基于CC2530的温湿度数据采集系统精品.docx

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基于CC2530的温湿度数据采集系统精品

基于CC530的温湿度数据采集系统设计

专业：

电子信息工程

学生：

签名：

指导老师：

签名：

摘要

温湿度数据的采集、传输以及处理，广泛应用于森林火灾的防范，粮仓的温湿度控制以及家庭智能化控制等领域内。

针对传统的有线方式检测、采集、传输中节点分散需要大量布线等问题，本设计主要从无线传感方向进行改进，本文介绍了一种基于CC2530和数字温湿度传感器的温湿度采集系统。

该系统采用Zigbee无线通信技术结合传感器，通过运用Zigbee协议架构组建无线传感网络,实现主从节点的数据采集和传输,以及一点对多点，两点之间的通信。

并详细阐述了基于Zigbee协议栈的中心节点和终端节点的协议传输，主要是从Zigbee协议栈网络层里AODV路由协议着手，阐述在网络层如何通过AODV路由协议进行节点间的连接以及数据的收发。

关键字：

温湿度数据采集，CC2530，Zigbee协议栈，无线传感网络

论文类型：

应用型毕业论文

Title：

CC530basedtemperatureandhumiditydataacquisitionsystemdesign

Major：

ElectronicandInformationEngineering

Name：

Hejieransignature：

Supervision：

zhangxiaolisignature：

ABSTRACT

Temperatureandhumiditydataacquisition,transmissionandprocessing,widelyusedinsomefield,likeforestfireprevention,warehousetemperatureandhumiditycontrolandfamilyintelligentcontrolandsoon.Inviewofthetraditionalwireddetection,acquisition,transmissionnodesdistributedneedsalargenumberofwiringproblem,Thisdesignmainlyfromwirelesssensingdirectionisimproved.ThispaperintroducedonekindbasedontheCC2530anddigitaltemperatureandhumiditysensortemperatureandhumiditygatheringsystem.thesystemadoptsZigbeewirelesscommunicationtechnologywithsensor,throughtheuseofZigbeeprotocolinwirelesssensornetworksarchitectureform,realizationofthemaster-slavedataacquisitionandtransmission,andapointtomultipoint,communicationbetweentwopoints.DescribedindetailbasedontheZigbeeprotocolstackcenternodeandtheterminalnodeofthetransmissioncontrolprotocol,mainlyfromtheZigbeeprotocolstackinAODVnetworklayerroutingprotocolto,inthenetworklayerthroughtheAODVroutingprotocolconnectionsamongthenodesanddatatransceiver.

Keywords:

Temperatureandhumiditydataacquisition,CC2530,ZigbeeProtocolstack,Wirelesssensornetwork

TypeofThesis:

Applicationofgraduationthesis

第一章绪论

1、1无线传感网络的研究背景：

伴随着时代的进步，人们充分认识到了科技的力量。

对科学的探索是永无止境的，人们在科学方面的探索已经达到了一个前所未有的水平。

2003年,美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时,无线传感网络（WSN）被列为第一;美国《今日防务》杂志更认为无线传感网络（WSN）的应用和发展将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。

可以预测,无线传感网络（WSN）是信息感知和采集的一场革命,是21世纪最重要的技术之一。

作为21世纪，最具有影响力的改变世界的10大技术之一的无线传感技术，其发展的技术日趋成熟，方向也开始多样化，在科技领域中也变得越来越重要，使得大量的应用方案开始采用无线技术进行数据采集和无线通信。

数字家庭、无线通信、无线控制、无线定位和移动连接等词语也频频映入眼帘。

有增无减的相关信息报道足以预测这些新鲜事物必将具有强大的生命力和广阔的发展前景。

无线传感网络，它是由大量节点组成的，是面向任务的分布式网络，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的技术，通过各类微型无线传感器对目标信息进行实时监测，实时采集，并且由嵌入式微处理器对所采集到的信息进行处理，并通过无线通信网络将处理后的信息传送至远程用户端，然后通过相应的规则进行各种应用分析。

无线网络传感器是一种将传感器、控制器、计算能力、通信能力完美的结合于一身的嵌入式设备。

它们跟外界的物理环境交互，实时的采集信息，并且将收集到的信息通过无线传感器网络传送给远程用户。

无线网络传感器一般是由一个低功耗的微控制器（MCU）和若干个存储器、无线电/光通信装置、传感器等组件所集成的，通过传感器、动臂机构、以及通信装置和它们所处的外界物理环境进行交互。

