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毕业设计论文 基于ZigBee技术的分布式传感器设计Design of ZigBee Technology-Based Distributed Sensor 李鹏程吉林建筑大学城建学院2016年6月毕业设计论文基于ZigBee技术的分布式传感器设计Design of ZigBee Technology-Based Distributed Sensor学 生： 李鹏程 指 导 教 师： 衣文索(副教授）专 业： 电气工程及其自动化学 号： 1209000222所 在 单 位： 电气信息工程系答 辩 日 期： 2016年6月毕业设计（论文）原创承诺书1本人承诺：所呈交的毕业设计（论文）基于ZigBee技术的分布式传感器设计，是认真学习理解学校的电气信息工程系毕业设计写作规范后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。3在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！ 作 者 签 名： 年 月 日目 录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 课题的背景与来源11.2 国内外研究现状11.2.1 国外研究现状11.2.2 国内研究现状21.3 课题研究的意义31.4 ZigBee的概述31.5 无线传感网络发展的趋势4第2章 总体方案设计52.1 拓扑结构的设计52.2 系统总体框架72.3 无线传感网络节点设计72.4 系统设计芯片的选择82.5 总体方案介绍8第3章 系统硬件设计103.1 控制模块设计103.1.1 CC2340芯片介绍103.1.2 CC2340芯片外围电路设计123.2 采集模块设计133.2.1 SHT11的介绍133.2.2 SHT11的内部结构153.3 显示模块设计163.5.1 LCD1602液晶显示的介绍163.5.2 LCD1602液晶显示电路设计173.4 上位机与协调器接口18第4章 系统软件设计204.1 温湿度采集程序214.2 温湿度接收程序22第5章 系统功能调试和测试结果245.1 硬件调试245.2 软件调试245.3 测试结果25结论26参考文献27致谢28附录1附录2摘要本文设计一种基于ZigBee技术分布式传感器设计。用基于ZigBee网络的无线方式测量温湿度，通过节点收集温度和湿度数据，通过串口通信线路连接主要节点和前端电脑。然后由电脑存储数据到数据库，需要进行统一管理。论文开始就进行了ZigBee技术的简要介绍，然后对于无线传感器网络国内外研究状况进行了阐述，对于ZigBee技术优点进行了总结。接着对于本系统的软件、硬件相关设计进行了介绍。首先对于温湿度传感器模块进行了简要介绍，同时对于数据汇聚模块的组成进行了重点阐释，然后对于上位机的监控页面以及传感器模块、数据汇聚模块进行了设计，从而组建了一个网络，然后进行网络分配，然后将温湿度传感器模块加入到网络当中，对于数据进行采集、存储、上传、通信、处理等功能。关键词：无线；数据采集；节点；ZigBeeABSTRACTIn this paper, a design based on ZigBee technology in distributed sensor design. Based on ZigBee network wireless temperature and humidity measurement, through the node to collect data of temperature and humidity, is connected with the main node and the front of the computer through the serial communication line. Then by computer data storage to the database and need for unified management. At the beginning of the thesis, the ZigBee technology is briefly described and for wireless sensor network research status at home and abroad are described, the advantages of ZigBee technology are