基于ZigBee技术的环境监测系统.doc

摘要摘 要无线传感器网络是当今国际备受关注的前沿热点领域，被评为未来高科技的三大产业之一。无线传感器网络是由大量分布的不同规格和功能的具有感知、计算和通信能力的微型传感器节点通过自组织的方式构成的一个以数据为中心的无线网络。大量传感器节点通过相互之间的分工协作，可实时感知、监测和采集分布区域内的监测对象或周围环境的信息。IEEE组织和ZigBee联盟提出的IEEE ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，十分适合担当组织无线传感器网络的重任，有着极其重要的研究价值。本文研究分析ZigBee技术的基本理论，剖析ZigBee技术的组网方式，结合国内目前已有的传感器技术，提出了用于环境监测的无线传感器网络系统方案。系统由传感器节点、路由节点、中心节点和上位机监测平台组成。传感器采集网络由传感器节点组成，采集温湿度、烟雾等环境变量信息；每个传感器节点均带有液晶显示、按键操作和232通讯功能，既可作为无线网络的节点，又可单独作为传感器测量系统；路由节点负责转发数据，增加该节点可大大扩展无线传输距离；中心节点接收各个传感器节点发送的数据，并送到上位机软件显示，分析和存储。本文完成了小型ZigBee星型网和网状网的搭建，实现了环境参数的连续检测，传感器测量数据准确可靠。并对传输距离进行了实际测量，满足预期效果。关键词无线传感器网络 ZigBee 环境监测 CC2530 IAbstractAbstractNowadays，wireless sensor networks attracts more and more attentions in the front edge technology，which is appraised as one of the three future high-tech industriesWireless Sensor Network(WSN) is short-range wireless network consisiting of densely deployed large number of sensor nodes with different specs and functiongEach sensor node has ability of appereceiving，computing and communicating，they form a network through ad-hoc modeThe sensor node periodically collects environment data and sends processed data or information to sinkSensor network can apperceive，inspect and gather the information of a given object or enviorment through wireless communication between each nodeZigBee technology，proposed by IEEE organization and ZigBee alliance,with the characters of low-complication，low-power，low-data-rate，and low-cost，is suitable to take on the task of building the wireless sensor networksThus ZigBee has an extremelv important worth for reaserchThis paper analysed the basic theory of ZigBee technology and the building of ZigBee networks，combined with domestic sensor technology currently，the wireless sensor network system for environmental monitoring is madeThe system is composed of sensor nodes，routing nodes，central node and the host computer monitoring the platformThe sensor network is consisted of sensor nodes located in the offices，the network is used to gather environmental variables including temperature，fog，etc；each sensor node contains a liquid crvstal display,key