嵌入式溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)講解

1、*實(shí)踐教學(xué)*蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院2013 年春季學(xué)期嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目：嵌入式溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí) ：姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師 ：成績(jī)：目錄摘要3前言4一 基本原理51.1 硬件方面51.1.1芯片 SHT10介紹51.1.2 CC2530介紹61.2 軟件方面81.2.1 zigbee協(xié)議介紹81.2.2 zigbee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)9二 系統(tǒng)分析13三 詳細(xì)設(shè)計(jì)153.1總體軟件結(jié)構(gòu)圖153.2 硬件模塊設(shè)計(jì)163.3編碼17四 總結(jié)19五 參考文獻(xiàn)20六 致謝21附錄22摘要溫濕度數(shù)據(jù)的采集、 傳輸以及處理， 廣泛應(yīng)用于森林火災(zāi)的防范， 糧倉的溫濕度控制以及家庭智能化控制

2、等領(lǐng)域內(nèi)。 針對(duì)傳統(tǒng)的有線方式檢測(cè)、 采集、傳輸中節(jié)點(diǎn)分散需要大量布線等問題， 本設(shè)計(jì)主要從無線傳感方向進(jìn)行改進(jìn)， 本次課程設(shè)計(jì)介紹了一種基于 CC2530和數(shù)字溫濕度傳感器的溫濕度采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用 Zigbee 無線通信技術(shù)結(jié)合傳感器， 通過運(yùn)用 Zigbee 協(xié)議架構(gòu)組建無線傳感網(wǎng)絡(luò) , 實(shí)現(xiàn)主從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和傳輸 , 以及一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)， 兩點(diǎn)之間的通信。 并詳細(xì)闡述了基于 Zigbee 協(xié)議棧的中心節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的協(xié)議傳輸，主要是從 Zigbee 協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層里 AODV路由協(xié)議著手，闡述在網(wǎng)絡(luò)層如何通過 AODV路由協(xié)議進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的連接以及數(shù)據(jù)的收發(fā)。關(guān)鍵字 : 溫濕度數(shù)據(jù)采集 ;

3、CC2530;Zigbee 協(xié)議棧 ; 無線傳感網(wǎng)絡(luò)前言在很多應(yīng)用場(chǎng)合， 溫度是一個(gè)很重要的一個(gè)參數(shù)。 溫度的自動(dòng)監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為各行業(yè)進(jìn)行安全生產(chǎn)和減少損失的重要措施之一。 傳統(tǒng)的溫度測(cè)量方式測(cè)量周期長(zhǎng)，施工復(fù)雜，不便于管理，并且在有些特定場(chǎng)合如封閉，高壓等環(huán)境下根本無法測(cè)量。但是往往這些場(chǎng)合容易引起很大的事故。 因而溫度的無線傳輸顯的越來越重要。在醫(yī)療領(lǐng)域的方面，主要包括跟蹤治療、移動(dòng)觀察、遠(yuǎn)程醫(yī)療、患者數(shù)據(jù)管理、藥物跟蹤、手機(jī)求救、病人數(shù)據(jù)收集、醫(yī)療垃圾跟蹤和短信溝通等多方面的新應(yīng)用。在生活方面，比如智能建筑可以感知隨處可能發(fā)生的火災(zāi)隱患， 及早提供相關(guān)信息；根據(jù)人員分布情況自動(dòng)控制中央空調(diào)

4、， 實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約； 及時(shí)掌握酒店客房?jī)?nèi)客人的出入信息， 以便在有突發(fā)事件時(shí)能及時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)出通知， 確?？腿说娜松碡?cái)產(chǎn)安全。在運(yùn)輸系統(tǒng)方面，比如機(jī)場(chǎng)，持有 Zigbee 終端的乘客們可以隨時(shí)得到導(dǎo)航信息，如登機(jī)口的位置，航班的變動(dòng)，甚至附近有那些商店等，能夠更好的為乘客們提供方便快捷的機(jī)場(chǎng)服務(wù)。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)，人們可以通過 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)廠房?jī)?nèi)不同區(qū)域的溫濕度監(jiān)控；及時(shí)得到機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)狀況的信息；結(jié)合 RF標(biāo)簽，可以方便的統(tǒng)計(jì)庫存量，等等。Zigbee 技術(shù)在 Zigbee 聯(lián)盟和 IEEE 802.15.4 的推動(dòng)下，結(jié)合其他無線技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)無所不在的網(wǎng)絡(luò)。它不僅在工業(yè)，農(nóng)業(yè)，軍事，

