基于ZigBee的温度监测系统设计毕业论文解析Word文档格式.docx
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华钢职称：
教授
二〇一四年六月徐州
中国矿业大学毕业设计任务书
学院信息与电气工程学院专业年级信息2010级学生姓名李明达
任务下达日期：
2013年12月30日
毕业设计日期：
2013年12月30日至2014年6月10日
毕业设计题目：
基于CC2530的温度监测系统设计
毕业设计专题题目：
毕业设计主要内容和要求：
1.设计基于CC2530的无线温度检测节点；
2.多个节点组成一跳网络；
3.节点可睡眠；
4.设计节点软件；
5.简单设计上位机软件
院长签字：
指导教师签字：
年月日
中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书
指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；
②独立解决实际问题的能力；
③研究内容的理论依据和技术方法；
④取得的主要成果及创新点；
⑤工作态度及工作量；
⑥总体评价及建议成绩；
⑦存在问题；
⑧是否同意答辩等）：
成绩：
中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书
评阅教师评语（①选题的意义；
②基础理论及基本技能的掌握；
③综合运用所学知识解决实际问题的能力；
③工作量的大小；
⑤写作的规范程度；
评阅教师签字：
中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩
答辩情况
提出问题
回答问题
正确
基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答
答辩委员会评语及建议成绩：
答辩委员会主任签字：
学院领导小组综合评定成绩：
学院领导小组负责人：
摘要
本文主要对煤矿监控系统中温度的监测进行研究和分析，根据国内目前对于温度监测方法的研究，设计了一种基于CC2530的温度监测系统。
本文首先对本课题的研究意义及国内发展现状进行分析和研究，详细比较了几种现有的温度监测方法，根据煤矿监控系统所处的复杂环境需要，提出了基于CC2530的温度监测系统设计。
随后本文对设计所采用的ZigBee无线自组网技术和ZigBee开发套件进行了简要介绍，并对设计所采用的Z-Stack协议栈的工作流程作详细介绍。
本温度监测系统设计在Z-Stack协议栈的基础上进行，其中包括温度的采集、处理和传输，终端节点的休眠与唤醒，协调器节点串口通信等。
另外，本文还对上位机软件进行了简单设计，用于温度数据在上位机上的显示。
最后，本文对该系统的温度监测功能效果进行验证，并总结分析验证结果。
最终，设计出一种基于CC2530的温度监测系统。
该无线传感系统能够实现点对点通信，传感器节点负责进行温度数据的采集和发送，协调器节点负责温度数据的接收和转发，上位机软件负责对温度数据的显示。
关键词：
ZigBee；
CC2530；
DS18B20；
温度监测
Abstract
Thispapermainlycarriesonresearchandanalysisofthemonitoringtemperatureofcoalminemonitoringsystem,accordingtothecurrentdomesticresearchfortemperaturemonitoringmethod,designatemperaturemonitoringsystembasedonCC2530.
Thispaperfirstcarriesontheanalysisandresearchofthistopicresearchsignificanceandthedomesticdevelopmentstatus,adetailedcomparisonofthetemperaturemonitoringmethodofseveralexisting,accordingtothecomplexenvironmentofcoalminemonitoringsystemwhichneeds,putsforwardthedesigntemperaturemonitoringsystembasedonCC2530.ThenthedesignoftheZigBeewirelessadhocnetworktechnologyandZigBeedevelopmentkitareintroduced,andthedesignoftheZ-Stackprotocolstackoftheworkprocessareintroducedindetail.ThetemperaturemonitoringsystemdesignbasedontheZ-Stackprotocolstack,includingtheacquisition,processingandtransmissionoftemperature,dormancyandawakeningofterminalnodes,thecoordinatornodeserialcommunicationetc..Inaddition,thispaperalsogivesasimpledesignforthesoftware,usedtodisplayintheuppercomputertemperaturedata.Finally,thispaperverifiesthetemperaturemonitoringfunctionofthesystem,andanalyzedtheresults.
Finally,thedesignofatemperaturemonitoringsystembasedonCC2530.Thewirelesssensingsystemcanrealizethepoint-to-pointcommunication,sensornodesareresponsiblefortemperaturedataacquisitionandsending,receivingthecoordinatornodeisresponsiblefortemperaturedataandforwarding,PCsoftwareisresponsibleforthedisplayofthetemperaturedata.
