【毕业论文】小型气象站气候监测系统设计

毕业论文设计题目小型气象站气候监测系统设计学生李海燕学号20110311111专业电子信息工程指导教师李颀陕西科技大学职业教育师范学院2015年6月2日陕西科技大学毕业设计（论文）任务书职教学院电子信息工程专业111班级学生李海燕题目小型气象站气候监测系统设计毕业设计（论文）从2015年3月8日起到2015年6月2日课题的意义及培养目标随着经济和社会的发展，气象灾害的影响越来越广泛，造成的损失也越来越大，气候监测显得越来越重要。针对目前传统有线通信方式布线繁琐、不易扩充、功能单一等缺点，提出采用ZIGBEE无线组网方式监测气象站相关气象信息，监测节点扩充方便，数据传输稳定；通过串口将监测信息传输至气象监控中心，监控中心人员可以实时查看各个小型气象站的气候信息，为人民生活出行提供实时准确的气候信息。设计（论文）所需收集的原始数据与资料1）传感器基本知识；2）PCB绘制原理；3）CC2530基本知识；4）ZSTACK工作原理；5）信息融合技术；6）图形用户界面编程。课题的主要任务（需附有技术指标分析）1）小型气象站气候监测系统方案设计；2）传感器选择与应用；3）PCB绘制；4）ZIGBEE组网测试；5）数据融合；6）上位机界面编程。设计（论文）进度安排及完成的相关任务（以教学周为单位）周次设计（论文）任务及要求13查阅有关资料和书籍，完成开题报告45毕业实习67选取气候监测传感器，完成系统PCB绘制。89ZSTACK组网测试，完成气候信息传输功能910系统图形用户界面编程，测试系统功能1112完善软件及硬件系统，论文初稿准备12整理论文资料，准备答辩学生签名日期指导教师日期教研室主任日期小型气象站气候监测系统设计摘要针对目前传统小型气象站气候监测系统布线复杂、功耗高、设备维护和变更成本高的现状。本文设计了一种以CC2530为核心控制芯片的ZIGBEE网络气候监测系统，系统采用CC2530作为主控MCU,便于与现场的其他监测对象通过ZIGBEE技术组网汇集数据；数据传输稳定、实时性好。本系统由协调器节点、路由器节点和终端传感器节点三个部分组成。由协调器节点建立并维护ZIGBEE网络，由无线终端传感器节点采集温湿度信息。在完成了硬件的实现及软件设计的基础上完成了各软件部分的仿真调试。设计完成后，硬件和软件能够配合完成CC2530版本的测试、ZIGBEE模块间的通信及数据的采集等功能。ZIGBEE模块通信时首先协调器节点组建一个网络，然后RFD节点申请加入该网络，协调器节点和RFD节点能够实现网络信号的接收和发送。通过ZIGBEE网络经路由器节点和协调器节点将数据上传到上位机达到实时监测的效果。本文详细阐述了节点的硬件设计方法和软件流程。经实验证明，该系统性能稳定、扩展性好、功耗低。广泛应用于农业环境温湿度监测领域。关键词小型气象站，ZIGBEE，CC2530DESIGNOFSMALLWEATHERSTATIONSWEATHERMONITORINGSYSTEMABSTRACTINVIEWOFTHEPRESENTTRADITIONALSMALLSTATIONSCLIMATEMONITORINGSYSTEMWIRINGCOMPLEX,HIGHPOWERCONSUMPTIONANDHIGHCOSTOFEQUIPMENTMAINTENANCEANDCHANGEOFTHESTATUSQUOINTHISPAPER,WEDESIGNACC2530ASTHECORECONTROLCHIPOFZIGBEENETWORKCLIMATEMONITORINGSYSTEM,USINGCC2530ASMCUCONTROLSYSTEM,TOFACILITATEWITHTHECOLLECTIONOFOTHERMONITORINGOBJECTSTHROUGHZIGBEETECHNOLOGYNETWORKDATADATATRANSMISSIONSTABILITY,GOODREALTIMEPERFORMANCETHISSYSTEMBYTHECOORDINATORNODE,THEROUTERNODESANDTERMINALSENSORNODESOFTHREEPARTSBYTHECOORDINATORNODETOESTABLISHANDMAINTAINZIGBEENETWORK,THEWIRELESSTERMINALTEMPERATUREANDHUMIDITYSENSORNODESTOCOLLECTINFORMATIONUPONCOMPLETIONOFTHEIMPLEMENTATIONOFHARDWAREANDSOFTWAREDESIGNCOMPLETEDONTHEBASISOFTHESIMULATIONANDDEBUGGINGOFSOFTWAREPARTAFTERTHECOMPLETIONOFTHEDESIGN,HARDWAREANDSOFTWARETOASSISTCOMPLETECC2530VERSIONOFTHETEST,COMMUNICATIONBETWEENZIGBEEMODULEANDDATACOLLECTION,ANDOTHERFUNCTIONSZIGBEEMODULECOMMUNICATIONCOORDINATORNODETOFORMANETWORKFIRST,ANDTHENAPPLYFORRFDNODETOJOINTHENETWORK,THECOORDINATORNODEANDRFDNODECANREALIZENETWORKSIGNALRECEIVINGANDSENDINGTHEROUTERTHROUGHZIGBEENETWORKNODESANDTHECOORDINATORNODEUPLOADDATATOPCTOACHIEVETHEEFFECTOFREALTIMEMONITORINGTHISPAPEREXPOUNDSONTHENODEHARDWAREDESIGNMETHODSANDSOFTWAREPROCESSEXPERIMENTSSHOWTHATTHESYSTEMPERFORMANCEISSTABLE,GOODSCALABILITYANDLOWPOWERCONSUMPTIONITCANBEWIDELYAPPLIEDTOAGRICULTURALENVIRONMENTTEMPERATUREANDHUMIDITYMONITORINGFIELDKEYWORDSMINITYPEWEATHERSTATION,ZIGBEE,CC2530目录摘要IABSTRACTII1绪论111课题研究背景及意义1111课题研究背景1112课题研究意义1113课题研究目的112国内外发展现状2121国外发展2122国内发展22ZIGBEE技术及其应用介绍421ZIGBEE技术介绍422ZIGBEE技术的主要优点523ZIGBEE技术与其它短距离无线技术的比较6231WIFI80211B标准6232家用射频HOMERF6233蓝牙BLUETOOTH724ZIGBEE网络拓扑结构和路由7241星型网8242树型网8243网状网9244协调器10245路由器11246终端节点1125ZIGBEE数据采集系统采集数据的原理1126ZIGBEE模块介绍12261CC2530主要功能介绍12262CC2530主要模块介绍13263CC2530引脚介绍1527ZIGBEE模块的选择1628ZIGBEE技术的主要应用163小型气象站气候监测系统方案设计1831小型气象站的特点介绍1832设计方案论证1933传感器的选择20331温湿度传感器的介绍21332光照度传感器的介绍22333显示模块的选择2334系统总体设计原理2335系统总体方案设计244系统硬件设计2541传感器接口电路设计25411风速、风向传感器接口设计26412传感器节点硬件设计27413温湿度接口设计2742电源设计2743总结285系统软件设计2951气象参数采集3052故障自诊断3053按键和显示软件3054上位机模块的整体设计316总结3461结论3462展望34致谢35参考文献36附录I381绪论11课题研究背景及意义111课题研究背景我国自动气象站的研制已有40年的历史。20世纪90年代末，我国自行研制的自动气象站已经开始投入业务使用。迄今全国气象站地面观测要素中的器测项目基本上由自动测量代替，这标志着我国地面气象观测进入了一个新时代，自动气象数据采集正在走入气象舞台，气象资料观测也由早期的人工观测发展为仪器自动观测与记录处理。因此建立气象要素自动采集系统是必然的趋势。气象参数自动采集系统具备以自动收集温度、湿度、风向、风速、光照等气象数据的特点。其最大优点是能够增加观测密度，为大幅提高定时定点气象预报水平提供详细的气象数据。同时，自动气象站的使用减少了人工观测的误差。比如观测温度，反映温度变化的是传感器，根据传感器的变化就可以准确地记录温度，结果直接传输到计算机中，由计算机进行下一步的处理。因此，观测人员的工作重点由观测记录数据逐步转移到对数据的分析研究上和对自动气象要素采集系统的维护上。112课题研究意义随着经济和社会的发展，气象灾害的影响越来越广泛，造成的损失也越来越大，气候监测显得越来越重要。针对目前传统有线通信方式布线繁琐、不易扩充、功能单一等缺点，提出采用ZIGBEE无线组网方式监测气象站相关气象信息，监测节点扩充方便，数据传输稳定；通过串口将监测信息传输至气象监控中心，监控中心人员可以实时查看各个小型气象站的气候信息，为人民生活出行提供实时准确的气候信息。分布式小型气象站采用太阳能蓄电池供电，全天候自动采集每分钟的湿度、气温、风向、风速、光照等5个基本气象要素的数据，所有自动站数据以ZIGBEE传输方式与全省进行数据共享。气象部门专业人员通过监测到的数据可以判断各乡镇的降水量，切实做到防灾预警，确保人民群众的生命财产安全。气象站的建成使用，将准确、实时地监测各类气象灾害的发生发展，及时做出气象灾害的预警，对减少各类气象灾害所造成的损失有着非常重要的意义。113课题研究目的加强防灾减灾体系建设，加快建立环境和地质监测预警体系，是国家在“十二五规划”中的一项重要内容。沿海和山区县的野外环境，由于受地形地貌、地质条件、气候条件等综合因素的影响，发生地质灾害具有点多、面广、危害性大、突发性强等共同特点。特别是每年的6月到9月，是暴雨和台风的多发季节，频繁发生滑坡、崩塌等地质灾害，严重威胁人民的生命财产安全，造成巨大经济损失和人员伤亡。地质灾害的发生与当地的气象条件，对气象元素的数据采集，是地质灾害监测与预警的一项重要组成部分。在条件恶劣的山区、野外、海岛等不适宜有人值守的地区，不仅市电不易到达，而且有线传输既不方便也不经济。采用互补性很强的风能发电和太阳能发电作为独立型供电系统就成为很好的选择。本系统是山体滑坡地质灾害监测系统的子系统。分布式小型气象站保证了工业，农业，交通运输等领域的正常发展和建设，在气象站建设、农林气候监测、生态环境监测、温室控制、公路铁路运营及地质灾害监测等多种领域提供了可靠的保证，使之在恶劣的环境条件下也能稳定工作。尤其是在某些高科技行业，例如能源行业，为产品提供了有力的支撑，起着举足轻重的作用。