基于ZigBee无线温湿度采集单元硬件设计

基于基于 ZigBeeZigBee 无线温湿度数据采集单元硬件设计无线温湿度数据采集单元硬件设计 摘 要 本文全面深入地对无线传感器网络以及ZigBee标准做了研究分析 从网络 设备入网流程等关键点上突破 研究了ZigBee技术的组网方式 并结合CC2430芯片 以ZigBee协议为基础 实现无线传输 本文采用SHT11数字传感器进行数据采集 在已组建的ZigBee通信网的基础上 从 终端节点角度考虑网络的低功耗问题 采用锂电池供电 在终端采集温湿度数据 最 后 通过RS232数据传输端口把数据传输到PC机上 实现了温湿度数据的集中处理与显 示 本文通过对ZigBee无线传感器网络数据采集系统的设计与实现 完成了小型 ZigBee无线传感器网络的搭建 温湿度传感器数据的传输和数据的显示与处理 得到 了良好的结果 关键字 ZigBee 传感器网络 温湿度传感器 无线传输 The Hardware Design of Temperature and Humidity Based on ZigBee Abstract In this paper comprehensive and in depth on wireless sensor networks as well as standard ZigBee done research and analysis network flow from the network equipment at key points such as a breakthrough in depth study the ZigBee technology Combined with CC2430 chip to ZigBee agreement based on the realization of wireless transmission In this paper the number of sensors SHT11 data acquisition ZigBee has been established based on the communication network from the perspective of end node network of low power problem temperature and humidity data acquisition terminal Finally data transmission through the RS232 port to transmit data to PC to achieve the temperature and humidity data to focus on and display Based on the ZigBee wireless sensor network data acquisition system design and implementation of the completion of the ZigBee wireless sensor networks of small structures temperature and humidity sensor data transmission and sensor data collection management the results have been good Key Words ZigBee sensor network temperature and humidity sensor wireless transmission 基于 ZigBee 无线温湿度采集单元硬件设计 目 录 1 引言 1 1 1 无线传感器网络 1 1 1 1 国内外研究现状 1 1 2 温湿度数据采集系统 2 1 3 本文工作 3 1 4 论文结构 3 2 ZigBee 网络节点的硬件电路设计 3 2 1 ZigBee 技术概况 3 2 2 ZigBee 协议标准 4 2 3 电源电路设计 6 2 4 ZigBee 网络节点的硬件电路设计 6 2 4 1 CC2430 芯片简介 6 2 4 2 CC2430 内部结构 8 2 4 3 CC2430 应用电路设计 9 2 5 复位电路设计 10 3 温湿度数据采集单元的硬件电路设计 11 3 1 数字式温湿度芯片 SHT11 简介 11 3 2 芯片接口 11 3 3 电路设计 12 3 4 SHT11 使用注意事项 12 4 串口通信的硬件电路设计 14 4 1 电气特性 14 4 2 接口电路设计 15 结束语 16 参考文献 16 附录 18 致谢 19 基于 ZigBee 无线温湿度采集单元硬件设计 1 1 引言引言 无线传感器网络 Wireless Sensor NetWork WSN 是一种特殊的 Ad hoc 网络 是 由许多无线传感器节点协同组织起来的 这些微型节点具有无线通讯 数据采集和协 同合作能力 