青农大 毕业设计参考 CC2530单片机测温组网系统的设计Word下载.docx

1、 on the wireless network used storage temperature detection experiments of CC2530ZigBee technology are introduced, introduces the characteristics, mainly related to ZigBee topology and ZigBee protocol stack. Using wireless temperature simple ad hoc network experimental simulation of the ad hoc netwo

2、rk storage temperature detection system, the experiment combined with plate development of multifunctional CC2530ZigBee, after debugging of IAR software, to solve the wireless ad hoc network nodes, the node temperature data acquisition, network interconnection between the joints of the communication

3、 with the PC, PC display the problem, the wireless sensor to build a stable environment temperature testing self-contained network system. Through the wireless ad hoc network temperature detection of their composition, can see that consists of wireless self network receiving, high sensitivity, low p

4、ower consumption. In the end, prospects for temperature detection in wireless ad hoc network development direction and application prospect.Keywords:ZigBee;C2530 development system;temperature1绪论该论文主要围绕无线自组网库房测温系统，先介绍了无线自组网的形成，然后突出ZigBee的可行优势，通过一个简单的自足网测温系统实验证明可行性，并展望了无线自组网库房测温系统的美好的愿景。无线传感器技术集合了传感器

5、技术（主要负责数据的采集）、通信技术（主要负责数据的传输）和计算机技术（主要负责数据的处理），我们需要在目的区域内，布置大量的与检测目的相关的传感器节点，然后通过无线自足网络进行数据的传输，最后统一给PC机发布信号1。本无线自组网库房测温系统模拟实验正是利用无线传感器技术，我们将借助CC2530开发板，把DS18B20放在目标区域，通过ZigBee传输、串口传输最终通过PC显示目的区域采集的温度。多年以来,无线自足网络发展非常迅速,多种数据传输规范标准也就随之产生,比如Wireless USB、Bluetooth、Wi-Fi、IrDA、UWB 等，根据各种协议的特点应用在生活生产的各个领域。伴

6、随着物联网技术的进一步发展，RIFD、无线传播网路更得到了更大的发展空间。其中，ZigBee技术以其低成本、操作简单等特点，在农业领域、医疗领域、工业领域、交通领域等受到广大欢迎。目前，TI公司已经推出的芯片cc2530能够很好得兼容ZigBee协议，借助CC2530开发板能够完成该无线自组网测温系统的设计模拟实验。1.1论文结构和实验方案本论文首先介绍无线传感器自组网络的国内外现状，让读者了解无线传感器自组网的可开发性、价值性，证明无线自组网库房测温系统有值得开发的价值。然后介绍多种无线传感器技术,比如Wireless USB、Bluetooth、Wi-Fi、IrDA、UWB 等2，论文逐一

7、分析了它们的优缺点，选出了比较适合无线自组网库房测温系统的ZigBee技术。既然已经确定了ZigBee技术，接下来就是对ZigBee技术的进一步的了解，包括特点、拓扑结构、协议栈等等。为了证明无线自组网库房测温系统的可行性，我们进行了此项目的模拟实验，论文还介绍了该模拟试验中用到的软件和硬件部分，并对我们应用的程序作出了部分的解释，对实验的过程、结果都做了详细的记录。最后对文章进行了小结，最后展望了无线自组网库房测温系统做了美好的前景。我们采用的实验方案，如下图所示，图1.1库房测温系统模拟实验主要是通过两个CC2530开发板，B板作为终端节点主要用来采集温度和LCD显示实时采集的温度数值，C

8、C2530开发板A作为协调器主要负责接收B板通过ZigBee传送的温度数据并通过串口传输数据给机的上位机。我们通过观察上位机是否接受到数据和对比上位机和屏幕上的温度差异，来确定其可行性和稳定性。1.2国内外无线传感器网络研究的现状要对无线自组网库房测温系统进行开发设计，我们需要了解国内外无线传感器网络研究的现状，观察其是否有时代性、可开发性、有发展性。无线传感器作为一种新兴的数据传输网络，不需要受到线路的限制，还能节约材料费用，而且功耗低、成本低，所以其受到广泛领域的欢迎，但因为其无线传输的协议还未能完全成熟规范，有待于开发设计和研究，所以得到了各国的极大的重视。曾经在2003年的时候，无线传

