网络通信标准有：

WIFI（无线宽带接入）、Bluetooth（蓝牙）、ZigBee等无线技术，每个标准都有它在特定领域应用的优点。

温度是日常生活中一种最基本的环境参数，自然界中几乎所有的物理化学过程都与温度紧密相关。

在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中离不开温度的测量，在家庭生活中也是处处离不开温度的采集监控。

因此研究温度测量与采集的方法及其相关硬件设备具有重要的意义，而采集测量温度的关键就是温度传感器。

温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。

温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段:

①传统的分立式温度传感器，②模拟集成温度传感器，③智能集成温度传感器[3].目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。

使用以无线网络通信技术为基础的应用系统，进行温度等数据采集传输的方式已经出现在社会生活生产的每一个方面，温度等数据测量的准确度在影响生产效益的同时也逐步引起了社会各界的重视[24]。

本系统选择Zigbee无线通信模块结合数字温湿度传感器SHT10进行温度的采集测量具有很好的通用型与扩展性。

1.2无线温度采集的现状与未来展望

传感器网络实现了数据的采集、处理和传输三种功能。

它与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱。

无线传感器网络wirelesssensornetwork（即WSN）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。

在人们日常生产生活中它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间[19]。

尽管无线传感器技术仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。

1.3论文的主要研究内容

本论文旨在开发一个基于ZigBee网络的实时无线温度采集控制系统。

系统整体主要由ZigBee网络组成，负责无线传感网络内部数据的采集和传输。

利用温度传感器采集来的温度数据，通过Zigbee自组网技术经由终端节点上传给协调器节点整理信息再通过串口通信上传给上位机（PC机），以此对温度进行实时的监控。

基于上述架构的温度采集及控制系统具有如下的特点：

首先，ZigBee作为一种新兴的无线通信技术，它的组网灵活与低成本等特点解决了传统有线连接方式布线繁琐、扩展性和移植性差的缺点；

其次，ZigBee技术的低功耗特点使采集控制节点可采用电池供电适于放置在一些无固定电源的监控环境中。

最后Zigbee标准有助于降低应用成本。

和其他标准，如IEEE802.11相比，满足Zigbee和IEEE802.15.4标准的最低需求相对简单，这同时也降低了Zigbee收发器的复杂度和成本[16]。

本论文的主要研究内容可概括如下：

学习TIZStack2007协议栈内容，掌握CC2530模块无线组网原理及过程。

学习基于Zstack协议栈的无线传感器网络数据传输方法。

熟悉有关Zstack2007协议栈的具体内容。

阅读SHTX0温湿度传感器芯片文档，熟悉该传感器的使用及时序操作。

使用IAR开发环境程序设计，Zstack—2.3.0—1.4.0协议栈源码例程SampleApp工程基础上，实现无线组网及通讯。

即协调器自动组网，终端节点（附带温湿度传感器）自动入网，并采集温湿度数据广播传输，协调器接收到信息后将温湿度数据通过串口发送给PC计算机显示。

以此实现基于Zstack协议栈的数据无线透明传输。

第2章Zigbee技术

2.1Zigbee技术简介

2.1.1Zigbee是什么

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。

主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用[1]。

“Zigbee”一词源自于蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴，传递所发现新食物源的位置、距离和方向等信息。

可以说，是一种小的动物通过简捷的方式实现“无线”沟通，人们借此来称呼这种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术[2]。

