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文档简介
目录1概述111课题背景112课题研究的目的和意义213国内外研究概况314论文的主要研究内容及论文安排42ZIGBEE协议及所采用的芯片介绍521ZIGBEE概述522ZIGBEE网络基础7221网络节点类型7222网络拓扑形式7223工作模式923CC2430芯片9231CC2430概述9232CC2430芯片的主要特点113基于ZIGBEE的温度采集系统1231开发环境简介12311C51RF3PKZIGBEE无线网络技术专业开发平台12312IAREMBEDDEDWORKBENCH简介1232系统详细设计13321系统整体结构13322节点的硬件设计14323系统的程序设计16324基于ZIGBEE的温度采集系统程序流程图2033上位机21331上位机的功能简介21332上位机软件的程序的流程图22333上位机运行效果244系统测试2541系统测试步骤2542系统测试结果25421系统的硬件测试25422协议栈的测试25423上位机的测试2543系统测试结果分析255总结与展望266致谢277参考文献28兰州工业高等专科学校11概述11课题背景信息技术发展日新月异,传统的有线通信方式因为其成本高、布线复杂,已经不能完全满足人们的应用需求了。由此,无线通信技术应运而生。无线网络技术按照传输范围来划分,可分为无线广域网、无线城域网、无线局域网和无线个人域网。无线个人域网即短距离无线网络,典型的短距离无线传输技术有蓝牙(BLUETOOTH)、ZIGBEE、WIFI等。在工业控制、家庭自动化和遥测遥感领域,蓝牙(BLUETOOTH)虽然成本较低,成熟度高,但是传输距离有限,仅为10米,可以参与组网的节点少。WIFI虽然传输速度较快,传输距离达到100米,但是其价格偏高,功耗较大,组网能力较差。相比之下ZIGBEE技术则主要针对低成本、低功耗和低速率的无线通信市场,具有如下特点1成本低ZIGBEE模块的初始成本低,并且ZIGBEE协议是免专利费的,采用直接序列扩频在工业科学医疗ISM频段,24GHZ全球、915MHZ美国和868MHZ欧洲,免执照频段;低功耗由于ZIGBEE的传输速率较低,传输数据量较小,并且采用了休眠模式,因此ZIGBEE设备功耗很低,仅靠两节5号电池就可以维持长时间使用;低速率。ZIGBEE工作在20250KBPS的较低速率,分别提供250KBPS24GHZ、40KBPS915MHZ和20KBPS868MHZ的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求;时延短ZIGBEE的响应速度较快,通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,一般从休眠转入工作状态只需要15MS,典型的搜索设备时延为30MS,活动设备信道接入的时延为15MS;网络容量大ZIGBEE可采用星型、树型和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000个节点的大网。可靠度高为了避免发送数据的竞争和冲突,采取了碰撞避免策略,同2时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙。MAC层采用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;安全ZIGBEE提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单ACL防止非法获取数据以及采用高级加密标准AES128的对称密码,以灵活确定其安全属性。传输距离远传输范围一般介于10100M之间,在增加RF发射功率后,亦可增加到13KM。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。由于ZIGBEE技术具有上述特点,因而广泛应用在短距离低速率电子设备之间的数据传输。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。12课题研究的目的和意义ZIGBEE技术具有低成本、低功耗、近距离、短时延、高容量、高安全及免执照频段等优势,广泛应用于智能家庭、工业控制、自动抄表、医疗监护、传感器网络应用和电信应用等领域。智能家庭现今家用电器已经随处可见了,如何将这些电器和电子设备联系起来,组成一个网络,甚至可以通过网关连接到INTERNET,使得用户可以方便地在任何地方监控自己家里的情况ZIGBEE技术提供了家庭智能化的技术支持,在ZIGBEE技术的支持下,家用电器可以组成一个无线局域网,省却了在家里布线的烦恼。工业控制工厂环境当中有大量的传感器和控制器,可以利用ZIGBEE技术把它们连接成一个网络进行监控,加强作业管理,降低成本。自动抄表现在在大多数地方还是使用人工的方式来逐家逐户进行抄表,十分不方便。而ZIGBEE可以用于这个领域,利用传感器把表的读数转化为数字信号,通过ZIGBEE网络把读数直接发送到提供煤气或水电的公司。使用ZIGBEE进行抄表还可以带来其它好处,比如煤气或水电公司可以直接把一些信息发送给用户,或者和节能相结合,当发现能源使用过快的时候可以自动降低使用速度。医疗监护医疗工作中,时常要获得病人的生理指标、环境指标,可以通过放置传感器构成传感器网络,实时监测这些数据。