基于ZigBee技术的温湿度数据-采集系统设计

毕 业 设 计 摘要摘要 本设计提出了一种利用新型低功率 低成本的 ZigBee 无线网络技术来实现分布式 温湿度检测系统的方法 该方法采用了一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感 器芯片 SHT11 来对温湿度进行数据采集 并采用符合 ZigBee 标准的 CC2430 射频芯片作 为传感器节点的数据采集和处理单元 在 IAR 开发环境下编写和编译传感器节点程序 实现了无线传感器网络采集温湿度信号及传感器节点之间的数据传输功能 本设计对无 线传感器网络化农业工业等温湿度数据采集系统进行了测试和应用性试验 结果表明该 系统各项技术性能指标达到设计要求 具有推广和应用价值 关键词关键词 ZigBee 温湿度 SHT11 CC2430 无线传感网络 数据采集 1 Abstract This paper proposes a method to realize the distributed detection system of temperature and humidity using zigbee wireless network technology which is new low power low cost The method collects data on temperature and humidity by using a single chip relative humidity and temperature multi sensor comprising a calibrated digital output using the line with zigbee standard CC2430 radio chip as the sensor nodes in data collection After writing and compiling procedures in the IAR development environment sensor nodes achieve a wireless sensor network by collecting temperature and humidity signals and transmission data between nodes The design makes the application experiment on wireless sensor networks of agricultural industrial temperature and humidity data acquisition system the results show that the technical performance indicators meet the design requirement with the promotion and application value Keyword ZigBee Temperature and humidity SHT11 CC2430 Wireless sensor networks Data acquisition 2 目录目录 1 前言 4 2 无线传感器网络 4 2 1 无线传感器网络体系结构 5 2 2 无线传感器网络特点 6 2 3 无线传感网络的发展趋势 7 3 Zigbee 技术简介 8 3 1 Zigbee 技术的由来 8 3 2 Zigbee 的技术特点 8 3 3 Zigbee 协议栈 9 3 4 Zigbee 网络拓扑结构 9 4 系统总体方案设计 11 4 1 系统总体框架 11 4 2 无线传感网络节点设计 11 4 3 系统设计芯片的选择 12 4 3 1 SHT11 介绍 12 4 3 2 CC2430 介绍 14 4 3 3 RS 485 16 5 系统的硬件设计 17 5 1 采集单元设计 17 5 2 CC2430 单元设计 18 5 2 1 处理器单元设计 18 5 2 2 通讯模块设计 19 5 2 3 天线 19 6 系统的软件设计 20 7 系统测试 21 7 1 系统测试结果 23 7 1 1 组网测试结果 23 7 1 2 数据传输及显示测试结果 23 结论 24 参考文献 25 