基于ZigBee技术的温度采集系统的设计.docx

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基于ZigBee技术的温度采集系统的设计

学校代码：

11059

学号：

1105021004

HefeiUniversity

毕业设计（论文）

BACHELORDISSERTATION

论文题目：

基于ZigBee技术的温度采集系统的设计

学位类别：

工学学士

学科专业：

通信工程

作者姓名：

汪飞

导师姓名：

顾涓涓

完成时间：

2015-5-28

基于ZigBee技术的温度采集系统的设计

中文摘要

现如今越来越多的产业在发展，在发展过程中，温度对设备能否正常工作有着决定性作用。

而此时，传统的温度检测设备已经不能满足现在的需求，应用而生的是新的无线温度检测设备，通过无线连接来检测和传输温度，这其中应用很广泛的就是ZigBee技术。

它具有高安全性、低功耗、使用便捷等优势，是传统传感器所不能替代的。

本次设计是基于ZigBee技术的温度采集系统设计，设计的主要部分有以下几点：

温湿度采集模块、无线传输模块、显示模块。

其中主控制器是CC2530，选用DS18B20和DHT11传感器和显示屏OLED12864，设计一款无线温度采集、实时显示的电路。

本设计完成了数字传感器采集温度，在显示屏上显示，然后通过ZigBee技术传输给协调器，再通过协调器传输到上位机，实现环境温湿度的实时采集和显示。

关键词：

ZigBee；CC2530；温湿度传感器；OLED12864；无线传传感技术

ThedesignofthetemperatureacquisitionsystembasedonZigBeetechnology

ChineseAbstract

Todaymoreandmoreindustriesinthedevelopment,inthedevelopmentprocess,temperaturesontheequipmentworkscorrectlyplaysadecisiverole.Butthistime,thetraditionaltemperaturemeasurementdeviceshavebeenunabletomeetcurrentneeds,applicationsandnewwirelesstemperaturetestequipment,todetectandtransmitinformationoverawirelessconnection,whichistheZigBeetechnologyiswidelyused.Ithasadvantagessuchashighsecurity,lowpowerconsumption,easytouse,traditionalsensorscannotbesubstituted.

ThisdesignisthedesignoftemperatureacquisitionsystembasedonZigBeetechnology,designhasthefollowingmainpartsofwhattime:

temperatureandhumiditydataacquisitionmodule,wirelesstransmissionmoduleanddisplaymodule.MaincontrolleristheCC2530,selectionofDS18B20OLED12864andDHT11sensorsanddisplays,designedawirelesstemperaturedataacquisition,real-timedisplayofthecircuit.

Thisdesigncompletedigitalsensortemperature,displayedonthescreen,andthenthroughtheZigBeetechnologytransferCoordinator,throughtheCoordinatortransfertoPC,real-timecaptureanddisplayofenvironmentaltemperatureandhumidity.

Keywords:

ZigBee;CC2530;temperatureandhumiditysensors;OLED12864;wirelesssensortechnology

第一章绪论

1.1选题背景

在我们生活和生产中温度是最基本的一个参数，在很多情况下，都必须要实时测量温度，这样才能保证生产的安全性。

比如说当锅炉里的温度过高时，就有可能会出现事故，这时我们就必须要对它的温度进行实时检测，确保安全性。

再比如说电缆沟也需要测温，电缆关系着网络的运行状态，故我们需要及时知道它内部的温度是多少，保证电缆正常工作。

所以我们就经常需要对它进行检测、监控。

随着科学技术发展速度非常快，传统的有线传感器网络由于布线不方便等很多问题，已经无法满足一些特定情况下的需求了。

此时首先想到的就是通过无线通信技术来进行监控。

无线通信技术又可以划分四种类型，分别WWAN、WMA、WLA,和WPAN。

其中个人无线域网WPAN中就包含了ZigBee无线技术。

ZigBee无线传感器网络解决了环境检测范围大、测量距离远、布线不方便等问题。

给我们在传感器网络方面提供了全新的思路。

1.2课题研究的目的

本次的设计题目是基于ZigBee技术的温度采集系统的设计，设计一种以ZigBee模块为基础的无线温度传感器监测系统。

本次课题研究的目的是为了了解ZigBee网络的工作原理，采用ZigBee模块、DS18B20数字温度传感器和DHT11数字温湿度传感器，设计一个基于ZigBee技术的温湿度采集系统，实现对温湿度的实时采集和显示，并通过ZigBee协议传给上位机。