小型气象站的应用不仅可以检测多种影响工业生产的量值保证企业的正常运转，获得良好的经济效益，更可使促进产业升级，进而促进国民经济的良好发展。12国内外发展现状121国外发展近些年来，世界范围的气候异常，使人类面临日益严重的粮食、能源和水资源危机，因此社会对气象工作提出了更为迫切的要求。与此同时，遥感技术，电子计算机等最新科学技术进入气象业务，形成了新的大气探测技术，快速通信和计算处理，从而获取更多的大气信息，推动了气象业务的发展。国外气象业务发展的一个重要趋势是日益趋向自动化，即把自动化观测、数据处理、通信及客观分析、预报制作和发布结合成一个完整的自动化系统。下面从气象观测、气象卫星、气象通信、气象业务系统应用计算机、天气预报等方面概述国外气象业务的现状及发展趋势。122国内发展20世纪50年代末，不少国家已有了第一代自动气象站，如前苏联研制的M36型自动气象站，美国研制的AMOS型自动气象站等。60年代中期，第二代自动气象站已能适应各种比较严酷的气候条件，但未能很好的解决资料存储和传输问题，无法形成完整的自动观测系统。到70年代，第三代自动气象站大量采用了集成集成电路，实现了软件模块化，硬件积木化。进入90年代以来，自动气象站在许多发达国家得到了迅速发展，建成业务性自动观测网。我国自动气象站研制工作始于20世纪50年代后期，至今已有40年的历史。60年代初，由原中央气象局观象台主持研制无人自动气象站，到70年代初研制出5太无人自动气象站，在青海省的5个台站进行试验，前后达10年之久。80年代中期，由中国气象科学研究院大气探测所主持，采用静止气象卫星中断数据的方式，研制出资料收集平台（DCP），分别在青海，内蒙古，湖北，浙江等地的艰苦台站进行为期1年的试验，并通过了技术鉴定。到了90年代中期，中小尺度天气自动气象监测站网在长江三角洲，珠江三角洲地区建站运行。90年代后期，我国第一代自动气象站设计定型，并获准在业务中使用。截至2003年，全国有1000多个台站使用了自动气象站，并实现了组网。随着现代化农业的建设与发展，人们逐渐认识到农业气象信息对于农业的重大作用。农业气象信息服务系统近几年来不断的更新换代，信息监测采集处理，信息服务应用等方面都在不断的改进。从当前我国农业气象信息技术的特点来看，系统建设已初具规模，信息技术达到一定水平，信息服务取得明显效果，但与世界先进水平相比，仍有相当差距。小型气象站在近几年的农业发展过程中被广泛的应用开来，这也是我国农业气象信息技术的一大发展与突破。2ZIGBEE技术及其应用介绍21ZIGBEE技术介绍ZIGBEE是一种网络容量大、节点体积小、结构简单、低速率、低功耗的无线通信技术。在ZIGBEE网络中，是由3种设备类型组成协调器、路由器和终端设备构成，可以组成星形网、网状网或簇结构网。本系统以气象站这个点为协调器组网，其他监测点如深部位移传感器、地下水位传感器等节点为路由器和终端节点。节点的测量和组网的方法另文叙述。ZIGBEE这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式蜜蜂通过跳ZIGBEE形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。ZIGBEE是最近提出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定的。ZIGBEE工作于24GHZ全球流行、915MHZ美国和868MHZ欧洲三个频段上，并分别具有250KBIT/S、40BIT/S、20KBIT/S的数据传输速率。从能量和成本效率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择。ZIGBEE的传输距离大致在10300M，其中24GHZ的传输距离只有10M左右，915MHZ的传输距离可至3075M，而868MHZ时的传输距离可达300M。这个距离只是单段传输距离的理论值，实际的传输距离还必须要根据发射功率的大小、应用模式以及中继节点的使用情况而定。在组网性能上，ZIGBEE可以构造成星形网络或者点对点对等网络，在每一个ZIGBEE组成的无线网络中，连接地址码分为16B短地址或者64长地址，可容纳的最大设备个数分别为216个和264个，具有较大的网络容量。在无线通信技术上，采用CSMACA方式，有效地避免了无线电载波之间的冲突，此外，为保证传输数据的可靠性，建立了完整的应答通信协议。ZIGBEE设备为低功耗设备，其发射输出为036DBM，通信距离为3070M，具有能量检测和链路质量指示能力，根据这些检测结果，设备可以自动调整设备的发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量。为保证ZIGBEE设备之间通信数据的安全保密性，ZIGBEE技术采用了密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理。ZIGBEE主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。ZIGBEE名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZIGZAG形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。ZIGBEE联盟成立于2001年8月。