summarized. Then for the software of the system and hardware design are introduced in this paper. Firstly, the temperature and humidity sensor Module were briefly introduced, also for data gathering module consisting of the focus of interpretation and for the PC monitoring pages and sensor module, data aggregation module design, to create a network, and network distribution, and the temperature and humidity sensor module is added to the network, for data acquisition, storage, upload, communication, processing and other functions.Keywords: Wireless；Data Acquisition；Node；ZigBee吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 课题的背景与来源 近年来,随着社会经济的飞速提高,人们对可以无时无刻的提供信息服务的移动计算和宽带无线通信的需求愈来愈强烈,使得IT产业的迅速发展、网络的迅速推广、家电的智能化以及单片机强大的功能,促使“无线”慢慢来到我们的身边,走入我们的衣食住行。接着微机电系统、片上系统、无线通信和低功耗嵌入式技术的快速发展,产生出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN),并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特性带来了信息感知的一场改革。而ZigBee技术就是一种具有代表性的近距离无线通信标准。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状ZigBee这是近些年来流行起来的一种无线通信协议，本协议的最大特点就是在标准七层的基础上，然后对于开放式系统互联参考模型，使用了IEEE 802.15.4-2003标准，定义了一下两层，一个是物理层，另外一个是媒体接入控制子层；同时根据ZigBee联盟来进行制定相关结构，比如网络层、应用会聚层以及应用层1。早在2002年ZigBee联盟就正式成立，这其中包括了IC、无线IP以及设备、测试等产品供应商，同时还包括终端销售商，这些企业联合起来提供了ZigBee产品的解决方案。 在2004年底ZigBee联盟宣布了ZigBee协议1.0版本规定，在2006年11月宣布了ZigBee协议11版本规定，在2007年10月宣布了ZigBee Pro版本规定。 其实最主要的是ZigBee联盟的目标是让无线网络功能，为使用者创造更更加富有弹性电子产品，通过使用ZigBee技术，从而产生了各种各样的电子产品，现在已经广泛应用到各个场所，比如各种自动化设备、家用设备等，由于ZigBee这个技术平台，使得开发者能够开发出更加便利、简单、可靠的产品。 后来由飞思卡尔发布了全球第一个符合ZigBee标准的平台，让制造商可以将ZigBee技术使用于传感和监控领域。到2005年4月有Texas Instruments(收购Chipcon)、Freeseale、CompXs、Ember等四家公司通过了ZigBee联盟对他们的产品，所检测的测试和兼容性进行了验证。在现在的市场上RF主流芯片的供应商有TI、EMBER、FREESCALE和JENNIC，他们分别提出单芯片解决方案CC2430CC2431、EM250、MCl321x和JN5121，在市场上具有非常大的竞争力。商家通过ZigBee的协议栈为Figure8 wireless提供的F8w Z-Stack。1.2.1 国内研究现状 与国外相比，国内对于ZigBee技术的研究就相对较晚。国内的ZigBee技术的市场是由国内国外一起占领的。因为起步较晩，所以现在国内还没有自主研制出比较成熟的ZigBee产品，只有一些简单的研究，以及一些文章出现在期刊文文献上。但是因为目前无线技术大趋势的发展，所以国内许多高校以及研究机构开始了对于无线传感技术的研究和应用。