致谢 26 3 1 前言前言 目前的环境状况逐渐恶化 已引起人们广泛的关注 加强对环境的研究 防止进一 步的恶化 具有重大的意义 但是通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作 而微 型传感器的为随机的野外数据调查提供了便利 比如跟踪候鸟和昆虫的迁移 研究环境 变化对农作物的影响 监测海洋 大气和土壤的成分等以及精细农业中 以监测农作物 中的害虫 土壤的酸碱度和施肥状况等 传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便 快捷的技术实现手段 如果在住院 病人身上安装特殊用途的传感器节点 如心率和血压监测设备 利用传感器网络 医生 就可以随时了解被监护病人的病情 进行及时处理 还可以利用传感器网络长时间地收 集人的生理数据 这些数据在研制新药品的过程中是非常有用的 而安装在被监测对象 身上的微型传感器也不会给人的正常生活带来太多的不便 此外 在药物管理等诸多方 面 它也有新颖而独特的应用 除此之外 无线传感网络在空间探索 信息家电和智能家居都有着广泛应用 可以 想见无线传感网络将会是人感官与思维的极大延伸 而根据摩尔定律 无线传感网络的 节点将会更加趋于集成化 微型化和智能化 使我们的经济与社会发展得到更大的驱动 力 但到目前为止 我国的大棚 日光温室内环境主要仍靠人工经验来管理 缺乏系统 的科学指导 其栽培技术缺乏量化指标 主要靠管理者的经验 科技含量不足 只能被 动地实现保温 降温 遮阳和防雨 而不能主动地调节温 光 水 肥 气 这几乎成 了限制温室作物高产优质种植的主要障碍 可见 温室控制技术的发展 对于温室产业 乃至我国的农业现代化进程具有深远的影响 很多温湿度监测环境范围大 测点距离远 布线很不方便 这时就要采用无线技术的智能网络化传感器进行采集 在本设计系统中 各点的温湿度传感器 SHT11 将采集到的温湿度值送给 CC2430 进行处理 采用 RS 485 总 线作为计算机与测控网络的接口 能准确测量范围内的温湿度 又能解决布线不便的问 题 本设计的 ZigBee 技术的温湿度数据采集系统可被广泛应用于温湿度测量的工业 农 业 环保 服务业 安全监控等工程中 2 无线传感器网络无线传感器网络 无线传感器网络 WSN wireless sensor networks 是一种特殊的 Ad hoc 网络 由部署在 监测区域内大量具有特定功能的微型传感器节点通过无线通信方式形成的自组织网络 其目的是协同地感知 采集和处理网络覆盖区域内被监测对象的信息 并将该信息传送 到观察者 它不需要固定网络支持 具有快速展开 抗毁性强等特点 在军事国防 工 农业 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 4 多重要领域都有潜在的实用价值 已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视 被 认为是对 21 世纪产生巨大影响力的技术之一 2 1 无线传感器网络体系结构无线传感器网络体系结构 无线传感器网络结构如图 2 1 所示 传感器网络系统通常包括传感器节点 Sensor Node 汇聚节点 Sink Node 和管理节点 大量传感器节点随机部署在监测区域 Sensor Field 内部或附近 能够通过自组织方式构成网络 传感器节点监测的数据沿着其它传感 器节点逐跳地进行传输 在传输过程中监测数据可能被多个节点处理 经过多跳后路由 到汇聚节点 最后通过互联网或卫星到达管理节点 用户通过管理节点对传感器网络进 行配置和管理 发布监测任务以及收集监测数据 节点由于受到体积 价格和电源供给等因素的限制 通信距离较短 只能与自己通 信范围内的邻居交换数据 要访问通信范围以外的节点 必须使用多跳路由 为了保证 网络内大多数节点都可以与网关建立无线链路 节点的分布要相当的密集 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统 它的处理能力 存储能力和通信能力相 对较弱 通过携带能量有限的电池供电 从网络功能上看 每个传感器节点兼顾传统网 络节点的终端和路由器双重功能 除了进行本地信息收集和数据处理外 还要对其它节 点转发来的数据进行存储 管理和融合等处理 同时与其它节点协作完成一些特定任务 