无线温度测量系统设计

1、 本科毕业论文(设计题 目 无线温度测量系统设计专 业 通信工程作者姓名 程丰收学 号 2011201827单 位 理工学院指导教师 黄慧2015 年 6 月教 务 处 编原创性声明本人郑重声明:所提交的学位论文是本人在导师指导下, 独立进行研究取得的成果。除文中已经引用的内容外,论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为 获得聊城大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均在文中以明确 的方式表明。本人承担本声明的相应责任。学位论文作者签名:日期:指 导 教 师 签 名 :日期:1绪论 . . 错 误!未定义书签。 1.1 摘要 .

2、2 1.2 选题依据和意义 . 3 1.3 无线传感器网络技术研究背景及意义 . 4 1.4 无线传感器网络技术简介 . 51.5 未来前景展望 . 62.3 ZigBee 的工作模式 . . 124 系统总体设计 . 194.1 温度采集模块 . 20 4.2 微控制模块 . 错误!未定义书签。4.3 无线通信模块 . 错误!未定义书签。5 系统软件设计 . 16 总结 . 错 误!未定义书签。 参考文献 . 18致谢无线测温系统设计1.1摘要无线传感器网络是一种分布式传感网络, 它的末梢是可以感知和检查外部世 界的传感器。 WSN 中的传感器通过无线方式通信,因此网络设置灵活,设备位置 可

3、以随时更改, 还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。 通过无线通信方式 形成的一个多跳自组织网络本设计为了满足对环境温度的检测, 进而设计了一种基于ZigBee技术 的无线自组网络。 本设计采用这种方式是因为操作简单方便, 兼容性比较强等优 点, 能够满足我们对于环境温度测量的需求。 本系统的核心芯片为cc2530, 温度传感器采用的是DS18B20, 本设计是无线温度测量采用无线组网。 实 验中表明,在温度测量过程中,本系统具有灵活组网,测量精确稳定等优点。关键词: CC2530无线射频芯片;温度监测; ZigBee 技术; DS18B20温度传感器 Wireless Temperatur

4、e Measurement System Design ABSTRACTWireless sensor network (WSN is a kind of distributed sensor network, its ending is can sense and check the sensor of the outside world. Sensor way through wireless communication of the WSN, the flexible network Settings, equipment location can change at any time,

5、 can also with the Internet connection cable or wireless way. Through wireless communication mode to form a multiple hopsself-organizing networkThis design in order to meet the environmental temperature detection, and designed a kind of wireless AD hoc network based on ZigBee technology. This design

6、 USES this approach because, simple and convenient operation, compatibility is stronger, able to meet our demand for temperature measurement. The core chip of this system for cc2530, temperature sensor USES DS18B20, this design is wireless temperature measurement using wireless network. Experiments

7、show that in the process of temperature measurement, this system with flexible networking, stable measurement precision, cess,the system can flexible network.Key words:CC2530; temperature monitoring; ZigBee ; DS18B201.2 选题依据和意义根据现在当前通信领域的发展趋势看无线将会逐步取代有线, 使用简单快捷 的方式传递讯息是通信工程的一个重要的发展目标。 基于这种发展背

8、景, 无线传 感器网络不断的丰富了我们的生活。 无线网络协议呈现多元化的是伴随着无线网 络传感技术的发展,无线局域网、蓝牙技术、无线保真、超宽带以及 Zigbee 技 术等热点技术继出现,都有着各自的技术特点和应用市场。而 ZigBee 技术有很 多优点比如近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率等,在自动控制和 远程控制领域有很好的应用,和许多设备的兼容性也很好。简而言之, ZigBee 就是一种非常低廉的, 功耗非常小的的近距离无线组网通讯技术。 随着现代工业 自动化技术的不断进步, ZigBee 无线通信技术的发展也日趋成熟,它被广泛应 用在无线传感器网络测量、工农、交通、家居等越来

9、越广泛的领域。 ZigBee 无 线通信技术的功耗小、 距离近、 成本低、 布网简易等特点十分适合于要求自动不 间断采集数据、 局域分布测量、 联网数据处理等测量场合。 在日益追求讯息通信 和交换的实时,简单,耗能低,传输可靠的信息技术发展方向上,研究 Zigbee 技术在无线传感器网络上的应用十分有必要。 另外, 我们大学生在校园中更多的 是学习理论知识,参加应用实践的的机会比较少,选择 ZigBee 这种无线组网方 式为研究对象是很合理的选择。 一方面是这种技术的实用性比较强, 会得到很好 的锻炼,另一方面也不会流于表面。1.3无线传感器网络技术研究背景及意义21世纪以来,全球各种技术的发

