基于ZigBee技术的温湿度数据采集系统设计.docx
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基于ZigBee技术的温湿度数据采集系统设计
毕业设计
基于ZigBee技术的温湿度数据采集系统设计
摘要:
本设计提出了一种利用新型低功率、低成本的ZigBee无线网络技术来实现分布式温湿度检测系统的方法。
该方法采用了一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器芯片SHT11来对温湿度进行数据采集，并采用符合ZigBee标准的CC2430射频芯片作为传感器节点的数据采集和处理单元。
在IAR开发环境下编写和编译传感器节点程序，实现了无线传感器网络采集温湿度信号及传感器节点之间的数据传输功能。
本设计对无线传感器网络化农业工业等温湿度数据采集系统进行了测试和应用性试验，结果表明该系统各项技术性能指标达到设计要求，具有推广和应用价值。
关键词:
ZigBee，温湿度，SHT11，CC2430，无线传感网络，数据采集
Abstract:
Thispaperproposesamethodtorealizethedistributeddetectionsystemoftemperatureandhumidityusingzigbeewirelessnetworktechnologywhichisnewlow-power,lowcost.Themethodcollectsdataontemperatureandhumiditybyusingasinglechiprelativehumidityandtemperaturemultisensorcomprisingacalibrateddigitaloutput,usingthelinewithzigbeestandardCC2430radiochipasthesensornodesindatacollection.AfterwritingandcompilingproceduresintheIARdevelopmentenvironment,sensornodesachieveawirelesssensornetworkbycollectingtemperatureandhumiditysignalsandtransmissiondatabetweennodes.Thedesignmakestheapplicationexperimentonwirelesssensornetworksofagriculturalindustrialtemperatureandhumiditydataacquisitionsystem,theresultsshowthatthetechnicalperformanceindicatorsmeetthedesignrequirementwiththepromotionandapplicationvalue.
Keyword:
ZigBee,Temperatureandhumidity,SHT11,CC2430,Wirelesssensornetworks,Dataacquisition
目录
1前言4
2无线传感器网络4
2.1无线传感器网络体系结构5
2.2无线传感器网络特点6
2.3无线传感网络的发展趋势7
3Zigbee技术简介8
3.1Zigbee技术的由来8
3.2Zigbee的技术特点8
3.3Zigbee协议栈9
3.4Zigbee网络拓扑结构9
4系统总体方案设计11
4.1系统总体框架11
4.2无线传感网络节点设计11
4.3系统设计芯片的选择12
4.3.1SHT11介绍12
4.3.2CC2430介绍14
4.3.3RS-48516
5系统的硬件设计17
5.1采集单元设计17
5.2CC2430单元设计18
5.2.1处理器单元设计18
5.2.2通讯模块设计19
5.2.3天线19
6系统的软件设计20
7系统测试21
7.1系统测试结果23
7.1.1组网测试结果23
7.1.2数据传输及显示测试结果23
结论24
参考文献25
致谢26
1前言
目前的环境状况逐渐恶化，已引起人们广泛的关注。
加强对环境的研究，防止进一步的恶化，具有重大的意义，但是通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作，而微型传感器的为随机的野外数据调查提供了便利，比如跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等以及精细农业中，以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。
传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。
如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，利用传感器网络，医生就可以随时了解被监护病人的病情，进行及时处理。
还可以利用传感器网络长时间地收集人的生理数据，这些数据在研制新药品的过程中是非常有用的，而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会给人的正常生活带来太多的不便。
此外，在药物管理等诸多方面，它也有新颖而独特的应用。
除此之外，无线传感网络在空间探索、信息家电和智能家居都有着广泛应用。
可以想见无线传感网络将会是人感官与思维的极大延伸，而根据摩尔定律，无线传感网络的节点将会更加趋于集成化、微型化和智能化，使我们的经济与社会发展得到更大的驱动力。
但到目前为止，我国的大棚、日光温室内环境主要仍靠人工经验来管理，缺乏系统的科学指导。
其栽培技术缺乏量化指标，主要靠管理者的经验，科技含量不足，只能被动地实现保温、降温、遮阳和防雨，而不能主动地调节温、光、水、肥、气，这几乎成了限制温室作物高产优质种植的主要障碍。
可见，温室控制技术的发展，对于温室产业乃至我国的农业现代化进程具有深远的影响。
很多温湿度监测环境范围大，测点距离远，布线很不方便。
这时就要采用无线技术的智能网络化传感器进行采集。
