毕业设计（论文）无线位移监测系统设计

1、毕 业 设 计无线位移监测系统设计摘要物联网技术正在蓬勃发展，基于具有低成本、低能耗、高安全性等特点的zigbee技术构建的无线传感网可以实现直线位移的无线监测。本文利用zigbee模块(cc2530)内嵌高性能和无线收发功能的特点，设计了无线位移监测硬件电路和配套软件，实现了位移的无线监测系统。系统分为两个部分：下位机硬件基于zigbee无线传感网络的直线位移数据监测和传输部分；上位机软件模块的直线位移数据的存储、管理、动态显示等部分。在下位机zigbee直线位移传感网络中，设计了直线位移传感器的终端节点，集成数据传输的协调器节点。在本文的系统中每个节点都使用了完全兼容8051内核和ieee

2、 802.15.4的cc2530单片机作为主要芯片，其中无线直线位移传感器节点上面集成了直线位移传感器、led显示屏、报警电路等模块，其主要功能是采集数据和传输数据。传感器节点在获取到数据后进行ad转换等处理，一方面将监测到的直线位移数据显示在液晶上面，如果检测点的直线位移超过了设置好的阈值，该节点将进行报警提醒；同时另一方面直线位移终端节点将位移数据通过zigbee网络传送到协调器节点，而协调器节点主要是负责直线位移传感网和上位机软件之间的互联，包括负责系统终端节点的在线情况的控制和实现下位机直线位移传感节点和上位机软件的串口数据通信功能。在上位机软件开发模块中，使用微软的visual st

3、udio 2010集成开发环境，利用c#语言开发了windows窗口应用程序。主要是zigbee协调器和上位机服务器之间的串口通信程序的设计，功能是通过串口通信实现下位机无线传感网数据的传输。其次设计了直线位移数据的存储和动态实时显示的windows窗口。此外，程序还利用数据库表设计了上位机软件的登录窗口和利用开源的zedgraph控件对串口接收到的直线位移数据实时动态的曲线显示。关键词：直线位移；cc2530；无线传感器节点；zedgraph；数据库abstractthings technology is booming, based on low cost, low power, high

4、 security features，zigbee wireless sensor network technology can achieve the wireless monitoring of straight line displacement. this paper zigbee modulehigh performance and radio functions,the design of a wireless monitoring hardware and supporting software to achieve displacement of wireless displa

5、cement monitoring systems.system is divided into two parts:lower positi -on machine hardware in linear displacement data monitoring and transmission parts of zigbee wireless sensor network, cache management, dynamic display portion etc. of linear displacement data of host computer software module.in

6、 lower position machine designed terminal nodes of a linear displacement transducer and a data transfer coordinator node.in the system, each node is fully compatible with the use of 8051-and the cc2530 single-chip ieee 802.15.4 as the main chip. whichintegrate linear displacement sensors, ledand ala

7、rm modules on wireless linear displacement sensor nodes top.the ma -in is to collect data and store data.after obtaining the data sensor nodes into the ad conversion process,then, on the one hand the linear displacement monitored data isdisplyed on the lcd above, if the linear displacement detection

8、 point exceeds the maximum of set a good, the node corresponding reminds, to make preventive measures; and on the other hand the linear displacement terminal nodes transversedisplacement data to the coordinator node by zigbee network,and the coordinator node is mainly responsible for the linear disp

9、lacement sensor network interconnection and pc software. that is responsible for the systemnod -e control line situation and achieve serial data communication lower position machinelinear displacement sensor nodes and pc software.in the host computer software development module, using visual studio

10、and using c # language to develop windows server window applications.mainly includes design zigbee coordinatorbetween the server and pc serial communication program, function is to achieve lower position machine to transfer data wireless sensor network through the serial communication.secondly, the

11、design of the linear displacement data caching and dynamic real-time display of windows window the program also use the database table designed pc software login window and using open source zedgraph control to the serial data received in real-time dynamic linear displacement by curves displayed.key

