基于ZigBee的無線溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計

基于ZigBee的無線溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計燕山大學——本科畢業(yè)論文學

院：電氣工程學院年級專業(yè)：10級自動化

學生姓名：***指導教師：***2023/2/3內(nèi)容提要1緒論2

ZigBee協(xié)議簡介3系統(tǒng)總體方案設(shè)計4系統(tǒng)硬件設(shè)計5系統(tǒng)軟件設(shè)計6網(wǎng)絡(luò)測試與分析7C008搭載ZigBee網(wǎng)絡(luò)8總結(jié)與展望2023/2/31緒論

1.1課題的研究背景及意義ZigBee技術(shù)具有低成本、低功耗、低速率的特點和高可靠性、組網(wǎng)簡單、靈活等優(yōu)勢。ZigBee技術(shù)主要領(lǐng)域有大棚溫濕度采集控制、家庭辦公自動化、工業(yè)與環(huán)境監(jiān)測及人員定位與醫(yī)療護理等。ZigBee技術(shù)滿足了無線通信、網(wǎng)絡(luò)大范圍覆蓋、網(wǎng)絡(luò)靈活性高以及維護管理方便等要求，是將來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限，本文將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與北京韋加航通科技有限公司的C008設(shè)備網(wǎng)絡(luò)配合使用，實現(xiàn)遠程大范圍監(jiān)控。2023/2/31緒論

1.2系統(tǒng)設(shè)計思路2023/2/3ZigBee系統(tǒng)設(shè)計思路如下圖：1緒論ZigBee協(xié)調(diào)器采集的數(shù)據(jù)傳給C008終端，C008終端再通過C008基站上傳到PC機，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的大范圍遠程監(jiān)控，網(wǎng)絡(luò)如下圖：2023/2/3

1.3C008搭載ZigBee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方案2

ZigBee協(xié)議簡介2.1ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會)定義了兩種不同類型的設(shè)備：一種是全功能設(shè)備(FFD)，另一種是簡化功能設(shè)備(RFD)。FFD能夠轉(zhuǎn)發(fā)其他設(shè)備的數(shù)據(jù)幀，與多個其它的FFD或多個RFD進行通信；RFD不能同其他終端節(jié)點通信，只能夠同F(xiàn)FD進行通信。ZigBee技術(shù)支持星型網(wǎng)、樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)三種網(wǎng)絡(luò)拓撲，其網(wǎng)絡(luò)中有三種的數(shù)據(jù)通信機制：單播(Unicast)、組播(Multicast)和廣播(Broadcast)。2023/2/32.2ZigBee協(xié)議棧架構(gòu)ZigBee協(xié)議分兩部分，IEEE802.15.4標準定義了物理層(PHY)和介質(zhì)訪問層(MAC)技術(shù)規(guī)范；ZigBee聯(lián)盟定義了網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應用層(APL)技術(shù)規(guī)范。2

ZigBee協(xié)議簡介2023/2/33系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)整體設(shè)計本文設(shè)計的系統(tǒng)，主要由1臺PC機、1臺協(xié)調(diào)器、多臺終端和若干臺路由器組成。協(xié)調(diào)器負責建立網(wǎng)絡(luò)，終端和路由器加入網(wǎng)絡(luò)后，終端將采集的數(shù)據(jù)上傳給協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器通過串口上傳數(shù)據(jù)至PC機，PC機通過上位機界面顯示并存儲。2023/2/3硬件平臺的選擇：本文設(shè)計的系統(tǒng)選用TI的CC2530SoC芯片作為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的硬件解決方案。3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.2協(xié)調(diào)器電路設(shè)計2023/2/3CC2530核心電路設(shè)計3系統(tǒng)硬件設(shè)計2023/2/3CC2530核心電路設(shè)計3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.3終端節(jié)點電路設(shè)計終端節(jié)點負責數(shù)據(jù)采集。溫濕度傳感器DHT11應用電路如右圖：2023/2/3終端節(jié)點工作位置不確定，使用電池供電，電路如右圖：終端節(jié)點去掉了USB轉(zhuǎn)串口電路。核心電路、復位電路、Debug下載電路以及網(wǎng)絡(luò)指示燈電路參考協(xié)調(diào)器電路的設(shè)計。3.4路由器電路設(shè)計路由器設(shè)計時，去掉了USB轉(zhuǎn)串口電路，加上了傳感器應用電路。復位電路、Debug下載電路、網(wǎng)絡(luò)指示燈電路以及傳感器應用電路參考協(xié)調(diào)器電路的設(shè)計。4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1軟件平臺概述2023/2/3系統(tǒng)設(shè)備軟件部分選擇TI的Z-Stack2007協(xié)議棧；采用軟件平臺IAR-EW開發(fā)。上位機界面選擇LabVIEW設(shè)計。4.2ZigBee設(shè)備通信ZigBee協(xié)議棧：使用ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0協(xié)議棧的SampleApp進行設(shè)計開發(fā)。Z-Stack由main()函數(shù)開始執(zhí)行，main()函數(shù)共做了2件事：一是系統(tǒng)初始化，另外一件是開始執(zhí)行輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)。用戶自己添加的應用任務(wù)程序在Zstack中的調(diào)用過程為：main()-->osal_init_system()-->osalInitTasks()-->SampleApp_Init()，具體如右圖：4系統(tǒng)軟件設(shè)計2023/2/3Z-Stack中操作系統(tǒng)是基于優(yōu)先級的輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)，執(zhí)行流程圖如右圖：4系統(tǒng)軟件設(shè)計2023/2/3在一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，只有一個協(xié)調(diào)器和數(shù)個終端節(jié)點以及若干個路由器組成。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是樹狀網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，與樹狀網(wǎng)絡(luò)不同的是，它允許網(wǎng)絡(luò)中所有具有路由功能的節(jié)點直接互連，由路由器中的路由表實現(xiàn)消息的網(wǎng)狀路由。數(shù)據(jù)的收發(fā)：網(wǎng)狀網(wǎng)程序設(shè)計:ZigBee設(shè)備間通信：設(shè)備發(fā)送端，調(diào)用自定義的發(fā)送函數(shù)(SampleApp_Send_P2P_Message)發(fā)送數(shù)據(jù)；接收端就調(diào)用事件任務(wù)處理(SampleApp_ProcessEvent)、

