基于Zigbee技术的无线环境监测系统的毕业设计.docx
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基于Zigbee技术的无线环境监测系统的毕业设计
基于Zigbee技术的无线环境监测系统的毕业设计
引言
环境监测的主要目标是通过检测环境变量参数及变化趋势的数据，判断环境质量，评价当前主要环境问题，为环境管理服务。
环境监测是科学管理环境和环境执法监督的基础。
环境监测是环境保护必不可少的基础性工作，是环保部门的立身之本。
通过环境监测可以搞清楚污染物种类和分布状况，明确污染途径，预测污染变化趋势，预警可能出现的环境问题。
环境监测根据环境管理的需要来测定、获取、解释、运用数据。
环境监测还可作为环境执法监督的技术基础和技术仲裁，为环境管理决策、环境规划、实施总量控制、排污收费、环境指标考核、环境工程、监视污染源排污和评价治理措施及效果验收服务。
在经历了环境监测是环境保护的“眼睛”、“哨兵”、“基础”、“重要支柱”的认识过程后，现在明确提出基于无线网络的环境监测是“一项政府行为”，体现了对环境监测重要性认识的深化。
环境监测在正确认识环境质量，解决现存或潜在的环境问题，改善生活环境和生态环境，协调人类和环境的关系，最终实现人类的可持续发展中起着举足轻重的作用。
1绪论
1.1研究背景及现状
近年来，随着无线网络技术的发展，各种基于无线网络传感器技术的产品层出不穷。
同时，由于环境的不断恶化，人们对环境保护和环境监测提出了更高的要求，越来越多的企业和机构都致力于在环境监测系统中应用无线传感器网络技术的研究。
基于无线传感器网络的环境监测系统适合于在煤矿、油田安全监测，温室环境监测、环保部门的大气监测、突发性环境事故的预测及分析、特殊污染企业的监测，生物群种的生态环境监测以及家庭、办公室及商场空气质量监测等领域应用。
利用无线传感器网络实现环境监测的应用领域一般具有以下特点：
（1）无人环境、环境恶劣或超远距离情况下信息的采集和传送，保证系统工业级品质安全可靠。
（2）生物群种对于外来因素非常敏感，人类直接进行的生态环境监控可能反而会破坏环境的完整性，包括影响生态环境中种群的习性和分布等。
（3）需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备相对比较多，但仅仅用于监测或控制。
（4）系统实施、运行费用要低，无需铺设大量电缆，支持临时性安装，系统易于扩展和更新。
（5）具有数据存储和归档能力，能够使大量的传感数据存储到后台或远程数据库，并能够进行离线的数据挖掘，数据分析也是系统实现中非常重要的一个方面。
无线传感器网络是由大量节点组成的面向任务的分布式网络，它综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信、分布式信息处理等多领域技术，通过各类微型传感器实时采集信息，由嵌入式微处理器对信息进行加工处理，并通过无线通信网络将信息传送至远程用户。
在国防安全、工农业领域各种控制、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领域都有重要的科研价值和实用价值，具有十分广阔的应用前景。
无线传感器网络技术作为信息科学技术领域的前沿性技术，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大量研发力量从事无线传感器网络软硬件系统的研究工作。
1.2研究目的及意义
本设计以DHT11传感器为信息采集端，AT89C52单片机作为控制核心，实时监测目标环境内温度，湿度等工业参数，并将实测值通过zigbee发送至监测终端。
系统能对大面积的多点温度，湿度进行监测，并将数据传输到PC机上进行数据存储与分析。
整个监测网络是由基于ZigBee技术的无线温、温湿度传感器节点和ZigBee无线网关组成。
无线温、湿度节点放置于需要测量的现场，执行温度和湿度数据采集、预处理和发送等工作。
通过无线传感器发送给接收节点，最后实时的显示温、湿度信息。
本次课题主要是基于zigbee无线环境监测系统的实现，主要是为了解决有线环境监测布线的繁琐，有线监测在环境变化后更改和重用的难度较大，无人和恶劣环境下对监测的不可实现性。
同时，无线传感技术作为国际备受关注的前沿热点领域，致力于提供一种廉价的固定、便携或者移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线通信技术。
具有功耗低、数据传输可靠、网络容量大、具有较好的兼容性及安全性。
基于无线网络环境监测系统的研究，对于未来人们生活更加智能化有很大的帮助。
1.3开发工具的选择
本系统的开发主要用到KeiluVision4调试编译软件和STC-ISP烧录软件把编译好的软件烧写进开发板内。
