基于ZigBee的無(wú)線溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于ZigBee的無(wú)線溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)燕山大學(xué)——本科畢業(yè)論文學(xué)

院：電氣工程學(xué)院年級(jí)專(zhuān)業(yè)：10級(jí)自動(dòng)化

學(xué)生姓名：***指導(dǎo)教師：***2023/2/3內(nèi)容提要1緒論2

ZigBee協(xié)議簡(jiǎn)介3系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)6網(wǎng)絡(luò)測(cè)試與分析7C008搭載ZigBee網(wǎng)絡(luò)8總結(jié)與展望2023/2/31緒論

1.1課題的研究背景及意義ZigBee技術(shù)具有低成本、低功耗、低速率的特點(diǎn)和高可靠性、組網(wǎng)簡(jiǎn)單、靈活等優(yōu)勢(shì)。ZigBee技術(shù)主要領(lǐng)域有大棚溫濕度采集控制、家庭辦公自動(dòng)化、工業(yè)與環(huán)境監(jiān)測(cè)及人員定位與醫(yī)療護(hù)理等。ZigBee技術(shù)滿足了無(wú)線通信、網(wǎng)絡(luò)大范圍覆蓋、網(wǎng)絡(luò)靈活性高以及維護(hù)管理方便等要求，是將來(lái)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限，本文將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與北京韋加航通科技有限公司的C008設(shè)備網(wǎng)絡(luò)配合使用，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程大范圍監(jiān)控。2023/2/31緒論

1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路2023/2/3ZigBee系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路如下圖：1緒論ZigBee協(xié)調(diào)器采集的數(shù)據(jù)傳給C008終端，C008終端再通過(guò)C008基站上傳到PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的大范圍遠(yuǎn)程監(jiān)控，網(wǎng)絡(luò)如下圖：2023/2/3

1.3C008搭載ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案2

ZigBee協(xié)議簡(jiǎn)介2.1ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會(huì))定義了兩種不同類(lèi)型的設(shè)備：一種是全功能設(shè)備(FFD)，另一種是簡(jiǎn)化功能設(shè)備(RFD)。FFD能夠轉(zhuǎn)發(fā)其他設(shè)備的數(shù)據(jù)幀，與多個(gè)其它的FFD或多個(gè)RFD進(jìn)行通信；RFD不能同其他終端節(jié)點(diǎn)通信，只能夠同F(xiàn)FD進(jìn)行通信。ZigBee技術(shù)支持星型網(wǎng)、樹(shù)狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，其網(wǎng)絡(luò)中有三種的數(shù)據(jù)通信機(jī)制：?jiǎn)尾?Unicast)、組播(Multicast)和廣播(Broadcast)。2023/2/32.2ZigBee協(xié)議棧架構(gòu)ZigBee協(xié)議分兩部分，IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層(PHY)和介質(zhì)訪問(wèn)層(MAC)技術(shù)規(guī)范；ZigBee聯(lián)盟定義了網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)技術(shù)規(guī)范。2

ZigBee協(xié)議簡(jiǎn)介2023/2/33系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，主要由1臺(tái)PC機(jī)、1臺(tái)協(xié)調(diào)器、多臺(tái)終端和若干臺(tái)路由器組成。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，終端和路由器加入網(wǎng)絡(luò)后，終端將采集的數(shù)據(jù)上傳給協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器通過(guò)串口上傳數(shù)據(jù)至PC機(jī)，PC機(jī)通過(guò)上位機(jī)界面顯示并存儲(chǔ)。2023/2/3硬件平臺(tái)的選擇：本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選用TI的CC2530SoC芯片作為ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的硬件解決方案。3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.2協(xié)調(diào)器電路設(shè)計(jì)2023/2/3CC2530核心電路設(shè)計(jì)3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2023/2/3CC2530核心電路設(shè)計(jì)3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.3終端節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集。溫濕度傳感器DHT11應(yīng)用電路如右圖：2023/2/3終端節(jié)點(diǎn)工作位置不確定，使用電池供電，電路如右圖：終端節(jié)點(diǎn)去掉了USB轉(zhuǎn)串口電路。核心電路、復(fù)位電路、Debug下載電路以及網(wǎng)絡(luò)指示燈電路參考協(xié)調(diào)器電路的設(shè)計(jì)。3.4路由器電路設(shè)計(jì)路由器設(shè)計(jì)時(shí)，去掉了USB轉(zhuǎn)串口電路，加上了傳感器應(yīng)用電路。復(fù)位電路、Debug下載電路、網(wǎng)絡(luò)指示燈電路以及傳感器應(yīng)用電路參考協(xié)調(diào)器電路的設(shè)計(jì)。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1軟件平臺(tái)概述2023/2/3系統(tǒng)設(shè)備軟件部分選擇TI的Z-Stack2007協(xié)議棧；采用軟件平臺(tái)IAR-EW開(kāi)發(fā)。上位機(jī)界面選擇LabVIEW設(shè)計(jì)。4.2ZigBee設(shè)備通信ZigBee協(xié)議棧：使用ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0協(xié)議棧的SampleApp進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。Z-Stack由main()函數(shù)開(kāi)始執(zhí)行，main()函數(shù)共做了2件事：一是系統(tǒng)初始化，另外一件是開(kāi)始執(zhí)行輪轉(zhuǎn)查詢(xún)式操作系統(tǒng)。用戶(hù)自己添加的應(yīng)用任務(wù)程序在Zstack中的調(diào)用過(guò)程為：main()-->osal_init_system()-->osalInitTasks()-->SampleApp_Init()，具體如右圖：4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2023/2/3Z-Stack中操作系統(tǒng)是基于優(yōu)先級(jí)的輪轉(zhuǎn)查詢(xún)式操作系統(tǒng)，執(zhí)行流程圖如右圖：4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2023/2/3在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，只有一個(gè)協(xié)調(diào)器和數(shù)個(gè)終端節(jié)點(diǎn)以及若干個(gè)路由器組成。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，與樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)不同的是，它允許網(wǎng)絡(luò)中所有具有路由功能的節(jié)點(diǎn)直接互連，由路由器中的路由表實(shí)現(xiàn)消息的網(wǎng)狀路由。數(shù)據(jù)的收發(fā)：網(wǎng)狀網(wǎng)程序設(shè)計(jì):ZigBee設(shè)備間通信：設(shè)備發(fā)送端，調(diào)用自定義的發(fā)送函數(shù)(SampleApp_Send_P2P_Message)發(fā)送數(shù)據(jù)；接收端就調(diào)用事件任務(wù)處理(SampleApp_ProcessEvent)、