中科院计算机目前就在从事无线技术的研究，更加侧重对予无线网络化的智能感器的研究，其计算机已经自发的研究出了低功耗的CPU以及多点网络动态组网拓扑协议。还有国内的一些高校，比如山东大学、浙江大学等也在从事对于ZigBee的研究，这些高校通过利用国外厂商的平台，创建出了ZigBee网络，并将自己的研究成果应用在智能家居以及物流管理方面上。所以我们可以期待，随者我国对于无线技术研究的深入，以后将会有更多的我国自主研发的ZigBee产品。目前在因内zigBee技术的应用也十分广泛，许多地方部在运用ZigBee技术来完成一些人工难以完成的事惜。比如在工业领域，可以运用ZigBee技术控制工地上探照灯的开关，还可以检査在道路桥梁上照明灯的照明情况。ZigBee技术还可以运用在停车场或者道路监控方面，可以记录车辆进出的情况，还可以在有关人员的进出时用指纹识别来进行身份认证。另外通过ZigBee的网络路由功能可以对煤矿各个地方的空全状况进行监视，预防发生事故。从ZigBee技术发展至今，这个技术逐渐应用在家庭智能方面。ZigBee技术可以应用在防盗方面，当在家中安装ZigBee网络，如果有人闯入住宅就可以通过网络或者无线网把一些信息反馈给主人，并且进行报警。ZigBee技术还可以应用在智能家居方面，比如家庭的热水器、空调,安装ZigBee相关模块之后.相关用户就可以运用无线网络去控制这些产品的开启或关闭。ZigBee在智能建筑方面可以控制各种灯光，气体的检测等。 随着对于无线网络技术的深入研究，无线网络技术目前已经越发的成长起来了，无线测温系统的研究与发展不管在国内还是在国外都得到了一定的研究成果。国内开放以及生产无线温度来集系统一般都由温度传感器、无线传输模式以及监控平台所构成，各个部件之间则采用无线的方式来进行数掘的传输，所以总体的结构模式是基本相同的。不过在网络拓扑、选取元器件、采用通讯协议以及软件程序算法上则存在着不同之处。ZigBee技术所开发的相关产品的光反应用在家庭或者各个领域还需要一些时间。因为中国的无线网络市场还没有真正的成熟，相关产业商家的生产也很有限，作为一种新兴的无线通信技术，相信ZigBee产品会通过各式各样的方法逐渐的走进我们的生活并且成为我们生活、工作非常重要的一部分！1.3 课题研究的意义 本设计题目为基于ZigBee技术的分布式传感器设计，设计一种基于Zigbee模块为基础的无线传感器检测系统。课题研究的目的为了解ZigBee网络的工作原理的工作原理，采用低功耗单片机、ZigBee模块，设计一个基于ZigBee的无线监控系统，实现对实验进行实时监控的需要。1.4 ZigBee的概述 ZigBee技术是一种双向无线通讯技术，这一项技术能够在一个短距离实现，较为简单的、低功率、低速率的使用环境。主要适用于各种电子设备之间进行数据传输，但要求是近距离、由于功率不高同时传输速率也不是很高的两个独立的电子设备之间，如果两者存在固定传输或者其他形式的传输，如周期性、间歇性等传输2。 ZigBee的网络存拓扑结构有以下几种:总线型网络、环形网络、星型网络、树型网络和网型网络。 协调器（Coordinator）:在ZigBee网络中有各种拓扑形式，其中这里只有一个协调器节点，其主要是通过选择网络使用的频率通道以及通过网络与其他节点进行向量，这样就提供了信息路由以及安全管理等工作。 路由器：实际上在ZigBee网络当中非常重要，其主要进行网络当中的连接，同时也能够加入到协调器当中，它是ZigBee当中十分重要的部件，其主要作用就是进行接受、发送节点信息，同时在节点之间进行发送消息，而且可以让子节点加入到该网络当中。 终端节点：其主要将ZigBee网络当中的信息进行收发，通常是将一个网络发送到另外一个网络当中，如果没有消息，那么该终端节点可以进入休眠状态以减少能量消耗。1.5无线传感网络的发展趋势1.能耗低。对于无线传感器来说，其必须能够在一个无人值班的情况下，实现安全高效可靠的工作，所以用到的节点数量就非常多，同时要对其进行定期更换电池，缺乏实用价值，同时能耗较高，长期使用不经济2。2.成本低。由于构成无线传输网络的节点数量巨大，同时要求每一个节点的价格要非常低，所以这就存在一个成本问题，同时从系统管理以及维护等方面，ZigBee能够大幅度降低系统开发成本。3.通用性。早在2002年，美国IEEE协会就就已经出台了两个无线传感器标准，一个就是IEEE 802.15.4低速无线个域网标准，还有一个是IEEE 1451标准，这个是关于无线智能变送器的标准，对于该网络协议来说，其相关标准还需要进一步完善。4.网络拓扑。无线传感系统存在的节点非常多，所以就要采用多跳传输的方式来实现不同网络之间的通信。