毕业设计（论文）-基于ZigBee协议的温室远程监控系统.doc

ki 毕业设计（论文）题 目 基于zigbee协议的温室远程监控系统 系 别 电子信息工程系 专 业 电子信息工程技术 班 级 电信091班 姓 名 学 号 指导教师（职称） 日 期 2012.02.24 兰州工业高等专科学校毕业设计（论文）任务书电子信息工程 系 12 届 电子信息工程技术 专业毕业设计（论文）题目基于zigbee的温室远程监控系统课题内容性质工程技术研究课题来源性质结合教师科研课题设计/论文校内（外）指导教师职 称工作单位及部门联系方式副教授电子信息工程系一、题目说明（目的和意义）利用zigbee、javaee技术及dbs设计并实现一个温室远程监测系统，使用本系统，可以实现温室环境监测。本设计题目主要利用zigbee和javaee实现基于mvc模式的应用开发。在设计与实现过程中将涉及jsp、javabean和servlet的使用技巧及常用的web服务器（tomcat）。通过本设计项目的学习，使学生学会如何分析、设计与实现基于嵌入式的应用系统, 利用zigbee网络实时采集温室环境数据，利用j2ee技术设计结构合理的web应用程序，搭建web应用服务器。通过本设计使学生掌握科技文献的检索、资料整理、科技论文撰写。二、设计（论文）要求（工作量、内容）要求学生能够使用某一种数据库管理系统；学习java ee的程序编写；学习应用zigbee技术实现组网、数据采集和传输，以及gprs的基本知识。此外参加设计的学生还应用做到：1每周主动和指导教师联系两次，定期汇报毕业设计进展、听取指导教师意见，并要求有书面报告材料。2撰写毕业论文（1万字）。3答辩前一周将毕业论文终稿和设计结果交指导教师审定。4毕业答辩，首先学生陈述1015分钟，然后接受答辩组成员的510分钟的提问。5每个学生必须独立完成毕业设计(论文)。6毕业设计(论文)书写规范、文字通顺、图表清晰、测试数据完整、结论明确。7毕业设计(论文)应有中英文摘要(150200字)。8毕业设计(论文)正文前附毕业设计(论文)任务书，后附参考文献。9毕业设计(论文)要求文字打印，统一格式，统一封面，装订成册（详见毕业设计撰写要求）。三、进度表日 期内 容第15周第16周第17周第18-19周第20周第1-2周（下学期）通过对市区周围的温室大棚的实际调研、参考和学习网上成功的各种“基于zigbee的信息管理系统”，借助书店、图书馆查阅相关资料，制定设计计划，进行需求分析, 以电子邮件形式提交分析报告。系统功能设计,系统总体架构设计,节点硬件设计，以电子邮件交指导老师。要求通过小组答辩方可进行下一阶段设计。节点软件设计、数据库设计, 并将所有数据表以电子邮件方式交指导老师。要求通过小组答辩方可进行下一阶段设计。根据系统需求，配置软件、硬件开发环境，编写程序代码。并以电子文档提交指导教师审定。对毕业设计进行总结，认真阅读毕业设计（论文）的书写要求，撰写毕业论文。将毕业论文以书面与电子文档两种形式，提交指导教师批阅。论文答辩，进一步完善毕业论文，提交终稿。完成日期第20周（本学期）答辩日期第1-2周（下学期） 四、主要参考文献、资料、设备和实习地点及翻译工作量（一）参考文献1 黄海平. 无线传感器网络技术及其应用. 人民邮电出版社，2011.4 2 王志良等编著.物联网工程导论. 北京航空航天大学出版社，2011.93 李文仲. pic单片机与zigbee无线网络实战. 清华大学出版社,2008.14 钟永锋. zigbee无线传感器网络. 北京邮电大学出版社, 2011.35 仵博等编著.2me无线开发实用教程.清华大学出版社，2006.8（二）设备和设计地点微机等，嵌入式实验室，教室。（三）翻译工作量英文摘要250单词以内，关键词58个词。指导教师签字教研室主任签字主管系领导签字年 月 日年 月 日年 月 日注：本任务书要求一式两份，一份系部留存，一份报教务处实践教学科。兰州工业高等专科学校毕业设计（论文） 摘 要摘 要zigbee，国内称之为“紫蜂”，与蓝牙、wifi相似，是一种新兴的廉价的低功耗近距离无线组网通信技术，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。目前，zigbee技术已经广泛应用于近距离传输的无线通信领域，尤其是在工农业控制、医疗卫生方面日益起着越来越重要的作用。本设计意在通过zigbee无线通信技术构建一个无线传感器网络（wsn），采用树型网络拓扑结构，对加入该网络的传感器节点进行温度、湿度、光照强度和二氧化碳浓度的数据进行采集和分析，将此应用于对农业里温室的环境检测和控制当中，避免了有线网络的布线问题和成本问题。本设计利用jsp、javabean及servlet技术设计了一个结构合理的web应用程序，搭建web服务器来动态显示传感终端所采集的温室数据。