一般说来，独立的传感器功能是非常有限的，但是如果将他们大量地分布到所需要检测的物理环境中，并组成一个无线传感网络，加上性能良好的软件系统平台，就能够完成强大的状态监测、实时跟踪、环境监测等功能。

随着微机系统和高集成低功耗数字设备的发展，小体积、低成本、低功耗的传感器节点将得以实现。

低功耗无线传感模块，便是组成无线传感网络的节点。

这样的节点若能配合各种类型的传感器，可组成无线传感器网络（WSN）。

无线传感网络是一种开创了新的应用领域的新兴概念和技术。

广泛应用于医疗领域、大规模环境监测、智能建筑、战场监视、智能家装、工业自动化和大区域内的目标追踪等领域。

无线传感技术、无线传感网络已经被认定是最为重要的研究之一。

无线传感器网络节点一般采用的是电池供电，工作环境也通常是比较恶劣的，而且数量大、分布区域广，更换非常困难，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一。

因此，它迫切的需要对传统的嵌入式应用开发系统进行更新和改进，需要精心设计其软硬件系统，以使其更加的可靠耐用。

1、2无线传感网络的研究现状：

在多入多出（MIMO）和正交频分复用（OFDM）等基础技术支持下，无线通信技术得到了蓬勃的发展，实现了与任何人或任何设备随时随地的进行相互联系相互通信。

蓝牙、WIMAX、Wi-Fi、无线局域网和超宽带等无线通信技术都取得了长足的发展。

无线技术作为一门蓬勃发展的新兴科学技术，随着它所需要的几种重要的基础技术的不断推广和充分的实际应用，实际检测，它的发展速度也将得到很大的提升。

无线传感模块是无线传感网络中的节点，它是组成无线传感网络的基本组成部分。

是属于无线技术中较为底层的一个分支，最早的代表性论述是出现在二十世纪九十年代末的，是一篇题为“传感器走向无线时代”的文章。

传感技术的发展经历了三个阶段：

一般传感器、智能传感器、无线传感器。

一般传感器，是最早产生的传感器，能实现的只是数据的采集；智能传感器，则是在一般传感器的基础上进行改进，使传感器具有计算处理能力，这样传感模块不但能够实现数据等信息的实时采集，还能对所采集到的数据信息进行一定程度的计算和处理，便于进行监控；无线传感器，则是在智能传感器的基础上集成无线功能的模块，使得传感器不再是单独的数据采集模块，而是使之成为一个能够实现数据实时采集、计算和处理，数据信息交换和控制的有机整体。

由于越来越多的实际应用方案中开始采用无线节点进行数据采集、处理和通信，无线传感器综合了现代网络、嵌入式计算技术、传感器技术、分布式信息处理技术及无线通信技术等的无线传感基础科技,成为了当前最热点的研究领域。

而整个网络可靠性的重要保障就是无线传感网络节点能够稳定的运行，因此在设计无线传感模块时，传感网络、传感技术已经是被认定了的最为重要的研究之一。

当前国内外研究领域中有许多无线传感器网络节点的硬件平台相继出现。

其中比较典型的节点有Telos、Mica系列、Imote2和IRIS等。

这些平台主要是采用了不同的处理器和无线通信模块。

Telos、Mica系列的一些节点，设计的时间较早，其性能已经落后于当前的一些工业设计中集成电路的水平。

但是Imote2节点，它具有高性能，但是功耗比较大，不能适用于能量要求严格的应用环境，由于无线传感器网络节点通常采用的是电池供电，工作环境比较恶劣，而且节点数量庞大，电池更换非常困难，因此低功耗是无线传感器网络中最重要的设计准则之一。

后来的研究成果中，如MIT所研发的模块化平台对于不同的传感器有不同的硬件设计，为了设计一个通用的系统来取代单一的硬件系统，他们的传感器采用垂直连接器来使不同的处理层整合到一起来进行数据收集。

IntelMote的研究项目则注重了包括低系统级集成、功耗操作和硬件的重新配置三个方面的要求，希望能够平衡功耗与性能之间的矛盾，但要实现目标还需要一定的努力。

传感技术将会随着计算机技术、集成技术以及电子技术的高速发展，得到不断的推广和完善。

并且会有结构新、功能强、耗能低的传感器更多的用运于各种实际的无线网络当中，以良好的稳定性和高精确度服务于更加广泛的领域。

1、3无线传感网络的应用前景：

在城市中，随着经济的持续发展和产业调整，大批人口将向城市转移，城市人口将不断增加；同时，经济活动日趋频繁，商业活动将更加活跃，汽车的使用数量和使用频率也将大大提升，将会给城市的交通运输带来很大的压力，“停车难”的问题也将会成为制约我国经济发展的瓶颈。

