【正文】 sfer to PC, realtime capture and display of environmental temperature and humidity. Key words: ZigBee。 其中 主控制器是 CC2530，選用 DS18B20 和DHT11 傳感器和顯示屏 OLED12864，設(shè)計(jì)一款無線 溫度采集、實(shí)時(shí)顯示的電路。它具有高安全性、低功耗、使用便捷等優(yōu)勢(shì)，是傳統(tǒng)傳感器所不能替代的。 學(xué)校代碼： 11059 學(xué) 號(hào)： 1105021004 Hefei University 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） B A C HE L OR D I SSE RTAT I ON 論文題目： 基于 ZigBee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 學(xué) 位類別： 工 學(xué) 學(xué) 士 學(xué)科專業(yè)： 通 信 工 程 作者姓名： 汪 飛 導(dǎo)師姓名： 顧 涓 涓 完成時(shí)間： 2020528 1 基于 ZigBee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 中 文 摘 要 現(xiàn)如今 越來 越多的產(chǎn)業(yè)在發(fā)展，在發(fā)展過程中，溫度 對(duì) 設(shè)備能否正常工作 有著決定性作用 。 而此時(shí) ，傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)設(shè)備已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的需求，應(yīng)用而生的是新的無線溫度檢測(cè)設(shè)備，通過無線連接來檢測(cè)和傳輸溫度，這其中應(yīng)用很廣泛的就是 ZigBee 技術(shù) 。 本次設(shè)計(jì) 是基于 ZigBee 技術(shù) 的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) ，設(shè)計(jì)的主要 部分 有以下幾點(diǎn) ：溫濕度采集模塊、無線傳輸模塊、顯示模塊。 本設(shè)計(jì) 完成 了數(shù)字傳感器采集溫 度，在顯示屏上顯示，然后通過 ZigBee 技術(shù)傳輸給協(xié)調(diào)器，再通過協(xié)調(diào)器傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫濕度的實(shí)時(shí)采集和顯示 。 CC2530。 OLED12864。比如說當(dāng)鍋爐里的溫度過高時(shí)，就有可能會(huì)出現(xiàn)事故，這時(shí)我們就必須要對(duì)它的溫度進(jìn)行 實(shí)時(shí) 檢測(cè)，確保安全性。 所以我們就經(jīng)常需要對(duì)它 進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控。此時(shí)首先想到的就是通過無線通信技術(shù)來進(jìn)行監(jiān)控。其中個(gè)人無線域網(wǎng) WPAN 中就包含了 ZigBee 無線技術(shù)。給我們?cè)趥鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)方面提供了全新的思路。本次 課題研究的目的是為了了解 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的工作原理，采用 ZigBee 模塊、 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器 和 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器 ，設(shè)計(jì)一個(gè)基于 ZigBee 技術(shù)的溫 濕 度采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫 濕 度的實(shí)時(shí)采集和顯示，并通過 ZigBee協(xié)議傳給上位機(jī)。 課題研究的意義 和傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)作比較， ZigBee 技術(shù)具有 很多的優(yōu)點(diǎn) ，比如說它的成本很低、功耗低、傳輸?shù)难訒r(shí)很短、包含的信息容量大并且傳輸過程精度和安全性 都很高。它在 距離短、范圍小的基于無線通信的控制領(lǐng)域 很適用 ， 并且它還彌補(bǔ)了傳統(tǒng)傳感器很多不足的地方。 