【正文】 ............................................... 13 硬件設(shè)計(jì) ........................................................................................................... 14 系統(tǒng)硬件平臺(tái) ......................................................................................... 14 ZigBee 通信模塊 .................................................................................... 15 通信模塊電路設(shè)計(jì) ................................................................................. 16 溫濕度數(shù)據(jù)采集原理 ....................................................................................... 17 溫濕度傳感器 SHT10 ...................................................................................... 18 第 4 章 溫度采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) ............................................................................... 20 系統(tǒng)軟件平臺(tái)概述 ........................................................................................... 20 ZStack2020 協(xié)議棧軟件 ................................................................................. 21 ZStack軟件架構(gòu) ................................................................................... 21 ZStack軟件流程 ................................................................................... 23 VI 程序設(shè)計(jì) ........................................................................................................... 24 第 5 章 總結(jié) ................................................................................................................... 28 參 考 文 獻(xiàn) ..................................................................................................................... 29 致 謝 ............................................................................................................................ 31 基于 Zigbee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 基于 Zigbee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 1 章 緒論 課題背景與意義 在過(guò)去 20 年里，互聯(lián)網(wǎng)（ Inter）極大地方便和改變了我們的生活。因此研究溫度測(cè)量與采集的方法及其相關(guān)硬件設(shè)備具有重要的意義，而采集測(cè)量溫度的關(guān)鍵就是溫度傳感器。本系統(tǒng)選擇 Zigbee 無(wú)線通信模塊結(jié)合數(shù)字溫濕度傳感器 SHT10 進(jìn)行溫度的采集測(cè)量具有很好的通用型與擴(kuò)展性。在人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中它可以大幅降低檢查設(shè)備的成本，同時(shí)由于可以提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，因此將能夠縮短停機(jī)時(shí)間，提 高效率，并延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間 [19]。利用溫度傳感器采集來(lái)的溫度數(shù)據(jù)，通過(guò) Zigbee 自組網(wǎng)技術(shù)經(jīng)由終端節(jié)點(diǎn)上傳 給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)整理信息再通過(guò)串口通信上傳給上位機(jī)（ PC 機(jī)），以此對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。 本論文的主要研究?jī)?nèi)容可概括如下： 學(xué)習(xí) TI ZStack2020 協(xié)議棧內(nèi)容，掌握 CC2530 模塊無(wú)線組網(wǎng)原理及過(guò)程。 使用 IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境程序設(shè)計(jì)， Zstack—— SampleApp工程基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)無(wú)線組網(wǎng)及通訊。主要用于距離短、功耗低且 傳輸速率 不高 的各種 電子設(shè)備 之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用 [1]。