毕业设计（论文）-基于CC2530的温湿度控制系统设计.doc

题目基于CC2530的温湿度控制系统设计学生姓名学号所在学院物理与电信工程学院专业班级通信工程专业1103班指导教师_完成地点物理与电信工程学院实验室2015年6月5日毕业设计任务书院(系)物理与电信工程学院专业班级通信1103学生姓名一、毕业设计题目基于CC2530的温湿度控制系统设计二、毕业设计工作自_2015_年_1_月_10_日起至_2015_年6月_20_日止三、毕业设计进行地点:物理与电信工程学院通信工程系实验室四、毕业设计内容要求：设计目的与意义：CC2530是一种崭新的实现远程无线网络通信技术核心应用芯片，CC2530是用于2.4-GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。本次设计要求学生根据所学知识完成基于CC2530芯片实现温湿度的监测控制的设计，提高学生分析问题、解决问题的能力。其具体要求如下：1.要求基于CC2530完成无线温湿度监测系统的设计；2要求采用软、硬结合的方式完成系统电路的设计；3.完成系统硬件电路的搭建和系统性能测试，实现无线温湿度的检测功能。毕业论文要求：1论文撰写要求格式规范，设计思路清晰，条理清楚；2外文翻译要求翻译语句通顺流畅，用词恰当；3.论文内容准确无误，用A4纸张打印。进程安排如下：2015年1月10日-3月15日：查资料，调研，确定方案，并按时在系统中提交开题报告。2015年3月16日-4月25日：对系统硬件电路进行模块化设计，采用编程语言进行软件编程，完成硬件电路的软件仿真；在系统中提交外文翻译；完成中期检查报告。2015年4月26日5月20日：进行系统硬件电路的搭建、调试和测试，完成毕业设计验收。2015年5月21日-5月31日：完成毕业设计任务，并在系统中提交最终论文。2015年6月1日-6月15日：毕业设计答辩。指导教师系(教研室)通信工程系系(教研室)主任签名批准日期接受设计任务开始执行日期学生签名基于CC2530的温湿度控制系统设计（陕西理工学院物理与电信工程学院通信工程专业201103班，陕西汉中723003）指导教师：摘要随着生产技术的发展，温湿度数据检测技术广泛应用于工业远程控制系统，并逐步显示出远程和网络的特性。本次设计是基于CC2530的温湿度采集系统。该系统采用Zigbee无线通信技术结合传感器，通过运用Zigbee协议架构组建无线传感网络实现主从节点的数据采集和传输以及点对点之间的通信，最后通过VB编写的显示界面将数据显示出来。系统最终实现了环境温湿度数据的实时采集、无线传输、以及电脑终端显示，达到了本次设计的目的和要求。关键字：温湿度数据采集，CC2530，Zigbee协议栈，无线传感网络陕西理工学院毕业设计DesignoftemperatureandhumiditycontrolsystembasedonCC2530YangYuchun(Grade2011Class3MajorofCommunicationEngineeringDeptofElectrinicsandInationEngineeringShaanxiUniversityofTechnologyHanzhong723003Shanxi)Tutor:XueZhuanhuaAbstractWiththedevelopmentofproductiontechnologytemperatureandhumiditydatadetectiontechnologyiswidelyusedinindustrialremotecontrolsystemandgraduallyshowthecharacteristicsofremoteandnetwork.ThisdesignoftemperatureandhumiditycontrolsystemisbasedonCC2530.ThesystemadoptsZigbeewirelesscommunicationtechnologywithsensorthroughtheuseofZigbeeprotocolinwirelesssensornetworksarchitecturerealizationofthemaster-slavedataacquisitionandtransmissionandthecommunicationbetweentwopointsFinallywritteninVBdisplayinterfacewilldisplaythedata.Thesystemultimatelyachievedthereal-timetemperatureandhumiditydataacquisitionandwirelesstransmissionaswellascomputerdisplayachievedthedesignobjectivesandrequirements.Keywords:TemperatureandhumiditydataacquisitionCC2530ZigbeeProtocolstackWirelesssensornetwork陕西理工学院毕业设计目录1.引言.12.方案论证及选择.32.1方案论证.32.2方案比较及选择.43.硬件电路的设计.53.1Zigbee协议栈.53.1.1Zigbee协议栈结构.53.1.2Zigbee网络拓扑结构.63.1.3AODV路由协议.73.2传感器模块电路设计.73.3无线模块电路设计.113.3.1ZigBee无线收发器CC2530.113.3.2ZigBee协调器节点的硬件设计.113.3.3节点发送接收.123.4接口模块电路设计.143.5天线电路设计.154.系统软件设计.164.1软件设计思路.16陕西理工学院毕业设计4.2软件设计流程图.164.3软件编译与烧写.184.4PC端显示界面设计.185.系统硬件电路调试及结果分析.205.1系统硬件电路的搭建.205.2系统硬件电路的调试.215.3系统硬件电路结果及误差分析.226.总结与展望.246.1总结.246.2展望.24致谢.25参考文献.26附录A英文文献原文.27附录B英文文献译文.33附录C系统源程序.38附录D硬件电路原理图.48附录E元器件清单.50陕西理工学院毕业设计第1页共50页1.1.引言引言伴随着时代的进步，人们充分认识到了科学技术的力量。人们在科学方面的探索已经达到了一个前所未有的水平。无线传感网络是信息感知和采集的一场革命，是21世纪最重要的技术之一。无线传感网络是由大量节点组成的，它综合了传感器，嵌入式计算，现代网络，无线通信及分布式信息处理等多领域的技术。通过各类微型无线传感器对目标信息进行实时监测，采集，并由嵌入式微处理器对采集到的信息进行处理，再通过无线通信网络将处理后的信息传送至远程用户端，再进行各种应用分析。现在，温湿度数据的采集，传输以及处理，广泛应用于森林火灾的防范，粮仓的温湿度控制以及家庭智能化控制等多个领域内。由于传统的有线方式，在检测，采集，传输及数据处理中存在节点分散，需要大量布线等诸多问题。本次设计从无线传感方向进行改进，设计一种基于cC2530和数字温湿度传感器的温湿度控制系统。CC2530是一种崭新的实现远程无线网络通信技术核心应用芯片，CC2530是用于2.4-GHZIEEE802.15.4、ZIGBEE和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SOC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。如今，近距离无线通信技术在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。蓝牙，ZIGBEEWI-FI无线USB等竞争激烈，各有千秋。但随着通讯设备的复杂度，功耗以及系统成本的增加，相对于其他无线通讯技术，ZIGBEE技术是弥补了低成本、低功耗、和低速率的无线通信市场的空缺，随着正式版本ZIGBEE协议的公布，它将会得到更广泛的应用，将有越来越多的内置ZIGBEE功能的设备进入生活，并将极大地改善的人们的生活方式和生活体验。目前，ZIGBEE技术的产业链已经基本成型。CHIPCONEMBEROKIJENNICMICROCHIP等公司纷纷推出ZIGBEE解决方案，其中ATMEL与CHIPCON已经开发出ZIGBEE芯片，二者都是选用全球通用的2.4GHZ频道，其他厂商如EMBER搭配ATMEL与NEC搭配CHIPCON芯片，已经完成开发套件，并且能够提供系统厂商整合方案。2005年ZIGBEE联盟选择德国莱茵TUV集团作为唯一的全世界各地提供ZIGBEE联盟认可的商标认证和一致性平台测试服务。