Keywords:
ZigBee;
CC2530;
DS18B20;
Temperaturemonitoring
1.绪论
1.1课题的研究背景及意义
煤炭自燃产生的有害气体不仅严重危害井下人员的健康,而且容易诱发瓦斯、煤尘爆炸事故，并造成严重的资源浪费，因此研制煤矿采空区火源点感知网络系统是煤矿安全生产的迫切需要，对于制定采空区防灭火措施,实现煤矿安全高效生产和可持续发展具有重大的现实意义。
基于CC2530的温度监测系统不仅能有效满足煤矿采空区火源点感知的需求，而且还因为其具有低成本、低功耗等特点，受到人们的广泛青睐。
由于简化协议，对于控制器的要求已经很低，以8051的8位控制器测算，每块芯片仅需要2美元，而且ZigBee协议免专利费，免执照频段，进一步降低了产品成本。
CC2530在众多无线通讯芯片中最为突出的优势是低功耗，在休眠模式下，2节5号电池就可以维持1至2年。
因此，研究基于CC2530的温度监测系统是非常有意义的。
1.2国内外研究概况
煤矿采空区自然发现火源位置的探测在技术实现上的难度较大。
国内外在这一领域内进行了大量的研究工作。
现有技术主要有：
电磁探测法、气体探测法和温度探测法。
它们各具特点，适应不同的开采条件，也存在着各自的不足之处。
气体探测法。
主要包括采空区气体成分分析法和测氡法。
束管是当前我国煤矿火灾监测的主要手段，它利用在采空区不同位置布置多条空气采集管，定时抽取特定区域的气体样本，对该区域某点的O2、N2、CO、CH4、CO2、C2H4、C2H6、C2H2等自然火灾标志气体含量循环监测，判断煤面的氧化情况，预测预报发火点的温度变化，为煤矿自然火灾的防治工作提供科学依据。
具统计我国目前获得安标的都是该类产品。
国内外，还开展了测氡法探测火源位置的研究。
其基本原理是放射性元素存在衰变现象，在衰变过程中产生氡气，而在实际的地层测量中。
人们找到了温度与氡气浓度之间的关系，依据这种关系可以从氡气浓度的变化反过来推算出火源的温度。
电磁法。
包括磁性探测法和电阻率探测法。
磁性探测法，利用煤层上覆岩中常含有大量菱铁矿及黄铁矿结核，发生自燃时，上覆岩受高温烘烤，铁质成分发生变化而形成磁性物质，且磁性随自燃温度的升高而增强的原理，实现对采空区发火点的检测。
电阻率法，地下煤层沿走向或其它方向电阻率基本保持不变，自燃后引起煤层和周围岩石电阻率变化；
自燃初期电阻率下降，后期表现较高电阻率，比较未自燃区和自燃区的变化来判断自燃位置。
温度探测法。
主要有二类系统，基于无线的采空区温度监测系统、基于分布式光纤传感器的采空区温度监测系统。
无线传感器网络温度监测技术是近年来逐步发展起来的监测煤自然发火的检测方法。
河南理工大学、西安科技大学、黑龙江科技学院、太原电子研究设计院等相继对采空区温度场无线自组网传感器监测系统进行了理论研究和开发。
他们的研究表明，煤自燃温度场无线网络监测法能及时预测温度场的微弱变化,比CO的预报更早,对于煤炭自然发火早期预警预报有十分重要的意义，已经被业界认可。
但是，这方面至今还没有产品推出。
山东省科学院，提出了利用光纤拉曼散射效应（Ramanscattering）和光时域反射测量技术（OpticalTime-DomainReflectometry，简称OTDR）来获取空间温度分布信息。
其中光纤拉曼散射效应（Ramanscattering）用于实现温度测量，光时域反射测量技术（OpticalTimeDomainReflectometer）用于实现温度定位，是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高科技技术，它能够连续测量光纤沿线的温度分布情况，测量距离可达30公里，空间定位精度达到米的数量级，能够进行不间断的自动测量，特别适宜于需要长距离、大范围多点测量的应用场合。
综上所述，束管监测系统属于对自然发火的间接测量，发火点定位困难，且束管监测系统的管线较长,投入大,维护困难,且经常发生管路漏气或堵塞现象。
