电子信息专业毕业论文基于CC2530温湿度采集与传输系统设计与实现.docx
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电子信息专业毕业论文基于CC2530温湿度采集与传输系统设计与实现
本科毕业设计（论文）
基于CC2530温湿度采集与传输系统设计实现
XX
XX大学XX学院
20XX年6月
本科毕业设计（论文）
基于CC2530温湿度采集与传输系统设计与实现
学院（系）：
XX大学XX学院
专业：
电子信息工程
学生姓名：
XX
学号：
XX
指导教师：
XX
答辩日期：
20XX年6月
XX大学毕业设计（论文）任务书
学院：
XX学院系级教学单位：
电子工程系
学
号
XX
学生
姓名
XX
专业
班级
电子信息工程2班
题
目
题目名称
基于cc2530温湿度采集与传输系统设计与实现
题目性质
1.理工类：
工程设计（√）；工程技术实验研究型（）；
理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）
2.管理类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）
题目类型
1.毕业设计（√）2.论文（）
题目来源
科研课题（）生产实际（）自选题目（√）
主
要
内
容
本次的设计主要是通过下位机（主要是cc2530）采集当前环境的温湿度，采集后通过ZigBee无线传感网络把数据传到协调器，协调器接收数据后，把数据传到上位机，上位机接收数据并把数据显示在上位机软件上的文本框，并把数据实时的动态折线显示，并且还可以自动或者手动的发送指令来控制下位机的状态。
基
本
要
求
通过本次的设计后，对zigbee无线传感网络有一定的了解，对上位机软件操作有一定的编写能力。
参
考
资
料
[1]ZigBee传感网络的设计与实现————王小强，欧阳骏，黄宁淋编著
[2]ZigBee无线网络技术入门与实战————李文仲，北京航空航天大学出版社
[3]ZigBee2007/pro协议栈实验与实践————李文仲，北京航空航天大学出版社
周次
第1～4周
第5～8周
第9～12周
第13～16周
第17～18周
应
完
成
的
内
容
查阅文献
方案设计
编写代码
软件测试
软件联调
撰写论文
准备答辩
指导教师：
XX
职称：
教授20XX年3月1号
系级教学单位审批：
胡正平
20XX年3月1号
摘要
ZigBee，国内称之为“紫蜂”，是一种廉价的低功耗近距离无线组网通信技术，具有低功耗、低成本、低速率、短延时、高网络容量等特点。
目前，ZigBee技术已经广泛应用于无线通信领域。
首先，本设计意在通过ZigBee无线通信技术构建一个无线传感网络，所用处理器为cc2530这款单片机，采用点对点网络拓扑结构，对加入该网络传感节点进行温度和湿度数据采集和分析，可以应用于工业控制或者农业生产中对温度的检测和控制，避免了有线网络的布线问题和成本问题。
其次，上位机由VisualBasic语言编写完成，ZigBee无线网络中的终端设备通过采集当地的温湿度数据，通过ZigBee无线网络传输给协调器，协调器再把数据通过串口将数据传给上位机，上位机显示温湿度数据通过以折线的方式实时的显示出来，同时上位机还可以自动或者手动发送指令来控制下位机（终端设备和协调器）。
最后，实现上位机和下位机联调成功后，进行毕业答辩演示。
关键词zigbee;cc2530;无线传感网络;温湿度的采集
Abstract
ZigBee,domesticcallthis\"purple\",isakindofcheaplowpowershortdistancewirelessnetworkcommunicationtechnology,withlowpowerconsumption,lowcost,lowrate,shorttimedelay,highnetworkcapacity,etc.Atpresent,ZigBeetechnologyhasbeenwidelyappliedinwirelesscommunicationfield.
Firstofall,thisdesignaimstothroughtheZigBeewirelesscommunicationtechnologytobuildawirelesssensornetwork,theprocessorusedforcc2530themicrocontroller,usingapeer-to-peernetworktopologystructure,totemperatureandhumiditysensornodestojointhenetworkdatacollectionandanalysis,canbeusedintheindustrialcontroloragriculturalproductionoftemperaturedetectionandcontrol,toavoidthecablenetworkwiringandcostproblems.