由于不同节点担任的任务不同，因此就使得节点可能存在加入、退出等变化，所以就要求无线传输网络之间存在着一个网络拓扑结构，这样就大大降低了费用，使得开发变得较为简单。5.安全性。因为资源等方面的问题，使得无线传感网络协议的费用必须降低，同时还有较为严重的问题，对于入侵的人，其能够实现服务拒绝，由于不同的传感器之间，由于组网的过程中，是分开式的，所以就难以实现较强的安全防护，因此在进行设计的时候，必须考虑到无线传输网络的安全机制。6.实时性。可以通过一些无线传网络的监控系统来对其进行约束，对于无线传输网络来说，由于其自身规模较大，同时其结构还存在动态变化，很容易被其他网络烦扰，所以对其进行设计的时候，就是非常困难。7.智能性。无限传输网络当中，需要跟随环境变化而变化，而输出的时候，就要根据节点的结果来进行输出。由于该网络与其他设备之间存在直接联系，因此其容易出错，所以该网络就容易受到干扰，这就导致了传统的解决方式无法在此网络当中应用，所以需要开发者对其进行重新开发3。第2章 总体方案2.1 拓扑结构的设计ZigBee协议的组网方式主要由三种方式构成，一种是星型网，一个是树型网，还有一个是混合网。具体如下所示：1.星型拓补结构具体形式如图2-1所示。在星型网中，它以PAN协调器作为中心，这样就可以通过该主节点来与其他设备进行连接，其他所有设备都必须连接主节点，在通信过程中，就由主节点来进行来与终端设备之间进行通信，因此采用该网络结构的时候，就要首先使用PAN协调器建立了一个主节点，然后采用其他FFD设备，这些设备都可以成为从节点，也就是与之相连，在这个网络当中，可以通过PAN协调器来连接4。在这个网络当中，主节点也就是PAN协调器通过持续电力系统来进行供电，而其他从节点的设备都需要通过电池来进行供电，这种网络来说一般用于家庭、个人护理、小型办公室等场所5。图2-1 星型拓扑结构图2.树型拓扑结构如图2-2所示。如果两个设备之间都在对方的无线辐射范围之内，也就是说双方互信号都能够接收到，甚至可以直接通信等，那么就不需要其他设备作为节点来进行发送，但是该网络还需要一个PAN协调器，此时由PAN协调器担任的工作，其主要目的是为了完成注册或者是访问等，PAN协调器的设立，是由上层协议规定的，网络模式当中，存在着Ad Hoc网络，在进行网络传输的过程中，还可以实现多跳路由的方式，对于树型网络来说，可以采用这种方式就可以构建出更加复杂的网络，我们称之为Mesh网，这样就可以通过不同的设备，实现较大范围内使用，现在已经广泛用在货物跟踪以及工业检测等。图2-2树型拓扑结构图3.网状拓扑如图2-3所示。这种结构是目前最为灵活的一种网络结构，假如在网络当中，存在一个路由器损坏，这样信息就自动通过其他路由器来继续进行传输。具体来说，就是任意两个节点之间都可以进行通信，这样就能够实现ZigBee协议，然后就可以选择最佳路径，这样就使得网络更加稳定，而且通信更好。图2-3网状拓扑结构图4.混合网，就是通过星型网和树型网结合起来构成的网，同时每一个子网都是通过星型结构来进行连接的，而主要器件则是通过树型连接方式来进行的，首先信息的传输要通过一个子网来进行，这时候就可以选用网关节点来连接到其他子网，再接着继续向上传输，指导传输到中心采集设备。该网络结构和一般无线个域网来说，该中心设备处理能力要远远大于其他网络，同时覆盖范围更广，比如在一个大型的饭店当中，就可以通过该网络来进行控制，使得每一个房间的主器件都可以与整个系统的主器件进行相连，这种连接方式为星型连接，而且可以采用对等的方式来进行，然后我们就可以使用这些主器件，让他们连接起来，这样就构成了一个较大的混合网，对于混合网来说，其兼具了两种网络结构的优点，但是因为每一个网络都需要非常复杂的链路才能够连接到接受点上，因此对其进行控制就比其他网络结构更加困难。除此之外，由于对于中心设备要求较高，所以要想降低成本、功耗等都比较困难6。我们从上述网络结构来看，每一种网络拓扑结构其网络的建立和维护都不需要人工参与，而是自动实现对其维护。2.2 系统总体框架我们对于数据采集的总体框架如图2-4所示。对于系统来说，其主要构成为以下四个部分，具体分别是：信号采集与信号调理模块、监测系统主控模块、通信模块以及网络模块。图2-4采集系统总体框架2.3 无线传感网络节点设计不同的应用来说，其实用的传感器、传感器的节点组成都是有一定差别的，但是从根本上来说，其结构并没有发生太多变化。从组成内容上来说，主要包含了4个单元，分别是采集单元、处理单元、传输单元、电源单元等，具体如图2-5所示。图2-5 传感节点基本结构2.4 系统设计芯片的选择本设计系统中使用的硬件设备主要有三个：一个温湿度传感器SHT11，一个ZigBee芯片CC2430和LCD1602液晶显示。