关键词：zigbee；cc2430；无线传感器网络；温度采集i兰州工业高等专科学校毕业设计（论文） 目 录abstractzigbee, known as the purple bee domestic, with bluetooth, wifi, network communication technology is an emerging low-cost low-power short-range wireless group, which is characterized by close, low-complexity, self-organizing, low-powerconsumption, low data rate, low cost. currently, zigbee technology has been widely used in close range transmission of wireless communications is increasingly playing an increasingly important role, especially in the agricultural and industrial control, medical protection. this design is intended to build a wireless sensor network (wsn), the adoption of zigbee wireless communication technology, the use of a tree network topology, sensor nodes join the network temperature, humidity, light intensity and carbon dioxide concentration of the data collection and analysis will this applied to the detection and control of the environment on agricultural greenhouse, to avoid the cable network cabling problems and cost issues. this design uses jsp, javabeans and servlet design a rational structure of the web application, set up a web server to dynamically display greenhouse data collected by the sensor terminal.key words: zigbee; cc2430; wireless sensor networks; temperature acquisitioiii兰州工业高等专科学校毕业设计（论文） 目 录目 录1. 绪 论11.1课题研究的背景11.2课题研究的目的和意义21.3国内外研究概况31.4论文的主要研究内容及论文安排32. 系统技术概述42.1 zigbee概述42.2 zigbee网络基础52.2.1网络节点类型62.2.2网络拓扑形式62.2.3工作模式72.3无线传感器网络概述72.4 cc2430芯片82.4.1 cc2430概述82.4.2 cc2430芯片的主要特点103. 系统设计113.1系统整体结构113.2系统硬件设计123.3系统软件设计163.3.1网关软件设计173.3.2传感器终端软件设计184. 系统测试194.1系统测试步骤194.2系统测试结果194.2.1 系统的硬件测试194.2.2 协议栈的测试194.2.3 上位机的测试194.3系统测试结果分析195. 设计总结206. 致 谢217. 参考文献22兰州工业高等专科学校毕业设计（论文） 绪 论1. 绪 论1.1课题研究的背景信息技术发展日新月异，传统的有线通信方式因为其成本高、布线复杂，已经不能完全满足人们的应用需求了。由此，无线通信技术应运而生。无线网络技术按照传输范围来划分，可分为无线广域网、无线城域网、无线局域网和无线个人域网。无线个人域网即短距离无线网络，典型的短距离无线传输技术有：蓝牙（bluetooth）、zigbee、wifi等。在工业控制、家庭自动化和遥测遥感领域，蓝牙（bluetooth）虽然成本较低，成熟度高，但是传输距离有限，仅为10米，可以参与组网的节点少。wifi虽然传输速度较快，传输距离达到100米，但是其价格偏高，功耗较大，组网能力较差。相比之下zigbee技术则主要针对低成本、低功耗和低速率的无线通信市场，具有如下特点：成本低：zigbee模块的初始成本低，并且zigbee协议是免专利费的，采用直接序列扩频在工业科学医疗(ism)频段，2.4ghz(全球)、915mhz(美国)和868mhz(欧洲)，免执照频段。低功耗：由于zigbee的传输速率较低，传输数据量较小，并且采用了休眠模式，因此zigbee设备功耗很低，仅靠两节5号电池就可以维持长时间使用。