基于zigbee无线温湿度数据采集单元硬件设计

本科生毕业设计（论文）基于ZIGBEE无线温湿度数据采集单元硬件设计THEHARDWAREDESIGNOFTEMPERATUREANDHUMIDITYBASEDONZIGBEE总计22页表格2个插图9幅学院（系）电子与电气工程系专业电子信息工程基于ZIGBEE无线温湿度数据采集单元硬件设计摘要本文全面深入地对无线传感器网络以及ZIGBEE标准做了研究分析，从网络设备入网流程等关键点上突破，研究了ZIGBEE技术的组网方式。并结合CC2430芯片，以ZIGBEE协议为基础，实现无线传输。本文采用SHT11数字传感器进行数据采集，在已组建的ZIGBEE通信网的基础上，从终端节点角度考虑网络的低功耗问题，采用锂电池供电，在终端采集温湿度数据。最后，通过RS232数据传输端口把数据传输到PC机上，实现了温湿度数据的集中处理与显示。本文通过对ZIGBEE无线传感器网络数据采集系统的设计与实现，完成了小型ZIGBEE无线传感器网络的搭建、温湿度传感器数据的传输和数据的显示与处理，得到了良好的结果。关键字ZIGBEE；传感器网络；温湿度传感器；无线传输THEHARDWAREDESIGNOFTEMPERATUREANDHUMIDITYBASEDONZIGBEEABSTRACTINTHISPAPER，COMPREHENSIVEANDINDEPTHONWIRELESSSENSORNETWORKS，ASWELLASSTANDARDZIGBEEDONERESEARCHANDANALYSIS，NETWORKFLOWFROMTHENETWORKEQUIPMENTATKEYPOINTSSUCHASABREAKTHROUGHINDEPTHSTUDYTHEZIGBEETECHNOLOGYCOMBINEDWITHCC2430CHIPTOZIGBEEAGREEMENTBASEDONTHEREALIZATIONOFWIRELESSTRANSMISSIONINTHISPAPER，THENUMBEROFSENSORSSHT11DATAACQUISITION，ZIGBEEHASBEENESTABLISHEDBASEDONTHECOMMUNICATIONNETWORK，FROMTHEPERSPECTIVEOFENDNODENETWORKOFLOWPOWERPROBLEM，TEMPERATUREANDHUMIDITYDATAACQUISITIONTERMINALFINALLY，DATATRANSMISSIONTHROUGHTHERS232PORTTOTRANSMITDATATOPC,TOACHIEVETHETEMPERATUREANDHUMIDITYDATATOFOCUSONANDDISPLAYBASEDONTHEZIGBEEWIRELESSSENSORNETWORKDATAACQUISITIONSYSTEMDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFTHECOMPLETIONOFTHEZIGBEEWIRELESSSENSORNETWORKSOFSMALLSTRUCTURES，TEMPERATUREANDHUMIDITYSENSORDATATRANSMISSIONANDSENSORDATACOLLECTIONMANAGEMENT，THERESULTSHAVEBEENGOODKEYWORDSZIGBEE；SENSORNETWORK；TEMPERATUREANDHUMIDITYSENSORWIRELESSTRANSMISSION目录1引言111无线传感器网络1111国内外研究现状112温湿度数据采集系统213本文工作314论文结构32ZIGBEE网络节点的硬件电路设计321ZIGBEE技术概况322ZIGBEE协议标准423电源电路设计624ZIGBEE网络节点的硬件电路设计6241CC2430芯片简介6242CC2430内部结构8243CC2430应用电路设计925复位电路设计103温湿度数据采集单元的硬件电路设计1131数字式温湿度芯片SHT11简介1132芯片接口1133电路设计1234SHT11使用注意事项124串口通信的硬件电路设计1441电气特性1442接口电路设计15结束语16参考文献16附录18致谢191引言无线传感器网络WIRELESSSENSORNETWORK，WSN是一种特殊的ADHOC网络，是由许多无线传感器节点协同组织起来的，这些微型节点具有无线通讯、数据采集和协同合作能力，可以应用于布线和电源供给困难或人员不能到达的区域如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域和一些临时场合等。