可以应用于布线和电源供给困难或人员不能到达的区域 如受到污染 环 境不能被破坏或敌对区域 和一些临时场合等 无线传感器网络节点可以随机或特定地 布置在目标环境中 它们之间通讯通过特定的协议自组织起来 能够获取周围环境的 信息并且相互协同工作完成特定任务 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多重要领域都有潜在的使用 价值 具有十分广阔的应用前景 开发无线传感器网络所采用的协议取决于网络具体的应用范围 ZigBee 协议是为 家庭控制 安全系统 建筑自动化等方面设计的传感器网络协议 本文将会分析 ZigBee 协议的结构并基于 ZigBee 协议实现一种温湿度传感器网络 1 11 1 无线传感器网络无线传感器网络 20 世纪 90 年代末问世的无线传感器网络正在以人们难以预测的速度迅猛发展 国 际上一些重要机构预测其为改变世界的新事物 与无线传感器网络有关的各种新技术 及无线传感器网络在军 民各个领域的应用研究工作已经在发达国家轰轰烈烈地展开 大有引发一场新技术革命的势头 无线传感器网络是从民用领域发展起来的 它由数 量巨大的传感器节点组成 这些节点密集部署在所要观测或监视的对象的内部或者非 常靠近这种对象的地方 由于传感器网络具有许多其它网络所没有的特征 其应用范 围已经深入到了人类社会的每一个角落 从收集家庭 建筑物 船舶 交通运输系统 工业自动化系统内部及其周围环境的信息并实施监控的民用 商用应用领域 一直到数 字化战场全谱战斗空间的监视 检测与跟踪等军事作战领域 1 1 1 国内外研究现状 传感器网络系统是当今前沿性的热点研究方向之一 有着巨大的科学意义和应用 前景 被认为是将对 21 世纪产生巨大影响力的高技术之一 2003 年 2 月份的美国 技 术评论 杂志评选出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术 传感器网络即被 列为第一 美国 商业周刊 在 2003 年 8 月的技术评论中 已经将传感器网络定位成 21 世纪高技术领域的四大支柱型产业之一 其潜在的市场需求十分巨大 传感器网络 系统己引起了世界各国学术界 军事部门和工业界的极大关注 美国自然科学基金委员会 2003 年制定了传感器网络研究计划 投资 3400 万美元 支持相关基础理论的研究 美国国防部和各军事部门也对传感器网络给予了高度重视 在 C4IsR 的基础上提出了 C4KIsR 计划 把传感器网络作为一个重要研究领域 基于 ZigBee 无线温湿度采集单元硬件设计 该计划将各类武器平台 即 射手 的杀伤 摧毁能力加入了系统 C4IsR 这样 地 海 面 空中和太空的各种传感器 指挥控制中心和武器平台 就通过信息网络集 成为一体化的系统 从而大大提高了反应速度 实现了从传感器到射手的无缝链接 美国英特尔公司提出了 智能灰尘 的概念 智能灰尘 设备是微小的无线式微 型机电组件传感器 MEMS 它能探测从光线到震动的任何东西 由于硅和制造技术的 最新突破 这些 无线遥感收发信机 终将能做成沙粒大小 而每个里面包含了传感 器 计算电路 双向无线通信技术和电源 它们收集大量的数据 进行计算 并在相 距 1000 英尺的无线遥感收发信机之间利用双向无线电交流信息 信息工业界巨头如微软公司等也开始了传感器网络方面的工作 纷纷设立或启动相应 的行动计划 欧盟 2002 年开始实施为期 3 年的 EYES 自组织和协作有效能量的传感器 网络 计划 2004 年 3 月 日本总务省成立 泛在传感器网络 调查研究会 在国内传感器网络系统方面的研究起步较晚 近两年才受到广泛关注 传感器网 络系统的基础软件及数据管理关键技术的研究 己被列为国家自然科学基金委员会信 息科学部与微软亚洲研究院正式签署的第二期联合资助项目之一 国家 十五 科技 攻关项目把传感器网络列为重大研究项目 对传感器网络系统信息获取与处理相关技 术的研究 符合国家的整体科技发展计划 对国防科学技术和国家经济建设具有重要 战略意义 在国防技术方面 传感器网络信息获取与处理系统可以将大量地理上分散 的战区传感器 指挥控制中心 主战武器平台以及处于动态移动的目标等联系起来 从而提高综合战斗能力和预防能力 在民用方面 在环境监测 生态保护 交通 工 业控制等方面 传感器网络可以为我们及时准确的提供全方位的监测手段和监测信息 1 2 温湿度数据采集系统 本文主要研究在基于 ZigBee 的协议的基础上 实现温湿度数据的采集 然后把数 据传输给上位机来显示和处理 首先 此系统包括 ZigBee 网络节点的设计 电源设计 温湿度数据采集的设计 串口通信的设计 明白了我们需要的设计的模块的基础上 根据系统要实现的功能 给出了如图 1 所示的系统设计框图 基于 ZigBee 无线温湿度采集单元硬件设计 图 1 系统整体设计框图 ZigBee 网络节点的设计我们采用 CC2430 芯片 此产品可以实现我们需要的 ZigBee 传输协议 温湿度数据采集电路设计采用 