分布式光纤温度监测系统，在采空区温度检测中遇到的最大问题，是监测光纤极可能被塌落的顶板砸断，造成不可恢复故障。
测氡法，该方法与实用还有很大距离，首先是地质因素的影响，并不是所有矿都具有可供测量的氡气存在；
另一方面就是氡气浓度与火源温度之间的关系并不是单调增减，而是在某一基轴线上的减幅波动，从而影响火源定位准确性。
电磁法自然发现火点探测技术，必须等煤炭燃烧起来才可以使用，适用于已经火灾已经形成情况下，不适用于火源点的预警与报警。
1.3论文的主要内容及结构安排
本论文主要研究“基于CC2530的温度监测系统设计”，包括节点的硬件设计、无线传感器网络的组建、对温度监测功能的实现分析。
本文共分为六章：
第一章，绪论阐述了基于CC2530的温度监测系统研究的背景及意义，国内外研究煤矿采空区自然发现火源位置的探测的概况；
第二章，简述ZigBee协议栈结构、协议中各子层功能；
第三章，对CC2530开发套件及CC2530芯片进行简介，对设计采用的软件开发环境IAR进行简介，详细介绍Z-Stack协议栈工作流程，对温度采集、处理、传输程序进行分析和对休眠与唤醒程序进行分析，分析上位机软件设计；
第四章，简述该系统设计的测试及调试过程，分析实验结果；
第五章，总结与展望，对整个设计进行总结分析出自己的心得体会。
2.ZigBee协议简介
2.1ZigBee协议体系结构
ZigBee协议基于IEEE802.15.4标准，由IEEE802.15.4和ZigBee联盟共同制定。
ZigBee协议栈由物理层（PHY）、媒体介质访问层（MAC）、网络层（NWK）和应用层（APL）共4层构成，其中PHY层和MAC层由IEEE802.15.4标准工作组制订，而NWK层和APL层由ZigBee联盟自行制订。
每一层都完成其各自特定的任务并且向上一层提供服务，数据服务实体主要负责数据传输服务，管理服务实体则主要负责所有的其他管理服务。
每个服务实体为其上层提供需要的接口都是通过其相应的服务接入点（SAP）实现的，每个SAP所对应的功能通过服务原语来完成，且每个SAP支持许多种不同的服务原语。
ZigBee协议体系结构如图2.1所示：
图2.1ZigBee协议体系结构图
2.1.1物理层（PHY）
物理层定义了物理无线信道和MAC层之间的接口，提供三种不同的通信频段：
868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz和2400MHz-24835MHz，以及1个、10个以及16个不同的信道。
物理层提供两种服务：
物理层数据服务（PD）和物理层管理服务（PLME）。
通过无线信道的发送和接收以及物理层协议数据单元（PPDU）来实现物理层数据服务。
PLME主要通过调用物理层管理功能函数来提供管理和服务，其中物理层数据服务接入点（PD-SAP）给MAC层提供数据服务接口，而物理层管理实体服务接入点（PLME-SAP）给MAC层提供管理服务接口。
驱动程序为物理层提供的接口是无线射频服务接入点（RF-SAP），从外界接收到数据包后，从物理层中提取信息并通过PD-SAP上传给上层协议。
物理层结构及接口示意图如图2.2所示。
图2.2物理层结构及接口示意图
物理层的主要功能包括：
1）ZigBee系统的启动和关闭；
2）当前信道的能量检测；
3）链路质量信息；
4）信道评估与选择；
5）传输和接收数据。
2.1.2媒体介质访问层（MAC）
MAC层控制无线信道访问时使用CSMA-CA冲突避免机制，是所有无线信道的维护接口，提供两个相邻设备之间可靠的链路。
MAC层由MAC层管理实体（MLME）提供MAC层管理服务和MAC层数据服务实体（MCPS）提供MAC层数据服务两部分构成。
MAC层数据服务是指MAC层协议数据单元（MPDU）通过物理层数据服务发送和接收，而MAC层数据服务接入点（MCPS-SAP）给网络层提供数据服务接口。
MAC层管理实体以提供可调用MAC层管理功能接口为目的，MAC层管理实体服务接入点（MLME-SAP）为网络层提供管理服务接口。
