基于ZigBee的无线温湿度采集的设计与实现.docx

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基于ZigBee的无线温湿度采集的设计与实现

基于ZigBee的无线温湿度采集的设计与实现

摘要：

在时代快速发展的过程中，越来越多的传统工作形式被更高效的工作方式取代。

本文采用主控芯片CC2530和温湿度传感器AM2321的结合，实现了基于ZigBee的无线温湿度数据的采集，无线传输，数据处理以及数据保存。

避免了有线传输布局困难，大量人力资源浪费的情况。

具体实现过程为：

温湿度传感器AM2321作为终端节点采集温湿度数据，并加入协调器建立的网络进行数据传输。

协调器接收数据并处理数据，最终通过串口把处理后的数据上传到PC端。

在PC端进行串口通信，可以直观地显示采集到的温湿度数据，时间以及采集数据的节点，并将这些数据进行保存。

关键词：

ZigBee；无线；采集

Abstract:

Intheprocessofrapiddevelopmentofthetimes,moreandmoretraditionalformsofworkhavebeenreplacedbymoreefficientwaysofworking.ThispaperusesthecombinationofthemaincontrolchipCC2530andthetemperatureandhumiditysensorAM2321toachievethecollectionofwirelesstemperatureandhumiditydatabasedonZigBee,wirelesstransmission,dataprocessinganddatapreservation.Itavoidsthedifficultyofwiredtransmissionlayoutandwasteofhumanresources.Thespecificimplementationprocessis:

temperatureandhumiditysensorAM2321astheterminalnodetocollecttemperatureandhumiditydata,andjointhenetworkestablishedbythecoordinatorfordatatransmission.Thecoordinatorreceivesdataandprocessesthedata,andfinallyuploadstheprocesseddatatothePCthroughtheserialport.SerialcommunicationonthePCsidecanintuitivelydisplaythecollectedtemperatureandhumiditydata,timeandnodesfordatacollection,andsavethesedata.

Keywords：

ZigBee;Wireless;Collection

1绪论

1.1课题背景

伴随着信息技术的快速发展，人们对工作的需求发生了变化。

在一些领域中如工农业、养殖业和其他一些行业中，需要对温湿度进行采集。

在传统的温湿度采集实现过程中，人工采集不仅工作量大，而且不能及时准确的获取实时数据，甚至在工作环境中不能保证人身的绝对安全。

运用有线传输成本较高，受环境影响布线复杂，如果中途出现问题，维修任务就显得尤为艰巨，并需要耗费大量的人力资源。

因此，无线技术的应用受到了人们的青睐。

1.2课题研究的目的和意义

在一些领域中，人们有时需要对大面积的工作环境进行温湿度检测。

传统的人工检测方式不仅耗费大量的人力，而且也未必能做到及时准确地检测温湿度。

利用无线温湿度检测系统取代传统的人工检测方式不仅节约了人力，而且提高了温湿度数据的准确性。

因此设计一种低成本、低功耗、高可靠性的无线温湿度检测系统是节约劳动力，提高工作效率，并保证获取数据准确的一种途径。

本文设计的基于ZigBee的无线温湿度采集方案能够实时获取终端节点所处环境的温湿度数据，减少了资源的不必要浪费，具有广阔的应用前景。

1.3国内外研究现状及发展趋势

目前，无线传感器网络在人们的日常生活和工作环境中都具有广泛的应用。

因为其广阔的应用前景和潜在的应用价值，国内外的相关工作人员都高度重视无线传感器网络的发展[1]。

这就促进了无线传感器网络的快速发展，也使得其在更多的应用领域中发挥独特的作用。

ZigBee技术具有低功耗、低成本、高可靠性、安全性好、时延小、容量大等优势，因此广泛应用于工农业控制、公共场所、医疗、商业等领域。

伴随着ZigBee技术的快速发展，未来其应用可能将会涉及人们日常生活和工作的各个领域。

2ZigBee

2.1ZigBee概述

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用，因此非常适用于家电和小型电子设备的无线控制指令传输[1]。

ZigBee协议架构包括IEEE802.15.4和ZigBee联盟，IEEE802.15.4主要研究物理层协议、媒体访问控制层MAC，ZigBee联盟主要研究网络层（NWK）、应用层（APL）和安全服务规范[2]。

ZigBee协议栈如图2-1所示。

图2-1ZigBee协议栈

2.1.1ZigBee规范

ZigBee各层规范内容为：

物理层提供基本的物理无线通信能力，MAC层提供设备间的可靠授权和一跳通信连接服务，网络层提供用于构建不同网络拓扑结构的路由和多跳功能，应用层包括一个应用支持子层、ZigBee设备对象和应用[3]。