目前传感器节点的软硬件技术是传感器网络研究的重点 汇聚节点的处理能力 存储能力和通信能力相对比较强 它连接传感器网络与 Internet 等外部网络 实现两种协议栈之间的通信协议转换 同时发布管理节点的监测任 务 并把收集的数据转发到外部网络上 汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器 节点 有足够的能量供给和更多的内存与计算资源 也可以是没有监测功能仅带有无线 通信接口的特殊网关设备 5 图 2 1 传感器网络的系统结构和节点构成 2 2 无线传感器网络特点无线传感器网络特点 目前常见的无线网络包括移动通信网 无线局域网 蓝牙网络 Adhoc 网络等 与这 些网络相比 无线传感器网络具有以下特点 1 硬件资源有限 节点由于受价格 体积和功耗的限制 其计算能力 程序空间和 内存空间比普通的计算机功能要弱很多 这一点决定了在节点操作系统设计中 协议层 次不能太复杂 2 电源容量有限 网络节点由电池供电 电池的容量一般不是很大 其特殊的应用 领域决定了在使用过程中 不能给电池充电或更换电池 一旦电池能量用完 这个节点 也就失去了作用 死亡 因此在传感器网络设计过程中 任何技术和协议的使用都要以节 能为前提 3 无中心 无线传感器网络中没有严格的控制中心 所有结点地位平等 是一个对 等式网络 结点可以随时加入或离开网络 任何结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 多跳路由 刚络中节点通信距离有限 一般在几百米范围内 节点只能与它的邻 6 居直接通信 如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信 则需要通过中间节点进 行路由 固定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现 而无线传感器网络中的多跳是 由普通网络节点完成的 没有专门的路由设备 这样每个节点既可以是信息的发起者 也是信息的转发者 6 动态拓扑 无线传感器网络是一个动态的网络 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 一个节点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 为了对一个区域执行监测任务 往往有成千上万传感 器节点空投到该区域 传感器节点分布非常密集 利用节点之间商度连接性来保证系统 的容错性和抗毁性 2 3 无线传感网络的发展趋势无线传感网络的发展趋势 1 能耗低 无线传感器网络必须具备在无人值守的条件下长期工作的能力 同时组 成网络的节点数量众多 经常更换电池不切实际 因此节点的能量消耗必须达到最低 以延长工作时间 2 成本低 组成无线传感网络的节点数量很大 单个节点的价格必须很低 否则影 响系统成本 减少系统管理和维护的开销也可以降低系统成本 3 通用性 2002 年 美国电气和电子工程师协会 IEEE 制定了两个无线传感器网络 的相关标准 其中 IEEE 802 15 4 是低速无线个域网标准 IEEE l45l 是关于无线智能变送 器的接口标准 其网络协议标准还要进一步研究 4 网络拓扑 无线传感网络系统中的节点数量很多 节点之间以多跳传输的方式通 信 节点因为各种原因会加入或者退出网络 所以网络是动态变化的 这就要求设计符 合无线传感网络特点的网络拓扑结构 比如开销低 维护方便等 5 安全性 受到资源限制 无线传感网络的通信协议开销低 并且存在严重的安全 问题 入侵者不仅可以实现服务拒绝 而且传感节点之间是分布式自组网 很难实现严 密的安全防护 急需设计符合无线传感网络特点的安全机制 6 实时性 一些应用无线传感网络的监控系统对时间约束要求非常高 而无线传感 网络自身所具备的一些特点 如规模很大 网络拓扑动态变化 抗干扰能力不强等等 对实时设计来说是一个很大的挑战 7 智能性 无线传感器网络系统需要感知环境变化 通过节点间的协同工作来产生 7 需要的输出 由于其与物理世界密切相关 其高出错概率 易受干扰和不确定的特点使 传统的分布式系统解决方案无法适用 需要为其设计新的工作模式 3 Zigbee 技术简介技术简介 ZigBee 技术是一种近距离 低复杂度 低功耗 低速率 低成本的双向无线通讯技 