无线传感器网络节点可以随机或特定地布置在目标环境中，它们之间通讯通过特定的协议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。在军事、国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的使用价值，具有十分广阔的应用前景。开发无线传感器网络所采用的协议取决于网络具体的应用范围。ZIGBEE协议是为家庭控制、安全系统、建筑自动化等方面设计的传感器网络协议。本文将会分析ZIGBEE协议的结构并基于ZIGBEE协议实现一种温湿度传感器网络。11无线传感器网络20世纪90年代末问世的无线传感器网络正在以人们难以预测的速度迅猛发展，国际上一些重要机构预测其为改变世界的新事物。与无线传感器网络有关的各种新技术及无线传感器网络在军、民各个领域的应用研究工作已经在发达国家轰轰烈烈地展开，大有引发一场新技术革命的势头。无线传感器网络是从民用领域发展起来的，它由数量巨大的传感器节点组成，这些节点密集部署在所要观测或监视的对象的内部或者非常靠近这种对象的地方。由于传感器网络具有许多其它网络所没有的特征，其应用范围已经深入到了人类社会的每一个角落，从收集家庭、建筑物、船舶、交通运输系统、工业自动化系统内部及其周围环境的信息并实施监控的民用/商用应用领域，一直到数字化战场全谱战斗空间的监视、检测与跟踪等军事作战领域。111国内外研究现状传感器网络系统是当今前沿性的热点研究方向之一，有着巨大的科学意义和应用前景，被认为是将对21世纪产生巨大影响力的高技术之一。2003年2月份的美国技术评论杂志评选出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络即被列为第一。美国商业周刊在2003年8月的技术评论中，已经将传感器网络定位成21世纪高技术领域的四大支柱型产业之一，其潜在的市场需求十分巨大。传感器网络系统己引起了世界各国学术界、军事部门和工业界的极大关注。美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划，投资3400万美元支持相关基础理论的研究。美国国防部和各军事部门也对传感器网络给予了高度重视，在C4ISR的基础上提出了C4KISR计划，把传感器网络作为一个重要研究领域。该计划将各类武器平台，即“射手”的杀伤、摧毁能力加入了系统C4ISR。这样，地海面、空中和太空的各种传感器、指挥控制中心和武器平台，就通过信息网络集成为一体化的系统，从而大大提高了反应速度，实现了从传感器到射手的无缝链接。美国英特尔公司提出了“智能灰尘”的概念，“智能灰尘”设备是微小的无线式微型机电组件传感器MEMS，它能探测从光线到震动的任何东西。由于硅和制造技术的最新突破，这些“无线遥感收发信机”终将能做成沙粒大小，而每个里面包含了传感器、计算电路、双向无线通信技术和电源。它们收集大量的数据，进行计算，并在相距1000英尺的无线遥感收发信机之间利用双向无线电交流信息。信息工业界巨头如微软公司等也开始了传感器网络方面的工作，纷纷设立或启动相应的行动计划。欧盟2002年开始实施为期3年的EYES自组织和协作有效能量的传感器网络计划。2004年3月，日本总务省成立“泛在传感器网络”调查研究会。在国内传感器网络系统方面的研究起步较晚，近两年才受到广泛关注。“传感器网络系统的基础软件及数据管理关键技术的研究”己被列为国家自然科学基金委员会信息科学部与微软亚洲研究院正式签署的第二期联合资助项目之一，国家“十五“科技攻关项目把传感器网络列为重大研究项目。对传感器网络系统信息获取与处理相关技术的研究，符合国家的整体科技发展计划，对国防科学技术和国家经济建设具有重要战略意义。在国防技术方面，传感器网络信息获取与处理系统可以将大量地理上分散的战区传感器、指挥控制中心、主战武器平台以及处于动态移动的目标等联系起来，从而提高综合战斗能力和预防能力。在民用方面，在环境监测、生态保护、交通、工业控制等方面，传感器网络可以为我们及时准确的提供全方位的监测手段和监测信息。12温湿度数据采集系统本文主要研究在基于ZIGBEE的协议的基础上，实现温湿度数据的采集，然后把数据传输给上位机来显示和处理。首先，此系统包括ZIGBEE网络节点的设计，电源设计，温湿度数据采集的设计，串口通信的设计。