基于ZigBee无线温湿度采集单元硬件设计.doc

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基于ZigBee无线温湿度采集单元硬件设计

基于ZigBee无线温湿度数据采集单元硬件设计

[摘要]本文全面深入地对无线传感器网络以及ZigBee标准做了研究分析，从网络设备入网流程等关键点上突破，研究了ZigBee技术的组网方式。

并结合CC2430芯片，以ZigBee协议为基础，实现无线传输。

本文采用SHT11数字传感器进行数据采集，在已组建的ZigBee通信网的基础上，从终端节点角度考虑网络的低功耗问题，采用锂电池供电，在终端采集温湿度数据。

最后，通过RS232数据传输端口把数据传输到PC机上，实现了温湿度数据的集中处理与显示。

本文通过对ZigBee无线传感器网络数据采集系统的设计与实现，完成了小型ZigBee无线传感器网络的搭建、温湿度传感器数据的传输和数据的显示与处理，得到了良好的结果。

[关键字]ZigBee；传感器网络；温湿度传感器；无线传输

TheHardwareDesignofTemperatureandHumidity

Based-onZigBee

Abstract：

Inthispaper，comprehensiveandin-depthonwirelesssensornetworks，aswellasstandardZigBeedoneresearchandanalysis，networkflowfromthenetworkequipmentatkeypointssuchasabreakthroughin-depthstudytheZigBeetechnology.CombinedwithCC2430chiptoZigBeeagreementbasedontherealizationofwirelesstransmission.

Inthispaper，thenumberofsensorsSHT11dataacquisition，ZigBeehasbeenestablishedbasedonthecommunicationnetwork，fromtheperspectiveofend-nodenetworkoflow-powerproblem，temperatureandhumiditydataacquisitionterminal.Finally，datatransmissionthroughtheRS232porttotransmitdatatoPC,toachievethetemperatureandhumiditydatatofocusonanddisplay.

BasedontheZigBeewirelesssensornetworkdataacquisitionsystemdesignandimplementationofthecompletionoftheZigBeewirelesssensornetworksofsmallstructures，temperatureandhumiditysensordatatransmissionandsensordatacollectionmanagement，theresultshavebeengood.

KeyWords：

ZigBee；sensornetwork；temperatureandhumiditysensor;wirelesstransmission

目录

1引言 1

1.1无线传感器网络 1

1.1.1国内外研究现状 1

1.2温湿度数据采集系统 2

1.3本文工作 3

1.4论文结构 3

2ZigBee网络节点的硬件电路设计 3

2.1ZigBee技术概况 3

2.2ZigBee协议标准 4

2.3电源电路设计 6

2.4ZigBee网络节点的硬件电路设计 6

2.4.1CC2430芯片简介 6

2.4.2CC2430内部结构 8

2.4.3CC2430应用电路设计 9

2.5复位电路设计 10

3温湿度数据采集单元的硬件电路设计 11

3.1数字式温湿度芯片SHT11简介 11

3.2芯片接口 11

3.3电路设计 12

3.4SHT11使用注意事项 12

4串口通信的硬件电路设计 14

4.1电气特性 14

4.2接口电路设计 15

结束语 16

参考文献 16

附录 18

致谢 19

1引言

无线传感器网络（WirelessSensorNetWork，WSN）是一种特殊的Ad-hoc网络，是由许多无线传感器节点协同组织起来的，这些微型节点具有无线通讯、数据采集和协同合作能力，可以应用于布线和电源供给困难或人员不能到达的区域（如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域）和一些临时场合等。

无线传感器网络节点可以随机或特定地布置在目标环境中，它们之间通讯通过特定的协议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。

在军事、国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的使用价值，具有十分广阔的应用前景。

开发无线传感器网络所采用的协议取决于网络具体的应用范围。

ZigBee协议是为家庭控制、安全系统、建筑自动化等方面设计的传感器网络协议。

本文将会分析ZigBee协议的结构并基于ZigBee协议实现一种温湿度传感器网络。

1.1无线传感器网络

20世纪90年代末问世的无线传感器网络正在以人们难以预测的速度迅猛发展，国际上一些重要机构预测其为改变世界的新事物。

与无线传感器网络有关的各种新技术及无线传感器网络在军、民各个领域的应用研究工作已经在发达国家轰轰烈烈地展开，大有引发一场新技术革命的势头。

无线传感器网络是从民用领域发展起来的，它由数量巨大的传感器节点组成，这些节点密集部署在所要观测或监视的对象的内部或者非常靠近这种对象的地方。

由于传感器网络具有许多其它网络所没有的特征，其应用范围已经深入到了人类社会的每一个角落，从收集家庭、建筑物、船舶、交通运输系统、工业自动化系统内部及其周围环境的信息并实施监控的民用/商用应用领域，一直到数字化战场全谱战斗空间的监视、检测与跟踪等军事作战领域。

1.1.1国内外研究现状

传感器网络系统是当今前沿性的热点研究方向之一，有着巨大的科学意义和应用前景，被认为是将对21世纪产生巨大影响力的高技术之一。

2003年2月份的美国《技术评论》杂志评选出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络即被列为第一。