由于是无线技术,传感器3之间不需要有线连接,被监护的人也可以比较自由的行动,非常方便。传感器网络应用传感器网络也是最近的一个研究热点,像货物跟踪、建筑物监测、环境保护等方面都有很好的应用前景。传感器网络要求节点低成本、低功耗,并且能够自动组网、易于维护、可靠性高。ZIGBEE在组网和低功耗方面的优势使得它成为传感器网络应用的一个很好的技术选择。此外,ZIGBEE技术也可以应用到汽车电子、农业生产和军事领域中。随着物联网技术的日渐兴起,ZIGBEE技术将会扮演更为重要的角色。但是,物联网的全面普及将是一个十分漫长的过程,至少目前还在探索和实验阶段,距离实用还有很长的路要走。虽然前景一片大好,但是我们应该清楚认识到由于各方面的制约,ZIGBEE技术的大规模商业应用还有待时日,基于ZIGBEE技术的无线网络应用还远远说不上成熟,主要表现在ZIGBEE市场仍处于起步探索阶段,终端产品和应用大多处于研发阶段,真正上市的少,且以家庭自动化为主;潜在应用多,但具有很大出货量的典型应用少,市场缺乏明确方向;使用点对多点星状拓扑的应用较多,体现ZIGBEE优势的网状网络应用少;基于IEEE802154底层协议的应用多,而基于ZIGBEE标准协议的应用少。13国内外研究概况ZIGBEE作为一种新兴的国际标准短距离无线通信协议,其协议栈体系结构是基于标准七层开放式系统互联参考模型OSI,IEEE8021542003标准定义了下面的两层物理层和媒体接入控制子层;网络层、应用会聚层、应用层由ZIGBEE联盟制订。2002年,ZIGBEE联盟创立,创始者包括IC供应商、无线IP提供商、设备制造商、测试设备制造商和最终产品制造商等,这些企业能提供适应ZIGBEE的产品和解决方案。ZIGBEE联盟于2004年底发布了ZIGBEE协议10版本规范,2006年11月发布了ZIGBEE协议11版本规范,2007年10月发布了ZIGBEEPRO版本规范。ZIGBEE联盟的主要目标是以通过加入无线网络功能,为消费者提供更富有弹性、更容易使用的电子产品。ZIGBEE技术能融入各类电子产品,应用范围横跨全球的民用、商用、公共事业以及工业等市场。使得联盟会员可以利用ZIGBEE这个标准化无线网络平台,设计出简单、可靠、便宜又节省电力的各种4产品来。飞思卡尔推出了全球首个符合ZIGBEE标准的平台,使得制造商能够将ZIGBEE技术应用于传感和监控领域。截止至2005年4月,已有TEXASINSTRUMENTS收购CHIPCON、FREESEALE、COMPXS、EMBER等四家公司通过了ZIGBEE联盟对其产品所作的测试和兼容性验证。目前市场上RF主流芯片的供应商包括TI、EMBER、FREESCALE以及JENNIC,他们分别推出单芯片解决方案CC2430CC2431、EM250、MCL321X以及JN5121,在市场上极具竞争力。主流的商用ZIGBEE的协议栈为FIGURE8WIRELESS提供的F8WZSTACK。14论文的主要研究内容及论文安排本文主要研究了基于ZIGBEE的温度检测系统的设计,包括节点的硬件设计、无线传感器网络的组建以及上位机的编程实现。本文的安排如下第一章阐述了设计的背景、目的和意义以及目前国内外的ZIGBEE研究发展情况。第二章介绍了ZIGBEE的协议栈结构、各层的功能、ZIGBEE的网络节点类型、网络体系结构及工作模式,此外简要介绍了CC2430芯片。第三章介绍了本设计的开发环境以及相关的软硬件设计,包括上位机的设计。第四章介绍了该设计的测试过程和调试过程。第五章对参考的一些文章做了说明。第六、七章对毕业设计老师的感谢和一些总结。52ZIGBEE协议及所采用的芯片介绍21ZIGBEE概述ZIGBEE一词来源于蜜蜂赖以生存的通信方式ZIGZAG形状的舞蹈,是一种低成本、低功耗的近距离无线组网通信技术。2000年,IEEE80215工作组成立的任务组TG4(TASKGROUP,TG)制定了IEEE802154标准。该标准以低能耗、低速率传输、低成本为重点目标,为设备之间的低速无线互连提供了统一标准,就是ZIGBEE无线通信技术。ZIGBEE协议是基于IEEE802154标准的,由IEEE802154和ZIGBEE联盟共同制定。IEEE802154工作组制定ZIGBEE协议的物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC层)协议。ZIGBEE联盟成立用于2002年,定义了ZIGBEE协议的网络层(NWK)、应用层(APL)和安全服务规范。协议栈结构如图21。应用层(含应用接口层)用户安全层网络层ZIGBEE联盟MAC层物理层IEEE802154图21ZIGBEE协议栈结构FIGURE21THEPROTOCOLSTRUCTUREOFZIGBEEZIGBEE协议由物理层PHY、介质访问控制子层MAC、网络层NWK,6应用层APL及安全服务提供层SSP五块内容组成。其中PHY层和MAC层标准由IEEE802154标准定义,MAC层之上的NWK层,APL层及SSP层,由ZIGBEE联盟的ZIGBEE标准定义。APL层由应用支持层APS,应用框架AF以及ZIGBEE设备对象ZDO及ZDO管理平台组成1。PHY层定义了无线射频应该具备的特征,提供了868MHZ8686MHZ、902MHZ928MHZ和2400MHZ24835MHZ三种不同的频段,分别支持20KBPS、40KBPS和250KBPS的传输速率,1个、10个以及16个不同的信道。