KeiluVision4是目前使用广泛的单片机集成开发环境，这个集成开发环境包含：
编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。
同时还提供了KEILC51标准C编译器，为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。
STC-ISP是STC单片机专用的烧录软件，大部分STC单片机内部固化有ISP系统引导程序，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，故不需要编程器并且速度比通用编程器快。
ISP软件界面如图1.1所示。
图1.1ISP软件界面
具体操作步骤：
步骤1：
选择你所使用的单片机型号，STC89C52RC
步骤2：
打开文件，要烧录用户程序，必须调入用户的程序代码（*.bin,*.hex）
步骤3：
选择串口号
步骤4：
设置是否双倍速，双倍速选中DoubleSpeed即可，STC89C52RC系列出厂时为单倍速，用户可指定设为双倍速，如想从双倍速恢复成单倍速，则需用通用编程器擦除整个晶片方可，这会将单片机内部已烧录的ISP引导程序擦除。
一般使用缺省设置即可，无须设置。
OSCDN：
单片机时钟振荡器增益选1/2gain为降一半，降低EMI；选fullgain（全增益）为正常状态
步骤5：
选择“Download/下载”按钮下载用户的程序进单片机内部，可重复执行步骤5，也可选择“Re-Download/重复下载”按钮。
下载时注意看提示，主要看是否要给单片机上电或复位，下载速度比一般通用编程器快。
一定要先选择“Download/下载”按钮，然后再给单片机上电复位（先彻底断电），而不要先上电。
2硬件系统设计
环境监测具有区域内的监测点数量多、监测时间长、监测情况复杂等特点。
针对传统环境监测手段的网络布局困难、节点智能化程度低等缺点，设计了基于ZigBee协议的无线传感器环境监测网络系统。
无线传感器网络是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区域需要监测的各种信息，并对这些信息进行处理后以无线的方式传送，通过无线网络最终发送给监控终端。
在ZigBee传感器网络中，传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，在采集、接收、处理及发送数据进的同时，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，并与其他节点协作完成一些特定任务。
这里设计一套简单基于zigbee无线环境监测系统，实时监测某特定环境中的温度和湿度，为环境控制和管理提供准确的数据。
本设计采用了温湿度传感器两种适用于环境监测的传感器作为无线网络的传感器节点。
可以将这些传感器节点分布于室内或室外环境中的各个角落。
在网络协调器（即中心节点）的无线覆盖范围之内，布置若干个路由节点和终端节点，实现网络管理和互相通信。
根据系统的需要，传感器节点应具备以下功能：
（1）传感器信号的采集和处理。
（2）无线数据的发送或转发。
（3）友好的人机交互界面。
（4）RS232通讯功能。
2.1设计原则
（1）尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。
为硬件电路的标准化、模块化打下良好基础。
可靠性和抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分，它包括芯片和器件的选择、去耦电容、滤波电容、电路板的布线等。
（2）尽量朝单片方向设计硬件。
硬件器件越多，器件之间相互干扰越强，功耗也会越大，就会可避免的降低系统的稳定性。
（3）在速度允许的情况下，尽量使用串行为主的扩展方式。
串行扩展具有方便、灵活、电路简单、占用I/O资源少等特点。
（4）留下一些指示灯或通信口以方便调试和判别系统问题。
2.2硬件系统结构
根据系统的组成可将系统化为四大模块：
信息采集模块、信息传输模块、信息处理及显示终端、信息预警系统。
系统功能模块如图2.1所示。
图2.1系统功能模块图
无线传感器网络的节点通常由传感器模块、微处理器模块、无线通信模块和电源模块构成。
微处理器和无线通信模块采用支持ZigBee协议的片上系统级芯片CC2530，大大简化了射频电路的设计。
传感器模块采用集成温湿度传感器DHT11，电源采用USB供电。
系统网络结构如图2.2所示。
图2.2系统结构图
微处理器模块负责控制整个节点的数据处理操作、路由协议、功耗管理、任务管理等，最主要的是需要实现网络安全可靠的通信协议;无线通信模块负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发数据。
