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ZigBee温湿度传感器设计(优)(含代码).rar

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    ZigBee 温湿度 传感器 设计 代码
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    二 ○ 一 四 届 毕 业 设 计ZigBee 温湿度传感器设计学 院:电子与控制工程学院专 业:自动化姓 名:高 敏学 号:3201100424指导教师:李 刚完成时间:2014 年 6 月 11 日二〇一四年六月摘 要无线传感器网络是当今国际备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域,被评为未来高科技的三大产业之一。它通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,这些信息通过无线方式被发送,并以自组多跳的网络方式传送到用户终端,从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的联通。无线传感器网络的特性决定了其不需要较高的传输带宽,而要求较低的传输延时和极低的功率消耗。而 ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,主要适合自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备中,适合担当无线传感器网络的重任,有着极其重要的研究价值。本设计提出了一种利用 ZigBee 无线网络技术来实现分布式温度检测的方法。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 DHT11 来对温湿度进行数据采集,并采用符合 ZigBee 标准的 CC2530 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度信号及传感器节点之间的数据传输功能。测试结果表明,本文设计的基于 ZigBee 技术的温湿度数据采集系统能够实时可靠地进行无线通信。关键词:ZigBee,温湿度, DHT11,CC2530 ,无线传感网络,数据采集2AbstractNowadays,Wireless Sensor Network is one of the internationally hottest highly knowledge-integrated cross-subject researching fields,Which is appraised as one of the three future high-tech industries.It uses all kinds of integrated micro-sensors for cooperatively real-time monitoring,sensing and collecting information of monitored environments or objects,which is then transmitted wirelessly and transferred to user terminal by self-organizing and multi-hop network.So realistic world,computer world and human society are connected each other by Wireless Sensor Network.Wireless Sensor Network doesn’t need wide transmission bandwidth but requires small transmission delay and very low power consumption.ZigBee technology,with the characters of low-complication,low-power,low-cost and low-date-rate is suitable to take onthe task of building the wireless sensor networks.Thus ZigBee has an extremely importantworth for reaserch.This paper proposes a method to realize the distributed detection system of temperature and humidity using zigbee wireless network technology .The method collects data on temperature and humidity by using a single chip relative humidity and temperature multi sensor comprising a calibrated digital output,using the line with zigbee standard CC2530 radio chip as the sensor nodes in data collection.After writing and compiling procedures in the IAR development environment,sensor nodes achieve a wireless sensor network by collecting temperature and humidity signals and transmission data between nodes.The testing result shows the design can communicate reliably and punctually.KEY WORDS: ZigBee,Temperature and humidity,DHT11,CC2530,Wireless sensornetworks,Data acquisition3目录摘 要 ......................................................................................................................................2Abstract ..................................................................................................................................3第一章 引言 ........................................................................................................................61.1 研究背景和意义 .....................................................................................................61.2 国内外研究现状 .....................................................................................................71.2.1 国外发展状况 ...............................................................................................71.2.2 