《畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中中心節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中中心節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)（24頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目：環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中中心節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)學(xué) 院 電子信息工程學(xué)院 學(xué)科門類 工科 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 2015年04月05日摘 要隨著人們對(duì)低速率無(wú)線個(gè)人域網(wǎng)的應(yīng)用需求越來(lái)越大，ZigBee技術(shù)在近年來(lái)得到了快速的發(fā)展。由于ZigBee技術(shù)具有低功耗、成本低、低速率、近距離和網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)，使得其得到了廣泛的應(yīng)用，具有十分廣闊的研究前景。ZigBee協(xié)議符合OSI體系結(jié)構(gòu)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)分為4層，從下向上分別為物理層（PHL）、媒體訪問(wèn)控制層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL），ZigBee的最底層物理層和MAC層使用IE
2、EE802.15.4協(xié)議。ZigBee網(wǎng)絡(luò)包含兩種功能類型設(shè)備：全功能設(shè)備中心節(jié)點(diǎn)和精簡(jiǎn)功能設(shè)備子節(jié)點(diǎn)，包含三種類型的節(jié)點(diǎn)，即協(xié)調(diào)器ZC、路由器ZR和終端設(shè)備ZE，支持星狀網(wǎng)，樹(shù)狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分為信標(biāo)和非信標(biāo)兩種工作模式。本文在對(duì)無(wú)線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，提出了基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)中中心節(jié)點(diǎn)模塊的設(shè)計(jì)方案。方案中使用STC12A32S2微控制芯片和CC2530無(wú)線模塊搭建了一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的中心節(jié)點(diǎn)全功能模塊，該模塊通過(guò)DS3231進(jìn)行精確的定時(shí)，并且采用無(wú)線數(shù)傳模塊與上位機(jī)通信。中心節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器的作用，負(fù)責(zé)向終端節(jié)點(diǎn)查詢
3、溫度的信息，然后反饋給計(jì)算機(jī)，達(dá)到無(wú)線測(cè)溫的目的。關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)； ZigBee；CC2530；溫度；濕度；AbstractRecently ZigBee is developing at a high speed because the application demand on low-rate wireless personal area network is increasing. ZigBee technology has been widely applied in life as it has the following key features：low power，low
4、 cost，low data rate，short distance and large network capacity. It has very broad prospects for research. According to the Open System Interconnection（OSI）reference model，ZigBee network is divided into 4 layers, respectively, from the bottom to up is physical layer (PHL), media access control layer (
5、MAC), network layer (NWK) and application layer (APL).The IEEE802.15.4 defines the two low layers：physical layer (PHL), media access control layer (MAC);the network layer (NWK) and application layer (APL) are defined by ZigBee Alliance. Each layer provides data to its upper or management services. Z
6、igBee application layer is composed by the application support layer (APS), ZigBee device object (ZDO) and manufacturer-defined application objects.ZigBee network contains two kinds of function devices：full function device（FDD）and reduced function device（子節(jié)點(diǎn)），three kinds of nodes：ZigBee Cooridnator（
7、ZC），ZigBee Router（ZR） and ZigBee End device（ZE），supports three kinds of network topology：Star network，Cluster tree network and mesh network；supports two kinds of working mode：beacon mode and non-beacon mode.Through the analysis of wireless sensor and its network protocol,a method is proposed for tem