SHT11 芯片 这种芯片是一种全数字 式的芯片 具有数字式输出 免调试 免标定 免外围电路及全互换的特定 在实际 应用中非常方便 串口设计采用 RS 232 通信标准 实现数据的接收和传送 电源采用 锂电池供电 1 3 本文工作 本文的设计目标是通过若干个终端测量节点 搭建一个 ZigBee 网络 进行数据采 集 然后进行数据传输 本文的主要工作如下 1 分析 ZigBee 协议 理解 ZigBee 技术的特性和通信原理 研究 ZigBee 协议栈 及其具体实现方式 并能初步应用协议栈实现具体功能 2 根据节点的物理特性 选择合适的微处理器和无线传输芯片 组建无线传感器 网络节点 包括电路连接 相应外围电路设计 射频部分的天线分析 PCB 制作等 3 整个网络的测试 能完成预期设定的功能并能达到预定的性能指标 1 4 论文结构 本文的结构大致分为四部分 第一章 引言 该章介绍了无线传感器网络的概念以及国内外的研究现状 并设 计了温湿度采集系统的总体设计框图 第二章 设计了 ZigBee 网络节点的硬件电路 第三章 介绍了温湿度数据采集所需的器件 设计了温湿度数据采集的硬件电路 并说了使用器件的注意事项 第四章 串口通信的电路的设计 当把温湿度数据采集以后然后把数据传输给 PC 机来集中显示与处理 最后 总结 该章对本文所完成的任务做了总结 指出了本文所取得的成果 并 提出了今后的需要做的工作和下一步努力的方向 2 ZigBee 网络节点的硬件电路设计 2 1 ZigBee 技术概况 ZigBee 这个字源自于蜜蜂跳 ZigZag 形状的舞蹈 来通知其他蜜蜂有关花粉位置等 资讯 以达到彼此沟通讯息之目的 故以此作为新一代无线通讯技术之命名 ZigBee 先前亦被称为 Home RF Lite RF Easy Link 或 Fire Fly 无线电 技术 目前统一称为 ZigBee 基于 ZigBee 无线温湿度采集单元硬件设计 ZigBee 技术并不是完全独有 全新的标准 它的物理层 MAC 层采用了 IEEE802 15 4 无线个人区域网 协议标准 但在此基础上进行了完善和扩展 其网络层 应用 会聚层和高层应用规范 API 由 ZigBee 联盟进行了制定 根据 IEEE802 15 4 协议标准 ZigBee 的工作频段分为 3 个频段 这 3 个工作频段 相距较大 而且在各频段上的信道数目不同 因而 在该项技术标准中 各频段上的 调 制方式和传输速率不同 它们分别为 868MHz 9l5MHz 和 2 4GHz 其中 2 4GHz 频段上 分为 16 个信道 该频段为全球通用的工业 科学 医学频段 且该频段为免付款 免 申请的无线电频段 在该频段上 数据传输速率为 250kbPs 另外两个频段为 868 915MHz 其相应的信道数分别为 1 10 个 传输速率分别为 20 40kbPs 根据 ZigBee 之技术本质 ZigBee 具有下列之特性 1 省电 ZigBee 传输速率低 使其传输资料量亦少 所以讯号的收发时间短 其次在非工作模式时 ZigBee 处于睡眠模式 而在工作与睡眠模式之间的转换时间 一般睡眠启动时间只有 15ms 而设备搜索时间为 30ms 透过上述方式 使得 ZigBee 十分省电 透过电池则可支援 ZigBee 长达 6 个月到 2 年左右的使用时间 2 可靠度高 ZigBee 之 MAC 层采用 talk when ready 之碰撞避免机制 此机制 为当有资料传送需求时则立即传送 每个发送的资料封包都由接收方确认收到 并进 行确认讯息回覆 若没有得到确认讯息的回覆就表示发生了碰撞 将再传一次 以此 方式大幅提高系统资讯传输之可靠度 另外 ZigBee 提供了数据完整性检验和鉴权功能 3 安全性高 ZigBee 加密算法采用了 AES 128 同时各个应用程序可以灵活确 定其安全属性 ZigBee 联盟还开发了安全层 以保证这种设备不会意外泄漏其标识 而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得 4 高度扩充性 一个 ZigBee 的网络最多包括有 255 个 ZigBee 网络节点 其中 一个是 Master 设备 其余则是 Slave 设备 若是透过 Network Coordinator 则整体 网络最多可达到 6500 个 ZigBee 网络节点 再加上各个 NetWork Coordinator 可互相 连接 整体 ZigBee 网路节点数目将十分可观 5 成本低廉 目前 ZigBee 芯片的成本大约在 3 美元左右 ZigBee 设备成本 的目标是要在 1 美元以下 而且 ZigBee 芯片的体积较小 如 Freescal 公司生产 Mc13192 ZigBee 收发芯片的体积为 5mm 5mm 随着半导体集成技术的发展 ZigBee 芯片的体积 将会变得更小 成本也会降得更低 ZigBee 协议底层是基于 IEEE802 15 4 无线通讯协议 ZigBee 