Second,PCcompletedbyVisualBasiclanguage,ZigBeewirelessnetworkterminaldevicethroughtheacquisitionoflocaltemperatureandhumiditydata,throughtheZigBeewirelessnetworktransmissiontothecoordinator,thecoordinatortopassdatathroughtheserialporttoPC,PCdisplaytemperatureandhumiditydatathroughreal-timedisplay,intheformoflineanduppermachinealsocanbeautomaticallyormanuallysendcommandstocontrolthemachine（terminalequipmentandthecoordinator）.
Finally,realizetheuppermachineandlowermachinealignmentsuccess,afterthegraduationreplydemo.
KeyWordsZigbee;cc2530;Wirelesssensornetwork;Temperatureandhumidityacquisition
第1章绪论
1.1课题背景
信息技术发展日新月异，传统的有线通信方式因为其成本高、布线复杂，已经不能完全满足人们的应用需求了。
因此，无线通信技术应运而生。
无线网络技术按照传输范围来划分，可分为无线广域网、无城域网、无线局域网和无线个人网。
无线个人网即短距离无线网络，典型的短距离无线传输技术有：
蓝牙、ZigBee、WiFi等。
在工业控制、家庭自动化和遥测遥感领域，蓝牙虽然成本较低，成熟度高，但是传输距离有限，仅为10米，可以参与组网的节点少。
WiFi虽然传输速度较快，传输距离达到100米，但是其价格偏高，功耗较大，组网能力较差。
相比之下ZigBee技术则主要针对低成本、低功耗和低速率的无线通信市场，具有如下特点：
低功耗。
由于ZigBee的传输速率较低，传输数据量小，并且使用了休眠模式，因此ZigBee设备功耗很低，仅靠两节5号电池就可以维持长时间使用。
成本低。
ZigBee模块的初始化成本低，并且ZigBee协议是免专利费的，采用直接序列扩频在工业科学医疗频段，2.4GHz（全球）、915MHz（美国）和868MHz（欧洲），免执照频段。
时延短。
ZigBee的响应速度较快，通信延时和休眠状态激活的时延都非常短，一般从休眠转入工作状态只需要15ms，典型的搜索设备时延为30ms，活动设备信道接入时延15ms。
网络容量大。
ZigBee可采用星型、树型和网型结构，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，同时主节点还可以由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。
低速率。
ZigBee工作在20—250kbps的低速率，分别提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20kbps（869MHz）的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。
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。
可靠度高。
为了避免发送数据的竞争和冲突，采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙。
MAC层采用完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待收方的确认信息，如果传输过程中出现问题可以进行重发。
传输距离远。
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。
如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。
兼容性。
ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝集成。
通过网络协调器自动建立网络，采用CSMA-CA方式进行信道接入。
为了可靠传递，还提供全握手协议。
由于ZigBee技术具有上述特点，因而广泛应用在短距离低速率电子设备之间的数据传输。
ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。
1.2课题研究的目的和意义
ZigBee技术具有低成本、低功耗、近距离、短延时、高容量、高安全及免执照频段等优势，广泛应用于智能家居、工业控制、自动抄表、医疗监护、传感网络应用和电信应用等领域。
智能家庭。
家里可能都有很多电器和电子设备，如电灯、电视机、冰箱、洗衣机、电脑、空调等等，可能还有烟雾感应、报警器和摄像头等设备，以前我们最多可能就做到点对点的控制，但如果使用了ZigBee技术，可以把这些电子电器设备都联系起来，组成一个网络，甚至可以通过网关连接到Internet，这样用户就可以方便的在任何地方监控自己家里的情况，并且省却了在家里布线的烦恼。
工业控制。
工厂环境当中有大量的传感器和控制器，可以利用ZigBee技术把它们连接成一个网络进行监控，加强作业管理，降低成本。
医疗监护。
电子医疗监护是最近的一个研究热点。
在人体身上安装很多传感器，如测量脉搏、血压，监测健康状况，还有在人体周围环境放置一些监视器和报警器，如在病房环境，这样可以随时对人的身体状况进行监测，一旦发生问题，可以及时做出反应，比如通知医院的值班人员。
这些传感器、监视器和报警器，可以通过ZigBee技术组成一个监测的网络，由于是无线技术，传感器之间不需要有线连接，被监护的人也可以比较自由的行动，非常方便。
自动抄表。
抄表可能是大家比较熟悉的事情，像煤气表、电表、水表等等，每个月或每个季度可能都要统计一下读数，报给煤气、电力或者供水公司，然后根据读数来收费。
现在在大多数地方还是使用人工的方式来进行抄表，逐家逐户的敲门，很不方便。
而ZigBee可以用于这个领域，利用传感器把表的读数转化为数字信号，通过ZigBee网络把读数直接发送到提供煤气或水电的公司。
使用ZigBee进行抄表还可以带来其它好处，比如煤气或水电公司可以直接把一些信息发送给用户，或者和节能相结合，当发现能源使用过快的时候可以自动降低使用速度。
传感器网络应用。
传感器网络也是最近的一个研究热点，像货物跟踪、建筑物监测、环境保护等方面都有很好的应用前景。
传感器网络要求节点低成本、低功耗，并且能够自动组网、易于维护、可靠性高。
ZigBee在组网和低功耗方面的优势使得它成为传感器网络应用的一个很好的技术选择。
电信应用。
在2006年初的时候，意大利电信就宣布她研发了一种集成了ZigBee技术的SIM卡，并命名为“ZSIM”[5]。
其实这种SIM卡只是把ZigBee集成在电信终端上的一种手段。
而ZigBee联盟也在2007年4月发布新闻，说联盟的成员在开发电信相关的应用[6]。
如果ZigBee技术真得可以在电信领域开展起来，那么将来用户就可以利用手机来进行移动支付，并且在热点地区可以获得一些感兴趣的信息，如新闻、折扣信息，用户也可以通过定位服务获知自己的位置。
虽然现在的GPS定位服务已经做得很好，但却很难支持室内的定位，而ZigBee的定位功能正好弥补这一缺陷。
此外，ZigBee技术也可以应用到汽车电子、农业生产和军事领域中。
随着物联网技术的日渐兴起，ZigBee将会扮演更为重要的角色。
但是，物联网的全面普及将是一个十分漫长的过程，至少目前还在探索和实验阶段，距离实用还有很长的路要走。
虽然前景一片大好，但是我们应该清楚认识到由于各方面的制约ZigBee技术的大规模商业应用还有待时日，基于zigBee技术的无线网络应用还远远说不上成熟，主要表现在：
ZigBee市场仍处于起步探索阶段，终端产品和应用大多处于研发阶段，真正上市的少，且以家庭自动化为主；潜在应用多，但具有很大出货量的典型应用少，市场缺乏明确方向。
1.3国内外研究概况
目前，zigbee技术的产业链已经基本成型。
芯片大批量生产阶段，chipcon,freescale，ember，radiopulse，oki，helicomm，jennic，microchip等公司纷纷推出zigbee解决方案，其中atmel与chipcon已经开发出zigbee芯片，但二者都是选用全球通用的2.4ghz频道，其他厂商如ember搭配atmel与nec搭配chipcon芯片，已经完成开发套件，能够提供系统厂商整合方案。
芯片商helicomm则是自行推出整合方，ipp--link2000，有2.4ghz与915mhz两版本，该方案可以与GPRS/CDMA相连接。
Freescale、oki等也表示将推出2.4ghz整合rf、phy、与mac的芯片。
2005年zigbee联盟选择德国莱茵tuv集团作为唯一的全世界无线实验室测试zigbee技术产品的代表，在世界各地提供zigbee联盟认可的商标认证和一致性平台测试服务。
