环境空气质量监测系统中中心节点设计.docx

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1、题目:环垸变/质量盥测余统中中心节点设计随着人们对低速率无线个人域网的应用需求越来越大,ZigBee技术在近年来得到了快速的发展。由于ZigBee技术具有低功耗、成本低、低速率、近距离和网络容量大等特点，使得其得到了广泛的应用，具有十分广阔的研究前景。ZigBee协议符合OS1体系结构，ZigBee网络分为4层，从下向上分别为物理层（PH1）s媒体访问控制层（MAC）、网络层（NWK）和应用层（AP1）,ZigBee的最底层物理层和MAC层使用IEEE802.15.4协议。ZigBee网络包含两种功能类型设备：全功能设备中心节点和精简功能设备子节点，包含三种类型的节点，即协调器ZC、路由器ZR

2、和终端设备ZE,支持星状网，树状网和网状网三种网络拓扑结构，分为信标和非信标两种工作模式。本文在对无线传感器及其网络协议技术分析的基础上，提出了基于ZigBee协议的无线测温网络中中心节点模块的设计方案。方案中使用STC12A32S2微控制芯片和CC2530无线模块搭建了一个基于ZigBee技术的中心节点全功能模块，该模块通过DS3231进行精确的定时，并且采用无线数传模块与上位机通信。中心节点在网络中充当中心节点和协调器的作用，负责向终端节点查询温度的信息，然后反馈给计算机，达到无线测温的目的。关键词：无线传感网络；ZigBee；CC2530；温度；湿度；AbstractRecent1yZi

3、gBeeisdeve1opingatahighspeedbecausetheapp1icationdemandon1ow-ratewire1esspersona1areanetworkisincreasing.ZigBeetechno1ogyhasbeenwide1yapp1iedin1ifeasithasthefo11owingkeyfeatures：1owpower,1owcost,1owdatarate,shortdistanceand1argenetworkcapacity.Ithasverybroadprospectsforresearch.AccordingtotheOpenSys

4、temInterconnection(OSI)referencemode1,ZigBeenetworkisdividedinto41ayers,respective1y,fromthebottomtoupisphysica11ayer(PH1),mediaaccesscontro11ayer(MAC),network1ayer(NWK)andapp1ication1ayer(AP1).TheIEEE802.15.4definesthetwo1ow1ayers：physica11ayer(PH1),mediaaccesscontro11ayer(MAC);thenetwork1ayer(NWK)

5、andapp1ication1ayer(AP1)aredefinedbyZigBeeA11iance.Each1ayerprovidesdatatoitsupperormanagementservices.ZigBeeapp1ication1ayeriscomposedbytheapp1icationsupport1ayer(APS),ZigBeedeviceobject(ZDO)andmanufacturer-definedapp1icationobjects.ZigBeenetworkcontainstwokindsoffunctiondevices：fu11functiondevice(

6、FDD)andreducedfunctiondevice(P1p,M),threekindsofnodes：ZigBeeCooridnator(ZC)，ZigBeeRouter(ZR)andZigBeeEnddevice(ZE),supportsthreekindsofnetworktopo1ogy：Starnetwork,C1ustertreenetworkandmeshnetwork；supportstwokindsofworkingmode：beaconmodeandnon-beaconmode.Throughtheana1ysisofwire1esssensoranditsnetwor

7、kprotoco1,amethodisproposedfortemperaturemeasurementbasedonZigBeeprotoco1wire1essnetwork中心节点modu1edesign.TheprogramistheuseofSTC12A32S2microchipandCC2530radio-chiptobui1tafu11functiondevicebasedonZigBeetechno1ogy.Themodu1eproducingprecisetimingwiththeDS3231andusingwire1essdatatransmissionmodu1ecommu

8、nicatewithcomputer.中心节点actascentra1nodeandthecoordinatorro1einthenetwork,responsib1eforthetemperaturetothetermina1nodeinformationqueries,andthenbacktothecomputersoastoachievethepurposeofthewire1essmeasuringtemperature.Keywords:Wire1essSensorNetwork;ZigBee;CC2530;TemPeratUre;HUmidityAbstract3引言5第1章绪论

9、61.1 课题背景61.2 国内外研究现状61.3 课题研究的目的和意义7第2章ZigBee协议及其网络结构72.1 ZigBee网络结构概述72.2 ZigBee协议72.3 系统架构8第3章系统硬件电路的实现83.1 ZigBee系统的总体结构83.2 方案实现总框图93.3 SZ05-ZBEE嵌入式无线通信模块103.4 PC机接口电路123.5 温湿度数字传感器123.6 光照传感器12第4章系统软件的实现134.1 总流程图134.2 子程序模块分析144.2.1 初始化子程序段144.2.2 外部中断子程序144.2.3 串行中断1子程序144.2.4 串行中断2子程序154.3