5、環(huán)境，醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值， 未來在應(yīng)用中還可以涉及人類日常生活和社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)所有領(lǐng)域。由于各方面的制約， Zigbee 技術(shù)的大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用還有待時(shí)日，但已經(jīng)顯示出了非凡的應(yīng)用價(jià)值，相信隨著相關(guān)技術(shù)的日趨成熟和發(fā)展推進(jìn)，一定會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。但是，我們還應(yīng)該清楚的認(rèn)識(shí)到，基于 Zigbee 技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)才剛剛開始發(fā)展， 他的技術(shù)，應(yīng)用都談不上很成熟， 國內(nèi)企業(yè)應(yīng)該抓住商機(jī)，加大投入人才力度，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。一 基本原理本實(shí)驗(yàn)將使用 CC2530讀取溫濕度傳感器 SHT10的溫度和濕度數(shù)據(jù)， 并通過CC2530內(nèi)部的 ADC得到光照傳感器的數(shù)據(jù)。 最后將采樣到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換然

6、后在 LCD上顯示。其中對(duì)溫濕度的讀取是利用 CC2530的 I/O （ P1.0 和 P1.1 ）模擬一個(gè)類 IIC 的過程。對(duì)光照的采集使用內(nèi)部的 AIN0 通道。1.1 硬件方面1.1.1芯片 SHT10介紹SHT10 是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片， 提供全標(biāo)定的數(shù)字輸出。它采用專利的 CMOSens技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容性聚合體測(cè)濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測(cè)溫元件，并在同一芯片上，與 14 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無縫連接。SHT10 引腳特性如下：1. VDD，GNDSHT10 的供電電壓為 2.45.5V 。傳

7、感器上電后，要等待 11ms 以越過“休眠”狀態(tài)。在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳（ VDD，GND）之間可增加一個(gè) 100nF 的電容，用以去耦濾波。2. SCK 用于微處理器與 SHT10 之間的通訊同步。 由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，因而不存在最小 SCK 頻率。3. DATA 三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。 DATA在 SCK 時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在 SCK 時(shí)鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在 SCK 時(shí)鐘高電平時(shí)， DATA必須保持穩(wěn)定。 為避免信號(hào)沖突， 微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng) DATA 在低電平。 需要一個(gè)外部的上拉電阻（例如： 10k）將信號(hào)提拉至高電平。上拉電阻通常已包含在微處理器的

8、 I/O 電路中。向 SHT10 發(fā)送命令：用一組“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序，來表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?。它包括：?dāng)SCK時(shí)鐘高電平時(shí) DATA翻轉(zhuǎn)為低電平，緊接著SCK 變?yōu)榈碗娖剑S后是在SCK 時(shí)鐘高電平時(shí) DATA 翻轉(zhuǎn)為高電平。后續(xù)命令包含三個(gè)地址位（目前只支持“000”，和五個(gè)命令位。 SHT10 會(huì)以下述方）式表示已正確地接收到指令：在第 8個(gè) SCK 時(shí)鐘的下降沿之后，將DATA 拉為低電平（ ACK位）。在第 9個(gè)SCK 時(shí)鐘的下降沿之后，釋放DATA（恢復(fù)高電平）。測(cè)量時(shí)序 (RH 和 T) ：發(fā)布一組測(cè)量命令（ 00000101表示相對(duì)濕度度 T ）后，控制器要等待測(cè)量結(jié)束。這個(gè)過程需

9、要大約RH， 00000011表示溫11/55/210ms ，分別對(duì)應(yīng)8/12/14bit 測(cè)量。確切的時(shí)間隨內(nèi)部晶振速度， 最多有 15%變化。 SHTxx 通過下拉 DATA 至低電平并進(jìn)入空閑模式， 表示測(cè)量的結(jié)束。 控制器在再次觸發(fā) SCK時(shí)鐘前，必須等待這個(gè)“數(shù)據(jù)備妥”信號(hào)來讀出數(shù)據(jù)。檢測(cè)數(shù)據(jù)可以先被存儲(chǔ)，這樣控制器可以繼續(xù)執(zhí)行其它任務(wù)在需要時(shí)再讀出數(shù)據(jù)。接著傳輸2個(gè)字節(jié)的測(cè)量數(shù)據(jù)和 1個(gè)字節(jié)的 CRC 奇偶校驗(yàn)。需要通過下拉 DATA 為低電平， uC以確認(rèn)每個(gè)字節(jié)。所有的數(shù)據(jù)從MSB 開始，右值有效（例如：對(duì)于12bit數(shù)據(jù)，從第 5個(gè) SCK 時(shí)鐘起算作 MSB； 而對(duì)于 8b

