基于ZigBee的数据采集系统设计本科毕业论文

西安航空学院本科毕业设计（论文）西安航空学院本科毕业设计（论文）题 目： 基于 ZigBee 数据采集系统的设计学 院： 电子工程学院专 业： 测控技术与仪器学 号： *学生姓名： *指导教师： *2016 年 5 月 25 日西安航空学院本科毕业设计（论文）摘 要近年来科技水平不断提高，各行各业也对获取数据的便捷性、准确性、廉价性提出来越来越高的要求。无论工业现场还是在家庭，温湿度都是一个非常重要的因素。然而在某些高腐蚀的环境下通过布设电缆，进行采集是不易的。实现无线数据采集的无线化、智能化是最理想的解决方案。ZigBee 作为一种最新推出的无线通信技术，已经在工业自动化、智能医疗、消费电子产品方面得到了普遍的应用。本文是在 ZigBee 技术做了深入的研究下，完成了基于 ZigBee 的温湿度数据采集系统的设计。本文主要利用 CC2530 芯片作为整个系统的核心，采用 IEEE 802.15.4 协议作为整个网络的通信协议。前端高精度的 DHT11 温湿度传感器把检测数据通过终端节点，发送到另一个作为整个无线网络协调器的 ZigBee 模块，并用电平出发的 LCD12864 显示模块进行显示。本文中搭建的微型无线数据采集网络，实现了温度和湿度数据的实时采集。本设计提出的无线数据采集的方式，为现场数据监测的无线化设计和实际应用问题的解决，提供了思路。关键字：无线数据采集系统；温湿度；ZigBee；CC2530；DHT11 西安航空学院本科毕业设计（论文）AbstractIn recent years, science and technology has improved continuously, businesses also easy access to data, accuracy, cheapness raised higher and higher requirements. Whether at home or industrial field, temperature and humidity is a very important factor. However, in some highly corrosive environment by running cables, acquisition is not easy. Wireless data acquisition wireless, intelligence is the ideal solution. As a latest ZigBee wireless communication technology has been widely used in industrial automation, intelligent medical, consumer electronics products.This article is in ZigBee technology to do the next in-depth study, completed the ZigBee-based temperature and humidity data acquisition system design. In this paper, the use of CC2530 chip as the core of the system, using the IEEE 802.15.4 protocol as the communication protocol of the entire network. DHT11 tip precision temperature and humidity sensors to detect data through the terminal node, sent to another as the entire wireless network coordinator ZigBee module, and power level starting LCD12864 display module for display.Paper completed the build miniature wireless data acquisition system to achieve real-time transmission of temperature and humidity data. This design can be seen from the wireless network for field data acquisition parameters and application programs designed to detect wireless devices provide a new solution.Keywords: Wireless data acquisition system；Temperature and humidity；ZigBee；CC2530；DHT11 西安航空学院本科毕业设计（论文）I目 录第一章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 ZigBee 技术简介 .21.3 国内外研究现状 .31.4 基于 ZigBee 的数据采集系统的意义 .41.5 论文主要内容与组织结构 .5第二章 系统总体方案设计 .62.1 系统的设计原则 .62.2 系统硬件组成 .62.3 系统关键技术介绍 .72.3.1 ZigBee 协议体系 .72.3.2 ZigBee 网络结构 .92.4 ZigBee 无线芯片的选取 .12第三章 硬件电路的设计 .133.1 总体设计方案 .133.2 C2530 无线单片机介绍 .133.2.1 CC2530 芯片的硬件组成 .143.2.2 CC2530 芯片的主要特征 .153.3 CC2530 基本电路 .173.4 CC2530 外围节点电路 .183.4.1 数据采集电路 .183.4.2 串口转 USB 电路 .203.4.3 电源电路 .203.4.4 显示电路 .213.4.5 键盘电路模块 .233.4.6 天线.23第四章 软件设计.244.1 IAR 开发平台的介西安航空学院本科毕业设计（论文）II绍.244.2 传感器模块的软件设计.254.3 协调器的软件设计.264.4 IAR 开发平台程序烧录 .264.4.1 创建一个新工程 .264.4.2 工程参数设置 .274.4.3 添加项目代码 .28第五章 总结与展望 .305.1 设计总结.305.1.1 基本功能实现 . .305.1.2 无线数据采集的测试 . 315.2 前景展望.32参考文献 .33致谢.34附录 39西安航空学院本科毕业设计（论文）1第一章 绪论1.1 课题背景数据采集技术与信号处理技术、传感器技术、计算机技术共同构成了现代检测技术的基础 1。数据采集技术是通过前端采集器件收集温湿度、压力、PH 值等参数，并以其他方式显示的技术 2。数据采集技术是为了方便工程技术人员对设备的操作，从而降低生产成本，提高产品质量。也就是说，是利用传感器、微控制器、信号以及其他技术的数据采集系统，是将获取的温湿度、压力、PH 值等现场参数，通过A/D 转换电路，将模拟量转换为数字量，利用微处理器进行运算，并将输出显示的技术。将得到的结果进行显示，以方便操作人员使用，从而使产品质量提高，使生产成本降低。至于数据的采集方法而言，传统的数据采集为电缆采集，它存在一些缺点，比如在高腐蚀环境下，布线复杂、操作不方便。电子技术、信号处理技术、无线通信网络技术的发展，为数据采集方式无线化提供了技术保障。无线数据采集是通过无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）进行数据采集的技术。WSN 是节点之间以自动组网的方式，建立无线传感网络，网络中作为协调器的节点接收和存储从各个终端节点发送出的节点所处现场的物理参数，并以无线电的方式给用户传输数据的技术。所以，无线采集方式是对传统的有线采集方式的有效替代，克服了传统数据采集方式的劣势。科技水平的提高，电子产品不但可靠性逐渐提高，而且成本越来越低。可靠性不断提高的电子产品，使 WSN 系统可以获得超越以前的网络传输速率，和前所未有的安全性。WSN 的特点都超越了本来有线传感器系统引以为豪的好技术指标，而且无线数据采集还解决了有线网络布线困难的致命缺点。无线传感器网络可以使得线路维修困难的问题可以解决，提高了无线数据采集系统的环境适应性。为了满足人们对无线采集技术的要求，ZigBee 技术种应运而生，完善了生态版图。它可以以嵌入设备的形式，广泛应用于各个领域的自动化控制方面。作为短距离无线通信技术，ZigBee 以其低功耗、低复杂度、操作简单等独特的优势得到了人们的青睐。ZigBee 低功耗的特点的优势，在工业现场需要长期检测、不便改变节点位置的位置得到凸显。主协调器 ZigBee 节点通过自组网的形式与周围的终端节点组成网络，互联共享数据。ZigBee 节点可以自动加入和离开网络，加入网络时可以自西安航空学院本科毕业设计（论文）2动搜索与之匹配的协调器节点。ZigBee 已经以其无与伦比的优势成为了无线通信的首选协议。本设计将传感器技术和 ZigBee 技术相结合，力图通过数据采集的无线化解决由于现场布线困难、一次性采集成本昂贵等因素导致不便对现场数据采集的问题。1.2 ZigBee 技术简介“ZigBee”一词来自蜜蜂。当蜜蜂发现食物时，会以跳 ZigZig 型舞的方式，通过翅膀的震动来向同伴告知所发现的花粉源的具体信息，比如花粉源的方位、距离、花粉多少等信息，以方便与同伴分享食物。通过观察蜜蜂这种觅食的方式，人们想到无线通信问题的解决方法。为了纪念蜜蜂给人们带来的思路，早期将这种技术命名为“紫蜂”。随着时代的发展，人们也把这种新型短程无线通信技术，命名为“ZigBee”。ZigBee 早期也曾被称过“HomeRF Life”、 “RF-EasyLink”或者“FireFly”无线通信技术，目前统一称之为“ZigBee 技术”。ZigBee 的核心是 和微控制器，他们都被 半多 信 道 无 线 通 信 装 置 集 成 在 一 两 块导体芯片上，封装如 的 里。使用 ZigBee 技术所实现的产同 小 指 甲 盖 大 小 塑 料 封 装品，一般采用较为廉价的 8 位微控制器，将无线射频发射模块集成在一块芯片上，外围接上几个电阻、电容和晶振等元器件，再接一些 A/D、D/A、I/O 接口及一些控制电路，这就组成了各种智能控制节点、无线网络传感器节点等的核心模块。在硬件电路的基础上还要加上必要的程序设计，这样才能构成完整的控制模块。ZigBee 是一种基于 IEEE 802.15.4 协议的开放的无线个人局域网（Wireless Personal Area Networks，WPAN）标准。IEEE 802.15.4 协议标准定义了网络的基础层，比如物理层（Physical Layer，PHY）和媒体接入控制层（Media Access Control Layer，MAC） ，而 ZigBee 则定义了更高的网络协议层，比如说网络层（Network Layer，NWK） 、应用层（ Application Layer，APL）等。ZigBee 课工作在2.4GHz（全球流行） 、868MHz （欧洲流行） 、915MHz （美国流行）3 个频段上，分别具有 250kbps、20kbps 和 40kbps 的传输速率，ZigBee 这三个频段的特点如图 1.1所示。