基于zigbee的温湿度传感器设计.docx

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基于zigbee的温湿度传感器设计

宁夏大学新华学院

本科毕业设计

（2015届）

题目基于ZigBee的温湿度传感器设计

系别信息与计算机科学系

专业电气工程及其自动化

年级2011级

学生学号12011247112

学生姓名刘培新

指导教师刘大铭

2015年4月23日

摘要

无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感器节点密集布设在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自治测控网络系统。

大量传感器节点通过相互之间的分工协作，可实时感知、监测与采集分布区域内的监测对象或周围环境的信息。

无线传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求，前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。

随着传感器网络技术的逐步发展，它的应用也越来越广泛,无线传感器网络也被要求有更小功耗，更低成本，以及更方便使用的性能，在这种情况下，ZigBee技术应运而生。

ZigBee技术是一种短距离无线双向通信技术，该技术拥有协议简单、功耗低、组网能力强、网络容量大、时延短、安全、可靠及成本低等优点，具有路径选择、自动连结网络及自我恢复等功能。

预计将在消费类电子设备、家庭智能化、工控、医用设备控制、农业自动化等领域获得广泛应用。

本文首先介绍了无线传感器网络的基础知识与研究现状；然后深入分析了ZigBee协议，给出了各层的功能；之后，设计了ZigBee节点模块与温湿度传感模块，并在此硬件基础上设计了具有基本功能的ZigBee协议栈，同时提出了一种基于ZigBee的组网算法，通过扫描信道、建立网络与建立节点间的关联三个步骤构建了一个简单的网络层，实现了无线传感器组网功能；在此基础上本文设计一个小型的温度湿度监控网络系统；最后，对论文进行总结，提出今后的研究工作方向。

关键字：

ZigBee；温湿度传感器；无线通信；无线温湿度传感器系统

Abstract

Wirelesssensornetworks（WirelessSensorNetwork,WSN）iscomposedofalargenumberofubiquitous，tinysensornodeshavetheabilitytocommunicatewiththeintensivecomputinglaidinthemonitoredareaunattendedconstitutedabletocompletetheassignedtasksindependentlyaccordingtotheenvironment"smart"autonomyandcontrolnetworksystem.Alargenumberofsensornodesthroughthedivisionoflaborbetweenthem,real-timesensing,monitoringandgatheringinformationonthedistributionareaoftheobjectorthesurroundingenvironment.Wirelesssensornetworksandtraditionalnetworkshavedistincttechnicalrequirements,theformerdata-centric,thelatterforthepurposeoftransferringdata.Withthegradualdevelopmentofsensornetworktechnology,itsapplicationsareincreasinglywidespread,wirelesssensornetworksarealsorequiredtohaveasmallerpowerconsumption,cost,andperformanceismoreconvenienttouse,inthiscase,ZigBeetechnologytobeshippedborn.

ZigBeetechnologyisashort-rangewirelesstwo-waycommunicationtechnologythathastheprotocolissimple,lowpowerconsumption,strongnetworkingcapabilities,networkcapacity,timeisshort,safe,reliableandlowcost,withapathselection,automaticlinknetworksandself-recoverycapabilities.Itisexpectedtobewidelyusedinconsumerelectronicdevices,intelligenthome,industrial,medicalequipmentcontrol,automation,andotherfieldsofagriculture.

Thispaperintroducesthebasicknowledgeandresearchofwirelesssensornetworks;andin-depthanalysisoftheZigBeeprotocol,giventhefunctionofeachlayer;thendesignedZigBeenodemoduletemperatureandhumiditysensormodule,andisdesignedonthebasisofthishardwaretheZigBeeprotocolstackhasthebasicfunctions,whilenetworkingalgorithmisproposedbasedonZigBee,byscanningchannel,networkingandtheestablishmentofthreestepsassociatednodestobuildasimplenetworklayer,toachieveawirelesssensornetworkfunction;onthisbasis,wedesignasmalltemperatureandhumiditymonitoringnetworksystem;Finally,thepapersummarizestheproposedfutureresearchdirections.