10、展呈现了一种井喷模式,各种技术的发展 正在改变着我们的生活以及理解世界的方式, 网络技术成为了各种发明和各种服 务的源泉, 而且更多的改变正在蓄势待发, 就像望远镜让我们能够感受宇宙, 显 微镜能够让我们观测微生物一样。 引导人们生活、 工作和思维大变革的网络多是 采用有线进行的, 各种总线技术, 局域网技术等有线网络传输质量可以得到很好 的保障, 随着网络技术的发展以及越来越多的应用在日常生活和经济生活中, 网 络的安全性也日益得到人们的关注。 有线传输是在网线之间发生的, 这样就决定 其安全性能是相对高很多的, 监听难度增加了许多。 但无线数据传输有很多方面 是有线不能比的,那就是无线有很

11、高的移动性和灵活性。在移动性方面有线通信显然落在了下风, 例如布线繁琐、 线路故障难以判定、 设备更改布局就要更改布线等这些有线网络先天带有的缺点却愈发地明显, 有线通信在这些方面不如无线通信优势明显。 这也是有线通信无论如何也比不上的优 势, 那就是无线通信具有极高的移动性和灵活性。 同时, 随着近年来集成电路技 术、 射频技术的发展, 无线通信功能的实现变得越来越简单可行, 数据传输效率 和可靠性都有了很大的提高, 体现出了巨大的发展市场。 在人们追求更高生活质 量的今天, 人们把目光转向了无线通信上面, 一些典型的无线应用产品顺势而生, 如:无线智能家电,无线查表,无线点餐,无线数据采集

12、归类,无线设备监控, 汽车仪表数据的无线读取等。 人们享受无线信息传输系统带来的便利的同时, 又 同时针对发展的新的需求而不断探索。1.4 无线传感器网络技术简介传感器网络系统一般包括传感器节点、 汇聚节点和管理节点。 大量节点都是 随机部署在监测区域的, 有的是监测区域的内部, 有的则是分布在监测区域的附 近, 网络的形成采用自组织的形式是比较常见的。 传感器节点监测的数据沿着其 他传感器节点逐跳地进行传输, 在传输过程中监测数据有被多个节点处理的可能 性, 在经过多跳之后路由到汇聚节点, 最终通过因特网或者卫星能够到达管理节 点。传感器节点可以分为四个部分:传感器模块、 处理器模块、 无线

13、通信模块和能 量供应模块, 负责监测区域内信息的采集和数据转换是在传感器模块; 负责控制 整个传感器节点的操作是在处理器模块, 处理器模块的主要功能是存储和处理数 据, 有些数据是别的节点发过来的; 无线通信模块的功能是与其它节点进行无线 通信的, 还有交换控制信息和收发采集数据等; 能量供应模块提的功能是为传感 器节点供所需运用到能量。协议栈还包括三个平台:能量管理、 移动管理和任务管理。 这些管理平台可以 让传感器节点效的方式协同工作, 节省能源。 转发数据是在节点移动的传感器网 络中进行的,另外还提供多任务和资源共享的作用。无线自组网中的节点上是有很多的, 有时几十个的, 有的时候根据需

14、要也可 以达到上百的。 无线自组网顾名思义肯定采用的是无线通信方式, 还采用动态组 网的多跳的移动性对等网络。 这样可以满足具有服务质量要求的多媒体信息流通 过动态路由和移动管理技术传输。 一般情况下是不需要考虑能量问题的, 因为节 点是可以提供能量的。传感器网络和无线自组网有很多相似的地方, 但两者之间的差别也是巨大的。 传感器网络节点数目相对无线自组网来说是更为庞大的, 是监测、 控制以及无线 通信为一体的网络系统; 节点容易受到环境的影响, 能量耗尽也会对它照成影响 环, 更容易出现故障; 网络拓扑结构会有发生变化的可能, 大多数是因为环境干 扰和节点故障;大多数情况下,传感器节点本应是

15、固定不动的。另外,传感器节 点在能量、 处理能力、 存储能力和通信能力等很多方面都有着局限性。 传统无线网络是以提高服务质量和节省带宽为前提的, 其次才考虑能源节约的问题; 而传 感器网络的首要目标是能源的有效利用,这也是两者最重要的区别之一。1.5未来前景展望当前形势下, 越来越多的机构和公司在 ZigBee 技术的研究上面投入了很多的 精力, 毫无疑问这也将加快无线传感器网络技术的发展、 更新和研发。 人们对于 这种新兴的近距离、 低功耗、 低传输率的技术抱有很大兴趣的同时, 人们把更多 的目光投向了无线组网技术方面,为下一步无线网络化智能化做准备。另外, ZigBee 规范和其应用还需要