设计相应的串口调试、显示电路、供电电路等硬件电路以及终端节点、路由器、协调器等部分的软件部分的设计。

1.3课题研究的意义

和传统的传感器技术作比较，ZigBee技术具有很多的优点，比如说它的成本很低、功耗低、传输的延时很短、包含的信息容量大并且传输过程精度和安全性都很高。

ZigBee技术因为使用便捷并且复杂度低，所以非常广泛的被使用。

它在距离短、范围小的基于无线通信的控制领域很适用，并且它还弥补了传统传感器很多不足的地方。

在软件方面，ZigBee协议能够非常方便的在硬件平台间进行移植。

所以在生活和生产中的应用非常的广泛。

1.4课题的主要任务

本次设计主要是针对传统的有线传感网络的缺陷，设计一个基于ZigBee技术的无线的能够实时检测温度的传感器，本次课题的主要任务如下：

（1）深入了解ZigBee技术

了解ZigBee的特点、ZigBee协议、怎样工作等方面的内容。

（2）实现温湿度采集

本设计通过数字传感器DS18B20和DHT11采集环境中的实时温度信息。

（3）实时显示温湿度

为了让用户能够准确的了解实时温度，本设计设立了液晶显示电路，显示器我们用的是OLED12864显示屏，当温度和湿度信息被传感器采集到以后，就会快速在显示屏上显示此时的温湿度。

第二章ZigBee简介

2.1ZigBee概述

ZigBee这个词来源与蜜蜂的ZigZag形式的舞蹈，它是一种复杂度、成本、功耗、速率都非常低的近距离无线组网通信技术[1]。

他的体系机构是由层作为每个模块而组成的，其中每一层都会调用函数、程序给它的上层，让上层能够进行正常的工作。

ZigBee协议是基于IEEE802.15.4标准的，由ZigBee联盟和IEEE802.15.4共同制定。

IEEE802.15.4工作组制定ZigBee协议的物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC层）协议[2]。

在2002年成立了ZigBee联盟，提供网络层和应用层定义了ZigBee协议的网络层（NWK）、应用层（APL）和安全服务规范。

物理层（PHY）定义了无线射频应该具备的特征，提供了三种不同的频段，它们分别是868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz和2400MHz-2483.5MHz。

分别支持20kbps、40kbps和250kbps的传输速率，1、10及16个不同的信道[3]。

当处于不同的频段时，信道的中心频率也会不同，具体如下：

（k表示的是信道号码）

PHY的主要工作有：

（1）开关收发器、接收和发送分组数据；

（2）选择信道该用什么频率；

（3）检测信道的能量。

处于不同频段的ZigBee体系，在工作时它的码片速率和调制的方式也是不同的，如下表1所示。

表1频段和数据率

媒体接入控制子层（MAC）负责控制无线信道的访问和近距离节点间的链接问题。

它的主要工作就是产生和管理信标、信道接入和断开等。

协议网络层（NWK）给网络节点提供地址和管理组网等。

它的主要工作就是加入和离开网络机制，ZigBee协调器的网络层的功能还有负责建立网络。

在ZgBee的网络节点中主要有协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端节点（EndDevice）这三种不同类型的节点[4]。

它的拓扑形式也有三种：

分别是星型结构、树型结构和网状结构。

星型结构顾名思义就是有一个中心，然后外围有很多结构和中心连接。

在ZigBee中就是由多个终端节点和一个协调器进行连接而组成的。

协调器的主要作用跟信号塔一样，就是组建起一个无线网络区域，然后终端节点都会加入这个网络，与协调器进行无线数据的传输。

树型结构是星型结构的延续，它的整体模型也和星型结构差不多，外围多个结构和一个中心相连，而这里的外围结构是已经组好的星型结构网络，然后这些星型网络再和一个协调器连接，构成树型结构的网络。