规范是由半导体厂 商 技术供应商和其他公司组成的一家非营利工业协会 即 ZigBee 联盟 联盟当前的 基于 ZigBee 无线温湿度采集单元硬件设计 成员己经超过 150 家 ZigBee 规范致力于利用 IEEE802 15 4 所提供的特性 ZigBee 适用于低速率 低功耗的应用环境 2 2 ZigBee 协议标准 在物理层 Physical Layer PHY 方面 802 15 4 之工作频率分为 2 4GHz 915MHz 和 868MHz 三种 分别提供 250Kbps 40Kbps 和 20Kbps 之传输速率 其传输范围介 于 10 到 100 米之间 一般是 30 米 由于 ZigBee 使用的是 2 4GHz 9l5MHz 和 868MHz 频段 这些频段因是免费开放使用 故已有多种无线通讯技术使用 因此 ZigBee 为避 免被干扰 故在各个频段皆是采用直接序列展频 DSSS 技术 直接序列扩频 DSSS Direct sequence spread spectrdm 是直接利用具有高码率的扩频码系列采用 各种调制方式在发端与扩展信号的频谱 而在收端 用相同的扩频码序去进行解码 把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息 直接序列扩频通讯的主要技术特点是 抗干 扰性强 隐蔽性好 易于实现码分多址 CDMA 抗多径干扰和直扩通信速率高等 而在数据链路层 Media Access Control Layer MAC 方面 主要是沿用 WLAN802 11 系列标准的 CSMA CA 方式 以提高系统相容性 所谓的 CSMA CA 是在传输 之前 会先检查通道是否有资料传输 若通道无资料传输 则开始进行资料传输动作 若是产生碰撞 则稍后重新再传 ZigBee 协议栈同开放式系统互联参考模型 OSIRM 一样采用分层模型 具体分层情 况见图 2 最低两层是由 IEEE802 15 4 标准所定义 其他层则是有 ZigBee 联盟所定义 基于 ZigBee 无线温湿度采集单元硬件设计 图 2 ZigBee 协议栈分层图 1 物理层 Physical Layer 是 IEEE802 15 4 标准中定义的最低一层 它包括 两个物理子层 分别工作在 868 915MHz 和 2 4GMHz 不同的频率范围上 物理层的职责 包括 ZigBee 的激活与钝化 当前信道的能量检测 接受链路服务质量信息 ZigBee 的信道接入方式 信道频率选择以及数据传输和接收等 2 数据链路层 Medium Access Control layer MAC 是由 IEEE802 15 4 标准 所定义 MAC 层的职责包括 网络协调器产生网络信标 与信标同步 支持个域网 PAN 路的建立和断开 为设备的安全性提供支持 信道接入方式采用免冲突载波检测多址 接入 CSMA CA 机制 处理和维护保护时隙 GTS 机制 在两个对等的 MAC 实体之间提 供一个可靠的通信链路等 3 网络层 Network Layer NWK 是由 ZigBee 联盟所定义 主要完成从应用层 接受数据并向其发送数据 网络层的职责包括 设备连接和断开网络时所采用的机制 帧信息在传输过程中所采用的安全性机制 设备之间的路由发现和路由维护和转交 完成对一跳邻居设备的发现和相关节点信息的存储 网络层的主要功能是提供 IEEE802 15 4 2003MAC 子层的正确操作 并通过 SAP 服务接入点 为应用层提供适当的服务接口 为了与应用层进行接口 网络层从概念上包含有两种具备所需功能的服务实体 数据 实体 NLDE 主要是通过其相应的 SAP 即 NLDE SAP 提供数据传输服务 管理实体 NLME 则 主要通过 NLME SAP 来提供访问内部层参数 配置和管理数据的机制 4 应用层 Application Layer APL 是 ZigBee 协议栈的最高层 应用层主要 负责把不同的应用映射到 ZigBee 网络上 具体而言 应用层包括以下几点功能 用应 用维持器件的功能属性 用应用层发现该器件工作空间中其他器件的工作 应用层根 据服务和需求来使多个器件之间进行通信 应用层主要根据具体应用由用户开发 它 包括应用支持层 Application Support layer APS ZigBee 设备对 ZigBee Device Object ZDO 和应用对象 Application Object 2 3 电源电路设计 根据系统设计的要求 采用了 CC2430 芯片 SHT11 芯片 RS232 传输协议 各个 芯片的工作电压如下 表 1 芯片工作电压 芯片名称工作电压 CC2430 2 0 3 6V SHT11 2 4 5 5V RS232 3 3 5V 根据各个芯片的工作电压 发现都有一种共同的特性 都是可以在比较宽的电压 基于 ZigBee 无线温湿度采集单元硬件设计 范围内工作 因此 采用锂电池供电 锂电池供电的时间比较长 也比较适用于此系 统 节能方面也比较优越 