在本设计系统中各点的温湿度传感器SHT11将采集到的温湿度值送给CC2430进行处理，采用RS-485总线作为计算机与测控网络的接口，能准确测量范围内的温湿度，又能解决布线不便的问题。
本设计的ZigBee技术的温湿度数据采集系统可被广泛应用于温湿度测量的工业、农业、环保、服务业、安全监控等工程中。
2无线传感器网络
无线传感器网络WSN（wirelesssensornetworks）是一种特殊的Ad-hoc网络，由部署在监测区域内大量具有特定功能的微型传感器节点通过无线通信方式形成的自组织网络，其目的是协同地感知、采集和处理网络覆盖区域内被监测对象的信息，并将该信息传送到观察者。
它不需要固定网络支持，具有快速展开，抗毁性强等特点，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。
2.1无线传感器网络体系结构
无线传感器网络结构如图2.1所示，传感器网络系统通常包括传感器节点（SensorNode）、汇聚节点（SinkNode）和管理节点。
大量传感器节点随机部署在监测区域（SensorField）内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。
传感器节点监测的数据沿着其它传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。
用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。
节点由于受到体积、价格和电源供给等因素的限制，通信距离较短，只能与自己通信范围内的邻居交换数据。
要访问通信范围以外的节点，必须使用多跳路由。
为了保证网络内大多数节点都可以与网关建立无线链路，节点的分布要相当的密集。
传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。
从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其它节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其它节点协作完成一些特定任务。
目前传感器节点的软硬件技术是传感器网络研究的重点。
汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。
汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。
图2.1传感器网络的系统结构和节点构成
2.2无线传感器网络特点
目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、Adhoc网络等，与这些网络相比，无线传感器网络具有以下特点：
（1）硬件资源有限。
节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。
这一点决定了在节点操作系统设计中，协议层次不能太复杂。
（2）电源容量有限。
网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。
其特殊的应用领域决定了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用（死亡）。
因此在传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。
（3）无中心。
无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有结点地位平等，是一个对等式网络。
结点可以随时加入或离开网络，任何结点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。
（4）自组织。
网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。
（5）多跳路由。
刚络中节点通信距离有限，一般在几百米范围内，节点只能与它的邻居直接通信。
如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。
固定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现，而无线传感器网络中的多跳是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。
这样每个节点既可以是信息的发起者，也是信息的转发者。
（6）动态拓扑。
无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；一个节点也可能由于工作的需要而被添加到网络中。
这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。
（7）节点数量众多，分布密集。
为了对一个区域执行监测任务，往往有成千上万传感器节点空投到该区域。
传感器节点分布非常密集，利用节点之间商度连接性来保证系统的容错性和抗毁性。
2.3无线传感网络的发展趋势
（1）能耗低。
无线传感器网络必须具备在无人值守的条件下长期工作的能力，同时组成网络的节点数量众多，经常更换电池不切实际，因此节点的能量消耗必须达到最低，以延长工作时间。
（2）成本低。
组成无线传感网络的节点数量很大，单个节点的价格必须很低，否则影响系统成本。
减少系统管理和维护的开销也可以降低系统成本。
（3）通用性。
2002年，美国电气和电子工程师协会（IEEE）制定了两个无线传感器网络的相关标准，其中IEEE802.15.4是低速无线个域网标准，IEEEl45l是关于无线智能变送器的接口标准。
其网络协议标准还要进一步研究。
（4）网络拓扑。
无线传感网络系统中的节点数量很多，节点之间以多跳传输的方式通信。
节点因为各种原因会加入或者退出网络，所以网络是动态变化的。
这就要求设计符合无线传感网络特点的网络拓扑结构，比如开销低，维护方便等。
（5）安全性。
受到资源限制，无线传感网络的通信协议开销低，并且存在严重的安全问题。