8、perature measurement based on ZigBee protocol wireless network 中心節(jié)點(diǎn) module design.The program is the use of STC12A32S2 microchip and CC2530 radio-chip to built a full function device based on ZigBee technology. The module producing precise timing with the DS3231 and using wireless data transmission
9、module communicate with computer. 中心節(jié)點(diǎn) act as central node and the coordinator role in the network，responsible for the temperature to the terminal node information queries, and then back to the computer so as to achieve the purpose of the wireless measuring temperature.Keywords: Wireless Sensor Netw
10、ork; ZigBee;CC2530;Temperature;Humidity目 錄Abstract3引言5第1章 緒論61.1 課題背景61.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀61.3 課題研究的目的和意義7第2章 ZigBee協(xié)議及其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)72.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)概述72.2 ZigBee協(xié)議72.3系統(tǒng)架構(gòu)8第3章 系統(tǒng)硬件電路的實(shí)現(xiàn)93.1 ZigBee系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)93.2 方案實(shí)現(xiàn)總框圖103.3 SZ05-ZBEE嵌入式無(wú)線通信模塊103.4 PC機(jī)接口電路133.5 溫濕度數(shù)字傳感器133.6 光照傳感器14第4章 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)144.1 總流程圖144.2子程序模塊分析154.2.1
11、 初始化子程序段154.2.2 外部中斷子程序154.2.3 串行中斷1子程序164.2.4 串行中斷2子程序174.3 系統(tǒng)軟件對(duì)功耗的影響18第5章 系統(tǒng)性能測(cè)試195.1 通信距離測(cè)試195.2 數(shù)據(jù)傳輸速率測(cè)試20第6章 結(jié)論與展望216.1 結(jié)論216.2 展望21參考文獻(xiàn)23附錄A 無(wú)線測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)中中心節(jié)點(diǎn)模塊的原理圖24附錄B 無(wú)線測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)中中心節(jié)點(diǎn)模塊的PCB25附錄C 源程序26引言近年來(lái)，智能家居、無(wú)線通信、無(wú)線控制、無(wú)線定位、無(wú)線組網(wǎng)等詞語(yǔ)的不斷映入人們眼簾。由于IT產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)的普及、家居用具的智能化以及單片機(jī)具有強(qiáng)有力的功能，使得它逐漸來(lái)到人們身邊，進(jìn)入我們的日
12、常生活。日益相關(guān)的知識(shí)報(bào)道足以預(yù)測(cè)這類新技術(shù)一定具有很強(qiáng)大的生命力和廣闊市場(chǎng)前景。ZigBee從開(kāi)始的設(shè)計(jì)階段就重點(diǎn)考慮了功耗的問(wèn)題，大多的中心節(jié)點(diǎn)都是由電池供電。ZigBee技術(shù)的工作周期短，收發(fā)信息功耗低，休眠模式等方法降低了傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功耗，減少了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的成本。除了省電的優(yōu)點(diǎn)外，Zighee技術(shù)也非?？煽?。同時(shí)，ZigBee技術(shù)的成本較低，ZigBee通信協(xié)議免專利費(fèi)；時(shí)延短，優(yōu)化了時(shí)延敏感部分的應(yīng)用；網(wǎng)絡(luò)容量較大，一個(gè)ZigBee網(wǎng)路最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域最多可同時(shí)存在100多個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)；ZigBee的功能包括檢查數(shù)據(jù)完整性1。本設(shè)計(jì)在Z
13、igBee協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了中心節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，完成了設(shè)計(jì)硬件電路和程序編寫，最后完成了對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的測(cè)試和數(shù)據(jù)分析。第1章 緒論無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是一類特殊Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)，由眾多無(wú)線傳感器的節(jié)點(diǎn)組織在一起的，這些小型的節(jié)點(diǎn)具有無(wú)線通訊、數(shù)據(jù)采集和協(xié)同合作的能力，可以用于電源供給和布線困難或工作人員不能到達(dá)指定的區(qū)域(如受到污染大、環(huán)境不能被破壞或敵對(duì)的區(qū)域)和一些臨時(shí)的場(chǎng)合等等2。無(wú)線傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以隨機(jī)的或者特定的安放在目標(biāo)環(huán)境中，它們之間的通訊通過(guò)對(duì)特定的協(xié)議組織起來(lái)，就能獲得周圍環(huán)境的相關(guān)信息并且相互協(xié)同工作以完成特定任務(wù)。