所以在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用 非常的廣泛。 (2) 實(shí)現(xiàn)溫 濕 度采集 本設(shè)計(jì)通過數(shù)字傳感器 DS18B20 和 DHT11 采集環(huán)境 中 的實(shí)時(shí)溫度 信息 。 第二章 ZigBee 簡介 ZigBee 概述 ZigBee 這個(gè)詞來源與蜜蜂的 ZigZag 形式的舞蹈，它是一種復(fù)雜度、成本、功耗、速率都非常低的近距離無線組網(wǎng)通信技術(shù) [1]。 ZigBee 協(xié)議是基于 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的，由 ZigBee 聯(lián)盟和 IEEE 共同制定。在 2020 年成立了 ZigBee 聯(lián)盟，提供網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層定義了 ZigBee 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層（ NWK）、應(yīng)用層（ APL）和安全服務(wù)規(guī)范。 分別支持 20kbps、40kbps 和 250kbps 的傳輸速率， 10 及 16 個(gè)不同的信道 [3]。 處于不同頻段的 ZigBee 體系，在工作時(shí)它的碼片速率和調(diào)制的方式也是不同的，如下表 1 所示。它的主要工作就是 產(chǎn)生和 管理信標(biāo)、信道接入 和斷開 等。它的主要工作就是加入和離開網(wǎng)絡(luò)機(jī)制， ZigBee 協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)層的功能還有負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò) 。它的拓?fù)湫问揭灿腥N： 分別是 星型結(jié)構(gòu)、樹型結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在 ZigBee 中就是 由多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和一個(gè)協(xié)調(diào)器 進(jìn)行連接而 組成的。 樹型結(jié)構(gòu)是星型結(jié)構(gòu)的延續(xù)，它 的整體模型也和星型結(jié)構(gòu)差不多，外圍多個(gè)結(jié)構(gòu)和一個(gè)中心相連，而這里的外圍結(jié)構(gòu)是已經(jīng)組好的星型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，然后這些星型網(wǎng)絡(luò)再和一個(gè)協(xié)調(diào)器連接，構(gòu)成樹型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是終端節(jié)點(diǎn)之間 相互連接并 能夠進(jìn)行通信。 本次設(shè)計(jì)采用的就是星型結(jié)構(gòu)，因?yàn)闃?gòu)架這個(gè)網(wǎng)絡(luò)比較方便，切根據(jù)設(shè)計(jì)要求，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)類型已經(jīng)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。 圖 1 星型結(jié)構(gòu)示意圖 ZigBee 協(xié)議棧 簡介 什么是 ZigBee 協(xié)議棧？它和 ZigBee 寫有有什么關(guān)系？簡單來說，協(xié)議是通信標(biāo)準(zhǔn)，而協(xié)議棧就是具體實(shí)現(xiàn)這些標(biāo)準(zhǔn)，為用戶和這些協(xié)議之間提供一個(gè)接口，讓我們能夠使用這個(gè)協(xié)議，從而來實(shí)現(xiàn)無線傳輸 [6]。 圖 2 ZigBee 協(xié)議層架構(gòu) 5 由圖 可以看出， 整個(gè) ZigBee 協(xié)議 體系是由 物理層 PHY、 介質(zhì)接入控制子層 MAC、網(wǎng)絡(luò)層 NWK、 應(yīng)用支持層 APS 和 應(yīng)用層 APL 這 5 個(gè)層構(gòu)成 [7]。 ZigBee 協(xié)議棧將這 5 個(gè)層定義的協(xié)議都整合到了一起，并且寫成了函數(shù)的形式，通過 APL 用戶就可以直接用了。 表 2 ZigBee 協(xié)議棧分層信息表 如何使用協(xié)議棧 協(xié)議棧簡單說就是調(diào)用它的代 碼、函數(shù)庫 [9]。