【電氣設計自動化論文】環(huán)境空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)中中心節(jié)點設計

【電氣設計自動化論文】環(huán)境空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)中中心節(jié)點設計,電氣設計,自動化,論文,環(huán)境,空氣質量,監(jiān)測,系統(tǒng),中心,節(jié)點,設計 1本科生畢業(yè)論文（設計）題目：環(huán)境空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)中中心節(jié)點設計學 院 電子信息工程學院 學科門類 工科 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 學 號 姓 名 指導教師 2015 年 04 月 05 日2摘 要隨著人們對低速率無線個人域網的應用需求越來越大，ZigBee 技術在近年來得到了快速的發(fā)展。由于 ZigBee 技術具有低功耗、成本低、低速率、近距離和網絡容量大等特點，使得其得到了廣泛的應用，具有十分廣闊的研究前景。ZigBee 協(xié)議符合 OSI 體系結構，ZigBee 網絡分為 4 層，從下向上分別為物理層（PHL ）、媒體訪問控制層（MAC）、網絡層（NWK）和應用層（APL），ZigBee 的最底層物理層和 MAC 層使用 IEEE802.15.4 協(xié)議。 ZigBee 網絡包含兩種功能類型設備：全功能設備中心節(jié)點和精簡功能設備子節(jié)點，包含三種類型的節(jié)點，即協(xié)調器 ZC、路由器 ZR 和終端設備 ZE，支持星狀網，樹狀網和網狀網三種網絡拓撲結構，分為信標和非信標兩種工作模式。本文在對無線傳感器及其網絡協(xié)議技術分析的基礎上，提出了基于 ZigBee 協(xié)議的無線測溫網絡中中心節(jié)點模塊的設計方案。方案中使用 STC12A32S2 微控制芯片和CC2530 無線模塊搭建了一個基于 ZigBee 技術的中心節(jié)點全功能模塊，該模塊通過DS3231 進行精確的定時，并且采用無線數(shù)傳模塊與上位機通信。中心節(jié)點在網絡中充當中心節(jié)點和協(xié)調器的作用，負責向終端節(jié)點查詢溫度的信息，然后反饋給計算機，達到無線測溫的目的。關鍵詞：無線傳感網絡； ZigBee；CC2530；溫度；濕度；3AbstractRecently 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 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 (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. ZigBee 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），three kinds of nodes：ZigBee Cooridnator（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 temperature measurement based on ZigBee protocol wireless network 中心節(jié)點 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 module communicate with computer. 