基于ZigBee的无线温湿度采集系统设计

基于ZigBee的无线温湿度采集系统设计燕山大学——本科毕业论文学

院：电气工程学院年级专业：10级自动化

学生姓名：***指导教师：***2023/2/3内容提要1绪论2

ZigBee协议简介3系统总体方案设计4系统硬件设计5系统软件设计6网络测试与分析7C008搭载ZigBee网络8总结与展望2023/2/31绪论

1.1课题的研究背景及意义ZigBee技术具有低成本、低功耗、低速率的特点和高可靠性、组网简单、灵活等优势。ZigBee技术主要领域有大棚温湿度采集控制、家庭办公自动化、工业与环境监测及人员定位与医疗护理等。ZigBee技术满足了无线通信、网络大范围覆盖、网络灵活性高以及维护管理方便等要求，是将来物联网发展的趋势。由于ZigBee网络覆盖范围有限，本文将ZigBee网络与北京韦加航通科技有限公司的C008设备网络配合使用，实现远程大范围监控。2023/2/31绪论

1.2系统设计思路2023/2/3ZigBee系统设计思路如下图：1绪论ZigBee协调器采集的数据传给C008终端，C008终端再通过C008基站上传到PC机，实现网络的大范围远程监控，网络如下图：2023/2/3

1.3C008搭载ZigBee网络实现方案2

ZigBee协议简介2.1ZigBee网络设备IEEE(电气和电子工程师协会)定义了两种不同类型的设备：一种是全功能设备(FFD)，另一种是简化功能设备(RFD)。FFD能够转发其他设备的数据帧，与多个其它的FFD或多个RFD进行通信；RFD不能同其他终端节点通信，只能够同FFD进行通信。ZigBee技术支持星型网、树状网和网状网三种网络拓扑，其网络中有三种的数据通信机制：单播(Unicast)、组播(Multicast)和广播(Broadcast)。2023/2/32.2ZigBee协议栈架构ZigBee协议分两部分，IEEE802.15.4标准定义了物理层(PHY)和介质访问层(MAC)技术规范；ZigBee联盟定义了网络层(NWK)、应用层(APL)技术规范。2

ZigBee协议简介2023/2/33系统硬件设计3.1系统整体设计本文设计的系统，主要由1台PC机、1台协调器、多台终端和若干台路由器组成。协调器负责建立网络，终端和路由器加入网络后，终端将采集的数据上传给协调器；协调器通过串口上传数据至PC机，PC机通过上位机界面显示并存储。2023/2/3硬件平台的选择：本文设计的系统选用TI的CC2530SoC芯片作为ZigBee无线网络的硬件解决方案。3系统硬件设计3.2协调器电路设计2023/2/3CC2530核心电路设计3系统硬件设计2023/2/3CC2530核心电路设计3系统硬件设计3.3终端节点电路设计终端节点负责数据采集。温湿度传感器DHT11应用电路如右图：2023/2/3终端节点工作位置不确定，使用电池供电，电路如右图：终端节点去掉了USB转串口电路。核心电路、复位电路、Debug下载电路以及网络指示灯电路参考协调器电路的设计。3.4路由器电路设计路由器设计时，去掉了USB转串口电路，加上了传感器应用电路。复位电路、Debug下载电路、网络指示灯电路以及传感器应用电路参考协调器电路的设计。4系统软件设计4.1软件平台概述2023/2/3系统设备软件部分选择TI的Z-Stack2007协议栈；采用软件平台IAR-EW开发。上位机界面选择LabVIEW设计。4.2ZigBee设备通信ZigBee协议栈：使用ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0协议栈的SampleApp进行设计开发。Z-Stack由main()函数开始执行，main()函数共做了2件事：一是系统初始化，另外一件是开始执行轮转查询式操作系统。用户自己添加的应用任务程序在Zstack中的调用过程为：main()-->osal_init_system()-->osalInitTasks()-->SampleApp_Init()，具体如右图：4系统软件设计2023/2/3Z-Stack中操作系统是基于优先级的轮转查询式操作系统，执行流程图如右图：4系统软件设计2023/2/3在一个网络结构中，只有一个协调器和数个终端节点以及若干个路由器组成。网状网络是树状网络基础上实现的，与树状网络不同的是，它允许网络中所有具有路由功能的节点直接互连，由路由器中的路由表实现消息的网状路由。数据的收发：网状网程序设计:ZigBee设备间通信：设备发送端，调用自定义的发送函数(SampleApp_Send_P2P_Message)发送数据；接收端就调用事件任务处理(SampleApp_ProcessEvent)、

消息处理函数(SampleApp_MessageMSGCB)接收数据。设备发送的数据包括发送设备的64位扩展IEEE地址和DHT11的采集温湿度。其中跟据DTH11的传输时序编写温湿度采集程序，程序主要包括：延时函数，8位数据写入，DHT11传感器启动、读取数据。4系统软件设计2023/2/34.3上位机设计上位机界面使用LabVIEW编写。LabVIEW前面板主要是一些输入输出控件，界面的布局等；后面板是程序框图，主要是串口数据读取、数据包解析、数据的存储等，后面板程序如下图：4系统软件设计2023/2/35网络测试与分析5.1组网测试建立一个简单的网络，该网络包括1个协调器、1个路由器和1个终端节点。协调器和路由器采用电源供电，终端节点采用电池供电。依次给协调器、路由器和终端节点上电。观察到，所有节点的LED灯均闪烁然后常亮，协调器建网成功；路由器和终端节点也成功加入了网络。测试现象如下图：2023/2/35网络测试与分析5.2无障碍测试在空旷的广场将协调器位置固定，终端节点从距离为10米的地方开始，每10米记录一次，到100米结束。每次发送数据包100次，从上位机界面观察成功接收的数据包个数，计算丢包率。测试数据如下表所示：2023/2/3距离(m)发送包数(个)接收包数(个)丢包率(%)101001000201001000301009914010099150100991601009827010090108010073279010055451001002278注：实验中将协调器和终端节点都架高2米。5网络测试与分析5.3有障碍测试有障碍测试，选在校园里进行，主要的障碍干扰是树木的遮挡。测试数据如下表所示：2023/2/3距离(m)发送包数(个)接收包数(个)丢包率(%)101001000201009913010099140100991501009466010058427010025758010010909010001001001000100有障碍时，网络链路质量较差。在实际应用中，应尽量避免在通信网络中有大型障碍物；如不可避免，可考虑在有障碍物的地方放置路由器，增强网络通信能力。5网络测试与分析5.4温湿度采集系统功能测试2023/2/3搭建了一个简易的小型ZigBee网状网络，由1台PC机、1个协调器、2个路由器和1个终端节点组成。终端节点和路由器A分别连接了DHT11温湿度传感器，路由器B未连接DHT11。网络拓扑如下图：按照右图布置网络，给各节点依次上电。通过上位机界面，对数据进行实时的显示和储存，上位机界面显示如下图。5网络测试与分析5.4温湿度采集系统功能测试2023/2/35网络测试与分析5.5结果与讨论针对试验中出现的问题，提出以下建议：1.如何扩大网络的覆盖范围。一般有两种方法：(1