基于zigbee的蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)設計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　目前，ZigBee技術已經(jīng)廣泛應用于近距離傳輸?shù)臒o線通信領域，尤其是在工農(nóng)業(yè)控制、醫(yī)療衛(wèi)生方面日益起著越來越重要的作用。本設計意在通過ZigBee無線通信技術構建一個無線傳感器網(wǎng)絡（WSN），采用樹型網(wǎng)絡拓撲結構，對加入該網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點進行溫度、濕度、光照強度和二氧化碳濃度的數(shù)據(jù)進行采集和分析，將此應用于對農(nóng)業(yè)里溫室的環(huán)境檢

2、測和控制當中，避免了有線網(wǎng)絡的布線問題和成本問題。本設計利用了一個結構合理的Web應用程序，搭建Web服務器來動態(tài)顯示傳感終端所采集的溫室數(shù)據(jù)。</p><p>　　關鍵詞：ZigBee；CC2430；無線傳感器網(wǎng)絡；溫濕度采集</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Currently, ZigBee tec

3、hnology has been widely used in close range transmission of wireless communications is increasingly playing an increasingly important role, especially in the agricultural and industrial control, medical protection. This

4、design is intended to build a wireless sensor network (WSN), the adoption of ZigBee wireless communication technology, the use of a tree network topology, sensor nodes join the network temperature, humidity, light intens

5、ity and carbon dioxide concentration of</p><p>　　Key words: ZigBee; CC2430; wireless sensor networks; temperature acquisitio</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I&

6、lt;/b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　目 錄III</b></p><p><b>　　前 言V</b></p><p><b>　　1.緒論1</b></p><p>　　1.1研究的背景和意

7、義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外溫室測控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.1 國內(nèi)溫室測控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.1.2 國外溫室測控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀2</p><p><b>　　2.系統(tǒng)分析4</b></p><p>　　2.1 系統(tǒng)總體架構4&

8、lt;/p><p>　　2.2 系統(tǒng)設計原理5</p><p>　　2.3 系統(tǒng)節(jié)點設計6</p><p><b>　　3.系統(tǒng)概述8</b></p><p>　　3.1 數(shù)字溫濕度傳感器SHT108</p><p>　　3.2 CC2430芯片10</p><p>

9、　　3.3串行通信接口RS-23212</p><p>　　3.4 顯示模塊13</p><p>　　3.5 報警模塊14</p><p>　　4.系統(tǒng)軟硬件的設計15</p><p>　　4.1 系統(tǒng)硬件設計15</p><p>　　4.1.1 Zigbee節(jié)點硬件設計15</p><

10、p>　　4.1.2 傳感器節(jié)點硬件設計16</p><p>　　4.1.3 溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點設計18</p><p>　　4.1.4 基站節(jié)點的設計21</p><p>　　4.2 系統(tǒng)軟件設計26</p><p>　　4.2.1 Zigbee網(wǎng)絡軟件設計26</p><p>　　4.2.2 傳感器終

11、端軟件設計26</p><p>　　4.3 服務端的設計和實現(xiàn)27</p><p>　　4.4 遠程主機端的設計和實現(xiàn)27</p><p><b>　　5.系統(tǒng)測試29</b></p><p>　　5.1系統(tǒng)測試步驟29</p><p>　　5.2系統(tǒng)測試結果29</p>

12、<p>　　5.2.1 系統(tǒng)的硬件測試29</p><p>　　5.2.2 協(xié)議棧的測試29</p><p>　　5.2.3 GPRS測試29</p><p>　　5.2.4 上位機的測試29</p><p>　　5.3系統(tǒng)測試結果分析30</p><p><b>　　結 論31&l

13、t;/b></p><p><b>　　參考文獻32</b></p><p><b>　　致 謝33</b></p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展人民生活水平日益提高,冬季大棚蔬菜市場日漸擴大。在利用蔬菜大棚生產(chǎn)中,溫

14、度、濕度等因素直接關系到大棚作物的生長,因此,對大棚溫濕度數(shù)據(jù)進行實時、精準的采集以及監(jiān)測調(diào)節(jié)是實現(xiàn)大棚蔬菜生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、高效益的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)系統(tǒng)使用有線監(jiān)測設備,具有線路多、布線復雜、維護困難等缺點,在很多特定區(qū)域無法順利使用。基于此,本文介紹了一種基于Zigbee的蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)利用無線通信技術,無需布設任何線路,自動組網(wǎng),成本低廉,采集及監(jiān)測節(jié)點數(shù)量大,有效地實現(xiàn)了對蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)采集的實時無線監(jiān)控,促

15、進了蔬菜大棚的智能化、統(tǒng)一化管理。</p><p><b>　　1.緒論</b></p><p>　　1.1研究的背景和意義</p><p>　　21世紀是設施農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展的時期。發(fā)達國家與發(fā)展中國家紛紛采取措施，加大投資.大力發(fā)展智能化設施農(nóng)業(yè)。設施農(nóng)業(yè)是采用先進的科學技術和工廠化生產(chǎn)方式，把作物種植在一個相對封閉的空間，為作物的高效生產(chǎn)提供

16、適宜的生長環(huán)境，并且在任何地區(qū)，一年四季均能種植任何作物的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)。設施農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標志，其特點表現(xiàn)為高產(chǎn)量、高品質(zhì)、環(huán)保、周年可持續(xù)生產(chǎn)。設施農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展加速了農(nóng)業(yè)科學推廣，對農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的提高起到了積極的推動作用。</p><p>　　植物的生長都是在一定的環(huán)境中進行的，其在生長過程中受到環(huán)境中各種因素的影響，其中對植物生長影響最大的是環(huán)境中的溫度和濕度。環(huán)境中晝夜的溫度和濕度變化大，其對植物

17、生長極為不利。因此必須對環(huán)境的溫度和濕度數(shù)據(jù)進行采集、監(jiān)測和控制，使其適合植物的生長，提高其產(chǎn)量和質(zhì)量。本系統(tǒng)就是利用價格便宜的一般電子器件來設計一個參數(shù)精度高，控制操作方便，性價比高的應用于農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)的蔬菜大棚溫濕度采集測控系統(tǒng)。</p><p>　　溫室內(nèi)作物生長到一定時期，一方面對溫室環(huán)境進行調(diào)控會影響作物的生長，另一方面作物光合作用、蒸騰作用的改變又對室內(nèi)環(huán)境因子產(chǎn)生新的影響，從而產(chǎn)生了一種反饋作用機制

18、，而在現(xiàn)有的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)并沒有考慮到這種反饋作用機制。如果能同時對沒施內(nèi)的溫度、光照、二氧化碳濃度等進行智能調(diào)控，并能考慮到作物反饋作用機制，這種調(diào)控方式既節(jié)約資源又提高生產(chǎn)效率。研究溫室環(huán)境控制的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，不僅可以提高作物的產(chǎn)量和降低溫室能耗，而且對未來溫室環(huán)境調(diào)控的發(fā)展具有重要的指導意義。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外溫室測控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.

