基于ZigBee溫濕度采集系統(tǒng)

組號：06專業(yè)方向課程設計報告題目學院專業(yè)班級學號學生姓名指導教師摘要：ZigBee技術是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術。它是一種介于無限標記技術和藍牙之間的技術提案，主要用于近距離無線連接。本設計基于ZigBee技術，結合TIz-stack無線傳感協議，實現對溫濕度等物理量的檢測。將溫濕度傳感器DHT11采集來的數據，通CC2530做數據處理并利用ZigBee的無線發(fā)送模塊，將溫濕度信息發(fā)送出去。經過ZigBee接收模塊接收數據，再通過CC2530做數據處理，將溫度信息通過顯示屏顯示出來，從而完成對溫濕度的無線采集。關鍵詞：ZigBee；無線溫濕度采集；CC2530；系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)整體介紹本設計所實現的無線溫濕度采集系統(tǒng)以CC2530為核心，通過溫度傳感器DHT11、單片機、Zigbee無線模塊，完成對溫度的采集與顯示。首先利用溫濕度采集系統(tǒng)完成溫濕度的采集，然后利用數據轉換模塊完成了I/O口數據與串口數據的轉換，再通過無線發(fā)送與接收模塊完成數據的無線發(fā)、收，最終通過溫濕度顯示模塊完成了顯示溫濕度傳感器所采集的溫濕度值。系統(tǒng)框圖如下所示：CC2530芯片CC2530芯片DHT11采集溫濕度ZigBee發(fā)送模塊CC2530芯片ZigBee接收模塊PC顯示溫濕度圖1-1溫濕度采集系統(tǒng)框圖傳感器DHT11溫濕度采集DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式存在OTP內存中，傳感器內部在檢測型號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗.技術參數供電電壓：3.3~5.5VDC輸出：單總線數字信號測量范圍：濕度20-90%RH，溫度0~50℃測量精度：濕度+-5%RH，溫度+-2℃分辨率：濕度1%RH，溫度1℃互換性：可完全互換，長期穩(wěn)定性：<±1%RH/年特性相對濕度和溫度測量全部校準，數字輸出卓越的長期穩(wěn)定性無需額外部件超長的信號傳輸距離超低能耗4引腳安裝完全互換電氣特性VDD=5V，T=25℃，除非特殊標注參數條件mintypmax單位供電DC355.5V供電電流測量0.52.5mA平均0.21mA待機100150uA采樣周期秒1次1.2.4引腳說明Pin名稱注釋1VDD供電3－5.5VDC2DATA串行數據，單總線3NC空腳，請懸空4GND接地，電源負極圖1-2DHT11引腳ZigBee協議ZigBee概述ZigBee一詞來源于蜜蜂賴以生存的通信方式Zigzag形狀的舞蹈，是一種低本錢、低功耗的近距離無線組網通信技術。ZigBee協議是基于IEEE802.15.4標準的，由IEEE802.15.4和ZigBee聯盟共同制定。IEEE802.15.4工作組制定ZigBee協議的物理層〔PHY〕和媒體訪問控制層〔MAC層〕協議。ZigBee聯盟成立用于2002年，定義了ZigBee協議的網絡層〔NWK〕、應用層〔APL〕和平安效勞標準。協議棧結構如圖1-3。應用層〔含應用接口層〕用戶平安層ZigBee聯盟網絡層MAC層物理層圖1-3ZigBee協議棧結構ZigBee協議由物理層(PHY)、介質訪問控制子層(MAC)、網絡層(NWK)，應用層(APL)及平安效勞提供層(SSP)五塊內容組成。其中PHY層和MAC層標準由IEEE802.15.4標準定義，MAC層之上的NWK層，APL層及SSP層，由ZigBee聯盟的ZigBee標準定義。APL層由應用支持層(APS)，應用框架(AF)以及ZigBee設備對象(ZDO)及ZDO管理平臺組成。PHY層定義了無線射頻應該具備的特征，提供了868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz和2400MHz-24835MHz三種不同的頻段，分別支持20kbps、40kbps和250kbps的傳輸速率，1個、10個以及16個不同的信道Ⅲ。ZigBee的傳輸距離與輸出功率和環(huán)境參數有關，一般為10～100米之間。PHY層提供兩種效勞：PHY層數據效勞和PHY層管理效勞，PHY層數據效勞是通過無線信道發(fā)送和接收物理層協議數據單元(PPDU)，PHYMAC層使用CSMA-CA沖突防止機制對無線信道訪問進行控制，負責物理相鄰設備問的可靠鏈接，支持關聯(Association)和退出關聯(Disassociation)以及MAC層平安。MAC層提供兩種效勞：MAC層數據效勞和MAC層管理效勞，MAC層數據效勞通過物理層數據效勞發(fā)送和接收MAC層協議數據單元(MPDU)。MAC層的主要功能是：進行信標管理、信道接入、保證時隙(GTS)管理、幀確認應答幀傳送、連接和斷開連接。