ZIGBEE的传输距离与输出功率和环境参数有关,一般为10100米之间。PHY层提供两种服务PHY层数据服务和PHY层管理服务,PHY层数据服务是通过无线信道发送和接收物理层协议数据单元PPDU,PHY层的特性是激活和关闭无线收发器、能量检测、链路质量指示、空闲信道评估、通过物理媒介接收和发送分组数据。MAC层使用CSMACA冲突避免机制对无线信道访问进行控制,负责物理相邻设备问的可靠链接,支持关联ASSOCIATION和退出关联DISASSOCIATION以及MAC层安全。MAC层提供两种服务MAC层数据服务和MAC层管理服务,MAC层数据服务通过物理层数据服务发送和接收MAC层协议数据单元MPDU。MAC层的主要功能是进行信标管理、信道接入、保证时隙GTS管理、帧确认应答帧传送、连接和断开连接。NWK层提供网络节点地址分配,组网管理,消息路由,路径发现及维护等功能。NWK层主要是为了确保正确地操作IEEE8021542003MAC子层和为应用层提供服务接口。NWK层从概念上包括两个服务实体数据服务实体和管理服务实体。NWK层的责任主要包括加入和离开一个网络用到的机制、应用帧安全机制和他们的目的地路由帧机制,ZIGBEE协调器的网络层还负责建立一个新的网络。ZIGBEE应用层包括应用支持子层APS子层、应用框架AF和ZIGBEE设备对象ZDO。APS子层负责建立和维护绑定表,绑定表主要根据设备之间的服务和他们的需求使设备相互配对。ZIGBEE的应用框架AF为各个用户自定义的应用对象提供了模板式的活动空间,并提供了键值对KVP服务和报文MSG服务供应用对象的数据传输使用。一个设备允许最多240个用户自定义应用对象,分别指定在端点L至端点240上。ZDO可以看成是指配到端点O上的一个特殊的应用对象,被所有ZIGBEE设备包含,是所有用户自定义的应用对象调用的一个功能集,包括网络角色管理,绑定管理,安全管理等。7ZDO负责定义设备在网络中的角色例如是ZIGBEE协调器或者ZIGBEE终端设备、发现设备和决定他们提供哪种应用服务,发现或响应绑定请求,在网络设备之间建立可靠的关联。安全服务提供者SSPSECURITYSERVICEPROVIDER向NWK层和APS层提供安全服务。ZIGBEE协议层与层之间是通过原语进行信息的交换和应答的。大多数层都向上层提供数据和管理两种服务接口,数据SAPSERVICEACCESSPOINT和管理SAPSERVICEACCESSPOINT。数据服务接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务,管理服务接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制。22ZIGBEE网络基础ZIGBEE网络基础主要包括设备类型,拓扑结构和路由方式三方面的内容,ZIGBEE标准规定的网络节点分为协调器(COORDINATOR)、路由器ROUTER和终端节点(ENDDEVICE)。节点类型是网络层的概念,反映了网络的拓扑形式。ZIGBEE网络具有三种拓扑形式星型拓扑、树型拓扑、网状拓扑2。221网络节点类型1协调器(COORDINATOR)在各种拓扑形式的ZIGBEE网络中,有且只有一个协调器节点,它负责选择网络所使用的频率通道、建立网络并将其他节点加入网络、提供信息路由、安全管理和其他服务。2路由器(ROUTER)当采用树型和网状拓扑结构时,需要用到路由器节点,它也可以加入协调器,是网络远距离延伸的必要部件。它负责发送和接受节点自身信息;节点之间转发信息;允许子节点通过它加入网络。3终端节点终端节点的主要任务就是发送和接收信息,通常一个终端节点不处在数据收发状态时可进入休眠状态以降低能耗。222网络拓扑形式1星型拓扑星型拓扑是最简单的拓扑形式,如图22。图中包含一个协调器节点和一些终端节点。每一个终端节点只能和协调器节点进行通讯,在两个终端节点之8间进行通讯必须通过协调器节点进行转发,其缺点是节点之间的数据路由只有唯一路径。图22星形拓扑结构FIGURE22STARNETWORK2树型拓扑树型拓扑结构如图23。协调器可以连接路由器节点和终端节点,子节点的路由器节点也可以连接路由器节点和终端节点。直接通信只可以在父节点和子节点之间进行,非父子关系的节点只能间接通信。图23树状拓扑结构FIGURE23CLUSTERTREENETWORK3网状拓扑网状拓扑如图24。网状拓扑具有灵活路由选择方式,如果某个路由路径出现问题,信息可自动沿其他路径进行传输。任意两个节点可相互传输数据,网络会自动按照ZIGBEE协议算法选择最优化路径,以使网络更稳定,通讯更有效率。9图24网状拓扑结构FIGURE24MESHNETWORK223工作模式ZIGBEE网络的工作模式可以分为信标BEACON模式和非信标NONBEACON模式两种。信标模式可以实现网络中所有设备的同步工作和同步休眠,以达到最大限度地节省功耗,而非信标模式只允许ZE进行周期性休眠,协调器和所有路由器设备长期处于工作状态。在信标模式下,协调器负责以一定的间隔时间一般在15MS4MINS之间向网络广播信标帧,两个信标帧发送间隔之间有16个相同的时槽,这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两个部分,消息只能在网络活动区的各个时槽内发送。