16、专业人员的努力, 越来越多的工厂、 高等 院校和研究机构都对 ZigBee 技术展现了极大的研究兴趣, 研究工作也在有条不紊 的进行着。我们未来研究的重点将主要在以下几个方面:(1 Zigbee 芯片和产品的设计:不少厂商推出了 Zigbee 的产品和全套解决 方案。(2 Zigbee 技术的具体应用研究:目前,不管国内国外,已有大量的研究 者和厂商提出了 Zigbee 可能的应用。(3和别的技术共存研究:对 Zigbee 网络与其它无线网络共存的问题也有 大量的研究。(5路由算法:Zigbee 的路由是基于 Ad Hoe按需距离矢量 (AODV算法 路由 算法,这样 ZigBee 的网状网络

17、建立与数据传播方式和 Ad Hoe 网络很类似。提高路 由算法的高效性和可扩展性看来是很有必要的。2 ZigBee 协议简介2.1 ZigBee 的概述标准的规定。 用户联盟协议栈结构2.2 ZigBee 的网络基础ZigBee 网络基础是包括设备类型, 路由方式还有路由方式拓扑结构三方面的 内容, ZigBee 标准规定的网络节点分为协调器、 路由器和终端节点。 节点类型是 网络层面上提出来的, 它所反映的是网络的拓扑形式。 ZigBee 网络可分为三种拓 扑形式:星型拓扑、树型拓扑和网状拓扑。网络节点是由协调器,路由器和终端节点组成的。(1协调器所有的拓扑形式的 ZigBee 的网络中,

18、仅有一个协调器节点, 负责网络所使用 的频率通道、 建立起网络另外在别的节点加入网络、 提供信息路由、 管理和其它 服务等。(2路由器在采用树型和网状拓扑结构的时候, 是要用到路由器节点的, 它可以加入到 协议中。 它负责发送和接受节点的信息, 节点自身会转发信息, 允许子节点通过 它加入网络。(3终端节点终端节点发送和接受讯息是主要任务。Zigbee 协议标准中定义了三种形式的网络拓扑,分别为星形、树形和网状, 如图 图 1 ZigBee 网络拓扑结构2.3 ZigBee 的工作模式ZigBee 网络的有两种工作模式:一是非信标模式, 二是信标两种模式。 非信 标模式只允许 ZE 进行周期性

19、休眠,协调器和所有路由器设备长期处于工作状态。 信标模式可以实现网络中所有设备的同步,以达到最大限度地节能, 在信标模式下, 协调器负责以一定的间隔时间向网络广播信标帧, 两个信标帧发送间隔之 间是有相同的 16个时槽的, 这些时槽又可以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。 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 。3 核心板

20、介绍3.1 CC2530核心板功能特点: 功能良好、功耗很小的 8051内核; 频段是开放的,工作频段大约为 2.4GHz ; 具有 8路输入 8至 14位 ADC ; 无线传输速率能够达到 250kbps 的; 16个传输信道,根据环境可以切换最有效的信道;使用 2.4G 全向天线,可靠传输距离达 250m 。3.2 CC2530引脚描述CC2530采用 40脚 QFN 封装,其引脚图如图 3-1所示:CC2530引脚描述3.3 温度传感器介绍DS18B20是常用的温度传感器,具有体积小,硬件开销低,抗干扰能力强,精度 高的特点。1: 技术性能描述 单线接口方式独特, DS18B20在与微处

21、理器连接时仅需要一条口线即可 实现双向通讯。 测温范围 :-55至 +125,误差温度只有 1。 支持多点组网功能,多个 DS18B20可以并联在唯一的三线上,最多只能 并联 8个。但是如果连接的太多会造成信号不稳定的现象。 工作电源 : 3.0至 5.5V/DC (可以数据线寄生电源 在使用中不需要别的外围元件 测量结果以 9至 12位数字量方式串行传送 标准安装螺纹 M10X1, M12X1.5, G1/2”任选DS18B20有两种封装形式:三脚 TO-92 直插式和八脚 SOIC 贴片式, 封装引脚 见图 3-2所示。 4、系统总体设计由于 zigbee 网络拓扑结构有星形, 树形, 网

22、状 3 种模式, 按照网络节点功能 划分可分为终端节点、路由器节点和协调器节点 3 种。 其中,协调器节点负 责发起并维护一个无线网络, 识别网络中的设备加入网络; 路由器节点支撑网络 链路结构, 完成数据包的转发; 终端节点是网络的感知者和执行者, 负责数据采 集和可执行的网络动作。这就要求 ZigBee 网络节点需扮演终端感知者、网络支 持者、网络协调者 3种角色。在本设计中,考虑到各种局限,采用星型结构,整 个系统有若干个终端节点, 一个协调器节点, 没有路由节点。 系统的总体结构框 图如图 图 2 多点无线温度测量系统框图终端节点设计终端节点是利用数字温度传感器 DS18B20来采集温