入侵者不仅可以实现服务拒绝，而且传感节点之间是分布式自组网，很难实现严密的安全防护，急需设计符合无线传感网络特点的安全机制。
（6）实时性。
一些应用无线传感网络的监控系统对时间约束要求非常高。
而无线传感网络自身所具备的一些特点，如规模很大，网络拓扑动态变化、抗干扰能力不强等等，对实时设计来说是一个很大的挑战。
（7）智能性。
无线传感器网络系统需要感知环境变化，通过节点间的协同工作来产生需要的输出。
由于其与物理世界密切相关，其高出错概率、易受干扰和不确定的特点使传统的分布式系统解决方案无法适用，需要为其设计新的工作模式。
3Zigbee技术简介
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。
3.1Zigbee技术的由来
蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。
借此意义Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。
在此之前Zigbee也被称为“HomeRFLite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”无线电技术，目前统称为Zigbee。
3.2Zigbee的技术特点
ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915MHz（美国流行）3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。
作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点：
（1）低功耗。
由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee设备非常省电。
据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。
（2）成本低。
ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5—2.5美元，并且ZigBee协议是免专利费的。
低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。
（3）时延短。
通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。
因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。
（4）网络容量大。
一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，而且网络组成灵活。
（5）可靠。
采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。
MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。
如果传输过程中出现问题可以进行重发。
（6）安全。
ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。
3.3Zigbee协议栈
ZigBee协议栈结构（图3.1）是基于标准OSI七层模型的，包括高层应用规范、应用汇聚层、网络层、媒体接入层和物理层。
图3.1ZigBee协议栈
IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。
两者均基于直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum，DSSS）技术。
868MHz只有一个信道，传输速率为20kb/s；902MHz～928MHZ频段有10个信道，信道间隔为2MHz，传输速率为40kb/s。
以上这两个频段都采用BPSK调制。
2.4GHz～2.4835GHz频段有16个信道，信道间隔为5MHz，能够提供250kb/s的传输速率，采用O-QPSK调制。
为了提高传输数据的可靠性，IEEE802.15.4定义的媒体接入控制（MAC）层采用了CSMA-CA和时隙CSMA-CA信道接入方式和完全握手协议。
应用汇聚层主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，主要包括安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现和业务发现。
3.4Zigbee网络拓扑结构
ZigBee协议主要采用了三种组网方式：
星型网、树型网及混合网，网络拓扑结构如图3.2所示。
图3.2ZigBee三种拓扑结构
在星型网中，以PAN协调器为中心，所有设备只能与中心设备PAN协调器进行通信，终端设备之间的通信通过PAN协调器的转发来完成，因此在星型网络的形成过程中，第一步就是建立PAN协调器。
任何一个FFD设备都有成为PAN协调器的可能，一个网络如何确定自己的PAN协调器由上层协议决定。
在这种网络中，PAN协调器一般使用持续电力系统供电，而其他设备采用电池供电。
星型网络适合家庭自动化、个人计算机的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。
树型网，任意两个设备只要彼此都在对方的无线辐射范围之内，收到对方的无线信号，就可以进行通信，不需要其他设备的转发。
但是对等网中仍然需要一个PAN协调器，不过该协调器的功能不再只为其他设备转发数据，而是完成设备注册和访问控制等基本的网络管理功能，PAN协调器的产生同样是由上层协议规定。
此网络模式可以支持AdHoc网络，允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据。
树型网络可以构造更为复杂的网结构-Mesh网，适合于设备分布范围广的应用，比如在工业检测与控制、货物库存跟踪和智能农业等设备分布范围较广的应用。
星型网和树型网相结合则形成了混合网，各个子网内部以星型连接，其主器件间又以树型的方式连接在一起。
