【正文】 ...........................................................................................................28參考文獻(xiàn) .........................................................................................................................29致謝 .................................................................................................................................31附錄 A 模擬實(shí)驗(yàn)源程序 ...............................................................................................32 主程序 ..................................................................................................................................32 數(shù)據(jù)發(fā)送子程序 .................................................................................................................34 片內(nèi)溫度傳感器程序 ..........................................................................................................36 DS18B20 傳感器程序 ..........................................................................................................37附錄 B 模擬實(shí)驗(yàn)二實(shí)物圖 ...........................................................................................421 緒論 課題的內(nèi)容及背景數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，它與傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)一起構(gòu)成了現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ) 。在工業(yè)生產(chǎn)和控制中，應(yīng)用這一系統(tǒng)可以采集工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度、電壓、電流等諸多參數(shù)，將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字量并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算處理后，所得的結(jié)果可以反饋給用戶或控制系統(tǒng)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本。]2[本課題主要來源于礦山單體液壓支柱壓力監(jiān)測(cè)。在數(shù)據(jù)傳輸方式上，分為有線傳輸和無線傳輸兩種。在有些場(chǎng)合，如高腐蝕性、現(xiàn)場(chǎng)無法實(shí)現(xiàn)明線連接等環(huán)境，采用傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸采集系統(tǒng)已經(jīng)滿足不了數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)男枰?。在這種情況下，無線方式是一種有效的替代方式。工業(yè)環(huán)境下的無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)是近年來新的發(fā)展趨勢(shì)，將無線技術(shù)引入數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，可以解決某些不便布線環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集問題，克服有線網(wǎng)絡(luò)布線麻煩和維護(hù)困難的缺點(diǎn)，提高采集系統(tǒng)的適應(yīng)性。 短距離無線技術(shù)比較短距離無線通信技術(shù)已在我們?nèi)粘Ｉ钪械玫搅藦V泛的應(yīng)用，目前主要有WiFi、藍(lán)牙、IrDA、ZigBee 等 。其也有不同之處，如表 所示。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大大超過其他短距離傳輸技術(shù)，展示了高容量的節(jié)點(diǎn)。通過對(duì)上述技術(shù)特點(diǎn)的比較和分析，在礦山中節(jié)點(diǎn)到路由節(jié)點(diǎn)最多 100 米的有限范圍內(nèi)，控制網(wǎng)絡(luò)非基于 ZigBee 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)莫屬。而采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化的設(shè)計(jì)可以大大降低成本，2025OKbps 的低速率也能過滿足數(shù)據(jù)采集和控制，由 ZigBee 聯(lián)盟專門設(shè)計(jì)的安全層則可以保證節(jié)點(diǎn)信息的不被泄露，毫無疑問，ZigBee 技術(shù)是礦山數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化方案的最佳選擇，搭建這樣一個(gè)平臺(tái)后也可以與其它網(wǎng)絡(luò)的連接做到無縫連接。(2) 高度擴(kuò)充性:ZigBee 可采用星狀、對(duì)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理 254 個(gè)子節(jié)點(diǎn)。(3) 自組織功能:無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)。 論文的主要工作及結(jié)構(gòu)根據(jù)本論文的實(shí)際情況，根據(jù) ZigBee 技術(shù)，完成無線壓力的數(shù)據(jù)采集部分的硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件部分的設(shè)計(jì)。：確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，給出系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，根據(jù)芯片比較，選定方案所用元件及講述所用到的關(guān)鍵技術(shù)。