19、1 國內(nèi)溫室測控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前溫室環(huán)境控制系統(tǒng)主要針對溫度和濕度控制進行研究。盧佩等采用模糊控制方法，通過建立模糊控制系統(tǒng)模型和對模糊控制器的設計，引入解藕參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的溫濕度解耦控制，提高了溫濕度控制的精度。黃力櫟等針對溫室氣候控制方法中溫濕度之間的耦合作用，提出以溫度控制為主、濕度控制為輔的控制策略，并建立兩變量輸入、三變量輸出的控制主回路和補償回路模糊控制系統(tǒng)，從而為溫濕度控制提

20、供了一種行之有效的方法。鄧璐娟采用逆系統(tǒng)方法對溫室環(huán)境非線性系統(tǒng)進行了解耦和線性化，同時對隨機的擾動進行補償，采用PDF控制算法和Smith預估補償對線性化后的系統(tǒng)進行了綜合校正，在選擇校正后閉環(huán)系統(tǒng)的參數(shù)時考慮了非線性系統(tǒng)解耦的要求。朱虹通過對歷史溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的合理分析，將溫室的溫度控制模型近似為一階慣性加時滯環(huán)節(jié)?；谠摐囟冉颇Ｐ筒捎肸huang等中提出的時間為權誤差積到分指標最優(yōu)的參數(shù)自整定公式來整定PID控制器參數(shù)，將整定后的

21、PID控制器應用于溫室控制。楊澤林等通過數(shù)據(jù)挖掘，利用采集的溫室內(nèi)、外溫度及室內(nèi)濕度數(shù)據(jù)對溫室狀態(tài)進行分類，提出一種基于各類別中的溫室溫、濕度變化率相關性進行模糊解耦控制。沈敏等考慮開關設備組合作</p><p>　　1.1.2 國外溫室測控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀</p><p>　　國外的溫室環(huán)境起步較早，溫室環(huán)境控制經(jīng)過多年的發(fā)展，控制技術和理論發(fā)展到較高水平。隨著用于溫室環(huán)境控制的作物模型的

22、研究，研究人員將溫室物理模型和作物模型結合起來，以實現(xiàn)溫室的高效生產(chǎn)。Seginer等進行模擬研究確定溫室二氧化碳施肥的優(yōu)化措施，其方法是在建立一系列函數(shù)(作物生長函數(shù)、溫室函數(shù)、設備函數(shù)及成本函數(shù))之后，進行數(shù)值尋優(yōu)得到不同溫光水平下最優(yōu)的二氧化碳施肥量，并給出一系列圖表用于指導實際二氧化碳施肥操作管理；Van- Straten等利用作物的光合作用和蒸騰作用進行溫室內(nèi)短期的優(yōu)化與控制，利用有效積溫的原理進行溫室的長期的優(yōu)化與控制，將短

23、期優(yōu)化和長期優(yōu)化相結合，實現(xiàn)了以經(jīng)濟最優(yōu)為目標的溫室環(huán)境控制。Aaslyng等利用作物的光輻射吸收、葉片的光合作用和呼吸作用預測模型建立了溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，根據(jù)自然光照來控制溫室內(nèi)的溫度，系統(tǒng)在節(jié)省能源和由于光照減弱而導致的作物產(chǎn)量降低之間取得了很好的平衡?；谧魑锱c環(huán)境的動態(tài)響應時間尺度不同，前人把溫室作物生產(chǎn)優(yōu)化控制問題分成慢速子問題和快速子問題2個子問題。Seginer等只考慮慢速子問題，Hwang只考慮快速子問題。Van Hen

24、ten</p><p><b>　　2.系統(tǒng)分析</b></p><p>　　2.1 系統(tǒng)總體架構</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡終端節(jié)點主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和電源管理模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊負責通過各種類型的傳感器采集物理信息；數(shù)據(jù)處理模塊負責控制整個節(jié)點的處理操作、功耗管理以及任務管理等；數(shù)據(jù)通信模塊負責與其他節(jié)

25、點進行無線通信，它通過ZigBee無線電波將數(shù)據(jù)傳送到路由節(jié)點或主協(xié)調(diào)器節(jié)點，路由節(jié)點再將數(shù)據(jù)轉送到主協(xié)調(diào)器節(jié)點或經(jīng)過上級路由節(jié)點轉給主協(xié)調(diào)器節(jié)點，主協(xié)調(diào)器節(jié)點通過RS 232串口將所有信息匯集傳至PC機或服務器。本系統(tǒng)的模型主要分為四塊:溫濕度的數(shù)據(jù)采集節(jié)點、負責從節(jié)點接收數(shù)據(jù)并向主機發(fā)送數(shù)據(jù)的系統(tǒng)節(jié)點、主機（服務器）以及最終的用戶。該系統(tǒng)的總體架構圖如圖2-1所示：</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)總體架構

26、圖</p><p>　　該系統(tǒng)由上位機（PC）監(jiān)控端和下位機ZigBee網(wǎng)絡兩部分組成。下位機ZigBee網(wǎng)絡系統(tǒng)負責采集溫室大棚內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，上位機負責顯示溫濕度數(shù)據(jù)并進行實時監(jiān)控。下位機ZigBee網(wǎng)絡系統(tǒng)由溫濕度傳感器模塊、路由器模塊和協(xié)調(diào)器模塊組成。溫濕度傳感器模塊主要負責采集、存儲和上傳溫濕度信息。路由器模塊主要負責轉發(fā)溫濕度信息。協(xié)調(diào)器模塊主要完成溫濕度數(shù)據(jù)的匯聚。下位機ZigBee網(wǎng)絡系統(tǒng)和上位機

27、之間通過RS-232串口進行通信。當監(jiān)測大棚溫濕度信 息時，首先通過上位機端監(jiān)控軟件設置好波特率和串口號等參數(shù)，然后協(xié)調(diào)器開始組建ZigBee網(wǎng)絡，這時路由器節(jié)點和溫濕度傳感器節(jié)點開始加入ZigBee網(wǎng)絡。分布在各個大棚內(nèi)的溫濕度傳感模塊開始采集溫濕度信息，并存儲在Flash中，通過單跳或者多跳的方式發(fā)送到上位機，上位機監(jiān)控端接收到溫濕度信息后，把各個大棚內(nèi)的溫濕度信息顯示出來。當溫濕度信息異常時，在監(jiān)控端會有異常提示，以便及時處理。各

28、個傳感器節(jié)點每隔一定的時間采集一次它周圍的溫濕度，并將溫濕度數(shù)據(jù)通過臨近節(jié)點或直接傳給基站核心板上；基站核心板負責收集從各個幾點上傳來的數(shù)據(jù)，并通過串口轉傳到服務器端上</p><p>　　以下是對這幾部分功能的詳細介紹：</p><p>　　1、溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點：本系統(tǒng)中該環(huán)節(jié)主要是通過CC2430集成的暴露在空氣中的溫濕度傳感器來采集菜蔬大棚里空氣的溫濕度，將其轉化成數(shù)字信號，