NWK層提供網絡節(jié)點地址分配，組網管理，消息路由，路徑發(fā)現及維護等功能。NWK層主要是為了確保正確地操作IEEE802.15.4．2003MAC子層和為應用層提供效勞接口。NWK層從概念上包括兩個效勞實體：數據效勞實體和管理效勞實體。NWK層的責任主要包括參加和離開一個網絡用到的機制、應用幀平安機制和他們的目的地路由幀機制，ZigBee協調器的網絡層還負責建立一個新的網絡。ZigBee應用層包括應用支持子層(APS子層)、應用框架(AF)和ZigBee設備對象(ZDO)。APS子層負責建立和維護綁定表，綁定表主要根據設備之間的效勞和他們的需求使設備相互配對。ZigBee的應用框架(AF)為各個用戶自定義的應用對象提供了模板式的活動空間，并提供了鍵值對(KVP)效勞和報文(MSG)效勞供給用對象的數據傳輸使用。一個設備允許最多240個用戶自定義應用對象，分別指定在端點l至端點240上。ZDO可以看成是指配到端點O上的一個特殊的應用對象，被所有ZigBee設備包含，是所有用戶自定義的應用對象調用的一個功能集，包括網絡角色管理，綁定管理，平安管理等。ZDO負責定義設備在網絡中的角色(例如是ZigBee協調器或者ZigBee終端設備)、發(fā)現設備和決定他們提供哪種應用效勞，發(fā)現或響應綁定請求，在網絡設備之間建立可靠的關聯。平安效勞提供者SSP(SecurityServiceProvider)向NWK層和APS層提供平安效勞。ZigBee協議層與層之間是通過原語進行信息的交換和應答的。大多數層都向上層提供數據和管理兩種效勞接口，數據SAP(ServiceAccessPoint)和管理SAP(ServiceAccessPoint)。數據效勞接口的目標是向上層提供所需的常規(guī)數據效勞，管理效勞接口的目標是向上層提供訪問內部層參數、配置和管理數據的機制。ZigBee網絡根底ZigBee網絡根底主要包括設備類型，拓撲結構和路由方式三方面的內容，ZigBee標準規(guī)定的網絡節(jié)點分為協調器〔Coordinator〕、路由器(Router)和終端節(jié)點〔EndDevice〕。節(jié)點類型是網絡層的概念，反映了網絡的拓撲形式。ZigBee網絡具有三種拓撲形式：星型拓撲、樹型拓撲、網狀拓撲。ZigBee工作模式ZigBee網絡的工作模式可以分為信標(Beacon)模式和非信標(Non-beacon)模式兩種。信標模式可以實現網絡中所有設備的同步工作和同步休眠，以到達最大限度地節(jié)省功耗，而非信標模式只允許ZE進行周期性休眠，協調器和所有路由器設備長期處于工作狀態(tài)。在信標模式下，協調器負責以一定的間隔時間(一般在15ms--4mins之間)向網絡播送信標幀，兩個信標幀發(fā)送間隔之間有16個相同的時槽，這些時槽分為網絡休眠區(qū)和網絡活動區(qū)兩個局部，消息只能在網絡活動區(qū)的各個時槽內發(fā)送。非信標模式下，ZigBee標準采用父節(jié)點為子節(jié)點緩存數據，終端節(jié)點主動向其父節(jié)點提取數據的機制，實現終端節(jié)點的周期性(周期可設置)休眠。網絡中所有的父節(jié)點需要為自己的子節(jié)點緩存數據幀，所有子節(jié)點的大多數時間都處于休眠狀態(tài)，周期性的醒來與父節(jié)點握手以確認自己仍處于網絡中，并向父節(jié)點提取數據，其從休眠模式轉入數據傳輸模式一般只需要15ms。1.3.4ZigBee無線組網及數據通信ZigBee通信協議采用分層結構,節(jié)點通過在不同層上的特定效勞來完成所要執(zhí)行的各種任務。本系統(tǒng)采用TI提供的ZigBee2006協議棧Z-Stack,在IEEE802.15.4標準物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)根底上增加了網絡層、應用層和平安效勞標準,是一種較好的無線傳感網絡組建方案。ZigBee設備類型按網絡功能分為三種:協調器、路由器、終端。由于本系統(tǒng)采用星型網絡拓撲結構,所以只存在協調器和終端兩種設備。本系統(tǒng)中主節(jié)點被初始化為網絡協調器。協調器包含所有的網絡消息,存儲容量最大、計算能力最強。它的功能是發(fā)送網絡信標、建立網絡、管理網絡節(jié)點、存儲網絡節(jié)點信息、收發(fā)信息。從節(jié)點被初始化為無信標網絡中的終端設備。上電復位后,即開始搜索指定信道上的網絡協調器,并發(fā)出連接請求。建立連接成功后,數據從括從節(jié)點編號,CC2530的I/O口編號以及此溫度傳感器的編號,后2個字節(jié)為溫度采集數據。主節(jié)點收到數據包后,對數據進行分析處理,把從節(jié)點上的溫度傳感器的數據采集值進行轉換,得到實際的溫度值,然后發(fā)送給上溫度顯示局部。CC2530芯片1.4.1CC2530概述CC2530是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為根底的2.4GHzISM波段應用，及對低本錢，低功耗的要求。