中心節(jié)點 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 Network; ZigBee;CC2530;Temperature;Humidity4目 錄Abstract .3引言 5第 1 章 緒論 61.1 課題背景 .61.2 國內外研究現(xiàn)狀 61.3 課題研究的目的和意義 .7第 2 章 ZigBee 協(xié)議及其網絡結構 .72.1 ZigBee 網絡結構概述 .72.2 ZigBee 協(xié)議 .72.3 系統(tǒng)架構 8第 3 章 系統(tǒng)硬件電路的實現(xiàn) 93.1 ZigBee 系統(tǒng)的總體結構 .93.2 方案實現(xiàn)總框圖 .103.3 SZ05-ZBEE 嵌入式無線通信模塊 .103.4 PC 機接口電路 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)軟件的實現(xiàn) 144.1 總流程圖 .144.2 子程序模塊分析 154.2.1 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)軟件對功耗的影響 .18第 5 章 系統(tǒng)性能測試 195.1 通信距離測試 .195.2 數(shù)據傳輸速率測試 .20第 6 章 結論與展望 216.1 結論 .216.2 展望 .21參考文獻 23附錄 A 無線測溫網絡中中心節(jié)點模塊的原理圖 24附錄 B 無線測溫網絡中中心節(jié)點模塊的 PCB .25附錄 C 源程序 265引言近年來，智能家居、無線通信、無線控制、無線定位、無線組網等詞語的不斷映入人們眼簾。由于IT 產業(yè)的迅速發(fā)展、網絡的普及、家居用具的智能化以及單片機具有強有力的功能，使得它逐漸來到人們身邊，進入我們的日常生活。日益相關的知識報道足以預測這類新技術一定具有很強大的生命力和廣闊市場前景。ZigBee從開始的設計階段就重點考慮了功耗的問題，大多的中心節(jié)點都是由電池供電。ZigBee技術的工作周期短，收發(fā)信息功耗低，休眠模式等方法降低了傳感器網絡節(jié)點的功耗，減少了ZigBee網絡的成本。除了省電的優(yōu)點外，Zighee 技術也非常可靠。同時，ZigBee技術的成本較低，ZigBee 通信協(xié)議免專利費；時延短，優(yōu)化了時延敏感部分的應用；網絡容量較大，一個ZigBee網路最多可以容納254個從設備和一個主設備，一個區(qū)域最多可同時存在100多個ZigBee網絡；ZigBee的功能包括檢查數(shù)據完整性 [1]。本設計在ZigBee協(xié)議的基礎上，提出了中心節(jié)點設計方案，完成了設計硬件電路和程序編寫，最后完成了對整個網絡系統(tǒng)的測試和數(shù)據分析。6第 1 章 緒論無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)是一類特殊Ad-hoc網絡，由眾多無線傳感器的節(jié)點組織在一起的，這些小型的節(jié)點具有無線通訊、數(shù)據采集和協(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指定的區(qū)域(如受到污染大、環(huán)境不能被破壞或敵對的區(qū)域)和一些臨時的場合等等 [2]。無線傳感器的網絡節(jié)點可以隨機的或者特定的安放在目標環(huán)境中，它們之間的通訊通過對特定的協(xié)議組織起來，就能獲得周圍環(huán)境的相關信息并且相互協(xié)同工作以完成特定任務。在軍事國防、搶險救災、農業(yè)、環(huán)境監(jiān)控、城市管理等許多重要場合都有很大潛在的使用價值，具有十分廣闊的市場前景和應用前景。開發(fā)無線傳感器網絡采用的協(xié)議取決網絡具體應用范圍。ZigBee協(xié)議是為安全系統(tǒng)、家庭控制、建筑自動化等方面設計的一種無線傳感器網絡協(xié)議。本文將分析ZigBee協(xié)議的結構并基于 ZigBee協(xié)議實現(xiàn)一種溫濕度、光照傳感器網絡系統(tǒng)。1.1 課題背景隨著當今社會的迅速發(fā)展，人們對通信技術的要求正在不斷提升，無線通信網絡技術在其中扮演著的角色越來越重要。無線通信網絡技術按照傳輸?shù)姆秶鷣韯澐?，可以分為無線城域網(WMAN) ，無線廣域網(WSN) ，無線局域網(WLAN)和無線個人域網(WPAN)。其中的無線個人域網就是所謂的短距離通訊無線網絡，不僅如此各種短距離無線通訊傳輸技術更是層出不窮 [3]：藍牙(Bluetooth)、ZigBee 、WiFi 、無線USB，UWB等。