本科毕业论文基于ZigBee的数据采集系统的设计范本模板.docx
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本科毕业论文基于ZigBee的数据采集系统的设计范本模板
西安航空学院
本科毕业设计(论文)
题目:
基于ZigBee数据采集系统的设计
学院:
电子工程学院
专业:
测控技术与仪器
学号:
**************
学生姓名:
******
指导教师:
**********
2016年5月25日
摘要
近年来科技水平不断提高,各行各业也对获取数据的便捷性、准确性、廉价性提出来越来越高的要求。
无论工业现场还是在家庭,温湿度都是一个非常重要的因素。
然而在某些高腐蚀的环境下通过布设电缆,进行采集是不易的。
实现无线数据采集的无线化、智能化是最理想的解决方案.ZigBee作为一种最新推出的无线通信技术,已经在工业自动化、智能医疗、消费电子产品方面得到了普遍的应用.
本文是在ZigBee技术做了深入的研究下,完成了基于ZigBee的温湿度数据采集系统的设计.本文主要利用CC2530芯片作为整个系统的核心,采用IEEE802.15。
4协议作为整个网络的通信协议.前端高精度的DHT11温湿度传感器把检测数据通过终端节点,发送到另一个作为整个无线网络协调器的ZigBee模块,并用电平出发的LCD12864显示模块进行显示。
本文中搭建的微型无线数据采集网络,实现了温度和湿度数据的实时采集。
本设计提出的无线数据采集的方式,为现场数据监测的无线化设计和实际应用问题的解决,提供了思路。
关键字:
无线数据采集系统;温湿度;ZigBee;CC2530;DHT11
Abstract
Inrecentyears,scienceandtechnologyhasimprovedcontinuously,businessesalsoeasyaccesstodata,accuracy,cheapnessraisedhigherandhigherrequirements。
Whetherathomeorindustrialfield,temperatureandhumidityisaveryimportantfactor.However,insomehighlycorrosiveenvironmentbyrunningcables,acquisitionisnoteasy。
Wirelessdataacquisitionwireless,intelligenceistheidealsolution.AsalatestZigBeewirelesscommunicationtechnologyhasbeenwidelyusedinindustrialautomation,intelligentmedical,consumerelectronicsproducts.
ThisarticleisinZigBeetechnologytodothenextin-depthstudy,completedtheZigBee—basedtemperatureandhumiditydataacquisitionsystemdesign。
Inthispaper,theuseofCC2530chipasthecoreofthesystem,usingtheIEEE802。
15。
4protocolasthecommunicationprotocoloftheentirenetwork。
DHT11tipprecisiontemperatureandhumiditysensorstodetectdatathroughtheterminalnode,senttoanotherastheentirewirelessnetworkcoordinatorZigBeemodule,andpowerlevelstartingLCD12864displaymodulefordisplay。
Papercompletedthebuildminiaturewirelessdataacquisitionsystemtoachievereal—timetransmissionoftemperatureandhumiditydata.Thisdesigncanbeseenfromthewirelessnetworkforfielddataacquisitionparametersandapplicationprogramsdesignedtodetectwirelessdevicesprovideanewsolution.
Keywords:
Wirelessdataacquisitionsystem;Temperatureandhumidity;ZigBee;CC2530;DHT11
5.1设计总结……………………………………….。
...……………………………………………。
30
5。
1.1基本功能实现…………………………………………….。
.……………………….30
5.1.2无线数据采集的测试…………………………………………………。
.…………31
5.2前景展望……………………………………………………………………。
………………….32
致谢………………………………………………………………………………………..34
附录………………………………………………………………………………………39
第一章绪论
1。
1课题背景
数据采集技术与信号处理技术、传感器技术、计算机技术共同构成了现代检测技术的基础[1]。
数据采集技术是通过前端采集器件收集温湿度、压力、PH值等参数,并以其他方式显示的技术[2].数据采集技术是为了方便工程技术人员对设备的操作,从而降低生产成本,提高产品质量。
也就是说,是利用传感器、微控制器、信号以及其他技术的数据采集系统,是将获取的温湿度、压力、PH值等现场参数,通过A/D转换电路,将模拟量转换为数字量,利用微处理器进行运算,并将输出显示的技术。
将得到的结果进行显示,以方便操作人员使用,从而使产品质量提高,使生产成本降低。
至于数据的采集方法而言,传统的数据采集为电缆采集,它存在一些缺点,比如在高腐蚀环境下,布线复杂、操作不方便。
电子技术、信号处理技术、无线通信网络技术的发展,为数据采集方式无线化提供了技术保障。
无线数据采集是通过无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)进行数据采集的技术。
WSN是节点之间以自动组网的方式,建立无线传感网络,网络中作为协调器的节点接收和存储从各个终端节点发送出的节点所处现场的物理参数,并以无线电的方式给用户传输数据的技术。
所以,无线采集方式是对传统的有线采集方式的有效替代,克服了传统数据采集方式的劣势.