它結合一個高性能2.4GHzDSSS(直接序列擴頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器。圖3-3CC2530引腳排列圖引腳名稱引腳引腳類型描述AVDD128電源〔模擬〕2-V–3.6-V模擬電源連接AVDD227電源〔模擬〕2-V–3.6-V模擬電源連接AVDD324電源〔模擬〕2-V–3.6-V模擬電源連接AVDD429電源〔模擬〕2-V–3.6-V模擬電源連接AVDD521電源〔模擬〕2-V–3.6-V模擬電源連接AVDD631電源〔模擬〕2-V–3.6-V模擬電源連接DCOUPL40電源〔數字〕1.8V數字電源去耦。不使用外部電路供給。DVDD139電源〔數字〕2-V–3.6-V數字電源連接DVDD210電源〔數字〕2-V–3.6-V數字電源連接GND-接地接地襯墊必須連接到一個鞏固的接地面。GND1，2，3，4未使用的引腳連接到GNDP0_019數字I/O端口0.0P0_118數字I/O端口0.1P0_217數字I/O端口0.2P0_316數字I/O端口0.3P0_415數字I/O端口0.4P0_514數字I/O端口0.5P0_613數字I/O端口0.6P0_712數字I/O端口0.7P1_011數字I/O端口1.0-20-mA驅動能力P1_19數字I/O端口1.1-20-mA驅動能力P1_28數字I/O端口1.2P1_37數字I/O端口1.3P1_46數字I/O端口1.4P1_55數字I/O端口1.5P1_638數字I/O端口1.6P1_737數字I/O端口1.7P2_036數字I/O端口2.0P2_135數字I/O端口2.1P2_234數字I/O端口2.2P2_333數字I/O模擬端口2.3/32.768kHzXOSCP2_432數字I/O模擬端口2.4/32.768kHzXOSCRBIAS30模擬I/O參考電流的外部精密偏置電阻RESET_N20數字輸入復位，活動到低電平RF_N26RFI/ORX期間負RF輸入信號到LNARF_P25RFI/ORX期間正RF輸入信號到LNAXOSC_Q122模擬I/O32-MHz晶振引腳1或外部時鐘輸入XOSC_Q223模擬I/O32-MHz晶振引腳2CC2530包括了1個高性能的2.4GHzDSSS〔直接序列擴頻〕射頻收發(fā)器核心和1個8051控制器，它具有32/64/128kB可選擇的編程閃存和8kB的RAM，還包括ADC、定時器、睡眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路和21個可編程I/O引腳，這樣很容易實現通信模塊的小型化。CC2530是一款功耗相當低的單片機，功耗模式3下電流消耗僅0.2μA，在32k晶體時鐘下運行，電流消耗小于1μA。1.4.2CC2530芯片的主要特點CC2530芯片延用了以往CC2420芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。它使用1個8位MCU〔8051〕，具有128KB可編程閃存和8KB的RAM，還包含模擬數字轉換器(ADC)、幾個定時器〔Timer〕、AES128協同處理器、看門狗定時器〔Watchdogtimer〕、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路(PowerOnReset)、掉電檢測電路(Brownoutdetection)，以及21個可編程I/O引腳。CC2530芯片采用0.18μmCMOS工藝生產；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2530的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。主程序設計2.1軟件設計流程圖結束數據處理結束數據處理接受完成？否A/D轉換是/D轉換否A/D轉換是/D轉換CC2530無線接收是/D轉換是/D轉換否A/D轉換發(fā)射完成？無線發(fā)射模塊數據采集CC2530開始初始化否A/D轉換2-1軟件設計流程圖2.2程序設計與編寫zigbee硬件里面的程序大局部是在IAR環(huán)境下完成編譯調試的。