信息流首先传到同一子网内的主节点，通过网关节点到达更高层的子网，随后继续上传直至到达中心采集设备。
中心采集设备与普通的无线个域网（WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN）设备相比具有更强的处理能力和内存。
混合网可以用于覆盖范围比较大的区域，例如在一个大型旅店中，每个房间中设置一主器件与房间内的其它从器件以星型方式连接，这些主器件又以对等的方式被连接起来，从而形成一张大的混合网络。
虽然混合网功能强大，但是由于任何控制和同步信息均要通过多重链路到达接收点，要实现同步和控制比较困难。
此外，由于对上层节点尤其中心采集设备的配置要求比较高，使得达到较低的忙闲比和降低功耗的目标变得更加困难。
在上述的网络拓扑结构中，网络的形成和维护都是通过设备之间的通信而自动实现，不需要人工来干预。
4系统总体方案设计
4.1系统总体框架
温湿度数据采集系统总体框架如图4.1所示。
系统由信号采集与信号调理模块、监测系统主控模块、通信模块以及网络模块组成。
图4.1温湿度采集系统总体框架
4.2无线传感网络节点设计
针对不同的应用，传感器节点的组成也不尽相同，但是它们的基本结构是一样的。
主要包括采集单元、处理单元、传输单元、电源单元等4大部分组成，如图4.2所示。
图4.2传感节点基本结构
4.3系统设计芯片的选择
系统的硬件主要应用三种设备：
分别是温湿度传感器SHT11、Zigbee芯片CC2430，以及RS-485总线。
4.3.1SHT11介绍
SHT11由于采用了特有的工业化CMOS技术，它具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。
芯片内包括经校准的相对湿度和温度传感器，它们与一个14位的A/D转换器相连，每一个传感器都是在精确的温室中进行校准的，校准系数预先存在OTP内存中，在测量校准的全过程都要用到这些系数，二线串行I2C总线接口支持简单、快速的系统集成。
SHT11传感器的特点如下：
（1）全校准数字输出相对湿度、温度；
（2）温度值分辨率为14位，湿度值分辨率为12位，可编程降至12位和8位；
（3）具有露点计算输出功能；
（4）小体积（7mm×5mm×3mm），可表面贴装和4引脚封装；
（5）卓越的长期稳定性；
（6）自动休眠功能；
（7）工业标准I2C总线接口；
（8）可靠的CRC传输校验。
SHT11的相对湿度和温度绝对精度、如图4.3.1所示，其性能参数如表4.3.2所示。
图4.3.1相对湿度、温度的精度曲线
图4.3.2SHT11性能说明表
4.3.2CC2430介绍
该设计的微处理器使用TI公司的CC2430，它可用于2.4GHZIEEE802.15.4/Zigbee的片上系统解决方案。
CC2430内部整合了IEEE802.15.4标准的2.4GHZ的RF无线电收发机、内存和微控制器。
它使用一个8位MCU（8051），有128KB的可编程闪存和8KB的RAM，同时还包含ADC、定时器、AES-128协同处理器、看门狗定时器、掉电检测电路等。
CC2430芯片采用0.18μｍCMOS工艺生产，封装尺寸仅7mm×7mm。
微处理器全速工作频率为32MHz，在接收和发射模式下，电流损耗约为27mA。
CC2430的休眠模式以及其从休眠模式转换到工作模式的超短时间（在微秒级）的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。
图4.3.3CC2430的内部功能模块
CC2430芯片的主要特点有以下几个方面：
（1）高性能和低功耗的805l微控制器核；
（2）集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发器；
（3）优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性；
（4）在休眠模式时仅0.9mA的流耗，此时通过外部中断或RTC来唤醒系统；
（5）在待机模式时少于0.6mA的流耗，此时通过外部中断来唤醒系统；
（6）硬件支持CSMA，CA功能；
（7）较宽的电压范围（2.0-3.6V）；
（8）数字化的RSSI／LQl支持和强大的DMA功能；
（9）具有电池监测和温度感测功能；
（10）集成了8路8～14位模数转换ADC；
（11）集成AESl28安全协处理器；
（12）带有2个强大的支持多种串行协议的USART口，以及1个符合IEEE802.15.4规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器；
（13）强大和灵活的开发工具；
（14）兼容RoHS的7mmx7mmQLP48封装。
通过应用不同配置，CC2430芯片可以达到最优的性能。
通过可编程配置寄存器改变如下的参数使性能达到优化，这些参数包括：
接收（RX）/发送（TX）模式、RF频段选择、RF输出功率、电源开/关模式、晶振开/关模式、空闲信道评估模式、硬件支持包处理、加密/认证模式。
CC2430是用于居家及建筑自动化、工业检测及控制系统、传感器网络、消费电子产品以及智能玩具的理想解决方案，可轻松满足此类应用的最常见需求，如较长的电池工作时间，可靠的通信连接以及较低的系统成本。
通过以上分析可以得出：
CC2430芯片具性能优越，特别是它极低的电流消耗和很小的封装尺寸，可以满足传感节点功耗低、体积小、成本低等要求。
经过测试发现在本系统中，该芯片工作良好，功能比较完善。
4.3.3RS-485
RS-485总线作为首选的串行接口主要原因是其具有抗噪声抗干扰性良好、传输距离长等优点。
RS-485总线只需二根连线即可组成一个半双工网络，大都数采用屏蔽双绞线进行数据传输。
RS-485总线的连接器采用DB-9的9芯插头座。
RS-485总线的主要特点有以下几个方面：
（1）RS-485的电气特性：
两线间的电压差为+（2~6）V时用来表示逻辑“1”；两线间的电压差为-（2~6）V时用来表示逻辑“0”。
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