【一基于ZigBee的智能气象站监测系统结构设计9100字（论文）】

一基于ZigBee的智能气象站监测系统结构设计目录 2 22.1功能设计 22.2性能设计 32.3方案设计 3 33.1ZigBee简介 33.2CC2530芯片介绍 4 44.1系统结构设计方案 44.2系统的硬件构成 44.2.1传感器的选择 44.2.2ZigBee模块硬件设计 54.2.3ESP8266WIFI透传网关工作流程 6 84.3系统软件分析 94.3.1IAR软件的简介 4.3.2串口软件 4.3.3USB转串口驱动安装 4.3.4系统通信流程 4.3.5组网分析 4.3.7数据分析 5系统功能结果分析 6.2展望 气象站的设计是从20世纪50年代末开始，最早是美国和苏联两个国家分别设计出了自动气象站。在20世纪60年代中期，工程师设计出来了第二代自动气象站，这种气象站可以适应一些气象恶劣的天气状况，在性能上比第一代增强了许多。到了20世纪70年代通过技术手段解决了以前气象站存在的问题，是气象站性能更加强大了。到了现在随着科技的不断进步气象站的功能也变得智能化，也能在各种恶劣气候条件中稳定工在人们日常生活中，随着社会的不断进步人们对气象数据的实时性和准确性越来越严格。为达到这个目的开发了一款小型智能气象站，可以对小范围的气象条件进行精确测量，并对用户进行即时传送气象信息。还可以根据当前天气数据设定一个阈值。例如，当外界环境空气中湿度达到系统设定的阈值时，系统的湿度报警器就会作出反应，然后蜂鸣器就会发出警报，这是使用者就会接受到信息并作出判断，当前天气有可能下雨。还有当外面风速达到系统设定的阈值，蜂鸣器也会发出警报，提醒人们做好防风措施。所以研究这款小型智能气象系统是很有必要的。在农业生产方面，自然环境中的气象因素对农作物的生产活动具有很大联系。所以，掌握农业生产活动中的气象信息很重要。这款小型智能气象站可以检测多个气象数据，可以帮助种植人员实时、准确掌握农业种植气象因素。而且，目前大型自动化气象设备普遍价格昂贵，增加了农业生产活动中的生产成本，不利于农业生产活动中的普及。在农业生产活动中使用小型智能气象站这套系统可以有效的减少生产成本。并且该小型智能气象系统监测农业气象数据精确，并且可以对气象数据进行无线传输和保存。方便农业生产者根据这些气象数据及时对农作物进行管理。小型智能气象系统可以有效保障农业生产，具有很大的研发和使用价值。2需求分析温湿度、风向、风速气象数据采集能够通过ZigBee将采集到的数据传递给电脑。在信息的通讯过程中，需要保证信息传输稳定，同时又需要降低来自外界环境因素的干扰，还需要拥有存储通信数据和远距离通信的功能。小型智能监测系统使用高精度传感器对外界环境进行监测。通过ESP8266模块将数据传递给电脑端或手机端。通过系统设定的阈值可以有效的通过蜂鸣器提醒人们做出应对。当环境中的气象数据超出系统设定的阈值，蜂鸣器就会作出反应，发出嗡鸣声。2.2性能设计(1)稳定性：小型智能气象站监测系统采用了高精度温湿度传感器DHT11模块，(2)可使用性：小型智能气象站监测系统体积小，安装拆卸方便。且价格实惠便同时在ZigBee应用时，会进行反复的检验流程。系统内再进行数据交流时，数输还采用了避免碰撞技术，可以有效避开ZigBee通信过程中的冲2.3方案设计器和风向传感器。通过这几个传感器收集气象数据，并把数据通过串□通信传递给以CC2530芯片为核心的开发板，并对数据进行处理。然后根据独特的计算法和输出格式测系统硬件部分使用了ZigBee开发套件。该开发套件包含了仿真器、终端协调器模块通过串口与ESP8266WiFi模块相连接。收集到的数据通过TCP/IP协议把数据传递给PC端或者手机端，还可以配合上位机来实现对气象数据的监测。这就完成了3关键技术介绍要分成三类：网状拓扑结构、星型网络拓扑结构和树形拓扑结构。ZigBee网络拓扑结构中有三种不同工能的节点，通过三种节点的不同搭配组成了以上三种拓扑结构。CC2530芯片是德州仪器公司生产的CC253X系列芯片中的一款。这款芯片是为了和ZigBee技术相互搭配而设计生产的一款芯片CC2530芯片实施了IEE802.15.4协议标准。