發(fā)送局部：DHT11:#include<ioCC2530.h>#include"DHT11.h"#include"basic.h"#include"DS18B20.h"http://溫濕度定義ucharucharFLAG,uchartemp;ucharshidu_shi,shidu_ge,wendu_shi,wendu_ge;ucharucharT_data_H,ucharT_data_L,ucharRH_data_H,ucharRH_data_L,ucharcheckdata;ucharucharT_data_H_temp,ucharT_data_L_temp,ucharRH_data_H_temp,ucharRH_data_L_temp,ucharcheckdata_temp;ucharucharcomdata;/***********************溫濕度傳感***********************/voidCOM(void) //溫濕寫入{uchari;for(i=0;i<8;i++){ucharFLAG=2;while((!wenshi)&&ucharFLAG++);//firstly,waitthebusishighDelay_nus(30);//Delay_10us();//Delay_10us();//Delay_10us();//waitfor30us,decidewhetherishighorlowuchartemp=0;if(wenshi)uchartemp=1;//after30us,ifitishigh,thencanreadthe'1'ucharFLAG=2;while((wenshi)&&ucharFLAG++);//thenwaitthebusislowif(ucharFLAG==1)break;ucharcomdata<<=1;ucharcomdata|=uchartemp;}}voidDHT11_TEST(void)//溫濕傳感啟動{P1DIR|=0x02;wenshi=0;//Delay_ms(20);//>18MSDelay_nus(20000);P1DIR&=~0x02;//重新配置IO口方向//Delay_10us();//Delay_10us(); //Delay_10us();//Delay_10us();//thebusishighfor40usDelay_nus(40);if(!wenshi)//theDHTisresponsefor80us{ucharFLAG=2;while((!wenshi)&&ucharFLAG++);//waittheweishiishighucharFLAG=2;while((wenshi)&&ucharFLAG++);//waittheweishiislow,thencanstartitCOM();ucharRH_data_H_temp=ucharcomdata;COM();ucharRH_data_L_temp=ucharcomdata;COM();ucharT_data_H_temp=ucharcomdata;COM();ucharT_data_L_temp=ucharcomdata;COM();ucharcheckdata_temp=ucharcomdata;wenshi=1;uchartemp=(ucharT_data_H_temp+ucharT_data_L_temp+ucharRH_data_H_temp+ucharRH_data_L_temp);//P0DIR&=~0x01;//重新配置IO口方向//wenshi=1;if(uchartemp==ucharcheckdata_temp){ucharRH_data_H=ucharRH_data_H_temp;ucharRH_data_L=ucharRH_data_L_temp;ucharT_data_H=ucharT_data_H_temp;ucharT_data_L=ucharT_data_L_temp;ucharcheckdata=ucharcheckdata_temp;}wendu_shi=ucharT_data_H/10+0x30;wendu_ge=ucharT_data_H%10+0x30;shidu_shi=ucharRH_data_H/10+0x30;shidu_ge=ucharRH_data_H%10+0x30;}else//沒用成功讀取，返回0{wendu_shi=0;wendu_ge=0;shidu_shi=0;shidu_ge=0;}P1DIR&=~0x02;//重新配置IO口方向//wenshi=1;}/*****************************************************************************此程序為發(fā)送模塊程序實驗操作：上電每隔一段時間向地址為RECEIVE_ADDR=0x1515的模塊發(fā)送數據pTxData[APP_PAYLOAD_LENGTH]，數據長度通過修改APP_PAYLOAD_LENGTH值來改變，數據值通過修改pTxData數組里的數據實現，發(fā)送時間間隔通過改變延時時間來實現。