14、在軍事國(guó)防、搶險(xiǎn)救災(zāi)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)控、城市管理等許多重要場(chǎng)合都有很大潛在的使用價(jià)值，具有十分廣闊的市場(chǎng)前景和應(yīng)用前景。開(kāi)發(fā)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的協(xié)議取決網(wǎng)絡(luò)具體應(yīng)用范圍。ZigBee協(xié)議是為安全系統(tǒng)、家庭控制、建筑自動(dòng)化等方面設(shè)計(jì)的一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。本文將分析ZigBee協(xié)議的結(jié)構(gòu)并基于ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)一種溫濕度、光照傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。1.1 課題背景隨著當(dāng)今社會(huì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)通信技術(shù)的要求正在不斷提升，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在其中扮演著的角色越來(lái)越重要。無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)按照傳輸?shù)姆秶鷣?lái)劃分，可以分為無(wú)線城域網(wǎng)(WMAN)，無(wú)線廣域網(wǎng)(WSN)，無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)和無(wú)線個(gè)人域網(wǎng)(WPA
15、N)。其中的無(wú)線個(gè)人域網(wǎng)就是所謂的短距離通訊無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，不僅如此各種短距離無(wú)線通訊傳輸技術(shù)更是層出不窮3：藍(lán)牙(Bluetooth)、ZigBee、WiFi、無(wú)線USB，UWB等。由于ZigBee技術(shù)成本低、低功耗、時(shí)延短、容量大、可靠度高、安全傳輸?shù)缺姸鄡?yōu)點(diǎn)，所以它主要應(yīng)用在短距離內(nèi)的低速電子設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸，因此非常適用在家電和小型電子的無(wú)線指令傳輸?shù)取?.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究方是當(dāng)今通訊研究方向前沿性的熱點(diǎn)之一，具有很大的科學(xué)研究意義和廣闊的應(yīng)用前景，已被公認(rèn)為21世紀(jì)最具研究?jī)r(jià)值的課題之一。我國(guó)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方面的研究起步較晚，近兩年才受到通訊領(lǐng)域的關(guān)注。國(guó)家重大研究項(xiàng)目
16、中包含在“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目中的傳感器網(wǎng)絡(luò)。在民用方面，交通、環(huán)境監(jiān)控、生態(tài)保護(hù)、工業(yè)控制等方面，我們可以用傳感器網(wǎng)絡(luò)及時(shí)準(zhǔn)確的進(jìn)行全方面的檢測(cè)和控制。1.3 課題研究的目的和意義溫濕度、光照感應(yīng)和監(jiān)測(cè)技術(shù)在社會(huì)生產(chǎn)生活各個(gè)方面都有廣泛應(yīng)用，如環(huán)境檢測(cè)、醫(yī)療保健、科研等。目前，此項(xiàng)設(shè)計(jì)的意義在于對(duì)無(wú)線測(cè)溫的電池供電產(chǎn)品化、實(shí)用化作出有益的嘗試。對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)及各個(gè)模塊的能量消耗情況進(jìn)行了初步的分析，提出并解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)架設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方式，確定中心節(jié)點(diǎn)主動(dòng)的協(xié)調(diào)方式的架構(gòu)設(shè)計(jì)。ZigBee通訊技術(shù)作為一種短距離通信技術(shù)，根據(jù)ZigBee通訊協(xié)議所定義的標(biāo)準(zhǔn)，若能夠?qū)崿F(xiàn)
17、協(xié)議庫(kù)的封裝及模塊化，使得協(xié)議在不同的硬件平臺(tái)間，不同的應(yīng)用系統(tǒng)間的能夠便捷移植，才能給我們解決ZigBee實(shí)際應(yīng)用中的所存在的問(wèn)題帶來(lái)更大的自由度和選擇性4。第2章 ZigBee協(xié)議及其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)概述利用ZigBee技術(shù)所組建的是一種低傳輸率的無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（Low Rate Wireless Personal Network，LR-WPAN），網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)成為“設(shè)備（Device）”。網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備按照其功能不同可分為兩種：中心節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)。.其中中心節(jié)點(diǎn)可以作為個(gè)域網(wǎng)的主協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器，也可以作為終端設(shè)備實(shí)用。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)里至少需要一個(gè)主協(xié)調(diào)器。而中心子節(jié)點(diǎn)功能非常簡(jiǎn)