数据采集模块主要负责监测区域内信息的采集并将各种传感器（如温度、湿度）采集的信号转变为数字信号并传送给微处理器模块。
路由器节点和终端设备节点上都有数据采集模块。
电源模块管理单元节点类型不同有不同的供电方式，在终端设备节点上，电源USB供电，协调器的电源是用USB供电或者交流电供电。
在协调器上还有RS-232串口，与监控主机通讯。
因为大气环境监测的地理形状可能比较复杂，而且有时候可能根据需要移动节点，节点位置不固定，要求系统能根据具体的地理位置调整监测的范围和传输路径，要求系统有很大的灵活性和自组织性，因此选择具有自组织式的和自恢复式的网状网络拓扑结构。
2.2微处理器模块
微处理器是无线传感器节点的核心。
它采集并处理传感器数据，与无线模块通讯并判断何时发送和接收这些数据，控制人机操作界面以及通过串口与上位机通讯。
处理器必须运行各种程序，包括时间要求严格的信号处理、通信协议、以及应用程序。
它是节点的中央处理单元（CPU）。
多种处理任务可以在不同结构的处理器上执行，任务的分配需要考虑可行性、性能、能量效率以及成本之间的折中问题。
本设计中微处理器采用TI公司的CC2530芯片和AT89C52单片机芯片共同组成。
（1）CC2530芯片介绍
CC2530它是ZigBee应用的一个真正的片上系统解决方案，它能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点。
结合了性能优良的RF收发器、业界标准的增强型8051CPU、最大128KB的可编程闪存和8KB的RAM。
CC2530具有不同的运营模式，使其特别适合于超低功耗要求的场合。
由于CC2530芯片内集成了许多特色功能模块，因此，其典型的外围电路也就非常简洁。
其中，主时钟晶振采用32MHZ无源晶振以及32.768KHZ时钟晶振；无线RF模块外围电路采用无巴伦的阻抗匹配网络；天线使用50欧鞭状负极性天线。
CC2530配合很少的外围元件就可以组成无线通信模块。
如图2.3所示。
图2.3CC2530外围硬件电路原理图
CC2530芯片的主要特点如下：
（1）工作频带：
2405MHz～2480MHz
（2）支持802.15.4、ZigBee2007、ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE等标准
（3）主控芯片：
CC2530F256
（4）通信协议标准：
IEEE802.15.4
（5）网络拓扑结构：
星状、网状
（6）数据传输速率：
250Kbps
（7）天线模式：
外置天线
（8）通信范围：
300米～450米
（9）接收灵敏度：
-97dBm
（10）发射电流：
29mA
（11）接收电流：
24mA
（12）工作温度：
-40～85℃
（13）电源：
2.0V～3.6V
（14）模块外形尺寸：
40×34mm
（2）AT89C52单片机最小系统设计
单片机供电电路：
AT89C52需要可靠的5V供电，在电路图中的VCC和GND为供电网络标识符；
振荡电路：
AT89C52需要一个稳定的振荡电路才能够正常工作，单片机的时钟信号是用来提供单片机内各种微操作的基准。
在该电路中采用了12MHz的晶振作为AT89C52的时钟源；这里采用的是内部振荡方式，在引脚XTAL1和XTAL2外接晶振，通过内部振荡得到的时钟信号比较稳定，在电路中使用较多。
在下面的电路图中可以看到在晶振两侧连了两个电容C2，C3，它们是起稳定振荡频率、快速起振的作用，电容值一般为5～30pF。
本设计中用的是30pF的电容。
复位电路：
复位电路是单片机正常运行的一个必要部分。
复位操作一般有两种基本形式：
上电复位和开关复位。
在本设计中采用的是第二种。
复位电路应该保证单片机在上电的瞬间进行一次有效的复位，在单片机正常工作时将RST引脚置低。
此外通过一个按键进行手动复位，在单片机运行不正常时使用。
上电后，由于电容充电，是RST持续一段高电平时间。
当单片机已经在运行时，按下复位键也能使RST持续一段高电平，从而实现上电且开关复位的操作。
通常我们选择的复位电容为10～50µF，电阻为1～10k。
在本设计中复位电容选的是47µF的，电阻选的是10k的。
2.3数据采集模块
数据采集模块的设计主要包括传感器的选择以及与微处理器的连接电路。
本次设计基于大气环境监测，主要采集大气的温度，湿度。
在传感器的选择中，需要考虑量程，精度需求，供电电压以及功耗。
经过对市场中的传感器各方面的比较，选用了DHT-11温湿度传感器测量环境的温度，湿度。
（1）温湿度传感器DHT11介绍
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。
它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。
单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。