*****************************************************************************///INCLUDES//#include<hal_assert.h>#include<hal_board.h>#include<hal_int.h>#include"hal_mcu.h"#include"hal_rf.h"#include"basic_rf.h"/***********************************************/#include<ioCC2530.h>#include<string.h>#include"DHT11.h"#include"basic.h"/******************************************//************************************************************************************CONSTANTS*///Applicationparameters#defineRF_CHANNEL25//2.4GHzRFchannel#definePAN_ID0x2007#defineSEND_ADDR0x1520//發(fā)送模塊地址#defineRECEIVE_ADDR0xBEEF//接收模塊地址#defineAPP_PAYLOAD_LENGTH5//數據長度/************************************************************************************LOCALVARIABLES*/staticuint8pTxData[APP_PAYLOAD_LENGTH];staticbasicRfCfg_tbasicRfConfig;uint16count=0;voidmain(void){//ConfigbasicRFbasicRfConfig.panId=PAN_ID;basicRfConfig.channel=RF_CHANNEL;basicRfConfig.ackRequest=TRUE;basicRfConfig.myAddr=SEND_ADDR;//設定本機地址halBoardInit();//初始化單片機Initial_IO2();//初始化IOif(halRfInit()==FAILED){HAL_ASSERT(FALSE);}if(basicRfInit(&basicRfConfig)==FAILED){HAL_ASSERT(FALSE);}basicRfReceiveOff();//關接收，省電while(1){if(++count>2540)//計時參數，時間到{DHT11_TEST();pTxData[0]=wendu_shi;//裝載第1個數據pTxData[1]=wendu_ge;//裝載第2個數據pTxData[2]=shidu_shi;//裝載第3個數據pTxData[3]=shidu_ge;//裝載第4個數據pTxData[4]=0x30;//裝載第5個數據count=0;basicRfSendPacket(RECEIVE_ADDR,pTxData,APP_PAYLOAD_LENGTH);//發(fā)送數據halIntOff();//PutMCUtosleep.halMcuSetLowPowerMode(HAL_MCU_LPM_3);//WillturnonglobalhalIntOn();//interruptenable}halMcuWaitMs(1);//延時1毫秒}}接收局部：串口：#include<ioCC2530.h>#include<string.h>#include"UART.h"#include"basic.h"/****************************************************************串口初始化函數***********************************************************/voidInitUart(){PERCFG&=~0x01;//UART0:位置1P0口P0SEL|=0x0c;//P0_2,P0_3用作串口,第二功能P2DIR&=~0XC0;//P0優(yōu)先作為UART0，優(yōu)先級U0CSR|=0x80;//UART方式U0GCR|=11;//U0GCR與U0BAUD配合U0BAUD|=216;//波特率設為115200UTX0IF=0;//UART0TX中斷標志初始置位1〔收發(fā)時候〕}/****************************************************************串口發(fā)送函數****************************************************************/voidSend_char(ucharc){U0DBUF=c;while(UTX0IF==0);//發(fā)送完成標志位UTX0IF=0;}/****************************************************************串口發(fā)送字符串函數 ****************************************************************/voidUartTX_Send_String(char*Data,intlen){intj;for(j=0;j<len;j++){U0DBUF=*Data++;while(UTX0IF==0);UTX0IF=0;}U0DBUF=0x0A;//換行while(UTX0IF==0);UTX0IF=0;}此程序為接收模塊程序模塊上電設定本機地址為RECEIVE_ADDR=0x1515，當檢測到有其他模塊向本地址發(fā)送數據，進入到數據接收函數，把數據保存在存放器Receive_Data_buffer中，并通過串口程序向PC端發(fā)送數據***********************************************************************************///INCLUDES//#include<hal_assert.h>#include<hal_board.h>#include<hal_int.h>#include"hal_mcu.h"#include"hal_rf.h"#include"basic_rf.h"#include"JLX12864.h"/********************************************************************/#include<ioCC2530.h>#include<string.h>#include"basic.h"#include"UART.h"/********************************************************************//************************************************************************************CONSTANTS*///Applicationparameters#defineRF_CHANNEL25//2.4GHzRFchannel#definePAN_ID0x2007#defineSEND_ADDR0x1520//發(fā)送模塊地址#defineRECEIVE_ADDR0xBEEF//接收模塊地址#defineAPP_PAYLOAD_LENGTH5//數據長度/************************************************************************************LOCALVARIABLES*/staticuint8pRxData[APP_PAYLOAD_LENGTH];staticbasicRfCfg_tbasicRfConfig;uint16Data_count=0;uint8Data_receive=0;uint8Receive_Data_buffer[APP_PAYLOAD_LENGTH];voidLCD_display(){LCD_disp_char(2,1,pRxData[1]);//顯示接收到的第2個數據LCD_disp_int(4,1,Data_count);}voidmain(void){uint8i=0;//ConfigbasicRFbasicRfConfig.panId=PAN_ID;basicRfConfig.channel=RF_CHANNEL;basicRfConfig.ackRequest=TRUE;basicRfConfig.myAddr=RECEIVE_ADDR;//設定本機地址halBoardInit();//初始化單片機/***********************************************/Initial_IO();InitUart();/**********************************************/if(halRfInit()==FAILED){HAL_ASSERT(FALSE);}if(basicRfInit(&basicRfConfig)==FAILED){HAL_ASSERT(FALSE);}basicRfReceiveOn();//開接收while(1){if(basicRfPacketIsReady()){//receivedataif(basicRfReceive(pRxData,APP_PAYLOAD_LENGTH,NULL)>0){for(i=0;i<APP_PAYLOAD_LENGTH;i++){Receive_Data_buffer[i]=pRxData[i];//保存數據}UartTX_Send_String("wendu:",6);Send_char(Receive_Data_buffer[0]);Send_char(Receive_Data_buffer[1]);UartTX_Send_String("C",3);UartTX_Send_String("shidu:",6);Send_char(Receive_Data_buffer[2]);Send_char(Receive_Data_buffer[3]);UartTX_Send_String("%RH",5);}}