非信标模式下,ZIGBEE标准采用父节点为子节点缓存数据,终端节点主动向其父节点提取数据的机制,实现终端节点的周期性周期可设置休眠。网络中所有的父节点需要为自己的子节点缓存数据帧,所有子节点的大多数时间都处于休眠状态,周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中,并向父节点提取数据,其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15MS。23CC2430芯片231CC2430概述CC2430是一颗真正的系统芯片SOCCMOS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24GHZISM波段应用,及对低成本,低功耗的要求。它结合一个高性能24GHZDSSS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。10图25CC2430引脚排列图FIGURE25THEPINARRANGEMENTOFCC2430CC2430的尺寸只有77MM48PIN的封装,采用具有内嵌闪存的018微米CMOS标准技术。这可实现数字基带处理器,RF、模拟电路及系统存储器整合在同一个硅晶片上。CC2430包含一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核,运行时钟32MHZ。CC2430包含一个DMA控制器。8K字节静态RAM,其中的4K字节是超低功耗SRAM。32K,64K或128K字节的片内FLASH块提供在电路可编程非易失性存储器。CC2430集成了4个振荡器用于系统时钟和定时操作一个32MHZ晶体振荡器,一个16MHZRC振荡器,一个可选的32768KHZ晶体振荡器和一个可选的32768KHZRC振荡器。CC2430也集成了用于用户自定义应用的外设。一个AES协处理器被集成在CC2430之中,用来支持IEEE802154MAC安全所需的(128位关键字)AES的运行,以尽可能少的占用微控制器。中断控制器为总共18个中断源提供服务,他们中的每个中断都被赋予4个中断优先级中的某一个。调试接口采用两线串行接口,该接口被用于在电路调试和外部FLASH编程。I/O控制器的职责是21个一般I/O口的灵活分配和可靠控制。CC2430包括四个定时器一个16位MAC定时器,用以为IEEE802154的CSMACA算法提供定时以及为IEEE802154的MAC层提供定时。一个一般的16位和两个8位定时器,支持典型的定时/计数功能,例如,输入捕捉、比较输出和PWM功能。11CC2430内集成的其他外设有实时时钟;上电复位;8通道,814位ADC;可编程看门狗;两个可编程USART,用于主/从SPI或UART操作。为了更好的处理网络和应用操作的带宽,CC2430集成了大多数对定时要求严格的一系列IEEE802154MAC协议,以减轻微控制器的负担。这包括自动前导帧发生器、同步字插入/检测、CRC16校验、CCA、信号强度检测/数字RSSI、连接品质指示LQI和CSMA/CA协处理器。232CC2430芯片的主要特点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128KB可编程闪存和8KB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(WATCHDOGTIMER)、32KHZ晶振的休眠模式定时器、上电复位电路POWERONRESET、掉电检测电路BROWNOUTDETECTION,以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用018MCMOS工艺生产;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短时间的特性,特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。123基于ZIGBEE的温度采集系统31开发环境简介311C51RF3PKZIGBEE无线网络技术专业开发平台成都无线龙ZIGBEE协议栈高级开发系统C51RF3是一款经济、高效、方便的开发工具套装,满足IEEE802154标准和ZIGBEE技术标准的无线网络技术设计开发。C51RF3PK开发平台具有以下特点1、具有USB高速下载、支持IAR集成开发环境;2、具有在线下载、调试、仿真功能;3、可以根据需求选配多种扩展开发板;4、开发方便、快捷、简单;5、功能强大的C51RF3仿真器。不仅可以实现对CC2430/CC2431程序下载,还可实现开发仿真调试。6、多种扩展板既有简单开发按键、又有液晶显示及各种传感器。不但可以实现简单的CC2430/CC2431开发,还可作复杂的ZIGBEE无线网络。312IAREMBEDDEDWORKBENCH简介IAREMBEDDEDWORKBENCH(简称EW)的C/C交叉编译器和调试器是今天世界最完整的和最容易使用专业嵌入式应用开发工具。EW今天已经支持35种以上的8位/16位32位ARM的微处理器结构,对不同的微处理器提供一样直观用户界面。EW包括嵌入式C/C优化编译器,汇编器,连接定位器,库管理员,编辑器,项目管理器和CSPY调试器。使用IAR的编译器最优化最紧凑的代码,可以节省硬件资源,最大限度地降低产品成本,提高产品竞争力。