由于ZigBee技術成本低、低功耗、時延短、容量大、可靠度高、安全傳輸?shù)缺姸鄡?yōu)點，所以它主要應用在短距離內的低速電子設備間的數(shù)據傳輸，因此非常適用在家電和小型電子的無線指令傳輸?shù)取?.2 國內外研究現(xiàn)狀傳感器網絡系統(tǒng)研究方是當今通訊研究方向前沿性的熱點之一，具有很大的科學研究意義和廣闊的應用前景，已被公認為21世紀最具研究價值的課題之一。我國對傳感器網絡系統(tǒng)方面的研究起步較晚，近兩年才受到通訊領域的關注。國家重大研究項目中包含在“十五”科技攻關項目中的傳感器網絡。在民用方面，交通、環(huán)境監(jiān)控、生態(tài)保護、工業(yè)控制等方面，我們可以用傳感器網絡及時準確的進行全方面的檢測和控制。71.3 課題研究的目的和意義溫濕度、光照感應和監(jiān)測技術在社會生產生活各個方面都有廣泛應用，如環(huán)境檢測、醫(yī)療保健、科研等。目前，此項設計的意義在于對無線測溫的電池供電產品化、實用化作出有益的嘗試。對無線傳感器網絡節(jié)點的體系結構及各個模塊的能量消耗情況進行了初步的分析，提出并解決無線傳感器網絡中心節(jié)點構架設計的系統(tǒng)方式，確定中心節(jié)點主動的協(xié)調方式的架構設計。ZigBee通訊技術作為一種短距離通信技術，根據ZigBee通訊協(xié)議所定義的標準，若能夠實現(xiàn)協(xié)議庫的封裝及模塊化，使得協(xié)議在不同的硬件平臺間，不同的應用系統(tǒng)間的能夠便捷移植，才能給我們解決ZigBee實際應用中的所存在的問題帶來更大的自由度和選擇性 [4]。第 2 章 ZigBee 協(xié)議及其網絡結構2.1 ZigBee 網絡結構概述利用ZigBee技術所組建的是一種低傳輸率的無線個域網（Low Rate Wireless Personal Network，LR-WPAN），網絡的基本結構成為“設備（Device）”。網絡中的設備按照其功能不同可分為兩種：中心節(jié)點和子節(jié)點。.其中中心節(jié)點可以作為個域網的主協(xié)調器、協(xié)調器，也可以作為終端設備實用。在一個網絡里至少需要一個主協(xié)調器。而中心子節(jié)點功能非常簡單，可以用最低端的MCU實現(xiàn)，在網絡了只能作為不需發(fā)送大量數(shù)據的終端設備，只能和特定的中心節(jié)點進行通信。2.2 ZigBee 協(xié)議ZigBee協(xié)議底層是基于IEEE802.15.4無線通訊協(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8當前的IEEE802.15.4標準是在2003年提出的由IEEE所管理。IEEE802.15.4 標準與常見的無線網絡中的傳輸標準802.15不同，它最主要的優(yōu)點是速率和功耗都很低。IEEE802.15.4網絡協(xié)議棧是基于開放系統(tǒng)互連模型(OSI)，各層都實現(xiàn)了一定的通信功能，并向上一層提供信號。2.3 系統(tǒng)架構ZigBee技術是一種新興的低功耗、低速率、近距離、低成本的無線傳感器網絡技術，全球統(tǒng)一無需申請的工作頻段為2.4GHz，其協(xié)議是依據 IEEE 802.15.4 技術的物理層和數(shù)據鏈路層的標準，并對其進行了完善和擴展而制定的。ZigBee技術支持3種拓撲結構: 星型網、樹型網和網狀網，每種網絡都具有各自的優(yōu)點和不足，可根據實際應用來選擇3種拓撲結構。整個遠程無線溫度測量系統(tǒng)包括溫濕度、光照測終端、網絡協(xié)調器、數(shù)據發(fā)布與處理服務器以及用戶終端 [5]。溫濕度、光照測終端實時采集和發(fā)送各監(jiān)測點的溫度、濕度、光照，與網絡協(xié)調器構成ZigBee無線星型網絡，由網絡協(xié)調器實現(xiàn)數(shù)據的協(xié)調和接收，并與數(shù)據處理與發(fā)布服務器進行串口通信，普通用戶終端可以通過HTTP協(xié)議在互聯(lián)網的任何位置監(jiān)控溫測終端的溫濕度、光照，系統(tǒng)結構如圖2-2所示。