2002年下半年，INVENSYS、MITSUBISHI、MOTOROLA以及PHILIPS半导体公司四大巨头共同宣布加盟ZIGBEE联盟，以研发名为ZIGBEE的下一代无线通信标准。到目前为止，该联盟大约已有27家成员企业。所有这些公司都参加了负责开发ZIGBEE物理和媒体控制层技术标准的IEEE802154工作组。ZIGBEE联盟负责制定网络层以上协议。目前，标准制订工作已完成。ZIGBEE协议比蓝牙、高速率个人区域网或80211X无线局域网更简单实用。ZIGBEE可以说是蓝牙的同族兄弟，它使用24GHZ波段，采用跳频技术。与蓝牙相比，ZIGBEE更简单、速率更慢、功率及费用也更低。它的基本速率是250KB/S，当降低到28KB/S时，传输范围可扩大到134M，并获得更高的可靠性。另外，它可与254个节点联网。可以比蓝牙更好地支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。人们期望能在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域拓展ZIGBEE的应用。22ZIGBEE技术的主要优点ZIGBEE是一种网络容量大、节点体积小、结构简单、低速率、低功耗的无线通信技术。在ZIGBEE网络中，是由3种设备类型组成协调器、路由器和终端设备构成，可以组成星形网、网状网或簇结构网。本系统以气象站这个点为协调器组网，其他监测点如深部位移传感器、地下水位传感器等节点为路由器和终端节点。节点的测量和组网的方法另文叙述。ZIGBEE网络架构具备主从MASTER/SLAVE属性，可以达到双向通信的功能。其优点如下1功耗低。在工作模式时,ZIGBEE技术传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收发时间很短；在非工作模式时ZIGBEE节点处于休眠模式。设备搜索时延一般为30MS，休眠激活时延为15MS，活动设备信道接入时延为15MS。由于工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，使得ZIGBEE节点非常省电，ZIGBEE节点的电池工作时间可以长达6个月到2年左右。2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。3数据传输可靠。ZIGBEE的媒体接入控制层MAC层采用TALKWHENREADY的碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需求时则立刻传送，发送的每个数据包都必须等待接收方确认信息，并进行确认信息回复，若没有得到确认信息回复就表示发生了碰撞，将再传一次，采用这种方法可以提高系统信息传输的可靠性。4近距离。传输范围一般介于10100M之间，在增加RF发射功率后，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。5短时延。ZIGBEE的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15MS，节点连接进入网络只需30MS，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要310S、WIFI需要3S。6网络容量大。ZIGBEE低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。ZIGBEE定义了两种器件全功能器件FFD和简化功能器件RFD。对全功能器件，要求它支持49个基本参数。而对简化功能器件，在最小配置时只要求它支持38个基本参数。一个ZIGBEE的网络最多包括有255个ZIGBEE网路节点，其中一个是主控MASTER设备，其余则是从属SLAVE设备。若是通过网络协调器NETWORKCOORDINATOR，整个网络最多可以支持超过64000个ZIGBEE网路节点，再加上各个NETWORKCOORDINATOR可互相连接，整个ZIGBEE网络节点的数目将十分可观。7兼容性。ZIGBEE技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器COORDINATOR自动建立网络，采用载波侦听冲突检测CSMACA方式进行信道接入。为了可靠传递，还提供全握手协议。8安全性。ZIGBEE提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供了三级安全性。第一级实际是无安全方式，对于某种应用，如果安全并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，器件就可以选择这种方式来转移数据。对于第二级安全级别，器件可以使用接入控制清单ACL来防止非法器件获取数据，在这一级不采取加密措施。第三级安全级别在数据转移中采用属于高级加密标准AES的对称加密。AES可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件。9实现成本低。模块的初始成本估计在6美元左右，且很快就能降到1525美元，且ZIGBEE协议免专利费用。目前低速低功率的UWB芯片组的价格至少为20美元。而ZIGBEE的价格目前仅为几美分。23ZIGBEE技术与其它短距离无线技术的比较231WIFI80211B标准WIFI是IEEE定义的一个无线网络通信的工业标准（IEEE80211），它的传输速率可达11MBIT/S，传输距离室外达300M，室内可达100M，主要用于实现小范围内的移动组网和无线接入。