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基于ZigBee技术的温度采集系统设计毕业论文.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.76M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    第1章 绪论
    1.1 课题背景与意义
    1.2 无线温度采集的现状与未来展望
    1.3 论文的主要研究内容
    第2章Zigbee技术
    2.1 Zigbee技术简介
    2.1.1 Zigbee是什么
    2.1.2 Zigbee的优势
    2.1.3 Zigbee的主要特性
    2.2 Zigbee协议栈结构
    2.3 ZigBee的网络拓扑结构
    2.3.1 星形拓扑结构
    2.3.2 树形拓扑结构
    2.3.3 Mesh拓扑结构
    2.4 IEEE 802.15.4 规范
    2.4.1 物理层规范
    2.4.2 MAC层规范
    第3章 温度采集系统的硬件设计
    3.1系统整体设计
    3.2 硬件设计
    3.2.1 系统硬件平台
    3.2.2 ZigBee通信模块
    3.2.3 通信模块电路设计
    3.3 温度数据采集原理
    3.4 温度传感器DS18B20
    第4章 温度采集系统的软件设计
    4.1 系统软件平台概述
    4.2 Z-Stack2007协议栈软件
    4.2.1 Z-Stack软件架构
    4.2.2 Z-Stack软件流程
    4.3 程序设计
    第5章 总结
    参 考 文 献
    致 谢
    程序附录
    摘 要 近年来随着无线通信、计算机传感技术的飞速发展和融合，无线传感网技术 （WSN）应运而生，而 Zigbee 以其低成本、低数据速率、超低功耗的特点满足了 当前无线传感网络技术的应用与普及。本论文研究课题是基于 Zigbee 的无线温度 采集系统，该系统可以应用到智能家居领域从而节省人力和能源，具有非常广阔 的应用前景和研究价值。 文章首先介绍了 Zigbee 技术与网络拓扑结构，通过介绍无线温度采集系统的 基本原理，制定系统总体设计方案。进而完成了对控制模块、终端节点相关软硬 件的设计。系统采用星型网络拓扑结构，建立了一个主节点与多个从节点搭建的 自组网，来实现无线数据传输。通过数字温度传感器 SHT11 采集温度数据，在 Zigbee 终端节点根据设定好的路由协议多跳上传至协调器节点，协调器节点将收 集到的温度数据处理由串口线路传给上位 PC 机，在 PC 机上的串口终端上实时显 示监测收集到的数据。 最后对传感器模块硬件电路、无线收发模块硬件电路以及整个系统进行了测 试，结果显示系统运行平稳，验证了本系统设计方案的可行性。 关键词：无线通信；无线传感网；ZigBee；温度采集 I
    ABSTRACT In recent years, with the rapid development of wireless communications, computer sensing technology and the fusion, wireless sensor network technology(WSN) arises at the historic moment. known for its low cost, the characteristics of the low data rate, low power consumption Zigbee satisfy the current applications of wireless sensor network technology and popularization. This thesis research topic is based on the Zigbee wireless temperature acquisition system,The system can be applied to the field of intelligent household saving manpower and energy. it has very broad application prospects and research value. This paper introduces the Zigbee technology and the network topology,Through the introduction of the basic principle of wireless temperature acquisition system, the system overall design scheme,Then completed the control module, terminal node related hardware and software design.System USES the star network topology structure, set up a master node and multiple slave nodes set up ad-hoc network, to realize wireless data transmission.Through digital temperature sensor SHT11 temperature data collected in Zigbee terminal nodes according to set good routing protocol jump uploaded to the coordinator node,The coordinator node will be collected by the temperature data processing by a serial line to the upper PC, and displayed in real time on PC serial port terminal monitoring data collected. At the end of the sensor module, wireless transceiver module hardware circuit and the whole system is tested, the results show that the system runs stably, verify the feasibility of the system design. KEY WORDS: wireless communication;Wireless sensor network；ZigBee； temperature acquisition II
    目 录 第 1 章 绪论.......................................................................................................................................... 1 1.1 课题背景与意义.....................................................................................................................1 1.2 无线温度采集的现状与未来展望.........................................................................................1 1.3 论文的主要研究内容.............................................................................................................2 第 2 章 Zigbee 技术..............................................................................................................................4 2.1 Zigbee 技术简介.................................................................................................................... 4 2.1.1 Zigbee 是什么............................................................................................................. 4 2.1.2 Zigbee 的优势............................................................................................................. 4 2.1.3 Zigbee 的主要特性..................................................................................................... 5 2.2 Zigbee 协议栈结构 ................................................................................................................ 5 2.3 ZigBee 的网络拓扑结构........................................................................................................7 2.3.1 星形拓扑结构 ..............................................................................................................7 2.3.2 树形拓扑结构 ..............................................................................................................8 2.3.3 Mesh 拓扑结构............................................................................................................8 2.4 IEEE 802.15.4 规范............................................................................................................... 9 2.4.1 物理层规范 ................................................................................................................10 2.4.2 MAC 层规范 ..............................................................................................................11 