operation and 232 communication，each sensor node can be used not onlv as a wireless network node，but also as a separate sensor system；routing nodes are responsible for transmitting data，the nodes can greatly increase the distance of wireless transmission；the central node receives all datas sent by sensor node，then software on the host computer displays，analysises and storages all datasWe have completed a small ZigBee star network and mesh network structuresrealized detecting the environmental parameters continuously，the measurement results of sensors are accurate and reliableAnd the distance of wireless transmission has been measured actually,the result expected to meet the requirementKeywordswireless sensor network ZigBee environmental monitoring CC2530III燕山大学本科生毕业设计（论文） 目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 国内外研究现状21.3 研究的主要内容4第2章 硬件系统设计52.1 系统设计方案52.2 微处理器模块72.3 数据采集模块82.3.1 温湿度传感器DHT-1182.3.2 烟雾传感器MQ-2122.4 串口通信模块122.5 供电模块132.6 本章小结14第3章 软件系统设计153.1 上位机监控软件设计153.2 节点程序设计流程与开发平台163.3 ZigBee网络节点的软件设计173.3.1 协调器软件设计173.3.2 终端设备节点的软件设计193.4 传感器数据采集软件设计213.4.1 温湿度传感器程序213.4.2 烟雾传感器程序213.5 本章小结23第4章 系统测试与实验结果分析244.1 软件测试244.1.1 软件编译与烧写244.1.2 软件测试254.2 硬件测试264.3 温湿度传感器节点测试结果分析264.4 上位机软件介绍及应用284.5 本章小结29结论30参考文献31致 谢33附录134附录239附录344附录45033第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题背景近年来，随着无线传感器网络技术的迅猛发展，以及人们对于环境保护和环境监督提出的更高要求，越来越多的企业和机构都致力于在环境监测系统中应用无线传感器网络技术的研究。通过在监测区域内布署大量的廉价微型传感器节点，经由无线通信方式形成一个多跳的网络系统，从而实现网络覆盖区域内感知对象的信息的采集量化、处理融合和传输应用1-2。与传统的环境监测手段相比，使用传感器网络进行环境监测有三个显著的优势：一是网络的自组性提供了廉价而且快速部署网络的可能；二是现场采集的数据可通过中间节点进行(路由)传送，在不增加功耗和成本的前提下，可将系统性能提高一个数量级；三是网络的健壮性、抗毁性满足了某些特定应用的需求3。基于无线传感器网络的环境监测系统适合于在煤矿、油田安全监测，温室环境监测、环保部门的大气监测、突发性环境事故的预测及分析、特殊污染企业的监测，生物群种的生态环境监测以及家庭、办公室及商场空气质量监测等领域应用4。利用无线传感器网络实现环境监测的应用领域一般具有以下特点5：(1)无人环境、环境恶劣或超远距离情况下信息的采集和传送，保证系统工业级品质安全可靠。(2)生物群种对于外来因素非常敏感，人类直接进行的生态环境监控可能反而会破坏环境的完整性，包括影响生态环境中种群的习性和分布等。(3)需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备相对比较多，但仅仅用于监测或控制。(4)系统实施、运行费用要低，无需铺设大量电缆，支持临时性安装，系统易于扩展和更新。(5)具有数据存储和归档能力，能够使大量的传感数据存储到后台或远程数据库，并能够进行离线的数据挖掘，数据分析也是系统实现中非常重要的一个方面。环境监测是一类典型的传感器网络应用，在实际的应用中还有很多关键技术，包括节点部署、远程控制、数据采样和通信机制等6。由于传感器网络具有很强的应用相关性，在环境监测应用中的关键技术需要根据实际情况进行具体的研究。