国内研究现状 ...............................................................................................81.3 本文的主要内容和组织结构 ................................................................................102.1ZigBee 技术概述 ....................................................................................................112.2ZigBee 技术特点 ....................................................................................................112.2.1 数据传输率低 .............................................................................................112.2.2 低功耗 .........................................................................................................112.2.3 数据传输可靠 .............................................................................................122.2.4 网络容量大 .................................................................................................122.2.5 自动动态组网、自主路由 .........................................................................122.2.6 安全性高 .....................................................................................................122.2.7 成本低 .........................................................................................................122.2.8 抗干扰性好 ................................................................................................132.3 ZigBee 网络拓扑 ...................................................................................................132.4ZigBee 协议栈 ........................................................................................................162.4.1 物理层(PHY)服务规范 ..............................................................................162.4.2 MAC 层服务规范 ......................................................................................172.4.3 网络层(NWK ) .......................................................................................172.4.4 应用层 .........................................................................................................182.5 本章小结 ................................................................................................................19第三章 系统方案设计 ........................................................................................................203.1 总体网络架构 ........................................................................................................203.2 节点硬件设计 ........................................................................................................2043.2.1 MCU+RF 单元 ...........................................................................................213.2.2 传感器模块 .................................................................................................223.2.3 供电模块设计 .............................................................................................233.2.4 Webee 底板 .................................................................................................243.2.5 输出模块 .....................................................................................................253.2.6 输入模块 .....................................................................................................283.3 软件设计 ................................................................................................................293.3.2 终端节点核心代码 .....................................................................................323.3.3 协调器核心代码 .........................................................................................333.4 软件开发环境 ........................................................................................................343.5 本章小结 ................................................................................................................34第四章 系统功能测试 ........................................................................................................354.1 在裸机上驱动 DHT11...........................................................................................354.2 通信测试 ................................................................................................................364.3 整体测试 ................................................................................................................374.4 本章小结 ................................................................................................................37第五章总结与展望 ..............................................................................................................385.2 今后的工作 ...........................................................................................................385.2.1 实现多树型及网状网络拓扑 .....................................................................385.2.2 实现采集多种环境信息 ............................................................................38参考文献 ..............................................................................................................................39附录 ......................................................................................................................................43附录 1 总程序 ..............................................................................................................43附录 2 电路图 .............................................................................................................595第一章 引言1.1 研究背景和意义随着无线技术的快速发展和日趋成熟,无线通信也发展到一定的阶段,其发展的技术越来越成熟,方向也越来越多,越来越重要,大量的应用方案开始采用无线技术进行数据采集和通信。当代传感技术、无线通信技术、嵌入式技术、分布式信息处理技术、云计算技术的高速发展,孕育出了无线传感网络(Wireless Sensor Network,简称 WSN) ,可见 WSN 是多领域技术融合的交叉综合学科。WSN 是由很多个随机分布在一定区域内的传感器节点通过某种无线通信技术组建成的网络,在网络内部,传感器可以完成对各种环境或者对象位置信息的实时监测、感知和采集,最终将这些信息通过 Ad-Hoc 的方式发送至用户终端,从而实现自然环境、计算机以及人类社会的联通,使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下都能获取大量详实可靠的信息,并通过实时动态感知而决策物理世界 [1] 。2003 年 WSN 被美国《技术评论》杂志评选为对人类未来生活产生深远影响的新兴技术之首 [2]。在物联网技术蓬勃发展的契机下,无线传感网络将是物联网技术发展的关键支撑和重大推动引擎。其中 ZigBee 因其低功耗、低成本、协议复杂度低、安全可靠、网络容量大、方便部署等优点,备受各方青睐关注。正是这些优点使 ZigBee 无线通信技术成为了无线传感网络的首选解决方案,并成功地在多个领域内得到了广泛的应用 [3]。无线传感器网络的巨大应用价值,已经引起了国际上的广泛重视。美国自然科学基金委员会 2003 年制定了无线传感器网络研究计划,投资 3400 万美元,支持相关基础理论的研究。日本、英国、意大利、巴西等国家也对无线传感器网络表现出了极大的兴趣,纷纷展开了该领域的研究工作。我国也十分重视无线传感器网络的研究。2006 年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了3 个前沿方向,其中两个与无线传感器网络研究直接相关。国家自然科学基金委员会已经在该领域设立了多个重点项目。无线传感器网络作为一个全新的研究领域,在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题,已经成为一个十分重要的新的研究领域。无线传感器网络应用于农业和环境监测领域可以带来巨大的社会效益与经济效益。随着无线传感器网络中的异构互连、时间同步、6节点定位和能耗等问题的解决,无线传感器网络以其经济性和精度性高而可以直接推动其在环境监测领域的广泛应用,因此无线传感器网络在国民经济与社会发展各个领域的应用效益将是非常显著的 [4-6]。同时,作为一种新兴的短距离无线通信技术,基于 IEEE802.15.4 标准的 ZigBee 满足小型、经济设备的无线互联与通信,面向家庭、自动控制等领域,工作在 2.4GHz 免许可 ISM 频段,可与其他网络结合,支持互通互用,扩展能力强,弥补了低成本、低功耗、低复杂度和低速率无线通信网络的空缺,提高了数据传输的抗干扰性,减少了现场布线带来的各种问题,对节点的管理也比较方便,在无线传感器网络的应用方面有很好的发展前景,未来将有越来越多基于 ZigBee 技术的无线设备进入我们的生活,使生活方式得到极大改善 [7]。本课题通过对 IEEE 802.15.4/ZigBee 标准进行相关分析和研究,基于 ZigBee 技术进行网络节点的设计,实现了简单无线传感器网络的组建。在此基础上,以温湿度传感器为例加以验证,实时采集传感器节点周围环境信息的同时,以无线方式与协调节点进行通信,经过串口实现人机交互。整个系统设计具有一定的通用性,可作为硬件平台,在其他传感控制过程中加以应用。1.2 国内外研究现状20 世纪 90 年代末问世的无线传感器网络正在以人们难以预测的速度迅猛发展,国际上一些重要机构预测其为改变世界的新事物。与无线传感器网络有关的各种新技术及无线传感器网络在军、民各个领域的应用研究工作已经在发达国家轰轰烈烈地展开,大有引发一场新技术革命的势头。