Keywords:

ZigBee;WirelessTemperatureAndHumiditySeneorSystem;WirelessCommunica-

-tion

第1章绪论

1.1引言

信息的生成、获取、存储、传输、处理及其应用是现代信息科学的六大组成部分，其中信息的获取是信息技术产业链上重要的环节之一，没有它就没有信息的传输、处理与应用，信息化也成为了无水之源、无本之木。

随着现代微电子技术、微电机系统MEMS（Micro-Electro-MechanismSystem），片上系统SOC（System-On-Chip）、纳米材料、无线通信技术、信号处理技术、计算机网络技术等的进步以及互联网的迅速发展，传统的传感器信息获取技术从独立的单一化模式向集成化、微型化，进而向智能化、网络化方向发展，成为信息获取最重要与最基本的技术之一。

无线传感器网络是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感器节点密集布设在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自治测控网络系统。

无线传感器网络是一种特殊的Ad-Hoc网络，与传统的网络相比，它是一种以数据为中心的自组织无线网络。

网络中的节点密集，数量巨大且部署在十分广泛的区域；网络拓扑结构动态变化，网络具有自组织与自调整的特点。

网络节点具有成本低体积小、能量极其有限、计算能力、存储能力与通信能力有限的特点，其中节点的能耗是设计节点时考虑的最关键因素。

长期以来，低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。

自从Bluetooth（蓝牙）出现以后，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已，但是Bluetooth的售价一直居高不下，严重影响了这些厂商的使用意愿。

如今，这些业者都参加了IEEE802.15.4小组，负责制定ZigBee的物理层与媒体访问控制层。

IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率（<250kbPs）、工作在2.4GHz与868/928MHz的无线技术，用于个人区域网与对等网状网络。

它是ZigBee应用层与网络层协议的基础。

ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术与蓝牙之间的技术提案，主要用于近距离无线连接。

它依据IEEE802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。

这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高【1】。

ZigBee联盟成立于2001年8月。

2002年下半年，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布，它们将加盟“ZigBee联盟”，以研发名为“ZigBee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。

到目前为止，除了Invensys、三菱电子、摩托罗拉与飞利浦等国际知名的大公司外，该联盟大约已有150家成员企业，并在迅速发展壮大。

其中涵盖了半导体生产商、IP服务提供商、消费类电子厂商及OEM商等，例如Honeywell、Eaton与InvensysMeteringSystems等工业控制与家用自动化公司，甚至还有像Mattel之类的玩具公司。

所有这些公司都参加了负责开发ZigBee物理与媒体控制层技术标准的IEEE802.15.4工作组。

根据ZigBee联盟目前的设想，根据该标准与技术生产的相关产品主要适用于：

智能家居（照明控制、各类窗帘控制、家庭安防、暖气控制、内置家居控制的机顶盒、万能遥控器）、环境检测与控制、自动读表系统、烟雾传感器、医疗监控系统、大型空调系统、工业与楼宇自动化、安全监控、工业控制、传感器控制、停车计费数据传输等诸多领域。

1.2无线传感器网络的研究现状

1.2.1国外现状

无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展与应用，将会给人们的生活与生产的各个领域带来深远的影响。

各国都非常重视无线传感器网络的发展，美国与欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络的研究计划。

特别是美国通过国家自然基金委、国防部等多个渠道投入巨资支持传感器网络技术的研究，同时IEEE也正在努力推进无线传感器网络的应用与发展，美国波士顿大学（BostonUnversity）最近创办了传感器网络协会（SensorNetworkConsortium），期望能促进学院与行业公司之间互相促进传感器联网技术开发。

除了波士顿大学，该协会还包括BP、霍尼韦尔、InetcoSystemsInvensys、L-3Communications、MillennialNet，Radianse、SensicastSystems及TextronSystems。

美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术。

可以预计，无线传感器网络的广泛应用是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。

1.2.2国内现状

我国现代意义的无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首次正式出现于1999年中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的“信息与自动化领域研究报告”中，作为该领域提出的五个重大项目之一【2】。

随着知识创新工程试点工作的深入，2001年中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，旨在引领中国科学院内部的相关工作，并通过该中心在无线传感网络的方向上陆续部署了若干重大研究项目与方向性项目，参加单位包括上海微系统所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、软件所以及中科大等10多个研究所与院校，初步建立传感网络系统的研究平台，在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器节点、簇点与应用系统方面取得了很大的进展，2004年3月相关成果在北京进行了大规模外场演示，部分成果已在实际工程系统中使用。

国内的许多高校也掀起了无线传感器网络研究热潮。

无线传感器网络在民用方面，涉及城市公共安全、公共卫生、安全生产、智能交通、智能家居、环境监控等领域。

国内从事无线传感器网络应用的大企业目前为数不多，小企业呈现蓬勃发展的势头。

1.3无线传感器网络的特点

无线传感器网络是由许许多多功能相同或不相同的无线传感器节点组成，每一个传感器节点由数据采集模块（传感器、A/D转换器）、数据处理与控制模块（微处理器、存储器）、通信模块（无线收发器）与供电模块（电池、DC/AC能量转换器）等组成；同时，无线传感器网络广泛应用于军事、环境检测与预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间管理，以及机场、大型工业园区的安全检测等领域。