术 主要用于距离短 功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典 型的有周期性数据 间歇性数据和低反应时间数据传输的应用 3 1 Zigbee 技术的由来技术的由来 蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信 息 这种肢体语言就是 ZigZag 行舞蹈 是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式 借此意义 Zigbee 作为新一代无线通讯技术的命名 在此之前 Zigbee 也被称为 HomeRF Lite RF EasyLink 或 FireFly 无线电技术 目前统称为 Zigbee 3 2 Zigbee 的技术特点的技术特点 ZigBee 是一种无线连接 可工作在 2 4GHz 全球流行 868MHz 欧洲流行 和 915 MHz 美国流行 3 个频段上 分别具有最高 250kbit s 20kbit s 和 40kbit s 的传输速率 它 的传输距离在 10 75m 的范围内 但可以继续增加 作为一种无线通信技术 ZigBee 具有 如下特点 1 低功耗 由于 ZigBee 的传输速率低 发射功率仅为 1mW 而且采用了休眠模式 功耗低 因此 ZigBee 设备非常省电 据估算 ZigBee 设备仅靠两节 5 号电池就可以维持长 达 6 个月到 2 年左右的使用时间 这是其它无线设备望尘莫及的 2 成本低 ZigBee 模块的初始成本在 6 美元左右 估计很快就能降到 1 5 2 5 美元 并且 ZigBee 协议是免专利费的 低成本对于 ZigBee 也是一个关键的因素 3 时延短 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短 典型的搜索设备时延 30ms 休眠激活的时延是 15ms 活动设备信道接入的时延为 15ms 因此 ZigBee 技术适用于对 时延要求苛刻的无线控制 如工业控制场合等 应用 4 网络容量大 一个星型结构的 Zigbee 网络最多可以容纳 254 个从设备和一个主设 备 一个区域内可以同时存在最多 100 个 ZigBee 网络 而且网络组成灵活 5 可靠 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 避开了发送数据的竞争和冲突 MAC 层采用了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 6 安全 ZigBee 提供了基于循环冗余校验 CRC 的数据包完整性检查功能 支持鉴 8 权和认证 采用了 AES 128 的加密算法 各个应用可以灵活确定其安全属性 3 3 Zigbee 协议栈协议栈 ZigBee 协议栈结构 图 3 1 是基于标准 OSI 七层模型的 包括高层应用规范 应用 汇聚层 网络层 媒体接入层和物理层 图 3 1 ZigBee 协议栈 IEEE802 15 4 定义了两个物理层标准 分别是 2 4GHz 物理层和 868 915MHz 物理层 两者均基于直接序列扩频 DirectSequenceSpread Spectrum DSSS 技术 868MHz 只有 一个信道 传输速率为 20kb s 902MHz 928MHZ 频段有 10 个信道 信道间隔为 2MHz 传输速率为 40kb s 以上这两个频段都采用 BPSK 调制 2 4GHz 2 4835 GHz 频 段有 16 个信道 信道间隔为 5MHz 能够提供 250kb s 的传输速率 采用 O QPSK 调制 为了提高传输数据的可靠性 IEEE 802 15 4 定义的媒体接入控制 MAC 层采用了 CSMA CA 和时隙 CSMA CA 信道接入方式和完全握手协议 应用汇聚层主要负责把不同 的应用映射到 ZigBee 网络上 主要包括安全与鉴权 多个业务数据流的会聚 设备发现 和业务发现 3 4 Zigbee 网络拓扑结构网络拓扑结构 ZigBee 协议主要采用了三种组网方式 星型网 树型网及混合网 网络拓扑结构如 图 3 2 所示 9 图 3 2 ZigBee 三种拓扑结构 在星型网中 以 PAN 协调器为中心 所有设备只能与中心设备 PAN 协调器进行通 信 