10、it數(shù)據(jù)， 首字節(jié)則無意義）。用CRC 數(shù)據(jù)的確認(rèn)位，表明通訊結(jié)束。如果不使用CRC-8 校驗(yàn)，控制器可以在測(cè)量值 LSB 后，通過保持確認(rèn)位ack高電平，來中止通訊。在測(cè)量和通訊結(jié)束后， SHTxx 自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式。通訊復(fù)位時(shí)序：如果與 SHTxx 通訊中斷，下列信號(hào)時(shí)序可以復(fù)位串口：當(dāng)DATA 保持高電平時(shí)，觸發(fā) SCK 時(shí)鐘 9 次或更多。在下一次指令前，發(fā)送一個(gè)“傳輸啟動(dòng)”時(shí)序。這些時(shí)序只復(fù)位串口，狀態(tài)寄存器內(nèi)容仍然保留。1.1.2 CC2530 介紹CC2530 是基于 2.4-GHz IEEE802.15.4 、ZigBee 和 RF4CE上的一個(gè)片上系統(tǒng)解決方案。其特點(diǎn)是以極低

11、的總材料成本建立較為強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530芯片結(jié)合了 RF 收發(fā)器，增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存， 8-KB RAM 和許多其他 模塊的強(qiáng)大的 功能 。 如今CC2530 主要有 四種不同的閃存版 本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB的閃存。其具有多種運(yùn)行模式，使得它能滿足超低功耗系統(tǒng)的要求。同時(shí)CC2530運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間很短，使其進(jìn)一步降低能源消耗。CC2530包括了 1 個(gè)高性能的 2.4 GHz DSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器核心和 1 個(gè) 8051 控制器，它具有 32/64/128 kB 可選擇的編程閃存和

12、8 kB 的 RAM，還包括 ADC、定時(shí)器、睡眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路和21 個(gè)可編程 I/O 引腳，這樣很容易實(shí)現(xiàn)通信模塊的小型化。CC2530是一款功耗相當(dāng)?shù)偷膯纹瑱C(jī)，功耗模式3 下電流消耗僅 0.2 A，在 32 k 晶體時(shí)鐘下運(yùn)行，電流消耗小于 1A。CC2530 芯片使用直接正交上變頻發(fā)送數(shù)據(jù)。基帶信號(hào)的同相分量和正交分量由 DAC轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)， 經(jīng)過低通濾波， 變頻到所設(shè)定的信道上。 當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入128B 的發(fā)送緩存中，包頭是通過硬件產(chǎn)生的。最后經(jīng)過低通濾波器和上變頻的混頻后，將射頻信號(hào)被調(diào)制到2.4GHz，后經(jīng)天線發(fā)送出去。 CC25

13、30有兩個(gè)端口分別為TX/RX，RF端口不需要外部的收發(fā)開關(guān)，芯片內(nèi)部已集成了收發(fā)開關(guān)。CC2530的存儲(chǔ)器 ST-M25PE16是 4 線的 SPI 通信模式的 FLASH，可以整塊擦除，最大可以存儲(chǔ)2M個(gè)字節(jié)。工作電壓為2.7v 到 3.6v 。CC2530溫度傳感器模塊反向F 型天線采用 TI 公司公布的 2.4GHz 倒 F 型天線設(shè)計(jì)。天線的最大增益為3.3dB ，天線面積為25.7 7.5mm。該天線完全能夠滿足 CC2530工作頻段的要求（ CC2530工作頻段為 2.400GHz2.480GHz）。圖 1.CC2530 芯片引腳CC2530芯片引腳功能AVDD1 28 電源（模