在物联网领域适用性极强。这款芯片还有性能强、耗能少等优点。CC2530芯片的工作性能优点：CC2530芯片的中央处理器性能优秀。CC2530芯片拥有四种闪存方式可供开发者利用。正常工作频率在2.4Hz,还兼容三种协议标准。CC2530芯片拥有三种供电模式，运行时损耗的能量少，延时低，运行速度非常快。4结构设计4.1系统结构设计方案小型智能气象站监测系统结构有硬件和软件两部分。硬件有两部分别为传感器部分和ZigBee开发套件。传感器通过RS485总线连接到终端节点将收集到的数据传递给上位机，上位机再将处理过的信号通过WiFi网关传递给PC端或手机端。软件设计方面主要是通过使用IAR软件开发系统所需要的程序。小型智能气象站监测系统整体设计方案如图4.1。温湿度传感器节点返回采集数据风向传感器节点发送控制命令发送命令发送命令风速传感器节点协调器节点Fi模块手机端4.2系统的硬件构成温湿度传感器：在本次小型智能气象站设计中挑选了温湿度传感器DHT11,DHT11湿度拥有可靠性和稳定性。温湿度传感器DHT11内主要的两个元件分别为电20%到95%之间，正常工作温度环境在0度到50度之间，且湿度测量误差为正负5%。NTC测温元件测量范围为0度至50度之间，且温度测量误差为正负2度。温湿度传感器DHT11的正常工作电压为5V。测量的风速会产生数据偏高(产生的平均误差约为10%)。本次设计采用的风速传感器水线缆，具有防水功能，且抗干扰能力强，传输的信号稳定。采用了RS485接□,输出内部由风向标转动一圈产生的电阻值的最大值与最小值分别记为360度与0度。当风向了。本次设计采用的是RS485接口型的风向传感器。直流供电电压为5V到30V。可以正常工作在零下40度到零上60度之间。通信接口支持RS485通讯协议。响应速度快。4.2.2ZigBee模块硬件设计小型智能气象站监测系统收集开发，硬件方面主要应用了以CC2530芯片为处理芯片的ZigBee开发套件。这套ZigBee开发套件包含了3个连接传感器节点底板，1个高精度温湿度传感器模块，1个风向传感器，1个风速传感器，1个仿真器，MiniUSB线4根，3个CC2530芯片模块和一个ESP8266WIFIZigBee节点模块详细介绍如下图4.2所示。内置天线透传网关包含协调器节点。实验所使用大功率核心板外接5V接口温湿度/温度路连接到协调器。协调器是小型智能气象站监测系统中的ZigBee网络的核心，主要的线与电脑相连接查看生成的串□。最后对三个终端节点和ESP8266WIFI透传网关进行4.2.3ESP8266WIFI透传网关工作流程ESP8266WIFI透传网关使用了一个ZigBee节点模块和一个ESP8266wifi模块，ZigBee节点模块和ESP8266Wifi模块通过串□进行信息交互。ESP8266模块支持当于手机或其他通信设备直接连接到了ZigBee网络中。如图4.4所示，图片的左边为择。具体操作步骤如下。首先将仿真器连接到协调器核心板的IO□,将协调器对应的示灯发光表示网关已打开。通过USB数据线与ESP8266WIFI透传网关连接，这时电脑会生成一个串□。在这一步运用了USB转串□的驱动技术。接下来通过控制拨码开关将拨码开关3、4打开，wifi模块的数据可以和底板的串□交互。使用ESP8266配置工具就可以查看并修改相关的详细参数。如下图4.3所示本地端口远端IP远端端口子网掩码校验位区1、注意网关上拨码开关位置仅为“理模块4、查询参数5、修改参数6、网络协议参数的串□数据输出到WiFi模块，当wifi模块接收到数据的时候，也会传给zigbee模块。打开配置工具，并进行以下操作选择串口、更改无线参数和更改串□参数。然后点击搜索模块并进行自动连接。接着可以打开ESP8266WIFI配置工具查询模块参数。STA模式：和无线终端相差不大，STA不接受无线网络的接入，但是它可以连接到AP。STA模式的配置过程如下所示。(2)在“无线参数”里，选择“STA模式”,网络名称和密码选择我们已有的路由器和密码。我们测试的wifi路由器名称是“TP_LINK_WEI”,WiFi密码为“12345678”。