比如說我現(xiàn)在想把數(shù)據(jù)從一個(gè)設(shè)備傳輸?shù)搅硗庖粋€(gè)設(shè)備， 下面 是 實(shí)現(xiàn) 一個(gè)簡單的 無線數(shù)據(jù)傳輸 過程 的一般步驟： （ 1） 建立組網(wǎng)： 調(diào)用協(xié)議棧的組網(wǎng)函數(shù)和加入網(wǎng)絡(luò)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立和終端的加入； （ 2） 發(fā)送端發(fā)送：此時(shí)要調(diào)用無線發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)； （ 3） 接收端接收：此時(shí)要調(diào)用無線接收數(shù)據(jù)函數(shù)。 假如 我們 使 用一般的溫度傳感器來采集溫度信號(hào)， 它輸出的就是模擬信號(hào)， 這 時(shí)我們 就 需要設(shè)計(jì) 很多其他的電路模塊，比如 說 信號(hào)調(diào)節(jié)電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路及相應(yīng)的接口電路， 通過這些轉(zhuǎn)換，才能把傳感器輸出的模擬信號(hào)變 換成數(shù)字信號(hào) 從而送到上位機(jī) 。 所以溫度檢測(cè)系統(tǒng)有兩個(gè)關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)：選擇 溫度傳感器的種類和設(shè)計(jì)主控單元。 傳感器的選擇 方案一 ：使 用熱敏電阻來 測(cè)量溫度， 這個(gè) 可以測(cè)量 40 攝氏度到 90 攝氏度 的溫度區(qū)間，可是這個(gè) 熱敏電 阻的 是通過感知溫度的變化而電阻值發(fā)生變化，從而測(cè)的溫度，所以它的測(cè)量精度、重復(fù)性和可靠性 都 比較差，對(duì)于檢測(cè)溫度變化區(qū)間 比較小的 情況下 是不適用的。 可 是這些傳感器 輸出的溫度信號(hào)都不是數(shù)字信 7 號(hào)，這樣 就要經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后才可以傳 送 到計(jì)算機(jī)上 ，這樣 我們就要設(shè)計(jì)一些外圍電路來完成這個(gè)轉(zhuǎn)換，使 我們?cè)谠O(shè)計(jì)測(cè)溫裝置結(jié)構(gòu)的過程變得較復(fù)雜。就算它能完成多點(diǎn)測(cè)量的工作 ， 它實(shí)現(xiàn)這個(gè)任務(wù)的過程也不簡單，肯定繁瑣 ， 這樣 一定程度上也增加了設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)的難度。 而且 這個(gè)芯片的工作性質(zhì)非常的穩(wěn)定，是一個(gè)能夠用在工業(yè)中測(cè)量溫度的元器件。 DS18B20 還有一個(gè)最大的特點(diǎn)，就是運(yùn)用單總線的數(shù)據(jù)傳輸模式，它輸出的溫度信號(hào)就是數(shù)字信號(hào)，可以直接和上位機(jī)連接起來。 方案四：采用 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器進(jìn)行測(cè)量溫度和濕度。而且體積小、功耗低，能夠很好的運(yùn)用在日常的生活 中 。集成化 的電路 ，讓整 個(gè) 電路 系統(tǒng)看起來更加清楚，在構(gòu)建電路和做 電路方面更加方便和快捷。所以在將來 電路發(fā)展的一個(gè) 趨勢(shì) 肯定就是 采 用集成化的芯片 。 8 主控部分的選擇 表 3 CC2430 和 CC2530 功能對(duì)比表 由上表可知， 和 CC2430 相比 ， CC2530 芯片 在 很多性能 方面比 CC2430 有了重大改進(jìn) ，比如說我們比較注重的封裝尺寸、內(nèi)存大小和 RF 性能等方面 。 顯示器的選擇 方案一： 液晶顯示字符大多 數(shù)都是按照行數(shù)或列數(shù)、 液晶點(diǎn)陣線 的方式進(jìn)行 命名。類似于 1601， 1602， 0802等命名。 方案二：采用 OLED 顯示屏，它的工作電壓、適用溫度范圍都很廣， 構(gòu)造很簡單，并且有自發(fā)光、對(duì)比度高、范瑛速度快這些優(yōu)勢(shì)。所以選用方案二。具體的工作流程示意圖如下圖 4 所示。 圖 5 整體硬件電路設(shè)計(jì) 10 DHT11 溫濕度傳感器介紹 DHT11 是 既能測(cè)量溫度又能測(cè)量濕度 的傳感器，它輸出的數(shù)字信號(hào)。所以它性價(jià)比非常高、很強(qiáng)的抗干 擾能力等優(yōu)勢(shì)。 圖 6 DHT11 實(shí)物圖 DHT11 的主要特性： (1) 工作電壓范圍： 伏特到 伏特，能有適應(yīng)很廣闊 范圍的工作電壓； (2) 測(cè)量的范圍：能測(cè)量 20— 90%的濕度和 0— 50 攝氏度的環(huán)境，并且精度都很高，測(cè)濕度時(shí)的精度為 177。 