2 4 ZigBee 网络节点的硬件电路设计 2 4 1 CC2430 芯片简介 CC2430 CC2431是Chipcon公司推出的用来实现嵌入式ZigBee 应用的片上系统 它 支持2 4GHzIEEE 802 15 4 ZigBee协议 根据芯片内置闪存的不同容量 提供给用户3 个版本 即CC2430 F32 64 128 分别对应内置闪存32 64 128KB 位于挪威奥斯陆的Chipcon公司 已在2006 年被美国德州仪器TI公司收购 作为 全球领先的供应商 在低系统成本低功耗的射频芯片和网络型软件方面 发布了实用 的 CC2430 CC2431产品家族 是世界上首个真正的单芯片ZigBee 解决方案 这是世界 上第一个真正意义上SoCZigBee一站式产品 具有芯片可编程闪存以及通过认证的 ZigBee TM 协议栈 所有都集成在一个硅片内 CC2431也是Chipcon公司SmartRF03 家 族中的一个关键部分 基于Chipcon占主导地位的CC2420ZigBee无线收发器其出货量已 经超越1百万片 芯片尺寸是7 7mm CC2431表现出了相当清晰的设计结合了一颗强大 的鲁棒射频 可编程的微控制器 闪存和IEEE802 15 4 ZigBee软件兼容 所有都集 成到一个易用并有效的一颗芯片上 CC2430 CC2431SoC 家族包括3个不同产品CC2430 F32 CC2430 F64 and CC2430 F128 它们的区别在于内置闪存的容量不同 以及针对 不同IEEE802 14 5 Zigbee应用的成本优化 CC2430采用增强型8051MCU 32 64 128KB闪存 8KBSRAM 等高性能模块 并内置 了ZigBee协议栈 加上超低能耗 使得它可以用很低的费用构成ZigBee节点 具有很 强的市场竞争力 CC2430是一颗真正的系统芯片 SoC CMOS解决方案 这种解决方案能够提高性能并 满足以ZigBee为基础的2 4GHzISM波段应用对低成本 低功耗的要求 它结合一个高性 能2 4GHzDSSS 直接序列扩频 射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器 CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构 在单个芯片上整合了ZigBee射频 RF 前端 内存和微控制器 它使用1个8位MCU 8051 具有32 64 128 KB 可编程闪存 和8 KB 的RAM 还包含模拟数字转换器 ADC 几个定时器 Timer AES128 协同处 理器 看门狗定时器 Watchdog Timer 32kHz 晶振的休眠模式定时器 上电复位 电路 Power On Reset 掉电检测电路 Brown Out Detection 以及21个可编程I O引 脚 CC2430芯片采用0 18 m CMOS工艺生产 工作时的电流损耗为27mA 在接收和发 射模式下 电流损耗分别低于27mA或25mA CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超 基于 ZigBee 无线温湿度采集单元硬件设计 短时间的特性 特别适合那些要求电池寿命非常长的应用 CC2430芯片的主要特点如下 1 高性能 低功耗的8051微控制器内核 2 适应2 4GHzIEEE802 15 4的RF收发器 3 极高的接收灵敏度和抗干扰性能 4 32 64 128KB 闪存 8KBSRAM 具备在各种供电方式下的数据保持能力 5 强大的DMA功能 只需极少的外接元件 6 只需一个晶体 即可满足组网需要 电流消耗小 当微控制器内核运行在32 MHz 时 Rx为27mA Tx为25mA 7 掉电方式下 电流消耗只有O 9 A 外部中断或者实时钟 RTC 能唤醒系统 8 挂起方式下 电流消耗小于O 6 A 外部中断能唤醒系统 9 硬件支持避免冲突的载波侦听多路存取 CSMA CA 10 电源电压范围宽 2 O 3 6 V 11 支持数字化的接收信号强度指示器 链路质量指示 RSSI LQI 12 电池监视器和温度传感器 具有8路输入8 14 位ADC 高级加密标准 AES 协处理器 13 2个支持多种串行通信协议的USART 看门狗 2 4 2 CC2430内部结构 CC2430的结构框图3所示 图 3 CC2430 结构框图 设计中用到的管脚功能 设计中用到的管脚功能 3 4 5 6 脚 P1 2 P1 5 具有4mA输出驱动能力 7 脚 DVDD 为I O 提供2 0 3 6V工作电压 10 脚 RESET N 复位引脚 低电平有效 基于 ZigBee 无线温湿度采集单元硬件设计 11 12 脚 P0 0 P0 1 具有4mA输出驱动能力 8 9 脚 P1 0 P1 1 具有20mA的驱动能力 19 脚 XOSC Q2 32MHz的晶振引脚2 20 脚 AVDD SOC 为模拟电路连接2 0 3 