科技水平的提高,电子产品不但可靠性逐渐提高,而且成本越来越低.可靠性不断提高的电子产品,使WSN系统可以获得超越以前的网络传输速率,和前所未有的安全性。
WSN的特点都超越了本来有线传感器系统引以为豪的好技术指标,而且无线数据采集还解决了有线网络布线困难的致命缺点。
无线传感器网络可以使得线路维修困难的问题可以解决,提高了无线数据采集系统的环境适应性。
为了满足人们对无线采集技术的要求,ZigBee技术种应运而生,完善了生态版图。
它可以以嵌入设备的形式,广泛应用于各个领域的自动化控制方面。
作为短距离无线通信技术,ZigBee以其低功耗、低复杂度、操作简单等独特的优势得到了人们的青睐。
ZigBee低功耗的特点的优势,在工业现场需要长期检测、不便改变节点位置的位置得到凸显。
主协调器ZigBee节点通过自组网的形式与周围的终端节点组成网络,互联共享数据.ZigBee节点可以自动加入和离开网络,加入网络时可以自动搜索与之匹配的协调器节点。
ZigBee已经以其无与伦比的优势成为了无线通信的首选协议。
本设计将传感器技术和ZigBee技术相结合,力图通过数据采集的无线化解决由于现场布线困难、一次性采集成本昂贵等因素导致不便对现场数据采集的问题。
1。
2ZigBee技术简介
“ZigBee”一词来自蜜蜂。
当蜜蜂发现食物时,会以跳ZigZig型舞的方式,通过翅膀的震动来向同伴告知所发现的花粉源的具体信息,比如花粉源的方位、距离、花粉多少等信息,以方便与同伴分享食物。
通过观察蜜蜂这种觅食的方式,人们想到无线通信问题的解决方法。
为了纪念蜜蜂给人们带来的思路,早期将这种技术命名为“紫蜂"。
随着时代的发展,人们也把这种新型短程无线通信技术,命名为“ZigBee”。
ZigBee早期也曾被称过“HomeRFLife”、“RF—EasyLink”或者“FireFly"无线通信技术,目前统一称之为“ZigBee技术”.
ZigBee的核心是
和微控制器,他们都被
半导体芯片上,封装如
的
里.使用ZigBee技术所实现的产品,一般采用较为廉价的8位微控制器,将无线射频发射模块集成在一块芯片上,外围接上几个电阻、电容和晶振等元器件,再接一些A/D、D/A、I/O接口及一些控制电路,这就组成了各种智能控制节点、无线网络传感器节点等的核心模块。
在硬件电路的基础上还要加上必要的程序设计,这样才能构成完整的控制模块。
ZigBee是一种基于IEEE802.15。
4协议的开放的无线个人局域网(WirelessPersonalAreaNetworks,WPAN)标准。
IEEE802。
15.4协议标准定义了网络的基础层,比如物理层(PhysicalLayer,PHY)和媒体接入控制层(MediaAccessControlLayer,MAC),而ZigBee则定义了更高的网络协议层,比如说网络层(NetworkLayer,NWK)、应用层(ApplicationLayer,APL)等。
ZigBee课工作在2。
4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)、915MHz(美国流行)3个频段上,分别具有250kbps、20kbps和40kbps的传输速率,ZigBee这三个频段的特点如图1.1所示。
ZigBee技术主要用于近距离传输,传输距离在10~75m内,如果需要增加距离,则需要增加发射频率。
从ZigBee联盟和一些主流的厂商的推广介绍来看,ZigBee技术将在自能家居、智能交通、智能建筑、农业自动化方面得到广泛应用和长足发展。
图1.1ZigBee三频段特点
1。
3国内外研究现状
世界各国都在建设无线通信网络,人们的生活和网络越来越密切。
今后家居联网,“物”联网,使得ZigBee这样的低速的短程无线通信方式得到广泛应用。
伴随着ZigBee技术的发展,近年来许多企业还有组织纷纷涉足这个研究领域,前所未有的技术和功能越来越强大的产品络绎不绝的出现.新的产品会促使技术的发展,在这样一个无线通信技术飞速发展的时代,ZigBee肯定会得到长足的发展.