2.5 总体方案介绍 综上所述，本设计选用了树型网络拓扑结构，设计了一种基于ZigBee技术的分布式传感器设计，以对温度和湿度的采集检测为例设计方案。通过从从节点发送的数据到主节点接收的数据的无线传输，上位机PC串口与主节点通信进行连接，串口与主节点建立一个温度和湿度数据库进面实现了数据管理的统一，在进行环境温度和湿度的采集时，各个从节点都要连接传感器SHT11。该系统主要以温度和湿度处理模块、主从节点温度和湿度数据的收发模块、主从节点温度和湿度数据的采集模块以及温度和湿度的显示模块组成一个完整的系统。 该系统分为二个部分: 第一部分是包括温度和湿度数据采集模块、数据处理模块和数据传输模块的无线数据采集部分；第二部分是包括数据接收模块、串口通讯模块、数据处理模块和上位PC机的无线主机部分。两者通过无线数据通信联系。系统总结构框图如图2-6所示。图2-6 系统总结构框图 系统工作的具体部分是无线釆集部分，坏境信号的采集由传感器来负责，I/O端口直接发送数据处理，然后将数据处理和数据接收到的数字信号转换成与其对应的值并且按照规定的通信协议格式去处理所得的数据，处理后的数据由无线通讯模块的发送缓冲区写入。PCB板天线的作用是完成数据的传输, 然后将接收到的数据进行分析、处理和显示。第3章 系统硬件设计本设计是在传统的温度采集系统中引入了ZigBee无线技术，可以根据情况在采集区放置传感器节点，通过无线网络对数据进行采集，以下是整体设计方案，以及各节点的硬件设计。本设计主要以对温度和湿度的采集检测为例做出设计。3.1 控制模块设计3.1.1 CC2430芯片介绍本设计采用TI公司的CC2430芯片来作微处理器。CC2340芯片可用于2.4GHz IEEE802.15.4/ZigBee的片上系统解决方案。CC2430内部整合了IEEE 802.15.4标准的2.4 GHz 的RF无线电收发机、内存和微控制器。它使用一个8位MCU(8051)，有128KB的可编程闪存和8KB的RAM，同时还包含ADC、定时器、AES-128协同处理器、看门狗定时器、掉电检测电路等。CC2430芯片采用0.18m CMOS工艺生产，封装尺寸仅7mm7mm。微处理器全速工作频率为32MHz，在接收和发射模式下，电流损耗约为27mA。CC2430的休眠模式以及其从休眠模式转换到工作模式的超短时间（在微秒级）的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。图3-1 CC2430的内部功能模块 CC2430芯片功能如下表3-1所示：表3-1 CC2430的功能表序号主要特点1高性能和低功耗的8051微控制器核2在IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发器集成符合3无线接收灵敏度非常好，还拥有强大的抗干扰特性4在休眠模式以及它从休眠模式转换到工作模式的时间非常少，在休眠模式时只有0.9mA的电流损耗，同时通过外部中断或者RTC来启动系统5在待机模式时电流损耗少于0.6mA，同时通过外部中断来启动系统6硬件支持CSMA，CA功能7拥有非常大的电压范围(2.0-3.6V)8数字化的RSSILQl符合应用和很强大的DMA性能9拥有电池监测和温度检测的功能10集成了8路814位模数转换ADC11集成AESl28安全协处理器12拥有2个非常强大的可以应用多种串行协议的USART口，还有1个支持IEEE 802.15.4规定的MAC计时器，还有1个普遍的16位计时器和2个8位计时器13拥有非常强大和灵活性好的开发工具14符合RoHS的7mmx7mm QLP48封装CC2430芯片，能够实现不同的配置，从而使其工作性能长期处于最佳状态，同时可以采用相应的配置，从而进一步提高芯片的工作性能，这些参数包括：接收（RX）/发送（TX）模式、RF频段选择、RF输出功率、电源开/关模式、晶振开/关模式、空闲信道评估模式、硬件支持包处理、加密/认证模式。 对于该芯片来说，其主要适用于家庭智能设备、智能楼宇，智能玩具的理想解决方案、工业检测及控制系统以及消费电子产品，这样就能够很轻松满足人们的各种需求，其主要原因就是因为它能够建立一个功耗较低，通信比较稳定，同时具有较长的使用寿命。我们通过以上分析就可以看出，该芯片性价非常高，同时具有较低的的功耗，而且封装尺寸非常小，对于本系统来说，是一个理想的选择，通过对于该芯片的实际测试发现，该芯片具有良好的工作性能，功能也比较完善。3.1.2 CC2430芯片外围电路设计在此电路中要让天线性能变得更好需要连接一个非平衡的变压器让。