ZigBee 技术主要用于近距离传输，传输距离在 1075m 内，如果需要增加距离，则需要增加发射频率。从 ZigBee 联盟和一些主流的厂商的推广介绍来看，ZigBee技术将在自能家居、智能交通、智能建筑、农业自动化方面得到广泛应用和长足发西安航空学院本科毕业设计（论文）3展。2 . 4 G H z频带I S M使用范围全世界数据传输速率 信道数欧洲I S M北美8 6 8 M H z9 1 5 M H z2 5 0 k b p s2 0 k b p s4 0 k b p s1 611 0图 1.1 ZigBee 三频段特点1.3 国内外研究现状世界各国都在建设无线通信网络，人们的生活和网络越来越密切。今后家居联网， “物”联网，使得 ZigBee 这样的低速的短程无线通信方式得到广泛应用。伴随着ZigBee 技术的发展，近年来许多企业还有组织纷纷涉足这个研究领域，前所未有的技术和功能越来越强大的产品络绎不绝的出现。新的产品会促使技术的发展，在这样一个无线通信技术飞速发展的时代，ZigBee 肯定会得到长足的发展。2000 年 12 月，美国电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers， IEEE）成立了 802.15.4 工作组，负责低速无线个域网（LR-WPAN）的物理层和 MAC 层协议的研究和制定。在 2003 年年初，802.15.4 工作组正式公布了无线通信标准协议 IEEE 802.15.4。2002 年 8 月，由英国的英维斯公司、日本的 Mitsubishi Electric 公司、美国的摩托罗拉公司还有荷兰飞利浦公司等共同发起并成立了 ZigBee 联盟。以 IEEE 802.15.4 中的 MAC 和 PHY 为基础，ZigBee 联盟不仅对 ZigBee 技术的 NWK 和更高的网络规范层进行了制定， 而且对进行网络设备的测试和市场的推广工作也进行了规范。这样做是为了实现家里各种由不同厂家生产的产品能够相互兼容，可以达到与同类产品抗衡的水平，以更快的在这一领域开拓市场。ZigBee 联盟于 2004 年底发布了 ZigBee 协议 1.0 版本规范，2006 年 11 月发布了 ZigBee 协议 11 版本规范，2007 年 10 月发布了 ZigBee Pro 版本规范，可以说 ZigBee2007 Pro 标准是一个真正的网状网络标准。2009 年 9 月，ZigBee 联盟宣布 RF 远程控制新的标准ZigBeeRF4CE 规范取代了远程控制领域的红外（Infra-Red，IR）还有射频（Radio Frequency，RF ）通信，并且 ZigBee 技术允许超视距数据传输，这一区别使得消费西安航空学院本科毕业设计（论文）4型电子（Consumer Electronics，CE）的超视距控制距离越来越远，设备的低功耗使得设备使用寿命延长。ZigBee 这一特点使得该技术可以广泛的用于各种设备，比如机顶盒、无线点灯等家用设备。2009 年 4 月，ARM 和 Ember 宣布 Ember 的下一代ZigBee 半导体将采用 ARMCortex-M3 处理器，为快速增长的 ZigBee 市场设置一个高性能和低功耗的新标准。2009 年五月份 ZigBee 联盟同欧洲智能计量产业集团（European Smart Metering Industry Group，ESMIG）一起为欧盟（European Union，EU）的无线智能化的计量产业技术定义了各种设备之间兼容的通信标准规范。ZigBee 技术进入中国国内时，其技术已经发展相对成熟。虽然 ZigBee 在国内起步较靠后，但是它如雨后春笋的快速发展，新的应用 ZigBee 技术的产品和新兴企业遍地开花。比如在 2007 年我国的华立仪表公司就和 Ember 开启了关于新型的基于 ZigBee 技术的集中抄表系统的创新项目进行了合作，并且这个项目在过后两年的时候得到了政府科技部门的认可。这个项目就是利用 Ember 公司所生产的 ZigBee芯片还有 IEEE 802.15.4 标准协议完成了无线数据协调器、无线数据采集终端还有其所用软件的设计，从而组成了这个新型的无线智能抄表系统，实现了远程无线抄表和管理功能。近年来将 ZigBee 技术与 GSM 网进行结合，实现无线定位数据采集功能，是今后的一个重要发展方向。由赫立讯科技公司开发的 ZigBee 无线定位技术，在我们日常的生活中已经得到了应用，比如应用在隧道工程安全领域，可以为工程人员提供更可靠的安全防护，防止事故发生提供了很大帮助。如今，国内多所知名高校和研究机构都开始了对 ZigBee 技术的研究，成立了相应的科研小组。在当今的中国无论是企业还是科研机构都在对 ZigBee 技术进行深入研究，使人们的生活更加的智能化，工厂生产的效率更高成本更低。随着对无线通信技术研究的不断深入，相信将来在医疗方面、家居方面、工业控制方面都会得到广泛应用，有更多的国产无线通信产品闯出国门，进入世界市场。1.4 基于 ZigBee 的数据采集系统的意义利用 ZigBee 技术进行数据采集，除了能够实现无线数据采集系统的优点外，还具有以下优点： （1） 低耗能：ZigBee 的发射功率为 1mW，按照一直保持在工作状态计算，西安航空学院本科毕业设计（论文）5一个 ZigBee 节点使用一节 5 号电池可以六个月时间，在休眠状态工作可以工作长达两年时间，这是其他无线设备没有办法超越的。（2） 低成本：由于他们的 ZigBee 协议时免除专利费的，使得 ZigBee 模块的基础成本为$ 6 左右。（3） 延时短