将新的zigbee认证项目推向市场。
紧接着zigbee联盟发布了首批成功完成互操作测试的四款平台。
这些平台将用来测试未来数月内推出的zigbee产品，从而为zigbee标准在工业控制、HVAC空调系统与家庭自动化等领域的实际应用铺平道路。
目前企业正积极开发zigbee应用市场，分别为家庭与楼宇自动化、消费电子、自动读表与其他方面，包括工业自动化、监控检测、医疗、幼儿监护、物流管控、低温连锁管理与农业监控等。
目前国内众多厂商从事zigbee家庭网关的开发，2006年6月，华为以“促进者”的身份加入了zigbee联盟理事会，但zigbee在中国还未得到足够的支持。
尽管国内已经有不少人开始关注zigbee这门新技术，而且也有不少单位开始涉足zigbee技术的开发工作，然而，由于zigbee本身是一种新的系统集成技术，应用软件的开发必须和网络传输，射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起，因而要深入理解这个来自外国新技术，在组织一个在这几个方面都有丰富的配套的队伍，本身就不是一件容易的事。
到目前为止，所见的报道有：
成都西谷曙光数字技术有限公司，真正将zigbee技术开发成产品。
我国开展研究机构主要有浙江大学、苏州大学、东南大学等一些高校，目前还处于起步阶段。
1.4论文的主要研究内容及论文安排
本文主要研究了基于ZigBee的温湿度检测系统的设计，包括节点的硬件设计、无线传感器网络的组建以及上位机的编程实现。
本文的安排如下：
第一章阐述了设计的背景、目的和意义以及目前国内外的ZigBee研究发展情况。
第二章介绍了ZigBee的协议栈结构、各层的功能、ZigBee的网络节点类型、网络体系结构及工作模式，此外简要介绍了CC2530芯片。
第三章介绍了本设计的开发环境以及相关的软硬件设计，包括上位机的设计。
第四章介绍了该设计的测试过程和调试过程。
第五章对全文进行了总结。
例外还有参考文献，大学期间和本次设计的致谢词，附录一（本次毕业设计的开题报告）和附录二（上位机程序），附录三（外文翻译）。
第2章ZigBee协议及所采用的芯片介绍
2.1ZigBee概述
ZigBee一词来源于蜜蜂赖以生存的通信方式ZigZag形状的舞蹈，是一种低成本、低功耗的近距离无线组网通信技术。
2000年，IEEE802.15工作组成立的任务组TG4（TaskGroup，TG）制定了IEEE802.15.4标准。
该标准以低能耗、低速率传输、低成本为重点目标，为设备之间的低速无线互连提供了统一标准，就是ZigBee无线通信技术。
ZigBee新一代SOC芯片CC2530是真正的片上系统解决方案，支持IEEE802.15.4标准/ZigBee/ZigBeeRF4CE和能源的应用。
拥有庞大的快闪记忆体多达256个字节，CC2530是理想ZigBee专业应用。
应用层（含应用接口层）
用户
安全层
ZigBee联盟
网络层
MAC层
IEEE802.15.4
物理层
图2-1ZigBee协议栈结构
ZigBee协议由物理层（PHY）、介质访问控制子层（MAC）、网络层（NWK），应用层（APL）及安全服务提供层（SSP）五块内容组成。
其中PHY层和MAC层标准由IEEE802.15.4标准定义，MAC层之上的NWK层，APL层及SSP层，由ZigBee联盟的ZigBee标准定义。
APL层由应用支持层（APS）应用框架（AF）以及ZigBee设备对象（ZDO）及ZDO管理平台组成。
下面对协议栈各层的作用一一介绍。
PHY层：
定义了无线射频应该具备的特征，提供了868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz和2400MHz-24835MHz三种不同的频段，分别支持20kbps、40kbps和250kbps的传输速率，1个、10个以及16个不同的信道Ⅲ。
ZigBee的传输距离与输出功率和环境参数有关，一般为10～100米之间。
PHY层提供两种服务：
PHY层数据服务和PHY层管理服务，PHY层数据服务是通过无线信道发送和接收物理层协议数据单元（PPDU），PHY层的特性是激活和关闭无线收发器、能量检测、链路质量指示、空闲信道评估、通过物理媒介接收和发送分组数据。
MAC层：
使用CSMA-CA冲突避免机制对无线信道访问进行控制，负责物理设备问的可靠链接，支持关联（Association）和退出关联（Disassociation）以及MAC层安全。
MAC层提供两种服务：
