基于zigbee的温度采集器设计及应用.docx

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基于zigbee的温度采集器设计及应用

基于zigbee的温度采集器设计及应用

摘要

智能家居是以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境，由于智能家居采用的技术标准与协议的不同，大多数智能家居系统都采用综合布线方式，但少数系统可能并不采用综合布线技术，不论哪一种情况，都一定有对应的网络通信技术来完成所需的信号传输任务，因此网络通信技术是智能家居集成中关键的技术之一。

本论文介绍了zigbee无限网络技术，采用了德州仪器（TI）公司设计的CC2430作为主控芯片。

通过对传感器节点，协调器节点的硬件设计及软件设计，能实现对现场温度数据采集和显示。

是一种能应用于物流，监控等领域的低成本，低消耗，短距离的无线数据通信设备。

ZigBee是一门新兴的技术，有着巨大的发展潜力，可以涉及到人们生活、工作、娱乐、研究等各个方面。

关键字：

zigbee，cc2430,射频通讯

Zigbee-baseddesignandapplicationoftemperatureacquisition

YinYu

Abstract:

Thesmarthomeisaresidentialinstallationasaplatformtothelivingenvironmentofthesmarthomesystem,smarthometechnologystandardsandprotocols,mostofthesmarthomesystemwithintegratedwiring,butafewsystemsmaynotbeintegratedwiringtechnologyineithercase,theremustbecorrespondingtothenetworkcommunicationtechnologytocompletetherequiredsignaltransmissiontask,sothenetworkcommunicationtechnologyisoneoftheintelligenthomeintegrationinkeytechnology.

Thispaperintroducesthezigbeeinfinitenetworktechnology,TexasInstruments（TI）hasdesignedtheCC2430asthemainchip.Sensornodes,thecoordinatornodehardwaredesignandsoftwaredesign,on-sitetemperaturedataacquisitionanddisplay.Acanbeappliedtologistics,monitoringareassuchaslow-cost,lowconsumption,short-rangewirelessdatacommunicationequipment.ZigBeeisanemergingtechnology,hasagreatpotentialfordevelopment,canrelatetovariousaspectsofthepeoplelive,work,entertainment,andresearch.

Keywords:

zigbee,cc2430,RFcommunication

第1章前言

1.1研究背景及意义

环境是人类生存和发展的基本前提。

环境为我们生存和发展提供了必需的资源和条件。

随着社会经济的发展，环境问题已经作为一个不可回避的重要问题提上了各国政府的议事日程。

保护环境，减轻环境污染，遏制生态恶化趋势，成为政府社会管理的重要任务。

对于我们国家，保护环境是我国的一项基本国策，解决全国突出的环境问题，促进经济、社会与环境协调发展和实施可持续发展战略，是政府面临的重要而又艰巨的任务。

污染问题是人类社会面临的主要环境问题，它也是人类社会活动的必然产物。

虽然经过多年的治理，我国环境污染加剧的趋势基本得到控制，但是，环境污染问题依然相当严重，重大污染事故时有发生。

这些问题严重影响了人们的生产和生活，成为制约我国可持续发展的障碍因素。

环境监测是掌握环境质量状况和发展趋势的重要手段，环境监测是科学管理环境的基础，环境监测是环境保护的基础性工作，必须为环境管理和经济建设服务，及时向环境保护行政主管部门提供环境质量信息及变化趋势，为有关部门在监督污染物排放、控制新污染源产生以及提高资源、能源利用率等方面提供决策依据。

环境监测是正确处理环境污染事故和污染纠纷的技术依据。

通过环境污染事故的监测和污染纠纷的仲裁监测，可以确定环境是否受污染、污染危害程度、受何种污染物污染等，这就为正确处理环境污染事故和污染纠纷提供技术依据。

相对于传统的有线组网技术而言，无线组网技术在环境监测方面的应用中具有无须布线、安装周期短、后期维护容易、网络用户容易迁移和增加等优势。

在无线通信技术快速发展的今天，将无线通信技术应用于环境监测系统中已经成为一种趋势，无线通信技术的进一步发展，定将使得环境监测系统发展更为快速，功能上的实现也更加容易。