MAC层的结构接口示意图如图2.3所示。
图2.3MAC层结构和接口图
MAC层主要功能包括：
1）信标的产生与同步；
2）信道接入；
3）保证系统的安全性；
4）管理时隙（GTS）机制；
5）提供可靠的通信链路。
2.1.3网络层（NWK）
网络层是ZigBee协议栈的核心部分。
网络层由网络层数据服务实体（NLDE）和网络层管理实体（NLME）两部分共同组成，不仅为MAC层提供函数而且为应用层提供服务接口。
网络层数据服务实体产生网络层协议数据单元（NPDU）为设备间的数据传输提供必要的服务，通过网络层数据实体服务接入点（NLDE-SAP）为应用层提供数据服务接口。
网络层管理实体主要负责网络中的管理服务，通过网络层管理实体接入点（NLME-SAP）实现。
网络层结构和接口图如图2.4所示。
网络层主要功能包括：
1）网络的发现、形成和维护；
2）路由器初始化；
3）提供网络节点地址分配；
4）允许设备直接或间接同网络连接；
5）断开网络连接；
6）复位配置；
7）信息库管理。
图2.4网络层结构和接口图
2.1.4应用层（APL）
ZigBee应用层框架由应用支持子层（APS）、应用程序框架（AF）、ZigBee设备对象（ZDO）和用户定义的应用对象4个部分组成。
ZigBee应用层除了提供必要的函数以及服务接口外，另一个重要的功能是让用户在应用层里编辑自己的应用对象。
应用支持层（APS）具有管理绑定表、在绑定设备间传输数据的功能。
它由主要负责为设备间的数据传输提供相应服务的应用支持子层数据服务实体（APSDE）和主要负责根据命令提供相应管理和服务的应用支持子层管理实体（APSME）共同组成。
在应用层中，应用支持子层数据接入点（APSDE-SAP）和应用支持子层管理服务接入点（APSME-SAP）分别为上层的应用实体提供数据和管理服务。
应用支持子层结构与接口图如图2.5所示。
应用程序框架（AF）其本质就是各个制造商所自定义的应用对象，并提供键值对（KVP）服务和报文（MSG）服务以满足应用对象的数据传输，用户自定义应用对象必须遵循在端点1-240上运行的规范（profile）原则。
设备在网络中的角色（例如是ZigBee协调器或是ZigBee终端设备或是ZigBee路由器）是由ZigBee设备对象（ZDO）定义的，同时ZigBee设备对象还负责对绑定请求的响应和初始化，在设备间建立可靠的联系。
图2.5应用支持子层结构与接口图
2.2ZigBee基本概念
ZigBee协议栈主要包含6个基本概念：
设备类型、网络拓扑结构、信标与非信标模式、ZigBee术语、绑定、ZigBee原语。
2.2.1设备类型
ZigBee系统中的设备可能包含协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端节点（EndDevice）3种逻辑类型中的两种或三种，一个完整的ZigBee网络由至少一个协调器、一个或多个路由器和一个或多个终端节点组成。
①协调器
ZigBee网络的拓扑形式可以多种多样，但是每个ZigBee网络中有且只有一个协调器节点。
协调器负责选择网络的信道、启动并建立整个网络。
协调器也可以协助网络中安全服务和应用层的绑定服务的建立。
但是协调器的角色只涉及网络的启动和配置，之后整个网络的运行就不再依赖于协调器是否存在。
②路由器
在树形和网状拓扑结构中，需要有路由器节点的加入，它是网络远距离延伸的必要部分。
路由器节点的功能是允许其他节点加入网络，协助各个节点之间的通信。
③终端设备
终端设备主要负责信息的接收和发送，不需要维持特定的网络结构，可以根据需要进入休眠或唤醒状态以降低功耗。
终端设备一般由电池供电，对存储空间要求比较小。
2.2.2网络拓扑结构
ZigBee支持3种网络拓扑结构，包括：
星型拓扑网络、树形拓扑网络和网状拓扑网络。
如图2.6所示。
其中，全功能设备（FFD，Router）可以支持任何一种网络结构，可以作为网络协商者和普通协商者使用，并且可以和任何一种设备进行相互通信。