MAC层数据服务和MAC层管理服务，MAC层数据服务通过物理层数据服务发送和接收MAC层协议数据单元（MPDU）。
MAC层的主要功能是：
进行信标管理、信道接入、保证时隙（GTS）管理、帧确认应答帧传送、连接和断开连接。
NWK层：
提供网络节点地址分配，组网管理，消息路由，路径发现及维护等功能。
NWK层主要是为了确保正确地操作IEEE802.15.4．2003MAC子层和为应用层提供服务接口。
NWK层从概念上包括两个服务实体：
数据服务实体和管理服务实体。
NWK层的责任主要包括加入和离开一个网络用到的机制、应用帧安全机制和他们的目的地路由帧机制，ZigBee协调器的网络层还负责建立一个新的网络。
ZigBee应用层包括应用支持子层（APS子层）、应用框架（AF）和ZigBee设备对象（ZDO）。
APS子层负责建立和维护绑定表，绑定表主要根据设备之间的服务和他们的需求使设备相互配对。
ZigBee的应用框架（AF）为各个用户自定义的应用对象提供了模板式的活动空间，并提供了键值对（KVP）服务和报文（MSG）服务供应用对象的数据传输使用。
一个设备允许最多240个用户自定义应用对象，分别指定在端点l至端点240上。
ZDO可以看成是指配到端点O上的一个特殊的应用对象，被所有ZigBee设备包含，是所有用户自定义的应用对象调用的一个功能集，包括网络角色管理，绑定管理，安全管理等。
把上面几个层次联合起来，ZigBee协议层与层之间是通过原语进行信息的交换和应答的。
大多数层都向上层提供数据和管理两种服务接口，数据SAP（ServiceAccessPoint）和管理SAP（ServiceAccessPoint）。
数据服务接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务，管理服务接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制。
2.2ZigBee网络基础
ZigBee网络基础主要包括设备类型，拓扑结构和路由方式三方面的内容，ZigBee标准规定的网络节点分为协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端节点（EndDevice）。
节点类型是网络层的概念，反映了网络的拓扑形式。
ZigBee网络具有三种拓扑形式：
星型拓扑、树型拓扑、网状拓扑。
2.2.1网络节点类型
协调器。
在各种拓扑形式的ZigBee网络中，有且只有一个协调器节点，它负责选择网络所使用的频率通道、建立网络并将其他节点加入网络、提供信息路由、安全管理和其他服务。
当协调器入网后，会为其他其他的节点分配地址，之后便会以路由器的身份在网络中。
路由器。
当采用树型和网状拓扑结构时，需要用到路由器节点，它也可以加入协调器，是网络远距离延伸的必要部件。
它负责发送和接受节点自身信息；节点之间转发信息；允许子节点通过它加入网络。
终端节点。
终端节点的主要任务就是发送和接收信息。
一般在中端节点上安装我们所需的传感器来实现设计的要求，通常一个终端节点不处在数据收发状态时可进入休眠状态以降低能耗。
当它的父节点路由器坏了时，可以选择其他的路由器来当父节点来对数据进行路由。
2.2.2网络拓扑形式
星型拓扑。
是最简单的拓扑形式，如图2-2。
图中包含一个协调器节点和一些终端节点。
每一个终端节点只能和协调器节点进行通讯，在两个终端节点之间进行通讯必须通过协调器节点进行转发，其缺点是节点之间的数据路由只有唯一路径。
图2-2星形拓扑结构
树型拓扑。
结构如图2-3。
协调器可以连接路由器节点和终端节点，子节点的路由器节点也可以连接路由器节点和终端节点。
直接通信只可以在父节点和子节点之间进行，非父子关系的节点只能间接通信。
图2-3树状拓扑结构
网状拓扑。
如图2-4。
网状拓扑具有灵活路由选择方式，如果某个路由路径出现问题，信息可自动沿其他路径进行传输。
任意两个节点可相互传输数据，网络会自动按照ZigBee协议算法选择最优化路径，以使网络更稳定，通讯更有效率。
在这三个网状中，网状拓扑是线路最多最复杂也是最有效率的一直组网方式。
图2-4网状拓扑结构
2.2.3ZigBee组网技术
ZigBee中，只有PAN协调点可以建立一个新的ZigBee网络，当ZigBeePAN协调点希望建立一个新网络时，首先扫描信道，寻找网络中的一个空闲信道来建立新的网络。
如果找到了合适的信道，ZigBee协调点会为新网络选择一个PAN标识符（PAN标识符是用来标识整个网络的，因此所选的PAN
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