明白了我们需要的设计的模块的基础上，根据系统要实现的功能，给出了如图1所示的系统设计框图图1系统整体设计框图ZIGBEE网络节点的设计我们采用CC2430芯片，此产品可以实现我们需要的ZIGBEE传输协议；温湿度数据采集电路设计采用SHT11芯片，这种芯片是一种全数字式的芯片，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特定，在实际应用中非常方便；串口设计采用RS232通信标准，实现数据的接收和传送；电源采用锂电池供电。13本文工作本文的设计目标是通过若干个终端测量节点，搭建一个ZIGBEE网络。进行数据采集，然后进行数据传输。本文的主要工作如下1分析ZIGBEE协议，理解ZIGBEE技术的特性和通信原理。研究ZIGBEE协议栈及其具体实现方式，并能初步应用协议栈实现具体功能。2根据节点的物理特性，选择合适的微处理器和无线传输芯片，组建无线传感器网络节点，包括电路连接，相应外围电路设计，射频部分的天线分析，PCB制作等。3整个网络的测试，能完成预期设定的功能并能达到预定的性能指标。14论文结构本文的结构大致分为四部分第一章引言。该章介绍了无线传感器网络的概念以及国内外的研究现状、并设计了温湿度采集系统的总体设计框图。第二章设计了ZIGBEE网络节点的硬件电路。第三章介绍了温湿度数据采集所需的器件，设计了温湿度数据采集的硬件电路，并说了使用器件的注意事项。第四章串口通信的电路的设计，当把温湿度数据采集以后然后把数据传输给PC机来集中显示与处理。最后，总结。该章对本文所完成的任务做了总结，指出了本文所取得的成果，并提出了今后的需要做的工作和下一步努力的方向。2ZIGBEE网络节点的硬件电路设计21ZIGBEE技术概况ZIGBEE这个字源自于蜜蜂跳ZIGZAG形状的舞蹈，来通知其他蜜蜂有关花粉位置等资讯，以达到彼此沟通讯息之目的，故以此作为新一代无线通讯技术之命名。ZIGBEE先前亦被称为“HOMERFLITE”、“RFEASYLINK”或“FIREFLY”无线电技术，目前统一称为ZIGBEE。ZIGBEE技术并不是完全独有、全新的标准。它的物理层、MAC层采用了IEEE802154无线个人区域网协议标准，但在此基础上进行了完善和扩展。其网络层、应用会聚层和高层应用规范API由ZIGBEE联盟进行了制定。根据IEEE802154协议标准，ZIGBEE的工作频段分为3个频段，这3个工作频段相距较大，而且在各频段上的信道数目不同，因而，在该项技术标准中，各频段上的调制方式和传输速率不同。它们分别为868MHZ、9L5MHZ和24GHZ，其中24GHZ频段上，分为16个信道，该频段为全球通用的工业、科学、医学频段，且该频段为免付款、免申请的无线电频段，在该频段上，数据传输速率为250KBPS；另外两个频段为868/915MHZ，其相应的信道数分别为1/10个，传输速率分别为20/40KBPS。根据ZIGBEE之技术本质，ZIGBEE具有下列之特性（1）省电ZIGBEE传输速率低，使其传输资料量亦少，所以讯号的收发时间短，其次在非工作模式时，ZIGBEE处于睡眠模式，而在工作与睡眠模式之间的转换时间，一般睡眠启动时间只有15MS，而设备搜索时间为30MS。透过上述方式，使得ZIGBEE十分省电，透过电池则可支援ZIGBEE长达6个月到2年左右的使用时间。（2）可靠度高ZIGBEE之MAC层采用TALKWHENREADY之碰撞避免机制，此机制为当有资料传送需求时则立即传送，每个发送的资料封包都由接收方确认收到，并进行确认讯息回覆，若没有得到确认讯息的回覆就表示发生了碰撞，将再传一次，以此方式大幅提高系统资讯传输之可靠度，另外ZIGBEE提供了数据完整性检验和鉴权功能。（3）安全性高ZIGBEE加密算法采用了AES128，同时各个应用程序可以灵活确定其安全属性。ZIGBEE联盟还开发了安全层，以保证这种设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。（4）高度扩充性一个ZIGBEE的网络最多包括有255个ZIGBEE网络节点，其中一个是MASTER设备，其余则是SLAVE设备。若是透过NETWORKCOORDINATOR则整体网络最多可达到6500个ZIGBEE网络节点，再加上各个NETWORKCOORDINATOR可互相连接，整体ZIGBEE网路节点数目将十分可观。（5）成本低廉目前，ZIGBEE芯片的成本大约在3美元左右，ZIGBEE设备成本的目标是要在1美元以下。而且ZIGBEE芯片的体积较小，如FREESCAL公司生产MC13192ZIGBEE收发芯片的体积为5MM5MM，随着半导体集成技术的发展，ZIGBEE芯片的体积将会变得更小，成本也会降得更低。