29、并通過Zigbee無線網(wǎng)絡將這些采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到基站節(jié)點。數(shù)據(jù)采集節(jié)點并不是多對一的傳輸關系，每個節(jié)點都有路由轉發(fā)功能，也可以接受來自鄰近節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將其轉發(fā)給基站節(jié)點，從而擴大了測量的距離，解決了無線測量范圍有限的難題。</p><p>　　2、基站：基站作為本系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，它需要完成收集從自己網(wǎng)內(nèi)各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到計算機(也可以稱作服務器上)進行存儲，從而為上層用戶提

30、供查詢等服務提供了數(shù)據(jù)依據(jù)?；疽彩且粔KCC2430的增強型工業(yè)標準的嵌入式核心板，它在組網(wǎng)中的序號必須是01號，否則將接受不到數(shù)據(jù)。</p><p>　　3、服務器端：服務器端通過串口線將從基站收到的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，并通過GPRS網(wǎng)絡傳輸給遠程主機端，從而為上層軟件的設計、用戶的使用提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。本系統(tǒng)的一個重點是在服務器端建立一個軟件系統(tǒng)來管理這些數(shù)據(jù)。</p><p>　　4、

31、遠程用戶端：該部分主要負責從服務器端收集數(shù)據(jù)，并存儲在自己的數(shù)據(jù)庫中，并以此為數(shù)據(jù)基礎為用戶提供數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)在該軟件設計中實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收的控制、溫濕度數(shù)據(jù)的顯示、歷史數(shù)據(jù)的查詢、刪除、溫濕度的自報警以及系統(tǒng)用戶等的管理。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)設計原理</p><p>　　該檢測系統(tǒng)充分利用ZigBee技術的軟、硬件資源,輔以相應的測量電路和SHT10數(shù)字式集成溫濕度傳感器等智能儀

32、器,能實現(xiàn)多任務、多通道的檢測和輸出。并且通過RS232接口實現(xiàn)與上位PC機的連接,進行數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲及打印輸出等。它具有測量范圍廣、測量精度高等特點,前端測量用的傳感器類型可在該基礎上修改為其他非電量參數(shù)的測量系統(tǒng)。溫濕度檢測系統(tǒng)采用SHT10為溫濕度測量元件。系統(tǒng)在硬件設計上充分考慮了可擴展性,經(jīng)過一定的添加或改造,很容易增加功能。根據(jù)溫室大棚內(nèi)的溫濕度、土壤水分、土壤溫度等傳感器采集到的信息，利用串口通信RS-232將傳感

33、器信息發(fā)送給上位計算機，然后再接到上位計算機上進行顯示，報警，查詢。監(jiān)控中心將收到的采樣數(shù)據(jù)以表格形式顯示和存儲，然后將其與設定的報警值相比較，若實測值超出設定范圍，則通過屏幕顯示報警或語音報警，并打印記錄。與此同時，監(jiān)控中心可向現(xiàn)場控制器發(fā)出控制指令，監(jiān)測儀根據(jù)指令控制風機、水泵、等設備進行降溫除濕，以保證大棚內(nèi)作物的生長環(huán)境。監(jiān)控中心也可以通過報警指令來啟動現(xiàn)場監(jiān)測儀上的聲光報警裝置，通知大棚管理人員采取相應措施來確保大棚內(nèi)的環(huán)境正

34、常。</p><p>　　2.3 系統(tǒng)節(jié)點設計</p><p>　　數(shù)據(jù)采集節(jié)點及其基站節(jié)點是一組安放在蔬菜大棚實地內(nèi)的傳感器和無線通信模塊的終端集合。主要是負責大棚內(nèi)空氣的溫濕度的數(shù)據(jù)采集，并接收從基站發(fā)來的指令，定時通過無線模塊將本節(jié)點采集到的溫濕度數(shù)據(jù)傳輸給基站節(jié)點。</p><p>　　1、數(shù)據(jù)采集節(jié)點是定時的(默認設置成10S采集一次溫濕度數(shù)據(jù))采集數(shù)據(jù)，

35、這個時間間隔可以是網(wǎng)絡中的基站向溫濕度傳感器節(jié)點發(fā)送重新設置時間間隙的控制命令來完成設置的。PPP(Point-to-Point Protocol)協(xié)議是在設計和實現(xiàn)網(wǎng)絡中基站節(jié)點功能所要用到的技術。PPP協(xié)議是為在同等單元之間傳輸數(shù)據(jù)包這樣的簡單鏈路設計的鏈路層協(xié)議。這種鏈路提供全雙工操作，并按照順序傳遞數(shù)據(jù)包。設計目的主要是用來通過撥號或?qū)＞€方式建立點對點連接發(fā)送數(shù)據(jù)，使其成為各種主機、網(wǎng)橋和路由器之間簡單連接的一種共通的解決方案。

36、傳感器應用了其技術從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的接力傳送，從而提高了網(wǎng)絡通信的效率。</p><p>　　數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要由電源模塊、處理器模塊、溫濕度傳感器收集模塊和無線通信模塊4個模塊構成的：</p><p>　　（1）電源：采用兩節(jié)1.5V的紐扣電池組成的3V直流電為整個系統(tǒng)供電。</p><p>　　（2）處理器模塊和無線通信模塊：采用增強型工業(yè)標準的CC2430核心板，

37、它是加強版的Zigbee模塊。</p><p>　?。?）溫濕度傳感器收集模塊：采用CC2430核心板集成溫濕度傳感器SHT10。</p><p>　　數(shù)據(jù)采集節(jié)點的硬件框圖如圖2-2所示：</p><p>　　圖2-2 為數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件框架圖</p><p>　　2、溫濕度采集節(jié)點也是基于Zigbee通信協(xié)議的終端設備。Zigbee的基礎

38、是IEEE 802.15.4,但IEEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，因此Zigbee聯(lián)盟擴展了IEEE，對其網(wǎng)絡層協(xié)議和API進行了標準化。與其他無線標準802.11或802.16不同，Zigbee以250Kbps的最大傳輸速率承載有限的數(shù)據(jù)流量。它滿足國際標準組織(ISO)開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型，主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。Zigbee是一種新興的短距離、低速率、低功耗的無線可自組的網(wǎng)絡技術。主要用于近距離無線連接。在數(shù)千

39、個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信，這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。</p><p><b>　　3.系統(tǒng)概述</b></p><p>　　3.1 數(shù)字溫濕度傳感器SHT10</p><p>　　1、SHT10的結構原理</p><p>　

40、　SHT10是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的一款含有已校準數(shù)字信號輸出的高度集成數(shù)字式溫濕度傳感器，體積微小、功耗極低，由于采用了CMOSensR技術，從而可確保器件具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。</p><p>　　該傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件和一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上，與14位的A/D轉換器以及串行接口電路實現(xiàn)無縫連接。生產(chǎn)過程中，每個傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中