2000年12月,美国电气和电子工程师协会(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers,IEEE)成立了802.15.4工作组,负责低速无线个域网(LR-WPAN)的物理层和MAC层协议的研究和制定。
在2003年年初,802.15。
4工作组正式公布了无线通信标准协议IEEE802。
15。
4。
2002年8月,由英国的英维斯公司、日本的MitsubishiElectric公司、美国的摩托罗拉公司还有荷兰飞利浦公司等共同发起并成立了ZigBee联盟.以IEEE802.15.4中的MAC和PHY为基础,ZigBee联盟不仅对ZigBee技术的NWK和更高的网络规范层进行了制定,而且对进行网络设备的测试和市场的推广工作也进行了规范。
这样做是为了实现家里各种由不同厂家生产的产品能够相互兼容,可以达到与同类产品抗衡的水平,以更快的在这一领域开拓市场。
ZigBee联盟于2004年底发布了ZigBee协议1。
0版本规范,2006年11月发布了ZigBee协议1.1版本规范,2007年10月发布了ZigBeePro版本规范,可以说ZigBee2007Pro标准是一个真正的网状网络标准。
2009年9月,ZigBee联盟宣布RF远程控制新的标准ZigBeeRF4CE规范取代了远程控制领域的红外(Infra—Red,IR)还有射频(RadioFrequency,RF)通信,并且ZigBee技术允许超视距数据传输,这一区别使得消费型电子(ConsumerElectronics,CE)的超视距控制距离越来越远,设备的低功耗使得设备使用寿命延长。
ZigBee这一特点使得该技术可以广泛的用于各种设备,比如机顶盒、无线点灯等家用设备。
2009年4月,ARM和Ember宣布Ember的下一代ZigBee半导体将采用ARMCortex—M3处理器,为快速增长的ZigBee市场设置一个高性能和低功耗的新标准。
2009年五月份ZigBee联盟同欧洲智能计量产业集团(EuropeanSmartMeteringIndustryGroup,ESMIG)一起为欧盟(EuropeanUnion,EU)的无线智能化的计量产业技术定义了各种设备之间兼容的通信标准规范。
ZigBee技术进入中国国内时,其技术已经发展相对成熟。
虽然ZigBee在国内起步较靠后,但是它如雨后春笋的快速发展,新的应用ZigBee技术的产品和新兴企业遍地开花。
比如在2007年我国的华立仪表公司就和Ember开启了关于新型的基于ZigBee技术的集中抄表系统的创新项目进行了合作,并且这个项目在过后两年的时候得到了政府科技部门的认可.这个项目就是利用Ember公司所生产的ZigBee芯片还有IEEE802.15。
4标准协议完成了无线数据协调器、无线数据采集终端还有其所用软件的设计,从而组成了这个新型的无线智能抄表系统,实现了远程无线抄表和管理功能。
近年来将ZigBee技术与GSM网进行结合,实现无线定位数据采集功能,是今后的一个重要发展方向。
由赫立讯科技公司开发的ZigBee无线定位技术,在我们日常的生活中已经得到了应用,比如应用在隧道工程安全领域,可以为工程人员提供更可靠的安全防护,防止事故发生提供了很大帮助。
如今,国内多所知名高校和研究机构都开始了对ZigBee技术的研究,成立了相应的科研小组。
在当今的中国无论是企业还是科研机构都在对ZigBee技术进行深入研究,使人们的生活更加的智能化,工厂生产的效率更高成本更低。
随着对无线通信技术研究的不断深入,相信将来在医疗方面、家居方面、工业控制方面都会得到广泛应用,有更多的国产无线通信产品闯出国门,进入世界市场。
1。
4基于ZigBee的数据采集系统的意义
利用ZigBee技术进行数据采集,除了能够实现无线数据采集系统的优点外,还具有以下优点:
(1)低耗能:
ZigBee的发射功率为1mW,按照一直保持在工作状态计算,一个ZigBee节点使用一节5号电池可以六个月时间,在休眠状态工作可以工作长达两年时间,这是其他无线设备没有办法超越的。
(2)低成本:
由于他们的ZigBee协议时免除专利费的,使得ZigBee模块的基础成本为$6左右。
(3)延时短:
无论节点在工作状态还是休眠状态,状态时延都是非常短的。
休眠和有源器件的时间延迟都仅为15ms[3].