ZIGBEE协议底层是基于IEEE802154无线通讯协议。ZIGBEE规范是由半导体厂商、技术供应商和其他公司组成的一家非营利工业协会，即ZIGBEE联盟。联盟当前的成员己经超过150家。ZIGBEE规范致力于利用IEEE802154所提供的特性，ZIGBEE适用于低速率、低功耗的应用环境。22ZIGBEE协议标准在物理层PHYSICALLAYERPHY方面，802154之工作频率分为24GHZ、915MHZ和868MHZ三种，分别提供250KBPS、40KBPS和20KBPS之传输速率，其传输范围介于10到100米之间，一般是30米。由于ZIGBEE使用的是24GHZ、9L5MHZ和868MHZ频段，这些频段因是免费开放使用，故已有多种无线通讯技术使用，因此ZIGBEE为避免被干扰，故在各个频段皆是采用直接序列展频DSSS技术。直接序列扩频DSSS，DIRECTSEQUENCESPREADSPECTRDM是直接利用具有高码率的扩频码系列采用各种调制方式在发端与扩展信号的频谱，而在收端，用相同的扩频码序去进行解码，把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息。直接序列扩频通讯的主要技术特点是抗干扰性强、隐蔽性好、易于实现码分多址CDMA、抗多径干扰和直扩通信速率高等。而在数据链路层MEDIAACCESSCONTROLLAYER；MAC方面，主要是沿用WLAN80211系列标准的CSMA/CA方式，以提高系统相容性，所谓的CSMA/CA是在传输之前，会先检查通道是否有资料传输，若通道无资料传输，则开始进行资料传输动作，若是产生碰撞，则稍后重新再传。ZIGBEE协议栈同开放式系统互联参考模型OSIRM一样采用分层模型，具体分层情况见图2，最低两层是由IEEE802154标准所定义，其他层则是有ZIGBEE联盟所定义图2ZIGBEE协议栈分层图（1）物理层PHYSICALLAYER是IEEE802154标准中定义的最低一层。它包括两个物理子层，分别工作在868/915MHZ和24GMHZ不同的频率范围上。物理层的职责包括ZIGBEE的激活与钝化；当前信道的能量检测；接受链路服务质量信息；ZIGBEE的信道接入方式；信道频率选择以及数据传输和接收等。（2）数据链路层MEDIUMACCESSCONTROLLAYER，MAC是由IEEE802154标准所定义。MAC层的职责包括网络协调器产生网络信标；与信标同步；支持个域网PAN路的建立和断开；为设备的安全性提供支持；信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入CSMA/CA机制处理和维护保护时隙GTS机制；在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路等。（3）网络层NETWORKLAYER，NWK是由ZIGBEE联盟所定义，主要完成从应用层接受数据并向其发送数据。网络层的职责包括设备连接和断开网络时所采用的机制；帧信息在传输过程中所采用的安全性机制；设备之间的路由发现和路由维护和转交；完成对一跳邻居设备的发现和相关节点信息的存储。网络层的主要功能是提供IEEE8021542003MAC子层的正确操作，并通过SAP服务接入点为应用层提供适当的服务接口。为了与应用层进行接口，网络层从概念上包含有两种具备所需功能的服务实体数据实体NLDE主要是通过其相应的SAP即NLDESAP提供数据传输服务；管理实体（NLME则主要通过NLMESAP来提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制。（4）应用层APPLICATIONLAYER，APL是ZIGBEE协议栈的最高层。应用层主要负责把不同的应用映射到ZIGBEE网络上，具体而言，应用层包括以下几点功能用应用维持器件的功能属性；用应用层发现该器件工作空间中其他器件的工作；应用层根据服务和需求来使多个器件之间进行通信；应用层主要根据具体应用由用户开发。它包括应用支持层APPLICATIONSUPPORTLAYER，APS、ZIGBEE设备对ZIGBEEDEVICEOBJECT，ZDO和应用对象APPLICATIONOBJECT。23电源电路设计根据系统设计的要求，采用了CC2430芯片，SHT11芯片，RS232传输协议，各个芯片的工作电压如下表1芯片工作电压芯片名称工作电压CC24302036VSHT112455VRS232335V根据各个芯片的工作电压，发现都有一种共同的特性都是可以在比较宽的电压范围内工作。