基于ZigBee技术的温度采集系统的设计

学校代码： 11059 学 号： Hefei University 毕毕业业设设计计（论论文文） BACHELOR DISSERTATION 论文题目： 基于 ZigBee 技术的温度采集系统的设计 学位类别： 工 学 学 士 学科专业： 通 信 工 程 作者姓名： 汪 飞 导师姓名： 顾 涓 涓 完成时间： 2015-5-28 1 基于基于 ZigBee 技术的温度采集系统的设计技术的温度采集系统的设计 中中 文文 摘摘 要要 现如今越来越多的产业在发展，在发展过程中，温度对设备能否正常工作有着决定 性作用。而此时，传统的温度检测设备已经不能满足现在的需求，应用而生的是新的无 线温度检测设备，通过无线连接来检测和传输温度，这其中应用很广泛的就是 ZigBee 技 术。它具有高安全性、低功耗、使用便捷等优势，是传统传感器所不能替代的。 本次设计是基于 ZigBee 技术的温度采集系统设计，设计的主要部分有以下几点：温 湿度采集模块、无线传输模块、显示模块。其中主控制器是 CC2530，选用 DS18B20 和 DHT11 传感器和显示屏 OLED12864，设计一款无线温度采集、实时显示的电路。 本设计完成了数字传感器采集温度，在显示屏上显示，然后通过 ZigBee 技术传输给 协调器，再通过协调器传输到上位机，实现环境温湿度的实时采集和显示。 关键词：关键词：ZigBee；CC2530；温湿度传感器；温湿度传感器；OLED12864；无线传传感技术；无线传传感技术 2 The design of the temperature acquisition system based on ZigBee technology Chinese Abstract Today more and more industries in the development, in the development process, temperatures on the equipment works correctly plays a decisive role. But this time, the traditional temperature measurement devices have been unable to meet current needs, applications and new wireless temperature test equipment, to detect and transmit information over a wireless connection, which is the ZigBee technology is widely used. It has advantages such as high security, low power consumption, easy to use, traditional sensors can not be substituted. This design is the design of temperature acquisition system based on ZigBee technology, design has the following main parts of what time: temperature and humidity data acquisition module, wireless transmission module and display module. Main controller is the CC2530, selection of DS18B20 OLED12864 and DHT11 sensors and displays, designed a wireless temperature data acquisition, real-time display