第 3 章 温度采集系统的硬件设计....................................................................................................13 3.1 系统整体设计.......................................................................................................................13 3.2 硬件设计...............................................................................................................................14 3.2.1 系统硬件平台 ............................................................................................................14 3.2.2 ZigBee 通信模块.......................................................................................................15 3.2.3 通信模块电路设计 ....................................................................................................15 3.3 温度数据采集原理...............................................................................................................17 3.4 温度传感器 DS18B20 ..........................................................................................................18 第 4 章 温度采集系统的软件设计....................................................................................................19 4.1 系统软件平台概述...............................................................................................................19 4.2 Z-Stack2007 协议栈软件 .................................................................................................... 20 4.2.1 Z-Stack 软件架构..................................................................................................... 20 4.2.2 Z-Stack 软件流程..................................................................................................... 22 VI
    4.3 程序设计...............................................................................................................................23 第 5 章 总结........................................................................................................................................ 27 参 考 文 献.......................................................................................................................................... 28 致 谢................................................................................................................................................. 30 附录 1..................................................................................................................................................31 附录 2................................................................................................................. 错误！未定义书签。 VII
    基于 Zigbee 技术的温度采集系统设计 第 1 章 绪论 1.1 课题背景与意义 在过去 20 年里，互联网（Internet）极大地方便和改变了我们的生活。就我们 所熟知的几种短距离无线网络通信标准有：WIFI（无线宽带接入）、Bluetooth（蓝 牙）、ZigBee 等无线技术，每个标准都有它在特定领域应用的优点。 温度是日常生活中一种最基本的环境参数，自然界中几乎所有的物理化学过 程都与温度紧密相关。在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中离不 开温度的测量，在家庭生活中也是处处离不开温度的采集监控。因此研究温度测 量与采集的方法及其相关硬件设备具有重要的意义，而采集测量温度的关键就是 温度传感器。 温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。温度传感器的发展 大致经历了以下 3 个阶段:①传统的分立式温度传感器，②模拟集成温度传感器， ③智能集成温度传感器[3].目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式，从 集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。使用以无线网络通信技术为基础的应 用系统，进行温度等数据采集传输的方式已经出现在社会生活生产的每一个方面， 温度等数据测量的准确度在影响生产效益的同时也逐步引起了社会各界的重视 [24]。本系统选择 Zigbee 无线通信模块结合数字温度传感器 DS18B20 进行温度的采 集测量具有很好的通用型与扩展性。 1.2 无线温度采集的现状与未来展望 传感器网络实现了数据的采集、处理和传输三种功能。它与通信技术和计算 机技术共同构成信息技术的三大支柱。无线传感器网络 wireless sensor network（即 1
    WSN）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方 式形成的一个多跳的自组织的网络系统。在人们日常生产生活中它可以大幅降低 检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高 效率，并延长设备的使用时间[19]。尽管无线传感器技术仍处于初步应用阶段，但 已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更 大的应用。 1.3 论文的主要研究内容 本论文旨在开发一个基于 ZigBee 网络的实时无线温度采集控制系统。系统整 体主要由 ZigBee 网络组成，负责无线传感网络内部数据的采集和传输。利用温度 传感器采集来的温度数据，通过 Zigbee 自组网技术经由终端节点上传给协调器节 点整理信息再通过串口通信上传给上位机（PC 机），以此对温度进行实时的监控。 基于上述架构的温度采集及控制系统具有如下的特点：首先，ZigBee 作为一 种新兴的无线通信技术，它的组网灵活与低成本等特点解决了传统有线连接方式 布线繁琐、扩展性和移植性差的缺点；其次，ZigBee 技术的低功耗特点使采集控 制节点可采用电池供电适于放置在一些无固定电源的监控环境中。最后 Zigbee 标 准 有助 于降 低应 用 成本 。和 其 他标 准， 如 IEEE802.11 相 比， 满足 Zigbee 和 IEEE802.15.4 标准的最低需求相对简单，这同时也降低了 Zigbee 收发器的复杂度 和成本[16]。 本论文的主要研究内容可概括如下： 学习 TI ZStack2007 协议栈内容，掌握 CC2530 模块无线组网原理及过程。学 习基于 Zstack 协议栈的无线传感器网络数据传输方法。熟悉有关 Zstack2007 协议 栈的具体内容。 阅读 DS18B20 温度传感器芯片文档，熟悉该传感器的使用及时序操作。 使用 IAR 开发环境程序设计，Zstack—2.3.0—1.4.0 协议栈源码例程 SampleApp 工程基础上，实现无线组网及通讯。即协调器自动组网，终端节点(附带温度传感 2
    器)自动入网，并采集温度数据广播传输，协调器接收到信息后将温度数据通过串 口发送给 PC 计算机显示。以此实现基于 Zstack 协议栈的数据无线透明传输。 3
    第 2 章 Zigbee 技术 2.1 Zigbee 技术简介 2.1.1 Zigbee 是什么 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[1]。 “Zigbee”一词源自于蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳 ZigZag 形舞蹈来告知 同伴，传递所发现新食物源的位置、距离和方向等信息。可以说，是一种小的动 物通过简捷的方式实现“无线”沟通，人们借此来称呼这种专注于低功耗、低成本、 低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术[2]。形象的描述 Zigbee：它是一种简 单的东西，其核心是多信道无线通信装置和微控制器它们都被集成在一两块半导 体芯片上，封装在如同小指甲盖大小的塑料制品里面。简言之，Zigbee 就是一种 便宜的、低功耗的近距离无线组网通信技术。 2.1.2 Zigbee 的优势 首先，各种不同功能的无线网络节点要能相互相交流、相互沟通，就需要保 证网络节点的互通性，即网络的标准化。其次各种功能的无线网络节点相互间可 以在任意节点间进行通信。这就需要管理越来越复杂的无线网络，这样一来，产 品的部分设计被标准化，显著减小了产品设计的工作量，有利于缩短产品上市周 期。 可以这样说，按照 Zigbee 标准设计生产出来的检测和控制产品，与那些使用 其他无线标准（如 Bluetooth 和 WiFi）的产品相比，安装更容易，功耗更低；特别 是在处理远程监测及控制系统中，其区别更加明显。这种基于标准的低功率技术 4
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