毕设报告-基于zigBee的温度监测系统设计与实现

南昌航空大学东软班 毕设报告基于 zigBee 的温度监测系统设计与实现学生姓名： 班级：指导老师：摘要随着生产技术的发展，温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。传统的温度采集系统，主要方式是有线连接节点，此方法的特点是布局复杂和可扩展性差。事实上，在某些领域有线连接方式甚至不能应用。因此，最理想的方法是采用无线连接收集和传送数据。作为新兴的短距离，低功耗低成本的无线通信技术，zigbee 已广泛应用于工业控制，消费性电子，家电自动化，医疗监控等领域。 本文在对无线传感器及其网络协议技术分析的基础上，设计出一种基于 zigbee 为基础的无线温度采集系统。用基于 zigbee 网络的无线方式通过温度测量节点收集温度数据。通过串口通信线路连接主要节点和前端电脑。然后，电脑存储温度数据至数据库，以便实现数据的统一管理。论文首先介绍了 Zigbee 技术研究内容以及无线传感器网络的研究现状。随后总结了 Zigbee 技术的优点，接下来对 Z-Stack 协议栈结构进行了分析。接着介绍了系统的硬件和软件设计。首先从硬件方面论述了温度传感器模块、数据汇聚模块的系统构成。接着论述了系统的软件设计，主要对上位机用户监控界面的设计和温度传感器模块、数据汇聚模块的设计这三部分进行了介绍。数据汇聚模块实现组建网络、分配网络地址的功能，温度传感器模块实现加入网络、数据采集、数据存储、数据上传、通信、等功能。 关键词：Zigbee ，无线传感器网络，多点温度采集， Z-StackAbstractWith the development of producing technology, monitoring techniques of temperature data are being applied to all kinds of industrial process control systems and gradually showing the feature of far-distant and networking. In the traditional temperature acquisition system, the method to connect nodes is wired, this way possesses the characteristic of complex layout and poor extensibility. In fact, the wired way even cannot be utilized in some application. Therefore, the ideal way to collect and transmit data is employing wireless connection. As a kind of emerging short-distant, low-power consumption and low-cost wireless communication technology, ZigBee has be widely introduced to industry controlling, consumer electronics, appliance automation, medical monitoring and so on. In this Paper，on the basis of the wireless sensor network Protocol analysis technology，, a kind of temperature acquisition system which based on ZigBee wireless transmissio南昌航空大学东软班 毕设报告n technology is designed in this article, the temperature data collected through the temperature measuring nodes is transmitted to the major-node by ZigBee network in a wireless method, the major-node communicates with the upper computer through the serial port line, thereafter, the PC stores the temperature data into the database in order to realizing the uniformly controlof the data. Firstly, the general research situation in the field of Zigbee and the development trend are reviewed. It also reviews the research content of the WSN. Then the paper discusses the network Structure .Following the paper takes an in-depth study of the Z-Stack designed by TI. In the field of hardware design ,the structure of modules is described in details including the temperature sensor module and the data acquisition module .Inthe software design ,GUI and modules software are discussed, which includes the formation of networks ,address assignment ,join the network ,data acquisition, data storage ,data upload, communication. Key words: Zigbee, wireless sensor network, Multi-Node Temperature Acquisition ,Z-Stack1.