并且随着无线传感器网络技术的日益成熟和完善，我们还可以在各个方面开展许多新的应用，比如军用传感网络可以监测战场的态势；交通传感网络可以配置在交通要道用于监测交通的流量，包括车辆的数量、种类、速度和方向等相关参数：监视传感网络可以用于商场、银行等场合来提高安全性。可以预见，随着无线传感设备性价比的提高以及相关研究的不断深入和传感网络应用的不断普及，无线传感器网络将给人们的工作和生活带来更多的方便。1.2 国内外研究现状无线传感器网络是由大量节点组成的面向任务的分布式网络，它综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信、分布式信息处理等多领域技术，通过各类微型传感器实时采集信息，由嵌入式微处理器对信息进行加工处理，并通过无线通信网络将信息传送至远程用户7-8。在国防安全、工农业领域各种控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和实用价值，具有十分广阔的应用前景。无线传感器网络技术作为信息科学技术领域的前沿性技术，已经引起了学术界和工业界的广泛关注。国外的许多大学和研究机构纷纷投入大量研发力量从事无线传感器网络软硬件系统的研究工作。最具代表性的是美国加州大学伯克利分校和因特尔公司联合成立的“智能尘埃”实验室，它的目标是为美国军方提供能够在一立方毫米的体积内自治地完成感知和通信功能的设备原型系统，也就是无线传感器网络节点的研制。这项工作从1998年开始到2001年结束，受到了美国国防预先研究计划局的支持。在随后的几年里，加州大学伯克利分校有多个实验室开始了关于无线传感器网络及其相关的工作，如：NEST(Network Embedded Systems Technology)、WEBS(Wireless Embedded System)、BARWAN(Bay Area Research Wilreless Access Network)、BWRC(Berkeley Wireless Research Center)等实验室，从不同的角度对无线传感器网络进行了大量具有开创性的研究。美国其它大学也在无线传感器网络方面开展了大量研究工作。如加州大学洛杉矶分校的CENS(Center for Embedded Networked Sensing)实验室、WINS(Wireless Integrated Network Sensors)实验室、NESL(Networked and Embedded Systems Laboratory)实验室、LECS(Laboratory for Embedded Collabotative Systems)实验室、IRL(Internet Research Lab)等。另外麻省理工学院(MIT)从事着极低功耗的无线传感器网络方面的研究，被业界广泛关注的SPIN(Sensor Protocols for Information via Negotiation)协议也是出自MIT；奥本大学从事了大量关于自组网传感器网络方面的研究，并完成了一些实验系统的研制；宾汉顿大学计算机系统研究实验室在移动自组网络协议、传感器网络系统的应用层设计等方面作了很多研究工作；州立克利夫兰大学的移动计算实验室在基于IP的移动网络和自组织网络方面结合无线传感器网络技术进行了研究。另外，贝利亚桑那大学的无线网络研究实验室、莱斯大学多媒体通信实验室的无线个人局域网工作组、斯坦福大学的无线传感器网络实验室、新泽西州立大学的无线传感器网络实验室、南加州大学的RESL(The Robotic Embedded Systems Laboratory)实验室、西密西根大学的无线传感器网络实验室。此外新加坡国立大学的无线传感器网络实验室等也有关于无线传感器网络方面的研究。传感器网络在生态环境监测方面的应用非常典型。美国加州大学伯克利分校计算机系Intel实验室和大西洋学院(The College ofthe Atlantic，COA)联合开展了一个名为“insitu”的利用传感器网络监控海岛生态环境的项目。该研究组在大鸭岛(Great Duck Island)上部署了由43个传感器节点组成的传感器网络，节点上安装有多种传感器以监测海岛上不同类型的数据。如使用光敏传感器、数字温湿度传感器和压力传感器监测海燕地下巢穴的微观环境，使用低能耗的被动红外传感器监测巢穴的使用情况。我国现代意义的无线传感网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，1999年首次正式出现于中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动化领域研究报告中，作为该领域提出的五个重大项目之一。