因此，采用锂电池供电，锂电池供电的时间比较长，也比较适用于此系统，节能方面也比较优越。24ZIGBEE网络节点的硬件电路设计241CC2430芯片简介CC2430/CC2431是CHIPCON公司推出的用来实现嵌入式ZIGBEE应用的片上系统。它支持24GHZIEEE802154/ZIGBEE协议。根据芯片内置闪存的不同容量，提供给用户3个版本，即CC2430F32/64/128，分别对应内置闪存32/64/128KB。位于挪威奥斯陆的CHIPCON公司已在2006年被美国德州仪器TI公司收购，作为全球领先的供应商，在低系统成本低功耗的射频芯片和网络型软件方面，发布了实用的CC2430/CC2431产品家族，是世界上首个真正的单芯片ZIGBEE解决方案，这是世界上第一个真正意义上SOCZIGBEE一站式产品，具有芯片可编程闪存以及通过认证的ZIGBEETM协议栈，所有都集成在一个硅片内。CC2431也是CHIPCON公司SMARTRF03家族中的一个关键部分，基于CHIPCON占主导地位的CC2420ZIGBEE无线收发器其出货量已经超越1百万片。芯片尺寸是77MM，CC2431表现出了相当清晰的设计结合了一颗强大的鲁棒射频，可编程的微控制器，闪存和IEEE802154，ZIGBEE软件兼容，所有都集成到一个易用并有效的一颗芯片上。CC2430/CC2431SOC家族包括3个不同产品CC2430F32，CC2430F64ANDCC2430F128。它们的区别在于内置闪存的容量不同，以及针对不同IEEE802145/ZIGBEE应用的成本优化。CC2430采用增强型8051MCU、32/64/128KB闪存、8KBSRAM等高性能模块，并内置了ZIGBEE协议栈。加上超低能耗，使得它可以用很低的费用构成ZIGBEE节点，具有很强的市场竞争力。CC2430是一颗真正的系统芯片SOCCMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZIGBEE为基础的24GHZISM波段应用对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能24GHZDSSS直接序列扩频射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZIGBEE射频RF前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有32/64/128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器ADC、几个定时器（TIMER）、AES128协同处理器、看门狗定时器（WATCHDOGTIMER）、32KHZ晶振的休眠模式定时器、上电复位电路POWERONRESET、掉电检测电路BROWNOUTDETECTION以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用018MCMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27MA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27MA或25MA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。CC2430芯片的主要特点如下（1）高性能、低功耗的8051微控制器内核；（2）适应24GHZIEEE802154的RF收发器；（3）极高的接收灵敏度和抗干扰性能；（4）32/64/128KB闪存；8KBSRAM，具备在各种供电方式下的数据保持能力；（5）强大的DMA功能；只需极少的外接元件；（6）只需一个晶体，即可满足组网需要；电流消耗小当微控制器内核运行在32MHZ时，RX为27MA，TX为25MA；（7）掉电方式下，电流消耗只有O9A，外部中断或者实时钟RTC能唤醒系统；8挂起方式下，电流消耗小于O6A，外部中断能唤醒系统；9硬件支持避免冲突的载波侦听多路存取CSMA/CA；（10）电源电压范围宽2O36V；（11）支持数字化的接收信号强度指示器/链路质量指示RSSI/LQI；（12）电池监视器和温度传感器；具有8路输入814位ADC；高级加密标准AES协处理器；（13）2个支持多种串行通信协议的USART；看门狗。242CC2430内部结构CC2430的结构框图3所示图3CC2430结构框图设计中用到的管脚功能3、4、5、6脚（P1_2P1_5）具有4MA输出驱动能力。