低速率:zigbee工作在20250 kbps的较低速率，分别提供250 kbps(2.4ghz)、40kbps (915 mhz)和20kbps(868 mhz) 的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。时延短：zigbee的响应速度较快，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，一般从休眠转入工作状态只需要15ms，典型的搜索设备时延为30ms，活动设备信道接入的时延为15ms。网络容量大：zigbee 可采用星型、树型和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254 个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000 个节点的大网。可靠度高：为了避免发送数据的竞争和冲突，采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙。mac层采用完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，如果传输过程中出现问题可以进行重发；安全：zigbee 提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单(acl) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(aes 128) 的对称密码,以灵活确定其安全属性。传输距离远：传输范围一般介于10100 m 之间，在增加rf 发射功率后,亦可增加到13 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。由于zigbee技术具有上述特点，因而广泛应用在短距离低速率电子设备之间的数据传输。zigbee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。1.2课题研究的目的和意义zigbee技术具有低成本、低功耗、近距离、短时延、高容量、高安全及免执照频段等优势，广泛应用于智能家庭、工业控制、自动抄表、医疗监护、传感器网络应用和电信应用等领域。智能家庭：现今家用电器已经随处可见了，如何将这些电器和电子设备联系起来，组成一个网络，甚至可以通过网关连接到internet，使得用户可以方便地在任何地方监控自己家里的情况。zigbee技术提供了家庭智能化的技术支持，在zigbee技术的支持下，家用电器可以组成一个无线局域网，省却了在家里布线的烦恼。工业控制：工厂环境当中有大量的传感器和控制器，可以利用zigbee技术把它们连接成一个网络进行监控，加强作业管理，降低成本。自动抄表：现在在大多数地方还是使用人工的方式来逐家逐户进行抄表，十分不方便。而zigbee可以用于这个领域，利用传感器把表的读数转化为数字信号，通过zigbee网络把读数直接发送到提供煤气或水电的公司。使用zigbee进行抄表还可以带来其它好处，比如煤气或水电公司可以直接把一些信息发送给用户，或者和节能相结合，当发现能源使用过快的时候可以自动降低使用速度。医疗监护：医疗工作中，时常要获得病人的生理指标、环境指标，可以通过放置传感器构成传感器网络，实时监测这些数据。由于是无线技术，传感器之间不需要有线连接，被监护的人也可以比较自由的行动，非常方便。传感器网络应用：传感器网络也是最近的一个研究热点，像货物跟踪、建筑物监测、环境保护等方面都有很好的应用前景。传感器网络要求节点低成本、低功耗，并且能够自动组网、易于维护、可靠性高。zigbee在组网和低功耗方面的优势使得它成为传感器网络应用的一个很好的技术选择。此外，zigbee技术也可以应用到汽车电子、农业生产和军事领域中。随着物联网技术的日渐兴起，zigbee技术将会扮演更为重要的角色。但是，物联网的全面普及将是一个十分漫长的过程，至少目前还在探索和实验阶段，距离实用还有很长的路要走。虽然前景一片大好，但是我们应该清楚认识到由于各方面的制约，zigbee技术的大规模商业应用还有待时日，基于zigbee技术的无线网络应用还远远说不上成熟，主要表现在：zigbee市场仍处于起步探索阶段，终端产品和应用大多处于研发阶段，真正上市的少，且以家庭自动化为主；潜在应用多，但具有很大出货量的典型应用少，市场缺乏明确方向；使用点对多点星状拓扑的应用较多，体现zigbee优势的网状网络应用少；基于ieee 802.15.4底层协议的应用多，而基于zigbee标准协议的应用少。1.3国内外研究概况zigbee作为一种新兴的国际标准短距离无线通信协议，其协议栈体系结构是基于标准七层开放式系统互联参考模型(osi)， ieee 802.15.4-2003标准定义了下面的两层：物理层和媒体接入控制子层；网络层、应用会聚层、应用层由zigbee联盟制订。