无线传感器网络的组成及使用决定了它应该具备以下多项特点：

（1）低功耗

无线传感器网络长期在无人值守的状态下工作，要求网络中节点的平均能耗比现有无线网络（如Bluetooth）中节点的能耗更低。

在一些工业监控应用中，装备纽扣电池的传感器需要在无人值守的情况下工作几个月甚至几年。

而在森林火灾监测等大范围的环境监测应用中，为大量的传感器节点频繁地更换电池是不现实的。

这些典型的应用要求在无线传感器网络运行的过程中，每个节点都要最小化自身的能量消耗，获得最长的工作时间。

（2）低成本

无线传感器网络由成千上万的节点构成，单个节点的价格将极大地影响系统的成本。

为了达到降低成本的目的，需要设计对计算与存储能力要求较低的简单的网络系统与通信协议。

此外，降低系统成本的另一个重要因素是减少系统管理与维护的开销。

无线传感器网络中节点规模很大，人工的管理与维护开销很大，因此需要无线传感器网络系统具有自配置、自修复的能力。

自配置是指在没有人工干预的条件下，网络中的节点能够检测到其它节点的存在并共同组成一个具有一定功能与结构的网络系统。

自修复是指在没有人为干预的条件下，系统能够检测到网络节点或通信链路的损坏并能够从错误状态中恢复。

（3）通用性

无线行李标牌、集装箱定位系统等无线传感器网络的许多应用需要系统能够在世界范围内正常工作。

此外，为了扩大生产规模、开拓市场，一个能在全球范围内正常运转的系统也是必要的。

尽管在理论上，我们可以通过为每个节点安装全球定位系统（GPS）接收器并根据地理位置信息来调整节点行为的方法解决这一问题，但接收器的成本很高，难以大量使用。

因此，需要采用一种被各国政府允许的通用设计。

（4）网络拓扑

传统的星形结构包含一个主结点，一个或多个从节点。

在通信时，主结点与从节点可以直接通信，从节点间的通信需要依靠主节点转发。

星型结构适合在一些小规模网络中使用。

在无线传感器网络系统中，节点规模很大，节点间以一种对等、多跳的方式通信，系统的动态性很强。

需要设计一种适合无线传感器网络通信特点、低开销、便于维护的网络拓扑结构。

（5）安全

在一些应用中，网络的安全是必需的。

无线传感器网络系统具有严格的资源限制，需要设计低开销的通信协议，但同时也会带来严重的安全问题。

一方面，入侵者可以比较容易的进行服务拒绝攻击（DenialOfService，DOS）；另一方面，无线传感器网络系统的资源严格受限以及节点间自组织协调工作的特点使其难以实现严密的安全防护。

由于低成本的限制，一些无线传感器网络系统只能采用单频率通信机制【3】。

入侵者通过频率扫描的手段可以很容易的捕获无线传感器网络的工作频率，通过在网络中植入伪装节点，采用各种手段发动攻击。

为了保证任务的机密布置与任务执行结果的安全传递与融合，无线传感器网络需要实现一些最基本的安全机制：

机密性、点到点的消息认证、数据完整性与新鲜性、认证广播与安全管理。

（6）实时性

实时性是需要协同工作的无线传感器网络系统的一个关键机制。

如测量移动车辆速度需要计算不同传感器检测事件时间差，通过波束阵列确定声源位置节点间的时间同步。

目前已提出了多个时间同步机制，其中RBS，TINY/MINI-SYNC与TPSN被认为是三个基本的同步机制。

我们在考虑无线传感器网络的时间同步问题时，拟采用TPSN机制。

TPSN采用层次结构实现整个网络节点的时间同步：

所有节点按照层次结构进行逻辑分级，通过基于发送者-接收者的节点对方式，每个节点能够与上一级的某个节点进行同步，从而实现所有节点都与根节点的时间同步。

（7）智能性

无线传感器网络系统通过自组织的方式来完成用户指定的任务。

系统需要感知环境变化，通过节点间的协同工作来产生需要的输出。

由于在工作的过程中无需人为干预，因此，网络节点这种根据感知的信息协同工作的方式体现了系统的智能性。

无线传感器网络系统的超大规模、资源严格受限与与物理世界密切相关等特点使其需要一种新的工作模式。

在无线传感器网络系统中，单个节点并不重要，我们关心的是群体行为。

用户需要知道当前地下室的平均温度而不是地下室某点的温度，并且不关心是哪个节点传回的信息，或者他需要知道当前地下室的温度是否超过了预警值。

这些例子都说明无线传感器网络系统是以数据为中心的。

由于与物理世界密切相关，其高出错频率、易受干扰与不确定的特点使传统的分布式系统解决方案无法适用，需要为其设计新的工作模式【4】。

1.4研究内容

本文的设计目标是通过一个协调器与若干个路由器与终端节点,搭建一个蔟型的ZigBee网络，其中采用的ZigBee协议软件基于ZigBeeV1.0与IEEE802.15.4标准自行开发，达到测量环境温湿度的要求。