41、進行標定，以鏡面冷凝式濕度計為參照，校準系數(shù)以程序形式儲存在OTP內(nèi)存中，在標定的過程中使用。SHT10傳感器的濕度測量范圍為0~100％RH，濕度測量精度為±4.5％RH20到80％RH，濕度測量分辨率為0.03％RH；溫度測量范圍為-40～+123.8℃，溫度測量精度為±0.5℃（25℃時），溫度測量分辨率為0.01℃?？蓪崿F(xiàn)寬范圍的溫濕度測量。SHT10默認的測量分辨率分別是溫度14位、濕度12位，也可以通過修

42、改傳感器的8位狀態(tài)寄存器的“1”將分辨率分別降至12位和8位，通常在高速或最低位為超低功耗的應用中采用低分辨率。其中傳感器SHT10的原理圖如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 傳感器SHT10的原理圖</p><p><b>　　2、引腳說明</b></p><p>　　a.電源引腳（VDD、GND） </p><

43、;p>　　SHT10的供電電壓為2.4V～5.5V。傳感器上電后，要等待11ms，從“休眠”狀態(tài)恢復。在此期間不發(fā)送任何指令。電源引腳（VDD和GND）之間可增加1個100nF的電容器，用于去耦濾波。</p><p><b>　　b.串行接口</b></p><p>　　SHT10的兩線串行接口（bidirectional 2-wire）在傳感器信號讀取和電源功

44、耗方面都做了優(yōu)化處理，其總線類似I2C總線但并不兼容。</p><p>　?、俅袝r鐘輸入（SCK）。SCK引腳是MCU與SHTIO之問通信的同步時鐘，由于接口包含了全靜態(tài)邏輯，因此沒有最小時鐘頻率。即微控制器可以以任意慢的速度與SHT10通信。</p><p>　?、诖袛?shù)據(jù)（DATA）。DATA三態(tài)引腳是內(nèi)部的數(shù)據(jù)的輸出和外部數(shù)據(jù)的輸入引腳。DATA在SCK時鐘的下降沿之后改變狀態(tài)，并

45、在SCK時鐘的上升沿有效。即微控制器可以在SCK的高電平段讀取有效數(shù)據(jù)。在微控制器向SHT10傳輸數(shù)據(jù)的過程中，必須保證數(shù)據(jù)線在時鐘線的高電平段內(nèi)穩(wěn)定。為了避免信號沖突，微控制器僅將數(shù)據(jù)線拉低，在需要輸出高電平的時候，微控制器將引腳置為高阻態(tài)，由外部的上拉電阻(例如; 10kΩ)將信號拉至高電平。</p><p>　　為避免數(shù)據(jù)發(fā)生沖突，MCU應該驅(qū)動DATA使其處于低電平狀態(tài)，而外部接1個上拉電阻將信號拉至高電

46、平。</p><p><b>　　3、發(fā)送命令</b></p><p>　　用一組“ 啟動傳輸”時序，來表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?。它包括：當SCK時鐘高電平時DATA翻轉為低電平，緊接著SCK變?yōu)榈碗娖?，隨后是在SCK時鐘高電平時DATA翻轉為高電平。</p><p>　　4、測量時序(RH和T)</p><p>　　發(fā)布一

47、組測量命令（‘00000101’表示相對濕度RH，‘00000011’表示溫度T）后，控制器要等待測量結束。這個過程需要大約20/80/320ms，分別對應8/12/14bit測量。確切的時間隨內(nèi)部晶振速度，最多可能有-30%的變化。SHT10通過下拉DATA至低電平并進入空閑模式，表示測量的結束?？刂破髟谠俅斡|發(fā)SCK時鐘前，必須等待這個“數(shù)據(jù)備妥”信號來讀出數(shù)據(jù)。檢測數(shù)據(jù)可以先被存儲，這樣控制器可以繼續(xù)執(zhí)行其它任務在需要時再讀出數(shù)據(jù)

48、。</p><p>　　接著傳輸2個字節(jié)的測量數(shù)據(jù)和1個字節(jié)的CRC奇偶校驗。UC需要通過下拉DATA為低電平，以確認每個字節(jié)。所有的數(shù)據(jù)從MSB開始，右值有效（例如：對于12bit數(shù)據(jù)，從第5個SCK時鐘起算作MSB；而對于 8bit數(shù)據(jù)，首字節(jié)則無意義）。用CRC數(shù)據(jù)的確認位，表明通訊結束。如果不使用CRC-8校驗，控制器可以在測量值LSB后，通過保持確認位ack高電平，來中止通訊。在測量和通訊結束后，SHT

49、10自動轉入休眠模式。</p><p>　　警告：為保證自身溫升低于0.1℃，SHT10的激活時間不要超過10%（例如，對應12bit精度測量，每秒最多進行2次測量）。</p><p>　　3.2 CC2430芯片</p><p>　　1、CC2430芯片簡介 CC2430芯片以強大的集成開發(fā)環(huán)境作為支持，內(nèi)部線路的交互式調(diào)試以遵從IDE的IAR工業(yè)標準為支

50、持，得到嵌入式機構很高的認可。它結合Chipcon公司全球先進的ZigBee協(xié)議、工具包和參考設計，展示了領先的ZigBee解決方案。其產(chǎn)品廣泛應用于汽車、工控系統(tǒng)和無線感應網(wǎng)絡等領域，同時也適用于ZigBee之外2.4 GHz頻率的其他設備。其引腳示意圖如圖3-2所示。 CC2430包含一個增強型工業(yè)標準的8位8051微控制器內(nèi)核，運行時鐘32MHz。 CC2430包含一個DMA控制器。8K字節(jié)靜態(tài)RAM，其中

51、的4K字節(jié)是超低功耗SRAM。32K，64K或128K字節(jié)的片內(nèi)Flash塊提供在電路可編程非易失性存儲器。</p><p>　　CC2430集成了4個振蕩器用于系統(tǒng)時鐘和定時操作：一個32MHz晶體振蕩器，一個16MHz RC-振蕩器，一個可選的32.768kHz晶體振蕩器和一個可選的32.768kHz RC 振蕩器。CC2430也集成了用于用戶自定義應用的外設。一個AES協(xié)處理器被集成在CC2430之中，用來

52、支持IEEE 802.15.4 MAC 安全所需的（128位關鍵字）AES的運行，以盡可能少的占用微控制器。中斷控制器為總共18個中斷源提供服務，他們中的每個中斷都被賦予4個中斷優(yōu)先級中的某一個。調(diào)試接口采用兩線串行接口，該接口被用于在電路調(diào)試和外部Flash編程。I/O控制器的職責是21個一般I/O口的靈活分配和可靠控制。</p><p>　　圖3-2 CC2430芯片引腳示意圖</p><

53、p>　　CC2430包括四個定時器：一個16位MAC定時器，用以為IEEE 802.15.4的CSMA-CA算法提供定時以及為IEEE 802.15.4的MAC層提供定時。一個一般的16位和兩個8位定時器，支持典型的定時/計數(shù)功能，例如，輸入捕捉、比較輸出和PWM功能。</p><p>　　CC2430內(nèi)集成的其他外設有: 實時時鐘；上電復位；8通道，8－14位ADC；可編程看門狗；兩個可編程USART，用