圖2-2系統(tǒng)結構第 3 章 系統(tǒng)硬件電路的實現(xiàn)3.1 ZigBee 系統(tǒng)的總體結構溫濕度、光照測終端由溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、無線通信模塊、微處理器模塊等構成，用在測點的溫濕度、光照進行采樣，并通過無線通信網絡系統(tǒng)將信號發(fā)送到網絡協(xié)調器中。網絡協(xié)調器由無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)點的溫濕度、光照信息，并通過串口通信RS232將其傳送至服務器上進行顯示和操作。硬件結構如下圖3-1和圖3-2所示。參照實際環(huán)境的需要，還可將顯示9或者報警模塊安裝在終端節(jié)點上，以方便安裝網絡的測試，同時也方便了監(jiān)測點附近人員進行實地測量環(huán)境中的各種所需的數(shù)據。圖3-1終端節(jié)點硬件結構圖3-2網絡協(xié)調器硬件結構3.2 方案實現(xiàn)總框圖本研究的核心電路是無線測量溫度、濕度、光照，網絡中的全功能（中心節(jié)點）模塊的設計，首先需要設計出來符合ZigBee標準的中心節(jié)點電路。該模塊電路主要由三個部分組成：射頻模塊、MCU部分及外圍電路和PC機接口電路，如圖3-3所示。S Z 0 5 - Z B E E 嵌 入式 無 線 通 信 模 塊M C U ( S T C 1 2 A 3 2 S 2 )上位機 P CRS-485L E D 指示電路D S 3 2 3 1 時鐘電路L C D 顯示電路ISP圖 3-3 中心節(jié)點硬件設計總框圖外圍電路包括：指示電路、程序調試端口、顯示電路等。其中程序調試端口是利用ISP接口來調試和下載程序；指示電路使用發(fā)光LED 燈的狀態(tài)來表示；顯示電路選用I2C式液晶顯示電路。與PC 機接口電路采用RS232通信方式，通過RS-232串口提供調試過程中的信息并與PC 機互交ZigBee組網過程中的信息；同時，在設計 ZigBee的中心節(jié)點模塊時預留了10一些端口供靈活使用。3.3 SZ05-ZBEE 嵌入式無線通信模塊順舟科技的SZ05嵌入式無線通信模塊，集成了符合ZigBee協(xié)議標準的射頻收發(fā)器和微處理器，它具有通訊距離遠、抗干擾能力強、組網靈活、性能可靠穩(wěn)定等優(yōu)點和特性；可實現(xiàn)點對點、一對多、多對多間的設備之間的數(shù)據傳輸；可組成星型、樹型和蜂窩型網狀網絡拓撲結構 [6]。 SZ05系列無線通信模塊分為中心協(xié)調器、路由器和終端節(jié)點。下表3-1是SZ05-ZBEE的技術指標。表 3- 1 SZ05-ZBEE 的技術指標類 別 指標名稱 SZ05 系列無線模塊傳輸距離 100 米—2000網絡拓撲 樹型、星型、鏈型、網狀網尋址方式 IEEE802.15.4/ZIGBEE無線網絡標準地址 ID 255最大數(shù)據包 256 字節(jié)TTL 電平收發(fā)、標準 RS232 串口串口信號 TxD, RxD, GND數(shù)據接口 串口速率 1200 ~ 38400 bps串口校驗 None, Even, Odd數(shù)據位 7, 8數(shù)據接口校驗位 1調制方式 DSSS 直序擴頻頻率范圍 2.405GHz~ 2.480GHz無線信道 16接收靈敏度 -94 dbm發(fā)射功率 -27dBm~25dBm天線連接 外置 SMA 天線或 PCB 天線收發(fā)器防止沖突 CSMA-CA 和 GTS 的 CSMA-CA輸入電壓 DC 5V最大發(fā)射電流 70 mA最大接收電流 55 mA待機電流 10 mA節(jié)電模式 110 uA功 耗睡眠模式 30 uASZ05-ZBEE無線通信模塊標準接口，含有電源接口、控制接口、數(shù)據接口和系統(tǒng)指示燈接口和天線接口等等，接口采用標準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。