7脚（DVDD）为I/O提供2036V工作电压。10脚（RESET_N）复位引脚，低电平有效。11、12脚（P0_0P0_1）具有4MA输出驱动能力。89脚（P1_0P1_1）具有20MA的驱动能力。19脚（XOSC_Q2）32MHZ的晶振引脚2。20脚（AVDD_SOC）为模拟电路连接2036V的电压。21脚（XOSC_Q1）32MHZ的晶振引脚1，或外部时钟输入引脚。22脚（RBIAS1）为参考电流提供精确的偏置电阻。23脚（AVDD_RREG）为模拟电路连接2036V的电压。24脚（RREG_OUT）为25，2731，3540引脚端口提供18V的稳定电压。25脚AVDD_IF1为接收器波段滤波器、模拟测试模块和VGA的第一部分电路提供18V电压。26脚（RBIAS2）提供精确电阻，43K，1。27脚（AVDD_CHP）为环状滤波器的第一部分电路和充电泵提供18V电压。28脚（VCO_GUARD）VCO屏蔽电路的报警连接端口。29脚（AVDD_VCO）为VCO和PLL环滤波器最后部分电路提供18V电压。30脚（AVDD_PRE）为预定标器、DIV2和LO缓冲器提供18V的电压。31脚（AVDD_RF1）为LNA、前置偏置电路和PA提供18V的电压。32脚（RF_P）在RX期间向LNA输入正向射频信号；在TX期间接收来自PA的输入正向射频信号。33脚（TXRX_SWITCH）为PA提供调整电压。34脚（RF_N）在RX期间向LNA输入负向射频信号；在TX期间接收来自PA的输入负向射频信号。35脚（AVDD_SW）为LNA/PA交换电路提供18V电压。36脚（AVDD_RF2）为接收和发射混频器提供18V电压。37脚（AVDD_IF2）为低通滤波器和VGA的最后部分电路提供18V电压。38脚（AVDD_ADC）为ADC和DAC的模拟电路部分提供18V电压。39脚（DVDD_ADC）为ADC的数字电路部分提供18V电压。40脚（AVDD_DGUARD）为隔离数字噪声电路连接电压。41脚（AVDD_DREG）向电压调节器核心提供2036V电压。42脚（DCOUPL）提供18V的去耦电压，此电压不为外电路所使用。43、44脚（P2_4，P2_3）具有4MA输出驱动能力。47脚（DVDD）为I/O端口提供2036V的电压。243CC2430应用电路设计CC2430只需要很少的外接元件就可以运行了，典型的应用电路如图4所示主要由XTAL1和XTAL2两个晶振电路，一个PCB射频天线电路由L321、L331、L341、R1、R2和C341组成组成。外围电路的参数描述如下其中C191，C221为22PF，连接32MHZ晶振电路；C241，C421为220NF，去耦合电容，用来电源滤波，以提高芯片工作的稳定性；C341为56PF，电路中的非平衡变压器由电容C341和电感L341、L321、L331以及一个PCB微波传输线组成，整个结构满足RF输入/输出匹配电阻50的要求。C431，C441为15PF，低功耗设计，此电路为可选；L321为82NH；L331为22NH；L341为18NH；R261为43K；R221为56K，R221和R261为偏置电阻，电阻R221主要用来为32MHZ的晶振提供一个合适的工作电流；XTAL1为32MHZ晶掁，用1个32MHZ的石英谐振器（XTAL1）和2个电容（C191和C221）构成一个32MHZ的晶振电路；XTAL2为32768KHZ晶掁，用1个32768KHZ的石英谐振器（XTAL2）和2个电容（C441和C431）构成一个32768KHZ的晶振电路。图4CC2430应用电路25复位电路设计该电路由两个极性电容C2和C3，一个平板电容C1，电阻R1和开关组成，然后接CC2430芯片RESERN端。次复位电路采用典型的RC复位方式，它具有上电复位和手动复位两种复位功能，且低电平有效。值得注意的是，为了使系统达到有效复位，应使RESERN端保持10MS的低电平。当复位结束后立即对该器件进行初始化时，很容易发生错误。所以进入0000H地址后，应首先执行1MS10MS的软件延时，然后再进行初始化。复位电路如图5所示图5复位电路3温湿度数据采集单元的硬件电路设计31数字式温湿度芯片SHT11简介SHT11是瑞士SENSIRION公司推出的基于COMSENSTM技术的新型温湿度传感器。