随着知识创新工程试点工作的深入，2001年中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，引领院内的相关工作，并通过该中心在无线传感网络的方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，参加单位包括上海微系统所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、软件所等十余个研究所，初步建立传感网络系统研究平台，在无线智能传感网络通信技术、微型传感器、传感器节点、簇点和应用系统等方面取得很大的进展。近几年来，国家发改委、科技部、信息产业部等均启动了在无线传感器网络及自组织网络领域的研发项目。国家中长期科学和技术发展规划纲要(20062020年)将“传感器网络及智能信息处理”作为未来信息产业及现代服务业的重点方向。由于受到了学术界及产业界的普遍关注，无线传感器网络技术正以前所未有的速度发展着。国内的许多高校也掀起了无线传感器网络的研究热潮。清华大学、中国科技大学、浙江大学、华中科技大学、天津大学、南开大学、北京邮电大学、东北大学、西北工业大学、西南交通大学、沈阳理工大学和上海交通大学等单位纷纷开展了有关无线传感器网络方面的基础研究工作。一些企业如中兴通讯公司等单位也加入无线传感器网络研究的行列。1.3 研究的主要内容本设计以TI公司ZigBee芯片CC2530为控制核心，实时监测目标环境内温度，湿度，烟雾等工业参数，并将实测值与人工设定的超限制进行对比，若实测值超过设定的范围，则语音报警。系统能对大面积的多点温度，湿度以及烟雾进行监测，并将数据传输到PC机上进行数据存储与分析。整个监测网络是由基于ZigBee技术的无线温、湿度传感器节点和ZigBee无线网关组成。无线温、湿度节点放置于需要测量的现场，执行温度和湿度数据采集、预处理和发送等工作。通过无线传感器发送给接收节点，最后实时的显示温、湿度信息和烟雾情况。第2章 硬件系统设计 第2章 硬件系统设计环境监测具有区域内的监测点数量多、监测时间长、监测情况复杂等特点。针对传统环境监测手段的网络布局困难、节点智能化程度低等缺点，设计了基于ZigBee协议的无线传感器环境监测网络系统。无线传感器网络是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区域需要监测的各种信息，并对这些信息进行处理后以无线的方式传送，通过无线网络最终发送给监控中心。在ZigBee传感器网络中，传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，在采集、接收、处理及发送数据进的同时，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，并与其他节点协作完成一些特定任务。这里设计一套简单无线环境监测系统，实时检测某特定环境中的空气质量、温度和湿度，为环境控制和管理提供准确的数据。本设计采用了温湿度和烟雾传感器两种适用于环境监测的传感器作为无线网络的传感器节点。可以将这些传感器节点分布于室内或室外环境中的各个角落。在网络协调器(即中心节点)的无线覆盖范围之内，布置若干个路由节点和终端节点，实现网络管理和互相通信。根据系统的需要，传感器节点应具备以下功能：(1)传感器信号的采集和处理。(2)无线数据的发送或转发。(3)液晶显示和键盘输入，友好的人机交互界面。(4)RS232通讯功能。2.1 系统设计方案无线传感器网络的节点通常由传感器模块、微处理器模块、无线通信模块和电源模块构成。微处理器和无线通信模块采用支持ZigBee协议的片上系统级芯片CC2530，大大简化了射频电路的设计。传感器模块采用集成温湿度传感器DHT11和MQ-2型气体传感器，电源采用干电池供电。系统网络结构如图2-1所示。供电模块无线通信模块微处理器232串口通信模块计算机上位机软件图2-1 系统结构图微处理器模块负责控制整个节点的数据处理操作、路由协议、功耗管理、任务管理等，最主要的是需要实现网络安全可靠的通信协议;无线通信模块负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发数据。数据采集模块主要负责监测区域内信息的采集并将各种传感器(如温度、湿度、烟雾)采集的信号转变为数字信号并传送给微处理器模块。路由器节点和终端设备节点上都有数据采集模块。电源模块管理单元节点类型不同有不同的供电方式，在终端设备节点上，电源由两节1.5V碱性电池组成，协调器的电源是用USB供电或者交流电供电。协调器上有LCD，可以用来显示收发的命令和节点状态。按键可以用来控制绑定以及发送命令。在协调器上还有RS-232串口，与监控主机通讯。因为大气环境监测的地理形状可能比较复杂，而且有时候可能根据需要移动节点，节点位置不固定，要求系统能根据具体的地理位置调整监测的范围和传输路径，要求系统有很大的灵活性和自组织性，因此选择具有自组织式的和自恢复式的网状网络拓扑结构。2.2 微处理器模块微处理器是无线传感器节点的核心。它采集并处理传感器数据，与无线模块通讯并判断何时发送和接收这些数据，控制人机操作界面以及通过串口与上位机通讯。