电容 C21和一个PCB微波传输线和电路中的非平衡变压器电感L1、L2、L3组成天线电路。对于电路RF(N)是输出，RF(P)是输入，满足其内部 T/R交换电路完成低噪声放大器和PA之间的交换工作也可以符合所匹配的电阻。天线包括PCB印制天线，单鞭天线和陶瓷天线等,要根据实际需要选用合适的天线。天线电路图如图3-2所示。图3-2 天线电路图 CC2430芯片的收发信号功能可以用很少的外围部件的配合就可以完成并实现工作。CC2430芯片的硬件电路图如图3-3所示。图3-3芯片CC2430的外围电路3.2 采集模块模块设计本设计主要以对温湿度进行采集，所以选用的是SHT11芯片，其特点是高集成度、全标定和数字输出。SHT11芯片内含湿度传感器和温度传感器，其中湿度测量通过一个电容行聚合体测湿敏感元件完成，温度测量通过一个用能隙材料制成的测温元件完成。在同一芯片上，温度传感器和湿度传感器可以与14位的A/D转换器以及串口电路实现无缝连接。3.2.1 SHT11的介绍 对于SHT11来说，其具有较高的卓越的长期稳定性和可靠性，是因为应用了特有的工业化CMOS技术。芯片内包含经过校准的相对湿度传感器和温度传感器,每一个传感器都是在非常精确的温室中进行校准的，它们与一个14位的A/D转换器相连，其校准系数都是预先放置在OTP内存当中，使用的时候就可以调用这些系数，同时其二线串行I2 C总线结构较为简单，同时具有较高的传输速度。 SHT11的相对湿度和温度绝对精度曲线如图3-4所示。图3-4 相对湿度、温度的精度曲线图 对于SHT11传感器来说，其主要特点如下所示： 1.通过校准数字，从而输出较为精确的温度、湿度等； 2.拥有分辨率为14位的温度数值和12位的湿度数值，可编程下降至8位和12位； 3.拥有露点计算输出特点； 4.表面可以贴装和4引脚封装，体积非常小(7mm5mm3mm)； 5.稳定性较高，寿命较长； 6.能够进行自动休眠； 7.拥有具有工业级的标准I2 C总线接口；8.能够进行可靠的CRC传输校验。 SHT11的其性能参数如表3-2所示。 表3-2 SHT11的性能参数湿度温度参数条件MinTypMax单位条件MinTypMax单位分辨率0.50.030.03%RH0.040.010.0181212Bit0.070.020.02121414Bit重复性%RH互换性可完全互换非线性度原数据%RH线性化1%RH量程0100%RH-40123.8-40254.9响应时间1/e(63%)251/m 空气6810S1/e(63%)530S迟滞%RH稳定性典型值0.5%RH/yr3.2.2 SHT11的内部结构SHT11的工作范围比较广，其工作温度范围是-40123.8，其中在-3075范围内，温度测量精度不高于2；其工作湿度范围是0100RH，其中在2080RH范围内，湿度测量精度不高于3RH。SHT11芯片内部集成了一个加热器，大约能将自身温度提高5，以防止芯片在恶劣环境下工作时内部出现冷凝问题。但是需要注意的问题是，在芯片加热时，测到的温湿度的数值不准确。而该芯片的具体结构如图3-5所示。图3-5 SHT11芯片结构图 由SHT11芯片构成的温湿度测量电路，SHT11接口电路图如图3-6所示。CC2430芯片与SHT11芯片之间通过I2 C标准总线进行通信，其接口简单可靠。该电路中的主机是CC2430芯片，由它发出对环境参数测量的采集启动信号。SHT11的3脚为时钟线SCK，2脚为数据线DATA，数据线需接一只10k的上接电阻。其中时钟输入线SCK与CC2430保持通讯同步，数据线DATA负责收发通信协议命令和数据。图3-6SHT11接口电路图3.3 显示模块的设计 显示电路采用LCD液晶显示。液晶不仅有固态晶体的光学特性还有液态的流动特性，它处在固态和液态之间。利用液晶的光电效应由外部电压控制，在经过液晶分子的折射，对光纤的旋转能力来获得亮暗的情况来达到显像的目的。3.3.1 LCD1602液晶显示的介绍显示器可以选择数码管显示或者液晶显示。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，驱动方式分别为静态驱动和动态驱动，静态驱动编程简单，显示亮度高但是占用I/O端口多，增加了硬件电路的复杂性。动态电路是最广泛的显示方式之一，其能够节省大量的I/O端口，功耗低。但是，针对数码管，其显示单调不具备数据的直观性。LCD1602液晶显示，具有字符发生器ROM可以显示192种字符。具有64个字节的自定义字符RAM，可自定义8个58点阵字符或四个511点阵字符。具有80个字节的RAM，标准的接口特性，适配M6800系列MPU的操作时序。