14、擬） 2-V 3.6-V模擬電源連接AVDD2 27 電源（模擬） 2-V 3.6-V模擬電源連接AVDD3 24 電源（模擬） 2-V 3.6-V模擬電源連接AVDD4 29 電源（模擬） 2-V 3.6-V模擬電源連接AVDD5 21 電源（模擬） 2-V 3.6-V模擬電源連接AVDD6 31 電源（模擬） 2-V 3.6-V模擬電源連接DCOUPL 40電源（數(shù)字） 1.8V數(shù)字電源去耦。不使用外部電路供應(yīng)。DVDD1 39 電源（數(shù)字） 2-V 3.6-V數(shù)字電源連接DVDD2 10 電源（數(shù)字） 2-V 3.6-V數(shù)字電源連接GND - 接地 接地襯墊必須連接到一個(gè)堅(jiān)固的接地面。G

15、ND 1， 2， 3，4 未使用的連接到 GNDP0_0 19 數(shù)字 I/O端口 0.0P0_1 18 數(shù)字 I/O端口 0.1P0_2 17 數(shù)字 I/O端口 0.2P0_3 16 數(shù)字 I/O端口 0.3P0_4 15 數(shù)字 I/O端口 0.4P0_5 14 數(shù)字 I/O端口 0.5P0_6 13 數(shù)字 I/O端口 0.6P0_7 12 數(shù)字 I/O端口 0.7P1_0 11 數(shù)字 I/O端口 1.0-20-mA 驅(qū)動(dòng)能力P1_1 9數(shù)字 I/O端口 1.1-20-mA 驅(qū)動(dòng)能力P1_2 8數(shù)字 I/O端口 1.2P1_3 7數(shù)字 I/O端口 1.3P1_4 6數(shù)字 I/O端口 1.4P1

16、_5 5數(shù)字 I/O端口 1.5P1_6 38 數(shù)字 I/O端口 1.6P1_7 37 數(shù)字 I/O端口 1.7P2_0 36 數(shù)字 I/O端口 2.0P2_1 35 數(shù)字 I/O端口 2.1P2_2 34 數(shù)字 I/O端口 2.2P2_3 33 數(shù)字 I/O模擬端口 2.3/32.768 kHz XOSCP2_4 32 數(shù)字 I/O模擬端口 2.4/32.768 kHz XOSCRBIAS 30 模擬 I/O參考電流的外部精密偏置電阻RESET_N 20數(shù)字輸入復(fù)位，活動(dòng)到低電平RF_N 26 RF I/O RX期間負(fù) RF 輸入信號(hào)到 LNARF_P 25 RF I/O RX期間正 RF

17、輸入信號(hào)到 LNAXOSC_Q1 22模擬 I/O 32-MHz 晶振引腳 1 或外部時(shí)鐘輸入 XOSC_Q2 23模擬 I/O 32-MHz 晶振引腳 21.2 軟件方面1.2.1 zigbee協(xié)議介紹ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)采用分層結(jié)構(gòu)，每一層為上層提供一系列特殊的服務(wù)：數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)； 管理實(shí)體則提供所有其他的服務(wù)。所有的服務(wù)實(shí)體都通過服務(wù)接人點(diǎn)SAP為上層提供接口，每個(gè) SAP都支持一定數(shù)量的服務(wù)原語來實(shí)現(xiàn)所需的功能。 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的分層架構(gòu)是在 OSI 七層模型的基礎(chǔ)上根據(jù)市場(chǎng)和應(yīng)用的實(shí)際需要定義的。其中 IEEE 8021542003 標(biāo)準(zhǔn)定義了底層協(xié)議：物理層 (ph

18、ysical layer，PHY)和媒體訪問控制層 (medium access control sublayer ，MAC)。ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層 (network layer,NWK)，應(yīng)用層 (applicationlayer ， APL) 架構(gòu) 。 在 應(yīng) 用層 內(nèi)提 供了應(yīng) 用 支持 子層(application support sublayer ， APS)和 ZigBee 設(shè)備對(duì)象 (ZigBee deviceobject ，ZDO)。應(yīng)用框架中則加入了用戶自定義的應(yīng)用對(duì)象。 ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)層采用基于 Ad Hoc 的路由協(xié)議，除了具有通用的網(wǎng)絡(luò)層功能外，