该传感器具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点，其性能如下1将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、总线接口全部集成于一块芯2IC片（COMSENSTM技术）；2可给出全校准相对湿度及温度值输出；3带有工业标准的总线数字输出接口；2IC4有露点值计算输出功能；5具有卓越的长期稳定性；6湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，并可编程为12位和8位；7小体积（765MM508MM235MM），可表面贴装；8具有可靠的CRC数据传输校验功能；9片内装载的校准系数可保证100互换性；10电源电压范围为2455；11电流消耗小测量时为550A，平均为28A，休眠时为3A。32芯片接口SHT11温湿度传感器采用SMDLCC表面贴片封装形式，其引脚说明如下1GND接地端；2DATA双向串行数据线；3SCK串行时钟输入；4VDD电源端2455V电源端；芯片内部结构框图如图6所示图6SHT11内部结构框图33电路设计SHT11的湿度检测运用电容式结构，采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差。SHT11与CC2430的接口电路如图7所示，使用CC2430的I/O口来模拟总线，使用P0_0来虚拟数据线DATA，使用P0_1来虚拟时钟线2ICSCK,并在数据线端口连接一个10K的上拉电阻，以此来进行温湿度数据采集后把数据传输给主处理芯片。图7温湿度数据采集电路34SHT11使用注意事项1按引脚说明图连接电路。区分使用引脚和非使用引脚，并注VCC、GND、DATA、SCK四个引脚的具体位置2SHT11焊接温度要求使用标准的波动焊炉，在最高250的温度条件下不超过30秒；手动焊接，在最高350的温度条件下接触时间须少于5秒。3传感器焊接后的恢复处理。由于焊接时传感器局部受热过高，可能导致测量数据不准确，（温度偏高，湿度偏低），因此，传感器焊接以后，需在20307090和74RH的湿度条件下保持48小时（重新水合）。4传感器的应用环境要求如果一些大分子与传感器内部的湿敏元件接触，很难再挥发到空气中，会阻塞空气中水分子的渗入，导致传感器反应不灵敏，测量湿度偏高。因此，在使用过程中，传感器要远离塑料、硅胶、香水等大分子材料和物质。5注意上拉电阻的连接。因为有很多用户由于不加上拉电阻或者阻值选用不当，给应用带来麻烦，提醒用户注意。通常情况，建议在数据线DATA上加10K20K的上拉电阻。具体情况由用户根据自己的单片机类型进行实际调整。6注意SCK的频率选择。建议SCK的频率范围为46MHZ，最高频率不得超过10MHZ。如果用户选用晶振频率较高，要在软件上加一些延时和空操作指令，以调整时序。SCK的最低频率没有限制。7注意避免冷凝现象的发生。SHT系列温湿度传感器在结露和浸水情况下，其本身的性能和质量不会受到任何损坏，但是由于水滴对敏感元件的影响，会导致传感器测量数据不准确，此时读出的数据不具有实际意义。如果传感器工作在95RH以上高湿环境，要避免发生冷凝现象。方法通过软件驱动传感器内部的加热器，打破冷凝条件。数据读取正常后，即可关掉加热器。8数据线和时钟线不要相互平行且靠得太近，否则当引线长度超过10CM时就容易引起耦合干扰，导致信号丢失。必要时可在数据线与时钟线之间专门布置一条地线（GND），将二者隔开。9进行远距离测量时，建议在UDD端和GND端之间接一只01UF的退耦电容，该电容应尽量靠近芯片引脚。采用长电缆时，适当降低传输频率和减小信号上的波纹，可降低交叉感应灵敏度并且减小反射干扰。必要时可插入一个低通滤波器将波纹滤掉。若在电缆线两端分别接一个低通滤波器，就能取得最佳滤波效果。10假如必须把传感器与发热的电子元器件安装在同一块印制板上，传感器应装在热源的背面并且保证通风良好。11为减小热传导，传感器与印制板之间的敷铜面积应尽量小，并在二者之间切一个小裂口。12禁止将传感器长期暴露在强光和紫外线照射下，以免早期失效。当工作温度超过允许范围时，会使相对湿度信号产生3的偏移。在高温环境下使用，会加速传感器的老化。4串口通信的硬件电路设计RS232接口是1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。DB25的串口一般只用到的管脚只有2（RXD）、3（TXD）、7（GND）这三个，随着设备的不断改进，现在DB25针很少看到了，代替的是DB9的接口，DB9所用到的管脚比DB25有所变化，是2（RXD）、3（TXD）、5（GND）这三个。因此现在都把RS232接口叫做DB9。