IAREMBEDDEDWORKBENCH集成的编译器主要产品特征高效PROMABLE代码完全标准C兼容内建对应芯片的程序速度和大小优化器目标特性扩充版本控制和扩展工具支持良好便捷的中断处理和模拟13瓶颈性能分析高效浮点支持内存模式选择工程中相对路径支持IARSYSTEMS的C/C编译器可以生成高效可靠的可执行代码,并且应用程序规模越大,效果明显。与其他的工具开发厂商相比,系统同时使用全局和针对具体芯片的优化技术。连接器提供的全局类型检测和范围检测对于生成目标的代码的质量是至关重要。IAREMBEDDEDWORKBENCH是一套完整的集成开发工具集合包括从代码编辑器、工程建立到C/C编译器、连接器和调试器的各类开发工具。它和各种仿真器、调试器紧密结合,使用户在开发和调试过程中,仅仅使用一种开发环境界面,就可以完成多种微控制器的开发工作。除上述的几点之外,在IAREMBEDDEDWORKBENCH,IARSYSTEMS还提供了VISUALSTATE和IARMAKEAPP两套图形开发工具帮助开发者完成应用程序的开发,它可以根据设计自动生成应用程序代码和自动生成驱动程序,使开发者摆脱这些耗时的任务同时保证了代码的质量。32系统详细设计321系统整体结构本设计所实现的无线温度采集系统以C51RF3PK开发平台为核心,使用了两块表演板,利用芯片自带的温度传感器采集温度值,充分发挥了C51RF3PK开发平台的丰富资源。在上位机上,采集的温度实时地显示出来,并且通过折线图动态描绘出温度的变化趋势。考虑到可能采集多个节点的温度,上位机可以根据客户要求切换不同节点的温度折线图。为了方便对以往数据的查看,采集到的数据被实时保存到了文档之中。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31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14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。图31温度采集系统示意图FIGURE31THESCHEMATICOFTEMPERATUREDETECTIONSYSTEM322节点的硬件设计1协调器节点的硬件设计ZIGBEE协调器节点硬件设计如图32所示,该节点由无线收发器CC2430、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。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器。不平衡变压器可以运行在使用低成本的单独电感器和电容器的场合。电源模块用于CC2430的数字I/O和部分模拟I/O的供电,供电电压为2036V。CC2430可以同时接32MHZ和32768KHZ的两种频率的晶振电路,以满足不同的要求。串口电路用于CC2430将接收到的数据传送给上位机,由于上位机与CC2430的电平不一致,所以需要一个MAX232电平转换电路。15图32协调器节点FIGURE32COORDINATORNODE2路由器节点的硬件设计路由器节点的主要任务是将不同区域的数据从传感器节点路由到协调器节点,因此,该电路比较简单,该节点由无线收发器CC2430、射频天线RF、电源模块和晶振电路组成。3传感器节点的硬件设计传感器节点和硬件设计如图33所示,该节点由无线收发器CC2430、射频天线RF、电源模块、晶振电路和串口电路组成。由于CC2430芯片本身带有温度传感器,因而本实验直接采用了CC2430的内置温度传感器监测温度。但是该温度传感器的精度有限,如果要求更高的精度,可以扩展出一个温度传感器,如DS18B20。图33传感器节点FIGURE33SENSORNODE16下面对每个部分的功能和指标进行详细介绍1信息收集终端即协调器,放置于监控室,完成网络的建立与维护,和节点之间绑定的建立,实现数据的汇总,然后以有线的方式传送到上位机软件,进行进一步数据处理。本设计采用RS232串口将采集到的数据发送到上位机。2温度采集终端即节点,放置在需要采集温度的地方。温度采集终端可以实现网络的加入、与协调器绑定的建立、温度的检测。检测到的温度通过ZIGBEE无线网络发送到协调器。3上位机位于监控室,完成对所采集温度的汇总与显示。采集到的数据实时保存到文档中,同时以折线图的形式实时反映出温度的变化趋势,使其更为直观。显示的折线图可以在不同节点之间切换。323系统的程序设计(1)设备的描述程序中,两种设备被配置传感器和中心收集设备3。中心收集设备作为协调器或路由器启动,描述为传感器设备的描述为CONSTSIMPLEDESCRIPTIONFORMAT_TZB_SIMPLEDESCMY_ENDPOINT_ID,/端点MY_PROFILE_ID,/PROFILEIDDEV_ID_COLLECTOR,/设备IDDEVICE_VERSION_COLLECTOR,/设备版本0,/保留NUM_IN_CMD_COLLECTOR,/输入命令数量CID_TZB_INCMDLIST,/输入命令列表NUM_OUT_CMD_COLLECTOR,/输出命令数量CID_TNULL/输出命令列表17(2)节点类型的确定传感器程序下载成功之后,传感器节点启动类型就已经确定,而中心收集设备启动时需要确定设备的启动类型,由如下程序可以看出,当按键1按下时,设备作为协调器启动,当按键2按下时,设备作为路由器启动。