但80211B的射频和基带协议较为复杂，实现成本高，功耗大，硬件实现需要较大的空间，一般不能实现嵌入式应用。目前除了作为网络接入技术以外，在其它对于低功耗、低成本等要求高的领域和设备上的应用还很少，比如移动电话和PDA个人数字助理。WIFI技术的最具诱惑力的方面在于将WIFI与基于XML或JAVA的WEB服务融合起来，这可以大幅度减少企业的IT成本。例如，许多企业选择在每一层楼或每一个部门配备80211B的接入点，而不是采用电缆线把整幢建筑物连接起来。这样一来，可以节省大量铺设电缆所需花费的资金。232家用射频HOMERFHOMERF是专门为家庭无线局域网而设计的开放性工业标准，同时支持数据和语音通信，功耗相对较低最大功率为100MW，但是其共享无线访问协议SWAPSHAREDWIRELESSACCESSPROTOCOL主要是侧重于PC及其外设所组成的无线局域网。另外其成本较高，抗干扰性和安全性比较差。233蓝牙BLUETOOTH爱立信在1994年开始研究一种能使手机与其附件如耳机之间互相通信的无线模块，4年后，爱立信、诺基亚、IBM等公司共同推出了蓝牙技术，主要用于通信和信息设备的无线连接。蓝牙工作频率为24GHZ，有效范围大约在10M半径内。蓝牙的最初的目标是取代现有的PDA、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接，它的高带宽特性1MBIT/S使它更适合于音频、视频、图像等多媒体设备以及需要经常交换大量数据的设备。但是蓝牙存在着技术复杂、应用系统费用高、功耗高、供电电池寿命短，并且还无法解决好其产品的互操作性等问题，因此蓝牙目前的应用还是有限的。ZIGBEE和蓝牙在一定程度上都能够保证安全性。但ZIGBEE比蓝牙更为灵活，这更有利于控制系统成本。蓝牙产品涉及PC、笔记本电脑、移动电话等信息设备和A/V设备、汽车电子、家用电器和工业设备领域。蓝牙的支持者们预言说，一旦支持蓝牙的芯片变得非常便宜，蓝牙将置身于几乎所有产品之中，从微波炉一直到衣服上的纽扣。蓝牙在个人局域网中获得了很大的成功，应用包括无绳电话，PDA与计算机的互联，笔记本电脑与手机的互联，以及无线RS232，RS485接口等。采用蓝牙技术的设备使用方便，可自由移动。与无线局域网相比，蓝牙无线系统更小、更轻薄，成本及功耗更低，信号的抗干扰能力强。24ZIGBEE网络拓扑结构和路由ZIGBEE以一个个独立的工作节点为依托，支持3种通信设备的网络拓扑，即星状STAR、网状MESH和串（树）状CLUSTERTREE。无论是哪一种网络拓扑结构，每个独立的网络的都有一个唯一的标识符，即网络号（PAN标识符）。利用PAN标识符，采用16位短地址码进行网络设备间的通信，并且可激活网络设备之间的通信。其中，STAR星形网络是一种常用且适用于长期运行使用操作的网络；MESH网络是一种高可靠性检测网络，它通过无线网络连接可提供多个数据通信通道，即它是一个高级别的冗余性网络，一旦设备数据通信发生故障，则存在另一个路径可供数据通信，这一点和ZWAVE一样；CLUSTERTREE网络是STAR/MESH的混合型拓扑结构，结合了上述两种拓扑结构的优点。每个节点的功能并非都相同。为降低成本，系统中大部分的节点为子节点，从组网通信上，它只是其功能的一个子集，称为半功能设备（RFD）；而另外还有一些节点，负责与控制的子节点通信、汇集数据和发布控制、或起到通信路由的作用，称之为全功能设备（FFD），实际中根据需要选择合适的网络结构。每个ZIGBEE网络都有一个标示符，用来和其他ZIGBEE网络进行区分，该标示符是由ZIGBEE协调器在建立网络时确定的。当节点加入网络时会分配一个16位的网络地址，以后该节点就用这个网络地址和其他节点通信。ZIGBEE网络实现下面三种网络拓扑结构星型STAR网、树型TREE网、网状网19LMESH。241星型网星型网是这三种网络拓扑结构中最简单的一种，在星型网络中包含一个协调器、没有路由器并且包含许多的终端节点。所有的终端节点都在协调器的通信范围之内。星型网络是一个辐射状系统，数据和网络命令都通过协调器传输。这种路由拓扑中，外围节点需要直接与协调器无线相连，某个节点的冲突或故障将会降低系统的可靠性。星型路由拓扑的最大优点是结构简单。这种简单带来的是很少有上层协议需要执行、较低的设备成本、较少的上层路由信息和管理简便。中心节点可以承担许多管理工作，如发放证书和远距离网关管理等。但是这种简单是以灵活性的牺牲为代价的。因为需要把每个终端节点放在中心节点的通信范围之内，这必然会限制无线网络的覆盖范围。并且星型拓扑很难实现高密度地扩展。集中的信息涌向中心节点，容易形成热点，导致网络拥塞、丢包、性能下降等，这取决于数据量的情况。目前为止，星型拓扑是最常见的网络配置结构，被大量应用在远程监测和控制中。这些应用不必要或难以承受一个更复杂的网络拓扑所带来的成本和网络复杂问题。242树型网树型网络中包含一个协调器、若干个路由器、若干个终端节点，为了保持网络中节点的通信畅通性，必须使网络符合下述要求每个设备或者能直接与协调器通信或者能与网络中任意一个路由器通信。树型拓扑是多个星型拓扑的集合。若干个星型拓扑连接到一起，扩展到更广阔的区域，就像树的分支一样。在今天的通信网络中，树型网络和路由模式被大量应用。树型拓扑是可以实现网络范围内“多跳”信息服务的最简单的拓扑结构。