修建新的停车场和新的交通设施虽然能够解决部分问题，但是由于其费用高昂而且建设周期也相对较长，还会受到土地使用和城市规划等很多方面的因素的制约。

所以，只有在进行硬件设施的建设当中充分的利用现代科学技术，借助国内外交通发展过程中所总结的各种经验，并能够很好的引进我国的城市停车系统，运用软、硬件相结合的方式，为城市建设节省出一大笔费用，同时也能改进停车能的问题。

无线传感技术在医疗领域的应用主要包括跟踪治疗、移动观察、远程医疗、患者数据管理、药物跟踪、手机求救、病人数据收集、医疗垃圾跟踪和短信沟通等多方面的新应用。

最近几年，无线通信技术在国内外医疗市场上得到了广泛的应用，无限医疗设备的应用迅猛增长。

一个报告指出，欧洲的无线医疗设备的销售额将从2003年的9800万美元增加到2008年的4.458亿美元，主要原因是医护人员希望改善工作流程，增加生产力和改善病人的满意程度，还有增加新的应用，如电子病历、临床疗法决定等。

通过建立完善的Zigbee网络，智能建筑可以感知随处可能发生的火灾隐患，及早提供相关信息；根据人员分布情况自动控制中央空调，实现能源节约；及时掌握酒店客房内客人的出入信息，以便在有突发事件时能及时准确的发出通知，确保客人的人身财产安全。

在机场，持有Zigbee终端的乘客们可以随时得到导航信息，比如登机口的位置，航班的变动，甚至附近有那些商店等，能够更好的为乘客们提供方便快捷的机场服务。

在工业自动化领域内，人们可以通过Zigbee网络实现厂房内不同区域的温湿度监控；及时得到机器运转状况的信息；结合RF标签，可以方便的统计库存量，等等。

在医院，Zigbee网络可以帮助医生及时准确的收集急诊病人的相关信息和检查结果，快速准确的做出诊断；戴有Zigbee终端的患者可以得到24小时的体温、脉搏控制；配有Zigbee终端的担架可以遥控电梯门的开关……在医院，时间就是生命，Zigbee网络可以帮助医生和患者争取每一分每一秒的时间。

如果沿着街道、高速公路及其他地方分布式的装有大量的Zigbee终端设备，就能够不用担心会迷路，安装在汽车里的设备将会准确的告诉我们当前所处的位置，正向何处去。

虽然全球卫星定位系统（GPS）也能提供类似的服务，但是这种新型的Zigbee分布式系统能够向我们提供更精确，更具体的信息，即使在GPS没有覆盖不到的楼内或隧道内，仍然能够继续使用该系统。

从Zigbee无线网络系统中能够得到更加精确、更加具体的数据信息，如限速、街道是单行线还是双行线、前面每条街道的交通情况或事故信息等。

使用这种系统，也可以跟踪公共交通情况，可以适时的赶上下一班车，而不至于在寒风中或烈日下在车站等车。

基于Zigbee技术的系统还可以开发出许多其他的功能，例如，在不同的街道、不同的时间段、不同方向上的来车，根据交通流量来自动控制交通红绿灯的时常，以及追踪被盗汽车或超速汽车等应用。

为了推动Zigbee技术的发展，Chipcon（已被TI公司收购）公司于Ember,Freesacal,Honeywell,Mistubishi,Motorla,Philips,Samsung等公司共同成立了Zigbee联盟。

目前该联盟以及包含一百五十多家成员，该联盟主席RoberF.Haile曾于2004年11月访问中国，以免专利的方式吸引中国本地企业加入。

根据市场研究机构预测，低功耗、低成本的Zigbee技术在未来几年内将会得到快速的增长，2006年全球Zigbee器件的出货量已达到1000万个，2007年年底将近一亿个，2008年将超过1.5亿个。