9、感器技术还评为十大新兴技术之首，一直受到科研界的关注。 电气电子工程师协会 IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）曾经多次召开关于无线传感器网络的相关会议，提高了无线传感器网络技术的重视程度和知名程度，点燃了无数研究者的热情，对无线传感器网络的发展、方向等起到了非常重要的作用3。另外，有不少的发达国家还创办了不少于无线传感器网络相关的小团体、组织、协会、甚至部门。有的发达国家给学校拨出资金甚至设立单独的学科，支持学生关于无线传感器网络的学术和开发研究，国外的这些情况都证明无线传感器网络技术很受重视，而且也很有发展前途，所以

10、无线自组网库房测温系统设计实验还是挺有必要的。 在国外也有不少实例，证明无线传感器网络的可行性、发展性、可开发性。在英国，当地知名的科学家利用无线传感器网络和微振动设备，在一定的短距离的情况下，可以实现电能的传播，虽然收集的电能不多但是这种想法会对以后电能的开发带来很好的前景。在美国，当地的科学家甚至利用小型的农场作为试验田，利用无线网络传感器技术对作物的生长环境条件作实时的检测，并利用PC机对信息进行统一的收录，综合下来节省了很多的人力，对作物的生长环境掌握比较准确，避免了植物的严重病虫灾害等。 在国内，我国当然也相当的重视无线传感器网络技术的发展，从04年开始，多次在国内召开跟无线传感器网

11、络相关的一系列的大会，这些大会讨论了其在农业、工业、甚至国防方面的相关发展，这说明国家已经把无线传感器网络问题放在一个很重要的层次上。另外，我国注重培养新一代的相关研究人员，在许多知名的大学建立相关的研究基地、开设相关的专业，到现在为止，许多普通大学都已经独立开设无线传感器网络相关的专业，比如我们青岛农业大学的物联网专业。我国近几年在北京每年都会召开物联网大赛，吸引无数爱好者的参与，当然大部分都是气质勃勃的大学生，该大赛得到国家、媒体等的大力支持。由此可以看出无线自组网传感器技术在中国是很受关注的，很有发展潜力和开发潜力。我们做的无线自组网库房测温系统的设计模拟实验正好顺应了这个潮流，也能充分

12、利用无线传感器网络的优势和特点，得到更好的开发目的，所以做好该项目的模拟实验很有价值。1.3几种无线网络技术的介绍我们已经确定无线自组网库房测温系统设计模拟实验很有必要性，所以我们还要选择一种最适合库房测温的无线自组网传输规范协议。无线传输协议有Bluetooth、Wi-Fi、IrDA、UWB、ZigBee等受到世界的公认。不同的协议在不同的领域里各尽其责，选择网络协议的时候要根据不同的需求来确定一种特定的协议4。1）Bluetooth蓝牙支持一对一、一对多点的通信，利用时分双工进行全双工的数据传输，工作频段为世界免费公开通用的2.4Ghz无线频段 ISM（Industry Science M

13、edicine），充分利用分散式网络的架构、短包技术、快调频技术实现数据传输。方式。蓝牙数据传输距离为2-10m，且传输的速率小于3Mbps，一般1M左右，可用于近距离小数据量的传输，譬如两部手机之间的数据传输。2）Wi-Fi（IEEE 802.11X） Wi-Fi工作频段为全世界免费通用的2.4Ghz无线频段ISM（Industry Science Medicine），数据传输距离一般为30-100m，且最高的数据传输的速率可达到11Mbps，而且IEEE802.11X技术提供了Internet无线接入技术，只要附带Wi-Fi工具的设备都可访问网络。但其功耗很大，应用设备必须具有合适的储电能

14、力。3） IrDAIrDA该种无线传播传播协议，载体是红外线，进行点对点的数据传输，另外，对频段没要求是它很大的优势且因为IrDA的数据传输是一对一的，抗干扰能力强，所以传输速率可高达16Mbps，但其通信中间不能有障碍物，当然，如果要进行多个点的数据交流的时候，我们需要对障碍物进行处理，考虑的位置问题比较多，比较麻烦。随着其相关的软件不断发展，硬件也快马加鞭，都不断成熟起来了，在小型的移动设备中已经不断应用起来，考虑到它的复杂性，将不会应用在工业及其他比较大的场所。4）UWBUWB （Ultra Wideband）作为一种无线传播协议，其特殊之处就是不需要载波来传递信号，其传递信号一般都是通