这个结构能够覆盖的工作范围更大。

网状结构是终端节点之间相互连接并能够进行通信。

它的优点就是减小了传输的延时和网络更加可靠[5]。

本次设计采用的就是星型结构，因为构架这个网络比较方便，切根据设计要求，这个网络类型已经能够满足设计要求。

星型结构图示如下所示。

图1星型结构示意图

2.2ZigBee协议栈

2.2.1简介

什么是ZigBee协议栈？

它和ZigBee写有有什么关系？

简单来说，协议是通信标准，而协议栈就是具体实现这些标准，为用户和这些协议之间提供一个接口，让我们能够使用这个协议，从而来实现无线传输[6]。

如下图，是ZigBee协议层的架构图。

图2ZigBee协议层架构

由图可以看出，整个ZigBee协议体系是由物理层PHY、介质接入控制子层MAC、网络层NWK、应用支持层APS和应用层APL这5个层构成[7]。

其中的MAC层和PHY层由IEEE802.15.4一2003标准定义,而ZigBee联盟则在此基础上定义了APL层和NWK层[8]。

ZigBee协议栈将这5个层定义的协议都整合到了一起，并且写成了函数的形式，通过APL用户就可以直接用了。

它具体的分层架构和代码文件夹如下表。

表2ZigBee协议栈分层信息表

2.2.2如何使用协议栈

协议栈简单说就是调用它的代码、函数库[9]。

现在一般用的协议栈，它的底层程序代码都已经写好了，我们只要根据功能模块要进行什么样的工作而进行相应的调用就可以了。

比如说我现在想把数据从一个设备传输到另外一个设备，下面是实现一个简单的无线数据传输过程的一般步骤：

（1）建立组网：

调用协议栈的组网函数和加入网络函数，实现网络的建立和终端的加入；

（2）发送端发送：

此时要调用无线发送数据函数；

（3）接收端接收：

此时要调用无线接收数据函数。

第三章系统设计方案

3.1设计框图

图3系统设计框图

3.2方案论证

温湿度检测系统有一些共同的特点：

第一点就是有非常多的测量点，第二点环境不相同且比较复杂、第三点布线分散、测量点离监控室远等。

假如我们使用一般的温度传感器来采集温度信号，它输出的就是模拟信号，这时我们就需要设计很多其他的电路模块，比如说信号调节电路、A/D转换电路及相应的接口电路，通过这些转换，才能把传感器输出的模拟信号变换成数字信号从而送到上位机。

但是外界存在的干扰非常多，就有可能会使系统的检测结果出现较大的误差；又由于测量时环境条件复杂、信号传输的距离远、测量点很多等各种因素的干扰，会让整个检测模块的稳定性和可靠性下降。

所以温度检测系统有两个关键部分的设计：

选择温度传感器的种类和设计主控单元。

温度传感器的应用范围很广泛、使用数量多、也高居各类传感器之首。

3.2.1传感器的选择

方案一：

使用热敏电阻来测量温度，这个可以测量40摄氏度到90摄氏度的温度区间，可是这个热敏电阻的是通过感知温度的变化而电阻值发生变化，从而测的温度，所以它的测量精度、重复性和可靠性都比较差，对于检测温度变化区间比较小的情况下是不适用的。

方案二：

采用单片模拟量温度传感器。

可是这些传感器输出的温度信号都不是数字信号，这样就要经过A/D转换后才可以传送到计算机上，这样我们就要设计一些外围电路来完成这个转换，使我们在设计测温装置结构的过程变得较复杂。

而且，它还不能测量不同地方的温度，因为这种测温传感器不能够并联在一起，所以一个传感器就要占用一根线。

就算它能完成多点测量的工作，它实现这个任务的过程也不简单，肯定繁琐，这样一定程度上也增加了设计软件实现的难度。

方案三：

采用数字温度传感器DS18B20进行测量温度，这个DS18B20输出的信号就不是模拟信号了，这样这个输出的信号就会很容易被单片机处理和控制，并且使用DS18B20时，整个设计就简单了很多，还不会像传统的测温方式那样有很多其他的外围电路[10]。

