【正文】 濟南大學畢業(yè)設計畢業(yè)設計 題 目 基于ZigBee的煙霧溫度傳感系統(tǒng)設計 學 院 自動化與電氣工程學院 專 業(yè) 自動化 班 級 儀器0901 學 生 5645136 學 號 49 指導教師 王中華 二〇一三年六月八日 1 濟南大學畢業(yè)設計摘 要無線傳感技術如雨后春筍般日益成熟，其具有成本低、能耗小、無需布線、相互之間沒有電氣干擾等優(yōu)點，極大的迎合了公眾的節(jié)能，使用方便的需求心理。本文設計了一種基于ZigBee技術的煙霧溫度傳感系統(tǒng)，主要有兩部分組成：數據采集系統(tǒng)（無線終端下位機）和數據接收系統(tǒng)（上位機），上位機和下位機呈現一對多的關系。采用CC2430模塊通過ZigBee協議實現上位機和下位機數據的無線收發(fā)功能。本文根據課題設計任務的要求，完成了煙霧傳感器、溫度傳感器、液晶顯示、射頻收發(fā)模塊的選型，設計了由電源模塊、傳感器模塊、數據無線傳輸模塊、串口模塊等構成系統(tǒng)的相關電路，制定了數據無線傳輸通訊協議，編制了相關程序，并進行了相關的實驗調試。此無線傳感系統(tǒng)性價比較高，適應能力強，復雜度低，極大的提高系統(tǒng)可靠性、靈活性和檢測范圍，降低系統(tǒng)的成本，具有較好的應用前景。關鍵詞：ZigBee；無線傳感系統(tǒng)；下位機；射頻收發(fā)模塊；通訊協議ABSTRACT Wireless sensing technology have sprung up day by day mature. It has low cost, low energy consumption, no wiring, and the advantages of no electrical interference between each other, catering to the energy saving of the public, convenient to use the psychological demand. This paper designed a kind of smoke temperature sensing system based on ZigBee technology. There are two major parts: the data acquisition system (wireless terminals under a machine) and data receiving system (PC). Upper machine and lower machine presents a onetomany relationship. Using CC2430 module through the ZigBee protocol implementation of upper machine and lower machine data radio transceiver functions. In this paper, according to the requirements of project design, pleted the smoke sensor, temperature sensor, LCD display, rf transceiver module selection, design including power supply module, sensor module, wireless data transmission module, serial port module position system such as the relevant circuit, established data wireless munication protocol, piled the relevant procedures, and has carried on the related experimental debugging. The wireless sensor system, high cost performance, strong adaptability, low plexity, greatly increase the system reliability, flexibility and range of detection, lower the cost of the system, has good application prospect.Key words：ZigBee；Wireless sensor systems。 Sensor module。 