15、过脉冲。UWB技术在10m的范围内可以实现Mbps-Gbps的数据传输速率且功耗低、抗干扰能力强、占有频谱宽信息容量大，比较适合便携式设备。5） ZigBeeZigBee是一种短距离的无线传感器网络与控制的协议标准，其主要用于控制信息的传输。基于ZigBee的无线网络主要工作的频段是868MHz、915MHz、2.4GHz，因为其最大信息的传输速率为245kbps左右，所以我们必须注意到ZigBee的数据的采集量，虽然频段占用多，但数据采集量是很小的。其特点是近距离、自组织、低复杂程度、支持大量节点、支持多种网络拓扑、稳定可靠5。从以上无线技术的介绍可以看出，对于家庭控制、生产自动化、军事控制

16、等应用来说，蓝牙技术数据虽然传输速率高，但是传输范围小、功耗大；Wi-Fi网络的数据传输速率快，而且距离可达100m，但其功耗大、成本太高；IrDA技术虽然点对点抗干扰性强，但是其数据传输的过程中受到障碍物影响太大，比较麻烦；UWB技术虽然不需要载波传播信号，但是距离上受到了很大的限制。总之，为了实现低功耗、低成本、低复杂程度、自组能力强、稳定可靠的要求，引出了具有广泛应用的ZigBee技术。所以我们确定该项目无线自组网库房测温系统设计实验的时候采用ZigBee传输协议。2 ZigBee技术的介绍我们已经对比得知ZigBee技术是我们无线自组网库房测温的设计模拟实验最佳的选择，所以我们要对其进

17、行简单的介绍。ZigBee构成的无线网络，可以容纳上万个无线的节点，该技术的数据传播方式跟移动数据包的传播有很大的相似程度，移动传播的过程中需要通过一个个基站的传递，ZigBee无线网络里的每个节点就类似与移动的一个基站，起到一个中继器的作用，形成一定的规模，而且ZigBee网络可与其他网络之间联结，形成新的网络。ZigBee作为04年形成的新技术，必然成为技术信息届讨论的热点。2.1 ZigBee技术的特点1）高可靠性对于无线数据传输来说，由于电磁波的传播很容易受到环境因素等的影响，例如，天气状况、障碍物的阻碍等，因此，依靠电磁波传输的无线通信具有内在的不可靠性。就我们所熟悉的无线控制体系，

18、即使再怎么严谨，但也存在不可靠性。ZigBee组织协会在定制ZigBee协议规范的时候已经考虑到这种内在不可靠的情况，所以采取了一些保证数据可靠传输的措施。例如，当我们考虑到数据冲突的问题的时候，考虑应用CSMA-CA技术来弥补此误差或减少数据的冲突；使16-bits CRC校验来确定数据的正确性；采用星型网络尽量保证数据可以沿着多个路径到达目的源，保证数据的正确传输；使用应答式的数据传输方式来确保数据的正确传输目的地址；物理层兼容有高可靠性的、通用的无线通信协议IEEE 802.11.5，另外，还是用了世界上公认比较安全的技术，DSSS和OQPSK技术6。2）低成本、低功耗 我们用到的Zig

19、Bee协议栈，相比于Wi-Fi、Bluetooth等的无线传感器技术的协议更简单易懂一些，但又不失严谨性；而且占用全球公开免费的频段ISM，因此降低了研发成本；另ZigBee技术可用于8-bit的单片机，目前市面上已有TI推出的兼容ZigBee2007协议的SoC芯片CC2530，每片的价格大于在30-50元之间，外加滤波电路和PCB天线就可以实现一个简单网络节点的建立。考虑功耗问题，要对ZigBee的不同设备区分研究。ZigBee设备主要分为三种：协调器（Coordinator），主要负责无线网络的维护和建立；路由器（Router），主要负责无线网络中数据的路由；终端节点（End Devic