本文的主要工作如下：

（1）分析IEEE802.15.4与ZigBee协议，理解ZigBee技术的特性与通信原理，详细分析ZigBee协议栈构架，并能设计编写具有基本组网，数据传输等功能的协议栈。

（2）根据节点的物理特性，选择合适的微处理器与无线传输芯片，组建无线传感器网络节点，包括电路连接，相应外围电路设计，射频电路设计,温湿度传感器节点的设计等。

（3）测温湿度软件、仿真过程的叙述及整个网络的测试，能完成预期设定的功能并能达到预定的性能指标。

1.5论文结构

本文主要研究了无线传感网络的特点、结构，分析了ZigBee协议的架构，各层规范及数据格式，在此基础上使用CC2530微控制器以及温湿度传感器等外围模块搭建节点，设计与实现了在此硬件基础之上的ZigBee协议栈，并进行了相关的测试，各章安排如下：

第一章（即本章）介绍了无线传感器网络的概念、特点、国内外发展概况。

第二章介绍了ZigBee协议的基本构架，分析了物理层、数据链路层、网络层及应用层的功能、规范、数据格式等。

第三章设计了网络系统的硬件平台，重点进行节点的硬件设计，包括器件的选择、节点的结构设计以及硬件电路设计。

第四章无线传感器网络通信系统的软件设计，实现了无线传感器网络系统的基本组网与数据采集以,包括程序的基本流程，所用函数的编写。

第五章对本文进行了总结。

1.6本章小结

本章主要介绍了无线传感器网络的概念、特点、国内外发展概况、同时对本文将要采用的ZigBee技术做了简要介绍，然后对本文所做的研究工作与论文结构进行了介绍。

第2章ZigBee协议标准介绍

ZigBee技术是最近发展起来的一种近距离无线通信技术，以2.4Ghz为主要频段，采用扩频技术，具有低功耗、成本低、易应用等显著特点，ZigBee被业界认为是最有可能应用在智能家居、工业应用、智能交通、智能建筑、医院监护等领域的无线技术。

2.1ZigBee技术概述

2.1.1ZigBee主要特性

ZigBee显著的特点就是低速率、低功耗、低成本、自配置与灵活的网络拓扑结构。

（1）低功耗：

在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月、甚至更长。

这是ZigBee的突出优势，相比较，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。

（2）低成本：

通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费，每块芯片的价格大约为2美元。

（3）低速率：

ZigBee工作在20～250kbps的较低速率，分别提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）与20kbps（868MHz）的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。

（4）近距离：

传输范围一般介于10～100m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1～3km，这指的是相邻节点间的距离。

如果通过路由与节点间通信的接力，传输距离将可以更远。

（5）短时延：

ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。

相比较，蓝牙需要3～10s、Wi-Fi需要3s。

（6）高容量：

ZigBee可采用星状、片状与网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。

（7）高安全：

ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128）的对称密码，以灵活确定其安全属性。

（8）免执照频段：

采用直接序列扩频在工业科学医疗（ISM）频段2.4GHz（全球）、915MHz（美国）与868MHz（欧洲）。

2.1.2ZigBee网络拓扑结构

ZigBee协议主要采用了二种组网方式：

星状网与网状网，网络拓扑结构如图2-1所示：

图2-1ZigBee二种拓扑结构

在星状网中，以PAN协调器为中心，所有设备只能与中心设备PAN协调器进行通信，终端设备之间的通信通过PAN协调器的转发来完成，因此在星型网络的形成过程中，第一步就是建立PAN协调器。

任何一个FFD设备都有成为PAN协调器的可能，一个网络如何确定自己的PAN协调器由上层协议决定。

在这种网络中，PAN协调器一般使用持续电力系统供电，而其他设备采用电池供电。

星型网络适合家庭自动化、个人计算机的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。

在网状网中，无线传感器网络的网络拓扑结构中，最复杂的拓扑结构也是最终实现的目标是网状网络（MeshNetwork）。

在这种结构中，节点与节点之间的结构是“Point.to.Point—to.Pint”结构。

这种结构无线网络连成一张网，网络非常健壮，伸缩性好，在个别链路与终端节点发生失效时，不会引起网络分立。

可以同时通过多条路由通道传输数据，传输可靠性非常高。

在上述的网络拓扑结构中，网络的形成与维护都是