18、單，可以用最低端的MCU實(shí)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)了只能作為不需發(fā)送大量數(shù)據(jù)的終端設(shè)備，只能和特定的中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。2.2 ZigBee協(xié)議ZigBee協(xié)議底層是基于IEEE802.15.4無(wú)線通訊協(xié)議。下圖2-1是ZigBee協(xié)議棧的概述圖:圖2- 1 ZigBee協(xié)議棧概述圖當(dāng)前的IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是在2003年提出的由IEEE所管理。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)與常見(jiàn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的傳輸標(biāo)準(zhǔn)802.15不同，它最主要的優(yōu)點(diǎn)是速率和功耗都很低。IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是基于開(kāi)放系統(tǒng)互連模型(OSI)，各層都實(shí)現(xiàn)了一定的通信功能，并向上一層提供信號(hào)。2.3系統(tǒng)架構(gòu)ZigBee技術(shù)是一種
19、新興的低功耗、低速率、近距離、低成本的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，全球統(tǒng)一無(wú)需申請(qǐng)的工作頻段為2.4GHz，其協(xié)議是依據(jù) IEEE 802.15.4 技術(shù)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)其進(jìn)行了完善和擴(kuò)展而制定的。ZigBee技術(shù)支持3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu): 星型網(wǎng)、樹(shù)型網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)，每種網(wǎng)絡(luò)都具有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用來(lái)選擇3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。整個(gè)遠(yuǎn)程無(wú)線溫度測(cè)量系統(tǒng)包括溫濕度、光照測(cè)終端、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、數(shù)據(jù)發(fā)布與處理服務(wù)器以及用戶終端5。溫濕度、光照測(cè)終端實(shí)時(shí)采集和發(fā)送各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度、濕度、光照，與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器構(gòu)成ZigBee無(wú)線星型網(wǎng)絡(luò)，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)和接收，并與數(shù)據(jù)處理與發(fā)布服務(wù)器進(jìn)行串口通信
20、，普通用戶終端可以通過(guò)HTTP協(xié)議在互聯(lián)網(wǎng)的任何位置監(jiān)控溫測(cè)終端的溫濕度、光照，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。圖2-2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第3章 系統(tǒng)硬件電路的實(shí)現(xiàn)3.1 ZigBee系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)溫濕度、光照測(cè)終端由溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、無(wú)線通信模塊、微處理器模塊等構(gòu)成，用在測(cè)點(diǎn)的溫濕度、光照進(jìn)行采樣，并通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將信號(hào)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器中。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器由無(wú)線通信和微處理器模塊組成，主要用于接收以及控制各節(jié)點(diǎn)的溫濕度、光照信息，并通過(guò)串口通信RS232將其傳送至服務(wù)器上進(jìn)行顯示和操作。硬件結(jié)構(gòu)如下圖3-1和圖3-2所示。參照實(shí)際環(huán)境的需要，還可將顯示或者報(bào)警模塊安裝在終端節(jié)點(diǎn)上，以方便安裝
21、網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試，同時(shí)也方便了監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近人員進(jìn)行實(shí)地測(cè)量環(huán)境中的各種所需的數(shù)據(jù)。圖3-1終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖3-2網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)3.2 方案實(shí)現(xiàn)總框圖本研究的核心電路是無(wú)線測(cè)量溫度、濕度、光照，網(wǎng)絡(luò)中的全功能（中心節(jié)點(diǎn)）模塊的設(shè)計(jì)，首先需要設(shè)計(jì)出來(lái)符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的中心節(jié)點(diǎn)電路。該模塊電路主要由三個(gè)部分組成：射頻模塊、MCU部分及外圍電路和PC機(jī)接口電路，如圖3-3所示。圖3-3 中心節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)總框圖外圍電路包括：指示電路、程序調(diào)試端口、顯示電路等。其中程序調(diào)試端口是利用ISP接口來(lái)調(diào)試和下載程序；指示電路使用發(fā)光LED燈的狀態(tài)來(lái)表示；顯示電路選用I2C式液晶顯示電路。與PC機(jī)接口電路采用R