将新的ZIGBEE认证项目推向市场。紧接着ZIGBEE联盟发布了首批成功完成互操作测试的四款平台。目前企业正积极开发四大ZIGBEE应用市场，分别为家庭与楼宇自动化，消费电子，自动读表与其他方面，包括工业自动化，监控检测，医疗，幼儿监护，物流管控，低温连锁管理与农业监控等。ZIGBEE技术的使用与发展很大程度上弥补了无线通信市场上低功耗、低成本、低速率的空缺，ZIGBEE技术发展成功的关键更多的是因为丰富而便捷的应用，并不是技术本身。随着ZIGBEE技术的深入发展和应用，越来越多的注意力和研究力量将会转到应用的设计、实现互联互通测试和市场的推广等方面。ZIGBEE技术的关键点是发展一种容易布建、低成本、低功耗的无线网络，其低耗电性将使产品的电池能维持6个月到数年的时间1。无线传感网络的建立是基于传感器加无线传输模块的，传感器采集的数据，简单处理后经过无线传输模块传到服务器或应用终端。目标、观测节点传感节点和感知视场是无线传感器网络所包括的4个基本实体对象。另外，要完成对整个系统的应用刻画，还需要对远程任务管理单元、外部网络和用户进行定义。大量传感节点随机部署，单个节点经过初始的通信和协商，通过自组织方式自行配置，形成一个传输信息的单跳链接或一系列的无线网络节点组成的网络，协同形成对目标的感知视场。传感节点检测的目标信号经过传感器本地简单处理后通过单播或广播以多跳的方式通过邻近传感节点传输到观测节点。用户和远程任务管理单元则能够通过卫星通信网络或Internet等外部网络，与观测节点进行数据信息的交互2。无线传感器网络与传统的网络不同，它是以数据为中心的自组织无线网络，网络的节点部署密集，网络拓扑结构动态变化。无线传感器网络与现有的传感器系统相比，具有以下几个特点：第一，无线传感器网络节点需要工作在低功耗的状态。在无线传感器网络中，由于节点体积较小，限制了每个节点的能源是十分有限的，而且受工作环境等因素的影响，更换电源的成本很高，只要电源耗尽，节点的功能就会失效。当大部分节点能源耗尽退出工作状态时，整个网络也就处于瘫痪状态了。所以只有减小节点功耗，才能延长网络的寿命。陕西理工学院毕业设计第2页共50页第二，无线传感器网络具有自组织的特点。相对与有线网络，无线传感器网络基本不需要人工干预。通常情况下，各个节点可以相互协作建立它们之间的连接，完成网络的初始化、启动监测任务、网络的故障自我修复等一系列工作。要实现上述功能，网络必须具备自组织的能力，即各个传感节点能够感知相邻节点工作状态的变化，通过相互通信得知网络拓扑结构的变化，维护网络结构的正常运行，适应网络的动态性。第三，无线传感器网络节点部署具有分布性。通过部署大量的传感节点，各个节点对其附近的区域进行监测，全部的节点可以对整个完整区域进行监控。区域的空间越大，它各个部分的环境信息的差异也会越明显，在这种情况下，局部节点监测到的信息是不能够代表整个区域的情况。由于传感器节点具有成本较低的优势，我们可以大量部署此类节点在整个监测区域内，使得监测区域的每个角落都可以被覆盖住，这样就可以获得比较准确的整体信息，通过一些相应的数据融合算法，可以宏观把握整个区域的完整信息。第四，无线传感器网络的数据处理具有分布性。它是以数据为中心的网络，而不是以通信为中心的。在无线传感器网络的数据处理过程中，不是把每一个传感节点的数据汇总到中心节点来进行处理的，每个节点都具备数据处理能力，它们将先对数据进行处理，然后再传输到数据中心节点。这样既减少了网络流量，也降低了功耗，减少了数据的冗余度。无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，除了在工业、农业、军事、环境、医疗等领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其优越性，如家用、保健、交通等领域。将来微型传感器可以将家用电器等其他日常用品同互联网相连，对这些设备进行远距离控制，这样有利于家庭的安全调控、节电3。Zigbee技术在zigbee联盟和IEEE802.15.4的推动下，结合其他无线技术，可以实现无所不在的网络，它不仅在工业，农业，军事，环境，医疗等传统领域具有巨大的应用价值，在未来的应用中还可以涉及到人们日常生活和社会生产活动的各个领域。