11圖 3- 1 SZ05 系列嵌入式模塊典型連接圖SZ05系列無線嵌入式無線數(shù)據通信模塊，系統(tǒng)采用了標準Z-BEE無線技術，符合工業(yè)標準應用的無線數(shù)據通信模塊，它的特點是安裝的尺寸小、通訊的距離遠、抗干的擾能力強、組網靈活等；可以實現(xiàn)透明傳輸多設備間的數(shù)據；可組MESH型的網狀網絡結構，安裝嵌入式模式，能使您的產品迅速集成最新的ZigBee無線技術。如圖3- 5為SZ05系列嵌入式模塊實物圖圖 3- 2 SZ05 系列嵌入式模塊實物圖123.4 PC 機接口電路本設計采用 RS-485 串行通信與 PC 機相連接，通過串口將采集到的數(shù)據發(fā)送給計算機，然后計算機根據相應的設置進行操作，其接口電路如圖 3-6 所示。RO1RE2DE3DI4 GND 5A 6B 7VCC 8U3 75LBC184R11100KR10 2KTXDRXDT1S9012R12120ABP351243SW2SW DIP-23.3_CPU3.3_CPU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校準好的信號輸出的溫濕度、光照復合傳感器。它可以應用于數(shù)字模塊的采集和溫濕度、光照傳感器，確保每個產品都具有很高的可靠性與長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件、一個 NTC 測溫元件和一個光敏傳感器，并與一個高性能的 8 位單片機連接 [7]。因此此產品優(yōu)點的有品質卓越、響應極快、抗干擾能力強、性價比極高等。接口電路如下圖： H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)字型光強度傳感器集成電路。這種集成電路可以根據收集的光線強度數(shù)據來調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較大范圍的光強度變化 [8]。接口電路如下圖：13VCC1ADDR2GND3SCK 4DIV 5SDA 6BH1750FVIC1VCC P20P21P22圖 3-2 光照傳感器接口電路圖第 4 章 系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)4.1 總流程圖本設計的軟件實現(xiàn)是通過 IAR 編譯軟件來實現(xiàn)的。中心節(jié)點模塊主要起到協(xié)調作用，實現(xiàn)對下位機節(jié)點的巡檢和對上位機的通信，如下圖 4-1 所示為軟件的總流程圖系統(tǒng)初始化程序開始W D 等待否是否有中斷產生執(zhí)行中斷子程序退出中斷是圖 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中斷來實現(xiàn)的，本次采用了一個外部中斷和兩個串行中斷。兩個串行中斷分別實現(xiàn)對上位機的串行通信和對下位機 ZigBee 節(jié)點進行通信，該處理程序十分重要，它的處理來實現(xiàn)下位的低功耗 [9]。144.2 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)中將對其分別進行分析。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。其中包括設置堆棧，將LCD 顯示位的存儲區(qū)間 NUM1_RAM～NUM8_RAM 賦值為 0,設置程序狀態(tài)字 P4SW，將各寄存器清零，設置 DS3231 初始化程序，設置 ZigBee 接收和發(fā)送模式，設置串行口 1 和串行口 2 工作方式，設置串行通信波特率，開中斷，設置中斷控制寄存器，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 產生，每當 DS3231 產生精確的 1 秒時都會觸發(fā)外部中斷 0 產生中斷。在中斷處理程序中，讀取 DS3231 秒的值，并調用顯示子程序，然后向子節(jié)點子節(jié)點模塊發(fā)送 55H 進行查詢 [10]。如下圖 4-2 所示為外部中斷流程圖。