2 攝氏度； (3) 有很好的互換性，可以實(shí)現(xiàn)完全互換； (4) 溫度性非常好，長時(shí)間用是精度仍然很高。 11 圖 7 DHT11 引腳圖 DS18B20 溫度傳感器 介紹 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器 只有 3 個(gè)引腳，一個(gè)是供電的，一個(gè)是接地的，還有一個(gè)是信號(hào)的輸入口，所以在進(jìn)行焊接方面很簡單 ， 而且在包裝好了 以后 還 可以用在很多場(chǎng)合 。 用的時(shí)間長 、 占用空間小、用的時(shí)候方便 、封裝的形式 有多種 、 所以在各種狹隘 的空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域 都能用 。 是從 零下 55 到 125 攝氏度 ， 當(dāng) 在 零下 10 到 85 攝氏度時(shí) 可以達(dá)到 攝氏度 的測(cè)量 精度 ； (6) 通過編程，可以實(shí)現(xiàn) 攝氏度、 攝氏度 、 攝氏度和 攝氏度的測(cè)量精度； (7) 負(fù)壓特性：當(dāng)不小心把電源 的正、負(fù)兩極 接反 了 的時(shí)候，它的芯片也 會(huì)避免 被損壞，但是此時(shí)不能 進(jìn)行 工作。 圖 8 DS18B20 引腳圖 ZigBee 模塊 介紹 主控芯片 CC2530 本設(shè)計(jì) 的控制電路 采用 的是 CC2530 芯片， 它 具有 32KB、 64KB 和 128 kB 的編程閃存， 因?yàn)樗?結(jié)合了一個(gè) DSSS 射頻收發(fā)器核心 、內(nèi)存 和一個(gè)很小的 8051 控制器 ，所以 RAM也達(dá)到了 8kB[11]。 其功能引腳圖如圖 9 所示。 圖 10 CC2530 最小系統(tǒng)圖 14 ZigBee 無線收發(fā)模塊介紹 圖 11 ZigBee 無線收發(fā)模塊實(shí)物圖 這個(gè)模塊 用到的技術(shù)主要就是射頻技術(shù)， 硬件方面 主要是 由 CC2530 芯片 和少量無源器件（電阻、電容、電感和 PCB 天線） 組成的無線收發(fā)模塊，它的收發(fā)頻率是 ，輸出功率最大是 8dBm,它的工作電壓范圍是 — 。 它的原理圖如下圖 12 所示。它的工作原理是液晶分子在電場(chǎng)作用的情況下分子排列順序遭到破壞，所以出現(xiàn)了一系列的光學(xué)現(xiàn)象。而且它 的 有機(jī)發(fā)光層的材料 所決定覺得了它 發(fā)出什么樣顏色的光 。 OLED12864 介紹 OLED12864 工作電壓在 3V 到 10V 之間，工作的溫度可以在 40 攝氏度到 85 攝氏度。 16 圖 13 OLED12864 實(shí)物圖 如下表，是 OLED12864 的接口說明。 OLED12864 引腳圖如下圖 14 所示。 本 次設(shè)計(jì) 的電源模塊電路圖如下 圖 15 所示。發(fā)射部分的主要工作就是采集溫度數(shù)據(jù)和這些數(shù)據(jù)處理完后發(fā)射出數(shù)字信號(hào)，接收部分的工作就是對(duì)發(fā)射端發(fā)射出來的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行接收和處理，并且將 它顯示出來。 圖 16 系統(tǒng)總流程圖 第六章 系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析 硬件調(diào)試 和分析 根據(jù) ZigBee 電路的仿真設(shè)計(jì)，對(duì)這個(gè)電路的每個(gè)模塊 都 進(jìn)行測(cè)試。具體 調(diào)試的過程中 出現(xiàn) 的 故障 有下面幾種 。 結(jié)束 數(shù)據(jù)處理 接受完成 否A/D轉(zhuǎn)換 是/D轉(zhuǎn)換 否A/D轉(zhuǎn)換 是/D轉(zhuǎn)換 CC2530 天線接收 是/D轉(zhuǎn)換 是/D轉(zhuǎn)換 否A/D轉(zhuǎn)換 天線發(fā)射 無線發(fā)射模塊 數(shù)據(jù)采集 CC2530 開始 初始化 否A/D轉(zhuǎn)換 19 調(diào)試過程：把這個(gè)屏放在別的電路上，能正常顯示，所以這個(gè)屏是沒有問題的 ，出錯(cuò)的原因是它的串口程序編寫出現(xiàn)錯(cuò)誤。在開始移植驅(qū)動(dòng)時(shí)就出現(xiàn) 過錯(cuò) ，所以出錯(cuò)。 (2) 溫度數(shù)據(jù)采集好后不能傳輸?shù)?協(xié)調(diào)器 可能原因：數(shù)據(jù)不能傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，可能是天線出現(xiàn)