消息處理函數(shù)(SampleApp_MessageMSGCB)接收數(shù)據(jù)。設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包括發(fā)送設(shè)備的64位擴(kuò)展IEEE地址和DHT11的采集溫濕度。其中跟據(jù)DTH11的傳輸時(shí)序編寫(xiě)溫濕度采集程序，程序主要包括：延時(shí)函數(shù)，8位數(shù)據(jù)寫(xiě)入，DHT11傳感器啟動(dòng)、讀取數(shù)據(jù)。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2023/2/34.3上位機(jī)設(shè)計(jì)上位機(jī)界面使用LabVIEW編寫(xiě)。LabVIEW前面板主要是一些輸入輸出控件，界面的布局等；后面板是程序框圖，主要是串口數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)包解析、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等，后面板程序如下圖：4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2023/2/35網(wǎng)絡(luò)測(cè)試與分析5.1組網(wǎng)測(cè)試建立一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括1個(gè)協(xié)調(diào)器、1個(gè)路由器和1個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器和路由器采用電源供電，終端節(jié)點(diǎn)采用電池供電。依次給協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)上電。觀察到，所有節(jié)點(diǎn)的LED燈均閃爍然后常亮，協(xié)調(diào)器建網(wǎng)成功；路由器和終端節(jié)點(diǎn)也成功加入了網(wǎng)絡(luò)。測(cè)試現(xiàn)象如下圖：2023/2/35網(wǎng)絡(luò)測(cè)試與分析5.2無(wú)障礙測(cè)試在空曠的廣場(chǎng)將協(xié)調(diào)器位置固定，終端節(jié)點(diǎn)從距離為10米的地方開(kāi)始，每10米記錄一次，到100米結(jié)束。每次發(fā)送數(shù)據(jù)包100次，從上位機(jī)界面觀察成功接收的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，計(jì)算丟包率。測(cè)試數(shù)據(jù)如下表所示：2023/2/3距離(m)發(fā)送包數(shù)(個(gè))接收包數(shù)(個(gè))丟包率(%)101001000201001000301009914010099150100991601009827010090108010073279010055451001002278注：實(shí)驗(yàn)中將協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)都架高2米。5網(wǎng)絡(luò)測(cè)試與分析5.3有障礙測(cè)試有障礙測(cè)試，選在校園里進(jìn)行，主要的障礙干擾是樹(shù)木的遮擋。測(cè)試數(shù)據(jù)如下表所示：2023/2/3距離(m)發(fā)送包數(shù)(個(gè))接收包數(shù)(個(gè))丟包率(%)101001000201009913010099140100991501009466010058427010025758010010909010001001001000100有障礙時(shí)，網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量較差。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量避免在通信網(wǎng)絡(luò)中有大型障礙物；如不可避免，可考慮在有障礙物的地方放置路由器，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)通信能力。5網(wǎng)絡(luò)測(cè)試與分析5.4溫濕度采集系統(tǒng)功能測(cè)試2023/2/3搭建了一個(gè)簡(jiǎn)易的小型ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，由1臺(tái)PC機(jī)、1個(gè)協(xié)調(diào)器、2個(gè)路由器和1個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成。終端節(jié)點(diǎn)和路由器A分別連接了DHT11溫濕度傳感器，路由器B未連接DHT11。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙缦聢D：按照右圖布置網(wǎng)絡(luò)，給各節(jié)點(diǎn)依次上電。通過(guò)上位機(jī)界面，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示和儲(chǔ)存，上位機(jī)界面顯示如下圖。5網(wǎng)絡(luò)測(cè)試與分析5.4溫濕度采集系統(tǒng)功能測(cè)試2023/2/35網(wǎng)絡(luò)測(cè)試與分析5.5結(jié)果與討論針對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，提出以下建議：1.如何擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。一般有兩種方法：(1