2.2ZigBee网络中的不同设备类型

网络中的设备按功能可以分为协调器、路由器和终端设备[4]。

1）协调器（Coordinator）：

协调器负责启动和配置ZigBee网络，它是是网络的核心[5]。

一个ZigBee网络中有且只有一个协调器，其他节点加入网络需要经过协调器的允许。

协调器负责网络的建立、信道的选择、节点的加入和退出。

协调器在网络中占据着重要地位，一旦协调器出现问题，那么整个网络将面临瘫痪[4]。

2）路由器（Router）：

路由器负责信息的转发，在不同的网络拓扑结构中，路由器可以连接不同的设备[6]，如协调器、路由器和终端节点。

路由器完成信息在协调器和终端节点之间的转发。

在网型网络拓扑结构中，冗余的协调器出现问题，并不会影响影响整个网络的运行。

3）终端设备（EndDevice）：

终端设备负责执行协调器的指令，例如采集环境中某些因素的数值，并将采集到的数据通过路由器转发或直接传送到协调器，实现信息在ZigBee网络中的传递。

终端设备在不执行任务时处于睡眠状态，因此它的使用寿命较长。

2.3ZigBee网络中的拓扑结构

ZigBee网络中的拓扑结构分为三种类型，分别是星型网络拓扑结构、树型网络拓扑结构和网型网络拓扑结构[7]。

星型网络拓扑结构是三种网络拓扑结构中最简单的。

在该网络中，终端设备或者路由器直接与协调器进行通信，节点之间互不通信，不进行信息的转发。

这样的网络只需一个协调器和至少一个终端节点就可组成。

适合点对点、点对多点的近距离通信，因此其网络覆盖范围有限。

如图2-2所示。

图2-2星型网络拓扑结构

树形网络拓扑结构是在星状拓扑网络结构的基础上展开的,该拓扑网络中，若干个路由器加入由一个协调器建立的网络，每个路由器可以连接若干个终端节点，但路由器之间互不通信[7]。

当网络中的某个路由器发生故障时，它所管理的终端节点将不能在该网络中进行通信。

这些终端节点只能通过它所连接的路由器实现它在网络中的作用。

如图2-3所示。

图2-3树形网络拓扑结构

网型网络拓扑结构在三种网络拓扑结构类型中具有最复杂的结构、最好的灵活性、最强的抗干扰能力[4]。

与树形网络拓扑结构不同的是，该网络中的路由器可以相互通信。

这些相互通信的路由器为终端节点传输信息提供了多种路径，当网络中某个路由器不能工作时，它所连接的终端节点可以通过其他路径跟协调器进行通信，提高了网络的可靠性和稳定性。

如图2-4所示。

图2-4网型网络拓扑结构

3系统硬件

3.1CC2530芯片

CC2530是一个真正的片上系统解决方案，它结合了一个完全集成的、高性能的RF收发器与一个8051微处理器、8KB的RAM、32/64/128/256KB闪存，以及其他强大的功能和外设[8]。

本文使用的是CC2530F256芯片，它具有256KB的闪存，并且结合了TI公司的ZigBee协议Z-Stack。

3.2温湿度传感器AM2321

AM2321数字温湿度传感器是一款含有己校准数字信号输出的温湿度复合型传感器，包括一个电容式感湿元件和一个高精度集成测温元件，并与一个高性能微处理器相连接[9]。

它的响应时间约2s，这比一般的温湿度传感器的时间要快。

并且它抗干扰能力较强，具有高可靠性以及长期稳定性，能够保证采集数据的准确性。

AM2321具有较小的体积，如图3-1所示。

图3-1AM2321体积

AM2321外形标准尺寸大小（单位：

mm）如图3-2所示。

图3-2标准尺寸

3.2.1传感器电路原理图设计

传感器电路图设计如图3-3所示。

图3-3电路图

引脚分配如表3.1所示。

表3.1PIN的分配

PIN号

名称

描述

PIN1

VDD

电源（3.5--5.5V）

PIN2

SDA

串行数据，双向口

PIN3

GND

地

PIN4

SCL

单总线通信模式接地

3.2.2AM2321的传感器参数

1）工作电压：

2.6~5V；

2）功耗：

测量时0.5mA，休眠时10μA；

3）分辨率：

相对湿度0.1%RH，16bit，相对温度0.1°C，16bit；

4）精度：

相对湿度误差±3%RH，相对温度误差±0.5°C；

5）相对湿度量程范围：

0~99%RH；

6）相对温度量程范围：

-40~80°C；

7）重复性：

相对湿度±0.1%RH，相对温度±0.2°C；

8）互换性：

完全互换。

3.3温湿度数据的采集

3.3.1外部设备读取温湿度信号

外部设备通过数据总线与AM2321进行通信和同步。

通信格式，如图3-4所示。

图3-4通信格式

外部设备发送起始信号，之后AM2321发送响应信号，如图3-5所示。

图3-5信号传输

AM2321完成响应后，输出包含湿度高位、湿度低位、温度高位、温度低位和校验位的40位数据。

外部设备根据I/O电平的变化接收这些数据。

位数据“0”、位数据“1”信号格式如图3-6所示。

图3-6“0”和“1”的传输

AM2321完成数据输出后，继续输出50μs低电平，然后AM2321转为输入状态。

同时AM2321重新采集数据并记录，之后AM2321进入休眠状态。

3.3.2读取温湿度流程图

AM2321温湿度传感器的读取流程如图3-7所示。

图3-7流程图

4系统软件

4.1ZigBee集成开发环境

对于ZigBee系统的应用及开发，本文使用IAREmbeddedWorkbenchIDE软件。

打开IAR开发工具，如图4-1所示。

图4-1IAR显示界面

创建新项目并完成相应工程设置的界面，如图4-2所示。

图4-2项目界面

4.2上位机界面的开发环境

对于Qt程序开发，无论是在Windows系统下进