of the circuit. This design complete digital sensor temperature, displayed on the screen, and then through the ZigBee technology transfer Coordinator, through the Coordinator transfer to PC, real-time capture and display of environmental temperature and humidity. Key words: ZigBee; CC2530; temperature and humidity sensors ; OLED12864; wireless sensor technology 3 目目 录录 第一章 绪论 .1 1.1 选题背景.1 1.2 课题研究的目的.1 1.3 课题研究的意义.1 1.4 课题的主要任务.2 第二章 ZIGBEE 简介 .2 2.1 ZIGBEE概述.2 2.2 ZIGBEE协议栈.4 2.2.1 简介 .4 2.2.2 如何使用协议栈 .5 第三章 系统设计方案 .6 3.1 设计框图.6 3.2 方案论证.6 3.2.1 传感器的选择 .6 3.2.2 主控部分的选择 .8 3.2.3 显示器的选择 .8 第四章 系统硬件设计 .9 4.1 DHT11 温湿度传感器介绍.10 4.1.1 DHT11 的主要特性： .10 4.1.2 DHT11 引脚说明 .10 4.2 DS18B20 温度传感器介绍.11 4.2.1 DS18B20 的主要特性： .11 4.2.2 DS18B20 引脚说明 .12 4.3 ZIGBEE模块介绍.12 4.3.1 主控芯片 CC2530 .12 4.3.2 ZigBee 无线收发模块介绍 .14 4.4 显示电路.15 4.4.1 有机发光显示技术介绍 .15 4.4.2 OLED12864 介绍 .15 4.5 电源电路 .17 第五章 系统软件设计 .18 第六章 系统调试和结果分析 .18 6.1 硬件调试和分析.18 6.2 软件调试和分析.19 6.3 测试系统性能及分析.21 第七章 总结 .24 第八章 参考文献 .25 致 谢 .26 4 附 录 .27 1 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 选题背景选题背景 在我们生活和生产中温度是最基本的一个参数，在很多情况下，都必须要实时测量 温度，这样才能保证生产的安全性。比如说当锅炉里的温度过高时，就有可能会出现事 故，这时我们就必须要对它的温度进行实时检测，确保安全性。再比如说电缆沟也需要 测温，电缆关系着网络的运行状态，故我们需要及时知道它内部的温度是多少，保证电 缆正常工作。所以我们就经常需要对它进行检测、监控。随着科学技术发展速度非常快， 传统的有线传感器网络由于布线不方便等很多问题，已经无法满足一些特定情况下的需 求了。此时首先想到的就是通过无线通信技术来进行监控。无线通信技术又可以划分四 种类型，分别 WWAN、WMA、WLA,和 WPAN。其中个人无线域网 WPAN 中就包含了 ZigBee 无线技术。ZigBee 无线传感器网络解决了环境检测范围大、测量距离远、布线不 方便等问题。给我们在传感器网络方面提供了全新的思路。 1.21.2 课题研究的目的课题研究的目的 本次的设计题目是基于 ZigBee 技术的温度采集系统的设计，设计一种以 ZigBee 模块 为基础的无线温度传感器监测系统。本次课题研究的目的是为了了解 ZigBee 网络的工作 原理，采用 ZigBee 模块、DS18B20 数字温度传感器和 DHT11 数字温湿度传感器，设计 一个基于 ZigBee 技术的温湿度采集系统，实现对温湿度的实时采集和显示，并通过 ZigBee 协议传给上位机。