模块结构紧凑、轻巧、装配容易，像素尺寸小，分辨率高。考虑到以上情况，显示终端选择LCD1602，它能把温湿度直观的显示出来，设计起来简洁明了，大大降低了系统的复杂性。LCD1602各个引脚的说明及作用：第一脚：VSS为接地电源。第二脚：VDD接5V正电源。第三脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“幻影”，使用时可以通过一个可调电位器调整对比度。第四脚：RS为寄存器选择，高电平时为数据寄存器、低电平时为指令寄存器。第五脚：R/W为读写操作信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第六脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第七十四脚：D0D7为8位双向数据线。第十五脚：背光源正极。第十六脚：背光源负极。LCD1602各个引脚的说明如表3-3所示。表3-3 LCD1602各个引脚的说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS接地电源9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极LCD1602的引脚图如图3-6所示。图3-6 LCD1602的引脚图3.3.2 LCD1602液晶显示电路设计本设计采用了LCD1602显示器通过无线设备进行传输之后，就可以对其进行显示，对于该液晶显示器来说，其采用了16脚的接口，然后连接传感器电路以及无线传输和接收电路，单片机最小系统等，对于LCD显示器来说，显示字符具有较高的复杂性，这是因为，每一个字符都是通过一个标准的点阵来进行显示，所以不但找到并显示出具体的RAM区的8个字节，同时还要将每一个字节的的不同位置，进行显示比如显示的位置为1，那么其他就是0,也就是说，1为点亮，0为不亮，这样就构成了一个字符，但是由于该显示器自带了字符发生器，那么就大大简化了字符显示的程序，也就是只需要根据LCD当中的行列号，以及每一行当中的列数来来找到RAM所对应的网络地址，同时设立一个光标，只需在该位置处，输送出来代码就可以进行显示，这里采用了单片机来进行发送指令即可控制LCD使其显示相应的温湿度信息。LCD1602显示模块与CC2430连接如图3-7所示:图3-7 LCD1602与CC2430电路图3.4 上位机与协调器接口 在温度采集的上位机监控程序中，我们需要选用RS232串行接口作为上位机与协调器节点设备通信的接口。RS232用逻辑“0”表示电压+5v+15v，用逻辑“1”表示电压-5V15V，也就是负逻辑。我们用通过转换将RS232的负逻辑电平转换成TTL的正逻辑电平的方法来改善RS232电平与单片机逻辑电平不兼容的缺点，意思是加装电平转换的芯片。所以CC2430芯片在无线监测系统自动化、家庭控制系统自动化、远程的遥控、车辆的安全系统、短距离无线数据通信、安全报警的系统、工业控制等一些领域应用甚广。CC2430是一个系统级的低成本射频芯片，不仅能支持ZigBee网络的2.4GHz的要求，还能集成射频收发机与控制器单片机。这都降低了功耗、节约了成本。 SP3223E是RS-232既是接收器也是发射器，大部分用于便携式或手持式应用中，例如笔记本电脑和掌上电脑等。SP3223E用一个内部高效的电荷泵，电容进行操作所需条件只在3. 3伏的电源电压下，需要0.luF便可以完成，SP3223E是一个驱动器2个接收器器件，理想地用在笔记本电脑和掌上电脑中，一个辅助的接收器在SP3243E中，无论它处于开启状态还是关断状态的时候，接收器都可以通过外部器件的铃响指示器向监控器进行报警。 电缆连接的外设通电的状态下器件连接了RS-232电缆，器件从关断状态下会自动被AuT0 0N-LINE“唤醒”,假如没有这个特性，器件就会自已自动的处于关闭状态，电流消耗会小于1毫安，SP3223E的特点如下: 1.满足EIA/TIA-232-F标准,电源电压为+3.0V+5.5V。 2.通过可调电荷泵来获得稳定的RS-232输出,与Vco无关。 3.可与EIA/TIA-232器件共同工作,遵循EIA/TIA-562,电源电压可降至+2.7V。 4.带负载时的最小数据传输速率为120kbps。 5.AUT0 0N-LINE电路可从1uA的关断模式下自动唤醒。SP3223E为两路电平转换集成芯片，电路中只使用了其中一路，注意其与标准九针串口连接和与CC2430引脚连接关系，RS232的接口电路如图3-7所示。