54、于主/從SPI或UART操作。</p><p>　　為了更好的處理網(wǎng)絡和應用操作的帶寬，CC2430集成了大多數(shù)對定時要求嚴格的一系列IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議，以減輕微控制器的負擔。這包括：自動前導幀發(fā)生器、同步字插入/檢測、CRC-16校驗、CCA、信號強度檢測/數(shù)字RSSI、連接品質(zhì)指示(LQI) 和CSMA/CA協(xié)處理器。</p><p>　　2、CC2430芯片的主要

55、特點</p><p>　　CC2430 芯片延用了以往CC2420 芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee 射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8位MCU（8051），具有128 KB可編程閃存和8 KB 的RAM，還包含模擬數(shù)字轉換器(ADC)、幾個定時器（Timer）、AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時器（Watchdog timer）、32 kHz 晶振的休眠模式定時器、上電復位電路(Powe

56、r On Reset)、掉電檢測電路(Brown out detection)，以及21個可編程I/O引腳。</p><p>　　CC2430 芯片采用0.18μm CMOS 工藝生產(chǎn),在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低 于27mA 或25mA。CC2430 的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。</p><p>　　3.3串行通信接口RS-23

57、2</p><p><b>　　1、電氣特性</b></p><p>　　RS-232采用負邏輯在TxD和RxD上：邏輯1(MARK)=一5～15V邏輯0(SPACE)=+5～+15VRS-232的主要電氣特性為：帶3—7k歐姆負載時驅(qū)動器的輸出電平：邏輯“1”：一5～ 一12V；邏輯“0“：+5～ +12V。不帶負載時驅(qū)動器的輸出電平： 一25～+25V。驅(qū)動器轉換

58、速率：<30V／，L 。接收器輸入阻抗：3～7K歐姆之間。接收器輸入電壓的允許范圍：一25～ +25V。最大負載電容：2500PF。</p><p><b>　　2、電平轉換</b></p><p>　　RS-232是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)，與1vrL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。為了能夠同計算機接口或終端的1vrL器件連接，必須在EIA-RS-232與1

59、vrL電路之間進行電平和邏輯關系的變換。實現(xiàn)變換的方法目前較為廣泛地使用集成電路轉換器件，如MC1488、SN．75150芯片可完成1vrL電平到EIA電平的轉換，而MC1489、SN75 154可實現(xiàn)EIA電平到1vrL電平的轉換，MAX232芯片可完成1vrL一IA雙向電平轉換。MAX232芯片的轉換口，包含兩路驅(qū)動器和接收器的RS-232轉換芯片。芯片內(nèi)部有一個電壓轉換器，可以把輸入的+5V電壓轉換為RS-232接口所需的

60、7;10V電壓，最大的好處是工作電壓為+5V，不需要額外電源。</p><p><b>　　3.4 顯示模塊</b></p><p>　　本系統(tǒng)中所需要顯示的內(nèi)容比較簡單，采用一般液晶顯示器即可滿足系統(tǒng)需求，綜合成本及效果考慮決定采用市場上使用廣泛的LCD1602液晶顯示模塊。如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 LCD1602液晶顯

61、示模塊原理圖 </p><p>　　1、特性：（1）工作電源：5V 亮度可調(diào)；（2）內(nèi)部控制：HD44780；（3）支持LCD的一般控制命令；（4）字符發(fā)生器ROM：160個5×7點陣字型；（5）顯示數(shù)據(jù)寄存RAM:80Byte；（6）用戶自定義字型RAM：8個5×7點陣字型；</p><p><b>　　2、引腳說明</b></p>

62、<p>　　VSS\VDD: 工作電源和地；</p><p>　　VEE: 輝度調(diào)節(jié)端；</p><p>　　RS: 寄存器片選信號接口；</p><p>　　R/W: 讀寫信號控制接口；</p><p><b>　　E : 使能信號；</b></p><p>　　D0～D7: 8位數(shù)

63、據(jù)I/O口。</p><p><b>　　3、控制方式</b></p><p>　　LCD內(nèi)部可看成兩組寄存器，指令寄存器與數(shù)據(jù)寄存器，選擇信號由RS引腳控制，RS=0，指向指令寄存器，此時的讀為讀標志位，寫則是寫入指令到控制寄存器。對LCD的一切操作都必須在內(nèi)部忙標志位為‘0’的情況下有效。確認本次操作置E為‘1’；RS=1,操作指向數(shù)據(jù)寄存器，讀寫的對象都是內(nèi)部R

64、AM。在使用LCD之前應對其先初始化，可從以下幾個方面入手：選定LCD的顯示功能；設定LCD顯示模式； 設定顯示字符的進入方式；清屏。</p><p><b>　　3.5 報警模塊</b></p><p>　　蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。簡

65、單易懂，還易用音樂作為其報警聲音，所以選擇用電磁式蜂鳴器作為本次設計的報警系統(tǒng)。如圖3-4所示。</p><p>　　電磁式蜂鳴器工作原理：</p><p>　?。?）電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。</p><p>　?。?）接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期

66、性的振動發(fā)聲。</p><p>　　圖3-4 蜂鳴器報警電路 </p><p><b>　　系統(tǒng)軟硬件的設計</b></p><p>　　早期對蔬菜大棚內(nèi)溫濕度的監(jiān)控是采用手工控制的，通過長期的經(jīng)驗積累，對蔬菜大棚內(nèi)農(nóng)作物的生長狀況的記錄等形成的依據(jù)，直接對大棚的溫濕度進行調(diào)節(jié)以使給大棚里的作物一個適宜生長的環(huán)境。而基于Zigbee網(wǎng)絡的蔬菜大

67、棚監(jiān)控系統(tǒng)可以節(jié)省一定的人力資源，將收集到的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)設置的上下限進行對比，將準確的進行報警，通知相關人員進行處理。相比于人工管理階段，本系統(tǒng)一定程度上提高了生產(chǎn)效率。</p><p>　　4.1 系統(tǒng)硬件設計</p><p>　　4.1.1 Zigbee節(jié)點硬件設計</p><p>　　ZigBee節(jié)點硬件結構如圖4-1示，主要由CC2430射頻芯片和傳感器構成。

68、</p><p>　　圖4-1 ZigBee節(jié)點硬件結構</p><p>　　CC2430芯片整合了高性能2.4 GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發(fā)器內(nèi)核和工業(yè)標準的增強型8051 MCU，還包括了8 KB的SDRAM、128 KB的Flash，是一種片上系統(tǒng)（SOC）解決方案。將相應的傳感器與CC2430的I／O引腳連接，可測得所需的溫室環(huán)境參數(shù)，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡進行傳輸