无线传感器网络是从民用领域发展起来的,它由数量巨大的传感器节点组成,这些节点密集部署在所要观测或监视的对象的内部或者非常靠近这种对象的地方。由于传感器网络具有许多其它网络所没有的特征,其应用范围已经深入到了人类社会的每一个角落,从收集家庭、建筑物、船舶、交通运输系统、工业自动化系统内部及其周围环境的信息并实施监控的民用商用应用领域,一直到数字化战场全谱战斗空间的监视、检测与跟踪等军事作战领域。1.2.1 国外发展状况无线传感网 WSN 起源于 1994 年加州大学伯克利分校 William J.Kaiser 教授向DARPA 提交的 Low Power Wireless Integrated Microsensors 研究计划书。国外的研究应用最早可以追溯到二十世纪 70 年代越战时期使用的传统的传感器系统,当年美7军为了瘫痪越南的一条物资运通道,在狂轰乱滥炸无果之下,美军动用飞机向物资运输道路沿途上投放了 2 万多个“热带树”传感器,该传感器实际上是由震动传感器和声响传感器组成的传感系统,只要越军有车队经过,传感系统就能探测到目标产生的震动和声响信息,自动发送回控制中心,美军就立即展开追杀,在此无线传感网络的辅助下,美军总共炸毁或炸坏了 4.6 万辆卡车,这时期被称为第一代无线传感网络,它是简单的信息信号获取能力的传感器网络。到了二十世纪 80 年代步入了第二代无线传感网络时代,它随着相关学科不断发展,采用串、并口的连接方式与传感控制器连接,构成了具有信息综合和处理能力的传感网络。例如美军研制的分布式传感网络系统、海军协同作战能力系统、远程战场传感器系统等。第三代无线传感网络从 20 世纪至今,这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗 ,美国陆军在近期推出了“无人值守地面传感群”项目,美国海军最近也确立了“ 传感器组网系统 ”研究项目 [8-9]。2000 年起国际上开始出现有关无线传感器网络研究结果的报道。无线传感器引起了世界各国军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国军方有包括 C4KISR 计划、Smart Sensor Web、灵巧传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统 CEC 等研究。美国 Intel 公司在 2002 年进行了基于微型传感器网络的新型计算发展规划。美国 DustNetworks 和 CrossbOWTechnologies 等公司研究的“智能尘埃、Mote”己进入应用测试。在英国、日本、意大利等国家,已经开展了该领域的研究工作。2003 年开始,有关无线传感器网络的国际会议和杂志大量涌现 [10-12]。很多大学和研究机构如 UC/Berkdey、UCLA 和 MIT 等都有丰富的研究成果。其中,UC/Berkdey 和 Intel 联合成立的智能尘埃实验室具有代表性;UCLA 的WINS 实验室对如何为嵌入式系统提供分布式网络和互联访问进行了大量研究,提供了在同一系统中综合微型传感器技术、低功耗信号处理、低功耗计算、低成本无线网络等技术的解决方案;MIT 以节能、自组织、可重构的无线传感器网络为目标,设计了低功耗的 μAMPS 传感器节点,提出了成组递阶网络通信协议 LEACH[13-15]。与此同时,国外有很多专门从事无线传感器网络及相关产业的公司。例如由UC/Berkdey 技术发展而来的 Crossbow 公司和 Dust 公司,前者针对航空电子、交通运输、环境监控、测控测量等具体应用定制相应无线传感器网络节点和应用方案:后者提供可靠管理和易于安装的 SmartMe 传感器互联方案,被 RedHerring 组织评为2004 年度 TOPl00 发明奖 [16]。81.2.2 国内研究现状对现代 WSN 的研究及其应用方面,我国与发达国家几乎同时起步, WSN 已经成为我国信息领域名列前茅的少数方向之一。1999 年 WSN 首次正式出现于中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的“信息与自动化领域的研究报告”的文件中。2001 年中国科学院成立了微系统研究与发展中心,并将 WSN 作为该中心的关键研究方向。实践上,后继陆续推出了若干重大的研究项目,该中心如今成为了我国 WSN 的研究平台。国内的很多著名高校和研究所都参与其中初步建立了传感网络系统研究平台 [17-18]。 目前研究热点有:在通信协议方面,包括物理层协议,研究传感器网络采用的传输媒体、频段选择及调制方式;数据链路层协议;网络层协议(主要指路由协议;平面路由协议等) 。在传感器网络管理方面,主要的研究热点是能量管理,数据传送所带来的能耗最大,研究休眠、唤醒,以及采用发送功率低的 RF 等。控制节点对能量的使用,在各层上都可使用,如操作系统、物理层、链路层、路由协议等内容。另外,还有安全管理的内容,包括传统的无线电电磁干扰方式和对路由机制进行攻击。侵入节点发送误警数据,侵入节点致使网络的某些节点和某些网段互发大量的无用数据,使能量很快耗尽,传感器网络分立,形成监测黑洞,无法完成正常监测工作。在研究中,可以探索采用扩频通信、传感器节点接入认证、鉴权、数据水印和数据加密等技术提高网络的安全性。数据查询管理方面,COUGAR 系统能测试感知数据查询技术性能,提出了在传感器网络上计算聚集函数的容错和可扩展算法,并探索了把传感器网络表示为数据库的思想,探讨了如何把分布式查询处理技术应用于感知数据查询的处理。在加州大学伯克利分校,研究人员研究了传感器网络的数据查询技术,提出了实现可动态调整的连续查询的处理方法和管理传感器网络上多查询的方法,应用数据库技术实现了传感器网络上的数据聚集函数,提出了在低能源、分布式无线传感器网络环境下实现聚集函数的方法,并研制了一个感知数据库系统 TinyDB。南加州大学研究了传感器网络上的聚集函数的计算方法,提出了节省能源的计算聚集的树构造算法,并通过实验证明了无线通信机制对聚集计算的性能有很大的影响 [19]。我国现代意义的无线传感器网络及其应用研究首次正式出现于 1999 年中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的《信息与自动化领域研究报告》中,作为该领域提出的五个重大项目之一。但是我国在无线传感器网络方面的研究工作与西方9发达国家相比还很少。国内研究机构如中科院、清华大学、国防科技大学。电子科技大学、哈尔滨工业大学以及浙江大学等学术团体对传感器网络进行了跟踪研究。中国计算机学会青年计算机科技论坛于 2004 年 11 月在北京召开了中国第一次关于Wireless sensor network 的专题报告会。讨论了 Wireless sensor network 技术及其在中国的发展问题。总体上来讲,由于传感器网络是一门新兴技术,国内与国际水平的差距并不很大,及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究,对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。1.3 本文的主要内容和组织结构本文全面深入地对无线传感器网络以及 ZigBee 技术做了研究分析,重点对ZigBee 网络的组网做深入分析,从网络的建立与保持、设备入网流程等关键点上突破,深入研究 ZigBee 技术的组网方法,并结合 TI CC2530 ZigBee 开发套件,以IEEE 802.15.4 协议为基础,搭建了一个小型无线温湿度传感器网络。论文结构如下:本论文内容分为以下五个部分:第一章简要介绍了无线传感器网络课题研究的背景和意义以及国内外研究现状。第二章对 ZigBee 技术进行了相关介绍。第三章采用 CC2530 芯片作为网络终端节点及协调节点的核心芯片,DHT11 作为温度传感器搭建了无线传感器网络,分模块介绍了硬件设计及具体的软件实现。第四章对系统可靠性进行相关分析,取得实验数据,对系统进行了验证。第五章对本文所阐述的内容进行总结,并提出进一步工作建议。
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