而且这个芯片的工作性质非常的稳定，是一个能够用在工业中测量温度的元器件。

这个元件有非常好的线性变化度，当从0摄氏度变化到100摄氏度的时候，它最大的线性偏差还不到1摄氏度。

DS18B20还有一个最大的特点，就是运用单总线的数据传输模式，它输出的温度信号就是数字信号，可以直接和上位机连接起来。

这样测量系统的结构设计就简单了很多，体积也小了很多，设计便捷化了，所以多点测量的设计系统就容易被实现了。

方案四：

采用DHT11数字温湿度传感器进行测量温度和湿度。

它所采集、输出的信号和DS18B20一样，都不是模拟信号，但是能够在检测温度的同时检测空气中的湿度。

而且体积小、功耗低，能够很好的运用在日常的生活中。

系统芯片化是如今测温系统的发展趋势，所以本次设计所采用的传感器全都是数字传感器DHT11和DS18B20，正好顺应了这个发展趋势。

集成化的电路，让整个电路系统看起来更加清楚，在构建电路和做电路方面更加方便和快捷。

而且，我们在运用集成化的电路时，外界环境中的很多干扰因素都能都被有效地避免，这样就使得整个测量电路的精确度得到提高。

所以在将来电路发展的一个趋势肯定就是采用集成化的芯片。

本次设计采用这个数字温湿度传感器DHT11和DS18B20也是顺应这一趋势。

3.2.2主控部分的选择

表3CC2430和CC2530功能对比表

由上表可知，和CC2430相比，CC2530芯片在很多性能方面比CC2430有了重大改进，比如说我们比较注重的封装尺寸、内存大小和RF性能等方面。

综上所述，本次设计，传感器采用DHT11，控制器采用CC2530。

3.2.3显示器的选择

方案一：

液晶显示字符大多数都是按照行数或列数、液晶点阵线的方式进行命名。

比方说0801的意思就是每一行最大为8个字符，一共显露出1行。

类似于1601，1602，0802等命名。

这类液晶显示可显示ASCII字符，只是不能显示汉字。

方案二：

采用OLED显示屏，它的工作电压、适用温度范围都很广，构造很简单，并且有自发光、对比度高、范瑛速度快这些优势。

因为OLED可以显示汉字，并且有良好的人机交互，功耗比较低。

所以选用方案二。

第四章系统硬件设计

本次设计系统的主要工作流程是首先终端节点的数字温度传感器采集温湿度信号，然后采集到的信号分成两路，一部分被传送到12864显示屏进行显示，另一部分传送到CC2530芯片进行处理，再通过PCB天线发送出去，然后协调器的PCB天线接收从终端节点发出的信号，接收到信号后传送到CC2530芯片进行处理，然后传送给上位机。

具体的工作流程示意图如下图4所示。

图4系统硬件电路工作示意图

本系统的硬件电路设计图如下图5所示。

图5整体硬件电路设计

4.1DHT11温湿度传感器介绍

DHT11是既能测量温度又能测量湿度的传感器，它输出的数字信号。

这个传感器包由三个部分组成：

感湿元器件、测温元器件和一个8位单片机连接在一起。

所以它性价比非常高、很强的抗干扰能力等优势。

并且体积小、功耗低，在很多情况下都被运用。

图6DHT11实物图

4.1.1DHT11的主要特性：

（1）工作电压范围：

3.3伏特到5.5伏特，能有适应很广阔范围的工作电压；

（2）测量的范围：

能测量20—90%的湿度和0—50摄氏度的环境，并且精度都很高，测湿度时的精度为±5%，测温度时的精度为±2摄氏度；

（3）有很好的互换性，可以实现完全互换；

（4）温度性非常好，长时间用是精度仍然很高。

4.1.2DHT11引脚说明

表4DHT11引脚说明表

相应的DHT11引脚图如图7所示。

图7DHT11引脚图

4.2DS18B20温度传感器介绍

DS18B20数字温度传感器只有3个引脚，一个是供电的，一个是接地的，还有一个是信号的输入口，所以在进行焊接方面很简单，而且在包装好了以后还可以用在很多场合。

它们的外观就根据适用的场合不同而做一定的变化。

用的时间长、占用空间小、用的时候方便、封装的形式有多种、所以在各种狭隘的空间设备数字测温和控制领域都能用。

4.2.1DS18B20的主要特性：

（1）其工作电压范围：

3.0伏特到5.5伏特，可以看出它能够适应更广阔范围的工作电压的变化，而且在寄生电源的情况下可以通过数据线对它进行供电；

（2）具有独特的单线接口模式，当DS18B20连接了微处理器的时候，只要有一条口线就能够实现它们之间的双向通信；

（3）在一根线上面可以并联多个DS18B20，这样它就能够实现这个组网进行多点测温的功能；

（4）DS18B20的形状像一个三极管，它没有其它的外围电路，所有的传感器件和转换电路都集成在一起；

（5）它测量的温度范围要比DHT11的测量温度范围大很多。

是从零下55到125摄氏度，当在零下10到85摄氏度时可以达到0.5摄氏度的测量精度；

（6）通过编程，可以实现0.5摄氏度、0.25摄氏度、0.125摄氏度和0.0625摄氏度的测量精度；

（7）负压特性：

当不小心把电源的正、负两极接反了的时候，它的芯片也会避免被损坏，但是此时不能进行工作。

4.2.2DS18B20引脚说明

表5DS18B20引脚说明表

DS18B20引脚封装如下图8所示。

图8DS18B20引脚图

4.3ZigBee模块介绍

4.3.1主控芯片CC2530

本设计的控制电路采用的是CC2530芯片，它具有32KB、64KB和128kB的编程闪存，因为它结合了一个DSSS射频收发器核心、内存和一个很小的8051控制器，所以RAM也达到了8kB[11]。