提及无线通信技术，我们最常见有红外技术、蓝牙技术、WIFI技术、UWB技术等，目前蓝牙技术的发展最为成熟和普及，但近几年刚兴起的ZigBee技术，以其低功耗、低成本、高质量等优势，必将成为智能家居网络的主流技术[1]。

无线传感器网络是计算技术、通信技术和传感器技术相结合的产物，是一种全新的信息获取和处理技术。

它是计算机科学技术的一个新的研究分支，得到了学术界和工业界的高度重视。

它的基本组成单位是无线传感器节点，具有无线通信、数据收集和处理、协同工作等功能。

一定数量的无线传感器节点共同组成了无线传感器网络，每一个无线传感器节点可以随机或者特定地布置在工作环境中，通过无线通信实现自组织，获取周围环境的信息，形成分布自治系统，相互协同以达到完成特定任务的目的。

无线传感器节点集成了传感器、微处理器、无线接口和电源管理四个主要模块。

由于无线传感器节点的计算能力、存储能力、通信能力等十分有限，因此在传感器节点上运行的通信协议不能复杂。

虽然短距离无线产品常常使用专有协议，但IEEE（国际电器和电子工程师协会）已经授权一个工作组制订有关工作在非特许国际频段的超低功耗低数据速率网络的标准。

IEEE在2003年5月批准了这一工作组制订的标准，即IEEE802．15.4.2003标准。

该标准为工作波段和数据速率分别为868MHz和20kbps、915MHz和40kbps以及2.4GHz和250kbps的三种低速设备通信规定了PHY层（物理层）和MAC层（媒体访问控制层）技术规范。

ZigBee是由ZigBee联盟所制定的无线网络协议，此联盟是由50多家公司联合发起的，目前加入的公司已有大约200家，他们来自半导体业、软件开发商、终端产品制造商和服务供货商，其中一些来自电信业。

会员中虽然有很多国际知名的厂商，但目前并没有真正能主导市场或技术发展的厂商。

ZigBee协议的第一个公开版本ZigBeeV1.0于2005年6月底公布了；在2006年12月，ZigBee联盟又制定并公布了ZigBeeV1.1的新版本，此版本又称为ZigBee2006；下一个新版本ZigBeeV1.2也已如火如荼的制定完，己在2007年年中公布，此版本又称为ZigBeePro。

ZigBee协议的通信层，加上IEEE802．15．4．2003标准的物理层和媒体访问控制层，就形成了一个完整的低速率数据传输网络协议标准，即IEEE802．15．4／ZigBee协议，它使得数千个微小的无线传感器节点之间相互协调从而实现通信。

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

1.2国内外无线网络研究概况

无线传输网络是由许多独立的无线传输网络节点通过无线电波互相通信而构成的无线通信网络[2]。

无线传感器网络作为信息领域的一个全新的方向，已经引起了学术界和工业界的广泛关注。

国外的许多大学和研究机构纷纷投入了大量的研发力量从事无线传感器网络软硬件系统的研究工作，最具代表性的是美国加州大学伯克利分校（UC／Berkeley）和英特尔公司（Intel）联合成立的“智能尘埃（SmartDust）”实验室，它的目标是为美国军方提供能够在一立方毫米的体积内自治地完成感知和通信功能的设备原型系统,也就是无线传感器网络节点的研制。

这项工作从1998年开始到2001年结束，受到了美国国防预先研究计划局（DARPA：

TheDefenseAdvancedResearchProjectsAgency）的支持。

在随后的几年里，加州大学伯克利分校有多个实验室开始了关于无线传感器网络及其相关的工作，如：

NEST（NetworkEmbeddedSystemsTechnology）、WEBS（WirelessEmbededsystem）、BARWAN（BayAreaResearchWirelessAccessNetwork）、BWRC（BerkeleyWirelessResearchCenter）等实验室，从不同的角度对无线传感器网络进行了大量具有开创性的研究。