设计相应的串口调试、显示电路、供电电路等硬件电路以及终 端节点、路由器、协调器等部分的软件部分的设计。 1.31.3 课题研究的意义课题研究的意义 和传统的传感器技术作比较，ZigBee 技术具有很多的优点，比如说它的成本很低、 功耗低、传输的延时很短、包含的信息容量大并且传输过程精度和安全性都很高。ZigBee 技术因为使用便捷并且复杂度低，所以非常广泛的被使用。它在距离短、范围小的基于 无线通信的控制领域很适用，并且它还弥补了传统传感器很多不足的地方。在软件方面， ZigBee 协议能够非常方便的在硬件平台间进行移植。所以在生活和生产中的应用非常的 广泛。 2 1.41.4 课题的主要任务课题的主要任务 本次设计主要是针对传统的有线传感网络的缺陷，设计一个基于 ZigBee 技术的无线 的能够实时检测温度的传感器，本次课题的主要任务如下： (1) 深入了解 ZigBee 技术 了解 ZigBee 的特点、ZigBee 协议、怎样工作等方面的内容。 (2) 实现温湿度采集 本设计通过数字传感器 DS18B20 和 DHT11 采集环境中的实时温度信息。 (3) 实时显示温湿度 为了让用户能够准确的了解实时温度，本设计设立了液晶显示电路，显示器我们用 的是 OLED12864 显示屏，当温度和湿度信息被传感器采集到以后，就会快速在显示屏上 显示此时的温湿度。 第二章第二章 ZigBeeZigBee 简介简介 2.12.1 ZigBeeZigBee 概述概述 ZigBee 这个词来源与蜜蜂的 ZigZag 形式的舞蹈，它是一种复杂度、成本、功耗、速 率都非常低的近距离无线组网通信技术1。他的体系机构是由层作为每个模块而组成的， 其中每一层都会调用函数、程序给它的上层，让上层能够进行正常的工作。 ZigBee 协议是基于 IEEE 802.15.4 标准的，由 ZigBee 联盟和 IEEE 802.15.4 共同制定。 IEEE802.15.4 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2。在 2002 年成立了 ZigBee 联盟，提供网络层和应用层定义了 ZigBee 协议的网络层 （NWK） 、应用层（APL）和安全服务规范。 物理层（PHY）定义了无线射频应该具备的特征，提供了三种不同的频段，它们分 别是 868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz 和 2400MHz-2483.5MHz。分别支持 20kbps、40kbps 和 250kbps 的传输速率，1、10 及 16 个不同的信道3。当处于不同的频 段时，信道的中心频率也会不同，具体如下： 868.3,0 9062(1),1,2,10 24055(1),11,12,26 c MHz k FkMHz k kMHz k 3 （k 表示的是信道号码） PHY 的主要工作有： （1） 开关收发器、接收和发送分组数据； （2） 选择信道该用什么频率； （3） 检测信道的能量。 处于不同频段的 ZigBee 体系，在工作时它的码片速率和调制的方式也是不同的，如 下表 1 所示。 表 1 频段和数据率 媒体接入控制子层（MAC）负责控制无线信道的访问和近距离节点间的链接问题。 它的主要工作就是产生和管理信标、信道接入和断开等。 协议网络层（NWK）给网络节点提供地址和管理组网等。它的主要工作就是加入和 离开网络机制，ZigBee 协调器的网络层的功能还有负责建立网络。 在 ZgBee 的网络节点中主要有协调器（Coordinator）、路由器(Router)和终端节点 （End Device）这三种不同类型的节点4。它的拓扑形式也有三种：分别是星型结构、树 型结构和网状结构。 星型结构顾名思义就是有一个中心，然后外围有很多结构和中心连接。在 ZigBee 中 就是由多个终端节点和一个协调器进行连接而组成的。协调器的主要作用跟信号塔一样， 就是组建起一个无线网络区域，然后终端节点都会加入这个网络，与协调器进行无线数 据的传输。 