12、 words：linear displacement；cc2530；wireless sensor nodes；zedgraph；database目录摘要iiiabstractv第1章绪论11.1 课题的研究背景和意义11.2 相关技术的研究发展11.3 课题研究的主要内容和思路31.4 本论文的结构安排41.5 本章小结4第2章无线位移监测系统总体规划52.1 系统总体结构52.2 系统的需求和目标52.3 无线位移监测系统主要技术选择72.4 本章小结11第3章无线位移监测系统下位机节点设计123.1 系统节点123.1.1 直接位移传感器终端节点设计123.1.2 协调器节点的集成应用1

13、23.2 节点电路的总体规划133.2.1 节点主要芯片与电路介绍143.3 节点的软件开发193.3.1 节点软件开发环境和协议栈介绍203.3.2 节点软件开发具体实现223.4 本章小结25第4章无线位移监测系统上位机软件设计254.1 开发平台介绍264.2 上位机登录界面设计284.3 上位机串口通信界面设计294.4 上位机实时动态显示界面设计314.5 其他功能设计334.6 本章小结35第5章无线位移监测系统实际测试365.1 直线位移传感器网络的测试365.2 上位机开发软件测试395.3 本章小结42结论43致谢44参考文献45第1章绪论1.1 课题的研究背景和意义随着科技

14、的一次次革新，我们正生活在一个大信息时代。当下获取信息非常重要和方便的传感器技术，也正在快速的发展和壮大1。与此同时，低能耗的无线通信技术、嵌入式的计算机网络技术和电路的集成技术正在一步步的发展和成熟中。一种新兴的将传感器技术、信息处理技术和网络通信技术融合的无线传感网络（wsn）在时代的大背景之下应运而生2。现在越来越多的建筑出现在我们生活当中，如高楼大厦、旅游景观、铁路、桥梁等等。这些基础设施，交通设施虽然能够给我们的生活带来很多的便利，但是，在21世纪这个网络化的时代，这些设施却很少有在位移等方面全面的系统分析理论和无线安全防范系统。有一些早期的建筑和设施等在最初设计和施工时就缺乏一些后

15、期全面的考虑，存在有不足与隐患3,41。例如：重庆市的江南立交桥梁体在使用一段时间后就曾有过横向移动和偏位的现象，最终结果是导致了桥梁的一些挡块发生了裂开的现象。重庆市苏家坝立交桥在建成十几年后也有梁体偏移和错位的现象，严重的是墩梁的偏位居然达到了170mm左右。2005年4月，广州白云国际机场的登机桥坍塌却没有及时的发现，造成重大损失。2011年3月，中国国际航空公司ca1854航班在宁波栎社国际机场被登机桥刮伤。2013年4月，香港国际机场的登机桥坍塌。除了这些以外，很多的建筑都存在有横移和位偏的现象。为了更好的保障人类的生命和财产安全，有必要对现在的很多重要的设施和建筑进行位移的实时监测

16、，以实时的了解建筑和设施的情况和预防危险的发生，而当前这类设计还不够普及。基于zigbee的无线位移监测系统不仅可以实现快速和可靠的远程数据采集和传输，而且还解决了传统有线监测布线的复杂和2次破坏以及困难环境下的监测和控制4。这种网络提出的远程控制的新思路更是为今后的研究做了一个重大突破。本文设计的无线位移监测系统能够更加安全有效地监测一些复杂困难环境下发生的位移，及时预防和纠正当前环境下的直线位移过大或者发生危险的情况，因此本文设计的无线位移监测系统具有一定的实际意义。1.2 相关技术的研究发展在本课题的无线位移监测系统构建中，首先是选用了直线位移传感器作为系统的数据检测工具。然后基于zig

17、bee的技术构建网络的思路设计了一个实时的、动态的无线位移监测传感网络系统。位移传感器的发展:作为普遍应用的传感器之一，此类传感器主要经历了两个发展过程：经典位移传感器和半导体位移传感器阶段。在1980年以前,经典的电磁学理论被作为众多的研究基础,通过把不方便于量化检测和管理的运动速度、位移变化等物理量转换为便于量化检测、便于作为数据信息传输和存储以及管理的电学量。如电感式、电容式、电阻式传感器等经典的位移传感器,使用的原理一致为电磁学原理和物理定律作。主要分为几种类型：电阻应变式、电位器式、电容式、电感式一类位移传感器，光电式、磁敏式、电阻应变式、超声波二类位移传感器6。本课题选用的直线位移