69、。</p><p>　　本文總體硬件設計是實現(xiàn)針對主協(xié)調(diào)器節(jié)點的設計與開發(fā)。主協(xié)調(diào)器的硬件系統(tǒng)中包括CC2430通信模塊、鍵盤電路模塊、串口轉USB模塊、液晶顯示模和電源電路模塊等。主協(xié)調(diào)器節(jié)點的主要功能是負責接收和存儲傳感器節(jié)點發(fā)送來的消息，并向傳感器節(jié)點發(fā)布網(wǎng)絡控制信息，同時與Pc機進行數(shù)據(jù)交換。其中串口轉USB模塊負責轉換CC2430模塊與PC機的通信信號；液晶顯示模塊負責節(jié)點工作狀態(tài)的指示；電源模塊通常采

70、用持續(xù)電力供電，為主協(xié)調(diào)器節(jié)點提供運行所需的能量。根據(jù)氣象采集系統(tǒng)的需求設計硬件結構，并設計各部分電路，包括無線傳輸模塊、CC2430接口模塊、復位電路模塊、電源電路模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、擴展電路模塊及外圍電路。如圖4-2所示為主協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件組成圖。</p><p>　　圖4-2 主協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件組成圖</p><p>　　4.1.2 傳感器節(jié)點硬件設計</p><p

71、>　　傳感器節(jié)點是由無線收發(fā)器CC2430、射頻天線RF、電源模塊、晶振電路和串口電路組成。由于CC2430芯片本身帶有溫度傳感器，因而本實驗直接采用了CC2430的內(nèi)置溫度傳感器監(jiān)測溫度。但是該溫度傳感器的精度有限，如果要求更高的精度，可以擴展出一個溫濕度傳感器，如SHT10。</p><p>　　傳感器終端設備由RF收發(fā)模塊、傳感器模塊和執(zhí)行器驅(qū)動模塊組成。其中執(zhí)行器驅(qū)動模塊主要是由繼電器電路組成，而傳

72、感器模塊由數(shù)字溫度傳感器DS18B20、數(shù)字濕度傳感器SHT21、微型數(shù)字二氧化碳傳感器S-100及TSL230B光照強度／頻率傳感芯片組成，而RF收發(fā)模塊使用的是TI公司提供的CC2430無線收發(fā)模塊，具體電路原理如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 基于CC2430芯片的RF收發(fā)模塊電路圖</p><p>　　下面對每個部分的功能和指標進行詳細介紹：</p>&

73、lt;p>　　(1)信息收集終端：即協(xié)調(diào)器，放置于監(jiān)控室， 完成網(wǎng)絡的建立與維護，和節(jié)點之間綁定的建立，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯總，然后以有線的方式傳送到上位機軟件，進行進一步數(shù)據(jù)處理。本設計采用RS-232串口將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機。</p><p>　　(2)溫度采集終端：即節(jié)點，放置在需要采集溫度的地方。溫度采集終端可以實現(xiàn)網(wǎng)絡的加入、與協(xié)調(diào)器綁定的建立、溫度的檢測。檢測到的溫度通過ZigBee無線網(wǎng)絡發(fā)送到

74、協(xié)調(diào)器。</p><p>　　(3)上位機：位于監(jiān)控室，完成對所采集溫度的匯總與顯示。采集到的數(shù)據(jù)實時保存到文檔中，同時以折線圖的形式實時反映出溫度的變化趨勢，使其更為直觀。</p><p>　　4.1.3 溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點設計</p><p>　　數(shù)據(jù)采集節(jié)點按功能模塊劃分可分為：無線通信模塊和溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊。</p><p><

75、;b>　?。?）無線通信模塊</b></p><p>　　CC2430是一塊符合IEEE802.15.4標準的片上Zigbee芯片。它的無線通信模塊的基礎是數(shù)據(jù)采集節(jié)點之間是采用點對點的通信方式。其數(shù)據(jù)采集的流程圖如圖4-4所示：</p><p>　　圖4-4 數(shù)據(jù)采集節(jié)點流程圖</p><p>　　在系統(tǒng)啟動，數(shù)據(jù)采集節(jié)點開啟后，并完成初始化工作

76、后，節(jié)點將開始搜索其無線范圍內(nèi)的網(wǎng)絡信息。由于Zibgee網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點具有路由轉發(fā)的功能，所以節(jié)點之間也可以互發(fā)數(shù)據(jù)，直至將源數(shù)據(jù)發(fā)送到最終的基站節(jié)點。</p><p>　　(2) 溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊</p><p>　　溫濕度采集模塊式采用溫濕度傳感器SHT10。SHT10是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，采用CMOSens專利技術將溫度濕度傳感器、A/D轉換器及數(shù)字接口無

77、縫結合。SHT10與CC2430連接電路原理圖如圖4-5所示：</p><p>　　圖4-5 CC2430與SHT10連接電路原理圖</p><p>　　該傳感器由1個能隙式測溫元件、1個電容式聚合體測濕元件、1個14位A/D轉換器和1個2-wire數(shù)字接口組成，使得該產(chǎn)品具有體積小、精度高、功耗低、反應快、抗干擾能力強等優(yōu)點。而且SHT10 數(shù)字式傳感器具有類似I2C總線數(shù)字接口的通信方

78、式與CRC數(shù)據(jù)傳輸校驗。</p><p>　　數(shù)據(jù)采集節(jié)點在上電后，經(jīng)過11ms后，SHT10會從休眠狀態(tài)恢復到等待狀態(tài)；接著發(fā)送一組“傳輸啟動”時序進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟ぷ?然后發(fā)送一組測量命令（其中相對濕度RH量的時序命令為“0000 0101”，攝氏溫度T量的時序命令為“0000 0011”）開始測量周圍的溫濕度量，等待測量結束（大約需要20/80/320ms對應其8/12/14位的時間）；最后SHT10將

79、下拉DATA到低電平（進入空閑模式）表示測量結束了，并傳入一個字節(jié)的CRC校驗并開始接收數(shù)據(jù)。圖4-5為溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊流程圖。</p><p>　　圖4-6 溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊流程圖</p><p>　　其中產(chǎn)生啟動傳輸時序的程序片段如下：</p><p><b>　　//相關其他的代碼</b></p><p>&l

80、t;b>　　……</b></p><p><b>　　P1_1=1；</b></p><p><b>　　P1_0=1；</b></p><p><b>　　wait(1)；</b></p><p><b>　　P1_1=0；</b>&l

81、t;/p><p><b>　　wait(1)；</b></p><p><b>　　P1_0=0；</b></p><p><b>　　wait(1)；</b></p><p><b>　　P1_0=1；</b></p><p><

82、;b>　　wait(1)；</b></p><p><b>　　P1_1=1；</b></p><p><b>　　wait(1)；</b></p><p><b>　　P1_0=0；</b></p><p><b>　　……</b>&l

83、t;/p><p><b>　　//其他相關代碼</b></p><p>　　4.1.4 基站節(jié)點的設計</p><p>　　1. ZigBee技術概述</p><p>　　ZigBee是一種新型的短距離、低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)速率和低復雜度的無線通信技術。ZigBee的名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳

84、ZigZag形狀的舞蹈來分享新發(fā)現(xiàn)的食物源的位置、距離和方向等信息。借此來寓意ZigBee的特點。ZigBee是一種新興的短距離、低速率的無線通信網(wǎng)絡技術。它有自己的協(xié)議標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從 一個傳感器傳到另一個傳感器，所以通信效率非常高。</p><p>　　IEEE于2000年12月成立了802.15.4小組，負責制定了介

85、質(zhì)接入控制層(MAC)和物理層(PHY)規(guī)范，于2003年5月通過IEEE802.15.4標準，這是ZigBee技術的基礎標準，被稱作為IEEE802.15.4(ZigBee)技術標準。</p><p>　　ZigBee 聯(lián)盟成立于2002年8月，由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉(現(xiàn)Freescale)公司以及荷蘭飛利浦半導體公司組成。四大巨頭共同宣布加盟ZigBee聯(lián)盟，負責提供網(wǎng)絡層

86、和應用層的框架設計，并研發(fā)名為ZigBee的下一代無線通信標準。ZigBee技術符合行業(yè)標準，它提供互操作性，從而使不同廠商之間的設備能夠相互進行通信，并為系統(tǒng)集成商和客戶提供靈活的購買選擇，還可以降低原始設備廠商(OEM)的成本。目前世界大型IT 公 司不斷推出自己的ZigBee解決方案，比較著名的有Freescale公司、Microchip公司、Chipcon公司（現(xiàn)在TI的子公司）等。美國和歐洲引領了ZigBee技術的發(fā)展前沿，韓

87、國、日本也紛紛研制出ZigBee 的相關開發(fā)套件和解決方案。國內(nèi)也有很多著名的研究所和知名院校也加入到該領域的研究工作中來，其中寧波研究所己經(jīng)研制出2.4GHz的ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點，一些公司和研究機構也紛紛推出自己的ZigBee開發(fā)套件，可以預計，在未來的幾年里，ZigBee 技術將是通信領域研究和開發(fā)的熱點技術，具有廣闊的應用前景。</p><p>　　2. ZigBee技術可以彌補其它短距離無線通信技術的缺

88、陷，它具有以下的優(yōu)點：</p><p>　　(1)數(shù)據(jù)傳輸速率低。ZigBee技術的數(shù)據(jù)傳輸速率，一般在10kb/s～250kb/s，非常適合于于低傳輸速率應用。</p><p>　　(2)功耗低。由于工作周期很短，收發(fā)信息功耗較低，并且采用了休眠模式，因此在通常情況下，兩節(jié)普通5號干電池支持節(jié)點工作長達6個月到2年左右的時間，從而避免充電和頻繁更換電池。這是ZigBee技術最引以為豪的獨

89、特優(yōu)勢。</p><p><b>　　(3)協(xié)議簡單。</b></p><p>　　(4)低成本。由于ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單和較小的存儲空間，所以大大降低了成本。每片芯片的價格一般在2～3 美元，并且ZigBee協(xié)議是免專利費的。</p><p>　　(5)網(wǎng)絡容量大。一個ZigBee網(wǎng)絡可以容納最多254個從設備和一個主設備，一

90、個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100 個ZigBee網(wǎng)絡。</p><p>　　(6)工作頻段靈活。ZigBee使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz（歐洲）、915MHz（美國），均為免執(zhí)照頻段，這樣也降低了成本。</p><p>　　(7)傳輸可靠性高。ZigBee采用了CSMA-CA碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC層采用完全

91、確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息，才可以發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包，這樣有效的保證了傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。</p><p>　　(8)安全性高。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-128，同時各個應用可以靈活確定其安全屬性。</p><p>　　(9)時延短。針對時延敏感的應用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設備搜索時延典型值為

92、30ms，休眠激活時延典型值是15ms，活動設備信道接入時延為15ms，這對某些時間敏感的信息至關重要，而且時延縮短后節(jié)省了能量消耗。</p><p>　　(10)網(wǎng)絡的自組織、自愈能力強。ZigBee的自組織功能指無需人工干預，網(wǎng)絡節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連接關系，組成結構化的網(wǎng)絡；ZigBee自愈功能指能夠增加、刪除一個節(jié)點，節(jié)點位置發(fā)生變動或節(jié)點發(fā)生故障時，網(wǎng)絡都能夠自我修復，并對網(wǎng)絡拓撲結構進行

93、相應地調(diào)整，無需人工干預，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作；ZigBee技術的傳輸速率雖然只有250kbps，但完全可以滿足傳輸撓度數(shù)據(jù)的需求。ZigBee技術的網(wǎng)絡連接設備相對于其它短距離無線通信技術來說是最多的，傳輸距離較遠并且費用、功耗最低，因此將ZigBee無線通信技術應用于組建橋梁撓度無線傳感器網(wǎng)絡中。</p><p>　　3. ZigBee網(wǎng)絡配置</p><p>　?。?） Zig

94、Bee設備功能類型</p><p>　　ZigBee網(wǎng)絡的基本成員即“設備”，按照功能的不同可分為兩類：全功能設備FFD(Full Function Device)和精簡功能設備RFD(Reduced Funetion Deviee)。全功能設備(FFD)是具有轉發(fā)與路由能力的節(jié)點。它擁有足夠的存儲空間來存放路由信息，其處理控制能力也相對較強。FFD可作為協(xié)調(diào)器、路由器和終端設備，支持任何拓撲結構。精簡功能設備(

95、RFD)只能接收和發(fā)送信號，其內(nèi)存小、功耗低、功能簡潔，在網(wǎng)絡中只能作為終端設備使用。</p><p>　　FFD可以和FFD、RFD通信；而RFD只能和FFD通信，RFD 之間的通信只能通過FFD轉發(fā)。FFD不僅可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，還具備路由器的功能。RFD的應用相對簡單，例如在無線傳感器網(wǎng)絡中，它們只負責將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給其父節(jié)點，并不具備數(shù)據(jù)轉發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護等功能。就成本而言，RFD由于功能簡單、存

96、儲容量小，因此RFD相對于FFD具有較低的成本。</p><p>　?。?）ZigBee設備節(jié)點類型</p><p>　　ZigBee網(wǎng)絡中根據(jù)設備所處的角色不同定義了三種邏輯設備類型：協(xié)調(diào)器 (Coordinator)、路由器(Router)和終端設備(End Device)。</p><p>　　a、ZigBee 協(xié)調(diào)器是三類設備中最為復雜的一種。它的存儲容量最

97、大、計算能力最強，因此必須是全功能設備FFD，并且一個ZigBee 網(wǎng)絡PAN(Personal Area Network)中也只能存在一個協(xié)調(diào)器。ZigBee 協(xié)調(diào)器在運行之前需要配置相關的網(wǎng)絡參數(shù)和設備參數(shù)，供后面使用。上電后ZigBee協(xié)調(diào)器進行初始化，首先掃描信道，選擇合適的信道，然后建立起自己的網(wǎng)絡，允許其它設備加入網(wǎng)絡。工作狀態(tài)下，ZigBee協(xié)調(diào)器不但要發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而且還需要管理網(wǎng)絡中設備的加入和離開，建立不同設備之間