树型结构是星型结构的延续，它的整体模型也和星型结构差不多，外围多个结构和 一个中心相连，而这里的外围结构是已经组好的星型结构网络，然后这些星型网络再和 一个协调器连接，构成树型结构的网络。这个结构能够覆盖的工作范围更大。 网状结构是终端节点之间相互连接并能够进行通信。它的优点就是减小了传输的延 4 时和网络更加可靠5。 本次设计采用的就是星型结构，因为构架这个网络比较方便，切根据设计要求，这 个网络类型已经能够满足设计要求。星型结构图示如下所示。 图 1 星型结构示意图 2.22.2 ZigBeeZigBee 协议栈协议栈 2.2.1 简介 什么是 ZigBee 协议栈？它和 ZigBee 写有有什么关系？简单来说，协议是通信标准， 而协议栈就是具体实现这些标准，为用户和这些协议之间提供一个接口，让我们能够使 用这个协议，从而来实现无线传输6。如下图，是 ZigBee 协议层的架构图。 图 2 ZigBee 协议层架构 5 由图可以看出，整个 ZigBee 协议体系是由物理层 PHY、介质接入控制子层 MAC、 网络层 NWK、应用支持层 APS 和应用层 APL 这 5 个层构成7。其中的 MAC 层和 PHY 层由 IEEE 802.15.4 一 2003 标准定义,而 ZigBee 联盟则在此基础上定义了 APL 层和 NWK 层8。ZigBee 协议栈将这 5 个层定义的协议都整合到了一起，并且写成了函数的形式， 通过 APL 用户就可以直接用了。它具体的分层架构和代码文件夹如下表。 表 2 ZigBee 协议栈分层信息表 2.2.2 如何使用协议栈 协议栈简单说就是调用它的代码、函数库9。现在一般用的协议栈，它的底层程序 代码都已经写好了，我们只要根据功能模块要进行什么样的工作而进行相应的调用就可 以了。比如说我现在想把数据从一个设备传输到另外一个设备，下面是实现一个简单的 无线数据传输过程的一般步骤： （1）建立组网：调用协议栈的组网函数和加入网络函数，实现网络的建立和终端的 加入； （2）发送端发送：此时要调用无线发送数据函数； （3）接收端接收：此时要调用无线接收数据函数。 6 第三章第三章 系统设计方案系统设计方案 3.13.1 设计框图设计框图 图 3 系统设计框图 3.23.2 方案论证方案论证 温湿度检测系统有一些共同的特点：第一点就是有非常多的测量点，第二点环境不 相同且比较复杂、第三点布线分散、测量点离监控室远等。假如我们使用一般的温度传 感器来采集温度信号，它输出的就是模拟信号，这时我们就需要设计很多其他的电路模 块，比如说信号调节电路、A/D 转换电路及相应的接口电路，通过这些转换，才能把传 感器输出的模拟信号变换成数字信号从而送到上位机。但是外界存在的干扰非常多，就 有可能会使系统的检测结果出现较大的误差；又由于测量时环境条件复杂、信号传输的 距离远、测量点很多等各种因素的干扰，会让整个检测模块的稳定性和可靠性下降。所 以温度检测系统有两个关键部分的设计：选择温度传感器的种类和设计主控单元。温度 传感器的应用范围很广泛、使用数量多、也高居各类传感器之首。 3.2.1 传感器的选择 方案一：使用热敏电阻来测量温度，这个可以测量 40 摄氏度到 90 摄氏度的温度区 间，可是这个热敏电阻的是通过感知温度的变化而电阻值发生变化，从而测的温度，所 以它的测量精度、重复性和可靠性都比较差，对于检测温度变化区间比较小的情况下是 不适用的。 7 方案二：采用单片模拟量温度传感器。可是这些传感器输出的温度信号都不是数字 信号，这样就要经过 A/D 转换后才可以传送到计算机上，这样我们就要设计一些外围电 路来完成这个转换，使我们在设计测温装置结构的过程变得较复杂。而且，它还不能测 量不同地方的温度，因为这种测温传感器不能够并联在一起，所以一个传感器就要占用 一根线。就算它能完成多点测量的工作，它实现这个任务的过程也不简单，肯定繁琐， 这样一定程度上也增加了设计软件实现的难度。 