精简功能设备（RFD）只支持星型网络结构，不能成为任何一种协商者使用，但是可以和网络协商者相互通信。
图2.6ZigBee网络拓扑结构
①星型拓扑网络
星型拓扑网络是最简单的一种拓扑结构，由一个协调器和一个或多个终端设备组成，只存在协调器与终端设备的通信，而没有路由节点的参与，终端设备之间的相互通讯必须通过协调器转发。
②树形拓扑结构
树形拓扑网络结构可以理解为由一个协调器和一个或多个星型结构连接而成，直接通信只能在父子节点之间进行，而非父子节点之间的通信只能通过树状路由器间接完成。
③网状拓扑网络
网状拓扑网络具有灵活、减少消息延时和可靠的特点，网络中所有具有路由功能的节点直接互联，任意两个节点间可相互传输数据，网络路径通过路由器中的路由表按照算法选择。
2.2.3信标与非信标模式
ZigBee网络可以分为信标（Beacon）和非信标（Non-beacon）两种工作模式。
为最大限度的节约能源消耗，信标模式可以使所有网络设备同步工作和同步休眠；
而在非信标模式下，协调器和路由器必须长时间处于工作状态，只允许终端设备周期性进入休眠模式。
在信标模式下，协调器向网络广播16个相同时间槽间隔的信标帧一般以15ms-4min之间的时间为间隔。
时间槽被分为网络活动区和网络休眠区两个部分，消息只能在网络活动区内发送。
在非信标模式下，采用终端节点向父节点提取数据，父节点为子节点缓存数据的机制，使终端设备可以周期性进入休眠模式以达到低功耗。
在ZigBee网络中，子节点大部分时间通常都处于休眠工作状态，但需要周期性醒来确认自己仍处于网络中，并可在15ms的延时后转入数据传输模式，提取数据。
2.2.4ZigBee术语
图2.7ZigBee术语结构图
①属性
反映物理数量或状态的数据值称为属性，如开关值（On/Off）,温度值、百分比等。
②群集
群集就是属性的集合，每一个群集都被系统分配一个独有的的群集ID且每个群集至多可以有65536个属性。
③设备描述
设备描述包含一个或多个集群，指定集群是输入或输出，描述符有4种，分别是简单描述符、节点描述符、电源描述符、端点描述符。
④端点
端点是协议栈应用层的入口，是为实现一个设备描述而定义的一组群集。
用户可以在每个设备上自定义240个应用对象（也就是端点1-240）。
每个ZigBee设备必须使用端点0用于与ZDO接口，而被保留用于广播的端点是255，端点241-254则被保留下来为了将来做扩展时使用。
⑤节点
每个节点有且只有一个信道使用，包含一组ZigBee设备，也可以理解为是一个专门的ZigBee设备的容器。
2.2.5绑定
通过使用ClusterI使不同的节点上的独立端点之间能够建立一个逻辑上的连接的特殊操作被称为绑定。
绑定操作的实现是协调器在接收到两个端点的绑定请求之后，通过建立绑定表使端点间建立一种逻辑链路。
在两个端点建立绑定表后，端点间的通信是由一个端点将信息传递给协调器，再由协调器通过查找已有绑定表将收到的信息发送给所绑定的另一个端点，这样实现端点间的间接通信。
2.2.6ZigBee原语
ZigBee协议栈各层之间是通过各自所关联的服务访问点来提供服务的，各层根据各自的功能独立运行，但ZigBee协议栈又是一个有机的整体，各层之间需要共同协作以便完成任务。
因此，层与层之间的信息交互通过服务“原语”的操作实现，“原语”分为4种类型，分别是请求（Request）、指示（Indication）、响应（Response）和证实（conform）。
原语的操作概念如图2.7所示。
①请求（Request）：
请求原语从N+1实体发送到N实体，请求发起一个服务，如请求建立连接、数据传送等。
②指示（Indication）：
指示原语从N实体发送到到N+1实体，指示一个对N+1实体有外部N层事件发生，这个事件可能由内部事件产生或与远程服务请求有关。
③响应（Response）：
响应原语由N+1实体向N实体传递，用来响应上一个指示原语。
④
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