处理器必须运行各种程序，包括时间要求严格的信号处理、通信协议、以及应用程序。它是节点的中央处理单元(CPU)。多种处理任务可以在不同结构的处理器上执行，任务的分配需要考虑可行性、性能、能量效率以及成本之间的折中问题。图2-2 CC2530外围硬件电路原理图本设计中微处理器采用TI公司的CC2530芯片，它是ZigBee应用的一个真正的片上系统解决方案，它能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点。结合了性能优良的RF收发器、业界标准的增强型8051CPU、最大128KB的可编程闪存和8KB的RAM。CC2530具有不同的运营模式，使其特别适合于超低功耗要求的场合。由于CC2530芯片内集成了许多特色功能模块，因此，其典型的外围电路也就非常简洁。其中，主时钟晶振采用32MHZ无源晶振以及32.768KHZ时钟晶振；无线RF模块外围电路采用无巴伦的阻抗匹配网络；天线使用50欧鞭状负极性天线。CC2530配合很少的外围元件就可以组成无线通信模块。如图2-2所示。CC2530芯片的主要特点如下：(1)工作频带：2405MHz2480MHz(2)支持802.15.4、ZigBee2007、ZigBee PRO和ZigBee RF4CE等标准(3)主控芯片：CC2530F256(4)通信协议标准：IEEE 802.15.4(5)网络拓扑结构：星状、网状(6)数据传输速率：250Kbps(7)天线模式：外置天线 (8)通信范围：300米450米(9)接收灵敏度：-97dBm(10)发射电流：29mA(11)接收电流：24mA(12)工作温度：-4085(13)电源：2.0V3.6V(14)模块外形尺寸：4034mm2.3 数据采集模块数据采集模块的设计主要包括传感器的选择以及与微处理器的连接电路。本次设计基于大气环境监测，主要采集大气的温度，湿度和压力。在传感器的选择中，需要考虑量程，精度需求，供电电压以及功耗。经过对市场中的传感器各方面的比较，选用了DHT-11温湿度传感器测量环境的温度，湿度；选用MQ-2烟雾传感器测量烟雾情况。下面分别介绍这两个传感器的硬件电路。2.3.1 温湿度传感器DHT-11DHT11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13。它应用专用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与卓越的长期稳定性。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储存在OTP内存中，传感器内部在检测信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，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为4针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。其温湿度传感器参数如表2-1所示。表2-1 DHT11温湿度传感器特性参数参数条件MinTypMax单位湿度分辨率111%RH16Bit重复性1%RH精度254%RH0505%RH互换性可完全互换量程范围03090%RH252090%RH502080%RH响应时间1/e(63%)25，1m/s 空气61015S迟滞1%RH长期稳定性典型值1%RH/yr温度分辨率111161616Bit重复性1精度12量程范围050响应时间1/e(63%)630SDHT11的接口在功耗以及信号读取方面做了优化，通过类似于IIC的两线制串口接口与处理器直接连接。其与微控制器的接口如图2-3所示。SCK 用于微处理器与DHT11之间的同步通讯，可以接到微控制器的I/O口，通过I/O口模拟时钟信号来实现。由于接口包含了完全静态逻辑，所以不存在最小的SCK频率，但是当供电电压小于4.5V时最大频率为1MHz。DATA三态门用于数据的读取，DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效。数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA在低电平。需要一个外部的上拉电阻将信号提拉至高电平。图2-3 DHT11与微处理器接口电路图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,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下:一次完整的数据传输为40bit,高位先出。数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据 +8bit校验和数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。