所以我们这里网络名称写“TP_LINK_WEI”,密码设定为12345678。用户一定要根据自己的路由器设置修改此项。(3)串口参数，不提供修改，默认为115200。这里我们一定要设置同网段的IP,实际IP用户可修改。(5)点击“3、设置参数”,即可以完成配置。ESP8266WIFI透传网关如下图4.4所示(1)首先验证此WiFi是否连接到路由器上(注意：wifi网关和电脑是接在同一wifi网关连接到路由器上了。如图4.5所示正在Ping50具有32字节的数据：来自50的回复：字节=32时间=22nsTTL=255来自50的回复：字节=32时间=49msTTL=255来自50的回复：字节=32时间=65msTTL=255数据包：已发送=4,已接收=4,丢失=日(x丢失>,往返行程的估计时间以毫秒为单位):最短=22ms,最长=103ms,平均=59msC:sersAdministrator>(2)打开手机WiFi,并连接到已设置好WiFi。(3)打开手机上的软件，并按下图4.6进行配置：□显示接收来源按图设置□显示接收时间暂停接收显示自动发送附加位□发送完自动清空□按十六进制发送□数据流循环发送4.3系统软件分析4.3.1IAR软件的简介的版本，它还兼容WIN7,WIN10等多种操作系统。到目前为止，IAREmbedded我们选择了串□工具SmartRFFlashProgrammer。在IAR软件上完成了相关环境配置，接着就可以使用工具SmartRFFlashProgrammer将程序进行编译，通过仿真器下载到CC2530模块中。程序在IAR软件上编译完成后会在对应文件目录中生成hex文件。运行SmartRFFlashProgrammer串□软件，选择刚刚生成的hex文件。然后将仿真器连接ZigBee模块，仿真器另一端通过USB线连接电脑。接着串□软件SmartRFFlashProgrammer就会自动识别ZigBee模块。如果识别不成功，可能是仿真器带电操作。这时需要将仿真器上的复位键摁下。再选者Actions下的Eraseprogramandverify进行参数配置如下图4.8所示.最后就点击performactions,等待程序下载完成。选择第三个Flashlock(effectiveafterprogram/apCC2530-ID0050:Egramondv现在大多数笔记本电脑不带串口，所以在本次设计中需要将USB转为串口。在本次设计中，ZigBee模块我们的开发板使用了USB转串□芯片CH340G,如下图4.9所示。CH340G芯片还有以下特点：兼容性强可以兼容USBV2.0。并且与Windows操作系统下的串口应用程序兼容。在本次设计中进行了SOP-16和SSOP--20无铅封装，兼容RoHS。CH340G芯片可以帮助串□与ZigBee通信。USB转串口驱动在windows10系统下使用步骤如下：(1)打开CH340串口驱动位置，并将该文件解压安装。(2)将ZigBee开发板通过USB线接到电脑上，还要打开开发板电源。同时电脑屏幕上还会出现提示正在安装设备驱动程序软件的字样。(3)再将PC端的设备管理器打开，就可以查看串□的驱动是否已自动安装。(4)安装完成后，再打开设备管理器，就可以查看到生成的串□了，如下图4.10所示。文件(F)操作(A)查看(V)帮助(H)5香计算机管理(本地)品服务和应用程序DVD/CD-ROM驱动器□处理器电池打印机满口(LPT1)通信端口(COM1)曾通信端口(COM2)鼠标和其他指针设备更多…▶图4.10设备管理器界面在本次设计ZigBee通信系统中，涉及到了三个重要的ZigBee终端节点模块和一个ESP8266WIFI透传网关。其中网关包含一个协调器模块和一个ESP8266wifi模块。这三个ZigBee终端节点分别连接三个传感器用来收集气象数据。收集到的气象数据在传递给网关进行处理。网关内协调器模块和ESP8266wifi模块通过串口进行通信。ESP8266wifi模块将接收到的数据传递到手机客户端，这两者之间的通信遵循了TCP/IP协议。