2002年,zigbee联盟创立，创始者包括ic供应商、无线ip提供商、设备制造商、测试设备制造商和最终产品制造商等，这些企业能提供适应zigbee的产品和解决方案。zigbee联盟于2004年底发布了zigbee协议10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。zigbee联盟的主要目标是以通过加入无线网络功能，为消费者提供更富有弹性、更容易使用的电子产品。zigbee技术能融入各类电子产品，应用范围横跨全球的民用、商用、公共事业以及工业等市场。使得联盟会员可以利用zigbee这个标准化无线网络平台，设计出简单、可靠、便宜又节省电力的各种产品来。 飞思卡尔推出了全球首个符合zigbee标准的平台，使得制造商能够将zigbee技术应用于传感和监控领域。截止至2005年4月，已有texas instruments(收购chipcon)、freeseale、compxs、ember等四家公司通过了zigbee联盟对其产品所作的测试和兼容性验证。目前市场上rf主流芯片的供应商包括ti、ember、freescale以及jennic，他们分别推出单芯片解决方案cc2430cc2431、em250、mcl321x以及jn5121，在市场上极具竞争力。主流的商用zigbee的协议栈为figure8 wireless提供的f8w z-stack。1.4论文的主要研究内容及论文安排本文主要研究利用zigbee技术和无线传感网络技术来设计一个温室远程环境监测系统，对温室大棚内的温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度及ph值的监测，从而达到温室智能化的管理。本文的安排如下：第1章绪论简单介绍设计的背景、目的和意义，以及国内外研究的概况和本设计的论文安排。第2章阐述了zigbee协议及其网络基础、工作模式，另外还简单介绍了cc2430芯片和其主要特点。第3章介绍了系统的开发环境，软硬件的功能和配置。第4章介绍了该系统的测试和调试过程。第5章简单写明了在设计过程中的个人心得和碰到问题的总结。第6章致谢于在本次设计工作中指导老师和各位组员的支持和帮助。第7章简单写明本次设计中用到的参考资料。22兰州工业高等专科学校毕业设计（论文） 系统技术概述2. 系统技术概述2.1 zigbee概述zigbee一词来源于蜜蜂赖以生存的通信方式zigzag形状的舞蹈，是一种低成本、低功耗的近距离无线组网通信技术。2000年，ieee 802.15工作组成立的任务组tg4（task group，tg）制定了ieee 802.15.4标准。该标准以低能耗、低速率传输、低成本为重点目标，为设备之间的低速无线互连提供了统一标准，就是zigbee无线通信技术。zigbee协议是基于ieee 802.15.4标准的，由ieee 802.15.4和zigbee联盟共同制定。ieee 802.15.4工作组制定zigbee协议的物理层（phy）和媒体访问控制层（ mac层）协议。zigbee联盟成立用于2002年，定义了zigbee协议的网络层（nwk）、应用层（apl）和安全服务规范。协议栈结构如图2-1。zigbee协议由物理层(phy)、介质访问控制子层(mac)、网络层(nwk)，应用层(apl)及安全服务提供层(ssp)五块内容组成。其中phy层和mac层标准由ieee 802.15.4标准定义，mac层之上的nwk层，apl层及ssp层，由zigbee联盟的zigbee标准定义。apl层由应用支持层(aps)，应用框架(af)以及zigbee设备对象(zdo)及zdo管理平台组成。应用层（含应用接口层）用户安全层zigbee联盟网络层mac层ieee 802.15.4物理层 图2-1 zigbee协议栈结构phy层定义了无线射频应该具备的特征，提供了868mhz-868.6mhz、902mhz-928mhz和2400mhz-24835mhz三种不同的频段，分别支持20kbps、40kbps和250kbps的传输速率，1个、10个以及16个不同的信道。zigbee的传输距离与输出功率和环境参数有关，一般为10100米之间。phy层提供两种服务：phy层数据服务和phy层管理服务，phy层数据服务是通过无线信道发送和接收物理层协议数据单元(ppdu)，phy层的特性是激活和关闭无线收发器、能量检测、链路质量指示、空闲信道评估、通过物理媒介接收和发送分组数据。mac层使用csma-ca冲突避免机制对无线信道访问进行控制，负责物理相邻设备问的可靠链接，支持关联(association)和退出关联(disassociation)以及mac层安全。mac层提供两种服务：mac层数据服务和mac层管理服务，mac层数据服务通过物理层数据服务发送和接收mac层协议数据单元(mpdu)。mac层的主要功能是：进行信标管理、信道接入、保证时隙(gts)管理、帧确认应答帧传送、连接和断开连接。