方案三：采用数字温度传感器 DS18B20 进行测量温度，这个 DS18B20 输出的信号就 不是模拟信号了，这样这个输出的信号就会很容易被单片机处理和控制，并且使用 DS18B20 时，整个设计就简单了很多，还不会像传统的测温方式那样有很多其他的外围 电路10。而且这个芯片的工作性质非常的稳定，是一个能够用在工业中测量温度的元器 件。这个元件有非常好的线性变化度，当从 0 摄氏度变化到 100 摄氏度的时候，它最大 的线性偏差还不到 1 摄氏度。DS18B20 还有一个最大的特点，就是运用单总线的数据传 输模式，它输出的温度信号就是数字信号，可以直接和上位机连接起来。这样测量系统 的结构设计就简单了很多，体积也小了很多，设计便捷化了，所以多点测量的设计系统 就容易被实现了。 方案四：采用 DHT11 数字温湿度传感器进行测量温度和湿度。它所采集、输出的信 号和 DS18B20 一样，都不是模拟信号，但是能够在检测温度的同时检测空气中的湿度。 而且体积小、功耗低，能够很好的运用在日常的生活中。 系统芯片化是如今测温系统的发展趋势，所以本次设计所采用的传感器全都是数字 传感器 DHT11 和 DS18B20，正好顺应了这个发展趋势。集成化的电路，让整个电路系统 看起来更加清楚，在构建电路和做电路方面更加方便和快捷。而且，我们在运用集成化 的电路时，外界环境中的很多干扰因素都能都被有效地避免，这样就使得整个测量电路 的精确度得到提高。所以在将来电路发展的一个趋势肯定就是采用集成化的芯片。本次 设计采用这个数字温湿度传感器 DHT11 和 DS18B20 也是顺应这一趋势。 8 3.2.2 主控部分的选择 表 3 CC2430 和 CC2530 功能对比表 由上表可知，和 CC2430 相比，CC2530 芯片在很多性能方面比 CC2430 有了重大改 进，比如说我们比较注重的封装尺寸、内存大小和 RF 性能等方面。 综上所述，本次设计，传感器采用 DHT11，控制器采用 CC2530。 3.2.3 显示器的选择 方案一：液晶显示字符大多数都是按照行数或列数、液晶点阵线的方式进行命名。 比方说 0801 的意思就是每一行最大为 8 个字符，一共显露出 1 行。类似于 1601，1602，0802 等命名。这类液晶显示可显示 ASCII 字符，只是不能显示汉字。 方案二：采用 OLED 显示屏，它的工作电压、适用温度范围都很广，构造很简单， 并且有自发光、对比度高、范瑛速度快这些优势。 因为 OLED 可以显示汉字，并且有良好的人机交互，功耗比较低。所以选用方案二。 9 第四章第四章 系统硬件设计系统硬件设计 本次设计系统的主要工作流程是首先终端节点的数字温度传感器采集温湿度信号， 然后采集到的信号分成两路，一部分被传送到 12864 显示屏进行显示，另一部分传送到 CC2530 芯片进行处理，再通过 PCB 天线发送出去，然后协调器的 PCB 天线接收从终端 节点发出的信号，接收到信号后传送到 CC2530 芯片进行处理，然后传送给上位机。具体 的工作流程示意图如下图 4 所示。 图 4 系统硬件电路工作示意图 本系统的硬件电路设计图如下图 5 所示。 图 5 整体硬件电路设计 10 4.14.1 DHT11DHT11 温湿度传感器介绍温湿度传感器介绍 DHT11 是既能测量温度又能测量湿度的传感器，它输出的数字信号。这个传感器包 由三个部分组成：感湿元器件、测温元器件和一个 8 位单片机连接在一起。所以它性价 比非常高、很强的抗干扰能力等优势。并且体积小、功耗低，在很多情况下都被运用。 图 6 DHT11 实物图 4.1.1 DHT11 的主要特性： (1) 工作电压范围：3.3 伏特到 5.5 伏特，能有适应很广阔范围的工作电压； (2) 测量的范围：能测量 2090%的湿度和 050 摄氏度的环境，并且精度都很高， 测湿度时的精度为5%，测温度时的精度为2 摄氏度； (3) 有很好的互换性，可以实现完全互换； (4) 温度性非常好，长时间用是精度仍然很高。 