10、系统软件对功耗的影响16第5章系统性能测试175.1 通信距离测试175.2 数据传输速率测试18第6章结论与展望196.1 结论196.2 展望19参考文献21附录A无线测温网络中中心节点模块的原理图22附录B无线测温网络中中心节点模块的PCB23附录C源程序24引言近年来，智能家居、无线通信、无线控制、无线定位、无线组网等词语的不断映入人们眼帘。由于IT产业的迅速发展、网络的普及、家居用具的智能化以及单片机具有强有力的功能，使得它逐渐来到人们身边，进入我们的日常生活。日益相关的知识报道足以预测这类新技术一定具有很强大的生命力和广阔市场前景。ZigBee从开始的设计阶段就重点考虑了功耗的问题

11、，大多的中心节点都是由电池供电。ZigBee技术的工作周期短，收发信息功耗低，休眠模式等方法降低了传感器网络节点的功耗，减少了ZigBee网络的成本。除了省电的优点外，Zighee技术也非常可靠。同时，ZigBee技术的成本较低，ZigBee通信协议免专利费；时延短，优化了时延敏感部分的应用；网络容量较大，一个ZigBee网路最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域最多可同时存在IOO多个ZigBee网络；ZigBee的功能包括检查数据完整性。本设计在ZigBee协议的基础上，提出了中心节点设计方案，完成了设计硬件电路和程序编写，最后完成了对整个网络系统的测试和数据分析。第1章绪论无线

12、传感器网络(WireIeSSSenSOrNetWOrk,WSN)是一类特殊Ad-hoc网络，由众多无线传感器的节点组织在一起的，这些小型的节点具有无线通讯、数据采集和协同合作的能力，可以用于电源供给和布线困难或工作人员不能到达指定的区域(如受到污染大、环境不能被破坏或敌对的区域)和一些临时的场合等等。无线传感器的网络节点可以随机的或者特定的安放在目标环境中，它们之间的通讯通过对特定的协议组织起来，就能获得周围环境的相关信息并且相互协同工作以完成特定任务。在军事国防、抢险救灾、农业、环境监控、城市管理等许多重要场合都有很大潜在的使用价值，具有十分广阔的市场前景和应用前景。开发无线传感器网络采用的

13、协议取决网络具体应用范围。ZigBee协议是为安全系统、家庭控制、建筑自动化等方面设计的一种无线传感器网络协议。本文将分析ZigBee协议的结构并基于ZigBee协议实现一种温湿度、光照传感器网络系统。1.1 课题背景随着当今社会的迅速发展，人们对通信技术的要求正在不断提升，无线通信网络技术在其中扮演着的角色越来越重要。无线通信网络技术按照传输的范围来划分，可以分为无线城域网(WMAN),无线广域网(WSN),无线局域网(W1AN)和无线个人域网(WPAN)o其中的无线个人域网就是所谓的短距离通讯无线网络，不仅如此各种短距离无线通讯传输技术更是层出不穷：蓝牙(B1UetOoth)、ZigBee

14、WiFi、无线USB,UWB等。由于ZigBee技术成本低、低功耗、时延短、容量大、可靠度高、安全传输等众多优点，所以它主要应用在短距离内的低速电子设备间的数据传输，因此非常适用在家电和小型电子的无线指令传输等。1.2 国内外研究现状传感器网络系统研究方是当今通讯研究方向前沿性的热点之一，具有很大的科学研究意义和广阔的应用前景，已被公认为21世纪最具研究价值的课题之一。我国对传感器网络系统方面的研究起步较晚，近两年才受到通讯领域的关注。国家重大研究项目中包含在“十五”科技攻关项目中的传感器网络。在民用方面，交通、环境监控、生态保护、工业控制等方面，我们可以用传感器网络及时准确的进行全方面的检测

15、和控制。1.3 课题研究的目的和意义温湿度、光照感应和监测技术在社会生产生活各个方面都有广泛应用，如环境检测、医疗保健、科研等。目前，此项设计的意义在于对无线测温的电池供电产品化、实用化作出有益的尝试。对无线传感器网络节点的体系结构及各个模块的能量消耗情况进行了初步的分析，提出并解决无线传感器网络中心节点构架设计的系统方式，确定中心节点主动的协调方式的架构设计。ZigBee通讯技术作为一种短距离通信技术，根据ZigBee通讯协议所定义的标准，若能够实现协议库的封装及模块化，使得协议在不同的硬件平台间，不同的应用系统间的能够便捷移植，才能给我们解决ZigBee实际应用中的所存在的问题带来更大的自

16、由度和选择性。第2章ZigBee协议及其网络结构2.1 ZigBee网络结构概述利用ZigBee技术所组建的是一种低传输率的无线个域网(1C)WRateWire1essPersona1Network,1R-WPAN),网络的基本结构成为“设备(DeViCe)”。网络中的设备按照其功能不同可分为两种：中心节点和子节点。.其中中心节点可以作为个域网的主协调器、协调器，也可以作为终端设备实用。在一个网络里至少需要一个主协调器。而中心子节点功能非常简单，可以用最低端的MCU实现，在网络了只能作为不需发送大量数据的终端设备，只能和特定的中心节点进行通信。2.2 ZigBee协议ZigBee协议底层是基于IEEE802.15.4无线通讯协议。下图2-