98、的相關綁定信息，并處理各種設備和服務查詢請求。</p><p>　　b、ZigBee路由器也是一個全功能設備FFD。它類似于IEEE802.15.4 定義的協(xié)調(diào)器。ZigBee路由器上電后，應當加入或重新加入網(wǎng)絡。如果是加入新網(wǎng)絡，它需要掃描信道，選擇合適的網(wǎng)絡加入；如果是重新加入網(wǎng)絡，它需要掃描信道查找父設備。在加入網(wǎng)絡后它就自動獲得一個16位網(wǎng)絡地址，并允許在其通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點加入或離開網(wǎng)絡，同時還具有路

99、由和轉發(fā)數(shù)據(jù)的功能，路由節(jié)點只有在簇樹網(wǎng)絡和網(wǎng)狀網(wǎng)絡中存在。</p><p>　　c、ZigBee終端設備可以由簡化功能設備RFD或者全功能設備FFD構成。其主要負責與實際的監(jiān)控對象相連，這種設備只與自己的父節(jié)點主動通信，并從父節(jié)點處獲得網(wǎng)絡標識和短地址信息，具體的信息路由則全部由其父節(jié)點及網(wǎng)絡中具有路由功能的協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點完成。</p><p>　　4、ZigBee的工作模式</

100、p><p>　　ZigBee網(wǎng)絡的工作模式可以分為信標(Beacon)模式和非信標(Non-beacon)模式兩種。信標模式可以實現(xiàn)網(wǎng)絡中所有設備的同步工作和同步休眠，以達到最大限度地節(jié)省功耗，而非信標模式只允許ZE進行周期性休眠，協(xié)調(diào)器和所有路由器設備長期處于工作狀態(tài)。</p><p>　　5、IEEE802.15.4標準和Zigbee協(xié)議介紹</p><p>　　I

101、EEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers美國電氣和電子工程師協(xié)會)無線個人區(qū)域網(wǎng)工作組的IEEE802.15.4技術標準是Zigbee的技術基礎。IEEE802.15.4標準的制定是為低能耗的簡單設備提供有效覆蓋范圍在10m之內(nèi)的低速連接，用于無線監(jiān)測、工業(yè)控制等消費與商用應用領域。IEEE802.15.4支持兩種的網(wǎng)絡拓撲結構，即單跳星狀或當通信線路超過10 m時的多跳

102、對等拓撲。但是對等拓撲的邏輯結構由網(wǎng)絡層定義。LR-WPAN中的器件既可以使用64位IEEE地址，也可以使用在關聯(lián)過程中指配的16位短地址。一個IEEE802.15.4網(wǎng)最多可以容納216個器件。</p><p>　　IEEE802.15.4標準最重要的特點是低功耗。因為在現(xiàn)實中用電池供電的嵌入式器件，經(jīng)常的更換電池所產(chǎn)生的費用往往比器件本身的成本還要高。所以在IEEE802.15.4標準的制定中，在數(shù)據(jù)傳輸過程

103、中引入了節(jié)省功率的機制。多數(shù)機制是基于信標使能的方式，主要是限制器件或協(xié)調(diào)器之收發(fā)信機的開通時間，或者在無數(shù)據(jù)傳輸時使它們處于休眠狀態(tài)用設備的功耗量。</p><p>　　IEEE802.15.4標準里有三種不同的數(shù)據(jù)傳輸方式從而突出了低功耗的特點：間接數(shù)據(jù)傳輸、直接數(shù)據(jù)傳輸和有時隙保證的數(shù)據(jù)傳輸。</p><p>　　Zigbee網(wǎng)絡是一種高可靠性的無線數(shù)字傳輸網(wǎng)絡，它可工作在三種流行的

104、免費頻段上(如全球流行的2.4GHz、美國流行的915 MHz 和歐洲流行的868MHz)。其傳輸速率分別可以達到250kbit/s、40kbit/s和20kbit/s。</p><p>　　Zigbee是一組基于IEEE批準通過的IEEE802.15.4無線標準研制開發(fā)的組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術標準。并由Zigbee Alliance和IEEE 802.15.4小組共同制定了Zigbee技術標準。<

105、/p><p>　　Zigbee棧體系結構由一組稱為層的塊兒組成。每個層為上層執(zhí)行指定一套服務：數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務，管理實體提供所有其它服務。每個服務實體通過一個服務接入點（SAP）為上層提供一個接口，每個SAP支持一些服務原語來完成必須的功能。</p><p>　　Zigbee網(wǎng)絡層（NWK）支持星形、樹狀形和網(wǎng)狀拓撲結構三種結構。在星狀形的拓撲結構里，整個網(wǎng)絡是由一個獨立的通信設備Zi

106、gbee協(xié)調(diào)器來進行控制。Zigbee協(xié)調(diào)器的功能主要是負責對已連入網(wǎng)絡中的節(jié)點進行控制和維護。在樹狀形拓撲和網(wǎng)狀拓撲結構里，Zigbee協(xié)調(diào)器得功能主要是對已建立的網(wǎng)絡中的一些參數(shù)進行選擇、確定和設置等。</p><p>　　ZigBee網(wǎng)絡的組建主要是為工業(yè)化的現(xiàn)場實現(xiàn)自動化控制時對數(shù)據(jù)的傳輸。它的協(xié)議規(guī)范使得設備功耗低、工作可靠、工作安全、結構簡單、價格低廉、使用方便等特點。而移動通信網(wǎng)的CDMA網(wǎng)或GSM

107、網(wǎng)主要是為用戶的語音的通信而建立的，其單個基站的費用一般都在百萬元以上，而Zigbee協(xié)議中的每個Zigbee的基站價值卻不到人民幣1000元。基于以上對Zigbee節(jié)點的分析，因此，我選擇使用ZigBee中CC2430芯片作為本論文中的基站節(jié)點來應用。</p><p>　　4.2 系統(tǒng)軟件設計</p><p>　　4.2.1 Zigbee網(wǎng)絡軟件設計　　傳感器網(wǎng)絡軟件設計的主要任務是無

108、線網(wǎng)絡的組網(wǎng)、傳感器工作的控制以及數(shù)據(jù)的采集與收發(fā)。傳感器節(jié)點主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與定時發(fā)送；路由節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉發(fā)；匯聚節(jié)點一方面負責網(wǎng)絡配置與管理，包括定義通信信道、網(wǎng)絡標識符（PANID），配置網(wǎng)絡的Profile,響應節(jié)點加入網(wǎng)絡的請求和綁定請求，為其他節(jié)點分配網(wǎng)絡地址等。另一方面還接收各傳感器節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，將其進行匯聚后通過RS-232串口傳給PC機終端。 　 首先上電初始化整個系統(tǒng)，啟動協(xié)調(diào)器建立一個新的網(wǎng)絡，路由節(jié)點和