由于各方面的制约，zigbee技术的大规模商业应用还有待时日，但已经显示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的日渐成熟和发展推进，一定会得到更广泛的应用。但是，基于zigbee技术的无线网络应用还不算很成熟，国内企业应该抓紧商机，加大投入人才力度，推动整个行业的发展。陕西理工学院毕业设计第3页共50页2.方案论证及选择方案论证及选择2.12.1方案论证方案论证本次毕业设计的目的是实现温湿度数据的采集，要研究的主要内容是熟悉并掌握cc2530芯片功能；熟悉802.15.4协议栈，并利用cc2530搭建zigbee无线网络；采集温湿度传感信号，并完成信号的传输。需要解决的主要问题是，首先，由于本次的任务是实现数据在zigbee无线网络中传输，则需要搭建zigbee网络，其次，本次采用的微控制器是cc2530单片机，则必须对其内部资源要掌握。最后，完成主节点及采集节点的程序设计，实现对现场参数的采集，处理，输出控制及监控等功能。要实现温湿度的采集和传输有多种方案，下面介绍以下两种方案。方案一：用可编程逻辑器件设计，而所设计的电路比较繁杂，可能用到十几片数字集成块，利用数字电路的各功能模块的组合来完成其功能，焊接的过程比较复杂，成本也比较高。这里可以利用ALTERA公司的FLEX10K系列PLD器件。结构清晰的设计，各个模块，从硬件上设计起来相对简单，比较方便控制与显示的模块间的连接。但是如果结合本设计的特点，EDA在功能扩展上会受到约束，而且EDA占用的资源也会比较多。用可编程逻辑器件设计，成本上来讲处在弱势4。方案一的设计框图如图2.1所示:数据显示模块PLD数据接收模块按键PLD数据采集模块温湿度传感器图2.1方案一设计框图方案二：基于cc2530芯片的温湿度采集，该方案是用温湿度传感器将外界环境温湿度采集过来，主控芯片是cc2530，利用其zigbee无线传输功能将传感器采集过来的温湿度发送到显示界面。一个完整的ZigBee系统需要至少一个协调器，一个或多个路由器及许多个终端节点组成，这样才能完成网络的搭建，路径的分配和数据的采集及传输任务。ZigBee网络根据实际组网的需要可以组成星形网、网状网、和簇状网这3种拓扑结构。基于CC2530的温湿度监测系统是星状网络它是由一个全功能协调器（称为FFD），一个集合有温湿度传感器的测温湿节点作为终端节点（称为Zink）组建成的。FFD通过串口与PC机连接，Zink被布置在环境监测区域，通过其上的温湿度传感器DS18B20来监测环境的温度，最后通过天线以无线的方式将监测到的温湿度数据发送给FFD，由于FFD和PC机连接，这时PC机上可以显示出温湿度的监测结果5。整个系统的结构图如图2.22.3所示：陕西理工学院毕业设计第4页共50页传感器模块处理器模块无线射频模块CC2530电源管理模块AD处理器存储器发射器传感器图2.2数据采集模块框图无线射频模块处理器模块CC2530电源管理模块处理器存储器显示接收器图2.3数据接收模块框图2.22.2方案比较及选择方案比较及选择上面列出了本次设计的两种设计思路及方法，经分析得出，方案一的设计电路比较繁杂，用到的集成模块比较多，所以成本相对也比较高，焊接的过程也相应的比较复杂。方案二与方案一相比，设计电路相对简单，主要用到的芯片是cc2530，它是高度集成的芯片，上面的贴片电容，电阻等小器件都是焊接好的，所以在后续设计过程中，焊接部分相对较少。最主要的是该芯片可实现的功能非常多，虽然本次设计只是用到了其中的一小部分功能，但对设计成果后续的功能拓展提供了很好的平台。方案二中仅用一个芯片就可实现温湿度的同时采集。所以相比之下，方案二的可行性与可靠性都比其他两个好，于是本次设计的设计方案最终确定为方案二。陕西理工学院毕业设计第5页共50页3.硬件电路的设计硬件电路的设计3.13.1ZigbeeZigbee协议栈协议栈3.1.13.1.1ZigbeeZigbee协议栈结构协议栈结构Zigbee协议栈定义了四层。物理层和媒体访问控制层由IEEE802.15.4-2003定义，上层的网络层和应用层由Zigbee联盟定义。应用层分别包括ZDO（Zigbee设备对象），APS（应用支持子层）和AF（应用框架）组成。Zigbee协议栈每一层负责完成所规定的任务，并且向上层提供服务，各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务。