20、e），主要负责目的区域数据的采集和选择。功耗问题仅仅对于终端节点而言，路由器和协调器需要一直处于供电的状态，只有终端节点可以定时性的休眠。ZigBee网络大多传输的是少量的控制信息，传输量少，传输时间短，且终端节点分工作模式和休眠模式，再不工作的时候可以切换到休眠模式，2节5号电池理论上可以工作半年的时间。3）高安全性我们都知道ZigBee技术有很高的安全性，它的数据处理要经过多层的审核，我们叫做安全处理，而且数据采用了先进的加密的技术，保证数据不会被窃取，避免不必要的损失。而且对于传输的数据，ZigBee本身还要进行校验，来保证数据是否传输完整，是否有遗失的数据。4）低数据速率 我们都知道Z

21、igBee有3个通信的频段。但是在每个频段上它的数据传输速率都很低，一般在240kbps左右，同样，在不同的频段上有很多的信道可供选择，尽管信道途径非常多，但数据传输速率非常有限，所以ZigBee技术只适合于小范围的网络模式，并不能用在大规模数据量的网络里。2.2 ZigBee无线网路的拓扑结构ZigBee的网络结构包括星型结构（Star Network）、簇树型结构（Cluster Tree Network）、网状结构（Mesh Network）7,如图2.1所示。图2.1 ZigBee网络的拓扑结构星型结构节点是有一个协调器和多个终端节点组成。在星型结构中的协调器必须具有全功能，能够对整个

22、网路的根基负责，管理整个网络。其他节点为精简功能，只要完成指定的任务和功能就可以，另外终端节点必须在协调器负责的范围内才能起作用。星型结构的控制比较简单，多适合于节点少、信息传输量少的工程中。簇树型结构节点是有一个协调器和多个树型结构联结形成的，树末节点类型为RFD。该网络中的协调器比路由器有更强的存储能力和处理数据能力，树型结构的节点很明显具有更广泛的控制范围，但信息的传播同样会存在延时。网状型结构节点是由一系列的FFD节点组成，各个节点地位同等，可以实现信息的同等交互，但仍然需要优推一个节点为协调器节点，负责调节整个网络结构的协调工作。该结构的优点是减少了信息的延时特性，增加了信息传输的可

23、靠性，但同时又需要更多的数据存储空间。2.3 ZigBee无线网协议栈结构设计网络软件一般采取分层的观念，不同的层负责不同的功能，数据的传输在相邻的层之间流动。在以太网中，ISO国际化标准组织提出了的OSI（Open System Interconnection）开放是系统互联的七层参考模型8，如图2.2， 从图中我们知道,ZigBee分为物理层（PHY）、介质访问层（MAC）、网络层（NWK）、应用程序支持子层（APS）、应用层（APL）。分层的优点是，当网络中协议发生变化时，只需要对某些相关的协议层进行修改，其他无关的层不用改变。从图2.3中可以发现IEEE802.15.4定义了物理层和媒

24、体访问层，构建了ZigBee的协议栈的基础层，为ZigBee的协议栈提供了稳定的基础支持。ZigBee协议栈就是集合所有层的函数库，且为使用者提供应用层（API），供使用者调用所有相关的函数库。ZigBee项目的开发其实就是对协议栈的开发，其中有几点我们必须注意：在开发的过程中，我们不需要对协议栈做一个透彻的分析，只需要在应用层对相关的程序进行编辑即可；对于网络中的数据采集，只需要对应用层使用传感器的采集数据函数即可；如果考虑节能问题，可采用定时唤醒的功能；我们需要清楚数据来源、数据传输经过、数据目的地。数据通信的一般步骤：调用组网、加入网络的函数，实现网络的搭建和节点的加入；对采集的数据实行

25、无线数据发送函数处理，实现数据的发送；在接收端对需要接收的数据实行正确的无线数据接收函数处理，就能实现无线数据的正确的接收9。OSAL（Operating System Abstraction Layer）操作系统抽象层,是ZigBee协议栈里边内嵌入的很简单的系统。在ZigBee的协议栈里边，OSAL主要负责的共能是task的注册、初始化和启动；存储器分配的问题10。2.4组网的过程：（1）在协调器上电以后，完成前期的准备工作，然后选着一个信道，给自己网络一个独特的标注法，周期性的发送请求信号。（2）终端节点上电以后，会不断地扫描信道信号，找到匹配的信道以后会发送请求信号。（3）协调器接收到