E X 0 I N T讀取 D S 3 2 3 1 秒存儲器的值調用 L C D 顯示子程序向 R F D 發(fā)送 5 5 H 查詢和時分秒校驗和R E T I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 負責與上位機的通信，其采用 RS485通信方式，將節(jié)點采集過來的數(shù)據通過中心節(jié)點（中心節(jié)點）上傳給上位機。由于中心節(jié)點的存儲空間有限，所以要及時將數(shù)據發(fā)送給電腦，在電腦中對數(shù)據進行分析、15存儲 [11]。U A R T 1讀取 S B U F 存儲器的值將存儲區(qū)的數(shù)據通過R S 4 8 5 發(fā)送給上位機R E T IS B U F = 0 F E H ?是發(fā)送校驗成功 ？是否否u a r t _ s u c c _ f l a g = 0 ?是否圖 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 主要負責對下位機的巡檢，并與其通信，將節(jié)點對環(huán)境溫度測試的數(shù)據采集過來，并且將接收到的數(shù)據存儲在相應的存儲空間，通過 LCD 顯示接收的信息。16U A R T 2讀取 S 2 B U F 存儲器的值調用 L C D 顯示子程序數(shù)據存儲R E T IS 2 B U F = 5 5 ?接收數(shù)據是接收成功 ？是否否圖 4- 4 串行中斷 2 流程圖4.3 系統(tǒng)軟件對功耗的影響ZigBee 技術的優(yōu)勢在于其低成本和低功耗的特性，而本設計的思想也是在其低功耗的基礎之上進行的研究。在整個系統(tǒng)中，通過中心節(jié)點和終端節(jié)點的相互配合，并提高軟件的實現(xiàn)效率，以提高中心節(jié)點的巡檢速率，進而實現(xiàn)對終端節(jié)點模塊子節(jié)點的節(jié)能研究 [12]。無線收發(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17收比發(fā)射需要更多的功率,這主要取決于收發(fā)器的體系結構。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。為了減少無線傳感器網絡的平均功率消耗,使得收發(fā)模塊長期處于空閑模式將會消耗大量的能量。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),只在必要時才需要激活，使其工作在一個低占空比下。但這樣的處理方式會增加復雜性,因此必須考慮額外消耗的功率和時間 [13]。實驗表明：經測試改進前的平均工作電流約為 80 mA，改進后在掃描周期為 60 秒的情況下的平均工作電流為 0.5246mA。其中在一個掃描周期內其工作狀態(tài)如表 4-1 所示。表 4- 1 子節(jié)點各種工作狀態(tài)下的功率消耗工作狀態(tài) 工作電流 工作時間單片機掉電、ZIGBEE 掉電（RES 、SLEEP、P0--P4 全高、無LCD)0.131mA 59.714s單片機正常、ZIGBEE 掉電 6.80mA 0.019s單片機休眠、ZIGBEE 等待接收狀態(tài) 68.50mA 0.150s單片機正常、ZIGBEE 正常處在接收狀態(tài) 300mA 0.003s單片機正常、ZIGBEE 正常處在發(fā)送狀態(tài) 800mA 0.006s單片機正常、ZIGBEE 等待 75mA 0.1s單片機正常、ZIGBEE 掉電 6.29mA 0.008s因此，一個優(yōu)化的程序對節(jié)點的功耗影響是十分關鍵的，基于 TKS 的軟件編寫就是最大化的對程序進行了優(yōu)化。本設計中心節(jié)點模塊通過 DS3231 產生精確地同步時鐘，并且每經過一個小時進行與下位機節(jié)點的一次校正，保證時鐘同步；每經一秒巡檢一個節(jié)點，此時其它節(jié)點處于掉電狀態(tài)，相對于下位機子節(jié)點節(jié)點則每經一秒循環(huán)喚醒，其余時間處于掉電狀態(tài)，這樣就極大地降低了功率的消耗，對 ZigBee 的低功耗研究具有很大的意義 [14]。