如图3.1所示：应用框架安全服务管理ZigBee设备对象（ZDO）ZDO公共接口应用对象240应用对象1应用支撑层ZDO管理平台介质访问管理层物理层网络层端点240APSDE-SAP端点1APSDE-SAP端点0APSDE-SAP安全管理信息管理反映管理NLDE-SAPNLME-SAP安全管理MLDE-SAPMLDE-SAP路由管理信息管理路由管理PD-SAPPLME-SAP2.4GHZ频段868915MHZ图3.1Zigbee协议栈结构图1)物理层物理层由半双工的无线收发器及其接口组成，主要作用是激活和关闭射频收发器；检测信道的能量；显示收到数据包的链路质量；空闲信道评估；选择信道频率；数据的接受和发送。2)媒体访问控制层媒体访问控制（MAC）层建立了一条节点和与其相邻的节点之间可靠的数据传输链路，共享传输媒体，提高通信效率。在协调器的MAC层，可以产生网络信标，同步网络信标；支持Zigbee设备的关联和取消关联；支持设备加密；在信道访问方面，采用CSMACA信道退避算法，减少了碰撞概率；确保时隙分配（GTS）；支持信标使能和非信标使能两种数据传输模式，为两个对等的MAC实体提供可靠连接。3)网络层基于底层的可靠通信，提供路由、路由发现、多跳、转发的功能。Zigbee网络可以组成星型、簇树型或MESH型网络。对于终端节点而言，网络层的功能只是加入和离开网络；对于路由器而言，网络层的功能是信息的转发，路由发现，建立和维护路由表和邻居表，以及构造到某节点的路由任务；而协调器网络层的任务主要包括启动和维护网络正常工作，为新加入的节点分配网络地址。4)应用层陕西理工学院毕业设计第6页共50页应用层包括三部分：应用支持子层（APS）、Zigbee设备对象（ZDO）和应用框架（AF）。应用支持子层的任务是提取网络层的信息并将信息发送到运行在节点上的不同应用端点。应用支持子层维护了一个绑定表，可以定义、增加或移除组信息；完成64位长地址（IEEE地址）与16位短地址（网络地址）一对一映射；实现传输数据的分割与重组；应用支持子层连接网络层和应用层，是它们之间的接口。这个接口由两个服务实体提供：APS数据实体（APSDE）和APS管理实体（APSME）。APS数据实体为网络中的节点提供数据传输服务，它会拆分和重组大于最大荷载量的数据包。APS管理实体提供安全服务，节点绑定，建立和移除组地址，负责64位IEEE地址与16位网络地址的地址映射。Zigbee设备对象负责设备的所有管理工作，包括设定该设备在网络中的角色（协调器、路由器或终端设备），发现网络中的设备，确定这些设备能提供的功能，发起或响应绑定请求，完成设备之间建立安全的关联等。用户在开发Zigbee产品时，需要在Zigbee协议栈的AF上附加应用端点，调用ZDO功能以发现网络上的其他设备和服务，管理绑定、安全和其他网络设置。ZDO是一个特殊的应用对象，它驻留在每一个Zigbee节点上，其端点编号固定为0。AF应用框架是应用层与APS层的接口。它负责发送和接收数据，并为接收到的数据寻找相应的目的端点7。3.1.23.1.2ZigbeeZigbee网络拓扑结构网络拓扑结构Zigbee的拓扑结构可以为以下三种：星型、簇树型和MESH型。星型拓扑网络结构网络由协调器组建和维护，其他的设备都是终端设备，都直接与协调器一对一通信。在簇树型和MESH型拓扑网路结构中，协调器负责组建网络并决定一些关键的网络参数，如网络ID，网络使用的信道等。网络中主要通过路由器来拓展网络覆盖范围。树型网络中，路由器发送数据是通过层次的路由方法。树型网络可以使用网络信标通信，路由器和终端节点以跟踪信标的方式与协调器通信；也可以使用非信标方式通信，终端节点定时轮询路由器或协调器来提取自己的信息。MESH型网络可以进行点对点对等交流，但是不能使用信标。Zigbee设备都有一个64位的IEEE地址，IEEE地址是唯一的绝对地址，设备可以用这个地址在PAN中进行通信，但在设备加入网络后，协调器后会为它分配一个16位的网络地址，网络地址只在该网络内是唯一的，是相对地址，设备也可以用这个网络地址在PAN内进行通信。从物理功能上分，设备的类型可以分为2种。一种是具有全功能设备（FullFunctionDevice，FFD），另一种是精简功能设备（ReducedFunctionDevice，RFD）。