这些模块间通信流程图如下图4.11所示。手机终端模块手机终端协调器模块风向传感器终端节点风速传感器风向传感器终端节点风速传感器终端节点①:终端节点接收协调器模块传来命令。②:终端节点接收到命令将收集到的数据传递到网关。③:协调器模块和ESP8266wifi模块通过串口进行通信。④:连接到WiFi信号与手机端通信。在本次设计中组建的ZigBee网络中，有三种不同的网络节点类别分别为：协调器节点(Coordi-nate)、路由器节点(Router)和终端节点(End-Device)。在Zi中不同类型的节点组合就可以形成三种不同的网络拓扑结构：星型网络、树形网络和网状网络。在小型智能气象站监测系统中采用了星型网络。以下为组网流程图如图4.12所示。开始开始否是结束图4.12组网流程图那此节点只能充当该ZigBee网络下的子节点。一个已经组建好的网络command),可以设置一个扫描时间限制(T_scan_duration),如果在时间限制内未检择一个没有其他ZigBee网络的信道。在这个信道中，网络ID(PANID)是唯一的。单调器会给终端节点分配短地址来进行通讯。且协调器的网络地址一直为0x0000。在ZigBee网络进行通讯的过程中我们可以采取空中抓包的方式对ZigBee网络中的数据进行分析。在这个实验中采用了物联网”综合分析仪IOTA-1100。这部仪器是由美发和设计小型智能气象站监测系统过程中的效率。仪器操作面板如下图4.13所示发和设计小型智能气象站监测系统过程中的效率。仪器操作面板如下图4.13所示RF信号发生仪信号输出端RF频谱分析预留音频微功耗分析仪电微功耗分析仪电USB接口接口流输入端流流出端综合分析仪IOTA-1100分析无线传感器网络空中协议搜索频率范围为2400-2483.5MHZ。还包含四个技术标准：IEE2007、ZIGBEEPRO。可以实现对无线数据在空中抓包、分析和网络观察，还能对进行数据存储。主要的功能有对网络的发现和观察、网络流量观察、包装观察分析、网络拓扑分析、网络拓扑分析和绘图等。综合分析仪IOTA-1100通过内置天线自动识别空中信号，发现并识别ZigBee网络结构和空中传输的不同信道和网络的无线通讯包装。使用以后将自动存储数据包装文件，自动回放分析。下图为对小型智能气象站监测系统进行空中抓包生成的拓扑图，如下图4.14所示。命令类型目标地址源地址480000005F981E8B001402000x985E313030315F98524755328A120500014020008048303832313有效数据信息口源端5TypeSecPndAck.reqPAN_c网关自动回复信息图4.15捕获数据数据帧，从图中可以观察到命令类型为DATA型，数据帧的长度为59。目标地址为协调器节点的数据信息。这条数据的源地址为0x982F,帧序号为0x5D。这个源地址为荷和MAC帧尾三类。MAC帧包含了帧控制域和地址信息。MAC静第二条抓取的信息为网络层(NWK)的数据。网络层数据帧分为命令帧和数据帧两控制域、路由域和帧载荷。目标地址为0x0000,数据长度占两个字节。网络源地址为的半径范围。当每传输一级路由时，半径域将减一。这条数据帧序号为0x8B,长度为一个字节。当同一个设备在传输一个新的数据帧时，此序列号将加以1,序列号最高为255,超过这个数值将从0重新开始计数。这四个数据为网络层帧结构中的路由域。路最后一条数据为网关接受到消息后做出的反应发送的数据。这条数据类型是ACK。ACK及为确认字符，在数据通信中，接收方传递给发送方的一种传输类控制符。在这次数据通信中，是网关成功接收到信息，网关回复的ACK信号。表示由终端节点发送5系统功能结果分析将小型智能气象站监测系统中各个模块连接并安装好，如下图5.1所示。系统经过收集与处理将数据发送到手机端，通过手机app查看某一天的三个时辰的气象数据并绘制成表格，如下表4.1所示。将通过中国天气查询到的相同时间的气象数表5.1小型智能气象站监测数据表表5.2中时间风向东南风东南风东南风风速(m/s)温度(度)湿度国天气气象数据表时间风向东南风东南风东南风风速(m/s)温度(度)湿度