【正文】 日 中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯及綜合成績 答 辯 情 況 提 出 問 題 回 答 問 題 正 確 基本 正確 有一般性錯誤 有原則性錯誤 沒有 回答 答辯委員會評語及建議成績： 答辯委員會主任簽字： 年 月 日 學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組綜合評定成績： 學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)人： 年 月 日 摘 要 本文主要 對 煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中溫度 的 監(jiān)測 進(jìn)行研究和分析，根據(jù)國內(nèi)目前對于溫度監(jiān)測方法 的研究，設(shè)計(jì)了 一種 基于 CC2530 的溫度監(jiān)測系統(tǒng)。 另外，本文還對上位機(jī)軟件進(jìn)行了 簡單 設(shè)計(jì) ， 用于溫度數(shù)據(jù)在上位機(jī)上的顯示。 關(guān)鍵詞： ZigBee； CC2530； DS18B20；溫度監(jiān)測 Abstract This paper mainly carries on research and analysis of the monitoring temperature of coal mine monitoring system, according to the current domestic research for temperature monitoring method, design a temperature monitoring system based on CC2530. This paper first carries on the analysis and research of this topic research significance and the domestic development status, a detailed parison of the temperature monitoring method of several existing, according to the plex environment of coal mine monitoring system which needs, puts forward the design temperature monitoring system based on CC2530. Then the design of the ZigBee wireless ad hoc work technology and ZigBee development kit are introduced, and the design of the ZStack protocol stack of the work process are introduced in detail. The temperature monitoring system design based on the ZStack protocol stack, including the acquisition, processing and transmission of temperature, dormancy and awakening of terminal nodes, the coordinator node serial munication etc.. In addition, this paper also gives a simple design for the software, used to display in the upper puter temperature data. Finally, this paper verifies the temperature monitoring function of the system, and analyzed the results. Finally, the design of a temperature monitoring system based on CC2530. The wireless sensing system can realize the pointtopoint munication, sensor nodes are responsible for temperature data acquisition and sending, receiving the coordinator node is responsible for temperature data and forwarding, PC software is responsible for the display of the temperature data. Key words: ZigBee。 基于 CC2530 的溫度監(jiān)測系統(tǒng)不僅能有效滿足煤礦采空區(qū)火源點(diǎn)感知的需求，而且還因?yàn)槠渚哂械统杀?、低功耗等特點(diǎn)，受到人們的廣泛青睞。 國內(nèi)外研究概況 煤礦采空區(qū)自然發(fā)現(xiàn) 火源位置的探測在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上的難度較大 。 氣體探測法。國內(nèi)外，還開展了測氡法探測火源位置的研究 。包括磁性探測法和電阻率探測法。主要有二類系統(tǒng)， 基于無線的采空區(qū)溫度監(jiān)測系統(tǒng)、基于分布式光纖傳感器的采空區(qū)溫度監(jiān)測系統(tǒng)。但是，這方面至今還沒有產(chǎn)品推出。分布式光纖溫 度監(jiān)測系統(tǒng)，在采空區(qū)溫度檢測中遇到的最大問題，是監(jiān)測光纖極可能被塌落的頂板砸斷，造成不可恢復(fù)故障。 