在PAN（PersonalAreaNetwork）中，全功能设备可以作为PAN的协调器，路由器或作为一个终端设备。一个全功能设备可以同时和多个精简功能设备或全功能设备通信；对于一个精简功能设备来说，它只能和一个全功能进行通信8。PAN协调器PAN协调器FFDRFD信息流陕西理工学院毕业设计第7页共50页图3.2星型和簇树型网络拓扑结构3.1.33.1.3AODVAODV路由协议路由协议AODV自组织按需请求型距离向量路由协议（AdHocOnDemandDistanceVector简称AODV），AODV采用的是逐跳转发分组方式，在每个节点之间保存了路由请求和路由回答的结果，因此路由的头部不需要携带完整的路由信息，从而提高了协议的效率。算法旨在多个移动节点中建立和维护一个自启动的，动态的，多跳路由的专属网络。它是一种按需的改进的距离向量路由协议，具有按需路由协议的特点即在AODV路由协议中，网络中的每个节点在需要进行通信时才发送路由分组，而不会周期性地交互路由信息以得到所有其它主机的路由；同时具有距离向量路由协议的一些特点，即各节点路由表只维护本节点到其他节点的路由，而无需掌握全网拓扑结构。网络中连接的断开和异动都会影响网络的拓扑结构，AODV使得移动节点能适时对这种变化做出响应。AODV的操作是无自环的，并且由于解决了Bellman-Ford“无穷计数”的问题，使得该算法在网络拓扑变化时能够快速收敛。当一个连接断开时，AODV会告知所有受到影响的节点，这些节点会让用到这个连接的路由失效。AODV的一个显著特点是它在每个路由表项上使用了目的序列号。目的序列号由目的节点创建，并且被包含在路由信息中，然后这些路由信息将被回发到所有向它发起请求的节点。目的序列号的使用确保了无回环，并且易于编程。如果到一个目的有两条路由可供选择，那么收到请求的节点将会选择序列号最大的那一条。此外，AODV另一个显著的特点是它加入了组播路由协议扩展，并支持QOS。它的缺点是：不支持单向信道，原因是AODV协议基于双向信道的假设工作，路由回答分组直接沿着路由请求的反方向回到源节点。协议的基本原理：路由请求（RREQ），路由回复（RREP）和路由错误（RERR）是AODV定义的三种类型的消息控制帧。这些消息是通过UDP和通常的IP协议来接收。比如说，发起请求的节点必须要用它独有的的IP地址作为消息中的发起者IP。如果是广播，就将采用IP协议指定的广播地址也就是：255.255.255.255，这个地址使得这种消息将不会被无目的的转发。在AODV路由协议中，启动路由发现过程时，要求特定的消息（RREQ等）在其邻居节点间散布，而且有可能散布至整个网络结构。这些RREQ的散布的范围由IP头中的TTL来指定。当源节点希望发送数据而又没有到目的节点的现存的有效路由时，将会启动一个路由发现过程：给相互处于对方的无线电覆盖范围之内的邻近节点广播一个路径请求分组(RREQ)，AODV路由协议中的中间节点允许响应RREQ，RREQ会被这些邻近节点继续转发，直到到达一个拥有到达目的节点的足够新鲜路径的中间节点或目的节点。在转发RREQ的同时，中间节点将会建立一条反向路径，通过在它们的路由表中记录第一个转发给它们RREQ拷贝的邻近节点来实现反向路径的建立。当RREQ到达了拥有一条通向目的节点足够新的路径的中间节点或目的节点时，目的节点或该中间节点通过已经建立的反向路径以单播的方式向转发给它RREQ拷贝的邻近节点发送一个路径响应分组(RREP)。RREP沿着反向路径到达源节点的过程中，这条路径上的所有节点在它们的路由表中都会建立一个通向目的节点的正向路径。路由表项建立以后，路由中的每个节点都要执行管理路由表和路由维持的任务，其路由表中都需要保持一个路由表项，这个路由表象都有一个相应目的地址，用来实现逐条转发。在路由表的维护过程中，当该路由不再被使用时，节点就会从路由表中删除相映项。同时，在数据传送过程中，节点会监视一个活动路由中下一跳节点的状况，当中间节点检测到正在传输数据的活动路由有链路断开或节点收到去往某个目的节点的数据报文而节点没有到该目的节点的有效路由的情况时，中间节点就以单播或多播的方式发出路由错误RERR消息通知其他节点以修复路由。在RERR消息中，指明了由于何种错误而导致无法到达的目的节点。