为了支持网络功能，树型结构必须实现几个关键的网络服务。首先，树型网络必须提供动态地址分配机制，这样新加入的节点才能连接到网络上并被其他已有节点所认可。其次，树型拓扑中每个节点必须根据信息的发送者和接收者做出一个最简单的路由选择，保证信息向前发送。最后，树型网络必须提供可配置的范围属性，以表明无线网络设备有多少资源来支持树型拓扑。这个范围属性包括树型结构的最大层数和允许子节点的最大个数。树型拓扑最值得注意的地方就是它保持了星型拓扑的简单性；较少的上层路由信息较低的存储器需求，这样成本必然也较低。这种新的“多跳”能力解决了由于低功耗RF收发器所带来的覆盖范围的问题，它使得网络架构者和开发者不必采用大功率远距离的无线通信设备就可以覆盖大范围区域。然而，树型结构也不能很好的适应外部的动态环境。它的路由机制过分简单，很难根据外部多变的射频环境做出简单的调整。从图中可以看出,在信息源与目的之间，有且仅有条传输路径,任何一个节点的中断或故障将会使部分节点脱离网络。由于节点间的传输路径是通过一种预编程方式处理的，所以无论是否有其它节点在通信范围内,信息都将按照预定程序传输，因而,通信时间的潜力是很高的。树型拓扑的最佳应用是在稳定的无线电射频环境中，也可以很好地用在一些简单的低数据量如传感器的大规模集合的应用之中。如果应用需要有一定的覆盖范围，网络有一定的稳定性和扩展性，树型结构将是一个简单的选择。243网状网它是三种网络中结构最复杂，但是灵活性、抗干扰能力最好的一种网络。与树型网络不同的是,在不同的路由器之间可能还存在许多的路由器，这些冗余的路由器不仅为终端节点提供了更多的传输路径，也增加了网络的稳定性，当然这些都是以额外增加硬件开销为代价得到的。网状网络是一个自由设计的拓扑，具有很高的适应环境的能力。网络中存在许多路由器，它们都具有重新路由选择的能力，以确保网络最大限度的鲁棒性和可靠性。网状拓扑通过广播和一系列的路由查询和维护命令来动态地升级整个网络的路由信息。ZIGBEE网状路由协议采用AODVADHOCONDEMANDDISTANCEVECTORROUTING路由算法20之11，发起消息的节点，通过查询邻近节点建立一个适当的路由路径,这个查询就像波浪一样在网络中传播，直到找到目的节点并得到应答，这个应答反向到达消息发起节点，并一路保存重要的路由数据。最终，消息发起节点得到了最新得路由信息，并以此做出路由决定。一段时间后，这个新的路由消息将会变老过期，将需要新的路由信息，以保证路由结果是基于新的信息。网状拓扑与星型、树型相比，更加复杂，其路由拓扑是动态的，不存在一个固定可知的路由模式。这样信息传输时间更加依赖瞬时网络连接质量，因而难以预计。更重要的是，即使对一个经验丰富的网络设计师来说，定性地分析网状算法也是一件极具挑战的工作。网络设计师通常在需要高度可靠、可实现的场合应用网状结构。每个网络中都有唯一的一个协调器，它相当于现在局域网中的服务器，包含所有的网络消息，具有对本网络的管理能力，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。其功能为发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息以及不断地接收信息。全功能设备FULLFUNCTIONDEVICE，FFD它是网络协调者，可以形成网络，让其它的FFD或精简功能设备（RFD）连结，FFD具有控制器的功能，可提供信息双向传输。附带有标准指定的全部802154功能和所有特征，更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用，也能用作终端设备。精简功能设备REDUCEDFUNCTIONDEVICE，RFDRFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。附带有限的功能来控制成本和复杂性；在网络中通常用作终端设备；ZIGBEE相对简单的实现自然节省了费用；RFD由于省掉了内存和其他电路，降低了ZIGBEE部件的成本，而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成本。表21为全功能设备与简化功能设备的比较树形分簇网络是对等通信拓扑结构应用的例子之一。分簇网络结构是对等结构的一个特例，其中大多数器件是全功器件FFD。由于在同一时间内只能与唯一的FFD联络，少数的缩减功能器件RFD在分簇结构中作为树形分支的末端器件。任FFD器件可以作为协调器提供同步服务给其它器件或协调器。但只有一个可以作为整个APN的协调器，它应当比PAN中的其它器件具有更多的计算资源。PAN协调器通过将簇标识符设为0、选择一个未使用的PAN标识符、向网上邻居广播信标帧来建立第一个簇，同时将自己设为簇头CLD。接收到信标帧的器件可以申请加入簇。如协调器允许加入，则将器件作为子器件加入网上邻居列表中。而新加入的器件会将簇头作为父器件加入其网上邻居列表中，并开始定期传输信标。其它器件可以通过此器件加入簇。最简单的分簇结构是单簇网络，但稍大的网络有能力有多个互为邻居的簇而形成网状结构。每一个簇的簇头需要找出与其它簇相连接的网关节点，簇中节点与其它簇中节点相互通信的过程是簇中的某一个成员节点首先将数据发至簇头，然后由簇头再将其转发到网关节点，由网关节点转发至其它簇中，再由其簇头转发至目的节点。在星状网络中，所有的节点只能与协调器进行通信，相互之间的通信是禁止的。