美国《商业周刊》在2003年8月的技术评论中，已经将传感器网络定位成21世纪高技术领域的四大支柱型产业之一，其潜在的市场需求十分巨大。

传感器网络系统己引起了世界各国学术界、军事部门和工业界的极大关注。

美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划，投资3400万美元支持相关基础理论的研究。

美国国防部和各军事部门也对传感器网络给予了高度重视，在C4IsR的基础上提出了C4KIsR计划，把传感器网络作为一个重要研究领域。

该计划将各类武器平台，即“射手”的杀伤、摧毁能力加入了系统C4IsR。

这样，地（海）面、空中和太空的各种传感器、指挥控制中心和武器平台，就通过信息网络集成为一体化的系统，从而大大提高了反应速度，实现了从传感器到射手的无缝链接。

美国英特尔公司提出了“智能灰尘”的概念，“智能灰尘”设备是微小的无线式微型机电组件传感器（MEMS），它能探测从光线到震动的任何东西。

由于硅和制造技术的最新突破，这些“无线遥感收发信机”终将能做成沙粒大小，而每个里面包含了传感器、计算电路、双向无线通信技术和电源。

它们收集大量的数据，进行计算，并在相距1000英尺的无线遥感收发信机之间利用双向无线电交流信息。

信息工业界巨头如微软公司等也开始了传感器网络方面的工作，纷纷设立或启动相应的行动计划。

欧盟2002年开始实施为期3年的EYES（自组织和协作有效能量的传感器网络）计划。

2004年3月，日本总务省成立“泛在传感器网络”调查研究会。

在国内传感器网络系统方面的研究起步较晚，近两年才受到广泛关注。

“传感器网络系统的基础软件及数据管理关键技术的研究”己被列为国家自然科学基金委员会信息科学部与微软亚洲研究院正式签署的第二期联合资助项目之一，国家“十五“科技攻关项目把传感器网络列为重大研究项目。

对传感器网络系统信息获取与处理相关技术的研究，符合国家的整体科技发展计划，对国防科学技术和国家经济建设具有重要战略意义。

在国防技术方面，传感器网络信息获取与处理系统可以将大量地理上分散的战区传感器、指挥控制中心、主战武器平台以及处于动态移动的目标等联系起来，从而提高综合战斗能力和预防能力。

在民用方面，在环境监测、生态保护、交通、工业控制等方面，传感器网络可以为我们及时准确的提供全方位的监测手段和监测信息。

1.2温湿度数据采集系统

本文主要研究在基于ZigBee的协议的基础上，实现温湿度数据的采集，然后把数据传输给上位机来显示和处理。

首先，此系统包括ZigBee网络节点的设计，电源设计，温湿度数据采集的设计，串口通信的设计。

明白了我们需要的设计的模块的基础上，根据系统要实现的功能，给出了如图1所示的系统设计框图：

图1系统整体设计框图

ZigBee网络节点的设计我们采用CC2430芯片，此产品可以实现我们需要的ZigBee传输协议；温湿度数据采集电路设计采用SHT11芯片，这种芯片是一种全数字式的芯片，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特定，在实际应用中非常方便；串口设计采用RS-232通信标准，实现数据的接收和传送；电源采用锂电池供电。

1.3本文工作

本文的设计目标是通过若干个终端测量节点，搭建一个ZigBee网络。

进行数据采集，然后进行数据传输。

本文的主要工作如下：

（1）分析ZigBee协议，理解ZigBee技术的特性和通信原理。

研究ZigBee协议栈及其具体实现方式，并能初步应用协议栈实现具体功能。

（2）根据节点的物理特性，选择合适的微处理器和无线传输芯片，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，射频部分的天线分析，PCB制作等。

（3）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。

1.4论文结构

本文的结构大致分为四部分：

第一章：

引言。

该章介绍了无线传感器网络的概念以及国内外的研究现状、并设计了温湿度采集系统的总体设计框图。

第二章：

设计了ZigBee网络节点的硬件电路。

第三章：

介绍了温湿度数据采集所需的器件，设计了温湿度数据采集的硬件电路，并说了使用器件的注意事项。

第四章：

串口通信的电路的设计，当把温湿度数据采集以后然后把数据传输给PC机来集中显示与处理。

最后，总结。

该章对本文所完成的任务做了总结，指出了本文所取得的成果，并提出了今后的需要做的工作和下一步努力的方向。

2ZigBee网络节点的硬件电路设计

2.1ZigBee技术概况

ZigBee这个字源自于蜜蜂跳ZigZag形状的舞蹈，来通知其他蜜蜂有关花粉位置等资讯，以达到彼此沟通讯息之目的，故以此作为新一代无线通讯技术之命名。

ZigBee先前亦被称为“HomeRFLite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”无线电技术，目前统一称为ZigBee。

ZigBee技术并不是完全独有、全新的标准。

它的物理层、MAC层采用了IEEE802.

15.4（无线个人区域网）协议标准，但在此基础上进行了完善和扩展。

其网络