每个接收到RREQ的节点都保留了一个“先驱列表”，用来帮助完成错误报告功能，在这个列表中保存了当前节点的一个相邻节点，而这个相邻节点的去往故障节点的下一跳就是当前节点11。3.23.2传感器模块电路设计传感器模块电路设计DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用陕西理工学院毕业设计第8页共50页的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，使其成为该类应用中，在苛刻应用场合的最佳选择。产品为4针单排引脚封装，连接方便13。其亮点在于，成本低、长期稳定、相对湿度和温度测量、品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、超长的信号传输距离、数字信号输出、精确校准。可以应用在暖通空调、除湿器、湿度调节器、医疗等相关领域。DHT11传感器的特点如下：1.相对湿度和温度测量。2.全部校准，数字输出。3.卓越的长期稳定性。4.无需外加器件。5.超长的信号传输距离。6.超低能耗。7.4引脚安装。8.完全互换。信息采集的原理为：温湿度信息的获得是通过M0上的DHT11数字温湿度传感器实现的。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。DHT11期间采用简单的单总线通信，系统中的数据交换、控制均由单总线完成。单总线传送数据位定义：DATA用于微处理器与DHT11之间的通信同步，采用单总线数据格式，一次传送40bit数据，高位先出。数据格式为8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit检验位（检验位的值为前四者和的低8位）。用户主机（MCU）发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40bit数据，并触发一次信息采集。引脚说明：建议接线长度短于20米时，用5K上拉电阻，大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。引脚1：VDD供电3-5.5V引脚2：DATA串行数据，单总线引脚3：NC空脚，悬空引脚4：GND接地，电源负极传感器上电后，要等待1s以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波。串行接口（单线双向）：a.单总线说明DHT11器件采用简化的单总线通信。单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制均由单总线完成。设备（主机或从机）通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其它设备使用总线；单总线通常要求外接一个约5.1k的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为高电平。由于它们是主从结构，只有主机呼叫从机时，从机才能应答，因此主机访问器件都必须严格遵循单总线序列，如果出现序列混乱，器件将不响应主机6。b.单总线传送数据位定义DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步采用单总线数据格式，一次传送40位数据，高位先出。数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验位。c.校验位数据定义“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据”8bit校验位等陕西理工学院毕业设计第9页共50页于所得结果的末8位。d.数据时序图用户MCU发送一次开始信号后DHT11从低功耗模式转换到高速模式等待主机开始信号结束后DHT11发送响应信号送出40bit的数据并触发一次信号采集用户可选择读取部分数据.从模式下DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集如果没有接收到主机发送开始信号DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。