(3)发现和绑定传感器设备加入网络后将试图发现和绑定它自己到一个中心收集设备。如CONSTSIMPLEDESCRIPTIONFORMAT_TZB_SIMPLEDESCMY_ENDPOINT_ID,/端点MY_PROFILE_ID,/PROFILEIDDEV_ID_SENSOR,/设备IDDEVICE_VERSION_SENSOR,/设备版本0,/保留NUM_IN_CMD_SENSOR,/输入命令数量CID_TZB_INCMDLIST,/输入命令列表NUM_OUT_CMD_SENSOR,/输出命令数量CID_TZB_OUTCMDLIST/输出命令列表IFKEYSIFKEYS18果发现个收集设备,它将选择第一个响应的中心收集设备建立绑定;如果没有发现收集节点,那么它将不断进行搜索。用OSAL_START_TIMERMY_START_EVT,MYSTARTRETRYDELAY函数设置一个时间事件,该事件处理如下该代码在ZB_HANDLEOSALEVENT函数中,是专门为用户留下的事件处理函数。可以看出,如果没有建立绑定,则传感器设备将周期性的发送绑定请求。网络启动建立成功后,中心收集设备必须进入允许绑定模式,才能对传感器发送的绑定请求做出响应。本设计中,确定中心设备的启动模式之后,按下按键1可以使设备进入绑定模式,此时LED1点亮;按下按键4可以退出绑定模式,此时LED1熄灭。(4)数据包的发送和接收绑定建立成功后,传感器设备将根据定义的时间间隔周期地采集温度传感器通过报告命令发送给收集设备。该报告命令要求收集设备应答,通过函数ZB_SENDDATACONFIRM可以指示应答。如果传感器设备有一个应答没有接收到,则传感器设备将移除与它的绑定,重新发现和绑定。通过函数ZB_HANDLEOSALEVENT完成用户定义的事件。IFEVENTIFEVENTPDATA1MYAPP_READTEMPERATUREZB_SENDDATAREQUEST0XFFFE,SENSOR_REPORT_CMD_ID,2,PDATA,0,AF_ACK_REQUEST,0OSAL_START_TIMEREXSAPI_TASKID,MY_REPORT_TEMP_EVT,MYTEMPREPORTPERIODIFEVENTVOIDZB_HANDLEOSALEVENTUINT16EVENTUINT8PDATA2IFEVENT19收集节点接收到传感器设备发送的数据包后,通过串口传输到PC机。该过程通过接收数据指示函数ZB_RECEIVEDATAINDICATION完成。CONSTUINT8STRDEVICE“0X“VOIDZB_RECEIVEDATAINDICATIONUINT16SOURCE,UINT16COMMAND,UINT16LEN,UINT8PDATAUINT8BUF32UINT8PBUFUINT8TMPLENUINT8SENSORREADINGIFCOMMANDSENSOR_REPORT_CMD_ID/读取传感器数据SENSORREADINGPDATA1/写信息到串口TMPLENUINT8OSAL_STRLENCHARSTRDEVICEPBUFOSAL_MEMCPYBUF,STRDEVICE,TMPLEN_LTOASOURCE,PBUF,16PBUF4PBUFPBUFSENSORREADING/100/转换MSB为ASCIIPBUFSENSORREADING100/转换LSB为ASCIIUARTTX_SEND_STRINGBUF,920324基于ZIGBEE的温度采集系统程序流程图基于ZIGBEE的温度采集系统流程图见图34和图35所示。上电复位硬件、堆栈初始化发现网络是否加入网络入网成功否是传感器采集数据发送成功是否尝试重新建立绑定成功是否图34传感器节点流程图FIGURE34THEFLOWCHARTOFSENSORNODE图31是传感器节点的程序流程图。设备初始化后,传感器节点会依据ZIGBEE协议搜寻网络,并请求加入节点。请求得到确定后,传感器节点会将自身的地址发送给协调器,并自动与协调器建立绑定。在接受到数据传送请求之21后,传感器节点就会将温度值按时传给协调器。图32是协调器的程序流程图。在设备初始化完毕后,协调器新建无线网络。如果新建网络成功,允许协调器设定为绑定。此时,协调器检测是否有节点要求加入网络,如果接收到节点的加入请求,协调器会记录下节点的地址,并建立绑定,同时向节点发出传送数据请求,得到节点的确认后,协调器开始接收数据,最后通过RS232串口发送给上位机。否否上电复位初始化硬件建网成功是允许绑定发现设备建立绑定接收数据是将数据发到串口,发给PC机图35协调器的流程图FIGURE35THEFLOWCHARTOFCOORDINATORNODE33上位机331上位机的功能简介上位机软件主要完成对每个节点信息的汇总、分析与显示。本设计采用MICROSOFTVISUALBASIC60(中文版)开发环境进行设计。VISUALBASIC60简单易学同时又功能强大,可以方便的支撑上位机的开发和设计。本设计中,采集到的数据通过串口读入,并创建EXCEL文件用来保存数据,同时数据可以实时地显示在文本框中。为了反映数据的变化趋势,温度值还将通过折线图绘制出来,而温度值可能来自于不同的节点,因而在数据从串口读入之后需要提取出节电地址和温度值,不同节点的温度值分别绘图,上位机允22许在不同节点的折线图之间切换。