RF transceiver module。 Communication protocol目 錄摘 要 IABSTRACT II1 課題背景及意義 1 課題背景及研究現狀 1 研究目的和意義 22 系統(tǒng)總體設計方案 3 ZigBee協議規(guī)范研究及分析 3 ZigBee網絡拓撲結構 3 ZigBee數據傳輸機制 3 ZigBee節(jié)能技術探討 4 方案選擇 5 系統(tǒng)整體設計 5 芯片選擇 6 無線射頻模塊 6 單總線溫度傳感器DS18B20 7 氣敏傳感器MQ2 7 液晶顯示模塊 7 系統(tǒng)硬件結構 73無線傳感系統(tǒng)的硬件設計 9 無線傳輸模塊的電路設計 9 溫度采集電路設計 13 煙霧采集電路設計 14 14 液晶顯示電路設計 15 遠紅外遙感電路設計 16 串口電路設計 17 174 系統(tǒng)軟件設計 18 終端測量節(jié)點加入無線網絡 18 終端節(jié)點信號采集 19 數據傳送 20 系統(tǒng)主流程 215 系統(tǒng)性能調試 23 終端實驗板 23 上位機界面 236 抗干擾設計 26 存在的干擾表現 26 抑制干擾的措施 26結 論 27參 考 文 獻 28致 謝 30附 錄A 31附 錄B 33 40 1 課題背景及意義 課題背景及研究現狀建筑物內的安防問題一直是關系社會環(huán)境安定和人身安全的重大問題。由于現代化的城市布局不斷擴大，城市人口擁擠，各種電器設備在使用過程中可能出現可燃氣體泄露、短路、負載過大等不安全的因素，所以建筑物內具有火災隱患，據官方統(tǒng)計火災的發(fā)生率呈上升趨勢[1]。目前火災體現出復雜化、立體化、擴展快的特點，對公眾的生命和財產造成極嚴重的威脅和損失。為保障公眾的生命財產安全，相關當局除了要加強宣傳消防教育，提高公眾消防意識，加強公共消防設施建設，建立消防安全長效管理機制以外，還需要從科學技術上強調創(chuàng)新，消防設施注重更新換代，從而形成一個有效的消防監(jiān)控系統(tǒng)，便于時刻監(jiān)控建筑物內的情況，達到防災減災的作用。當監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測到異常情況時，系統(tǒng)會自動發(fā)出報警信號,便于工作人員及時采取應對措施，最大程度的減少災難帶來的損失[1]。然而目前市場上涌現的監(jiān)控系統(tǒng)多采用有線通信，系統(tǒng)成本較高，布線繁瑣，系統(tǒng)擴展性能差，線路老化快，抗干擾能力差，因此有線傳感系統(tǒng)故障率和誤報警率較高[2]。將智能的無線傳感報警系統(tǒng)應用于消防領域，進行建筑物內的環(huán)境監(jiān)測[3]和救援人員車輛的定位追蹤[4]，將大大地改善傳統(tǒng)有線火災自動報警系統(tǒng)的弊端，而且人性化的智能無線傳感系統(tǒng)克服了有線通信的很多弊端，使用方便，便于維修保養(yǎng)[5]。目前ZigBee技術應用較廣，其技術相對成熟，將ZigBee技術融入到無線通信技術中，使其各種設備和主控系統(tǒng)都能夠在功耗極低的狀態(tài)下運行，這使得整個系統(tǒng)的運行成本得到有效的降低[6]。目前國外最大的無線報警系統(tǒng)的生產廠家是美國松柏公司（ITI公司），該系統(tǒng)既可作為火災報警[2]，也可作為保安系統(tǒng)，兩者兼用，是一種高科技的無線安保系統(tǒng)。現在各種不同的無線通信技術正迅猛發(fā)展，從先前的廣域網（Internet、GSM/GPRS/3G）（WLAN ：Wireless Area Net）、基于藍牙的無線個域網（WPAN：Wireless Personal Area Net），再到后來的基于ZigBee的低速無線個域網（LRWPAN：Low RateWPAN）等[1][2]。國內市場上也已經推出了多種無線通信傳感系統(tǒng)，例如基于藍牙技術的無線火災自動報警系統(tǒng)[7]、基于ZigBee的家居安防系統(tǒng)的設計[8]、基于ZigBee和以太網的大學生宿舍防火防盜監(jiān)控系統(tǒng)[9]等。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入到各種設備中，同時支持地理定位功能。隨著技術的發(fā)展，可將多種探測技術進行綜合，將現有分布智能式有線報警系統(tǒng)與ZigBee無線技術相結合，建設新型分布智能型復合探測無線消防報警系統(tǒng)。本文將設計一種基于ZigBee技術的煙霧溫度傳感系統(tǒng)，此系統(tǒng)性價比較高，可以提高系統(tǒng)的可靠性、靈活性和檢測范圍，降低系統(tǒng)的成本。