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,此时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。总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必须大于18毫秒,保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后,等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号.主机发送开始信号结束后,延时等待20-40us后, 读取DHT11的响应信号,主机发送开始信号后,可以切换到输入模式,或者输出高电平均可, 总线由上拉电阻拉高。总线为低电平，说明DHT11发送响应信号，DHT11发送响应信号后，再把总线拉高80us，准备发送数据，每1bit数据都以50us低电平时隙开始，高电平的长短定了数据位是0还是1。如果读取响应信号为高电平，则DHT11没有响应，请检查线路是否连接正常。当最后1bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。通信过程如图2-4所示。图2-4 DHT11通信过程2.3.2 烟雾传感器MQ-2本次设计的烟雾传感器用MQ-214。MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。该传感器需要施加2 个电压：加热器电压（VH）和测试电压（VC）。其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。VC 则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的电压（VRL）。这种传感器具有轻微的极性，VC 需用直流电源。在满足传感器电性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一个电源电路。为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值。其测试电路如图2-5所示。VcVHGNDRLVRL图2-5 MQ-2测试电路2.4 串口通信模块微控制器通过RS232与上位机通信。如图2-6所示。串口芯片选择MAX232，MAX232配备专有的低漏失电压发射器输出状态，通过双电荷泵，在3.0V至5.5V供压下，表现出真正的RS232协议器件性能，这些器件只需4个0.1F的外部小电容，用于电荷泵。发光二极管TX-LED，RX-LED用来观察MAX232工作是否正常，是否有数据通过该模块。图2-6 RS232电路对于终端节点，微控制器与232之间采用标准的MODBUS协议进行通讯，用于设置终端节点的系统参数。对于中心节点，微控制器将无线模块接收到的数据通过232传到上位机软件显示。2.5 供电模块无线传感器网络一般应具有移动性，所以节点大多数需要采用电池供电，从上面各章节可以看出，在硬件元器件的选取中，已经考虑到了尽量降低系统的功耗，各个模块的供电电压都比较低，综合比较，可以采用2节1.5V的碱性电池进行供电。电源原理图如图2-7所示。图2-7 电源电路图由于仿真器可以提供稳定的电压，也可以选择匹配电源。在电源模块的设计时，采用开关选择是否选用外接电池供电或者电脑供电，这样可以在调试和烧写程序的时候采用电脑供电，保持电压的稳定，在应用时采用电池供电。这样即可以简化电源电路的设计，又可以保证调试的正常进行。而协调器的电源则是应用USB供电或者交流电供电。2.6 本章小结本章主要对无线传感器网络测量节点的硬件进行了介绍，分为微处理器模块、数据采集模块、串口通讯模块、供电模块4部分。重点介绍了数据采集模块中传感器的选择以及传感器与微处理器的接口设计；微处理器的外围电路等电路的设计并给出了传感器和网络节点的实物图。第3章 软件系统设计 第3章 软件系统设计 3.1 上位机监控软件设计采用微控制单元控制的低层硬件可以通过上位机进行操控。上位机是一个软件系统，它提供一个友好的编辑界面和控制底层操作的端口。通过上位机，就可以监控设备的运行状态(是否正常、是否报警或故障)和发布命令，因此上位机广泛运用在工业控制中。图3-1 上位机软件控制图它提供了一个显示数据和控制节点工作的界面。图中只显示了节点1、节点2两个传感器节点采集到的数据，当上位机缓冲器接收到协调器传来的数据时，会触发一个串口消息事件，然后开始读取数据。上位机监控界面也可以对网络中的节点发送命令，按下“打开串口”和“关闭串口”按钮可以控制节点是否采集数掘，这些命令通过串口发送给协调器，然后通过协调群再将其转发到网络中的所有节点上，节点收到命令之后，会按照相应的命令进行操作。3.2 节点程序设计流程与开发平台在对节点进行软件设计过程中，需要经历软件平台安装、编程、生成可执行文件、写入可执行文件和软件调试等几个步骤，具体流程图如图3-2所示。