nwk层提供网络节点地址分配，组网管理，消息路由，路径发现及维护等功能。nwk层主要是为了确保正确地操作ieee 802.15.42003mac子层和为应用层提供服务接口。nwk层从概念上包括两个服务实体：数据服务实体和管理服务实体。nwk层的责任主要包括加入和离开一个网络用到的机制、应用帧安全机制和他们的目的地路由帧机制，zigbee协调器的网络层还负责建立一个新的网络。zigbee应用层包括应用支持子层(aps子层)、应用框架(af)和zigbee设备对象(zdo)。aps子层负责建立和维护绑定表，绑定表主要根据设备之间的服务和他们的需求使设备相互配对。zigbee的应用框架(af)为各个用户自定义的应用对象提供了模板式的活动空间，并提供了键值对(kvp)服务和报文(msg)服务供应用对象的数据传输使用。一个设备允许最多240个用户自定义应用对象，分别指定在端点l至端点240上。zdo可以看成是指配到端点o上的一个特殊的应用对象，被所有zigbee设备包含，是所有用户自定义的应用对象调用的一个功能集，包括网络角色管理，绑定管理，安全管理等。zdo负责定义设备在网络中的角色(例如是zigbee协调器或者zigbee终端设备)、发现设备和决定他们提供哪种应用服务，发现或响应绑定请求，在网络设备之间建立可靠的关联。安全服务提供者ssp(security service provider)向nwk层和aps层提供安全服务。zigbee协议层与层之间是通过原语进行信息的交换和应答的。大多数层都向上层提供数据和管理两种服务接口，数据sap(service access point)和管理sap(service access point)。数据服务接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务，管理服务接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制。2.2 zigbee网络基础zigbee网络基础主要包括设备类型，拓扑结构和路由方式三方面的内容，zigbee标准规定的网络节点分为协调器（coordinator）、路由器(router)和终端节点（end device）。节点类型是网络层的概念，反映了网络的拓扑形式。zigbee网络具有三种拓扑形式：星型拓扑、树型拓扑、网状拓扑。2.2.1网络节点类型(1) 协调器（coordinator）在各种拓扑形式的zigbee网络中，有且只有一个协调器节点，它负责选择网络所使用的频率通道、建立网络并将其他节点加入网络、提供信息路由、安全管理和其他服务。(2) 路由器（router）当采用树型和网状拓扑结构时，需要用到路由器节点，它也可以加入协调器，是网络远距离延伸的必要部件。它负责发送和接受节点自身信息；节点之间转发信息；允许子节点通过它加入网络。(3) 终端节点终端节点的主要任务就是发送和接收信息，通常一个终端节点不处在数据收发状态时可进入休眠状态以降低能耗。2.2.2网络拓扑形式(1) 星型拓扑星型拓扑是最简单的拓扑形式，如图2-2。图中包含一个协调器节点和一些终端节点。每一个终端节点只能和协调器节点进行通讯，在两个终端节点之间进行通讯必须通过协调器节点进行转发，其缺点是节点之间的数据路由只有唯一路径。图2-2 星形拓扑结构(2)树型拓扑树型拓扑结构如图2-3。协调器可以连接路由器节点和终端节点，子节点的路由器节点也可以连接路由器节点和终端节点。直接通信只可以在父节点和子节点之间进行，非父子关系的节点只能间接通信。图2-3 树状拓扑结构(3)网状拓扑网状拓扑如图2-4。网状拓扑具有灵活路由选择方式，如果某个路由路径出现问题，信息可自动沿其他路径进行传输。任意两个节点可相互传输数据，网络会自动按照zigbee协议算法选择最优化路径，以使网络更稳定，通讯更有效率。图2-4 网状拓扑结构2.2.3工作模式zigbee网络的工作模式可以分为信标(beacon)模式和非信标(non-beacon)模式两种。信标模式可以实现网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度地节省功耗，而非信标模式只允许ze进行周期性休眠，协调器和所有路由器设备长期处于工作状态。在信标模式下，协调器负责以一定的间隔时间(一般在15ms-4mins之间)向网络广播信标帧，两个信标帧发送间隔之间有16个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两个部分，消息只能在网络活动区的各个时槽内发送。非信标模式下，zigbee标准采用父节点为子节点缓存数据，终端节点主动向其父节点提取数据的机制，实现终端节点的周期性(周期可设置)休眠。网络中所有的父节点需要为自己的子节点缓存数据帧，所有子节点的大多数时间都处于休眠状态，周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，并向父节点提取数据，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15ms。