图3-7 RS232接口电路图第4章 系统软件设计本设计的软件设计选用跟CC2430芯片配套的Z2STACK协议栈和IAR集成开发环境进行设计。在一个任务调度机制的OSAL 操作系统上ZSTACK协议栈运行，OSAL担任通过触发任务的事件来实现任务调度工作。通过任务API把 OSAL中的任务添加到系统中，展现出多任务机制。系统中传感器节点由MCU(8051)控制CC2430，在一定时间内向温湿度传感器SHT11发送读温度和湿度指令，完成温度和湿度转换后SHT11会发出转换完成信息，在接收到转换完成信息后，MCU读取温湿度值，并且将这些数据信号传送给协调器。协调器经过串口上位机( PC) 和RS232 相连，经过人机交互的方法对全部的区域进行检测。为了达到这一目的，需要应用节点的长短地址对应表，所以就要节点在加入网络后发送自己的长短地址给协调器，协调器担任长短地址对应列表存储起来的工作，以防户需要采集数据时依据地址表来采集每个传感器的数据。我们就可以在IAR开发环境下来进行编写相关程序，这样就能够实现使用无线网络来进行采集数据的目的，同时实现了传感器之间的数据传输功能。传感节点的 CC2430芯片被发送到一个唯一的网络ID，发送成功后，节点可以在ID表示的网络中进行接收数据。4.1 温湿度采集程序采集的流程如图4-1所示。图4-1采集流程图SHT11读温度程序:read_SHT11 /读SHT11uint temp_1; uchar i;for(i=0;i1;DQ=1;_nop_();DQ=0;_nop_();DQ=l;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();if(DQ=1)temp_1=temp_1|Ox8000;/else/ temp_1 =temp_1|Ox0000;delay1(5);/程序5次延时时间为54.25us retum temp_1;/返回温度值4.2 温湿度接收程序 接收由SHT11传感器采集温度，经CC2430收集处理数据，然后温度由数据数码管显示。如图4-2所示是温湿度接收的流程图。图4-2接收流程图CC2430初始化程序: void initUARTtest(void)CLKCON&=0x40; /晶振while(!(SLEEP&0x40); /等待晶振稳定CLKCON&=0x47; /TICHSPD128分频, CLKSPD不分频SLEEP|=0x04; /关闭不用的RC振荡器PERCFG=0x00;PISEL=0x3c; /P1口用作串口 U0CSR|=0x80; /UART方式 U0GCR|=l0;UOBAUD|=216; /波特率设为57600UTX0IF=1; UOCSR|=0x40; /允许接收IEN0|=0x84; /1JT:总中断,接收中断第5章 系统功能调试5.1 硬件调试焊接好实物之后，我开始对实物进行调试，我对电路板上元件的摆放检査了一遍，看是否出现了元件摆放错误，并且逐一检查各个元件的焊接方向是否也是正确的，在经过检査后没有发现安装与连接的错误。但是在检査到芯片的时候， 虽然芯片的焊接方向正确，由于单片机附近的线路和焊点比较多，出现了密集焊点，由于烙铁过热，有些焊点碰到了一起，可能出现了短路，在重新焊接短路部分之后，我用方用表对整个电路板进行逐一的排査，结果发现部分虚焊的点，这些虚焊的点都是出现在LCD显示数码管周围，因为焊接技术不够纯熟，焊接的时候焊锡没有和铜片焊接到一起，所以出现了虚焊的现象。 在经过了又一番的努力后，终于电路板的焊按基本完成了，对有短路现象的密集焊点部分，把出现连接在一起的焊点进行了分离，对一些虚焊的地方进行了重新焊接。经过了这次彻底的检査后，我给实物接通了电源，并没有发现所用芯片过热从而烧坏电路板的现象，LCD显示管也成功的亮起。5.2 软件调试软件调试主要使用Proteus软件和Keil C51软件。在软件调试中，首先在Proteusz中绘制电路图，并设置各元器件的参数。然后在Keil C51软件编写程序。我先输入了一段显示程序对硬件是否能够正常工作进行了检査，然后对整体的主程序进行了编写输入。 在接通电源之后，发现温度并没有显示，在我检査了很多次都没有发现错误， 于是我找指导老师去询同，在询问当中老师指出由于是温度没有显示，可能是SHT11的读写程序编程这一部分出现了错误，因为SHT11与单片机是单线串行传输数据，所以这一部分必须要认真的去编写读写时序。在老师的帮助下发现果然是我的读写时序部分出现了错误从而导致没有办法读取测量结果。在进行了改动之后再一次的接通电源，这一次LCD显示器显示出了温度，我用实际值和测量值进行比较。发现两者差值不大，在正常误差之内。5.3 测试结果