形象的描述Zigbee：

它是一种简单的东西，其核心是多信道无线通信装置和微控制器它们都被集成在一两块半导体芯片上，封装在如同小指甲盖大小的塑料制品里面。

简言之，Zigbee就是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网通信技术。

2.1.2Zigbee的优势

首先，各种不同功能的无线网络节点要能相互相交流、相互沟通，就需要保证网络节点的互通性，即网络的标准化。

其次各种功能的无线网络节点相互间可以在任意节点间进行通信。

这就需要管理越来越复杂的无线网络，这样一来，产品的部分设计被标准化，显著减小了产品设计的工作量，有利于缩短产品上市周期。

可以这样说，按照Zigbee标准设计生产出来的检测和控制产品，与那些使用其他无线标准（如Bluetooth和WiFi）的产品相比，安装更容易，功耗更低；

特别是在处理远程监测及控制系统中，其区别更加明显。

这种基于标准的低功率技术特别适合楼宇自动化、成套照明、通风及自动调温系统，降低工业控制和传感器应用的安装和维护成本。

2.1.3Zigbee的主要特性

1.自动组网,网络容量大。

Zigbee网络可容纳多达65000个节点，网络中的任意节点之间都可进行数据通讯。

网络有星状、片状和网状网络结构。

在有模块加入和撤出时，网络具有自动修复功能。

2.网络时延短。

Zigbee的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15ms,节点连接进入网络只需30ms,进一步节省了电能。

相比较,蓝牙需要3～10s、WiFi需要3s。

3.模块功耗低,通讯速率低。

模块最有较小的发送接收电流,支持多种睡眠模式,一个10AH的电池,在Zigbee水表中可使用8年.Zigbee通讯速度最高可达250Kbps,适合用于设备间的数据通讯，不太适合用于声音、图像的传送。

4.传输距离可扩展。

举例DIGI的XBEE增强型模块，相邻模块通讯距离可达1.6Km,有效距离范围内的模块自动组网,网络中的各节点可自由通讯,这样传输距离得到了扩展.

5.成本低。

Zigbee模块工作于2.4G全球免费频段,故只需要先期的模块费用,无需支付持续使用费用.若采用丰宝代理的DIGI公司的Zigbee模块,则可无需再次开发,通过TTL的RX,TX便可进行数据发送接收,大量减少了产品开发周期,获得了更好的市场先机.

6.可靠性好,安全性高。

Zigbee具有可靠的发送接收握手机制,可靠地保证了数据的发送接收,另Zigbee采用AES128位密钥,保证数据发送的安全性。

2.2Zigbee协议栈结构

1、物理层

物理层由半双工的无线收发器及其接口组成，主要作用是激活和关闭射频收发器；

检测信道的能量；

显示收到数据包的链路质量；

空闲信道评估；

选择信道频率；

数据的接受和发送。

2、媒体访问控制层

媒体访问控制（MAC）层建立了一条节点和与其相邻的节点之间可靠的数据传输链路，共享传输媒体，提高通信效率。

在协调器的MAC层，可以产生网络信标，同步网络信标；

支持Zigbee设备的关联和取消关联；

支持设备加密；

在信道访问方面，采用CSMA/CA信道退避算法，减少了碰撞概率；

确保时隙分配（GTS）；

支持信标使能和非信标使能两种数据传输模式，为两个对等的MAC实体提供可靠连接。

3、网络层

基于底层的可靠通信，提供路由、路由发现、多跳、转发的功能。

Zigbee网络可以组成星型、簇树型或MESH型网络。

对于终端节点而言，网络层的功能只是加入和离开网络；

对于路由器而言，网络层的功能是信息的转发，路由发现，建立和维护路由表和邻居表，以及构造到某节点的路由任务；

而协调器网络层的任务主要包括启动和维护网络正常工作，为新加入的节点分配网络地址。

4、应用层

应用层包括三部分：

应用支持子层（APS）、Zigbee设备对象（ZDO）和应用框架（AF）应用支持子层的任务是提取网络层的信息并将信息发送到运行在节点上的不同应用端点。

Zigbee设备对象负责设备的所有管理工作，包括设定该设备在网络中的角色（协调器、路由器或终端设备），发现网络中的设备，确定这些设备能提供的功能，发起或响应绑定请求，完成设备之间建立安全的关联等。