因此本设计中采用了MICROSOFTCOMMCONTROL60控件、MICROSOFTCOMMONDIALOGCONTROL60控件、LABEL控件、TEXT控件、PICTUREBOX控件等。此外,由于需要建立EXCEL文件存储采集到的数据,因而需要引用MIRCOSOFTEXCEL110OBJECTLIBRARY。采集到的数据通过LINE函数实时地在各个PICTUREBOX中绘出折线图456。上位机的界面如图36所示。图36上位机显示界面FIGURE36THEDISPLAYSCREENOFUPPERMACHINE332上位机软件的程序的流程图程序启动后,首先需要对串口进行设置并且新建EXCEL文档。待串口初始化之后,上位机MICROSOFTCOMMCONTROL60控件开始响应串口读入事件。下位机的数据以字符串的形式进入上位机,该字符串包含了节点的地址信息和所采集的温度信息。此时,要对地址信息和温度信息进行提取。程序根据提取出的不同地址,选择在哪一个PITUREBOX中绘出曲线。上位机显示界面中,有相互重叠的几个PICTUREBOX,用来绘制不同节点的温度折线图。默认状态下显示第一个节点的折线图显示出来,如果要查看其他节点的温度图线,则可以点击“查看”菜单进行切换。23是开始初始化串口接收来自串口的数据提取地址和温度值是否新地址新的PICTUREBOX中绘图温度超标否给出警告是否原PICTUREBOX中绘图新建存储文档否图33上位机流程图FIGURE33THEFLOWCHARTOFUPPERMACHINE24333上位机运行效果图34上位机运行效果图FIGURE34THEDISPLAYSCREENOFUPPERMACHINEWHILERUNNING程序运行初需要对串口进行设置。上位机运行后,界面中PICTUREBOX中实时绘出温度变化的折线图,当前显示的节点可以通过“查看”菜单切换,当前显示的节点显示在图下方的文本框中,而实时数据一栏中则显示的是当前串口正读取的信息。254系统测试41系统测试步骤1)检查开发板电源、串口线以及外扩设备连接是否正常。2)下载协调器代码到开发系统的表演板。3)下载传感器节点代码到电池板4)用串口调试助手观察协议栈运行是否正常4)测试上位机软件,PC端能否正常接收数据以及能否将数据存到数据库中,可否正常画出曲线。42系统测试结果421系统的硬件测试系统的硬件测试包括对开发平台的电源、内存、按键、LED灯、串口,以及配套电路进行测试。下载各模块的程序后,系统各硬件均能正常工作。422协议栈的测试下载协调器模块到表演板、节点模块到电池板后,程序运行正确,从串口能正确接收到节点的地址以及所采集到的温度。423上位机的测试打开上位机软件,从串口读入当前温度值,能够实时显示温度并能够绘出温度曲线,能够顺利在多个曲线间进行切换,能够存储过往数据并且能够查看。43系统测试结果分析经测试,系统软硬件均工作正常,实现了需求中的绝大部分功能。网络功能方面,充分发挥了ZIGBEE的强大的优势,网络健壮。测试中,温度传感器采集的是室温,所测得的温度值与室温基本一致。上位机也顺利绘出温度的折线图并且能够存储数据。总体上,本设计基本完成了预期的目标和要求。265总结与展望本文详细介绍了ZIGBEE协议栈和基于ZIGBEE的温度采集系统的设计过程,设计中将系统分为上位机和下位机两部分。下位机使用成都无线龙C51RF3PK开发系统进行开发调试,通过CC2430芯片搭建无线传感器网络,并采集节点的温度值。所采集到的数据值通过RS232传输到上位机。上位机通过VISUALBASIC编写,用以实时显示数据并绘出折线图,此外,还需要能够查看过往数据。由于本设计是以当下较为流行的ZIGBEE无线通信技术为基础的,ZIGBEE技术具有近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本等优点,因而成本和功耗方面的是本设计的一大优势。同时,由于ZIGBEE技术组网方便,网络容量大,可以满足工农业生产上多点的温度检测,应用前景比较广泛。在设计时,也充分考虑了应用的便捷性,充分体现在上位机友好的节面设计上。当然,本设计仍然存在一些不足,需要改进和提高。例如,本设计的稳定性还不能达到应用的要求,数据的存储方式还可以进一步改善,这些以后都会进一步研究和实现。然而,ZIGBEE技术的应用前景是十分明朗的,成本和功耗方面的优势使其在市场中十分具有竞争力。尤其在物联网技术已成为当下热点命题之一的时候,ZIGBEE技术的应用价值就更为重要了,可以想见,伴随着物联网技术的成长,ZIGBEE技术也将日趋成熟。276致谢随着毕业设计的结束,我的三年大学生活也将走到终点,想起这些,真的好眷恋过去美好的生活,真的有种流泪的冲动。回顾三年的学习生活,感受颇深,三年来我刻苦学习,并且取得了还不错的成绩,也算是对的起父母,对得起老师,对的起社会对我的培养了。在设计的整个过程中,遇到了很多困难,而每次遇到困难,无不得到指导老师周彬老师的悉心指导和帮助。周老师为人热心、和蔼、负责、治学严谨细心,刚开始我不住从何下手,周老师不断鼓励我,在设计过程中无论我问多么简单的问题,周老师总是耐心地给我讲解,借此机会我首先向周老师表示衷心的感谢同时,我要感谢兰工专各位授课老师,正是由于他们的传道、授业、解惑,让我学到了专业知识,我也从他们身上学到了如何求知治学、如何为人处事。感谢我的舍友三年来对我的照顾,平时生活中她们给过我很多帮助,在此也感谢她们。愿我们的友情永存。