美国很多大学在无线传感器网络方面开展了大量工作。

如加州大学洛杉矶分校（UCLA）的CENS（CenterforEmbeddedNetworkedSensing）实验室、WINS（WirelessIntegratedNetworkSensors）实验室、NESL（NetworkedandEmbeddedSystemsLaboratory）实验室、LECS（LaboratoryforEmbeddedCoilaborativeSystems）实验室、IRL（IntemetResearchLab）等。

另外，麻省理工学院（MIT）获得了ARPA的支持，从事着极低功耗的无线传感器网络方面的研究，被业界广泛关注的SPIN（SensorProtocolsforInformationviaNegotiation）协议也是出自MIT；奥本大学（AuburnUniversity）也获得DARPA支持，从事了大量关于自组织传感器网络方面的研究，并完成了一些实验系统的研制；宾汉顿大学（BinghamtonUniversity）计算机系统研究实验室在移动自组织网络协议、传感器网络系统的应用层设计等方面做了很多研究工作；州立克利夫兰大学（俄亥俄州）（ClevelandStateUniversity，Ohio-CSUOhio）的移动计算实验室在基于IP的移动网络和自组织网络方面结合无线传感器网络技术进行了研究。

另外，北亚利桑那大学（NorthernArizonaUniversity）的无线网络研究实验室（WirelessNetworkResearchLab，WNRL）、莱斯大学（RiceUniversity）多媒体通信实验室的无线个人局域网工作组；斯坦福（Stanford）大学的无线传感器网络实验室、新泽西（NewJersey）州立大学的无线传感器网络实验室、伊利诺伊大学厄本那一香槟分校（UIUC）的TIMELY实验室、南加州大学的RESL（TheRoboticEmbeddedSystemsLaboratory）实验室、佛蒙特大学（UniversityofVermont）的无线自组织网络实验室、西密西根大学（WesternMichiganUniversity）的无线传感器网络实验室。

新加坡国立大学（NUS）的无线传感器网络实验室等也有关于无线传感器网络方面的研究。

此外，TI、Freescale等一些著名的IC设计公司在射频芯片、节点的开发平台方面作了很多工作；标准化组织发布的IEEE802.15.4为无线传感器网络定义了物理层和媒体接入层的标准；ZigBee联盟制定和设计了实现传感器节点组网的ZigBee协议规范；很多著名的公司为节点的组网开发了软件协议栈，加州伯克利大学研发的Mote节点以及具备节点组网功能的专用操作系统TinyOS的开发为无线传感器网络的组建和其他方面的测试研究提供了基础。

国内在无线传感器网络领域的研究也已经在很多研究所和高校展开。

中科院上海微系统所凭借其在微系统和微型机电系统（MEMS）技术方面良好的基础，自从1998年就对无线传感器网络进行了跟踪和研究，已经通过系统集成的方式完成了一些终端节点和基站的研发[3]。

他们的很多工作都是与CDMA和GPS技术相关，从某种程度上说已经超越了无线传感器网络技术；中科院电子所和沈阳自动化所也分别从传感器技术和控制技术角度入手开展工作，他们专注于传感或控制执行部分，对上层的通信技术和核心微处理器部分涉及较少；浙江大学现代控制工程研究所成立了“无线传感器网络控制实验室”，联合相关单位专门从事面向传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面的研究；山东省科学院于2004年10月正式启动了关于无线传感器网络节点操作系统的研究；另外中科院软件所、中科院自动化所、国防科技大学、清华大学、中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、北京邮电大学、山东大学、东南大学等单位在无线传感器网络方面也都有一定的工作。

从研究问题的深度和投入的科研力量来说，国内的水平相对国外落后，在点上的研究较多，缺少对整个系统的创新性研究，具有自主知识产权较少。

从总体来讲，国内关于无线传感器网络的研究还处于刚刚起步的阶段，但是由于无线传感器网络是一门新兴技术，国内与国际水平的差距并不很大，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。