22、S232通信方式，通過(guò)RS-232串口提供調(diào)試過(guò)程中的信息并與PC機(jī)互交ZigBee組網(wǎng)過(guò)程中的信息；同時(shí)，在設(shè)計(jì)ZigBee的中心節(jié)點(diǎn)模塊時(shí)預(yù)留了一些端口供靈活使用。3.3 SZ05-ZBEE嵌入式無(wú)線通信模塊順舟科技的SZ05嵌入式無(wú)線通信模塊，集成了符合ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器和微處理器，它具有通訊距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活、性能可靠穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)和特性；可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一對(duì)多、多對(duì)多間的設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸；可組成星型、樹(shù)型和蜂窩型網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)6。 SZ05系列無(wú)線通信模塊分為中心協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)。下表3-1是SZ05-ZBEE的技術(shù)指標(biāo)。表3- 1 SZ05-ZBEE
23、的技術(shù)指標(biāo)類 別指標(biāo)名稱SZ05系列無(wú)線模塊無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸距離100 米2000網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?shù)型、星型、鏈型、網(wǎng)狀網(wǎng)尋址方式IEEE802.15.4/ZIGBEE標(biāo)準(zhǔn)地址ID255數(shù)據(jù)接口最大數(shù)據(jù)包256字節(jié)TTL 電平收發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)RS232串口串口信號(hào)TxD, RxD, GND數(shù)據(jù)接口 串口速率1200 38400 bps串口校驗(yàn)None, Even, Odd數(shù)據(jù)位7, 8校驗(yàn)位1收發(fā)器調(diào)制方式DSSS 直序擴(kuò)頻頻率范圍2.405GHz 2.480GHz無(wú)線信道16接收靈敏度-94 dbm發(fā)射功率-27dBm25dBm天線連接外置 SMA天線或 PCB 天線防止沖突CSMA-CA 和GTS的CSMA
24、-CA功 耗輸入電壓DC 5V最大發(fā)射電流70 mA最大接收電流55 mA待機(jī)電流10 mA節(jié)電模式110 uA睡眠模式30 uASZ05-ZBEE無(wú)線通信模塊標(biāo)準(zhǔn)接口，含有電源接口、控制接口、數(shù)據(jù)接口和系統(tǒng)指示燈接口和天線接口等等，接口采用標(biāo)準(zhǔn)2.54雙排插針，與系統(tǒng)接口可采用插座或者接線座模式引出到用戶系統(tǒng)，如圖3-4所示。圖3- 1 SZ05系列嵌入式模塊典型連接圖SZ05系列無(wú)線嵌入式無(wú)線數(shù)據(jù)通信模塊，系統(tǒng)采用了標(biāo)準(zhǔn)Z-BEE無(wú)線技術(shù)，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的無(wú)線數(shù)據(jù)通信模塊，它的特點(diǎn)是安裝的尺寸小、通訊的距離遠(yuǎn)、抗干的擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活等；可以實(shí)現(xiàn)透明傳輸多設(shè)備間的數(shù)據(jù)；可組MESH型的網(wǎng)
25、狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，安裝嵌入式模式，能使您的產(chǎn)品迅速集成最新的ZigBee無(wú)線技術(shù)。如圖3- 5為SZ05系列嵌入式模塊實(shí)物圖圖3- 2 SZ05系列嵌入式模塊實(shí)物圖3.4 PC機(jī)接口電路本設(shè)計(jì)采用RS-485串行通信與PC機(jī)相連接，通過(guò)串口將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)相應(yīng)的設(shè)置進(jìn)行操作，其接口電路如圖3-6所示。圖3- 6 RS-485通信接口電路3.5 溫濕度數(shù)字傳感器帶DHT11 數(shù)字溫濕度、光照傳感器是一種含有已經(jīng)校準(zhǔn)好的信號(hào)輸出的溫濕度、光照復(fù)合傳感器。它可以應(yīng)用于數(shù)字模塊的采集和溫濕度、光照傳感器，確保每個(gè)產(chǎn)品都具有很高的可靠性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件、一個(gè)
26、NTC 測(cè)溫元件和一個(gè)光敏傳感器，并與一個(gè)高性能的8位單片機(jī)連接7。因此此產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)的有品質(zhì)卓越、響應(yīng)極快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等。接口電路如下圖：圖3-7溫度傳感器接口電路圖3.6 光照傳感器其中BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路。這種集成電路可以根據(jù)收集的光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整液晶或者鍵盤背景燈的亮度。利用它的高分辨率可以探測(cè)較大范圍的光強(qiáng)度變化8。接口電路如下圖：圖3-2光照傳感器接口電路圖第4章 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)4.1 總流程圖本設(shè)計(jì)的軟件實(shí)現(xiàn)是通過(guò)IAR編譯軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。中心節(jié)點(diǎn)模塊主要起到協(xié)調(diào)作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)節(jié)點(diǎn)的巡檢和對(duì)上位機(jī)的通信，如下圖4