2.3无线传感器网络概述无线传感器网络就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，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。无线传感器网络（wireless sensor network）简称wsn，是一种由大量小型传感器所组成的网络。这些小型传感器一般称作sensor node（传感器节点）或者mote（灰尘）。此种网络中一般也有一个或几个基站(称作sink)用来集中从小型传感器收集的数据。wsn具有以下特点：1）硬件资源有限。wsn节点采用嵌入式处理器和存储器，计算能力和存储能力十分有限。所以，需要解决如何在有限计算能力的条件下进行协作分布式信息处理的难题。2）电源容量有限。wsn节点通过自身携带的电他来提供电源，当电池的能量耗尽，往往被废弃，甚至造成网络的中断。所以，任何wsn技术和协议的研究都要以节能为前提。3）无中心。wsn没有严格的控制中心，所有节点地位平等，是一个对等式网络。节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。4）自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。5）多跳（multi-hop）路由。wsn节点通信能力有限，覆盖范围只有几十到几百米，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行信，则需要通过中间节点进行路由。wsn中的多跳路由是由普通网络节点完成的。6）动态拓扑。wsn是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；也可能由于工作的需要而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。7）节点数量众多，分布密集。wsn节点数量大、分布范围广，难于维护甚至不可维护。所以，需要解决如何提高传感器网络的软、硬件健壮性和容错性。2.4 cc2430芯片2.4.1 cc2430概述cc2430是一颗真正的系统芯片(soc)cmos解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以zigbee为基础的2.4ghz ism波段应用，及对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4ghz dsss(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。 cc2430的尺寸只有77mm 48-pin的封装，采用具有内嵌闪存的0.18微米 cmos标准技术。这可实现数字基带处理器，rf、模拟电路及系统存储器 整合在同一个硅晶片上。图2-5 cc2430引脚排列图cc2430包含一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核，运行时钟32mhz。 cc2430包含一个dma控制器。8k字节静态ram，其中的4k字节是超低功耗sram。32k，64k或128k字节的片内flash块提供在电路可编程非易失性存储器。 cc2430集成了4个振荡器用于系统时钟和定时操作：一个32mhz晶体振荡器，一个16mhz rc-振荡器，一个可选的32.768khz晶体振荡器和一个可选的32.768khz rc 振荡器。 cc2430也集成了用于用户自定义应用的外设。一个aes协处理器被集成在cc2430之中，用来支持ieee 802.15.4 mac 安全所需的（128位关键字）aes的运行，以尽可能少的占用微控制器。 中断控制器为总共18个中断源提供服务，他们中的每个中断都被赋予4个中断优先级中的某一个。调试接口采用两线串行接口，该接口被用于在电路调试和外部flash编程。i/o控制器的职责是21个一般i/o口的灵活分配和可靠控制。cc2430包括四个定时器：一个16位mac定时器，用以为ieee 802.15.4的csma-ca算法提供定时以及为ieee 802.15.4的mac层提供定时。一个一般的16位和两个8位定时器，支持典型的定时/计数功能，例如，输入捕捉、比较输出和pwm功能。 cc2430内集成的其他外设有: 实时时钟；上电复位；8通道，814位adc；可编程看门狗；两个可编程usart，用于主/从spi或uart操作。 为了更好的处理网络和应用操作的带宽，cc2430集成了大多数对定时要求严格的一系列ieee 802.15.4 mac协议，以减轻微控制器的负担。这包括：自动前导帧发生器、同步字插入/检测、crc-16校验、cca、信号强度检测/数字rssi、连接品质指示(lqi) 和csma/ca协处理器。 