1.3环境监测研究发展概况

环境污染虽然自古就有，但环境科学作为一门学科是在二十世纪50年代才开始发展起来。

最初危害较大的环境污染事件主要是由于化学毒物所造成，因此，对环境样品进行化学分析以确定其组成和含量的环境分析就产生了。

由于环境污染物通常处于痕量级（ppm、ppb）甚至更低，并且基体复杂，流动性变异性大，又涉及空间分布及变化，所以对分析的灵敏度、准确度、分辨率和分析速度等提出了很高要求。

因此，环境分析实际上是分析化学的发展。

这一阶段称之为污染监测阶段或被动监测阶段。

到了70年代，随着科学的发展，人们逐渐认识到影响环境质量的因素不仅是化学因素，还有物理因素，例如噪声、光、热、电磁辐射、放射性等。

所以用生物（动物、植物）的生态、群落、受害症状等的变化作为判断环境质量的标准更为确切可靠。

环境中各种污染物之间、污染物与其他物质、其他因素之间还存在着相加和拮抗作用。

所以环境分析只是环境监测的一部分。

环境监测的手段除了化学的、还有物理的、生物的等等。

同时，从点污染的监测发展到面污染以及区域性的监测，这一阶段称之为环境监测阶段，也称为主动监测或目的监测阶段。

监测手段和监测范围的扩大，虽然能够说明区域性的环境质量，但由于受采样手段、采样频率、采样数量、分析速度、数据处理速度等限制，仍不能及时地监视环境质量变化，预测变化趋势，更不能根据监测结果发布采取应急措施的指令[4]。

80年代初，发达国家相继建立了自动连续监测系统，并使用了遥感、遥测手段，监测仪器用电子计算机遥控，数据用有线或无线传输的方式送到监测中心控制室，经电子计算机处理，可自动打印成指定的表格，画成污染态势、浓度分布图。

可以在极短时间内观察到空气、水体污染浓度变化、预测预报未来环境质量。

当污染程度接近或超过环境标准时，可发布指令、通告并采取保护措施。

这一阶段称为污染防治监测阶段或自动监测阶段。

1.4什么是zigbee网络

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。

它此前被称作“HomeRFLite”或“FireFly”无线技术，主要用于近距离无线连接。

它有自己的无线电标准，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。

最后，这些数据就可以进入计算机用于分析或者被另外一种无线技术如WiMax收集[5]。

ZigBee基础是IEEE802.15.4，它是IEEE无线个人区域网（PersonalAreaNetwork，PAN）工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4（ZigBee）技术标准。

ZigBee不只是802.15.4的名字[7]。

因为IEEE802.15.4仅规范了低级MAC层和物理层协议，但ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。

ZigBee完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。

每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。

ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得[8]。

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[9]。

到目前为止，除了TI（德州仪器）、Invensys、Ember、三菱电子、摩托罗拉、飞思卡尔和飞利浦等国际知名的大公司外，该联盟已有200多家成员企业，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和InvensysMeteringSystems等工业控制和家用自动化公司，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物理和媒体控制层技术标准的IEEE802.15.4工作组。

1.5Zigbee信道

IEEE802.15.4工作在工业科学医疗（ISM）频段，定义了两个工作频段，即2.4GHz频段

和868/915MHz频段。

在IEEE802.15.4中，总共分配了27个具有3种速率的信道：

在2.4GHz频段有16个速率为250kb/s的信道，在915MHz频段有10个40kb/s的信道,在868MHz频段有1个20kb/s的信道[16]。

在无线龙提供ZigBee无线传感器网络系统及ZigBee开发系统统一中使用的2.4GHz频段。

1.6Z-STACK协议栈

在网络中，为了完成通信，必须使用多层上的多种协议。

这些协议按照层次顺序组合在一起，构成了协议栈（ProtocolStack）[11]。

协议栈是指网络中各层协议的总和，一套协议的规范。

其形象的反映了一个网络中文件传输的过程：

由上层协议到底层协议，再由底层协议到上层协议。

使用最广泛的是互联网协议栈，由上到下的协议分别是：

应用层（HTTP，TELNET，DNS，EMAIL等），运输层（TCP，UDP），网络层（IP），链路层（Wi-Fi，以太网，令牌环，FDDI等）。

德州仪器（TI）宣布推出业界领先的ZigBee协议栈（Z-Stack）。

Z-Stack达到ZigBee测试机构德国莱茵集团（TUVRheinland）评定的ZigBee联盟参考平台（goldenunit）水平，目前已为全球众多ZigBee开发商所广泛采用[17]。