AF应用框架是应用层与APS层的接口。

它负责发送和接收数据，并为接收到的数据寻找相应的目的端点。

2.3ZigBee的网络拓扑结构

ZigBee技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和网状网，可以根据实际项目需要来选择合适的网络结构。

2.3.1星形拓扑结构

星形拓扑是最简单的一种拓扑形式，他包含一个Co-ordinator（协调者）节点和一系列的EndDevice（终端）节点。

每一个EndDevice节点只能和Co-ordinator节点进行通讯。

可以从图2.1发现，如果需要在两个EndDevice节点之间进行通讯必须通过Co-ordinator节点进行信息的转发。

这种拓扑形式的缺点是节点之间的数据路由只有唯一的一个路径。

Co-ordinator（协调者）有可能成为整个网络的瓶颈。

实现星形网络拓扑不需要使用ZigBee的网络层协议，但是这需要开发者在应用层作更多的工作，包括自己处理信息的转发。

图2.1形状拓扑结构

2.3.2树形拓扑结构

树形拓扑包括一个Co-ordinator（协调者）以及一系列的Router（路由器）和EndDevice（终端）节点。

Co-ordinator连接一系列的Router和EndDevice,他的子节点的Router也可以连接一系列的Router和EndDevice.这样可以重复多个层级。

树形拓扑的结构如图2.2所示。

图2.2树状拓扑结构

树形拓扑中的通讯规则：

每一个节点都只能和他的父节点和子节点之间通讯。

如果需要从一个节点向另一个节点发送数据，那么信息将沿着树的路径向上传递到最近的祖先节点然后再向下传递到目标节点。

这种拓扑方式的缺点就是信息只有唯一的路由通道。

另外信息的路由是由协议栈层处理的，整个的路由过程对于应用层是完全透明的。

2.3.3Mesh拓扑结构

Mesh拓扑（网状拓扑）包含一个Co-ordinator和一系列的Router和EndDevice。

这种网络拓扑形式和树形拓扑相同；

可以参考上面所提到的树形网络拓扑。

但是，网状网络拓扑具有更加灵活的信息路由规则，在可能的情况下，路由节点之间可以直接的通讯。

这种路由机制使得信息的通讯变得更有效率，而且意味这一旦一个路由路径出现了问题，信息可以自动的沿着其他的路由路径进行传输。

网状拓扑的示意图如图2.3所示。

图2.3网状拓扑结构

通常在支持网状网络的实现上，网络层会提供相应的路由探索功能，这一特性使得网络层可以找到信息传输的最优化的路径。

需要注意的是，以上所提到的特性都是由网络层来实现，应用层不需要进行任何的参与。

MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信；

该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；

网络还具备自组织、自愈功能。

2.4IEEE802.15.4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IEEE802.15.4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2.1是IEEE802.15.4的主要协议框架。

表2.1IEEE802.15.4主要协议框架

应用层

网络层

数据链路层

MAC层

868/915PHY层

2.4PHY层

2.4.1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。

IEEE802.15.4物理层定义了868MHz、915MHz和2.4GHz三个频段。

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（2.1）所示。

（2.1）

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2.4所示。

图2.4物理层接口结构

2.4.2MAC层规范

IEEE802.15.4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（MACsublayermanagemententity,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2.5所示。

图2.5MAC层参考模型

MAC帧的基本组成部分如表2.2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2.2MAC帧格式

2byte

1byte

0/2/8byte

0/2byte

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。

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。

3.1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CSMA-CA，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3.1示例了Zigbee系统的组网模式。

图3.1Zigbee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。

3.2硬件设计

3.2.1系统硬件平台

无线温度传感网络的硬件平台如图3.2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。

图3.2系统硬件平台

3.2.2ZigBee通信模块

ZigBee通信模块采用德州仪器（TexasInstrument）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Chipcom公司最新的SmaitRF03技术和0.18μmCMOS工艺制造，采用7×

7 

mmQLP48封装。

该芯片除了包括RF收发