18、传感器在原理上属于线绕电位器式位移传感器一类,绕线电位器主要是使用电阻丝烧制在绝缘的基础架构上,使用移动的电刷来形成与滑动点电阻之间一个对照的输入改变。电刷首先置于待测量位移部分，通过拖动来产生位置变化,输出的是电压或者电阻，他们一般与位移成一定的比例关系。线绕电位器长处：结构简单、使用方便。短处：摩擦和磨损误差、阶梯误差、分辨率不高、寿命不长等。适于合简易的实验和检测6,7。本文选取了一款德国技术的高精度位移传感器，量程为40mm，其线性精度达0.01%，重复性精度为0.01mm，克服了以上的缺点，适用于本文提出的位移监测系统。zigbee技术的发展：zigbee技术是一种双向型的无线通讯技

19、术，其主要用于距离较短、耗能较低且速率要求较低的电子设备之间进行相应的数据传输和通信。一般常见的应用是：规律性数据、间断性数据和低反应时间数据的传输等方面。其具有距离短、简易、功耗低、速率低、成本低等特点4。zigbee使用的ieee802.15.4标准是ieee组织于2003年就开始制定并发布10。ieee组织在2006年又制定了针对智能电网应用的ieee802.15.4g标准，针对工业控制应用的ieee802.15.4e标准。ieee802.15.4及其相关标准是在物理层和mac层运用的。由于ieee组织在行业领域内重要的地位，以及ti、st、ember、freescale、nxp等多家大

20、型芯片公司的大力推动，ieee802.15.4系列标准占据了无线传感器网络领域的实际应用标准的核心。可以想象，符合这个标准的产品、应用和无线传感系统也将在各个行业广泛使用。无线传感器网络的发展：作为物联网应用的一部分，它是一种分布式传感网络，它的终端是可以感知和监测外部世界的各类传感器。无线传感网（wsn）中的传感器通过无线方式实现通信，因此网络的设置灵活，设备的位置可以轻易更改，同时还可以跟互联网进行无线或有线方式的连接8,11。无线传感器网络的工作原理是通过无线通信形式构建成多跳的自组织的网络，是新兴的网络，具有非常广泛的发展前途。其快速的发展和众多的应用，将会在我们的学习、生活、科研、建

21、设等多个方面带来重大革新。很多的发达国家，如德国、美国、英国等，无线传感器网络的发展给予了重视，正在各方面对无线传感器网络的研究和实际应用大力的推动6。美国的波士顿大学近年还创办了传感器中国测控网络协会，期望能通过一些全球化的方式促进传感器联网技术的开发。技术评论杂志在评论和陈述未来的热门科学技术时，无线传感器网络在十大科技里排在了首位，被誉为未来第一的新兴网络10。商业周刊在预测的今后新兴科技时，无线传感器网络技术同样占据一席10。毋庸置疑，无线传感器网络的普及应用是科技革新的必然选择，它的发展将会给人类社会带来另一个不一样的未来12。无线位移监测网络系统目前被用于很多领域，石家庄铁道大学技

22、术人员针对桥梁扰度传统的监测系统的不足，结合当前基于zigbee技术构建网络系统的特点，设计了一个基于无线传感网的桥梁扰度监测系统38。中国科学院力学研究所针对发生于2011年8月的内蒙古胜利露天矿东滑坡，设计一个基于地表及深部位移监测的滑坡系统42。这类无线位移的监测系统不仅能够很好的解决传统监测系统的布线繁琐，传输稳定性较差的缺点，而且其灵活便捷的设计便于实时的更新换代。本文结合了zigbee技术、无线传感网络的特点等，设计了一个对直线位移进行实时监测的系统。1.3 课题研究的主要内容和思路本课题设计了一个由下位机无线传感网络和上位机开发软件联合构建的无线位移监测系统。该系统通过直线位移传