开始安装软件平台编写程序生成可执行文件写入可执行文件修改程序测试是否通过否结束是图3-2 软件设计流程图本文的软件开发设计平台采用IAR Systems的IAR Embedded Workbench，编程语言采用C语言。由于C语言具有简单易懂、采用模块化的程序结构、编写效率高等特点，因此开发周期短、可读性高也便于修改。而IAR EW支持36种以上的8位16位32位ARM微处理器结构，使得用户在同一种软件界面下就能够对多种微处理器进行开发。IAR Embedded Workbench包含一个CC+优化编译器、汇编器、库管理员、项目管理器、连接定位器和C-SPY调试器。IAR EW生成的代码也非常简单，可以使用在处理能力更小的处理器上，从而降低了选择处理器的成本。IAR EWARM具有主要特点如下：(1)高度优化的IAR ARM CC+Compiler(2)IAR ARM Assembler(3)一个通用的IAR XLINK Linker(4)IAR XAR和XLIB建库程序和IAR DLIB CC+运行库(5)功能强大的编辑器(6)项目管理器(7)命令行实用程序(8)IAR C-SPY调试器3.3 ZigBee网络节点的软件设计节点软件系统大致分为主程序处理模块、初始化模块、建立网络及通信模块、数据采集转换模块，通信服务模块包括接收数据处理模块、发送模块等。主程序处理模块用来调用其它模块完成应该实现的功能；初始化模块用来初始化RAM、硬件电路的LED、串口等并设置模块的参数,包括内部各种寄存器的设置，工作模式的设置如波特率等,完成后开中断,循环等待中断；建立网络及通信模块用来建立网络并建立节点间联系，协调器给其他网络设备分配网络地址，建立绑定关系等；数据采集模块是来采集并处理模数转换后的传感器数据；数据处理模块用来接收并分析收到的信息，并对数据进行分析判断，或进行转换合并；发送模块是将信息打包后进行发送,包括发送到其他节点以及通过RS-232串行口发送到监控主机。3.3.1 协调器软件设计协调器上电后，初始化板上硬件、软件，建立网络：协调器通过扫描空信道尝试建立一个新的网络。作为扫描过程的一步，协调器从当前频带的第一个信道开始发送BEACON_REQ帧。如果有另一个协调器处于同一信道，它将响应BEACON_REQ，而原来的协调器将认为此信道已被占用。然后它会切换到下一个信道并重复该过程直到没有接收到任何对其BEACON_REQ帧的响应时为止。一旦找到某个信道为空，它会选择一个随机的个人区域网络（Personal Area Network，PAN）ID并开始侦听该信道。此时就建立了网络。从现在开始，如果另一个协调器广播BEACON_REQ 帧，我们原来的协调器将响应并声明其存在。该协调器准备开始接受新的终端设备节点加入其网络。当一个新的终端设备希望加入网络时，它首先会发出BEACON_REQ以检测是否存在协调器。一旦终端设备确认了在某个特定的信道上存在协调器时，它会开始进行关联或孤立通知过程，以加入或重新加入网络。ZigBee协议栈运行在一个OSAL(操作系统抽象层)操作系统上。该操作系统基于任务调度机制,通过对任务的事件触发来实现任务调度。每个任务都包含若干个事件,每个事件都对应一个事件号。当一个事件产生时,对应任务的事件就被设置为相应的事件号,这样,事件调度就会调用相应的任务处理程序。OSAL中的任务可以通过任务API将其添加到系统中,这样就可以实现多任务机制。当收到其他节点的加入网络的请求时，协调器会给这个节点分配一个网络地址。协调器节点在本设计中主要用来接收所有节点的数据，显示在自己的LCD上，并将接收到的数据全部上传至监控主机以便于数据的分析和保存。在此期间，也可以向下发送命令。若有多个设备节点同时向协调器节点发送请求,协调器节点来不及响应处理会丢掉一些请求,发现自己的请求未得到响应的设备节点过几秒钟再次发出请求,直到得到协调器节点的响应为止。协调器不休眠，它会一直处于正常工作状态。当协调器将网络建立好之后，协调器在网络中的作用与路由器相同。如果断掉协调器，网络还可以维持，即可以继续进行数据传输等，但是不能有新的节点加入。由于在设计中所有数据都发往协调器，如果协调器失效，会导致所有数据不断重发，影响网络运行。协调器主程序流程图如图3-3所示。它的事件主要有接收子节点发来的数据，将数据显示，上传至监控主机，按键命令等。初始化硬件初始化软件配置建立网络有节点加入网络？开始有待处理事件？处理事件给节点分配地址NNYY图3-3 协调器程序流程图3.3.2 终端设备节点的软件设计终端节点的软件主要实现以下功能：(1)数据采集功能：采集各个传感器的输出信号并进行数据分析存储。(2)数据显示功能：能够在LCD上将采集处理后的传感器数据实时显示。每个不同类型的传感器构成一个单独的节点，液晶显示当前环境下温度()、湿度(RH)和烟雾强弱。(3)数据传输功能：采用标准的MODBUS协议通过上位机修改系统参数。(4)与无线模块通讯：单片机将要发送的数据以特定的波特率通过串口送到无线模块发送。终端设备节点打开电源，上电后先进行软件和硬件的初始化，然后寻找是否有已经存在的可加入的网络。