27、-1所示為軟件的總流程圖圖4- 1 程序總流程圖從流程圖上可以看出，在主程序中一直在等待，所有的功能均是通過(guò)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，本次采用了一個(gè)外部中斷和兩個(gè)串行中斷。兩個(gè)串行中斷分別實(shí)現(xiàn)對(duì)上位機(jī)的串行通信和對(duì)下位機(jī)ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，該處理程序十分重要，它的處理來(lái)實(shí)現(xiàn)下位的低功耗9。4.2子程序模塊分析該系統(tǒng)的子程序主要包括:初始化子程序段、外部中斷子程序、串行中斷1和串行中斷2，在以下各節(jié)中將對(duì)其分別進(jìn)行分析。4.2.1 初始化子程序段#include 定義為嵌入系統(tǒng)初始化程序段。其中包括設(shè)置堆棧，將LCD顯示位的存儲(chǔ)區(qū)間NUM1_RAMNUM8_RAM賦值為0,設(shè)置程序狀態(tài)字P4SW，將各
28、寄存器清零，設(shè)置DS3231初始化程序，設(shè)置ZigBee接收和發(fā)送模式，設(shè)置串行口1和串行口2工作方式，設(shè)置串行通信波特率，開(kāi)中斷，設(shè)置中斷控制寄存器，置位RS485使其處于發(fā)送狀態(tài)等。4.2.2 外部中斷子程序外部中斷由DS3231產(chǎn)生，每當(dāng)DS3231產(chǎn)生精確的1秒時(shí)都會(huì)觸發(fā)外部中斷0產(chǎn)生中斷。在中斷處理程序中，讀取DS3231秒的值，并調(diào)用顯示子程序，然后向子節(jié)點(diǎn)子節(jié)點(diǎn)模塊發(fā)送55H進(jìn)行查詢10。如下圖4-2所示為外部中斷流程圖。圖4- 2 外部中斷流程圖4.2.3 串行中斷1子程序圖4-3所示為外部中斷流程圖，串行中斷1負(fù)責(zé)與上位機(jī)的通信，其采用RS485通信方式，將節(jié)點(diǎn)采集過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)
29、通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)（中心節(jié)點(diǎn)）上傳給上位機(jī)。由于中心節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間有限，所以要及時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送給電腦，在電腦中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)11。圖4- 3 串行中斷1流程圖4.2.4 串行中斷2子程序串行中斷2主要負(fù)責(zé)對(duì)下位機(jī)的巡檢，并與其通信，將節(jié)點(diǎn)對(duì)環(huán)境溫度測(cè)試的數(shù)據(jù)采集過(guò)來(lái)，并且將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在相應(yīng)的存儲(chǔ)空間，通過(guò)LCD顯示接收的信息。圖4- 4 串行中斷2流程圖4.3 系統(tǒng)軟件對(duì)功耗的影響ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其低成本和低功耗的特性，而本設(shè)計(jì)的思想也是在其低功耗的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的研究。在整個(gè)系統(tǒng)中，通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的相互配合，并提高軟件的實(shí)現(xiàn)效率，以提高中心節(jié)點(diǎn)的巡檢速率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)終端節(jié)
30、點(diǎn)模塊子節(jié)點(diǎn)的節(jié)能研究12。無(wú)線收發(fā)裝置可以在不同的模式下工作,一般具有以下4種工作方式:發(fā)送、接收、空閑和休眠。對(duì)于小功率發(fā)射,發(fā)射模式和接收模式的消耗功率基本上是一致的,甚至接收比發(fā)射需要更多的功率,這主要取決于收發(fā)器的體系結(jié)構(gòu)。空閑模式的消耗功率可以比接收模式的消耗少,或與接收功率相同。為了減少無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的平均功率消耗,使得收發(fā)模塊長(zhǎng)期處于空閑模式將會(huì)消耗大量的能量。因此,需要將收發(fā)器置于休眠狀態(tài),而不只是空閑狀態(tài),只在必要時(shí)才需要激活，使其工作在一個(gè)低占空比下。但這樣的處理方式會(huì)增加復(fù)雜性,因此必須考慮額外消耗的功率和時(shí)間13。實(shí)驗(yàn)表明：經(jīng)測(cè)試改進(jìn)前的平均工作電流約為80 mA，改
31、進(jìn)后在掃描周期為60秒的情況下的平均工作電流為0.5246mA。其中在一個(gè)掃描周期內(nèi)其工作狀態(tài)如表4-1所示。表4- 1 子節(jié)點(diǎn)各種工作狀態(tài)下的功率消耗工作狀態(tài)工作電流工作時(shí)間單片機(jī)掉電、ZIGBEE掉電（RES、SLEEP、P0-P4 全高、無(wú)LCD)0.131mA59.714s單片機(jī)正常、ZIGBEE掉電6.80mA0.019s單片機(jī)休眠、ZIGBEE等待接收狀態(tài)68.50mA0.150s單片機(jī)正常、ZIGBEE正常處在接收狀態(tài)300mA0.003s單片機(jī)正常、ZIGBEE正常處在發(fā)送狀態(tài)800mA0.006s單片機(jī)正常、ZIGBEE等待75mA0.1s單片機(jī)正常、ZIGBEE掉電6.29