簡(jiǎn)言之， Zigbee 就是一種便宜的、低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通信技術(shù)。 可以這樣說(shuō) ，按照 Zigbee 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)出來(lái)的檢測(cè)和控制產(chǎn)品，與那些使用其他無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)（如 Bluetooth和 WiFi）的產(chǎn)品相比，安裝更容易，功耗更低；特別是在處理遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)中，其區(qū)別更加明顯。網(wǎng)絡(luò)有星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。相比較 ,藍(lán)牙需要 3～ 10s、 WiFi需要 3s。舉例 DIGI 的 XBEE 增強(qiáng)型模塊，相鄰模塊通訊距離可達(dá),有效距離范圍內(nèi)的模塊自動(dòng)組網(wǎng) ,網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)可自由通訊 ,這樣傳輸距離得到了擴(kuò)展 . 5. 成本低。 媒體訪問(wèn)控制層 媒體訪問(wèn)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，提高通信效率。對(duì)于終端節(jié)點(diǎn)而言，網(wǎng)絡(luò)層的功能只是加入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)；對(duì)于路由器而言，網(wǎng)絡(luò)層的功能是信息的轉(zhuǎn)發(fā)，路由發(fā)現(xiàn)，建立和維護(hù)路由表和鄰居表，以及構(gòu)造到某節(jié)點(diǎn)的路由任務(wù)；而協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)主要包括啟動(dòng)和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)正常工作，為新加入的節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址。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)。 可以從圖 發(fā)現(xiàn)， 如果需要在兩個(gè) End Device 節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通訊必須通過(guò) Coordinator 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的轉(zhuǎn)發(fā)。 圖 形狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 基于 Zigbee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 樹(shù)形拓?fù)浒ㄒ粋€(gè) Coordinator（協(xié)調(diào)者）以及一系列的 Router（路由器）和End Device（終端）節(jié)點(diǎn)。如果需要從一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，那么信息將沿著樹(shù)的路徑向上傳遞到最近的祖先節(jié)點(diǎn)然后再向下傳遞到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问胶蜆?shù)形拓?fù)湎嗤?；可以參考上面所提到的?shù)形網(wǎng)絡(luò)拓 撲。 圖 網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 通常在支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)上，網(wǎng)絡(luò)層會(huì)提供相應(yīng)的路由探索功能，這一特性使得網(wǎng)絡(luò)層可以找到信息傳輸?shù)淖顑?yōu)化的路徑。它是具有低復(fù)雜度、應(yīng)用成本小、設(shè)備功耗低等優(yōu)勢(shì)，能在低成本設(shè)備之間進(jìn)行低速率信息傳輸規(guī)范。 物理層定義了 868MHz、 915MHz 和 。 1 1 , 1 2 . . . 2 6k 11k2409F1 , 2 . . . 1 0k 1k2906 0k c ????????）（）（ccFF () 其中 k——信道號(hào)； Fc——頻段（ MHz） 物理層通過(guò)射頻固件和射頻硬件提供了一個(gè)從 MAC 層到物理層無(wú)線信道的接口。 MAC 子層提供兩種服務(wù)： MAC 層數(shù)據(jù)服務(wù)和 MAC 層管理服務(wù)（ MAC sublayer management entity,MLME）。 圖 MAC 層參考模型 基于 Zigbee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 MAC 幀的基本組成部分 如表 所示。 (3)MAC，其中含有單個(gè)幀校驗(yàn)的序列 (FCS)。而基于 Zigbee 的這種短距離無(wú)線通信系統(tǒng)以其低功耗、高性價(jià)比，系統(tǒng)安裝維護(hù)便捷，而且該系統(tǒng)擁有擺脫數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)過(guò)程上空間限制，可應(yīng)用到更多場(chǎng)合中。終端設(shè)備上電復(fù)位后，便啟動(dòng)搜索指定信道上的 PAN 協(xié)調(diào)器，并發(fā)送連接請(qǐng)求，終端設(shè)備在成功入網(wǎng)后，啟動(dòng)休眠定時(shí)器，間隔 10 秒鐘喚醒一次，醒來(lái)后使用一種簡(jiǎn)單的非時(shí)隙 CSMACA，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制取得信道使用權(quán)，通過(guò)PC 機(jī)向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù) [20]。 