产品为4针单排引脚封装。
连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。
其温湿度传感器参数如表2.1所示。
表2.1DHT11温湿度传感器特性参数
参数
条件
Min
Typ
Max
单位
湿度
分辨率
1
1
1
%RH
16
Bit
重复性
±1
%RH
精度
25℃
±4
%RH
0－50℃
±5
%RH
互换性
可完全互换
量程范围
0℃
30
90
%RH
25℃
20
90
%RH
50℃
20
80
%RH
响应时间
1/e（63%）25℃，1m/s空气
6
10
15
S
迟滞
±1
%RH
长期稳定性
典型值
±1
%RH/yr
温度
分辨率
1
1
1
℃
16
16
16
Bit
重复性
±1
℃
精度
±1
±2
℃
量程范围
0
50
℃
响应时间
1/e（63%）
6
30
S
DHT11的接口在功耗以及信号读取方面做了优化，通过类似于IIC的两线制串口接口与处理器直接连接。
其与微控制器的接口如图2.4所示。
SCK用于微处理器与DHT11之间的同步通讯，可以接到微控制器的I/O口，通过I/O口模拟时钟信号来实现。
由于接口包含了完全静态逻辑，所以不存在最小的SCK频率，但是当供电电压小于4.5V时最大频率为1MHz。
DATA三态门用于数据的读取，DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效。
数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。
为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA在低电平。
需要一个外部的上拉电阻将信号提拉至高电平，DHT11与微处理器接口电路图如图2.4所示。
图2.4DHT11与微处理器接口电路图
DHT11含有四个引脚各个引脚都有不同的功能，因此对引脚作以说明。
DHT11引脚如表2.2所示
表2.2DHT11引脚说明
pin
名称
注释
1
VDD
3—5.5VDC
2
DATA
串行数据，单总线
3
NC
空脚，请悬空
4
GND
接地，电源负极
（2）温湿度传感器DHT11数据传输方式
DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下:
一次完整的数据传输为40bit,高位先出。
数据格式:
8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据
+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据
+8bit校验和
数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。
MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,此时可选择读取部分数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。
总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必须大于18毫秒,保证DHT11能检测到起始信号。
DHT11接收到主机的开始信号后,等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号.主机发送开始信号结束后,延时等待20-40us后,读取DHT11的响应信号,主机发送开始信号后,可以切换到输入模式,或者输出高电平均可,总线由上拉电阻拉高。
总线为低电平，说明DHT11发送响应信号，DHT11发送响应信号后，再把总线拉高80us，准备发送数据，每1bit数据都以50us低电平时隙开始，高电平的长短定了数据位是0还是1。
如果读取响应信号为高电平，则DHT11没有响应，请检查线路是否连接正常。
当最后1bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。
2.4串口通信模块
串行通信是在一根传输线上一位一位的传送信息，所用的传输线少，并且可以借助现成的电话网进行信息传送，因此，特别适合于远距离传输。
对于那些与计算机相距不远的人－机交换设备和串行存储的外部设备如终端、打印机、逻辑分析仪、磁盘等，采用串行方式交换数据也很普遍。
所以串行接口是微机应用系统常用的接口。
许多外设和计算机按串行方式进行通信，这里所说的串行方式，是指外设与接口电路之间的信息传送方式，实际上，CPU与接口之间仍按并行方式工作。
在单片机系统中，串口是一个非常重要的组成部分。