图2-6 cc2430芯片引脚示意图2.4.2 cc2430芯片的主要特点cc2430 芯片延用了以往cc2420 芯片的架构，在单个芯片上整合了zigbee 射频(rf) 前端、内存和微控制器。它使用1个8位mcu（8051），具有128 kb 可编程闪存和8 kb 的ram，还包含模拟数字转换器(adc)、几个定时器（timer）、aes128 协同处理器、看门狗定时器（watchdog timer）、32 khz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(power on reset)、掉电检测电路(brown out detection)，以及21个可编程i/o 引脚。 cc2430 芯片采用0.18m cmos 工艺生产,在接收和发射模式下，电流损耗分别低 于27ma 或25ma。cc2430 的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。 兰州工业高等专科学校毕业设计（论文） 系统设计3. 系统设计3.1系统整体结构温室监控系统的结构示意图如图3-1所示。系统由无线传感节点、嵌入式网关、人机交互界面3个部分组成。无线传感节点通过连接传感器来获得相应的环境参数，并将数据发送至网关节点。嵌入式网关承担网络管理的功能，主要负责组建zigbee无线网络并将传感节点传回的数据上传至以太网中。人机交互界面的作用是将这些数据实时地显示在网页上，也可以通过网页进行远程控制。图3-1温室监控系统结构示意图无线局域网中的各传感器节点采集温度、湿度、co2浓度等环境信息，经网关处理后，监控终端计算机通过ie浏览器即可访问这些数据，从而实现远程监控环境信息。 本系统由三类节点组成：zigbee协调器节点、路由器节点、传感器节点。图3-2所示是其组成示意图，其中zigbee协调器是分布式处理中心，即汇聚节点。多个传感器节点置于不同的监测区域，每个传感器节点会先把数据传给汇聚节点，然后汇聚节点把数据通过串口传给上位机做进一步处理并显示给用户。协调器节点可以与多个传感器节点通信，这样可以使本系统同时监测多个区域，何时检测哪个区域通常由用户通过协调器节点来控制。当被检测区域的障碍物较多或者协调器节点距离传感器节点较远时，可以通过增加路由器节点来增强网络的稳定性。当用户没有数据请求时，传感器节点只进行低功耗的信道扫描。 图3-2 基于zigbee的温室监控系统网络结构示意图3.2系统硬件设计zigbee节点硬件结构如图3所示，主要由cc2430射频芯片和传感器构成。uart接口jtag调试接口 cc2430 rf sarm flash 传感器传感器传感器3v电源传感器节点控制模块天线图3-3 zigbee节点硬件结构cc2430芯片整合了高性能2.4 ghz dsss（直接序列扩频）射频收发器内核和工业标准的增强型8051 mcu，还包括了8 kb的sdram、128 kb的flash，是一种片上系统（soc）解决方案。将相应的传感器与cc2430的io引脚连接，可测得所需的温室环境参数，并通过zigbee无线网络进行传输。本系统在每个zigbee节点上分别连接温度传感器、湿度传感器和co2传感器来监测不同节点处相应的环境信息。(1) 协调器节点的硬件设计zigbee协调器节点硬件设计如图3-4所示，该节点由无线收发器cc2430、射频天线rf、电源模块、晶振电路和串口电路组成。rf的输入输出是高阻和差动的。当使用不平衡天线(例如单极天线)时，为了优化性能，应当使用不平衡变压器。不平衡变压器可以运行在使用低成本的单独电感器和电容器的场合。电源模块用于cc2430的数字i/o和部分模拟i/o的供电，供电电压为2036 v。cc2430可以同时接32 mhz和32768khz的两种频率的晶振电路，以满足不同的要求。串口电路用于cc2430将接收到的数据传送给上位机，由于上位机与cc2430的电平不一致，所以需要一个max232电平转换电路。 天 线 uart max232rf-p pf-n rxd txd cc2430电源模块 2.03.6 晶振 32mhz32.768khz图3-4 协调器节点结构 图3-5是协调器的程序流程图。在设备初始化完毕后，协调器新建无线网络。如果新建网络成功，允许协调器设定为绑定。此时，协调器检测是否有节点要求加入网络，如果接收到节点的加入请求，协调器会记录下节点的地址，并建立绑定，同时向节点发出传送数据请求，得到节点的确认后，协调器开始接收数据，最后通过rs-232串口发送给上位机。否否上电复位初始化硬件建网成功是允许绑定发现设备建立绑定接收数据?是将数据发到串口，发给pc机图3-5 协调器的流程图（2）传感器节点硬件设计传感器节点是由无线收发器cc2430、射频天线rf、电源模块、晶振电路和串口电路组成。由于cc2430芯片本身带有温度传感器，因而本实验直接采用了cc2430的内置温度传感器监测温度。但是该温度传感器的精度有限，如果要求更高的精度，可以扩展出一个温度传感器，如ds18b20。