而在网状网络中，全功能设备节点之间是可以相互通信的，每个全功能设备节点都具有路由功能，半功能节点只与就近的全功能节点进行通信。在路由选择和路由维护时，ZIGBEE的路由算法使用了路由成本的度量方法来比较路由的好坏。成本，即众所周知的链路成本，与路由中的每一个链路相关。组成路由的链路成本之和为路由成本。ZIGBEE路由和协调器需要对路由表进行维护。ZIGBEE路由和协调器也可以保存一定数量的入口，仅仅在路由维护时使用这些入口，或者在耗尽所有其他的路由容量的情况下使用这些入口。路由选择是在网络中的设备相互合作条件下选择，并建立路由的一个流程，该流程通设备类型拓扑类型可否成为协调器通话对象全功能设备（FFD）简化功能设备RFD星形，树形，网状星形可以不可以任何ZIGBEE设备只能与协调器通话常与特定的源地址和目的地址想对应。路由选择包括以下一些流程（1）路由搜索的初始化。（2）接收路由请求命令帧。（3）接收路由应答命令帧。244协调器协调器在运行之前需要配置相关的网络参数和设备参数，供后面使用。在加电之后，协调器首先应当扫描信道，选择合适的信道和网络标识建立网络，然后允许其它设备加入网络，到这里协调器的初始化工作结束。进入正常操作状态之后，协调器需要管理网络中的设备，包括处理它们的加入和离开；协调器需要处理来自其它设备的绑定请求，为不同设备之间的数据转发建立相关绑定信息；它还需要能够处理各种设备和服务查询请求；它还需要能够发送和接收数据。245路由器路由器在加电之后，应当加入或者重新加入网络。如果是加入新网络，它需要扫描信道，选择合适的网络加入；如果是重新加入网络，它需要扫描信道查找父设备。在加入网络之后，它需要配置路由器相关的属性。在进入正常操作状态之后，路由器和协调器工作方式类似。246终端节点终端节点在加电后首先也应当加入或者重加入络。在进入正常操作状态之后，终端设备往往只能简单的发送和接收数据,它们并不处理网络管理等功能，大多数时间都处于休眠状态。25ZIGBEE数据采集系统采集数据的原理ZIGBEE网络通常由三个节点构成协调器COORDINATOR节点、路由器ROUTER节点、传感器ENDDEVICE节点。传感器节点也称为终端设备。协调器用来创建一个ZIGBEE网络，并为最初加入网络的节点分配地址,每个ZIGBEE网络需要且只需要一个协调器；路由器也称为ZIGBEE的全功能节点，可以转发数据起到路由的作用也可以收发数据当成一个数据节点还能保持网络为后加入的节点分配地址；终端设备通常只周期性地发送数据，不接收数据。由于本系统是在实验室小范围内进行的实验，因此不设ZIGBEE路由节点。在实验中，ZIGBEE的协调器节点和终端设备节点形成星型网络拓扑结构，并且在网络中设置了一个协调器节点和两个终端设备节点。协调器节点也称为汇聚节点，将多个终端设备节点置于不同的位置，它们会按照要求把采集到的数据传给汇聚节点，汇聚节点先要对数据进行处理，然后才把数据通过串口传给PC机。文中主要介绍传感器网络采集数据的具体实现，不讨论上位机的用户界面的设计。系统原理示意图如图22所示。终端设备PC机协调器串口ZIGBEE网络图22系统原理示意图26ZIGBEE模块介绍CC2530是用于24GHZ，IEEE802154、ZIGBEE和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SOC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8KBRAM和许多其它强大的功能。CC2530有四种不同的闪存版本CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。CC2530F256结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZIGBEE协议栈（ZSTACK），提供了一个强大和完整的ZIGBEE解决方案。CC2530F64结合了德州仪器的黄金单元REMOTI，更好地提供了一个强大和完整的ZIGBEERF4CE远程控制解决方案。261CC2530主要功能介绍（1）RF/布局适应24GHZIEEE802154的RF收发器极高的接收灵敏度和抗干扰性能可编程的输出功率高达45DBM只需极少的外接元件只需一个晶振，即可满足网状网络系统需要7MM7MM的QFN40封装适合系统配置符合世界范围的无线电频率法规ETSIEN300328和EN300440（欧洲），FCCCFR47第15部分美国和ARIBSTDT66（日本）（2）低功耗主动模式RX（CPU空闲）24MA主动模式TX在1DBM（CPU空闲）29MA供电模式1（4S唤醒）02MA供电模式2（睡眠定时器运行）1A供电模式3（外部中断）04A宽电源电压范围（2V36V）（3）微控制器优良的性能和具有代码预取功能的低功耗8051微控制器内核32、64或128KB的系统内可编程闪存8KBRAM，具备在各种供电方式下的数据保持能力支持硬件调试（4）外设强大的5通道DMAIEEE80254MAC定时器，通用定时器（一个16位定时器，一个8位定时器）IR发生电路具有捕获功能的32KHZ睡眠定时器硬件支持CSMA/CA支持精确的数字化RSSI/LQI电池监视器和温度传感器具有8路输入和可配置分辨率的12位ADCAES安全协处理器2个支持多种串行通信协议的强大USART21个通用I/O引脚（194MA，220MA）看门狗定时器262CC2530主要模块介绍（1）CPU和内存CC253X芯片系列中使用的8051CPU内核是一个单周期的8051兼容内核。