终端设备之间的通信通过 PAN 协调器的转发来完成 因此在星型网络的形成过程中 第一步就是建立 PAN 协调器 任何一个 FFD 设备都有成为 PAN 协调器的可能 一个 网络如何确定自己的 PAN 协调器由上层协议决定 在这种网络中 PAN 协调器一般使 用持续电力系统供电 而其他设备采用电池供电 星型网络适合家庭自动化 个人计算 机的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用 树型网 任意两个设备只要彼此都在对方的无线辐射范围之内 收到对方的无线信 号 就可以进行通信 不需要其他设备的转发 但是对等网中仍然需要一个 PAN 协调器 不过该协调器的功能不再只为其他设备转发数据 而是完成设备注册和访问控制等基本 的网络管理功能 PAN 协调器的产生同样是由上层协议规定 此网络模式可以支持 Ad Hoc 网络 允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据 树型网络可以构造更为复杂的 网结构 Mesh 网 适合于设备分布范围广的应用 比如在工业检测与控制 货物库存跟 踪和智能农业等设备分布范围较广的应用 星型网和树型网相结合则形成了混合网 各个子网内部以星型连接 其主器件间又 以树型的方式连接在一起 信息流首先传到同一子网内的主节点 通过网关节点到达更 高层的子网 随后继续上传直至到达中心采集设备 中心采集设备与普通的无线个域网 Wireless Personal Area Network WPAN 设备相比具有更强的处理能力和内存 混合网可 以用于覆盖范围比较大的区域 例如在一个大型旅店中 每个房间中设置一主器件与房 间内的其它从器件以星型方式连接 这些主器件又以对等的方式被连接起来 从而形成 一张大的混合网络 虽然混合网功能强大 但是由于任何控制和同步信息均要通过多重 链路到达接收点 要实现同步和控制比较困难 此外 由于对上层节点尤其中心采集设 备的配置要求比较高 使得达到较低的忙闲比和降低功耗的目标变得更加困难 在上述的网络拓扑结构中 网络的形成和维护都是通过设备之间的通信而自动实现 不需要人工来干预 10 4 系统总体方案设计系统总体方案设计 4 1 系统总体框架系统总体框架 温湿度数据采集系统总体框架如图 4 1 所示 系统由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组成 图 4 1 温湿度采集系统总体框架 4 2 无线传感网络节点设计无线传感网络节点设计 针对不同的应用 传感器节点的组成也不尽相同 但是它们的基本结构是一样的 主要包括采集单元 处理单元 传输单元 电源单元等 4 大部分组成 如图 4 2 所示 11 图 4 2 传感节点基本结构 4 3 系统设计芯片的选择系统设计芯片的选择 系统的硬件主要应用三种设备 分别是温湿度传感器 SHT11 Zigbee 芯片 CC2430 以及 RS 485 总线 4 3 1 SHT11 介绍介绍 SHT11 由于采用了特有的工业化 CMOS 技术 它具有极高的可靠性和卓越的长期稳 定性 芯片内包括经校准的相对湿度和温度传感器 它们与一个 14 位的 A D 转换器相 连 每一个传感器都是在精确的温室中进行校准的 校准系数预先存在 OTP 内存中 在测量校准的全过程都要用到这些系数 二线串行 I2 C 总线接口支持简单 快速的系统 集成 SH T11 传感器的特点如下 1 全校准数字输出相对湿度 温度 2 温度值分辨率为 14 位 湿度值分辨率为 12 位 可编程降至 12 位和 8 位 3 具有露点计算输出功能 4 小体积 7 mm 5 mm 3 mm 可表面贴装和 4 引脚封装 5 卓越的长期稳定性 6 自动休眠功能 7 工业标准 I2 C 总线接口 12 8 可靠的 CRC 传输校验 SHT11 的相对湿度和温度绝对精度 如图 4 3 1 所示 其性能参数如表 4 3 2 所示 图 4 3 1 相对湿度 温度的精度曲线 13 图 4 3 2 SHT11 性能说明表 4 3 2 CC2430 介绍介绍 该设计的微处理器使用 TI 公司的 CC2430 它可用于 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 18 CMOS 工艺生产 封装尺寸仅 7mm 7mm 