：介紹軟件開發(fā)環(huán)境，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于模塊化的設(shè)計(jì)思路，本論文中按照所完成不同的功能設(shè)計(jì)不同模塊，給出系統(tǒng)的各部分模塊的程序流程圖及其具體實(shí)現(xiàn)。：根據(jù)軟硬件調(diào)試的結(jié)果，以及系統(tǒng)整體調(diào)試情況，完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則低功耗考慮到系統(tǒng)應(yīng)用于無法布線環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集，因而采集的終端節(jié)點(diǎn)電源由電池來提供，由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行的長(zhǎng)期性及更換電池的諸多不便，采集節(jié)點(diǎn)必須具有低功耗，以確保系統(tǒng)在電池供電條件下能正常工作半年以上。自組織性， 自適應(yīng)性采集終端設(shè)備位置的頻繁更換和網(wǎng)絡(luò)控制器的癱瘓等，都可能引起拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化和無線通信不暢，從而使整個(gè)采集系統(tǒng)停止工作等。 系統(tǒng)的硬件的組成傳感器ZigBee 無線芯片 ZigBee 無線芯片液晶顯示上位機(jī)報(bào)警電路無線通信無線圖 基于 ZigBee 技術(shù)的無線壓力測(cè)量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)由圖 可知傳感器與無線芯片的連接為數(shù)據(jù)采集部分，無線芯片與液晶的連接為就地顯示部分。 關(guān)鍵技術(shù)的介紹 ZigBee 技術(shù)簡(jiǎn)介及主要特點(diǎn) ]9[8傳統(tǒng)的無線技術(shù)，往往設(shè)備的成木高、體積大和能源消耗大，如果針對(duì)現(xiàn)實(shí)中存在應(yīng)用需求:傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常為小量的突發(fā)信號(hào)，數(shù)據(jù)量小，并要求實(shí)時(shí)傳輸，往往無法滿足。 是新興的無線通訊協(xié)議，是 IEEE 確定的低速個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。2022 年，日木三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司、英國 Invensys 公司和荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司共同宣布加入 ZigBee 聯(lián)盟，研發(fā)名為“ZigBee”的下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee 從 標(biāo)準(zhǔn)開始著手，定義了允許不同廠商制造的設(shè)備相互兼容的應(yīng)用綱要。涵蓋了消費(fèi)類電子廠商、IP 服務(wù)提供商、半導(dǎo)體生產(chǎn)商及 OEM 商等，所有這些成員公司都參加了負(fù)責(zé)開發(fā) ZigBee 的 PHY 和 MAC 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的 工作組。ZigBee 定義了一個(gè)安全靈活的網(wǎng)絡(luò)層，支持種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在動(dòng)態(tài)的射頻環(huán)境中提供高可靠性的無線傳輸。ZigBee 技術(shù)的主要特點(diǎn)包括以下幾個(gè)部分:(1) 低功耗: 在工作模式下，由于 ZigBee 技術(shù)的傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量小，因此信號(hào)收發(fā)時(shí)間短；在非工作模式下，ZigBee 節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)。(2) 可靠性:ZigBee 的媒體接入控制層(MAC 層)采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。(3) 時(shí)延短: 通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延 30ms,休眠激活的時(shí)延是 15ms, 活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為 15ms。(4) 網(wǎng)絡(luò)容量大： 一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可以容納 254 個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備， 一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多 100 個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò), 而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。 ZigBee 協(xié)議體系結(jié)構(gòu) ]10[ZigBee 聯(lián)盟制定的是一種低成本、低功耗，雙向的無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 標(biāo)準(zhǔn)定義了ZigBee 的物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)。ZigBee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)體系見圖 ，雖然基于標(biāo)準(zhǔn)的七層開放式系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）模型，但僅對(duì)那些涉及 ZigBee 的層予以定義。ZigBee 聯(lián)盟提供網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層（APL）的設(shè)計(jì)，其中應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層（ APS） 、ZigBee 設(shè)備對(duì)象（ZDO）和由制造商制訂的應(yīng)用對(duì)象。通過該接可以喚醒層管理服務(wù)功能，同時(shí)也負(fù)責(zé)維護(hù)與物理層相關(guān)的一些管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(PIB) 。物理層主要完成以下幾項(xiàng)任務(wù)：開啟和關(guān)閉無線收發(fā)機(jī)、能量檢測(cè)（ED） 、鏈路質(zhì)量指標(biāo)（LQI ） 、空閑信道評(píng)估（CCA） 、信道選擇、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。