32、mA0.008s因此，一個(gè)優(yōu)化的程序?qū)?jié)點(diǎn)的功耗影響是十分關(guān)鍵的，基于TKS的軟件編寫就是最大化的對(duì)程序進(jìn)行了優(yōu)化。本設(shè)計(jì)中心節(jié)點(diǎn)模塊通過(guò)DS3231產(chǎn)生精確地同步時(shí)鐘，并且每經(jīng)過(guò)一個(gè)小時(shí)進(jìn)行與下位機(jī)節(jié)點(diǎn)的一次校正，保證時(shí)鐘同步；每經(jīng)一秒巡檢一個(gè)節(jié)點(diǎn)，此時(shí)其它節(jié)點(diǎn)處于掉電狀態(tài)，相對(duì)于下位機(jī)子節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)則每經(jīng)一秒循環(huán)喚醒，其余時(shí)間處于掉電狀態(tài)，這樣就極大地降低了功率的消耗，對(duì)ZigBee的低功耗研究具有很大的意義14。第5章 系統(tǒng)性能測(cè)試為分析ZigBee無(wú)線通信模塊的性能是否滿足系統(tǒng)需求，針對(duì)ZigBee的通信距離、數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)幾個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。5.1 通信距離測(cè)試測(cè)試方法：
33、從主節(jié)點(diǎn)連續(xù)單向發(fā)送時(shí)間信號(hào)給從節(jié)點(diǎn)，發(fā)送次數(shù)為100次，檢測(cè)從節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)成功率。測(cè)試結(jié)果分見(jiàn)表5-1、表5-2、表5-3。測(cè)試環(huán)境1：室外環(huán)境，無(wú)阻隔。表5- 1 通信距離測(cè)試結(jié)果1距離發(fā)射功率接收成功率4025dB100%5025dB100%6025dB100%7025dB99%8025dB98%9025dB95%10025dB91%測(cè)試壞境2：室內(nèi)環(huán)境，樓層阻隔（某實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)）。表5- 2 通信距離測(cè)試結(jié)果2距離發(fā)射功率接收成功率4025dB100%5025dB98%6025dB90%7025dB78%8025dB60%9025dB42%10025dB20%測(cè)試環(huán)境3：室內(nèi)環(huán)境，金屬阻隔
34、物（金屬阻隔物未完全封閉節(jié)點(diǎn)天線）。表5- 3 通信距離測(cè)試結(jié)果3距離發(fā)射功率接收成功率4025dB90%5025dB75%6025dB54%7025dB21%8025dB8%9025dB0%10025dB0%結(jié)果分析：射頻芯片的發(fā)射功率為25dBm，主從節(jié)點(diǎn)的通信距離在40范圍之內(nèi)時(shí)，接收效果良好15。當(dāng)距離在40100以內(nèi)，無(wú)障礙傳輸效果仍然比較樂(lè)觀，但時(shí)，在室內(nèi)環(huán)境下接受成功率比較差，特別是有金屬阻隔時(shí)，超過(guò)70基本就接收不到了。如果增加發(fā)送功率，或者在節(jié)點(diǎn)間增加中繼器，則傳輸距離將大大增加。測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，ZigBee無(wú)線傳輸方式的通信距離滿足測(cè)溫系統(tǒng)組網(wǎng)的要求。5.2 數(shù)據(jù)傳輸速率測(cè)試
35、測(cè)試環(huán)境：室內(nèi)環(huán)境，樓層阻隔，主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)距離約為50米，發(fā)射功率為25dB，不統(tǒng)計(jì)誤碼率，無(wú)重傳。測(cè)試步驟：（1）從節(jié)點(diǎn)連續(xù)單向發(fā)送設(shè)定個(gè)數(shù)的報(bào)文至主節(jié)點(diǎn)。在報(bào)文發(fā)送開(kāi)始和發(fā)送完畢時(shí)通過(guò)串口輸出提示信息至計(jì)算機(jī)屏幕，利用串口調(diào)試自帶的時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)時(shí)，未重傳。按照此方法連續(xù)測(cè)量三次，計(jì)算其平均速率。（2）改變發(fā)送報(bào)文的設(shè)定個(gè)數(shù)，重復(fù)步驟（1）兩次。測(cè)量結(jié)果：如表5-4所示。表5- 4 數(shù)據(jù)傳輸速率測(cè)試結(jié)果報(bào)文數(shù)目報(bào)文長(zhǎng)度（Byte）起始時(shí)間結(jié)束時(shí)間傳輸速率（kbps）2000006010:20:3511:24:0225.11000006011:30:2511:50:4624.570000601
36、2:00:5012:23:3125.2結(jié)果分析：CC2530數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾手禐?50kbps，指的是爆發(fā)傳輸速率，在其傳輸過(guò)程中，允許單片機(jī)以較低的速率對(duì)射頻芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的裝載。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，限制通信速率平均值的主要因素是系統(tǒng)其它操作占用單片機(jī)的CPU資源，從而使單片機(jī)和射頻芯片CC2530之間的平均數(shù)據(jù)裝載速率大幅度降低。從以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸速率約為25kbps。第6章 結(jié)論與展望6.1 結(jié)論本文在對(duì)無(wú)線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，完成本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容：無(wú)線測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)中的中心節(jié)點(diǎn)模塊，它符合ZigBee組網(wǎng)技術(shù)，擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡(luò)，讓其它的中心節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)連結(jié)