6V的电压 21 脚 XOSC Q1 32MHz的晶振引脚1 或外部时钟输入引脚 22 脚 RBIAS1 为参考电流提供精确的偏置电阻 23 脚 AVDD RREG 为模拟电路连接2 0 3 6V的电压 24 脚 RREG OUT 为25 27 31 35 40引脚端口提供1 8V的稳定电压 25 脚 AVDD IF1 为接收器波段滤波器 模拟测试模块和VGA的第一部分电路 提供1 8V电压 26 脚 RBIAS2 提供精确电阻 43k 1 27 脚 AVDD CHP 为环状滤波器的第一部分电路和充电泵提供1 8V电压 28 脚 VCO GUARD VCO屏蔽电路的报警连接端口 29 脚 AVDD VCO 为VCO和PLL环滤波器最后部分电路提供1 8V电压 30 脚 AVDD PRE 为预定标器 Div2和LO缓冲器提供1 8V的电压 31 脚 AVDD RF1 为LNA 前置偏置电路和PA提供1 8V的电压 32 脚 RF P 在RX期间向LNA输入正向射频信号 在TX期间接收来自PA的输入 正向射频信号 33 脚 TXRX SWITCH 为PA提供调整电压 34 脚 RF N 在RX期间向LNA输入负向射频信号 在TX期间接收来自PA的输入 负向射频信号 35 脚 AVDD SW 为LNA PA交换电路提供1 8V电压 36 脚 AVDD RF2 为接收和发射混频器提供1 8V电压 37 脚 AVDD IF2 为低通滤波器和VGA 的最后部分电路提供1 8V电压 38 脚 AVDD ADC 为ADC和DAC的模拟电路部分提供1 8V电压 39 脚 DVDD ADC 为ADC的数字电路部分提供1 8V电压 40 脚 AVDD DGUARD 为隔离数字噪声电路连接电压 41 脚 AVDD DREG 向电压调节器核心提供2 0 3 6V电压 42 脚 DCOUPL 提供1 8V的去耦电压 此电压不为外电路所使用 43 44脚 P2 4 P2 3 具有4mA输出驱动能力 47 脚 DVDD 为I O 端口提供2 0 3 6V的电压 2 4 3 CC2430应用电路设计 CC2430只需要很少的外接元件就可以运行了 典型的应用电路如图4所示 主要由 XTAL1和XTAL2两个晶振电路 一个PCB射频天线电路 由L321 L331 L341 R1 R2和 基于 ZigBee 无线温湿度采集单元硬件设计 C341组成 组成 外围电路的参数描述如下 其中C191 C221为22pF 连接32MHz晶振电路 C241 C421为220nF 去耦合电容 用来电源滤波 以提高芯片工作的稳定性 C341为5 6pF 电路中的非平衡变压器由电容C341和电感L341 L321 L331 以及 一个PCB微波传输线组成 整个结构满足RF输入 输出匹配电阻 50 的要求 C431 C441 为15pF 低功耗设计 此电路为可选 L321为8 2nH L331为22nH L341为1 8nH R261为43k R221为56k R221和R261为偏置电阻 电阻R221主要用来为32MHz的晶振提供一 个合适的工作电流 XTAL1为32MHz晶掁 用1个32MHz的石英谐振器 XTAL1 和2个电容 C191和 C221 构成一个32MHz的晶振电路 XTAL2为32 768kHz晶掁 用1个32 768kHz的石英谐振器 XTAL2 和2个电容 C441和C431 构成一个32 768 kHz 的晶振电路 图4 CC2430应用电路 基于 ZigBee 无线温湿度采集单元硬件设计 2 5 复位电路设计 该电路由两个极性电容C2和C3 一个平板电容C1 电阻R1和开关组成 然后接 CC2430芯片RESER N端 次复位电路采用典型的RC复位方式 它具有上电复位和手动复 位两种复位功能 且低电平有效 值得注意的是 为了使系统达到有效复位 应使 RESER N端保持10ms的低电平 当复位结束后立即对该器件进行初始化时 很容易发生 错误 所以进入0000H地址后 应首先执行1ms 10ms的软件延时 然后再进行初始化 复位电路如图5所示 图5 复位电路 3 温湿度数据采集单元的硬件电路设计 3 1数字式温湿度芯片SHT11简介 SHT11是瑞士Sensirion公司推出的基于COMSensTM技术的新型温湿度传感器 该传 感器具有数字式输出 免调试 免标定 免外围电路及全互换的特点 其性能如下 1 将温湿度传感器 信号放大调理 A D转换 总线接口全部集成于一块芯 2 I C 片 COMSensTM技术 2 可给出全校准相对湿度及温度值输出 3 带有工业标准的总线数字输出接口 2 I C 4 有露点值计算输出功能 5 具有卓越的长期稳定性 6 湿度值输出分辨率为14位 温度值输出分辨率为12位 并可编程为12位和8位 7 小体积 7 65mm 5 08mm 2 35mm 可表面贴装 8 具有可靠的CRC数据传输校验功能 9 片内装载的校准系数可保证100 互换性 基于 ZigBee 无线温湿度采集单元硬件设计 10 