MAC層管理實(shí)體提供可以喚醒MAC層管理服務(wù)的服務(wù)接口，同時(shí)也維護(hù)一個(gè)與MAC層相關(guān)的管理對(duì)象數(shù)據(jù)庫(MIB)。另外，MAC層能支持多種LLC標(biāo)準(zhǔn)，通過業(yè)務(wù)相關(guān)會(huì)聚子層(SSCS)協(xié)議承載802．2類型的LLC標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層對(duì)于ZigBee協(xié)議棧非常重要，每一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)都包含網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)組建網(wǎng)絡(luò)，為新加入網(wǎng)絡(luò)訪分配地址、路由發(fā)現(xiàn)、路由維護(hù)等。為了向應(yīng)用層提供其接口，網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個(gè)必須的功能服務(wù)實(shí)體，它們分別為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體(NLDE)和管理服務(wù)實(shí)體 (NLME)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體完成一些網(wǎng)絡(luò)的管理工作，并且，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息的維護(hù)和管理。APS 子層的任務(wù)是維護(hù)綁定表和在綁定設(shè)備之間傳遞信息。應(yīng)用支持子層給網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層通過ZigBee設(shè)備對(duì)象和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象使用的一組服務(wù)提供了接口，該接口提供了ZigBee設(shè)備對(duì)象和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象使用的一組服務(wù)。APS數(shù)據(jù)實(shí)體(APSDE)通過與之連接的SAP ，即APSDESAP提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。安全服務(wù)層ZigBee 提供的安全服務(wù)包括密鑰建立，密鑰運(yùn)輸、幀保護(hù)和設(shè)備管理的方法。另外，APS 子層為建立和保持安全關(guān)聯(lián)提供服務(wù)，ZigBee 設(shè)備的安全策略和安全構(gòu)架由 ZDO 管理。APL 對(duì)等層之間的單播通信安全主要依靠?jī)蓚€(gè)設(shè)備共享的 128 位鏈接密鑰來保證，而多播(broadcast)通信安全則由網(wǎng)絡(luò)中眾多設(shè)備分享的 128 位網(wǎng)絡(luò)密鑰來保證。 ZigBee 無線芯片選取目前市場(chǎng)上上符合 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)芯片多種多樣。本論文主要使用 Chipcon 和 Ti 公司生產(chǎn)的CC2420 和 CC2430 作為無線傳輸芯片，兩者進(jìn)行比較，確定無線芯片的選取。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于 ZigBee 產(chǎn)品的 RF 器件。CC2420 的選擇性和敏感性指數(shù)超過了 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。CC2420 外圍參考電路圖，如圖 所示，其芯片的主要特點(diǎn)如下：● 工 作 頻 帶 范 圍 ： ～ 。 ● 數(shù) 據(jù) 速 率 達(dá) 250kbps 碼 片 速 率 達(dá) 2MChip/s。 ● 超 低 電 流 消 耗 （ RX:,TX:） 高 接 收 靈 敏 度 （ 99dBm） 。 ● 內(nèi) 部 集 成 有 VCO、 LNA、 PA 以 及 電 源 整 流 器 ， 采 用 低 電 壓 供 電(～ )。 ● MAC 層硬件可支持自動(dòng)幀格式生成、同步插入與檢測(cè)、 16bit CRC 校驗(yàn)、電源檢測(cè)、完全自動(dòng) MAC 層安全保護(hù) (CTR,CBC－MAC，CCM)。● 開發(fā)工具齊全。其方案設(shè)計(jì)如圖 ，本方案使用的傳感器必須為數(shù)字量，若為模擬量，需要在傳感器與 CC2420 之間添加一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其 RF 內(nèi)核是基于工業(yè)領(lǐng)先的射頻通信芯片 CC2420。它具有 1 個(gè) 8 位 CPU（8051），主頻達(dá) 32MHZ，具有最大 128 KB 可編程FLASH 和 8KB 的 SRAM，片內(nèi)外設(shè)非常豐富，主要包括 1 個(gè) 8 通道 8 位至 14 位可編程 ADC 轉(zhuǎn)換器、4 個(gè)定時(shí)器（其中包括一個(gè) MAC 定時(shí)器）、2 個(gè)USART，1 個(gè) DMA 控制器、 1 個(gè) AES128 協(xié)同處理器、1 個(gè)看門狗定時(shí)器、1 個(gè)內(nèi)部穩(wěn)壓器、21 個(gè)可編程 I/O 引腳。I/O 口在輸入時(shí)有上拉和下拉能力。如果需要外部設(shè)備，可對(duì) I/O 引腳產(chǎn)生中斷，同時(shí)外部外部中斷時(shí)間也能被用來喚醒休眠模式。具有 3 種休眠模式,從休眠模式轉(zhuǎn)換到正常模式僅需 54us，特別適合要求電池長(zhǎng)期供電的應(yīng)用場(chǎng)合?！? GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)?！?32，64，128KB在線系統(tǒng)可編程FLASH 。● 的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)。● 多 通 道 DMA控 制 器 ， 非 常 少 的 外 部 組 件 。 ● 較寬的電壓范圍（ ～ V）?！?具有電池監(jiān)測(cè)和溫度傳感器?！?集成 AES 安全協(xié)處理器。● 規(guī)范的 MAC定時(shí)器，1個(gè)16 位定時(shí)器和2個(gè)8位定時(shí)器?！?ZigBee/ 兼 容 的 硬 件 、 物 理 層 。 1 2XTAL21 2XTAL1C441 C431C421C191 C211C241R221 SupplyR261L32110mHL?Inductor L341R14 R14C341Cap AntennaDVDD7RESET_N10131415161718XOSC_Q219AVDD_SOC20XOSC_Q121RBIAS122AVDD_RREG23AVDD_CHP 27VCO_GUARD 28AVDD_VCO 29AVDD_PRE 30AVDD_RF1 31RF_P 32TXRX_SWITCH 33RF_N 34AVDD_SW 35