基于 Zigbee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 圖 Zigbee系統(tǒng)傳感網(wǎng)例圖 該實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的功能主要是協(xié)調(diào)器自啟動(dòng) (組網(wǎng) )，節(jié)點(diǎn)設(shè)備自動(dòng)入網(wǎng)。 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件平臺(tái) 無(wú)線溫度傳感網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺(tái)如 圖 所示，由于終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)僅僅在傳感器模塊跟串口通信模塊上的差別，所以這里拿出協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊介紹該模塊上的各個(gè)主要的電路部分設(shè)計(jì)。該芯片除了包括 RF 收發(fā)器外，還集成了加強(qiáng)型805lMCU、 32/64/128kB 的 Flash內(nèi)存、 8KB 的 RAM、 ADC、 DMA 和看門(mén)狗等。因此，使用小型電池壽命可以長(zhǎng)達(dá) 10 年 [13]。具有 64 個(gè) I/O 引腳 ,每個(gè)端口都可以配置成推挽或漏極開(kāi)路輸出，可以滿足本系統(tǒng) IO 口需要。 RF 的輸入 /輸出是高阻和差動(dòng)的，用于 RF 口最合適的差動(dòng)負(fù)載是(115+j180)Ω。CC2530 可以同時(shí)接 32MHz 和 的兩種頻率的晶振電路，以滿足不同的要求。其電路原理圖如 圖 所示 基于 Zigbee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 圖 溫濕度傳感器硬件接口電路 ZIGBEE(CC2530)模塊硬件上設(shè)計(jì)有 2 個(gè) LED 燈，用來(lái)編程調(diào)試使用。因此我們需要在代碼中將相應(yīng)引腳進(jìn)行輸入輸出控制模擬該傳感器時(shí)序，來(lái)監(jiān)測(cè)溫濕度傳感器狀態(tài)。 SHT10 引腳特性如下 ： 基于 Zigbee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 ， GNDSHT10 的供電電壓為 ~。 用于微處理器與 SHT10 之間的通訊同步。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。 基于 Zigbee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 第 4 章 溫度采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件平臺(tái)概述 本系統(tǒng)所用的開(kāi)發(fā)環(huán)境是 ，采用的協(xié)議棧為 TI 的ZSTACK—— 協(xié)議棧。傳感器模塊在動(dòng)態(tài)工作模式下，可以暫 時(shí)脫離數(shù)據(jù)匯聚模塊的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，進(jìn)行移動(dòng)的數(shù)據(jù)采集。由于開(kāi)發(fā)硬件平臺(tái)配套 ZIGBEE模塊硬件上與 TI 公司的 ZIGBEE 樣板有差異，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒(méi)有采用按鍵觸發(fā)方式。該協(xié)議?，F(xiàn)已完全開(kāi)放，我們只需要直接調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)，并在協(xié)議棧的應(yīng)用層內(nèi)根據(jù)實(shí)際要求和設(shè)計(jì)自行添加設(shè)計(jì)實(shí) 現(xiàn)代碼，即可完成 CC2530 的無(wú)線通信軟件設(shè)計(jì)。在通信的發(fā)送方， 用戶需要傳遞的數(shù)據(jù)包按照從高層到低層的順序依次通過(guò)各個(gè)協(xié)議層，每一層的實(shí)體按照最初預(yù)定消息格式在數(shù)據(jù)信息中加入自己的信息，比如每一層的頭信息和校驗(yàn)等，最終抵達(dá)最低層的物理層，變成數(shù)據(jù)位流，在物理連接間傳遞。整個(gè) ZStack采用分層的軟件結(jié)構(gòu)，硬件抽象層（ HAL）提供各種硬件模塊的驅(qū)動(dòng)，包括定時(shí)器 Timer，通用 I/O 口 GPIO，通用異步收發(fā)傳輸器 UART，模數(shù)轉(zhuǎn)換 ADC 的應(yīng)用程序接口API，提供各種服務(wù)的擴(kuò)展集。 Common 目錄下為公用文件，基本與硬件無(wú)關(guān) ：斷言文件，用于調(diào)試 ：驅(qū)動(dòng)文件 Including 目錄下包含各個(gè)硬件模塊頭文件 Target 目錄下文件與硬件平臺(tái)相關(guān) MAC： MAC 層目錄，包含了 MAC 層的參數(shù)配置文件及其 MAC 的 LIB 庫(kù)的函數(shù)接口文件。 Profile： AF 層目錄，包含 AF 層處理函數(shù)文件。 ZDO： ZDO 目錄。在 包含對(duì)硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)各類外設(shè)進(jìn)行控制的接口函數(shù)。 ZStack 軟件流程 整個(gè) Zstack的主要工作流程，大致分為系統(tǒng)啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)初始化， OSAL初始化和啟動(dòng)，進(jìn)入任務(wù)輪循幾個(gè)階段。 當(dāng)順利完成上述初始化時(shí)，執(zhí)行 osal_start_system()函數(shù)開(kāi)始運(yùn)行 OSAL系統(tǒng)。程序流程圖 所示。 基于 Zigbee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 25 osal_start_timerEx(SampleApp_TaskID,