23、度信息, CC2530对温度信 息进行初步处理, CC2530 芯片中集成的 RF 射频天线将初步处理的温度信息以 及发送端的信息传输到协调器节点。功能上具有有 3 个模块:温度采集模块, 微控制模块,无线通信模块。其对应的硬件模块如图 3 所示。 4.1温度采集模块 温度采集模块需要从外界环境中采集温度信息,本设计采用数字温度传感器 DS18B20 与 CC2530 实现温度传感应用。 DS18B20 是美国 Dallas 半导体公司推 出的一种智能数字温度传感器。 它能够直接读出被测温度, 并可根据实际要求通 过编程实现 9到 12 位的数字值读数方式, 可以测量 - 55至 +125的温

24、度范围, 在 - 10 至 85温度范围内误差不会超过 0.5。从 DS18B20读出信息或是写 入 DS18B20 信息只要通过单总线接口即可。温度变换、读取等所需的能量由总 线提供,无需外接电源。 DS18B20 可以节省系统资源、使系统结构更加简易,可 靠性更高,更适用于温度慢变场所的长时间温度测量。4.2 微控制模块协调器节点设计协调器节点主要功能:接收来自发送端的温度数据信息和发送端的节点信 息, 并对信息进行处理, 接收端将处理好的信息传送给上位机进行显示。 功能上 主要有:无线通信模块,微处理模块,串口通信模块。对应的硬件图如图 4.3无线通信模块CC2530 无线模块主要由电源

25、、复位电路、串口连接电路和无线收发电路组 成。 TTL 电平与 PC 机的 RS232 电平并不是兼容的,故在发送数据时, RS232 串 口数据经过 MAX232 将电平转换为 TTL 电平,再通过 CC2530无线发送。接收数 据则是发送数据的逆过程, CC2530 先接收到数据信号,然后经 MAX232 将 TTL 电平转换为 RS232 的标准电平,再通过 RS232 向上位机输入数据。5系统软件设计程序设计主要包括几个方面:各个节点中的功能模块驱动程序设计,系统组 网程序设计, 协调器节点与上位机通信程序设计。 在整个系统中, 每个节点都是 用了 ZigBee 协议, 在 ZigBe

26、e 协议中, 厂商已经提供众多函数:包括新建网络, 设备加入和离开网络, 发送网络信标帧, 寻找父节点和子节点, 发送和接收数据 包等。温度传感器程序void Ds18b20Write(uchar infor uint i;Ds18b20OutputInitial(; for(i=0;i<8;i+if(infor & 0x01 Ds18b20Data = 0;/数据线拉低Ds18b20Delay(6;/延时 6usDs18b20Data = 1;/数据线拉高Ds18b20Delay(50;/延时 50uselseDs18b20Data = 0; /数据线拉低Ds18b20Dela

27、y(50; /延时 50usDs18b20Data = 1; /数据线拉高Ds18b20Delay(6; /延时 6usinfor >>= 1;从 DS18B20 中读取一个字节:uchar Ds18b20Read(void/读取温度数据uchar Value = 0x00;uint i;Ds18b20OutputInitial(;/设置与 DS18B20相连接的 I/O管脚为输出 Ds18b20Data = 1;Ds18b20Delay(10;/延时 10usfor(i=0;i<8;i+Value >>= 1;Ds18b20OutputInitial(;/设置与

28、 DS18B20相连的 I/O管脚为输出 Ds18b20Data = 0; /数据线拉低Ds18b20Delay(3;延时 3usDs18b20Data = 1;/数据线拉高Ds18b20Delay(3;/延时 3usDs18b20InputInitial(;/设置与 DS18B20相连的 I/O管脚为输入 if(Ds18b20Data = 1 Value |= 0x80;Ds18b20Delay(15;/延时 15usreturn Value;温度读取函数:void Temp_test(void /温度读取函数uchar V1,V2;test1=Ds18b20Initial(;Ds18b20

29、Write(0xcc;Ds18b20Write(0x44;test2=Ds18b20Initial(;Ds18b20Write(0xcc;Ds18b20Write(0xbe;V1 = Ds18b20Read(;V2 = Ds18b20Read(;temp = (V1 >> 4+(V2 & 0x07*16; /合并温度值总结基于 CC2530 芯片的无线温度测量系统,采用 ZigBee 协议栈,做到了真正意 义上的无线组网,所有的传感器都处在一个无线网络中。由于 ZigBee 协议的低 功耗,可靠性高,扩充性良好等特点,本设计还可以改成温度测量控制系统。如 果将传感器换成其他类型的传感器,如湿度传感器、烟火传感器,气体传感器, 红外传感器组成无线传感器网络,