第 5 章 系統(tǒng)性能測試為分析 ZigBee 無線通信模塊的性能是否滿足系統(tǒng)需求，針對 ZigBee 的通信距離、數(shù)據傳輸速率和數(shù)據傳輸延時幾個性能指標進行了測試。5.1 通信距離測試測試方法：從主節(jié)點連續(xù)單向發(fā)送時間信號給從節(jié)點，發(fā)送次數(shù)為 100 次，檢測從節(jié)點接收信號成功率。測試結果分見表 5-1、表 5-2、表 5-3。測試環(huán)境 1：室外環(huán)境，無阻隔。表 5- 1 通信距離測試結果 1距離 發(fā)射功率 接收成功率40ｍ 25dB 100%50ｍ 25dB 100%1860ｍ 25dB 100%70ｍ 25dB 99%80ｍ 25dB 98%90ｍ 25dB 95%100ｍ 25dB 91%測試壞境 2：室內環(huán)境，樓層阻隔（某實驗樓內）。表 5- 2 通信距離測試結果 2距離 發(fā)射功率 接收成功率40ｍ 25dB 100%50ｍ 25dB 98%60ｍ 25dB 90%70ｍ 25dB 78%80ｍ 25dB 60%90ｍ 25dB 42%100ｍ 25dB 20%測試環(huán)境 3：室內環(huán)境，金屬阻隔物（金屬阻隔物未完全封閉節(jié)點天線）。表 5- 3 通信距離測試結果 3距離 發(fā)射功率 接收成功率40ｍ 25dB 90%50ｍ 25dB 75%60ｍ 25dB 54%70ｍ 25dB 21%80ｍ 25dB 8%90ｍ 25dB 0%100ｍ 25dB 0%結果分析：射頻芯片的發(fā)射功率為 25dBm，主從節(jié)點的通信距離在 40ｍ范圍之內時，接收效果良好 [15]。當距離在 40ｍ～100ｍ以內，無障礙傳輸效果仍然比較樂觀，但時，在室內環(huán)境下接受成功率比較差，特別是有金屬阻隔時，超過 70ｍ基本就接收不到了。如果增加發(fā)送功率，或者在節(jié)點間增加中繼器，則傳輸距離將大大增加。測試結果說明，ZigBee 無線傳輸方式的通信距離滿足測溫系統(tǒng)組網的要求。5.2 數(shù)據傳輸速率測試測試環(huán)境：室內環(huán)境，樓層阻隔，主節(jié)點和從節(jié)點距離約為 50 米，發(fā)射功率為25dB，不統(tǒng)計誤碼率，無重傳。測試步驟：（1）從節(jié)點連續(xù)單向發(fā)送設定個數(shù)的報文至主節(jié)點。在報文發(fā)送開始和發(fā)送完畢時通過串口輸出提示信息至計算機屏幕，利用串口調試自帶的時鐘進行計時，未重傳。按照此方法連續(xù)測量三次，計算其平均速率。（2）改變發(fā)送報文的設定個數(shù)，重復步驟（1）兩次。測量結果：如表 5-4 所示。19表 5- 4 數(shù)據傳輸速率測試結果報文數(shù)目 報文長度（Byte） 起始時間 結束時間 傳輸速率（kbps）200000 60 10:20:35 11:24:02 25.1100000 60 11:30:25 11:50:46 24.570000 60 12:00:50 12:23:31 25.2結果分析：CC2530 數(shù)據傳輸?shù)乃俾手禐?250kbps，指的是爆發(fā)傳輸速率，在其傳輸過程中，允許單片機以較低的速率對射頻芯片進行數(shù)據的裝載。在實際應用過程中，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的 CPU 資源，從而使單片機和射頻芯片 CC2530 之間的平均數(shù)據裝載速率大幅度降低。從以上的實驗結果可知，實際測量數(shù)據傳輸速率約為 25kbps。第 6 章 結論與展望6.1 結論本文在對無線傳感器及其網絡協(xié)議技術分析的基礎上，完成本次設計的內容：無線測溫網絡中的中心節(jié)點模塊，它符合 ZigBee 組網技術，擔任網絡協(xié)調者，形成網絡，讓其它的中心節(jié)點或子節(jié)點連結，具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。