并且它还拥有很多电路功能，比如定时器、复位电路、掉电检测电路和21个可以有编程的输入和输出引脚，这样实现通信系统的集成化就很容易了。

其功能引脚图如图9所示。

图9CC2530管脚图

主芯片最小系统：

通过外部电路和中断控制电路的工作状态是整个电路的核心部分，CC2530最小系统如图10所示。

图10CC2530最小系统图

4.3.2ZigBee无线收发模块介绍

图11ZigBee无线收发模块实物图

这个模块用到的技术主要就是射频技术，硬件方面主要是由CC2530芯片和少量无源器件（电阻、电容、电感和PCB天线）组成的无线收发模块，它的收发频率是2.4GHz，输出功率最大是8dBm,它的工作电压范围是1.9—3.3V。

设计无线传感器网络有一些原则：

设计尺寸要小、功耗要很低、集成化的传感器和要用简单的软件。

它的原理图如下图12所示。

图12ZigBee无线收发模块原理图

4.4显示电路

4.4.1有机发光显示技术介绍

通常选用的显示屏均为液晶显示屏。

它的工作原理是液晶分子在电场作用的情况下分子排列顺序遭到破坏，所以出现了一系列的光学现象。

本次设计用的是OLED显示屏，它的发光原理是用非常薄的有机材料图层和玻璃组成成，当在有电流作用于这个有机材料的时候，有机材料就会发光。

而且它的有机发光层的材料所决定觉得了它发出什么样颜色的光。

OLED的构造很简单，并且有自发光、对比度高、范瑛速度快、适用的温度范围大等优点。

4.4.2OLED12864介绍

OLED12864工作电压在3V到10V之间，工作的温度可以在-40摄氏度到85摄氏度。

它的显示屏使用的是1个64行输出的行驱动器和2个列驱动器。

图13OLED12864实物图

1.信号接口说明

如下表，是OLED12864的接口说明。

表6OLED12864接口

2.接口说明：

（1）OLED2、3端是电源，提供OLED12864的正常工作电压；

（2）4端口是选择端口，用来选择指令寄存器，往OLED屏中写入数据和命令的端口；

（3）5端口是选择读写端口，这个端口只往12864屏中写入数据，不读取数据；

（4）6端口是使能信号，这个信号是必须要的，否则不能工作；

（5）17端口是复位端口。

3.相应的OLED12864引脚图如下图14所示。

图14OLED引脚图

4.5电源电路

电源在设计硬件中是一定要有的，它能为各种负载元件提供正常的工作电压。

本次设计的电源模块电路图如下图15所示。

图15电源模块电路

第五章系统软件设计

本次系统的软件设计最主要部分有两个，一个是数据采集和发射部分，另一个是数据接收和处理部分。

发射部分的主要工作就是采集温度数据和这些数据处理完后发射出数字信号，接收部分的工作就是对发射端发射出来的数字信号进行接收和处理，并且将它显示出来。

其软件的总体流程图如下。

图16系统总流程图

第六章系统调试和结果分析

6.1硬件调试和分析

根据ZigBee电路的仿真设计，对这个电路的每个模块都进行测试。

首先通电之前检查电源及各模块是否符合工作要求，然后测试软件是否编写有问题。

具体调试的过程中出现的故障有下面几种。

（1）通电过后OLED不能显示

可能原因：

显示屏不能显示，可能是在编写12864的串口程序时出错了，还有一种可能就是这个屏幕本身就是坏的。

调试过程：

把这个屏放在别的电路上，能正常显示，所以这个屏是没有问题的，出错的原因是它的串口程序编写出现错误。

结果分析：

本次设计采用的屏是技术比较新颖的OLED屏，它必须要有驱动才能正常工作，如果没有驱动或者驱动出错的时候是不会亮的。

在开始移植驱动时就出现过错，所以出错。

重新编写驱动程序并下载后屏幕正常工作。

（2）温度数据采集好后不能传输到协调器

可能原因：

数据不能传输到上位机，可能是天线出现问题，导致ZigBee之间不能进行正常的无线通信；下载程序到ZigBee模块时出现错