其中2006年，Zigbee芯片供应方面，TI以及Ember公司位列前两位。

这一预言正从Zigbee联盟以及其成员近期的一系列活动和进展中得到验证。

在标准林立的短距离无线通信领域，Zigbee的快速发展可以说是另人有些始料不及的，从2004年年底标准确立，到2005年年底相关芯片及终端设备总共销售了1500亿美元，比被业界“炒”了多年的蓝牙、Wi-Fi产品进展都要快。

Zigbee技术在Zigbee联盟和IEEE802.15.4的推动下，结合其他无线技术，可以实现无所不在的网络。

它不仅在工业，农业，军事，环境，医疗等传统领域具有巨大的应用价值，未来在应用中还可以涉及人类日常生活和社会生产活动所有领域。

由于各方面的制约，Zigbee技术的大规模的商业应用还有待时日，但已经显示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的日趋成熟和发展推进，一定会得到更广泛的应用。

但是，我们还应该清楚的认识到，基于Zigbee技术的无线网络才刚刚开始发展，他的技术，应用都谈不上很成熟，国内企业应该抓住商机，加大投入人才力度，推动整个行业的发展。

1、4本论文的主要内容：

本论文是基于CC2530的温湿度数据采集系统设计。

在绪论中，简单的阐述了无线通信，无线传感的研究背景，国内外的发展现状以及无线通信技术的发展前景。

随着在无线通信中所用到的各种基础科技的不断成熟，无线通信、无线传感等的研究也不断的进步，并且展现出蓬勃的生命力，在各个领域内都会起到重要的作用，这将会成为今后的科技发展主流。

本文的论述重点是在于实现温湿度数据采集的设计，主要分为三个大部分，一是实现无线传感的硬件模块；二是实现无线传感的软件支持，也就是基于Zigbee协议架构的编程。

第三部分是本设计所得出的一些结论。

在第一部分中，介绍了无线传感的硬件模块。

包括了无线传感的基本构成，实现原理以及常用到的一些传感器节点和本设计中用到的实验箱。

对无线传感网络的整个体系结构进行了具体的阐述。

第二部分中，首先从整体上介绍了Zigbee的体系架构。

包括Zigbee技术的发展前景，低功耗低速率的特点以及其网络拓扑结构。

Zigbee技术弥补了在无线通信市场中低成本、低功耗、低速率的的空缺，Zigbee技术成功的关键主要是在于便捷而丰富的应用，并不是技术的本身。

随着Zigbee技术的日趋成熟，更多的力量将会转到应用的设计、实现互联互通测试和市场的推广等方面的研究。

Zigbee是以一个个独立的工作点为依托，通过无线通信组成星状、树桩或网状网络。

同时，Zigbee技术是一种应用于短距离范围内的低传输速率下的各种电子设备之间的无线通信技术。

其特点有低功耗、可靠性以及高度扩展性。

其次，在此基础上对Zigbee协议栈的整体架构中，应用层、物理层、MAC层、网络层以及其他的OSAL、Zmain、Tools等进行了简单的阐述，主要对是其中网络层的功能描述、功能实现、实现原理以及其中的所涉及到的几种常见的路由协议的论述。

AODV路由协议是本论文的重点，在第二部分中，详细的介绍了AODV路由协议的原理，路由表结构和其协议控制分组格式，也就是路由请求（RREQ）、路由应答（RREP）、路由错误（RERR）以及HELLO消息的报文格式和其中每段的意义、基本类型、以及标志位所代表的意义。

并以流程图的形式说明了各个路由协议控制帧的发送流程。

并且对AODV路由协议算法的基本操作进行了详细的描述。

描述了为了与目的节点进行单播通信，节点是在怎样的条件下，怎样产生路由请求（RREQ），路由应答（RREP）和路由错误（RERR）消息的；这些消息产生后是怎样处理的；为了正确处理这些信息，其中的一些状态信息是如何在相对应的目的节点的路由表项中进行保存的等问题。

第三部分是结论部分，总结了本设计在设计过程中所得出的结论，实现对温湿度数据的采集。

并且提出协议中一些需要改进的方向，以及今后的研究努力方向。

附录中主要是对AODV协议中一些函数的说明。

1、5本论文的结构安排：

1、5、1第一章绪论部分，阐述了无线通信，无线传感的研究背景，国内外的发展现状以及无线通信技术的发展前景。

1、5、2第二章为正文部分，包括两大部分：

实现温湿度数据采集的硬件部分以及实现其软件部分。

①实现温湿度数据采集的硬件部分主要包括：

无线传感基本结构、无线传感实现原理、本设计所使用的实验箱以及软件支持、常见的无线传感模块以及实现基于CC2530的温湿度采集系统节点模块设计。

②实现温湿度数据采集的软件部分主要包括：

Zigbee技术概述、Zigbee协议栈整体架构、Zigbee协议栈网络层、AODV路由协议。

Zigbee技术概述中主要包括：

Zigbee技术的广阔应用前景、其低功耗低速率技术特点、其网络拓扑和路由。

Zigbee协议栈网络层主要包括:

网络层概述、网络层所实现功能、网络层中常用路由协议。

AODV路由协议主要包括：

协议概述、协议的基本原理、AODV路由协议消息控制帧、以及一个AODV建立和维持路由的举例。

1、5、3第三章为结论部分，总结了本设计在设计过程中所得出的结论，以及今后的研究努力方向。

第二章温湿度数据采集模块

2、1无线传感基本结构及实现原理

无线传感器网络在设计目标方面与传统的无线网络有所区别，前者是以数据为中心的，后者以传输数据为目的。

在无线传感器网络中，因为节点通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，所以除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止不动的。

在被监测区域内，节点任意散落，节点除了需要完成感测特定的对象以外，还需要进行简单的计算，维持互相之间的网络连接等功能。

并且由于能源的无法替代以及低功耗的多跳通信模式节，设计无线传感节点时，有效的延长网络的生命周期以及节点的低功耗成为无线传感器网络研究的核心问题。

在节省功耗的同时增加通信的隐蔽性，避免长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响，也都是在设计传感器网络时需要攻克的新难题。

无线传感器节点模型

无线传感网络的建立是基于传感器加无线传输模块的，传感器采集的数据，简单处理后经过无线传输模块传到服务器或应用终端。

目标、观测节点传感节点和感知视场是无线传感器网络所包括的4个基本实体对象。

另外，要完成对整个系统的应用刻画，还需要对远程任务管理单元、外部网络和用户进行定义。

大量传感节点随机部署，单个节点经过初始的通信和协商，通过自组织方式自行配置，形成一个传输信息的单跳链接或一系列的无线网络节点组成的网络，协同形成对目标的感知视场。

传感节点检测的目标信号经过传感器本地简单处理后通过单播或广播以多跳的方式通过邻近传感节点传输到观测节点。

用户和远程任务管理单元则能够通过卫星通信网络或Internet等外部网络，与观测节点进行数据信息的交互。

观测节点向网络发布查询请求和控制指令，接收传感节点返回的目标信息。

无线传感器网络通信体系结构

无线传输模块可以实现短距离（小于300米）的信号传输。

在实际应用中，需要根据不同需求选择传感器，如电压电流、功耗、温湿度、液面、震动、压力等等。

无线传感器网络应用系统架构

2、2温湿度数据采集

2、2、1温湿度数据采集原理：

温湿度探头直接使用IIC接口进行控制。

其电路原理图如下所示：

本实验将使用CC2530读取温湿度传感器SHT10的温度和湿度数据，并将采样到的数据转换然后再LCD显示。

其中对温湿度的读取是利用CC2530的I/O（P1.0和P1.1）模拟一个类IIC得过程。

2、2、2实验中所用芯片SHT10：

SHT10是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全标定的数字输出。

它采用专利的CMOSens技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。

SHT10引脚特性如下：

1.VDD，GNDSHT10的供电电压为2.4~5.5V。

传感器上电后，要等待11ms以越过“休眠”状态。

在此期间无需发送任何指令。

电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波。

2.SCK用于微处理器与SHT10之间的通讯同步。

由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小SCK频率。

3.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（例如：

10kΩ）将信号提拉至高电平。

上拉电阻通常已包含在微处理器的I/O电路中。

向SHT10发送命令：

用一组“启动传输”时序，来表示数据传输的初始化。

它包括：

当SCK时钟高电平时DATA翻转为低电平，紧接着SCK变为低电平，随后是在SCK时钟高电平时DATA翻转为高电平。

后续命令包含三个地址位（目前只支持“000”，和五个命令位。

SHT10会以下述方）式表示已正确地接收到指令：

在第8个SCK时钟的下降沿之后，将DATA拉为低电平（ACK位）。

在第9个SCK时钟的下降沿之后，释放DATA（恢复高电平）。

测量时序（RH和T）：

发布一组测量命令（‘00000101’表示相对湿度RH，‘00000011’表示温度