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 14 图 4 3 3 CC2430 的内部功能模块 CC2430 芯片的主要特点有以下几个方面 1 高性能和低功耗的 805l 微控制器核 2 集成符合 IEEE802 15 4 标准的 2 4GHz 的 RF 无线电收发器 3 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性 4 在休眠模式时仅 0 9mA 的流耗 此时通过外部中断或 RTC 来唤醒系统 5 在待机模式时少于 0 6mA 的流耗 此时通过外部中断来唤醒系统 6 硬件支持 CSMA CA 功能 7 较宽的电压范围 2 0 3 6V 8 数字化的 RSSI LQl 支持和强大的 DMA 功能 9 具有电池监测和温度感测功能 10 集成了 8 路 8 14 位模数转换 ADC 11 集成 AESl28 安全协处理器 12 带有 2 个强大的支持多种串行协议的 USART 口 以及 1 个符合 IEEE 802 15 4 规 范的 MAC 计时器 1 个常规的 16 位计时器和 2 个 8 位计时器 13 强大和灵活的开发工具 15 14 兼容 RoHS 的 7mmx7mm QLP48 封装 通过应用不同配置 CC2430 芯片可以达到最优的性能 通过可编程配置寄存器改变 如下的参数使性能达到优化 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 CC2430 是用于居家及建筑自动化 工业检测及控制系统 传感器网络 消费电子产 品以及智能玩具的理想解决方案 可轻松满足此类应用的最常见需求 如较长的电池工 作时间 可靠的通信连接以及较低的系统成本 通过以上分析可以得出 CC2430 芯片具性能优越 特别是它极低的电流消耗和很小 的封装尺寸 可以满足传感节点功耗低 体积小 成本低等要求 经过测试发现在本系 统中 该芯片工作良好 功能比较完善 4 3 3 RS 485 RS 485 总线作为首选的串行接口主要原因是其具有抗噪声抗干扰性良好 传输距离 长等优点 RS 485 总线只需二根连线即可组成一个半双工网络 大都数采用屏蔽双绞线 进行数据传输 RS 485 总线的连接器采用 DB 9 的 9 芯插头座 RS 485 总线的主要特点有以下几个方面 1 RS 485 的电气特性 两线间的电压差为 2 6 V 时用来表示逻辑 1 两线 间的电压差为 2 6 V 时用来表示逻辑 0 与串行接口 RS 232 C 相比 RS 485 接口信号电平有所降低 对接口电路的芯片来讲 就不易损坏了 而且 RS 485 接口信号电平与 TTL 电平兼容 在与 TTL 电路连接时十分 方便 2 RS 485 接口采用的是差分接收器和平衡驱动器的组合形式 这种形式对于提高 RS 485 的抗共模干扰能力很有帮助 即抗噪声 抗干扰性能得到提高 系统的可靠性增 强 通信距离也得到了延长 3 RS 485 最高传输速率达到 10Mb S 最大的通信距离达到 1219m RS 485 的传 输速率是传输距离的倒数 两者成反比关系 RS 485 的传输速率小于 100Kb S 时 才能 达到其理论上的最大通信距离 增加 RS 485 中继器可以延长其传输距离 RS 485 总线在正常情况下 可以支持最多 32 个节点 但是要扩大其支持的节点数的 话 可使用特制的 485 芯片 通过这种方法 可以增加节点数到 128 或者 256 最多可以 达到 400 多个节点 4 采用 RS 485 总线时 系统的设计 安装以及调试都比较简便 转换接口便宜 16 而且种类繁多 系统维护 设备更换以及系统扩充都很方便 系统的安全性和可靠性好 5 系统的硬件设计系统的硬件设计 5 1 采集单元设计采集单元设计 针对温室环境中的温度和湿度的测量 本设计选用的是 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 图 5 1 SHT11 芯片结构 SHT11 的工作范围比较广 其工作温度范围是 40 123 8 其中在 30 75 范围内 温度测量精度不高于 2 其工作湿度范围是 0 100 RH 其中在 20 80 RH 范围内 湿度测量精度不高于 3 RH 