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)

0摘 要隨著人們對(duì)低速率無線個(gè)人域網(wǎng)的應(yīng)用需求越來越大，ZigBee 技術(shù)在近年來得到了快速的發(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 IEEE802.15.4 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DS3231 進(jìn)行精確的定時(shí)，并且采用無線數(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)查詢溫度的信息，然后反饋給計(jì)算機(jī)，達(dá)到無線測(cè)溫的目的。關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)； ZigBee；CC2530；溫度；濕度；1AbstractRecently 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(diǎn)），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(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 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 Network; ZigBee;CC2530;Temperature;Humidity2目 錄Abstract .3引言 .5第 1 章 緒論 .61.1 課題背景 .61.2 國內(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 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 無線測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)中中心節(jié)點(diǎn)模塊的 PCB .25附錄 C 源程序 .263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(wǎng)等詞語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，使得它逐漸來到人們身邊，進(jìn)入我們的日常生活。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從開始的設(shè)計(jì)階段就重點(diǎn)考慮了功耗的問題，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)也非常可靠。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ZigBee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。4第 1 章 緒論無線傳感器網(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對(duì)特定的協(xié)議組織起來，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)。在軍事國防、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。開發(fā)無線傳感器網(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，無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在其中扮演著的角色越來越重要。無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)按照傳輸?shù)姆秶鷣韯澐郑梢苑譃闊o線城域網(wǎng)(WMAN) ，無線廣域網(wǎng)(WSN) ，無線局域網(wǎng)(WLAN)和無線個(gè)人域網(wǎng)(WPAN)。其中的無線個(gè)人域網(wǎng)就是所謂的短距離通訊無線網(wǎng)絡(luò)，不僅如此各種短距離無線通訊傳輸技術(shù)更是層出不窮 3：藍(lán)牙(Bluetooth)、ZigBee 、WiFi 、無線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線指令傳輸?shù)取?.2 國內(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。國家重大研究項(xiàng)目中包含在“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。51.3 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)協(xié)議庫的封裝及模塊化，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)用中的所存在的問題帶來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)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6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)與常見的無線網(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)是一種新興的低功耗、低速率、近距離、低成本的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，全球統(tǒng)一無需申請(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)用來選擇3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。整個(gè)遠(yuǎn)程無線溫度測(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，普通用戶終端可以通過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，并通過無線通信網(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7或者報(bào)警模塊安裝在終端節(jié)點(diǎn)上，以方便安裝網(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。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(jī) P CRS-485L E D 指示電路D S 3 2 3 1 時(shí)鐘電路L C D 顯示電路ISP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接口來調(diào)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(jī)接口電路采用RS232通信方式，通過RS-232串口提供調(diào)試過程中的信息并與PC 機(jī)互交ZigBee組網(wǎng)過程中的信息；同時(shí)，在設(shè)計(jì) ZigBee的中心節(jié)點(diǎn)模塊時(shí)預(yù)留了8一些端口供靈活使用。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(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、樹型和蜂窩型網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 6。 SZ05系列無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 的技術(shù)指標(biāo)類 別 指標(biāo)名稱 SZ05 系列無線模塊傳輸距離 100 米2000網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?樹型、星型、鏈型、網(wǎng)狀網(wǎng)尋址方式 IEEE802.15.4/ZIGBEE無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)地址 ID 255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數(shù)據(jù)接口校驗(yàn)位 1調(diào)制方式 DSSS 直序擴(kuò)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 -27dBm25dBm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(jī)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(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。9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(jù)通信模塊，系統(tǒng)采用了標(biāo)準(zhǔn)Z-BEE無線技術(shù)，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的無線數(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)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103.4 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。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(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) 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： 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(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：11VCC1ADDR2GND3SCK 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(shí)現(xiàn)4.1 總流程圖本設(shè)計(jì)的軟件實(shí)現(xiàn)是通過 IAR 編譯軟件來實(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 4-1 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(chǎn)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(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，它的處理來實(shí)現(xiàn)下位的低功耗 9。124.2 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。E X 0 I N T讀取 D S 3 2 3 1 秒存儲(chǔ)器的值調(diào)用 L C D 顯示子程序向 R F D 發(fā)送 5 5 H 查詢和時(shí)分秒校驗(yàn)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(fù)責(zé)與上位機(jī)的通信，其采用 RS485通信方式，將節(jié)點(diǎn)采集過來的數(shù)據(jù)通過中心節(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、13存儲(chǔ) 11。U A R T 1讀取 S B U F 存儲(chǔ)器的值將存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)通過R S 4 8 5 發(fā)送給上位機(jī)R E T IS B U F = 0 F E H ?是發(fā)送校驗(yàn)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(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)采集過來，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 LCD 顯示接收的信息。14U A R T 2讀取 S 2 B U F 存儲(chǔ)器的值調(diào)用 L C D 顯示子程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)R E T IS 2 B U F = 5 5 ?接收數(shù)據(jù)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(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)點(diǎn)模塊子節(jié)點(diǎn)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(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15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)?？臻e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(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LCD)0.131mA 59.714s單片機(jī)正常、ZIGBEE 掉電 6.80mA 0.019s單片機(jī)休眠、ZIGBEE 等待接收狀態(tài) 68.50mA 0.150s單片機(jī)正常、ZIGBEE 正常處在接收狀態(tài) 300mA 0.003s單片機(jī)正常、ZIGBEE 正常處在發(fā)送狀態(tài) 800mA 0.006s單片機(jī)正常、ZIGBEE 等待 75mA 0.1s單片機(jī)正常、ZIGBEE 掉電 6.29mA 0.008s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 DS3231 產(chǎn)生精確地同步時(shí)鐘，并且每經(jīng)過一個(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：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)果分見表 5-1、表 5-2、表 5-3。測(cè)試環(huán)境 1：室外環(huán)境，無阻隔。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40 25dB 100%50 25dB 100%1660 25dB 100%70 25dB 99%80 25dB 98%90 25dB 95%100 25dB 91%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40 25dB 100%50 25dB 98%60 25dB 90%70 25dB 78%80 25dB 60%90 25dB 42%100 25dB 20%測(cè)試環(huán)境 3：室內(nèi)環(huán)境，金屬阻隔物（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40 25dB 90%50 25dB 75%60 25dB 54%70 25dB 21%80 25dB 8%90 25dB 0%100 25dB 0%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)，無障礙傳輸效果仍然比較樂觀，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 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)果說明，ZigBee 無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)送開始和發(fā)送完畢時(shí)通過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。17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）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(jié)果分析：CC2530 數(shù)據(jù)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(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)，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 無線芯片搭建了一個(gè)基于ZigBee 技術(shù)的無線傳感器網(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 RS-485 總線上傳給上位機(jī)，從而實(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)際電路的開發(fā)，包括微處理器 MCU 與無線收發(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)是無線的世界，未來的世界更加是無線的天下，而 ZigBee 技術(shù)日趨成熟，市場(chǎng)上對(duì) ZigBee 的應(yīng)用需求越來越大。目前市場(chǎng)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(jī)，正如本設(shè)計(jì)所使用18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)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)搭建出來進(jìn)行組網(wǎng)，進(jìn)一步對(duì)應(yīng)用層開發(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。19參考文獻(xiàn)1 呂志安.ZigBee 網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用開發(fā)M.北京航空航天大學(xué)出版社，2008,02.2 李文仲 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)M. 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