4.1.2 DHT11 引脚说明 表 4 DHT11 引脚说明表 相应的 DHT11 引脚图如图 7 所示。 11 图 7 DHT11 引脚图 4.24.2 DS18B20DS18B20 温度传感器介绍温度传感器介绍 DS18B20 数字温度传感器只有 3 个引脚，一个是供电的，一个是接地的，还有一个 是信号的输入口，所以在进行焊接方面很简单，而且在包装好了以后还可以用在很多场 合。它们的外观就根据适用的场合不同而做一定的变化。用的时间长、占用空间小、用 的时候方便、封装的形式有多种、所以在各种狭隘的空间设备数字测温和控制领域都能 用。 4.2.1 DS18B20 的主要特性： (1) 其工作电压范围：3.0 伏特到 5.5 伏特，可以看出它能够适应更广阔范围的工作 电压的变化，而且在寄生电源的情况下可以通过数据线对它进行供电； (2) 具有独特的单线接口模式，当 DS18B20 连接了微处理器的时候，只要有一条口 线就能够实现它们之间的双向通信； (3) 在一根线上面可以并联多个 DS18B20，这样它就能够实现这个组网进行多点测 温的功能； (4) DS18B20 的形状像一个三极管，它没有其它的外围电路，所有的传感器件和转 换电路都集成在一起； (5) 它测量的温度范围要比 DHT11 的测量温度范围大很多。是从零下 55 到 125 摄 氏度，当在零下 10 到 85 摄氏度时可以达到 0.5 摄氏度的测量精度； (6) 通过编程，可以实现 0.5 摄氏度、0.25 摄氏度、0.125 摄氏度和 0.0625 摄氏度的 测量精度； (7) 负压特性：当不小心把电源的正、负两极接反了的时候，它的芯片也会避免被 损坏，但是此时不能进行工作。 12 4.2.2 DS18B20 引脚说明 表 5 DS18B20 引脚说明表 DS18B20 引脚封装如下图 8 所示。 图 8 DS18B20 引脚图 4.34.3 ZigBeeZigBee 模块介绍模块介绍 4.3.1 主控芯片 CC2530 本设计的控制电路采用的是 CC2530 芯片，它具有 32KB、64KB 和 128 kB 的编程闪 存，因为它结合了一个 DSSS 射频收发器核心、内存和一个很小的 8051 控制器，所以 RAM 也达到了 8kB11。并且它还拥有很多电路功能，比如定时器、复位电路、掉电检测 电路和 21 个可以有编程的输入和输出引脚，这样实现通信系统的集成化就很容易了。其 功能引脚图如图 9 所示。 13 图 9 CC2530 管脚图 主芯片最小系统：通过外部电路和中断控制电路的工作状态是整个电路的核心部分， CC2530 最小系统如图 10 所示。 图 10 CC2530 最小系统图 14 4.3.2 ZigBee 无线收发模块介绍 图 11 ZigBee 无线收发模块实物图 这个模块用到的技术主要就是射频技术，硬件方面主要是由 CC2530 芯片和少量无源 器件（电阻、电容、电感和 PCB 天线）组成的无线收发模块，它的收发频率是 2.4GHz， 输出功率最大是 8dBm,它的工作电压范围是 1.93.3V。设计无线传感器网络有一些原则： 设计尺寸要小、功耗要很低、集成化的传感器和要用简单的软件。 它的原理图如下图 12 所示。 15 图 12 ZigBee 无线收发模块原理图 4.44.4 显示电路显示电路 4.4.1 有机发光显示技术介绍 通常选用的显示屏均为液晶显示屏。它的工作原理是液晶分子在电场作用的情况下 分子排列顺序遭到破坏，所以出现了一系列的光学现象。本次设计用的是 OLED 显示屏， 它的发光原理是用非常薄的有机材料图层和玻璃组成成，当在有电流作用于这个有机材 料的时候，有机材料就会发光。而且它的有机发光层的材料所决定觉得了它发出什么样 颜色的光。 OLED 的构造很简单，并且有自发光、对比度高、范瑛速度快、适用的温度范围大等 优点。 4.4.2 OLED12864 介绍 OLED12864 工作电压在 3V 到 10V 之间，工作的温度可以在-40 摄氏度到 85 摄氏度。 