本系統(tǒng)主要有兩部分組成：數據采集系統(tǒng)（無線終端下位機）和數據接收系統(tǒng)（上位機）。上位機和下位機呈現一對多的關系。采用CC2430模塊通過ZigBee協議實現上位機和下位機數據的無線收發(fā)功能。 研究目的和意義鑒于市場上現有的火災報警系統(tǒng)的缺陷，本設計采用TI公司的ZigBee協議棧，設計一款無線傳感系統(tǒng)，不僅可以取代傳統(tǒng)的有線傳感系統(tǒng)，降低整個監(jiān)測系統(tǒng)的復雜度，關鍵是無線傳感系統(tǒng)在很大程度上提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，實現了火災預警和報警的高速反應和快速動作功能，極大的符合現今要求的節(jié)能觀念潮流[4]，社會受眾率高。本系統(tǒng)在低耗待機模式下，2節(jié)5號干電池可供1個節(jié)點工作624個月，甚至更長時間，而若給藍牙供電僅能工作數周、WiFi僅僅工作數小時?；馂膱缶墓?jié)點穿墻安裝方便，無線布線，大大降低了施工成本，特別是適用于古建筑、舊樓宇加裝智能消防系統(tǒng)，為火災報警系統(tǒng)的推廣和普及提供了極大的市場前景[8]。近年來基于ZigBee技術的煙霧溫度傳感系統(tǒng)應用場合越來越廣，可以實時監(jiān)測現場信息，以便用來做好對意外情況的預防并制定及時的解決方案，是一種功能完善，適應能力強，應用廣的監(jiān)測裝置。2 系統(tǒng)總體設計方案本設計采用融入ZigBee的無線傳輸技術，設計火災報警安防系統(tǒng)，其主要功能是傳感器能夠檢測建筑物內的煙霧濃度和溫度，然后將采集到的信號經過無線傳感系統(tǒng)發(fā)送到CC2430芯片內部集成的8051內核，內部微處理器作出相應的判斷和處理，處理后的信號再由無線發(fā)射模塊傳送至上位機，上位機顯示各個傳感器組上采集到的信息，若煙霧濃度或者溫度超過系統(tǒng)設定的閾值，CC2430芯片內部集成的8051內核將驅動聲光報警控制器，發(fā)出報警信號。 ZigBee協議規(guī)范研究及分析ZigBee技術是近幾年快速發(fā)展起來的一種無線通訊技術，網絡支持三種拓撲結構[10]：星型結構(Star)、樹狀結構(Tree)和網狀結構(Mesh)。下面將簡要介紹ZigBee技術在無線煙霧溫度傳感系統(tǒng)應用背景中解決的幾個關鍵問題：網絡拓撲結構的定義、數據傳輸機制和節(jié)能技術[11]。 ZigBee網絡拓撲結構。無線傳感器系統(tǒng)在實際應用中，根據應用需要，經常要靈活地選擇適合的拓撲結構。結合建筑物內煙霧溫度無線傳感系統(tǒng)的應用，星型結構(Star)和樹狀結構(Tree)適合該應用背景。一個Zigbee的星型網絡拓撲結構最多可以容納254 個從設備和一個主設備，而且一個區(qū)域內可以同時存在多達100個ZigBee 網絡，網絡之間組成較靈活。樹狀網絡可以定期發(fā)送信標，使拓撲結構內部節(jié)點能夠做到很好的同步，便于節(jié)點定期進入休眠狀態(tài)，從而降低系統(tǒng)功耗，延長拓撲結構壽命。因此星型結構與樹狀結構的層次融合，必將是ZigBee技術網絡拓撲結構的一個重要發(fā)展方向。 ZigBee數據傳輸機制采用ZigBee協議傳輸數據，由于ZigBee協議規(guī)范中的網絡拓撲結構有多種，所以系統(tǒng)的數據傳輸確認機制也不同。ZigBee協議中的數據傳輸模式有以下三種[11]：（1） 終端設備作為發(fā)送端，協調器作為接收端（2） 協調器作為發(fā)送端，終端設備作為接收端接收數據（3） 多個終端設備之間互相傳送數據在傳輸數據時，首先需要建立數據傳輸鏈路，沿著星型和樹狀結構進行點對點傳輸，直到完成所有數據幀的傳輸。本文在設計ZigBee煙霧溫度無線監(jiān)測的參數采集時，擬采用該種數據傳輸機制。 ZigBee節(jié)能技術探討ZigBee技術通常應用在對帶寬要求較低的場合，大部分時間，其節(jié)點可以工作在睡眠模式[12]，從而節(jié)省了電池能量。當接收到信號時，ZigBee節(jié)點被喚醒，并且可以迅速發(fā)送數據，發(fā)送完成之后重新工作在睡眠模式。在15ms或者更短的時間內，ZigBee節(jié)點可以由睡眠模式進入活動模式，因此睡眠模式下的網絡節(jié)點也可以獲得適合的低時延。 星型結構 樹狀結構 網狀結構 ZigBee網絡拓撲結構 方案選擇目前市場上具有ZigBee協議功能的芯片有很多種，運用ZigBee技術的無線傳感系統(tǒng)的方案[13]主要有