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 由 SHT11 芯片构成的温湿度测量电路如图 5 1 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 17 图 5 2 SHT11 接口电路 5 2 CC2430 单元设计单元设计 CC2430 芯片内嵌了单片机和射频模块 因此数据单元和通讯单元一起介绍 5 2 1 处理器单元设计处理器单元设计 CC2430 芯片的电路设计并不繁琐 外接少量的晶振 电容 电阻等无源器件即可 其电路如图 5 2 1 所示 CC2430 通过插座分别于能量供应单元和传感器单元连接 图 5 2 1 中有两个石英晶振 其中与电容 C1 C2 相连的晶振为 32 MHz 是节点正常 工作时使用的 与电容 C3 C4 相连的晶振为 32 768 kHz 在系统休眠时工作 有降低功 耗的作用 C1 C2 都为 22pF C3 C4 都为 15pF C5 是一个滤波电容 作用是防止单 片机复位错误 C5 为 O 1 F C6 C7 C8 都是滤波电容 C6 为 100nF C7 为 220nF C8 为 220nF 电容 C9 和电感 L1 L2 L3 以及一个 PCB 微波传输线组成了电路 中的非平衡变压器 整个结构满足 RF 输入 输出匹配电阻 50 的要求 C9 为 5 6pF L1 为 8 2nH L2 为 22nH L3 为 1 8nH C10 C14 为去耦合电容 作用是电源滤波 能 够提高芯片工作的稳定性 R1 R2 为偏置电阻器 R1 为 43k R2 为 56k R1 的作 用是为 32 MHz 晶体振荡器提供精密偏置电流 18 图 5 2 1 CC2430 模块的电路 5 2 2 通讯模块设计通讯模块设计 由于无线通信模块是节点中的主要耗能部分 因此 选择合适的芯片对整个无线传 感网络的性能都有影响 CC2430 的 RF 内核是基于工业领先的射频通信芯片 CC2420 其 主要特点是功耗低 发射功率强 成本低 CC2420 采用的直接序列扩频 DSSS 调制解 调 IEEE 802 15 4 标准中 2 4GHz DSSS RF 调制格式和扩频功能每个字节分为两个符号 即 4 个比特构成一个符号 在发送的时候 按照最低有效位优先的原则发送 对于多字 节字段 除了和安全相关的字段是最高有效字节优先 其余字段发送时最低有效字节优 先 每个符号被映射为 16 个伪随机序列中的一个 每个序列为 32 片 分片的序列在发 送时 对每个符号都以最低有效分片优先的原则发送 5 2 3 天线天线 无线通信中 天线也是一个重要组成部分 天线种类多种多样 技术相对比较复杂 常见的天线有鞭状天线 陶瓷天线和倒 F 天线等 本设计中采用鞭状天线 鞭状天线是 一种可弯曲的垂直杆状天线 其长度一般为 1 4 或 1 2 波长 在传感节点设计时 把鞭状 天线和 ZigBee 技术加强模块配合使用 不仅发射功率高 而且传输的距离长 系统节点 19 鞭状天线电路如图 5 2 3 所示 图 5 2 3 天线电路 6 系统的软件设计系统的软件设计 在 IAR 开发环境下编写和编译传感器节点程序 实现了无线传感器网络采集温湿度 数据及传感器节点之间的数据传输功能 传感节点的 CC2430 芯片被分配到一个唯一的网络 ID 分配成功后 节点可以在这 唯一的 ID 表示的网络中进行收发数据 20 上电激活节点 初始化CC2430 寻找ZigBee网络 寻找到网络 传感器传来数据 CC2430接收数据 定时器到时发送数据 向发送端发送数据 初始化传感器并采集数据 N N N Y Y 图 6 传感节点软件设计流程图 7 系统测试系统测试 根据本文温湿度数据采集系统中的设计要求 利用以下器材来构建实验平台 重点 测试传感节点 网络协调器 传感器节点 计算机和相关的软件 如上位机软件 串口 调试助手等 实验平台的实物照如图 7 1 所示 21 图 7 1 实验平台的实物照 22 7 1 系统测试结果系统测试结果 7 1 1 组网测试结果组网测试结果 图 7 1 表明 网络协调器成功组建了一个星型网络 传感节点到汇聚节点是单跳的方式 汇聚节点转发数据包给网关 图 7 1 网络结构及相关信息 7 1 2 数据传输及显示测试结果数据传输及显示测试结果 图 7 2 测试结果 23 结论结论 硬件搭接和软件烧录完毕之后 在实