23、感器节点，实时地监测所测环境的直线位移情况。当传感器节点监测到位移的数据后首先在无线传感网络中处理数据，然后传送到上位机，上位机部分对数据再次处理并能实时动态的将当前所测环境的直线位移情况显示出来。系统的两个具体实现：首先下位机基于zigbee技术和cc2530单片机系统构建的无线传感网络18，其次是上位机基于sql server 2005数据库和visual studio 2010开发环境使用c#语言开发的上位机软件。系统的设计思路首先是通过查阅资料和结合系统的需求等对系统的主要模块做一个直观图形的分析，如图1-1所示。其次是电路原理图的设计和调试以及pcb图纸的设计和布线，电路板的制作等。

24、这个过程中通过前期模块的设计选定cc2530单片机作为主芯片，周边设计一些调试电路、电源电路、ad转换电路、报警电路和显示电路。pcb图纸的设计和布线主要依照原理图进行排版布线，然后制作实体电路板进行硬件调试。最后是利用c#语言开发上位机windows窗口应用程序，这部分设计思路主要从上位机的登录窗口设计开始，接着对数据串口选择和波特率选择窗口和动态显示窗口进行设计等。主要外部可见模块设计完成后，还需要对单片机cc2530内部程序代码的设计和调试和整个系统的实现与测试。通过以上的设计思路最后完成整个系统的设计，后期再对系统进行资料整理等。图1-1 系统模块架构图1.4 本论文的结构安排本论文分

25、为5个章节，在结构上选择总分总的结构，首先介绍论文的总体方向，然后分块叙述，最后总结论文中存在的不足与未来发展的方向。第一章绪论：通过对本文背景的阐述和现实意义的研讨，以及全球范围内当前相关技术发展的前景与现状分析，论述了本课题设计的方向和目标，确立了课题设计的核心内容和思路。第二章系统总体规划：首先对系统的总体结构作了分析，然后通过系统设计的需求和目标分析，从而确立系统设计的技术与工具需求和选择，在大方向上对课题作了规划。第三章无线位移监测系统节点设计：首先对基于zigbee标准的cc2530单片机的选择作了分析。其次分析位移终端节点的硬件电路设计。接着介绍了下位机两个节点的cc2530单片

26、机的编程平台、zstack协议栈和iar embedded workbench开发环境19。最后总体讲述了下位机部分设计的思路和流程。第四章无线位移监测系统上位机软件设计：按照第三章的思路首先介绍上位机软件开发环境visual studio2010和数据库 sql server 2005。其次逐步介绍设计各个windows窗口应用程序的过程，包括系统串口通信界面、登录界面和动态显示界面的设计。第五章系统的实际功能测试：通过对每一部分功能实际测试的整理，论述了设计当中所实现的功能，用测试结果说明本设计实现位移实时监测的意义。最后总结了论文与对论文的未来发展做了一些期望，讨论了论文的一些不足与缺陷

27、，同时提出了一些其他的想法。1.5 本章小结作为本论文的第一个章节，主要介绍了论文的研究背景和意义，对当前相关技术的研究发展现状做了一个整理，同时对论文的主要内容和设计思路做了一个初步分析和规划。从当前的背景和相关技术的研究现状来看，无线位移监测系统的设计是有很重要的实际意义的。此外，本章还对论文的结构安排做了一个大概的介绍。第2章无线位移监测系统总体规划2.1 系统的需求和目标本无线位移监测系统的设计的目标是为了能够更加实时安全有效地监测一些复杂困难环境和重要建筑设施的位置偏移情况。实时监测系统能够提供可靠、安全的监测和数据处理，及时预防和感知当前环境下的直线位移过大或者相关危险的情况，从而