消息處理函數(shù)(SampleApp_MessageMSGCB)接收數(shù)據(jù)。設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包括發(fā)送設(shè)備的64位擴展IEEE地址和DHT11的采集溫濕度。其中跟據(jù)DTH11的傳輸時序編寫溫濕度采集程序，程序主要包括：延時函數(shù)，8位數(shù)據(jù)寫入，DHT11傳感器啟動、讀取數(shù)據(jù)。4系統(tǒng)軟件設(shè)計2023/2/34.3上位機設(shè)計上位機界面使用LabVIEW編寫。LabVIEW前面板主要是一些輸入輸出控件，界面的布局等；后面板是程序框圖，主要是串口數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)包解析、數(shù)據(jù)的存儲等，后面板程序如下圖：4系統(tǒng)軟件設(shè)計2023/2/35網(wǎng)絡(luò)測試與分析5.1組網(wǎng)測試建立一個簡單的網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括1個協(xié)調(diào)器、1個路由器和1個終端節(jié)點。協(xié)調(diào)器和路由器采用電源供電，終端節(jié)點采用電池供電。依次給協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點上電。觀察到，所有節(jié)點的LED燈均閃爍然后常亮，協(xié)調(diào)器建網(wǎng)成功；路由器和終端節(jié)點也成功加入了網(wǎng)絡(luò)。測試現(xiàn)象如下圖：2023/2/35網(wǎng)絡(luò)測試與分析5.2無障礙測試在空曠的廣場將協(xié)調(diào)器位置固定，終端節(jié)點從距離為10米的地方開始，每10米記錄一次，到100米結(jié)束。每次發(fā)送數(shù)據(jù)包100次，從上位機界面觀察成功接收的數(shù)據(jù)包個數(shù)，計算丟包率。測試數(shù)據(jù)如下表所示：2023/2/3距離(m)發(fā)送包數(shù)(個)接收包數(shù)(個)丟包率(%)101001000201001000301009914010099150100991601009827010090108010073279010055451001002278注：實驗中將協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點都架高2米。5網(wǎng)絡(luò)測試與分析5.3有障礙測試有障礙測試，選在校園里進行，主要的障礙干擾是樹木的遮擋。測試數(shù)據(jù)如下表所示：2023/2/3距離(m)發(fā)送包數(shù)(個)接收包數(shù)(個)丟包率(%)101001000201009913010099140100991501009466010058427010025758010010909010001001001000100有障礙時，網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量較差。在實際應用中，應盡量避免在通信網(wǎng)絡(luò)中有大型障礙物；如不可避免，可考慮在有障礙物的地方放置路由器，增強網(wǎng)絡(luò)通信能力。5網(wǎng)絡(luò)測試與分析5.4溫濕度采集系統(tǒng)功能測試2023/2/3搭建了一個簡易的小型ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，由1臺PC機、1個協(xié)調(diào)器、2個路由器和1個終端節(jié)點組成。終端節(jié)點和路由器A分別連接了DHT11溫濕度傳感器，路由器B未連接DHT11。網(wǎng)絡(luò)拓撲如下圖：按照右圖布置網(wǎng)絡(luò)，給各節(jié)點依次上電。通過上位機界面，對數(shù)據(jù)進行實時的顯示和儲存，上位機界面顯示如下圖。5網(wǎng)絡(luò)測試與分析5.4溫濕度采集系統(tǒng)功能測試2023/2/35網(wǎng)絡(luò)測試與分析5.5結(jié)果與討論針對試驗中出現(xiàn)的問題，提出以下建議：1.如何擴大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。一般有兩種方法：(1