19、還應(yīng)該與底層的 IEEE 802 154 標(biāo)準(zhǔn)一樣功耗小，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織和自維護(hù)，以最大限度方便消費(fèi)者使用， 降低網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)成本。 應(yīng)用支持子層把不同的應(yīng)用映射到 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)上，主要包括安全屬性設(shè)置、業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)、設(shè)備發(fā)現(xiàn)和多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚等功能。 ZigBee 無線測(cè)溫系統(tǒng)的組成及原理基于 ZigBee 技術(shù)的無線測(cè)溫系統(tǒng)主要由基于 ZigBee 技術(shù)的底層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)以及功能完善的上位監(jiān)控系統(tǒng) 3 部分組成 , 該系統(tǒng)是由大量的傳感器點(diǎn)、 匯節(jié)點(diǎn)以及遠(yuǎn)程傳輸模塊組成的分布式系統(tǒng)。 基于簇的分層結(jié)構(gòu)具有天然的分布式處理能力 , 簇頭就是分布式處理中心 ,

20、即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)匯節(jié)點(diǎn)。每個(gè)簇成員 ( 傳感器節(jié)點(diǎn) ) 都把數(shù)據(jù)傳給簇頭 , 數(shù)據(jù)融合后直接傳給遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò) , 中央控制中心通過遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)與多個(gè)匯節(jié)點(diǎn)連接 , 匯節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)之間通過 ZigBee 技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線的信息交換。 帶有射頻收發(fā)器的無線傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的感知和處理并傳送給匯節(jié)點(diǎn) ; 通過遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)獲取采集到的相關(guān)信息 , 實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的有效控制和管理。1.2.2 zigbee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)ZigBee 協(xié)議棧定義了四層，分別是物理層、媒體訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。物理層和媒體訪問控制層由IEEE802.15.4-2003 定義，上層的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由 Zigbee 聯(lián)盟

21、定義。應(yīng)用層分別包括ZDO（Zigbee 設(shè)備對(duì)象）， APS（應(yīng)用支持子層）和AF（應(yīng)用框架）組成。 Zigbee 協(xié)議棧每一層負(fù)責(zé)完成所規(guī)定的任務(wù)，并且向上層提供服務(wù)，各層之間的接口通過所定義的邏輯鏈路來提供服務(wù)。ZigBee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖2 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖所示。圖 2 ZigBee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖1. 物理層物理層由半雙工的無線收發(fā)器及其接口組成，主要作用是激活和關(guān)閉射頻收發(fā)器；檢測(cè)信道的能量；顯示收到數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量；空閑信道評(píng)估；選擇信道頻率；數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。2. 媒體訪問控制層媒體訪問控制（ MAC）層建立了一條節(jié)點(diǎn)和與其相鄰的節(jié)點(diǎn)之間可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，共享傳輸媒體，

22、提高通信效率。在協(xié)調(diào)器的MAC層，可以產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，同步網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)；支持ZigBee 設(shè)備的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)；支持設(shè)備加密；在信道訪問方面，采用 CSMA/CA信道退避算法，減少了碰撞概率；確保時(shí)隙分配（GTS）；支持信標(biāo)使能和非信標(biāo)使能兩種數(shù)據(jù)傳輸模式，為兩個(gè)對(duì)等的 MAC實(shí)體提供可靠連接。3. 網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接，主要功能包括設(shè)備連接和斷開網(wǎng)絡(luò)時(shí)所采用的機(jī)制，以及在幀信息傳輸過程中所采用的安全性機(jī)制。此外，還包括設(shè)備的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)和轉(zhuǎn)交。并且，網(wǎng)絡(luò)層完成對(duì)一跳 (one hop)鄰居設(shè)備的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)結(jié)點(diǎn)信息的存儲(chǔ)。一個(gè)ZigBee 協(xié)調(diào)器創(chuàng)建一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)，為新加入

23、的設(shè)備分配短地址等。并且，網(wǎng)絡(luò)層還提供一些必要的函數(shù)，確保ZigBee 的 MAC層正常工作，并且為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層要求能夠很好地完成在IEEE 802154 標(biāo)準(zhǔn)中 MAC子層所定義的功能，同時(shí)，又要為應(yīng)用層提供適當(dāng)?shù)姆?wù)接口。為了與應(yīng)用層進(jìn)行更好的通信，網(wǎng)絡(luò)層中定義了兩種服務(wù)實(shí)體來實(shí)現(xiàn)必要的功能。這兩個(gè)服務(wù)實(shí)體是數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體 (NLDE)和管理服務(wù)實(shí)體 (NLME)。網(wǎng)絡(luò)層的 NLDE通過數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體服務(wù)訪問點(diǎn)(NLDESAP)來提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)， NLME通過管理服務(wù)實(shí)體服務(wù)訪問點(diǎn)(NLMESAP)來提供管理服務(wù)。 NLME可以利用 NLDE來激活它的管理工作，它還具有對(duì)