电源电压范围为2 4 5 5 11 电流消耗小 测量时为550 A 平均为28 A 休眠时为3 A 3 2 芯片接口 SHT11 温湿度传感器采用SMD LCC 表面贴片封装形式 其引脚说明如下 1 GND 接地端 2 DATA 双向串行数据线 3 SCK 串行时钟输入 4 VDD电源端2 4 5 5V电源端 芯片内部结构框图如图6所示 图6 SHT11内部结构框图 3 3 电路设计 SHT11的湿度检测运用电容式结构 采用具有不同保护的 微型结构 检测电极系 统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容 除保持电容式湿敏器件的原有特性外 还可抵御来自外界的影响 由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一 个单一的个体 因而测量精度较高且可精确得出露点 同时不会产生由于温度与湿度 传感器之间随温度梯度变化引起的误差 SHT11与CC2430的接口电路如图7所示 使用 CC2430的I O口来模拟总线 使用P0 0来虚拟数据线DATA 使用P0 1来虚拟时钟线 2 I C SCK 并在数据线端口连接一个10K的上拉电阻 以此来进行温湿度数据采集后把数据传 输给主处理芯片 基于 ZigBee 无线温湿度采集单元硬件设计 图7 温湿度数据采集电路 3 4 SHT11使用注意事项 1 按引脚说明图连接电路 区分使用引脚和非使用引脚 并注 VCC GND DATA SCK 四个引脚的具体位置 2 SHT11焊接温度要求 使用标准的波动焊炉 在最高250 的温度条件下不超过 30 秒 手动焊接 在最高350 的温度条件下接触时间须少于5秒 3 传感器焊接后的恢复处理 由于焊接时传感器局部受热过高 可能导致测量数 据不准确 温度偏高 湿度偏低 因此 传感器焊接以后 需在20 30 70 90 和 74 RH的湿度条件下保持48小时 重新水合 4 传感器的应用环境要求 如果一些大分子与传感器内部的湿敏元件接触 很难 再挥发到空气中 会阻塞空气中水分子的渗入 导致传感器反应不灵敏 测量湿度偏 高 因此 在使用过程中 传感器要远离塑料 硅胶 香水等大分子材料和物质 5 注意上拉电阻的连接 因为有很多用户由于不加上拉电阻或者阻值选用不当 给应用带来麻烦 提醒用户注意 通常情况 建议在数据线DATA上加10K 20K 的上拉 电阻 具体情况由用户根据自己的单片机类型进行实际调整 6 注意SCK的频率选择 建议SCK的频率范围为4 6MHz 最高频率不得超过 10MHz 如果用户选用晶振频率较高 要在软件上加一些延时和空操作指令 以调整时 序 SCK 的最低频率没有限制 7 注意避免冷凝现象的发生 SHT系列温湿度传感器在结露和浸水情况下 其本 身的性能和质量不会受到任何损坏 但是由于水滴对敏感元件的影响 会导致传感器 测量数据不准确 此时读出的数据不具有实际意义 如果传感器工作在95 RH以上高湿 环境 要避免发生冷凝现象 方法 通过软件驱动传感器内部的加热器 打破冷凝条 件 数据读取正常后 即可关掉加热器 8 数据线和时钟线不要相互平行且靠得太近 否则当引线长度超过10cm时就容易 引起耦合干扰 导致信号丢失 必要时可在数据线与时钟线之间专门布置一条地线 GND 将二者隔开 9 进行远距离测量时 建议在Udd端和GND端之间接一只0 1uF的退耦电容 该电 容应尽量靠近芯片引脚 采用长电缆时 适当降低传输频率和减小信号上的波纹 可 降低交叉感应灵敏度并且减小反射干扰 必要时可插入一个低通滤波器将波纹滤掉 若在电缆线两端分别接一个低通滤波器 就能取得最佳滤波效果 10 假如必须把传感器与发热的电子元器件安装在同一块印制板上 传感器应装 基于 ZigBee 无线温湿度采集单元硬件设计 在热源的背面并且保证通风良好 11 为减小热传导 传感器与印制板之间的敷铜面积应尽量小 并在二者之间切 一个小裂口 12 禁止将传感器长期暴露在强光和紫外线照射下 以免早期失效 当工作温度 超过允许范围时 会使相对湿度信号产生3 的偏移 在高温环境下使用 会加速传感 器的老化 4 串口通信的硬件电路设计 RS232 接口是 1970 年由美国电子工业协会 EIA 联合贝尔系统 调制解调器 厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准 它是 数据终端设 备 DTE 和数据通讯设备 DCE 之间串行二进制数据交换接口技术标准 该标 准规定采用一个 25 个脚的 DB25 连接器 对连接器的每个引脚的信号内容加以规定 还对各种信号的电平加以规定 DB25 的串口一般只用到的管脚只有 2 RXD 3 TXD 7 GND 这三个 随着设备的不断改进 现在DB25 针很少看到了 代 替的是 DB9 的接口 DB9 所用到的管脚比 DB25 有所变化 是 2 RXD 3 TXD 5 GND 这三个 因此现在都把 RS232 接口叫做 DB9 目前 RS 232 