如图3-6是传感器节点的结构示意图。晶振32mhz32.768khz天 线rf-ppf-nrxdtxdcc2430电源模块2.03.6图3-6 传感器节点结构示意图传感器终端设备由rf收发模块、传感器模块和执行器驱动模块组成。其中执行器驱动模块主要是由继电器电路组成，而传感器模块由数字温度传感器ds18b20、数字湿度传感器sht21、微型数字二氧化碳传感器s-100及tsl230b光照强度频率传感芯片组成，而rf收发模块使用的是ti公司提供的cc2430无线收发模块，具体电路原理如图3-7所示。 图3-7 基于cc2430芯片rf收发模块电路图下面对每个部分的功能和指标进行详细介绍：(1)信息收集终端：即协调器，放置于监控室， 完成网络的建立与维护，和节点之间绑定的建立，实现数据的汇总，然后以有线的方式传送到上位机软件，进行进一步数据处理。本设计采用rs-232串口将采集到的数据发送到上位机。(2)温度采集终端：即节点，放置在需要采集温度的地方。温度采集终端可以实现网络的加入、与协调器绑定的建立、温度的检测。检测到的温度通过zigbee无线网络发送到协调器。(3)上位机：位于监控室，完成对所采集温度的汇总与显示。采集到的数据实时保存到文档中，同时以折线图的形式实时反映出温度的变化趋势，使其更为直观。显示的折线图可以在不同节点之间切换。3.3系统软件设计 本设计基于嵌入式linux操作系统，通过编写dm9000a网卡驱动和uart异步串口驱动实现以太网与zigbee网络的互联。网关的分层结构如图3-8所示。在tcpip协议和zigbee协议上分别开发web、cgi程序以及无线收发程序。web、cgi程序用于人机交互界面，无线收发程序用来实现zigbee网络的通信。嵌入式boa服务器web、cgi程序无线收发程序tcp/ip协议zigbee协议嵌入式linux系统dm9000a驱动uart驱动图3-8 网关的分层结构 cgi（common gateway interface）规定web服务器调用其他程序的接口协议标准，提供给web服务器一个执行外部程序的通道。这种服务端技术使得浏览器和服务器之间具有交互性。cgi程序属于一个外部程序，编译成可执行文件后，可以在服务端运行。通过调用cgi程序可实现web服务器与web浏览器的交互，cgi程序接收web浏览器发送给web服务器的控制命令，并进行处理，再将响应结果回送给web服务器及web浏览器。由于boa服务器搭建在linux系统之上，因此需要将嵌入式linux系统移植到s3c2440芯片上。linux内核是嵌入式操作系统的核心，内核移植包括内核配置、内核编译、内核下载3个部分。嵌入式设备主要用nand flash作为存储器，nand flash容量有限，因此在配置内核时需要裁减一些不需要的功能以减小内核的体积。由于要将编译好的linux内核映像和文件系统映像烧写到nand flash中，因此设置nand flash分区。本项目采用256 mb的nand flash，将其分为3个区：0区为bootloader分区，1区为内核分区，2区为根文件系统分区。内核配置完成后执行make zimage命令生成linux内核映像文件，然后将内核映像文件下载至nand flash的内核分区上。根文件系统是嵌入式linux系统启动的重要组成部分，也是用户应用程序的载体。本方案采用busybox制作yaffs2文件系统，并在文件系统中加入boa服务器。boa是一款单任务的http服务器，当有连接请求到来时，通过建立http请求列表来处理多路http连接请求，同时它为cgi程序创建新的进程。移植好boa服务器后，在文件系统中建立varwwwcgi-bin文件夹，此文件夹用于存放静态网页和cgi程序。3.3.1网关软件设计网关软件程序流程如图3-9所示。s3c2440通过io端口触发cc2430，使其无线发送相应的指令，远程控制传感器节点进行数据采集。采集到的数据通过uart串口传回s3c2440并上传至嵌入式boa服务器。用户通过ie浏览器就可以实时采集到相应的环境信息。cc2430初始化s3c240初始化cc2430初始化开 始开 始开 始建立zigbee网络等待浏览器发出命令加入zigbee网络通过i/o触发cc2430芯片并发送相应指令等待i/o触发相应指令等待接受无线发送的相应指令等待cc2430芯片传回数据将数据上传至服务器数据在浏览器上显示向传感器节点无线发送相应指令有数据传回？通过串口发送至s3c2440执行相应传感器数据采集程序无线发送采集到得数据ny图3-9 网关软件程序流程图传感节点采集到的数据最终将上传至嵌入式boa服务器上，用户可通过ie浏览器访问服务器ip地址来监测温室的环境信息，监测网页如图3-10所示。图3-10 监测网页3.3.2传感器终端软件设计 在本系统网络中，每个终端设备都具有一个固定地址，且该地址对应温室大棚中不同的区域。该设备负责将本区域内所测得的原始数据发送至中央控制设备，并在接受