它的显示屏使用的是 1 个 64 行输出的行驱动器和 2 个列驱动器。 16 图 13 OLED12864 实物图 1.信号接口说明 如下表，是 OLED12864 的接口说明。 表 6 OLED12864 接口 2.接口说明： （1）OLED2、3 端是电源，提供 OLED12864 的正常工作电压； （2）4 端口是选择端口，用来选择指令寄存器，往 OLED 屏中写入数据和命令的端 口； 17 （3）5 端口是选择读写端口，这个端口只往 12864 屏中写入数据，不读取数据； （4）6 端口是使能信号，这个信号是必须要的，否则不能工作； （5）17 端口是复位端口。 3.相应的 OLED12864 引脚图如下图 14 所示。 图 14 OLED 引脚图 4.54.5 电源电路电源电路 电源在设计硬件中是一定要有的，它能为各种负载元件提供正常的工作电压。 本次设计的电源模块电路图如下图 15 所示。 图 15 电源模块电路 18 第五章第五章 系统软件设计系统软件设计 本次系统的软件设计最主要部分有两个，一个是数据采集和发射部分，另一个是数 据接收和处理部分。发射部分的主要工作就是采集温度数据和这些数据处理完后发射出 数字信号，接收部分的工作就是对发射端发射出来的数字信号进行接收和处理，并且将 它显示出来。其软件的总体流程图如下。 图 16 系统总流程图 第六章第六章 系统调试和结果分析系统调试和结果分析 6.16.1 硬件调试和分析硬件调试和分析 根据 ZigBee 电路的仿真设计，对这个电路的每个模块都进行测试。首先通电之前检 查电源及各模块是否符合工作要求，然后测试软件是否编写有问题。具体调试的过程中 出现的故障有下面几种。 (1) 通电过后 OLED 不能显示 可能原因：显示屏不能显示，可能是在编写 12864 的串口程序时出错了，还有一种 可能就是这个屏幕本身就是坏的。 结束 数据处理 接受完成 否 A / D 转 换 是 / D 转 换 否 A / D 转 换 是 / D 转 换 CC2530 天线接收 是 / D 转 换 是 / D 转 换 否 A / D 转 换 天线发射 无线发射 模块 数据采集 CC2530 开始 初始化 否 A / D 转 换 19 调试过程：把这个屏放在别的电路上，能正常显示，所以这个屏是没有问题的，出 错的原因是它的串口程序编写出现错误。 结果分析：本次设计采用的屏是技术比较新颖的 OLED 屏，它必须要有驱动才能正 常工作，如果没有驱动或者驱动出错的时候是不会亮的。在开始移植驱动时就出现过错， 所以出错。重新编写驱动程序并下载后屏幕正常工作。 (2) 温度数据采集好后不能传输到协调器 可能原因：数据不能传输到上位机，可能是天线出现问题，导致 ZigBee 之间不能进 行正常的无线通信；下载程序到 ZigBee 模块时出现错误。 调试过程：将 ZigBee 模块重新通电，发现电路中的 D3 灯一直处于常亮状态，此时 表明两个 ZigBee 模块之间没有进行有效的无线连接，换了两根天线后重启 ZigBee 模块， D3 灯仍处于常亮状态，表示可能不是天线原因；然后重新下载程序到模块中，D3 等熄灭， 表明连接成功。 结果分析：ZigBee 开发板中的 D3 等亮、灭状态代表连接是否成功，在本次测试中， 由于在下载程序前没有复位仿真器，导致程序没有成功下载到协调器中，所以出现不能 进行无线通信。重新下载程序后系统就能正常工作了。 6.26.2 软件调试软件调试和分析和分析 硬件完成后，对系统的软件进行调试，检查系统是否能正常运行。在调试过程中主 要遇到两个问题。 (1) ZigBee 组网中 2 个终端节点不能和协调器进行有序的数据传输 可能原因：本次出错的可能原因是在编写程序时没有设置好各节点传输数据的延时 时间，还有一个可能就是没有运用协议栈中的寻址函数，导致节点和协调器在传输数据 时发生错乱。 