基于ZigBee数据采集系统的设计毕业论文

基于ZigBee数据采集系统的设计毕业论文

目录

第一章绪论 (1)

1.1 课题背景 (1)

1.2 ZigBee技术简介 (2)

1.3 国外研究现状 (3)

1.4 基于ZigBee的数据采集系统的意义 (4)

1.5 论文主要容与组织结构 (5)

第二章系统总体方案设计 (6)

2.1 系统的设计原则 (6)

2.2 系统硬件组成 (6)

2.3 系统关键技术介绍 (7)

2.3.1 ZigBee协议体系 (7)

2.3.2 ZigBee网络结构 (9)

2.4 ZigBee无线芯片的选取 (12)

第三章硬件电路的设计 (13)

3.1 总体设计方案 (13)

3.2 C2530无线单片机介绍 (13)

3.2.1 CC2530芯片的硬件组成 (14)

3.2.2 CC2530芯片的主要特征 (15)

3.3 CC2530基本电路 (17)

3.4 CC2530外围节点电路 (18)

3.4.1 数据采集电路 (18)

3.4.2 串口转USB电路 (20)

3.4.3 电源电路 (20)

3.4.4 显示电路 (21)

3.4.5 键盘电路模块 (23)

3.4.6 天

线 (23)

第四章软件设计 (24)

4.1 IAR开发平台的介绍 (24)

4.2 传感器模块的软件设计 (25)

4.3 协调器的软件设计 (26)

4.4 IAR开发平台程序烧录 (26)

4.4.1 创建一个新工程 (26)

4.4.2 工程参数设置 (27)

4.4.3 添加项目代码 (28)

第五章总结与展望 (30)

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)

参考文献 (33)

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（Wireless Sensor Network，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。1.2 ZigBee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“HomeRF Life”、“RF-EasyLink”或者“FireFly”无线通信技术，目前统一称之为“ZigBee技术”。

ZigBee的核心是多信道无线通信装置和微控制器，他们都被集成在一两块半导体芯片上，封装如同小指甲盖大小的塑料封装里。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IEEE 802.15.4协议的开放的无线个人局域网（Wireless Personal Area Networks，WPAN）标准。IEEE 802.15.4协议标准定义了网络的基础层，比如物理层（Physical Layer，PHY）和媒体接入控制层（Media Access Control Layer，MAC），而ZigBee则定义了更高的网络协议层，比如说网络层（Network Layer，NWK）、应用层（Application Layer，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，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。

2.4GHz 频带

ISM

使用范围

全世界

数据传输速率信道数欧洲

ISM北美

868MHz 915MHz

250kbps

20kbps

40kbps

16

1

10图1.1 ZigBee三频段特点

1.3 国外研究现状

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（Institute of Electrical and Electronics Engineers，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IEEE 802.15.4。

2002年8月，由英国的英维斯公司、日本的Mitsubishi Electric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IEEE 802.15.4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。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，2006年11月发布了ZigBee协议1．1版本规，2007年10月发布了ZigBee Pro版本规，可以说ZigBee2007 Pro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规取代了远程控制领域的红外（Infra-Red，IR）还有射频（Radio Frequency，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（Consumer Electronics，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（European Smart Metering