(4)网络容量大:
一个ZigBee节点充当协调器时组建网络,分配254个地址给终端检测节点。
一个区域
100个ZigBee网络。
(5)组网方式多样:
当网络节点过多时,数据采集节点也可以作为协调器节点起到路由的作用,为子节点分配地址。
这种组网方式是柔性的,ZigBee网络可以由节点设备动态的添加而改变,形成多样的拓扑结构。
(6)可靠:
碰撞规避策略被采用,和一个专用时隙被保留用于需要被固定带宽的通信服务,并避免数据传输的竞争和冲突。
MAC层采用完全识别的数据传输方式,各派出都必须等待接收方的确认消息的信号.
(7)自配置:
ZigBee节点在通过协调器的方式用
/冲突检测(CSMA—CA)的方式自动访问信道;加入或在任何时候离开设备节点,这是一种自我配置,自我组织的网络模式。
(8)高安全性:
ZigBee利用的是循环冗余校验(CyclicRedundancyCheck,CRC)技术[3]。
这种检测方式可以进行数据分组完整性检测,为了提高数据的安全性,使用了AES-128算法,使每个程序都可以安全的运行。
克服了传统数据采集方式的缺点,基于低功耗、低速率、比成本、高安全性的无线ZigBee数据采集系统,是今后数据采集系统的发展方向。
1.5论文主要内容与组织结构
本课题主要进行了基于ZigBee无线温湿度数据采集系统的设计。
主要使用了两块ZigBee模块,一个作为网络协调器接收数据,另外一个作为采集模块进行数据采集。
DHT11型数字式温湿度传感器用于数据的前端采集,采用LCD12864显示现场的温湿度。
以下是本文各章的内容概述:
第一章作为的绪论部分,主要分析了无线数据采集的系统相对于有线的电缆传输的优势,并指出了对于ZigBee技术的国内外研究现状和研究本课题的意义。
第二章主要从系统总体设计层面介绍了ZigBee标准协议,从ZigBee的OSI七层网络结构到无线网络的建立。
对每个网络功能层功能、组网方式进行了介绍,通过对比完成了系统芯片CC2530的选择。
第三章主要是本设计的硬件电路部分,除了CC2530芯片的基本单元电路,还有其他外围电路,如数据采集电路等。
并且完成了温湿度传感器选型的问题,确定使用DHT11型传感器。
第四章主要为本设计的软件设计,使用开发环境IAREmbeddedWorkbench对各模块进行调试并编译,达到系统设计要求。
第五章是对本设计,无线数据采集系统设计的总结,提出了不足,并提出了改进方案。
第二章系统总体方案设计
2。
1系统的设计原则
(1)低功耗:
由于环境和设备需长期运行等原因,数据采集节点必须做到低功耗,以保证采集系统能在电池供电的条件下做到正常运行半年以上甚至更长的时间。
(2)高可靠性:
工作现场条件恶劣,干扰因素多,以及元器件型号的选择等因素都会导致数据受到来自外部和内部的各种电气干扰。
为了得到高精度的数据,必须提高系统的可靠性。
(3)自组织性:
如果采集系统终端节点出现故障,导致数据采集网络拓扑结构变化或者数据传输不畅,可能会使整个系统停止工作。
因此,需要系统具有自组织性,在节点出现故障时能自动形成新的拓扑结构.