它有三种不同的内存访问总线（SFR，DATA和CODE/XDATA），单周期访问SFR，DATA和主SRAM。它还包括一个调试接口和一个18输入扩展中断单元。中断控制器总共提供了18个中断源，分为六个中断组，每个与四个中断优先级之一相关。当设备从活动模式回到空闲模式，任一中断服务请求就被激发。一些中断还可以从睡眠模式（供电模式13）唤醒设备。内存仲裁器位于系统中心，因为它通过SFR总线把CPU和DMA控制器和物理存储器以及所有外设连接起来。内存仲裁器有四个内存访问点，每次访问可以映射到三个物理存储器之一,一个8KBSRAM、闪存存储器和XREG/SFR寄存器。它负责执行仲裁，并确定同时访问同一个物理存储器之间的顺序。8KBSRAM映射到DATA存储空间和部分XDATA存储空间。8KBSRAM是一个超低功耗的SRAM，即使数字部分掉电（供电模式2和3）也能保留其内容。这是对于低功耗应用来说很重要的一个功能。32/64/128/256KB闪存块为设备提供了内电路可编程的非易失性程序存储器，映射到XDATA存储空间。除了保存程序代码和常量以外，非易失性存储器允许应用程序保存必须保留的数据，这样设备重启之后可以使用这些数据。使用这个功能，例如可以利用已经保存的网络具体数据，就不需要经过完全启动、网络寻找和加入过程。（2）时钟和电源管理数字内核和外设由一个18V低差稳压器供电。它提供了电源管理功能，可以实现使用不同供电模式的长电池寿命的低功耗运行。有五种不同的复位源来复位设备。（3）外设CC2530包括许多不同的外设，允许应用程序设计者开发先进的应用。调试接口执行一个专有的两线串行接口，用于内电路调试。通过这个调试接口，可以执行整个闪存存储器的擦除、控制使能哪个振荡器、停止和开始执行用户程序、执行8051内核提供的指令、设置代码断点，以及内核中全部指令的单步调试。使用这些技术，可以很好地执行内电路的调试和外部闪存的编程。设备含有闪存存储器以存储程序代码。闪存存储器可通过用户软件和调试接口编程。闪存控制器处理写入和擦除嵌入式闪存存储器。闪存控制器允许页面擦除和4字节编程。I/O控制器负责所有通用I/O引脚。CPU可以配置外设模块是否控制某个引脚或它们是否受软件控制，如果是的话，每个引脚配置为一个输入还是输出，是否连接衬垫里的一个上拉或下拉电阻。CPU中断可以分别在每个引脚上使能。每个连接到I/O引脚的外设可以在两个不同的I/O引脚位置之间选择，以确保在不同应用程序中的灵活性。系统可以使用一个多功能的五通道DMA控制器，使用XDATA存储空间访问存储器，因此能够访问所有物理存储器。每个通道（触发器、优先级、传输模式、寻址模式、源和目标指针和传输计数）用DMA描述符在存储器任何地方配置。许多硬件外设（AES、内核、闪存控制器、USART、定时器、ADC接口）通过使用DMA控制器在SFR或XREG地址和闪存/SRAM之间进行数据传输，获得高效率操作。定时器1是一个16位定时器，具有定时器/PWM功能。它有一个可编程的分频器，一个16位周期值，和五个各自可编程的计数器/捕获通道，每个都有一个16位比较值。每个计数器/捕获通道可以用作一个PWM输出或捕获输入信号边沿的时序。它还可以配置在IR产生模式，计算定时器3周期，输出是ANDED，定时器3的输出是用最小的CPU互动产生调制的消费型IR信号。MAC定时器（定时器2）是专门为支持IEEE802154MAC或软件中其他时槽的协议设计。定时器有一个可配置的定时器周期和一个8位溢出计数器，可以用于保持跟踪已经经过的周期数。一个16位捕获寄存器也用于记录收到/发送一个帧开始界定符的精确时间，或传输结束的精确时间，还有一个16位输出比较寄存器可以在具体时间产生不同的选通命令（开始RX，开始TX，等等）到无线模块。定时器3和定时器4是8位定时器，具有定时器/计数器/PWM功能。它们有一个可编程的分频器，一个8位的周期值，一个可编程的计数器通道，具有一个8位的比较值。每个计数器通道可以用作一个PWM输出。睡眠定时器是一个超低功耗的定时器，计算32KHZ晶振或32KHZRC振荡器的周期。睡眠定时器在除了供电模式3的所有工作模式下不断运行。这一定时器的典型应用是作为实时计数器，或作为一个唤醒定时器跳出供电模式1或2。ADC支持7到12位的分辨率，分别在30KHZ或4KHZ的带宽。DC和音频转换可以使用高达八个输入通道（端口0）。输入可以选择作为单端或差分。参考电压可以是内部电压、AVDD或是一个单端或差分外部信号。ADC还有一个温度传感输入通道。ADC可以自动执行定期抽样或转换通道序列的程序。随机数发生器使用一个16位LFSR来产生伪随机数，这可以被CPU读取或由选通命令处理器直接使用。例如随机数可以用作产生随机密钥，用于安全。AES加密/解密内核允许用户使用带有128位密钥的AES算法加密和解密数据。这一内核能够支持IEEE802154MAC安全、ZIGBEE网络层和应用层要求的AES操作。一个内置的看门狗允许CC2530在固件挂起的情况下复位自身。当看门狗定时器由软件使能，它必须定期清除；否则，当它超时就复位它就复位设备。或者它可以配置用作一个通用32KHZ定时器。USART0和USART1每个被配置为一个SPI主/从或一个UART。它们为RX和TX提供了双缓冲，以及硬件流控制，因此非常适合于高吞吐量的全双工应用。每个都有自己的高精度波特率发生器，因此可以使普通定时器空闲出来用作其他用途。（4）无线设备