37、，具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。對(duì)組網(wǎng)的方式，控制效率進(jìn)行研究，并且提出一套實(shí)用的方案。完成模塊的硬軟件設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)圖和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。文章對(duì)該ZigBee全功能模塊（中心節(jié)點(diǎn)）的設(shè)計(jì)以及軟件的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。主要包括以下兩個(gè)方面:一是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了適用于ZigBee的2.4Ghz的無(wú)線中心節(jié)點(diǎn)模塊；二是實(shí)現(xiàn)基于ZigBee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)無(wú)線組網(wǎng)，并對(duì)其控制效率進(jìn)行研究。本文中使用了STC12A32S2微控制芯片和CC2530無(wú)線芯片搭建了一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)。該協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)向終端節(jié)點(diǎn)查詢溫度信息，并將所測(cè)溫度通過(guò)RS-485總線上傳給上位機(jī)，從
38、而實(shí)現(xiàn)智能控制。綜上所述，本文所取得的成果和創(chuàng)新點(diǎn)主要有：1.對(duì)測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)中的中心節(jié)點(diǎn)模塊進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)。采用protel99se繪制原理圖，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)際電路的開(kāi)發(fā)，包括微處理器MCU與無(wú)線收發(fā)模塊的電路連接，相應(yīng)外圍電路設(shè)計(jì)，PCB制作等，最終完成了能夠運(yùn)用到實(shí)際的中心節(jié)點(diǎn)模塊。2.進(jìn)行了測(cè)溫軟件開(kāi)發(fā)與調(diào)試。此部分包括通信網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)，通信協(xié)議的編制以及程序調(diào)試，能實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)間的通訊。6.2 展望今天的世界已經(jīng)是無(wú)線的世界，未來(lái)的世界更加是無(wú)線的天下，而ZigBee技術(shù)日趨成熟，市場(chǎng)上對(duì)ZigBee的應(yīng)用需求越來(lái)越大。目前市場(chǎng)上的ZigBee解決方案，大多是基于8051、AVR、PIC或
39、是MSP430等8位或是16位單片機(jī)，正如本設(shè)計(jì)所使用的就是基于8位的STC12A32S2單片機(jī)微處理器測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)，雖然能夠滿足本設(shè)計(jì)的要求，但是仍然存在很多的不足，例如處理效率較低、單線程工作等，且隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性增加，其設(shè)計(jì)必然滿足不了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，故ZigBee的解決方案向嵌入式方面發(fā)展。而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，ARM處理器越來(lái)越成為人們關(guān)注，其主要應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，其低成本、功能強(qiáng)大、擴(kuò)展靈活，都非常符合ZigBee技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)。針對(duì)本設(shè)計(jì)采用STC12A32S2微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)中心節(jié)點(diǎn)模塊的功能，雖然滿足了設(shè)計(jì)的要求，但就以后適應(yīng)市場(chǎng)的發(fā)展，還需要做進(jìn)一步的改進(jìn)。由于時(shí)間的關(guān)系，本設(shè)
40、計(jì)僅僅是做了ZigBee網(wǎng)絡(luò)中負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)的全功能模塊的設(shè)計(jì)，其中不免有很多不妥之處，其中仍有很多需要改進(jìn)的地方，比如可以選擇性能更高的處理器，在其基礎(chǔ)上可以設(shè)計(jì)出更加智能化的、功能更加強(qiáng)大ZigBee產(chǎn)品。如果在設(shè)計(jì)好中心節(jié)點(diǎn)模塊的同時(shí)，可以將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)搭建出來(lái)進(jìn)行組網(wǎng)，進(jìn)一步對(duì)應(yīng)用層開(kāi)發(fā)，增加人機(jī)界面的圖形化、動(dòng)態(tài)化的顯示，更加生動(dòng)地展現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)及信息收發(fā)情況。參考文獻(xiàn)1 呂志安.ZigBee網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用開(kāi)發(fā)M.北京航空航天大學(xué)出版社，2008,02.2 李文仲ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)M. 北京航空航天大學(xué)出版社,2008，07.3 李文忠，段朝玉.ZigBee2006無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線
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畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中中心節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