调试过程：通过查找资料，在程序中加入了 ZigBee 协议栈中的组网传播模式的函数 后，系统实现了终端节点和协调器间的有序传输。如下两幅图片，其中图 17 是传输发送 错乱，图 18 是经过调试修改后的传输过程。 20 图 17 数据传输发生错误图 在图 17 中可以看出，在后几行的数据采集结果中，有三行数据都是两个节点所采集 的数据，它们在传输过程中出现了错误，所以会同时显示在一行。 图 18 有序传输数据图 21 结果分析：在 ZigBee 中的组网类型有 3 中，一个是点对点的传播，在两个节点的目 的地址都知道的时候，就可以用这种方式；另外一种是广播式的传播，这个顾名思义就 是广播式的，协调器给所有节点广播信号，而不能通过终端节点给协调器传送数据；最 后一种是组网模式，终端节点此时可以发送数据给协调器，而协调器就会在它分配的地 址表里面查找相应节点发过来的数据，从而完成有序传输数据。实现这一功能的程序如 下图 19。 图 19 建立组网函数 (2) DS18B20 和 DHT11 的引脚定义问题 在本次设计中，采用了 2 种传感器，一个是只采集温度的 DS18B20，另一个是可以 采集温度和湿度的 DHT11。在后来调试过程中，采用 DHT11 的节点不能采集到数据。 可能原因：在编程的过程中，对传感器引脚定义时，只对 DS18B20 定义了，而忽略 了 DHT11 的引脚定义。 结果分析：DS18B20 和 DHT11 传感器的功能不同，所以在进行引脚定义时肯定也是 不同的。在程序中，对能满足 DHT11 采集数据的功能修改程序如下： P0SEL /DS18B20 的I/O口初始化 这个要改为P0SEL / 设置连接DHT11 的I/O 口； #define Ds18b20IO P0_7; /温度传感器引脚 这个要改为#define DATA_PIN P0_7 /传感器引脚。 6.36.3 测试系统性能及分析测试系统性能及分析 本设计调试结果：给各个模块通电后，协调器的 D3 灯的亮灭状态表明组网是否组建 好了，当组网已经组建好时，D3 灯会熄灭。另外两个终端在刚开启时，经过短时间连接 后，这两个 ZigBee 模块的 D3 灯都会熄灭，表示采集节点和协调器连接成功。如果哪个 节点没连接组网成功，它的 D3 灯就会处于常亮状态，而且在 OLED 屏上显示这个节点的 IEEE 地址。在连接成功后，在屏的第一行也会显示节点的短地址。具体如以下几个图。 22 图 20 两个节点没连入组网时图片 图 21 节点和协调器连接成功图 23 终端数字温湿度传感器采集数据，然后通过无线传输到协调器，经过协调器传送到 上位机。在这 2 个终端节点传送数据给协调器时，它们的 TXD 指示灯是交替闪烁的。简 单点说就是，当终端节点 1 传输数据给协调器时，终端 1 的 TXD 灯先闪烁，然后协调器 的 TXD 灯几乎同时闪烁，表示终端 1 所采集的数据传输给了协调器；当终端节点 2 传输 数据给协调器时，终端 2 的 TXD 灯先闪烁，然后协调器的 TXD 灯几乎同时闪烁，表示 此时终端 2 所采集的数据传输给了协调器，再由协调器通过串口传输到电脑，在软件上 实时显示。如下图 22。 图 22 协调器传输数据到电脑软件 上图中，最左边的是终端节点 1，是通过 DS18B20 采集的温度信息，中间是协调器 传输到电脑的数据，右边的是经 DHT11 采集的温湿度数据。 当给协调器断电后，2 个终端节点的 D3 灯都亮，表示此时没有连入组网，并且 12864 会显示“EA” ，表示出错。重新给协调器通电，2 个终端的 D3 灯会熄灭，传感器 开始采集温湿度，系统正常工作。如下图 23，复位协调器后两个节点的状态图。 24 图 23 协调器停止工作后协调器状态图 本次设计满足课题的要求，2 个采集节点可以采集温度，能在 12864 上实时显示。并 且能够通过无线传输给上位机，实现对温度的检测和监控。这次设计还增加了采集空气 湿度的功能，通过 DHT11 采集数据，可以实现实时显示和无线传输。 第七章第七章 总结总结 本次设计