最后,衷心感谢于百忙之中评阅论文的各位老师。谢谢287参考文献1田亚基于ZIGBEE无线传感器网络系统设计与实现D同济大学200732李长征基于ZIGBEE技术的无线传感器网络设计研究D太原理工大学200853夏恒星基于CC2430的无线传感器网络节点设计J电子技术应用第5期200694李辉晓光高顶等基于ZIGBEE的无线传感器网络在矿井安全监测中的应用J仪表技术与传感器第4期200845吴呈瑜,孙运强基于ZIGBEE的瓦斯无线监测系统硬件设计J今日电子200816张春峰朱玉玉陈永辉基于ZIGBEE的温室无线CO2传感器网络节点设计J工业控制计算2009年22卷第10期7杨雪峰胡荣强基于CC2430实现ZIGBEE通信JPLCFA2007785888夏恒星马维华基于CC243的无线传感器网络节点设计J电子技术应用200754547,549陈湘平莉基于ZIGBEE的数据采集系统设计J微计算机信息,200910PP9910110袁文鼎李昌华ZIGBEE技术在气体浓度监测系统的应用J脑知识与技术2009年2月5卷5期11LAN/MANSTANDARDSCOMMITEEOFTHEIEEECOMPUTERSOCIETYIEEE80215420031012QIANGFENGJIANG,DMANIVANNANROUTINGPROTOCOLSFORSENSORNETWORKS,CONSUMERCOMMUNICATIONSANDNETWORKINGCONFERENCE,2004CCNC200413MFJAN,QHABIB,MIRFAN,MMURADCARBONMONOXIDEDETECTIONANDAUTONOMOUSCOUNTERMEASURESYSTEMFORASTEELMILLUSINGWIRELESSSENSORANDACTUATORNETWORKICET,20106THINTERNATIONALCONFERENCEONEMERGINGTECHNOLOGIESICET14WELMENREICH,WHAIDINGER,ANDHKOPETZ,“INTERFACEDESIGNFORSMARTTRANSDUCERS,”INPROCIEEE18THINSTRUMENTATIONANDMEASUREMENTTECHNOLOGYCONF,VOL3,2001,PP1642164729大学本科毕业论文(设计)管理办法第一章总则第一条本科毕业论文(设计)是人才培养方案的重要组成部分,是培养学生科研能力和创新能力的重要实践环节,为保证毕业论文设计工作的顺利完成,加强规范化管理,提高毕业论文设计质量,根据教育部、省教育厅的有关规定要求,结合我院实际情况,特制定本办法。第二章目的与要求第二条毕业论文(设计)教学环节的目的,培养学生勇于探索的创新精神,实事求是、严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风。第三条使学生能综合运用所学的知识技能,提高思考问题、分析问题和解决实际问题的能力。第四条培养学生从文献、科学实验、生产实践和调查研究中获取知识的能力,培养学生从事科学研究的兴趣,掌握科学研究的基本方法。第五条对学生的知识面、掌握知识的深度、运用理论知识处理问题的能力、实践能力、外语水平、计算机运用水平、书面及口头表达能力等进行一次全面的考核。第六条要求所有毕业生必须撰写毕业论文(设计),各系要认真组织毕业论文(设计)工作,确保毕业论文(设计)的质量。第三章组织管理第七条全院的毕业论文(设计)工作按照分级分工的原则,负责毕30业论文(设计)工作的管理、指导、检查、考核和总结。一教务处职责1负责制定全院本科毕业论文设计管理规章制度。2组织开展毕业论文(设计)工作的教学研究与改革。3组织毕业论文(设计)工作的检查、评估和总结。4审核答辩委员会组成人选,检查毕业答辩的过程。5组织评选院级优秀毕业论文(设计)。二系职责1成立毕业论文(设计)工作领导小组,制定工作计划和安排。2组织专业教研室成立专业答辩委员会。3负责按照标准配备、审查、批准指导教师,组织指导教师培训。4依据学院的毕业论文(设计)成绩评定标准,结合专业特点,制定本系各专业的具体评分标准和规范。5负责本系学生毕业论文(设计)所需的场地、仪器设备的分配和保障。6评选系优秀毕业论文(设计)。7做好毕业论文(设计)工作总结与归档。三教研室职责1根据指导教师的条件,提出指导教师名单。2审查毕业论文(设计)题目及指导教师的安排,对不合格的题目提出修改意见。3组织审定毕业论文(设计)选题,落实一人一题的工作要求;定31期检查毕业论文(设计)工作的进度和质量。4检查毕业论文(设计)任务书的填写情况。5考核指导教师的工作,把握毕业论文(设计)的进度和质量。6组织毕业论文(设计)的答辩和成绩评定工作。7做好本专业优秀毕业论文(设计)的评选工作。8认真进行工作总结,汇总毕业论文(设计)资料送系归档。四指导教师职责1毕业论文(设计)题目确定后,指导教师要及时做好各项准备工作,其中包括拟定任务书,收集资料以及做好实验的准备工作,制定指导计划和工作程序。2向学生下达大学毕业论文(设计)任务书(见附件3),并提出具体的要求,指定主要参考资料。3审定学生的总体方案和工作计划,并定期检查学生的工作进度和工作量,及时解答和处理学生提出的有关问题,严格要求学生。4做好学生外文翻译的评阅工
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