26、请求信号以后，会产生一个MAC的地址帧，并将其发送给末端节点（4）终端节点接收来自协调器的MAC信号以后，会把MAC地址保存起来，然后发送联系请求数据包，请求加入网络。（5）当协调器接收到数据请求之后，会通过网络层给其分配独有的网络短地址，并将其地址返发送回末端节点（6）当终端节点接收到协调器的网络短地址，为自身配置一个短地址，这个自身的短地址可以与协调器之间进行APP层的通信，组网由此完成11。2.5ZigBee技术的应用领域随着ZigBee技术不断得到重视，且ZigBee协议不断得到规范，其在各相关领域已经得到相应的发展。简单得从几个方面来分析一下：农业领域：传统的农业对农作物生长状态的掌

27、控一般通过简单的器械检测，需要管理人员不断进行数据采集和分析，但是ZigBee网络可以利用传感器网络把需要采集的数据经主路由发送给PC机显示，实现智能实时的生长状态的监控。医疗领域：传统的医疗对体温、脉搏、血压等得检测都需要大量的护士人员，如果把脉搏、血压等需要检测的数据搭建ZigBee网络，可以实现对需求的病人数据实现实时检测和统计，大大节省了工作时间，提高了工作的效率。工业领域：通过ZigBee传感器网络可以实现对工厂各个细节方面的监控，比如污水污染程度，工厂周围的温度、环境湿度、烟雾检测等，实现对工厂信息的实时监控，能减少不必要的危害和损失。交通领域：通过ZigBee网络收集附近道路的具

28、体状况，实现智能化交通管理，可以对危险的道路情况提前做出警报，避免不必要的交通堵塞，甚至交通车祸。通过对ZigBee进一步的研究，我们可以确定其价值性，所以在无线自组网库房测温系统设计中值得我们去应用12。3 IAR开发环境和CC2530开发板硬件介绍对于无线自组网库房测温系统来说，我们已经确定了其可发展性和ZigBee技术的无线通信技术，下面介绍我们在模拟实验中用到的开发软件和硬件。3.1 IAR开发环境介绍IAR Embedded Workbench（简称EW），是一款嵌入式的综合设计、开发、测试的软件，这款软件有较好的C语言编辑库且运行稳定，操作比较简单，另外， EW为用户提供统一的操作

29、界面，其本身能支持35种微处理器，包括ARM、MSP430、80C51等。IAR集成的编译器特点：兼容标准的C语言；高效的浮点支持；内存模式可供选择等13。首先完成IAR（针对80C51）软件的安装，并激活该软件。并学会如何建立保存一个工程；如何向工程里边添加主要源文件；如何编译文件代码。安装、搭建工程如图3.1、3.2所示。图3.1 IAR软件的安装图3.2 8051工程的搭建 另外要对开发环境做好工程设置，比如General Options选项、Linker选项、Debbuger选项等，各项细节都需要配置好。3.2 CC2530开发板硬件系统介绍 平台设计主要由射频模块和主控模块。核心板硬

30、件资源CC2530-EM主要包括CC2530单片机、3M晶振、32.768k晶振、天线接口以及I/O扩展槽。该系统的射频模块，主要产生30KHz-30GHz的射频，产生高频的电流。通过射频模块对信息进行编码，然后接收模块通过调节相同的频率产生，对信息进行收集。CC2530相对其他同类型的单片机成本低，拥有强大的射频性能、8KB随机存贮器、系统内可编程FLASH、8051CPU内核等。CC2530可以在不同的模式下运行，具有稳定、功耗低、抗干扰能力强等特点，比较适合无线传感器网络的应用。CC2530简单的硬件资源如下图所示，图3.3 CC2530引脚图该引脚图中，P1_0 11 数字I/O， 端口1.0-20-mA 驱动能力，P1_1 9 数字I/O，端口1.1-20-mA 驱动能力，P2_3 33 数字I/