Z-Stack符合ZigBee2006/2007/PRO规范，支持多种平台，其中包括面向IEEE802.15.4/ZigBee的CC2430/CC2530片上系统解决方案、基于CC2420/CC2520收发器的新平台以及TIMSP430超低功耗MCU。

除了全面符合ZigBee2006/2007规范以外，Z-Stack还支持丰富的新特性，如无线下载，可通过ZigBee网状网络（meshnetwork）无线下载节点更新[12]。

Z-Stack还支持具备定位感知（locationawareness）特性的CC2431。

上述特性使用户能够设计出可根据节点当前位置改变行为的新型ZigBee应用。

Z-Stack协议栈定义通信硬件和软件在不同级如何协调工作。

在网络通信领域，在每个协议层的实体们通过对信息打包与对等实体通信[13]。

在通信的发送方，用户需要传递的数据包按照从高层到低层的顺序依次通过各个协议层，每一层的实体按照最初预定消息格式向数据信息中加入自己的信息，比如每一层的头信息和校验等终抵达最低的物理层，变成数据位流，在物理连接间传递。

在通信的接收方数据包依次向上通过协议栈，每一层的实体能够根据预定的格式准确的提取需要在本层处理的数据信息，最终用户应用程序得到最终的数据信息进行处理。

第2章设计方案及原理

对于这次温度采集的设计，其核心部分于在对数据采集的处理模块，主控芯片的选择，以及通信模块和液晶显示模块的设计。

2.1系统原理

系统总体框图如图2.1所示左边为网关，右边为节点。

在本次应用设计中采集模块选择的是DS18B20温度传感器，其内部自带A/D转换，所以系统的设计就不会单独设计A/D转换模块。

同时由于在主控芯片的选择上，选用的是TI公司的CC2430芯片，其内部集成了80C51微单片机与无线通信部分，所以控制模块与通信模块也就作为了一个主控模块来设计。

通过采集部分的温度传感器把采集到的温度数据在主控芯片的控制下进行A/D处理后，由节点部分的主控芯片控制其集成的通信模块把温度数据传输到网关部分的主控芯片，最后通过按键的选择实现在液晶显示器上的输出显示。

图2.1设计框图

图2.2数据传输框图

2.2主控芯片

方案一采用模块和自己的单片机系统组合设计，这要求对单片机技术比较熟悉，当然最好是采用自己熟悉的单片机，主要工作是熟悉ZigBeeAT命令集，如何通过AT命令集来操作复杂ZigBee无线网络，由于不需要分析无线协议栈代码和进行高频设计，用户可以将主要精力集中在自己的应用代码开发。

方案二采用zigbee芯片作为主控芯片，直接使用TI等公司提供的ZigBee协议栈源代码和库文件，自己进行应用代码的编写，然后直接下载到模块进行调试，由于EZ-LBee这样的通用，开放，开源模块的出现，使这种开发办法成为了可能。

通过对我所学知识掌握程度以及两操作系统性能及前途等方面的比较我选择方案二作为我的研究方向，同时单片机是我专业的主要课程，通过此可以巩固自己所学的知识，同时如果能够使用带有驱动源代码的模块开发系统，还可以进一步缩短上手时间。

zigbee是一种相对较新的技术，这么一来，我不仅可以提高自己的自学能力，而且可以学得新知识。

2.3采集模块

采用DS18B20数字温度传感器，快捷的温度数据处理，独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯，简单的多点分布应用，无需外部器件，可通过数据线供电;零待机功耗，测温范围-55~+125℃，以0.01℃递增。

华氏器件-67~+2570F，以0.90F递增,温度以9位数字量读出;温度数字量转换时200ms（典型值）;用户可定义的非易失性温度报警设置;报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度