24、網(wǎng)絡(luò)層信息數(shù)據(jù)庫 (NIB) 進(jìn)行維護(hù)的功能。 在這個(gè)圖中直觀地給出了網(wǎng)絡(luò)層所提供的實(shí)體和服務(wù)接口等。NLDE提供的數(shù)據(jù)服務(wù)允許在處于同一應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間傳輸應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (APDU)。NLDE提供的服務(wù)有：產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (NPDU)和選擇通信路由。選擇通信路由，在通信中，NLDE要發(fā)送一個(gè) NPDU到一個(gè)合適的設(shè)備，這個(gè)設(shè)備可能是通信的終點(diǎn)也可能只是通信鏈路中的一個(gè)點(diǎn)。NLME需提供一個(gè)管理服務(wù)以允許一個(gè)應(yīng)用來與協(xié)議棧操作進(jìn)行交互。NLME需要提供以下服務(wù)：配置一個(gè)新的設(shè)備(configuringa new device) 。具有充分配置所需操作棧的能力。配置選項(xiàng)包

25、括：ZigBee 協(xié)調(diào)器的開始操作，加入一個(gè)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)等。4. 應(yīng)用層應(yīng)用層包括三部分：應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee 設(shè)備對(duì)象（ ZDO）和應(yīng)用框架（ AF）。應(yīng)用支持子層的任務(wù)是提取網(wǎng)絡(luò)層的信息并將信息發(fā)送到運(yùn)行在節(jié)點(diǎn)上的不同應(yīng)用端點(diǎn)。 應(yīng)用支持子層維護(hù)了一個(gè)綁定表，可以定義、增加或移除組信息；完成64 位長(zhǎng)地址（ IEEE 地址）與 16 位短地址（網(wǎng)絡(luò)地址）一對(duì)一映射；實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的分割與重組；應(yīng)用支持子層連接網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，是它們之間的接口。這個(gè)接口由兩個(gè)服務(wù)實(shí)體提供：APS數(shù)據(jù)實(shí)體（ APSDE）和 APS管理實(shí)體（ APSME）。APS數(shù)據(jù)實(shí)體為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)

26、，它會(huì)拆分和重組大于最大荷載量的數(shù)據(jù)包。APS管理實(shí)體提供安全服務(wù)，節(jié)點(diǎn)綁定，建立和移除組地址，負(fù)責(zé)64 位 IEEE 地址與 16 位網(wǎng)絡(luò)地址的地址映射 4 。ZigBee 設(shè)備對(duì)象負(fù)責(zé)設(shè)備的所有管理工作，包括設(shè)定該設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色（協(xié)調(diào)器、路由器或終端設(shè)備） ，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，確定這些設(shè)備能提供的功能，發(fā)起或響應(yīng)綁定請(qǐng)求，完成設(shè)備之間建立安全的關(guān)聯(lián)等。用戶在開發(fā)ZigBee 產(chǎn)品時(shí)，需要在ZigBee 協(xié)議棧的 AF 上附加應(yīng)用端點(diǎn)，調(diào)用ZDO功能以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備和服務(wù)，管理綁定、安全和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。ZDO是一個(gè)特殊的應(yīng)用對(duì)象，它駐留在每一個(gè)ZigBee 節(jié)點(diǎn)上，其端點(diǎn)編號(hào)固定為

27、0。AF 應(yīng)用框架是應(yīng)用層與APS層的接口。它負(fù)責(zé)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并為接收到的數(shù)據(jù)尋找相應(yīng)的目的端點(diǎn)。二 系統(tǒng)分析2.1 程序流程圖開始系統(tǒng)時(shí)鐘初始化LCD 初始化讀取溫濕度數(shù)據(jù)顯示溫濕度數(shù)據(jù)圖 3 件流程 2.2具體步驟1、 智能主板供 （ USB外接 源或 2 干 池）。2、將一個(gè)無 點(diǎn)模 插入到 LCD的智能主板的相 位置。3、將溫濕度及光 感器模 插入到智能主板的 感及控制 展口位置。4、將 CC2530仿真器的一端通 USB （A 型 B 型） 接到 PC 機(jī)，另一端通 10Pin 下 接到智能主板的 CC2530 JTAG口（ J203） 。5、將智能主板上 源開關(guān) 至開位置。按下