VCCGND单总线信号说明：主机信号DHT信号主机发开始信号DHT响应信号数据“0”拉高并延时信号拉高延时准备信号数据“1”丛机拉低50us数据传送结束上拉电阻拉高总线图3.3数据时序图e.外设读取（1）DHT11上电后，测试环境温湿度数据，并记录数据，同时DHT11的DATA数据线由上拉电阻拉高一直保持高电平；此时DHT11的DATA引脚处于输入状态，时刻检测外部信号。（2）微处理器的IO设置为输出同时输出低电平，且低电平保持时间不能小于18ms，然后微处理器的IO设置位输入状态，由于上拉电阻，微处理器的IO即DHT11的DATA数据线也随之变高，等待DHT11作出回答信号。主机信号从机信号18msVCCGND主机拉低后释放总线图3.4主机发送起始信号（3）DHT11的DATA引脚检测到外部信号有低电平时，等待外部信号低电平结束，延迟后陕西理工学院毕业设计第10页共50页DHT11的DATA引脚处于输出状态，输出80us的低电平作为应答信号，紧接着输出80us的高电平通知外设准备接受数据，微处理器的IO此时处于输入状态，检测到IO有低电平（DHT11回应信号）后，等待80us的高电平后的数据接收。VCCGND开始发送信号80us80us主机信号从机信号图3.5发送信号（4）由DHT11的DATA引脚输出40位数据，微处理器根据IO电平的变化接收40位数据，位数据“0”的格式为：50us的低电平和26-28us的高电平；位数据“1”的格式为：50us的低电平加70us的高电平。50us26us-28usVDD主机信号从机信号GND图3.6位数据“0”的格式50us70usVCCGND主机信号从机信号陕西理工学院毕业设计第11页共50页图3.7位数据“1”的格式测量分辨率:测量分辨率分别为8bit（温度）、8bit（湿度）14。电气特性:VDD=5V，T=25，除非特殊标注表3.8电气特性表参数条件MinTypMax单位供电DC3供电电流测量0.555.52.5VmA供电电流平均0.21mA供电电流待机100150uA采样周期秒1次DHT11的工作原理图如图3.9所示：DHT11DATA1Pin2Pin4PIinVDDVDD5KGND16图3.9DHT11的工作原理图3.33.3无线模块无线模块电路设计电路设计3.3.13.3.1ZigBeeZigBee无线收发器无线收发器CC2530CC2530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。图中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。3.3.23.3.2ZigBeeZigBee协调器节点的硬件设计协调器节点的硬件设计为实现ZIGBEE通信，选用CC2530为通信处理核心器件。CC2530是TI公司推出的新一代ZigBee无线单片机系列芯片。CC2530除了包括RF收发器外，还集成了加强型8051单片机、它具有264128kB可编程闪存和8kB的RAM，以及ADC、看门狗等。CC2530可工作在2.4GHz频段，采用低电压(2.03.6V)供电，待机时电流消耗仅0.2A，但灵敏度高达-91dBm、最大输出为+0.6dBm、最大传送速率为250kbps。CC2530仅需添加少量的外围元件就可以完成ZIGBEE通信功能的硬件实现15。陕西理工学院毕业设计第12页共50页在硬件设计上它采用流水线结构，机器周期由标准的12个系统时钟周期降到1个，因此指令执行速度有很大的提高。具有64个IO引脚每个端口都可以配置成推挽或漏极开路输出，可以满足本系统IO口需要。该芯片除了具有标准8051的数字外设之外，片内还集成了许多有用的模拟和数字外设及功能部件，如模拟多路开关、可编程增益放大器、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、看门狗定时器等支持在系统编程和调试等，本系统主控单元由单片机与CC2530共同完成数据的收集、存储、显示。ZigBee协调器节点硬件设计，该节点由无线收发器CC2530、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，用于RF口最合适的差动负载是(115+j180)。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