基于ZigBee的温度采集系统设计

基于ZigBee的温度采集系统设计南阳理工学院本科毕业设计（论文）基于Zigbee的温度采集系统设计DesignoftemperatureacquisitionsystembasedonZigBee学院：计算机与信息工程学院专业：通信工程学生姓名：翟艳争学号：1206644031指导教师（职称）：赵天翔（讲师）评阅教师：完成日期：2014年5月南阳理工学院NanyangInstituteofTechnology基于ZigBee的温度采集系统设计基于ZigBee的无线温度采集系统设计通信工程专业翟艳争[摘要]本文设计了一个用于检测环境温度的采集系统，采用树形网络拓扑结构，这个系统的温度采集终端设备可以在系统网络的一定范围之内采集温度。同样也可以到网络辐射范围之外进行采集温度，在回到监控室网络的有效辐射范围后，温度采集终端设备再把以前存储在闪存芯片内的采集到的温度信息通过无线网络上传至上位机。在PC机上数据信息处理程序对采集到的温度数据进行处理跟显示。这个系统可以应用于工业控制或者农业生产中对温度的检测和控制，减少了有线网络的布线成本。[关键词]ZigBee；无线传感器网络；温度采集DesignoftemperatureacquisitionsystembasedonZigBeeCommunicationEngineeringMajorZhaiyanzhengAbstract：Thispaperdesignedacollectionsystemfordetectingthetemperatureoftheenvironment,thetreenetworktopology,thesystemtemperatureacquisitionterminalequipmentcancollecttemperaturewithincertainrangesystemnetwork.Alsotothescopeofradiationtothenetworkoutsidethecollectionoftemperature,theeffectiveradiationbacktothecontrolroomnetwork,temperatureacquisitionterminalequipmentandthepreviouslystoredintheflashmemorychipinsidethecollectedtemperatureinformationthroughawirelessnetworktouploadtopc..ThetemperaturedatacollecteddatainformationprocessingprograminPCmachineprocessinganddisplay.Thissystemcanbeusedinindustrialoragriculturalproductionforthedetectionandcontroloftemperature,reducethewiringcostofcablenetworks.Keywords:ZigBee;wirelesssensornetwork;temperatureacquisition基于ZigBee的温度采集系统设计目录1引言..............................................................11.1课题背景......................................................11.2课题研究的目的和意义..........................................21.3国内外研究概况................................................32.ZIGBEE协议及所采用的芯片介绍.....................................42.1ZIGBEE概述....................................................42.2ZIGBEE网络基础................................................62.2.1网络节点类型..............................................62.2.2网络拓扑形式..............................................62.2.3工作模式..................................................72.3IEEE802.15.4规范............................................82.4CC2430芯片..................................................102.4.1CC2430概述...............................................102.4.2CC2430芯片的主要特点....................................123.基于ZIGBEE的温度采集系统........................................123.1系统的整体设计...............................................123.2节点硬件设计.................................................133.2.1协调器节点的硬件设计.....................................133.2.2路由器节点的硬件设计.....................................143.2.3传感器节点的硬件设计.....................................144系统软件设计.....................................................144.1系统软件开发环境.............................................154.2ZIGBEE设备建立通信网络的流程图................................154.2.1协调器软件设计............................................154.2.2路由器软件设计............................................184.2.3温度传感器节点设计........................................194.2.4上位机与协调器之间的通信设计..............................204.2.5上位机的功能简介.........................................205无线温度采集系统的入网...........................................216.总结与展望.......................................................22参考文献...........................................................23致谢...............................................................24基于ZigBee的温度采集系统设计11引言在粮库温度控制系统、冷库温度控制系统、智能化建筑控制系统、中央空调系统等众多温度控制系统中，为了能实时地方便地监测不同点的温度及变化，这就需要多点分布式温度采集系统。然而传统的多点分布式温度采集系统多采用有线传输方式，随着分布式节点的不断增加，采集系统的布线难度和成本也就急剧增加，这就给系统的设计、维护和升级带了诸多不便。如何有效地解决有线网络在使用中的诸多不便已成为当下研究的热点。ZigBee技术就是一种基于IEEE802.15.4协议标准的近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用，已成为当下较为流行的无线通信技术。本设计意在设计一种基于ZigBee的温度检测系统，用以实现对分散节点的温度采集，采集后的温度实时地以折线图的方式显示。本设计可以有效满足工农业检测过程中对多测点、移动性及便捷性等方面的要求，并且能够有效解决有线网络的布线难题和成本问题，具有十分广阔的应用前景。1.1课题背景信息技术发展日新月异，传统的有线通信方式因为其成本高、布线复杂，已经不能完全满足人们的应用需求了。由此，无线通信技术应运而生。无线网络技术按照传输范围来划分，可分为无线广域网、无线城域网、无线局域网和无线个人域网。无线个人域网即短距离无线网络，典型的短距离无线传输技术有：蓝牙（Bluetooth）、ZigBee、WiFi等。在工业控制、家庭自动化和遥测遥感领域，蓝牙（Bluetooth）虽然成本较低，成熟度高，但是传输距离有限，仅为10米，可以参与组网的节点少。WiFi虽然传输速度较快，传输距离达到100米，但是其价格偏高，功耗较大，组网能力较差。相比之下ZigBee技术则主要针对低成本、低功耗和低速率的无线通信市场，具有如下特点：①成本低：ZigBee模块的初始成本低，并且ZigBee协议是免专利费的，采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段，2．4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)，免执照频段；②低功耗：由于ZigBee的传输速率较低，传输数据量较小，并且采用了休眠模式，因此ZigBee设备功耗很低，仅靠两节5号电池就可以维持长时间使用；基于ZigBee的温度采集系统设计2③低速率。Zigbee工作在20～250kbps的较低速率，分别提供250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求；④时延短：ZigBee的响应速度较快，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，一般从休眠转入工作状态只需要15ms，典型的搜索设备时延为30ms，活动设备信道接入的时延为15ms；⑤网络容量大：Zigbee可采用星型、树型和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。⑥可靠度高：为了避免发送数据的竞争和冲突，采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙。MAC层采用完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，如果传输过程中出现问题可以进行重发；⑦安全：Zigbee提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码,以灵活确定其安全属性。⑧传输距离远：传输范围一般介于10～100m之间，在增加RF发射功率后,亦可增加到1～3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。由于ZigBee技术具有上述特点，因而广泛应用在短距离低速率电子设备之间的数据传输。ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。1.2课题研究的目的和意义ZigBee技术具有低成本、低功耗、近距离、短时延、高容量、高安全及免执照频段等优势，广泛应用于智能家庭、工