2。
2系统硬件组成
ZigBee数据采集系统通常情况下都采用点对点的无线通信网络结构。
利用两个ZigBee模块,其中一个模块充当整个无线检测网络的网络协调器功能,起着管理控制整个网络和接收由另外一个节点采集数据的结果的功能.这种网络拓扑结构是以一种一对多的方式完成模块之间数据的发送和接收.基于ZigBee的数据采集系统的结构如图2。
1所示。
图2.1基于ZigBee的数据采集系统整体结构
由上图可知,基于
主要包括:
、
协调器节点、
和LCD显示模块。
(1)数据采集终端节点:
此模块的主要功能是为了准确获得终端节点温湿度、压力、PH值等现场实际参数。
(2)网络协调器节点:
此模块电路就相当于整个无线数据监测网络的大脑,它主要功能是负责整个网络的管理,并接收和存储由终端节点发送过来的数据.将接受到的采集数据通过RS232协议传送出去[4]。
(3)ZigBee终端节点:
本模块主要用于前端检测器件的数据,并将说采集的数据发送出去。
(4)LCD显示模块:
LCD显示模块式显示从ZigBee协调器节点接收到的从现场采集的温度、湿度、电流、电压等物理参数进行采集。
2。
3系统关键技术介绍
2.3。
1ZigBee协议体系
ZigBee协议栈是基于标准的OSI(OpenSystemInterconnection)七层网络模型,IEEE802。
15。
4标准协议在七层网络模型中定义了物理层(PHY)和媒体访问层(MAC)。
IEEE802。
15。
4定义的两个物理层分别工作在868MHz/915MHz和2.4GHz两个频段上.欧洲使用的868MHz频段和在美澳使用的915MHz频段属于IEEE802。
15。
4定义的低频段的物理层,而2。
4GHz的高频段可以在全球范围内免费使用,这种高低搭配满足了不同用户的需求.ZigBee联盟在此基础上定义了网络层(NetworkLayer,NWK)、应用层(ApplicationLayer,APL)、应用构架层(ApplicationFramework,AF)、ZigBee设备对象(ZigBeeDeviceObjects,ZDO)以及制造商定义的对象.
在ZigBee协议的体系结构中,每个网络结构层都拥有数据实体(DataEntity,DE)和管理实体(ManagementEntity,ME),并且通过DE和ME连接层与层。
其中DE的功能只是用于数据的传输,但是ME可以提供所包含的所有服务类型.协议中的每个层之间都是用网络接入点(ServiceAccessPoint,SAP)进行相连。
每个网络接入点为了完成相应的操作都会提供大量的服务方法去完成任务.图2-2为ZigBee标准协议的体系结构。
以下为ZigBee标准协议体系结构各层的功能:
(1)物理层(PHY)
物理层是最接近硬件的层,直接控制射频收发器并与其通信。
PHY层是有半双工的无线收发器和其接口组成的,主要负责以下功能:
●启动和禁止射频收发器;
●传输收发数据;
●选择通信频率(在该精度下收发器才会运行);
●能量检测(Energydetection,ED).此项功能可以用于检测频带中的信号强度,其结果可以看出此信道频段是否已经被占用。
●执行CCA;
●产生一个LQI。
LQI是判断接收器接收到的数据质量好坏的一个重要的技术指标。
其中一个信号的强弱直接反应了信号的质量.
(2)媒体访问控制层(MAC)
媒体访问控制层可以相邻节点之间建立一条安全可靠的数据传输网络,实现各个节点之间的共享传输媒介,MAC也在负责对物理信道的控制访问。
主要实现以下功能:
●当设备是一个协调器时产生信标;
●在信标网络使用信标进行同步;
●执行CSMA-CA信道访问机制;
●在两个对等MAC实体之间(不同设备)提供可靠的连接;
●提供PAN关联和解除关联服务;
●提供安全支持。
MAC层负责自己的安全处理,但是高层决定采用哪种安全等级。
(3)网络层(NWK)
网络层主要负责以下功能:
●开始一个新的网段,也就是发起一个新的网络;
●执行网络层安全;
●路由信息帧到它们的目的地。
只要Zigbee协调器和路由器才能中继消息;
●发现和维护设备间的路由,用来发现并记录有效的消息路由路径;
●发现单挑邻居.这些设备可直接到达,无需任何其他设备提供中继服务;
●存储有关单挑邻居的信息;
●可以给新加入无线数据采集系统的节点
.
(4)应用层(APL)
应用层是网络协议的最高层,由三部分组成:
应用支持子层(ApplicationSupport,APS)、ZigBee设备对象(ZigBeeDeviceObjects,ZDO)、应用框架(ApplicationFramework,AF)。
应用支持子层主要是提供网络层和应用层之间的接口,完成数据地址的交换.以下是
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