基于ZigBee的温度监控系统毕业设计

基于ZigBee的温度监控

系统毕业设计

一、zigbee应用

有了ZigBee的一些技术优势，也谈到了不足之处，目前有些说法把它跟其它他

的无线技术，如Wi-Fi、Bluetooth、RFID、NFC等等进行类比，说某种技术不如另

一种，甚至说某种技术要取代另一种，这样的说法是片面的。作为一种低速率的短距

离无线通信技术，ZigBee有其自身的特点，因此应该有为它量身定做的应用，尽管

在某些应用方面可能和其他技术重叠。下面就来简单看看ZigBee可能的一些应用，

包括智能家庭、工业控制、自动抄表、医疗监护、传感器网络应用和电信应用。

二、系统总体设计

1.系统总体方案

Zigbee的主要优势是低功耗和组网，网络的组建是zigbee不同于其他无线协议

的主要优势所在，一个网络的组建形式决定了整个系统能否畅通，顺利的工作，因此

选择合理的网络结构是非常重要的。

为了实现任意无线节点之间都可以传递信息的目标，在串状连接方式的基础上又

发展了网状连接方式。网状连接方式又称为点到点到点（point-to-point-topoint）方式，它与传统的点到多点连接方式最大的不同是，网状连接方式中的每一个节点都

有无线微处理器，所以无需无线路由器就可以实现与另一节点之间的互连。由于这个

新的网络特征，每个无线节点不仅可以收发信息，还可以自动转发信息到网络中的其

他任意节点。

由于网状连接方式中每个节点的智能化，所以，当网络中任一节点故障时，附近

的无线节点会代替该故障的节点，继续进行信息的传输和转发，从而大大提高了系统

可靠性。同时，由于任意无线节点之间通过无线连接就如接力赛跑一样，信息可以通

过无线节点组成的网络传输到更远的地方。

网状结构如下图

图2-3网状结构

网络拓扑结构的选择

本系统采用网状结构，通过传感器节点采集温度，并发送这些数据到中心收集节点进行处理。当采集节点的距离太远是我们必须增加路由节点的传递采集节点要发给中心收集节点，在采集节点与中心收集节点之间合适的位置放置几个路由器将大大提高整个网络的稳定传输，为了简单期间，只有一个中心节点收集这些信息，处理后通过串口送到计算机，这些信息可以在串口调试工具或超级终端上看到。

2、芯片的选择

zigbee网络节点硬件设计的的核心是微处理器芯片。微处理器模块在无线收发模块的协作下完成zigbee网络的建立与维护，数据采集与处理，无线数据收发以及zigbee2007协议栈的正常运行[3]。在网络节点的硬件设计中可以根据成本与操作可行性等因数选择不同的的设计方案，本设计选择集微处理器模块和无线收发模块于一体的单芯片解决方案。

设计选用ti公司最新zigbee芯片cc2530f256，工作在2.4ghz频段，是符合ieee 802.15.4规范的真正片上系统解决方案，也是目前众多zigbee设备产品中表现最为出众的微处理器之一。

三、系统硬件电路设计

1、硬件部分总体介绍

本设计将温度传感器采集来的数据通过zigbee协议传递到上位机显示，并能够在现场实时显示采集的温度，人机交互采用按键控制，LED灯闪烁，和数码管指示，系统框图如下图。

2、电源部分设计

CC2530的供电电源为3.3V，其误差范围为±0.5V。我们最常用的电源为5V，比如普通的直流电源和电脑的USB借口电源都是5V的，所以如果给CC2530供电我们有两种选择。第一普通的干电池电压在1.5V左右，如果是新干电池其电压范围一般都在1.5V以上，所以两节干电池串联起来其电压值可以达到3.2V左右，实际测量中其值为就在3.2V左右，这个误差范围在CC2530电源误差范围之内，所以用干电池供电时一种供电方式。第一我们采用稳压芯片，在市场中最常用的3.3V稳压芯片为AMS1117，如图3-2所示

图3-2 AMS1117

其典型电路图如下图

图3-3 AMS1117典型电路

使用输入旁路电容，10uF的钽电容适用于几乎所有的应用。输出电容如果使用钽电容，AMS1117要求输出电容的最小值为10uF。

真对本设计的电源设计如下图所示

图3-4 供电电源电路

3、显示部分的设计

本设计的显示采用数码管显示，如下图所示

图3-5 供电电源电路

4、按键部分设计

针对按键这部分，在自己的硬件上根据TI这种按键的使用方法制作了AD键盘，AD键盘共有5个按键，分别为上、下、左、右、中原理图如下图，在PCB布局上就按照1-5分别对应上下左右中的顺序布局。