對組網的方式，控制效率進行研究，并且提出一套實用的方案。完成模塊的硬軟件設計，完成系統(tǒng)硬件體系結構圖和系統(tǒng)軟件設計。文章對該 ZigBee 全功能模塊（中心節(jié)點）的設計以及軟件的實現(xiàn)進行了詳細的介紹。主要包括以下兩個方面:一是設計和實現(xiàn)了適用于 ZigBee 的 2.4Ghz 的無線中心節(jié)點模塊；二是實現(xiàn)基于 ZigBee 協(xié)議棧實現(xiàn)無線組網，并對其控制效率進行研究。本文中使用了 STC12A32S2 微控制芯片和 CC2530 無線芯片搭建了一個基于ZigBee 技術的無線傳感器網絡的中心節(jié)點。該協(xié)調器負責向終端節(jié)點查詢溫度信息，并將所測溫度通過 RS-485 總線上傳給上位機，從而實現(xiàn)智能控制。綜上所述，本文所取得的成果和創(chuàng)新點主要有：1.對測溫網絡中的中心節(jié)點模塊進行了硬件設計。采用 protel99se 繪制原理圖，進而實現(xiàn)實際電路的開發(fā)，包括微處理器 MCU 與無線收發(fā)模塊的電路連接，相應外圍電路設計，PCB 制作等，最終完成了能夠運用到實際的中心節(jié)點模塊。2.進行了測溫軟件開發(fā)與調試。此部分包括通信網絡方案設計，通信協(xié)議的編制以及程序調試，能實現(xiàn)對網絡各節(jié)點間的通訊。6.2 展望今天的世界已經是無線的世界，未來的世界更加是無線的天下，而 ZigBee 技術日趨成熟，市場上對 ZigBee 的應用需求越來越大。目前市場上的 ZigBee 解決方案，大多是基于 8051、AVR、PIC 或是 MSP430 等 8 位或是 16 位單片機，正如本設計所使用20的就是基于 8 位的 STC12A32S2 單片機微處理器測溫網絡，雖然能夠滿足本設計的要求，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)的復雜性增加，其設計必然滿足不了產品的設計要求，故 ZigBee 的解決方案向嵌入式方面發(fā)展。而隨著科學技術的發(fā)展，ARM 處理器越來越成為人們關注，其主要應用于工業(yè)控制領域，其低成本、功能強大、擴展靈活，都非常符合 ZigBee 技術的應用特點。針對本設計采用 STC12A32S2 微處理器來實現(xiàn)中心節(jié)點模塊的功能，雖然滿足了設計的要求，但就以后適應市場的發(fā)展，還需要做進一步的改進。由于時間的關系，本設計僅僅是做了 ZigBee 網絡中負責協(xié)調的全功能模塊的設計，其中不免有很多不妥之處，其中仍有很多需要改進的地方，比如可以選擇性能更高的處理器，在其基礎上可以設計出更加智能化的、功能更加強大 ZigBee 產品。如果在設計好中心節(jié)點模塊的同時，可以將整個網絡搭建出來進行組網，進一步對應用層開發(fā)，增加人機界面的圖形化、動態(tài)化的顯示，更加生動地展現(xiàn)網絡狀態(tài)及信息收發(fā)情況。21參考文獻[1] 呂志安.ZigBee 網絡原理與應用開發(fā)[M].北京航空航天大學出版社，2008,02.[2] 李文仲． ZigBee 無線網絡技術入門與實戰(zhàn)[M]. 北京航空航天大學出版社,2008，07.[3] 李文忠，段朝玉.ZigBee2006 無線網絡與無線定位實戰(zhàn)[M]. 北京航空航天大學出版社,2008，01.[4] 鐘艮林． ZigBee 無線傳感器網絡的設計與實現(xiàn)[J]. 科技信息, 2009,09(31)：71-72.[5] 于海，高繼森 . 基于 ZigBee 的辦公樓溫度檢測技術[J]. 應用技術，2009,03(3)：92-93.[6] 上海順舟網絡科技有限公司．順舟科技 SZ02-ZigBee 無線通信模塊[J].上海順舟網絡科技有限公司.2004,04.[7] 吳輝,于軍琪.基于 ZigBee 的溫室房間溫度傳感器數(shù)據融合技術[J].農機化研究.2009，04(4)： 158-160. 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