通常使用单片机串口通过RS232接口和电平转换芯片MAX232与上位机连接，以进行上位机与下位机的数据交换、参数设置、组成网络以及各种外部设备的连接等。
RS232串行接口总线具有成本低、简单可靠、容易使用等特点，加上其历史悠久，所以目前应用仍然非常广泛；特别对于数据量不是很大的场合，串口通信仍然是很好的选择，有着广阔的使用前景。
在单片机编程中，串口占了很重要的地位。
通信接口的选择：
为了便于QT2440开发板和各种外围设备的串行通信连接，更广义地来讲是为了各种数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的连接，制定了若干种串行通信接口标准。
只要是符合某种标准的设备之间就可以直接互相连接、互相通信。
串行通信接口按电气标准及协议来分包括RS-232、RS-422、RS485、USB等。
RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议。
USB是近几年发展起来的新型接口标准，主要应用于高速数据传输领域。
在本设计中，选择RS-232接口就可以满足通信需求了。
微控制器通过RS232与上位机通信。
如图2.5所示。
串口芯片选择MAX232，MAX232配备专有的低漏失电压发射器输出状态，通过双电荷泵，在3.0V至5.5V供压下，表现出真正的RS232协议器件性能，这些器件只需4个0.1µF的外部小电容，用于电荷泵。
发光二极管TX-LED，RX-LED用来观察MAX232工作是否正常，是否有数据通过该模块，RS232电路图如图2.5所示。
图2.5RS232电路
对于终端节点，微控制器与232之间采用标准的MODBUS协议进行通讯，用于设置终端节点的系统参数。
对于中心节点，微控制器将无线模块接收到的数据通过232传到上位机软件显示。
2.5相应供电模块
无线传感器网络一般应具有移动性，所以节点大多数需要采用电池供电，从上面各章节可以看出，在硬件元器件的选取中，已经考虑到了尽量降低系统的功耗，各个模块的供电电压都比较低，综合比较，可以采用2节1.5V的碱性电池进行供电。
电源原理图如图2.6所示。
图2.6电源电路图
由于仿真器可以提供稳定的电压，也可以选择匹配电源。
在电源模块的设计时，采用开关选择是否选用外接电池供电或者电脑供电，这样可以在调试和烧写程序的时候采用电脑供电，保持电压的稳定，在应用时采用电池供电。
这样即可以简化电源电路的设计，又可以保证调试的正常进行。
而协调器的电源则是应用USB供电或者交流电供电。
3软件系统设计
3.1设计原则
（1）明确任务，弄清软件所承担的任务细节。
（2）软件结构设计，合理的软件结构是设计出一个性能优良的单片机应用系统软件的基础。
模块化程序设计，是单片机应用中最常用的程序设计技术。
将一个完整的程序分解成若干个功能相对独立的较小的程序模块，对各个程序模块分别进行设计、编制和调试，最后将各个调试好的程序模块进行联调。
而面向对象程序设计的数据抽象可以在保持外部接口不变的情况下改变内部实现，从而减少甚至避免对外界的干扰；通过继承大幅减少冗余的代码，并可以方便地扩展现有代码，提高编码效率，也减低了出错概率，降低软件维护的难度；结合面向对象分析、面向对象设计，允许将问题域中的对象直接映射到程序中，减少软件开发过程中中间环节的转换过程。
（3）编写程序。
根据系统功能和操作过程，列出程序的功能流程图。
在完成流程图的设计之后，便可编写程序了。
3.2软件系统结构
软件系统设计可分为单片机软件设计、zigbee无线通信模块软件设计、串口通信模块软件设计。
如图3.1所示。
图3.1软件设计模块功能图
3.3上位机监控软件设计
上位机软件是一个软件系统，它负责完成采集终端采集到数据的显示，存储。
它提供了一个显示数据和控制节点工作的界面。
图中只显示了传感器节点采集到的数据，当上位机缓冲器接收到协调器传来的数据时，会触发一个串口消息事件，然后开始读取数据。
上位机监控界面也可以对网络中的节点发送命令，按下“打开串口”和“关闭串口”按钮可以控制节点是否采集数掘，这些命令通过串口发送给协调器，然后通过协调器再将其转发到网络中的所有节点上，节点收到命令之后，会按照相应的命令进行数据采集操作。
3.4单片机软件设计
单片机采用C52在keiluvision4的开发环境进行编程，在仿真软件中调试成功后，再把生成的HEX文件烧到单片机中，在真实的硬件环境下进行测试。
具体设计主要分两部分，一是温湿度传感器的驱动和测温程序，另一个是利用单片机串口编写的无线传输程序。
下面将对程序中的关键部分进行阐述。
温湿度传感器接口软件设计
单片机从DHT11完成温湿度数据读取要经过以下步骤：
单片机发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主
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