5、温度采集与报警设计

5．1温度采集电路

温度传感器我们采用单总线的DS18B20，其硬件电路比较简单，使用比较方便，而且读取的温度值非常准确，适用与一般环境下的温度采集。其电路图如下图所示

图3-8 普通按键电路

5.2报警电路

这里我们采用无源蜂鸣器，这样报警的音调我们可以自己去控制，报警电路如下图所示

图3-9 报警电路

6 、其余电路的设计

6.1 串口调试电路的设计

电路图如下所示

6.2 状态指示灯电路的设计

状态指示灯的设计就比较简单，其原理图如下图

图3-11 指示灯电路

四、系统软件的设计

4.1软件部分总体介绍

软件设计整体流程

本设计的网络拓扑结构选择树状结构，树状结构必须有路由的加入，所以本设计的软件部分设计分别要对协调器、路由器、终端节点分别进行设计。下图为整个系统的流程图

图4-1 系统整体流程

从图中可以看出，终端节点有两种与协调器的通信方式，当终端节点检测到的协调器信号强度超过路由器时，将直接与协调器通信，相反如果检测不到协调器的信号或者信号强度比路由节点的若，则通过路由节点将数据传送给协调器。

4.2协调器的软件设计

协调器是整个网络的核心，协调器负责创建和维护整个网络，为每个加入该网络的设备分配一个网络地址，在协调器启动时其网络地址将自动设置为0x0000。本设计协调器的工作流程图如下图

图4-13协调器启动流程图

4.3路由的软件设计

路由器的设计相对协调器和终端设备要简单些，设置其启动类型后他就负责转发协调器与终端节点的数据，只起到一个中继器的作用，在z-stack中我们编译文件f8wRouter.cfg就能把设备初始化为一个路由设备，在该文件中在Router Settings里只定义了-DRTR_NWK这比协调器少了一个-DZDO_COORDINATOR，所以设备只能实现路由的功能了。路由的工作流程相对协调器要简单很多，如下图所示

图4-14路由启动流程图

4.4终端节点的软件设计

终端节点负责采集温度数据，发送给协调器，并能够实时的报警。因此终端节点的软件设计包括其本身终端节点的功能外，还要设计温度采集部分，和报警部分。终端节点的流程如下图所示。

图

4-15终端节点流程图

五、上位机设计

上位机负责接收协调器通过串口发送来的数据并实时显示。上位机软件如下图所示

图5-1上位机软件主页面

在软件中串口号和波特率是可以选择的，左上角有个界面配置，打开后如下图所示

图5-1上位机软件配置面

该配置页面可以配置协议的规范，包头、包尾、校验位等，设置完成后点击完成即可。

六、测试结果

连接好硬件设备在终端节点与协调器绑定成功后，选择好串口名称，设置好波特率，打开串口后页面显示如下，此时我们只用了两个节点，该页面为为设置报警数据前的页面，温度值正常显示为黑色，并且在设置的定时时间内周期性的闪烁，闪烁的样式是棕色与黑色交替显示。

图5-1位置设报警数据前正常显示页面

图5-1超过一定时间没有接收到数据页面

为了测试报警，随意设置一个低于当前温度的报警数据，此时上位机的显示部分立即变成红色，如下图所示，

图5-1温度超限报警页面

七、结论

本设计应用了无线通信领域最前沿的ZigBee技术和低功耗单片机CC2530有机结合在一起，实现了无线传输数据的智能化、网络化，可广泛应用于工业控制领域。

该系统已经通过实验测试，工作稳定，基于ZigBee的温度监控系统具有如下特点：

参考文献

[1] 周怡颐,凌志浩,吴勤勤.ZigBee无线通信技术及其应用探讨[J].自动化仪表，2006,26(6):5-9

[2] 瞿雷.一种新的无线网络通新技术ZigBee[J]. 单片机与嵌入式系统应用,2006,26(l):12-14

[3] 江修波.ZigBee技术及其应用闭.低压电器,2005,(7):27-29

[4] 高亮,周德扬,杨刚.24GE比无线数据传输系统.北京广播学院学报，2005.12(3):32-36

[5] 孙宇.工业控制中可靠的专用无线数据传输的研究团.信息技

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[6] 葛崛,车轩. 工业监控中的远程通信方案闭.电气时代,2003,(9):44-4

[7] 张飞,齐华.蓝牙技术在数控系统实时数据传输中的应用研究田.现代

电子技术，2005,(13):56-57