本文共分為六章： 第一章，緒論 闡述了基于 CC2530 的溫度監(jiān)測系統(tǒng)研究的背景及意義，國內(nèi)外研究 煤礦采空區(qū)自然發(fā)現(xiàn) 火源位置的探測 的概況； 第二章 ， 簡 述 ZigBee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu) 、 協(xié)議中各子層功能； 第三章 ， 對 CC2530 開發(fā)套件及 CC2530 芯片進(jìn)行簡介，對設(shè)計(jì)采用的軟件開發(fā)環(huán)境 IAR進(jìn)行簡介 ， 詳細(xì) 介紹 ZStack 協(xié)議棧工作流程，對溫度采集、處理、傳輸程序進(jìn)行分析和對休眠與喚醒程序進(jìn)行分析，分析 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)； 第四章 ， 簡述該 系統(tǒng) 設(shè)計(jì)的測試及調(diào)試過 程，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果； 第五章 ， 總結(jié)與展望，對整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)分析出自己的心得體會。 每個(gè)服務(wù)實(shí)體 為其上層提供需要的接口都是通過其相應(yīng)的服務(wù)接入點(diǎn)（ SAP）實(shí)現(xiàn)的，每個(gè) SAP 所對應(yīng)的功能通過服務(wù)原語來完成 ，且每個(gè) SAP 支持許多種不同的服務(wù)原語 。 PLME 主要通過調(diào)用物理層管理功能函數(shù)來提供管理和服務(wù)，其中物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)（ PDSAP） 給MAC 層提供數(shù)據(jù)服務(wù)接口，而物理層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)（ PLMESAP）給 MAC 層提供管理服務(wù)接口。 媒體介質(zhì)訪問層（ MAC） MAC 層 控制無線信道訪問時(shí) 使用 CSMACA 沖突避免機(jī)制，是所有無線信 道的維護(hù)接口，提供兩個(gè)相鄰設(shè)備 之間可靠的鏈路。 MAC層的結(jié)構(gòu)接口示意圖如圖 所示。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ NPDU） 為設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸提供必要的服務(wù)， 通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)（ NLDESAP） 為應(yīng)用層提供 數(shù)據(jù)服務(wù)接口 。 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體（ NLDE ）網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體（ NLME ）網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)（ NLDE SAP ）網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)（ NLME SAP ）MCPS SAP MLME SAPMAC 層信息庫（ MAC PIB ） 圖 網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)和接口圖 應(yīng)用層（ APL） 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁 ZigBee 應(yīng)用層框架由 應(yīng)用支持子層（ APS）、應(yīng)用程序框架（ AF）、 ZigBee 設(shè)備對象 （ ZDO）和用戶 定義的應(yīng)用對象 4個(gè)部分組成 。 在應(yīng)用層中，應(yīng)用支持子層數(shù)據(jù)接入點(diǎn)（ APSDESAP）和應(yīng)用支持子層管理服務(wù)接入點(diǎn)（ APSMESAP）分別為上層的應(yīng)用實(shí)體提供數(shù) 據(jù)和管理服務(wù)。 應(yīng)用支持子層數(shù)據(jù)實(shí)體（ APSDE ）應(yīng)用支持子層管理實(shí)體（ APSME ）應(yīng)用支持子層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)（ APSDE SAP ）應(yīng)用支持子層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)（ APSME SAP ）NLDE SAP NLME SAPMAC 層信息庫（ MAC PIB ） 圖 應(yīng)用支持子層結(jié)構(gòu)與接口圖 ZigBee 基本概念 ZigBee 協(xié)議棧主要包含 6個(gè)基本概念：設(shè)備類型、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、信標(biāo)與非信標(biāo)模式、ZigBee 術(shù)語、綁定、 ZigBee 原語。 協(xié)調(diào)器也可以協(xié)助 網(wǎng)絡(luò)中安全中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁 服務(wù)和應(yīng)用層的綁定服務(wù) 的建立 。 ③ 終端設(shè)備 終端設(shè)備主要負(fù)責(zé)信息的接收和發(fā)送，不需要維持特定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要進(jìn)入休眠或喚醒 狀態(tài)以降低功耗。其中，全功能設(shè)備（ FFD， Router）可以支持任何一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者和普通協(xié)商者使用，并且可以和任何一種設(shè)備進(jìn)行相互通信。 ③ 網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)具有靈活、減少消息延時(shí)和可靠的特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中所有具有路由功能的節(jié)點(diǎn)直接互聯(lián)，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間可相互傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)路徑通過路由器 中的路由表按照算法選擇。時(shí)間槽被分為網(wǎng)絡(luò)活動區(qū)和網(wǎng)絡(luò)休眠區(qū)兩個(gè)部分，消息只能在網(wǎng)絡(luò)活動區(qū)內(nèi)發(fā)送。 ② 群集 群集就是屬性的集合， 每 一 個(gè)群集都被 系統(tǒng)分配一個(gè) 獨(dú)有的 的群集 ID 且每個(gè)群集至多可以 有 65536 個(gè)屬性。 每個(gè) ZigBee 設(shè)備必須使用 端點(diǎn)中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁 0 用于與 ZDO 接口 ，而被保留用于廣播 的 端點(diǎn) 是 255，端點(diǎn) 241254 則被保留 下來為了 將來做擴(kuò)展 時(shí) 使用。在兩 個(gè) 端點(diǎn)建立綁定 表 后，端點(diǎn)間的通信是由一個(gè)端點(diǎn)將信息傳遞給協(xié)調(diào)器， 再由 協(xié)調(diào)器通過查找 已有 綁定表將 收到的 信息發(fā)送給所綁定的另一個(gè) 端點(diǎn)， 這樣 實(shí)現(xiàn)端點(diǎn)間的間接通信。 ① 請求（ Request） ： 請求原語從 N+1 實(shí)體發(fā)送到 N 實(shí)體 ，請求發(fā) 起一個(gè)服務(wù)，如請求建立連接、數(shù)據(jù)傳送等。 請求確認(rèn)指示響應(yīng)服務(wù)用戶（ N 1 User ）服務(wù)用戶（ N 2 User ）服務(wù)提供者（ N layer ） 圖 原語操作概念圖 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10頁 CC2530 的溫度監(jiān)測系統(tǒng) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及整體結(jié)構(gòu) 本文的溫度監(jiān)測系統(tǒng)是利用 ZigBee 無線通訊技術(shù)為基礎(chǔ)，采 用 CC2530 芯片為核心設(shè)計(jì)的無線傳感系統(tǒng)。終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器相比不具有串口通信部分而是增加了溫度采集傳感器部分。 無線測溫節(jié)點(diǎn)無線測溫節(jié)點(diǎn)無線測溫節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn) 上位機(jī)ZigBee 無線傳輸串口 圖 系統(tǒng)總體方案圖 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ZigBee 開發(fā)套件 本設(shè)計(jì)所用 ZigBee 開發(fā)套件由節(jié)點(diǎn)（底板和核心板） 2 套、仿真器 1 個(gè)、 10pin 排線1條、 USB 線 2條、 2db 天線 2條和 DS18B20 溫度傳感器 1個(gè)構(gòu)成。 圖 節(jié)點(diǎn)底板電路示意圖 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12頁 在本溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由底板和核心板所組成的兩套節(jié)點(diǎn)分別作為協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)。 RXD RF PTXD RF NCC 2530天線晶振32 MHz32 . 768 kHzUART電源模塊 圖 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn) ② 終端節(jié)點(diǎn) 終端節(jié)點(diǎn)主要由 CC2530 芯片、射頻天線電路、供電模塊、晶振電路以及溫度傳感器DS18B20 五部分組成?？梢詫?shí)現(xiàn)單步調(diào)試、斷點(diǎn)調(diào)試、觀測調(diào)試、數(shù)據(jù)流調(diào)試和觀察寄存器。 CC2530 擁有一個(gè)高性能無線收發(fā)器、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型 8051 微處理器、 8KB 的 RAM、 32/64/128/256KB 閃存、 4種供電模式以及包括 12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 、 2 個(gè)通用串口模塊和 21 個(gè)通用 GPIO 等的強(qiáng)大外設(shè)支持。 CC2530 的微控制器包括：高性能的 8051MCU 內(nèi)核，32/64/128/256KB 閃存， 8KB 內(nèi)存。 圖 CC2530 外圍主電路 DS18B20 概述 DS18B20 是最常用的溫度傳感器之一，具備體積小、成本低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本 設(shè) 計(jì) 所 使用 的 軟件 開 發(fā) 平臺 是 CC2530 適用 的 ，采用 協(xié)議棧。 IAR 集成編譯器主要產(chǎn)品特征：高效 PROMable 代碼、完全標(biāo)準(zhǔn) C 語言 兼容、內(nèi)建對應(yīng)芯片的程序速度和大小優(yōu)化器、目標(biāo)特性擴(kuò)充、版本控制和擴(kuò)展工具支持良好、便捷的中斷處理和模擬、瓶頸 性能分析、高效浮點(diǎn)支持、內(nèi)存模式選擇和工程中相對路徑支持。 Zmain . cMain ()主函數(shù)OSAL . cOsal _ init _ system ()初始化操作系統(tǒng)OSAL