它加入网络时，加入到哪个节点下面也就是说成为谁的子节点是不能指定的，是由协议栈中路由成本最小的原则来选择加入的。终端节点的主程序流程图如图3-4所示。开始初始化硬件初始化软件配置加入网络成功？有待处理事件？休眠中断处理事件轮询NNYY图3-4 终端设备主程序流程图本设计中，终端节点加入网络后，进入事件循环。事件分硬件、网络层、媒体接入层、应用层等，均要查询各自的事件。如果没有事件，则节点进入休眠状态。如果有相应事件，则进行处理。节点在休眠期间，如果有外部中断或定时器中断，节点会恢复到工作状态，开始执行任务。3.4 传感器数据采集软件设计3.4.1 温湿度传感器程序温湿度传感器的详细测量方法已在2.3.1已经介绍了，在这里给出温湿度传感器采集信号的流程图。如图3-5所示。初始化温湿度传感器开启传感器加热停止传感器加热传感器软复位读温度值读湿度值LCD显示I/O初始化数据传输初始化读状态寄存器写状态寄存器图3-5 温湿度传感器采样流程图3.4.2 烟雾传感器程序本论文中，对于烟雾传感器主要解决的问题是严策烟雾传感器的烟雾浓度信号，然后对信号进行AD转换，数字滤波，线性化处理，浓度强弱显示。因为MQ-2型烟雾传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器不能立即正常采集烟雾信息，需要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。其主程序流程图为3-6所示。开始程序初始化传感器预热键盘扫描及键值处理A/D转换平均值法滤波线性化处理是否超过报警限浓度强弱显示设置指示灯状态进入警报处理程序YN图3-6 烟雾传感器流程图3.5 本章小结本章不要介绍了无线传感器网络节点的软件设计，包括温湿度和烟雾测量的程序设计；终端设备节点的软件设计；协调器软件设计和上位机软件设计。便于直观，每个程序设计都给出了相应的流程图并附加说明，包括数据处理，数据存储方式，节点加入网络的处理，各类事件相应，硬件初始化等等。经过实践的检验，最终设计环境监测系统可以稳定高效的运行。燕山大学本科生毕业设计（论文） 第4章 系统测试与实验结果分析4.1 软件测试4.1.1 软件编译与烧写软件是系统功能实现的关键，其性能好坏直接影响到系统的稳定性和可靠性。PC机通过CC Debugger仿真器，采用IAR软件开发平台，将程序编译下载到CC2530中。IAR公司的Embedded Workbench是一个适应各种不同CPU的目标系统开发的集成环境。它提供方便且功能丰富的窗口界面，使开发和调试的效率大大提高25。Embedded Workbench包含的实用工具有：（1）具有语法表现能力的文本编辑器；（2）编译器；（3）汇编器；（4）连接器；（5）函数库管理器；（6）实现操作自动化的Make工具；（7）内嵌C语言级和汇编级的调试器C-SPY。具体操作步骤如下：（1）启动IAR编译软件进入IAR Embedded Workbench IED界面。（2）在打开的界面中点击File项，之后点击new，选择Workspace选项。（3）在界面中点击Project项，选择Create New Project选项，保证Tool chain设置成CC2530，选择Project templates为Empty project，然后点击“OK”。在弹出的对话框里选择合适的路径并输入项目名称女Hprojectl，点击“保存”，该项目将出现在Workspace window中。（4）添加文件到项目之前，先保存Workspace，保存路径和Project的一致。（5）在Project项中选择Add Files添加源文件，从源程序所在路径选择源程序。（6）接下来进入IAR界面的主菜单ProjectOptions，弹出的对话框中主要设置Device为CC2530，Driver为CC Debugger，Connection为Lpt(并口仿真器)，然后点击“OK”。（7）编译前选择“Debug”，选择ProjectCompile编译项目文件。如有错误，按错误信息再返回IAR Embedded Workbench界面重新修改程序，再编译直到程序正确。（8）编译无误后，就可以进行仿真。连接仿真器，给目标板上电，点击Debug按钮，下载程序到目标板中，进入仿真界面，在该界面可以设置断点、观察变量、单步等，如有修改源程序，再重新回到步骤6。（9）重复上述操作，直到程序调试无误。整个操作过程并不复杂，但一定要注意其中的步骤3、5，这是关键的两步，初学时常常忘记设置Options项。整个系统一共编写了5套程序，分别是：中心节点程序、终端节点程序、温湿度程序、烟雾程序。4.1.2 软件测试（1）传感器采样程序测试26：以1 s或2s间隔频率采集各个传感器，连续采集24小时以上，观察LCD显示是否有异常数据出现。测试结果：采样正常，数据可靠。（2）单片机与无线模块通讯测试：单片机每采样到一次传感器信号，处理后及时将数据发送到无线模块，通过观察电路板上的通讯指示灯观察无线模块是否接收到数据。测试结果：无线模块接收正常