28、仿真器上的按 ，仿真器上的指示燈 色 ，表示 接成功。6 、 使 用IAR7.51打 開 “ OURS_CC2530LIBlib10(HumiTempLight)IAR_files”下的 HumiTempLight.eww 文件，下載運(yùn)行程序。7、觀察 LCD上溫度、濕度和光照強(qiáng)度的變化。8、用一個(gè)物體擋住光照傳感器的光線，觀察LCD上光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)的變化。9、向溫濕度傳感器吹一口氣體，觀察LCD上溫濕度數(shù)據(jù)的變化。三 詳細(xì)設(shè)計(jì)3.1 總體軟件結(jié)構(gòu)圖溫濕度采集模塊主要包括無線傳感模塊和數(shù)據(jù)采集模塊, 由數(shù)據(jù)采集模塊完成溫濕度的采集。無線傳感模塊無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)目標(biāo)方面與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)有所區(qū)別

29、， 前者是以數(shù)據(jù)為中心的，后者以傳輸數(shù)據(jù)為目的。 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中， 因?yàn)楣?jié)點(diǎn)通常運(yùn)行在人無法接近的惡劣甚至危險(xiǎn)的遠(yuǎn)程環(huán)境中， 所以除了少數(shù)節(jié)點(diǎn)需要移動(dòng)以外， 大部分節(jié)點(diǎn)都是靜止不動(dòng)的。 在被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)， 節(jié)點(diǎn)任意散落， 節(jié)點(diǎn)除了需要完成感測(cè)特定的對(duì)象以外，還需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算， 維持互相之間的網(wǎng)絡(luò)連接等功能。并且由于能源的無法替代以及低功耗的多跳通信模式節(jié)，設(shè)計(jì)無線傳感節(jié)點(diǎn)時(shí)，有效的延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期以及節(jié)點(diǎn)的低功耗成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的核心問題。在節(jié)省功耗的同時(shí)增加通信的隱蔽性， 避免長(zhǎng)距離的無線通信易受外界噪聲干擾的影響，也都是在設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要攻克的新難題。圖 4 無線傳感器節(jié)

30、點(diǎn)模型無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立是基于傳感器加無線傳輸模塊的，傳感器采集的數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單處理后經(jīng)過無線傳輸模塊傳到服務(wù)器或應(yīng)用終端。 目標(biāo)、觀測(cè)節(jié)點(diǎn)傳感節(jié)點(diǎn)和感知視場(chǎng)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所包括的 4 個(gè)基本實(shí)體對(duì)象。 另外，要完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用刻畫， 還需要對(duì)遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元、 外部網(wǎng)絡(luò)和用戶進(jìn)行定義。 大量傳感節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，單個(gè)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過初始的通信和協(xié)商， 通過自組織方式自行配置，形成一個(gè)傳輸信息的單跳鏈接或一系列的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)， 協(xié)同形成對(duì)目標(biāo)的感知視場(chǎng)。傳感節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的目標(biāo)信號(hào)經(jīng)過傳感器本地簡(jiǎn)單處理后通過單播或廣播以多跳的方式通過鄰近傳感節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)接^測(cè)節(jié)點(diǎn)。用戶和遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元?jiǎng)t能夠通過衛(wèi)星通

31、信網(wǎng)絡(luò)或Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，與觀測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交互。觀測(cè)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布查詢請(qǐng)求和控制指令，接收傳感節(jié)點(diǎn)返回的目標(biāo)信息。圖5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)無線傳輸模塊可以實(shí)現(xiàn)短距離（小于 300 米）的信號(hào)傳輸。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)不同需求選擇傳感器，如電壓電流、功耗、溫濕度、液面、震動(dòng)、壓力等等。2. 數(shù)據(jù)采集模塊溫濕度探頭直接使用IIC 接口進(jìn)行控制。其電路原理圖如下所示：圖 6 數(shù)據(jù)采集模塊電路圖本實(shí)驗(yàn)將使用 CC2530 讀取溫濕度傳感器 SHT10的溫度和濕度數(shù)據(jù)， 并將采樣到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換然后再 LCD 顯示。其中對(duì)溫濕度的讀取是利用 CC2530 的 I/O （ P1.0