本文研究背景与意义随着生产技术的不断提高，温度指标对生产效率、生活水平等影响越来越广泛，温度采集被广泛应用于众多场合，而传统的温度采集系统，节点的连接方式大多数是使用有线连接，但是，有些情况下，监测点多，布线困难，这时更适合使用无线的方式进行数据采集和传输。技术是一种网络容量大、结构简单、低功耗的无线通信技术，并且能够自动组网，布局灵活方便。本文把技术与测温技术结合到一起，具体阐述了基于技术的温度监测系统的设计与实现。ZigBee 的出现是无线通讯市场持续繁荣的有力保障。ZigBee 是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据 802.15.4 标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波南昌航空大学东软班 毕设报告将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。一般而言，随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee 技术将是最低功耗和成本的技术。同时由于 ZigBee 技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了 ZigBee 技术适合于承载数据流量较小的业务。所以 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。虽然 ZigBee 应用越来越多，芯片出货量也连年递增，但总体来说，ZigBee 市场仍然处于起步探索阶段，还没有真正上量起飞，主要表现在在于可应用的终端商用产品还多处于研发阶段，真正上市的不多，具有典型应用的方向和领域便少，点对点的应用较多，体现 ZigBee 优势的网状网络应用少，缺乏体现 ZigBee 大型组网应用。虽然 ZigBee 在艰难中前进，但未来整个 ZigBee 产品还是值得我们期待，从技术标准层面上来看，未来 ZigBee将紧密迎合物联网大概念方向趋势的发展，努力扮演好传输层界面上的角色，在 ZigBee 联盟的推动下，ZigBee 技术将朝着开发 SoC(片上系统)，更多规范，于 IPV6 结合，更廉价，更省电，更快速等方向发展。从应用领域和方向方面来看，ZigBee 完全有机会开拓在目前大然的智能手机领域中的应用，目前智能手机领域里短距离数据传输主要是通过蓝牙方式来实现，但相比于蓝牙，ZigBee 的低功耗更具有优势，2 节 5 号干电池可支持 1 个节点工作 624 个月，甚至更长，相比较，蓝牙能工作数周，WiFi 只能工作数小时。毫无疑问，在大力推广物联网技术的今天，zigbee 符合现代人高效，节能，环保的生活标准，这些特点将会使它拥有广阔的发展前景。2.关于 ZigBee 技术2.1 ZigBee 技术简介ZigBee 技术是一种新兴的短距离、低速率、低复杂度的无线通信网络技术，它是一种介于射频识别技术（RFID）和蓝牙（Bluetooth）技术之间的无线通信技术方案，主要用于短距离无线通信。其技术标准是在 IEEE802.15.4 工作小组制定的 IEEE802.15.4 标准的基础上发展而来，ZigBee 无线技术以其低速率、低时延、低功耗、低成本、低复杂度等优点填补了无线通信技术的空缺，特别是 ZigBee 技术和传感器技术相结合，能够组建无线传感器网络，实现数据采集、数据处理和无线数据通信等多种功能。2.2 ZigBee 网络的形成一个 ZigBee 网络的形成，必须由 FFD 率先担任网络协调器，由协调器进行扫描搜索以发现一个未用的最佳信道来建立网络；再让其它的 FFD 或是 RFD 加入这个网络，需要注意的是 RFD 只能与 FFD 连结。事实上，人们可根据装置在网络中的角色和功能，预先对装置编制好程序。如协调器的功能是通过扫描搜索，以发现一个未用的信道来组建一个网络；南昌航空大学东软班 毕设报告路由器(一个网络中的 Mesh 装置)的功能是通过扫描搜索，以发现一个激活的信道并将其连接，然后允许其它装置连接；而末端装置的功能总是试图连接到一个已存在的网络。2.2 ZigBee 技术运用前景(1)在传感器网络领域：传感器网络被称作为未来十大技术之一，由传感器和 ZigBee装置构成监控网络，可自动采集、分析和处理各个节点的数据，适合于农业、工业、医学、军事等需要数据自动采集并要求网络传输的各个领域。ZigBee 技术的其它应用还相当广泛，如照明、安全、物流管理等。更多的应用将取决于业界标准化组织、应用开发商和用户的进一步设计与完善。 (2)在工业领域： ZigBee 技术有助于改进公共设施和能源管理、物流和库存追踪、安全性和访问控制，它也能够跟踪其它系统以实现预防性维护和性能监控。例如危险化学成分的检测、火警的早期检测和预报、照明系统的检测和控制，生产机台的流程控制、高速旋转机器的检测和维护等，都可借助 ZigBee 网络提供相关信息，以达到工业与环境控制之目的。利用传感器和 ZigBee 网络，使得数据的自动采集、分析和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。这些应用不需要很高的数据吞吐量和连续的状态更新，重点在低功耗，从而最大程度地延长电池的寿命，减少 ZigBee 网络的维护成本。 (3)在汽车上：主要是传递信息的通用传感器。由于很多传感器只能内置在飞转的车轮或者发动机中，比如轮胎压力监测系统，这不仅要求采用无线技术，而且要求内置的无线通信装置使用的电池寿命长，最好超过或等于轮胎本身的寿命；同时还应该克服嘈杂的环境和金属结构对电磁波的屏蔽效应。 (4)在家庭和楼宇自动化领域：家庭自动化系统和楼宇自动化领域，作为电子技术的集成被得到迅速扩展。易于进入、简单明了和廉价的安装成本等成了驱动自动化居家和建筑开发和应用无线技术的主要动因。未来的家庭将会有 50150 个支持 ZigBee 模块被安装在电视、灯泡、遥控器、儿童玩具、游戏机、门禁系统、空调系统、烟火检测器、抄表系统、无线报警、安保系统、HVAC 、厨房器械和其它家电产品中，通过 ZigBee 收集各种信息，传送到中央控制装置，或通过遥控达到远程控制之目的，提供家居生活更朝向自动化、网络化与智能化，以有效增加人们居住环境之方便性与舒适度。图 2 是来自West Technology Research Solusion 分析报告的数据，这还是 2004 年 3 月时对 ZigBee芯片需求量预测。 Chipcon 的 Chiu 曾经说过：“ZigBee 的主要优势在于该类产品可以联网，同时还具有可互操作、高可靠及高安全等特性。许多应用现在已经能够在不使用电缆的情况下进入家庭和建筑当中，将来还可通过远程控制(甚至可以是手机)来实现对楼宇自动化装置的管理。 ”(5)在精确农业：传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械装置，主要依靠人力监测作物的生长状况。采用了由成千上万个传感器构成的比较复杂的 ZigBee 网络后，农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的装置来耕种。传感器可能收集包括土壤湿度、氮浓度、pH 值、降水量、温度、空气湿度和气压等信息。这些信息和采集信息的地理位置经由 ZigBee 网络传递到中央控制装置供农民决策和参考，这样农民能够及早而准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量。 南昌航空大学东软班 毕设报告(6)在医学领域：将借助于各种传感器和 ZigBee 网络，准确而且实时地监测病人的血压、体温和心跳速度等信息，从而减少医生查房的工作负担，有助于医生作出快速的反应，特别是对重病和病危患者的监护和治疗。 (7)在消费和家用自动化市场：可以联网的家用装置有电视、录像机、无线耳机、PC 外设(键盘和鼠标等)、运动与休闲器械、儿童玩具、游戏机、窗户和窗帘、照明装置、空调系统和其它家用电器等。近年来，由于无线技术的灵活性和易用性，无线消费电子产品已经越来越普遍、越来越重要；同时基于 Zigbee 技术的遥控器可以实现全球漫游和无缝使用，从而在一定程度上降低这些装置的生产和使用成本。Chipcon 等公司已经看到了巨大的市场需求，正在开发新产品以增强消费电子产品的性能。 (8)在道路指示、方便安全行路方面：如果沿着街道、高速公路及其它地方分布式地装有大量路标或其它简单装置，你就不再担心会迷路。安装在你汽车里的装置会告诉你，你现在所处的位置、正向何处去。虽然从全球定位系统(GPS)也能获得类似服务，但是这种新的分布式系统会向你提供更精确、更具体的信息。即使在 GPS 覆盖不到的楼内或隧道内，你仍能继续使用此系统。事实上，你从这个新系统能够得到比 GPS 多得多的信息，如限速、前面那条街是单行线还是双行线、前面每条街的交通情况或事故信息等。使用这种系统，还可以跟踪公共交通情况，你可以适时地赶上下一班车，而不至于在寒风中或烈日下在车站等上数十分钟。基于这样的新系统还可以开发出许多其它功能，例如在不同街道根据不同交通流量动态调节红绿灯，追踪超速的汽车或被盗的汽车等。当然，应用这一系统的关键问题在于成本、功耗和安全性等方面，而这正是 802.15.4 要解决的问题2.3 Zigbee 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（Full Function Device，FFD） ，另一种是精简功能设备（Reduced Function Device，RFD） 。在 PAN（PersonalArea Network）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5。 南昌航空大学东软班 毕设报告星型和簇树型网络拓扑结构 3.系统的整体结构整个系统是由显示器，主节点处理器，协调器，若干子节点处理器和与子节点匹配的无线温度湿度传感器以及路由器组成。其中主节点主要是由显示器，ARM Cortex-M0 系列的 LPC1114 处理器和协调器组成；子节点是由 ARM Cortex-M0 系列的 LPC1114 处理器，无线温湿度传感器及路由器组成。协调器和路由器的主要部件都是 QAZ2000 ZigBee 无线透传模块。系统结构图如下：南昌航空大学东软班 毕设报告4.硬件模块介绍4.1 开发板是 TinyM0，是 Cortex-M0 的内核开发平台，核心控制器是基于 NXP 公司推出的 LPC1100/LPC1200 系列微控制器。本设计的微控制器是 LPC1114，LPC1114 是基于 ARM Cortex-M0 的微控制器，可用于高集成度和低功耗的嵌入式应用。ARM Cortex-M0 是第二代内核，他提供一个简单的指令集，可以实现确定性行为。LPC1114 CPU 的工作频率高达50MHz。LPC1114 的外设包括：高达 32kB 的 Flash、8kB 的数据存储器、一个 Fast-mode Plus 的 I2C 接口、一个 RS-485/EIA-485 UART、两个 SSP 接口、4 个通用定时器，以及多达 42 个通用 I/O 引脚。下图是 LPC1114 的方框图：南昌航空大学东软班 毕设报告下图为 TinyM0 电路原理图：南昌航空大学东软班 毕设报告4.2 无线温湿度传感器模块采用的是 DHT11，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。传感器性能说明:典型应用电路：4.3 ZigBee 是选用的 QAZ2000 无线透传模块，其功能主要是实现串口转 ZigBee 无线数据透明传输。它基于 TI 公司 C