目前RS232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。图8显示了9针通讯的接口管脚名称，表2是各管脚的说明。图8九针串口管脚图表2端口说明表管脚缩写功能1CD载波功能2RXD接收数据3TXD发送数据4DTR数据终端准备完成5SG信号地线6DSR数据准备完成7RTS发送请求8CTS发送清除9RI振铃指示41电气特性在RS232中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系，即逻辑“1“相当于控制线的“断开”状态，电压为315V；逻辑“0“控制线的“接通”状态，电压为315V。典型的RS232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在515V，负电平在515V电平。当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在312V与312V。由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传输距离最大为约15M，最高速率为20KBPS。42接口电路设计由于其传输特性的局限，其标准有其固有的缺点（1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。（2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20KBPS。（3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。（4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际也只能用在50米左右。图9串口通信接口电路接口电路如图9所示，该电路由C1和C2两个电容接MAX232的1C1、3（C1）、5（C2）、4C2脚，为耦合电容；后MAX232的14T1OUT、13R1IN、7（T2OUT）、8（R2IN）分别接DB9的3（TXD）、2（RXD）、8（CTS）、7（RTS），实现数据的接收和传送；（U）、15（GND）分别通过电容接地；MAX232的11（T1IN）、12R1OUT、10（T2IN）、9（R2OUT）分别接CC2430的P15、P14、P12、P13，实现和上位机的通信；16（UCC）接5V的电源来使芯片工作。工作原理如下发送数据时，RS232串口数据经过MAX232将电平转换位TTL电平，在通过CC2430无线发送。接收数据则是发送数据的逆过程，CC2430先接收到数据信号，然后经过MAX232将TTL电平转换位RS232的标准电平，在通过RS232向上位机输入数据。结束语本文主要对基于ZIGBEE的无线传感器网络数据采集系统进行整体设计与实现。首先，从ZIGBEE网络设备入网流程等关键点上突破，深入研究ZIGBEE技术的组网方式。然后，利用CC2430搭建一个无限传输的平台，以ZIGBEE协议为基础，设计实现了小型ZIGBEE传送网。通过串口观测，表明终端节点的数据通过此网络可以顺利到达显示端。在已组建的ZIGBEE传输网的基础上，结合SHTL1数字温湿度传感器的进行数据采集，并在PC机上集中显示和处理数据。该无线温湿度传感器网络以低成本、低功耗无线单片机CC2430为核心，采用数字温湿度传感器SHT11获取数据。电路结构简单、工作稳定可靠、检测精度高，且具有无线数据通信灵活方便等特点，特别适用于工业现场环境、监测封闭空间和其它需要多点监测的特殊场合。另外，SHT11数字式温湿度传感器由于将温度传感器、湿度传感器、信号调理、模/数转换器、标定参数及总线接口全部集成到传感器内部。因此，既提高了传感器2IC的性能，又降低了成本、减小了体积。以它为核心组成的温湿采集系统性能可靠，测量精度高，在温室环境参数测试中，起到了关键的作用。当然，系统作为一个基本平台实现的功能有限，今后对于此系统的开发重点可以放在节点间的功能控制方面，可以在现有的网络基础上，对终端节点与应用对象进行功能绑定，从而达到对节点应用对象的控制目的。参考文献1施承，宋铁成，叶之慧基于ZIGBEE协议的无线传感器网络节点的研制广东通信技术20062李刚，张志宏蜜蜂的舞蹈一ZIGBEE的无线网络技术和应用电子产品世界2006173霍雷一种新的无线网络通信技术ZIGBEE单片机与嵌入式系统应用2006104孙荣高，孙德超数字温湿度数据记录仪的设计现代电子技术200575杨永杰，冯军数字式温湿度传感器SHT11在尘