32、 和 P1.1 ）模擬一個(gè)類 IIC 得過程。3.2 硬件模塊設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)處理發(fā)送模塊，溫度傳感器，濕度傳感器和供電般構(gòu)成。數(shù)據(jù)處理模塊是由 CC2530 構(gòu)成，溫濕度采集采用溫濕度傳感器 SHT10。其結(jié)構(gòu)圖如溫?cái)?shù)度據(jù)采處集理模模塊塊電源模塊圖 7 硬件結(jié)構(gòu)圖3.3 編碼void main()int wendu;int shidu;char s16;UINT8 adc0_value2;float shuzi = 0;SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRYSTAL); 體振蕩器GUI_Init();/ GUIGUI_SetColor(1,0);/濕度采集模塊/設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘源

33、為32MHz 晶初始化顯示色為亮點(diǎn)，背景色為暗點(diǎn)GUI_PutString5_7(25,6,OURS-CC2530);/GUI_PutString5_7(10,22,Temp:);GUI_PutString5_7(10,35,Humi:);GUI_PutString5_7(10,48,Light:);LCM_Refresh();while(1)th_read(&tem,&hum);/顯示 OURS-CC2530從采集模塊讀取溫度和濕度的數(shù)據(jù)sprintf(s, (char*)%d%d C, (INT16)(int)tempera /10),(INT16)(int)tempera % 10);/

34、將采集的溫度結(jié)果轉(zhuǎn)換為字符串格式GUI_PutString5_7(48,22,(char *)s);/顯示采集的溫濕度的結(jié)果LCM_Refresh();sprintf(s,(char*)%d%d %,(INT16)(int)humidity /10),(INT16)(int)humidity%10);/將采集的濕度結(jié)果轉(zhuǎn)換為字符串的格式GUI_PutString5_7(48,35,(char *)s); /顯示采集結(jié)果LCM_Refresh();四 總結(jié)本次為期兩周的課程設(shè)計(jì)中，主要目的是設(shè)計(jì)一個(gè)基于 CC2530的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個(gè)采用 CC2530無線單片機(jī)進(jìn)行溫濕度的數(shù)據(jù)采

35、集，并且結(jié)合 Zigbee 協(xié)議架構(gòu)進(jìn)行編程的設(shè)計(jì)， 主要是基于 CC2530的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)，并在 IAR 集成環(huán)境開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行基于 Zigbee 架構(gòu)的編程，節(jié)點(diǎn)模塊的調(diào)試， 最后，實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。 。在基于 Zigbee 無線傳感器節(jié)點(diǎn)模塊上，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，處理以及傳輸?shù)裙δ?。本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)在谷倉內(nèi)的溫濕度檢測(cè)， 工廠廠房?jī)?nèi)不同區(qū)域的溫濕度控制以及大面積的溫室培養(yǎng)等功能。本次課程設(shè)計(jì)的完成，讓我結(jié)道，在以后的工作中，還可以繼續(xù)從以下幾個(gè)方面著手，進(jìn)行研究和改進(jìn)：1、減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)失效，不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓，減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗

36、是不可避免要面對(duì)的問題之一。2、減少路由發(fā)現(xiàn)過程中的開銷。這其實(shí)也是減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗的一種措施，盡量減少在路由發(fā)現(xiàn)過程中所損失的能量。3、路由選擇。路由優(yōu)化選擇可以盡量避免不必要的路由請(qǐng)求的廣播以及信息傳輸，做到這一點(diǎn)不僅可以提高效率，也可以在減少能量消耗方面做出貢獻(xiàn)。五 參考文獻(xiàn)1 孫利民 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) . 清華大學(xué)出版社 . 2005.2 張拓 .無線多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .武漢：武漢理工大學(xué)， 2009.3 陳旭 .基于 zigbee 的可移動(dòng)溫度采集系統(tǒng) .武漢：武漢科技大學(xué)， 20093 雷純 基于 ZigBee 的多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) .自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用 .2010，29（ 2） 4347.5王翠茹基于ZigBee 技術(shù)的溫度采集傳輸系統(tǒng). 儀表技術(shù)與傳感器 .2008.No.7.103105.6 景軍鋒基于 ZigBee 技術(shù)的無線溫度采集系統(tǒng) .微型機(jī)與應(yīng)用 .2009.No.23. 3335.7 Zigbee 協(xié)議棧中文說明 .8 IAR 使用指南