是 PC 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口 RS 232 被定义为 一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准 RS 232 采取不平衡传输方式 即 所谓单端通讯 图8显示了9针通讯的接口管脚名称 表2是各管脚的说明 图8 九针串口管脚图 表2 端口说明表 管脚缩写功能 1CD 载波功能 2RXD 接收数据 基于 ZigBee 无线温湿度采集单元硬件设计 3TXD 发送数据 4DTR 数据终端准备完成 5SG 信号地线 6DSR 数据准备完成 7RTS 发送请求 8CTS 发送清除 9RI 振铃指示 4 1 电气特性 在RS 232中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系 即 逻辑 1 相当于控制线的 断开 状态 电压为 3 15V 逻辑 0 控制线的 接通 状态 电压为 3 15V 典型的RS 232信号在正负电平之间摆动 在发送数据时 发送端驱动器输出正电平 在 5 15V 负电平在 5 15V电平 当无数据传输时 线上为TTL 从开始传送数据 到结束 线上电平从TTL电平到RS 232电平再返回TTL电平 接收器典型的工作电平在 3 12V与 3 12V 由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右 所以其共模抑 制能力差 再加上双绞线上的分布电容 其传输距离最大为约15m 最高速率为 20Kbps 4 2 接口电路设计 由于其传输特性的局限 其标准有其固有的缺点 1 接口的信号电平值较高 易损坏接口电路的芯片 又因为与 TTL 电平不兼容 故需使用电平转换电路方能与 TTL 电路连接 2 传输速率较低 在异步传输时 波特率为 20Kbps 3 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式 这种共地 传输容易产生共模干扰 所以抗噪声干扰性弱 4 传输距离有限 最大传输距离标准值为 50 英尺 实际也只能用在 50 米左右 基于 ZigBee 无线温湿度采集单元硬件设计 图9 串口通信接口电路 接口电路如图9所示 该电路由C1和C2两个电容接MAX232的1 C1 3 C1 5 C2 4 C2 脚 为耦合电容 后MAX232的14 T1OUT 13 R1IN 7 T2OUT 8 R2IN 分别接DB9的3 TXD 2 RXD 8 CTS 7 RTS 实现数据的接收 和传送 U 15 GND 分别通过电容接地 MAX232的11 T1IN 12 R1OUT 10 T2IN 9 R2OUT 分别接CC2430的P1 5 P1 4 P1 2 P1 3 实现和上位机的通信 16 UCC 接5V的电源来使芯片工作 工作原理如下 发送数据时 RS 232串口数据经过MAX232将电平转换位TTL电平 在通过CC2430 无 线发送 接收数据则是发送数据的逆过程 CC2430先接收到数据信号 然后经过 MAX232将TTL电平转换位RS 232的标准电平 在通过RS 232向上位机输入数据 结束语结束语 本文主要对基于ZigBee的无线传感器网络数据采集系统进行整体设计与实现 首 先 从ZigBee网络设备入网流程等关键点上突破 深入研究ZigBee技术的组网方式 然后 利用CC2430搭建一个无限传输的平台 以ZigBee协议为基础 设计实现了小型 ZigBee传送网 通过串口观测 表明终端节点的数据通过此网络可以顺利到达显示端 在已组建的ZigBee传输网的基础上 结合SHTl1数字温湿度传感器的进行数据采集 并 在PC机上集中显示和处理数据 该无线温湿度传感器网络以低成本 低功耗无线单片机CC2430为核心 采用数字 温湿度传感器SHT11获取数据 电路结构简单 工作稳定可靠 检测精度高 且具有无 线数据通信灵活方便等特点 特别适用于工业现场环境 监测封闭空间和其它需要多 点监测的特殊场合 另外 SHT11数字式温湿度传感器由于将温度传感器 湿度传感器 信号调理 模 数转换器 标定参数及总线接口全部集成到传感器内部 因此 既提高了传感器 2 I C 的性能 又降低了成本 减小了体积 以它为核心组成的温湿采集系统性能可靠 测 基于 ZigBee 无线温湿度采集单元硬件设计 量精度高 在温室环境参数测试中 起到了关键的作用 当然 系统作为一个基本平台实现的功能有限 今后对于此系统的开发重点可以 放 在节点间的功能控制方面 可以在现有的网络基础上 对终端节点与应用对象进行功 能绑定 从而达到对节点应用对象的控制目的 参考文献参考文献 1 施承 宋铁成 叶之慧 基于ZigBee协议的无线传感器网络节点的研制 广东通信技术 2006 2 李刚 张志宏 蜜蜂的舞蹈一ZigBee的无线网络技术和应用 电子产品世界 2006 17 3 霍雷 一种新的无线网络通信技术Zig