28、减少和避免人类生命和财产的不必要损失。系统主要考虑以下几点需求：直线位移的检测:本课题设计的目标是通过对监测对象的位移分析，及时作出预警和保护措施等。那么第一个任务就是直线位移的检测，因此，检测的器材选择非常重要。监测的无线性：在针对一些相对复杂危险环境下的直线位移监测，终端节点一般所处位置也比较不便，传统有线的方式不易满足监测的实时性、安全性、有效性。同时线路老化带来的维修和更换难度以及布线的复杂度都是需要解决的重大问题。而且监测系统如果是应用于一些结构比较老旧易被破坏的的珍贵事物上，有线方式在上面布线势必会对那些比较的宝贵的易破坏的环境造成不必要的2次破坏21。因此，系统监测的无线性非常重

29、要。监测的实时性：一般情况下所监测环境所产生的位移变化不是瞬间发生的，是一个长期积累的过程，保证系统能够长期监测和实时传输数据是保证系统实用性的关键，因此，必须以一个低功耗方式来进行长期监测。上位机开发软件设计的数据管理和动态显示：为了更加清晰简单的展示出系统监测到的数据和环境的情况，使用合适的开发语言进行上位机软件开发，以及利用图表控件让数据实时动态显示是系统上位机部分要实现的主要功能。系统的报警：因为系统的使用范围更多是在近距离（百米以内）。因此一个不复杂的报警系统很有必要，而报警的位移阈值更是应该综合所测环境的情况分析。2.2 系统总体结构本课题设计的无线位移监测系统核心是一个基于zig

30、bee技术的无线传感网络。无线传感网络部分由协调器构建zigbee网络，实现数据的无线检测和传输。pc端上位机开发软件利用c#语言设计对数据储存和实时动态显示等20。实现方式主要是由无线传感网络部分检测数据并对数据进行处理，然后协调器使用串口与上位机进行数据连通，上位机需要做的是对数据有一个直观的显示和存储，例如，数据超过设置阈值进行一定的报警处理和实时动态显示等。系统的总体结构如图2-1所示：图2-1 系统总体构造图协调器建立起基于zigbee的无线传感网络，然后终端位移节点自动加入到这个网络当中，终端位移节点利用传感器采集位移数据并发送到协调器，协调器收到数据后，通过串口发送给pc上位机软

31、件部分，系统总体结构主要包含3个流程图关系。如图图2-2所示无线位移监测系统协调器流程图、2-3无线位移监测系统位移节点流程图、图2-4串口流程实验图所示：图2-2无线位移监测系统协调器流程图图2-3无线位移监测系统终端节点流程图图2-4串口流程实验图1. 直线位移无线检测和传输系统的直线位移数据检测和传输是基于zigbee的无线传感器网络，主要包括协调器和位移传感器终端节点。直线位移传感器节点是直接与检测环境接触的，用于检测所测环境的位移数据，可根据环境的实际情况进行布置。协调器节点在这个网络组成中很重要，通过它才能构建这个无线传感网络，同时它还要负责上位机与下位机之间的沟通。2. 上位机软

32、件开发窗口应用程序主要内容使用c#语言在visualstudio 2010环境下开发的窗口应用。主要包含以下窗口设计：与协调器实现串口通信的窗口设计；传感器检测数据的管理和实时动态显示窗口设计及用户登录窗口的设计等21。串口数据接收窗口主要是实现串口端口号和波特率的选择和数据的格式化显示。实时动态显示窗口主要是通过zedgraph设计图表以实时动态地显示数据，登录窗口设计主要是集合数据库表设计一个管理员用户登录的信息。2.3 无线位移监测系统主要技术选择根据系统的总体结构和需求分析，本系统首先应选择相应的网络技术以满足系统、位移监测、低功耗、无线性、实时性等主要功能。当前在无线网络应用方面的技

33、术主要有以下几种技术：红外技术、蓝牙技术、wifi技术、6lowpan技术以及zigbee技术。1 红外技术12红外技术是红外辐射的生成、扩散、变换等应用的技术。分别有近红外、中红外和远红外三个波段。近红外波段在0.753微米之间；中红外波段在320微米之间；远红外波段在201000微米之间。这只是通常的分段，在光学当中，红外线的分段还有很多种。0.753微米也被视为近波段，3.040微米视为中波段，401000微米视为远波段。除此之外，红外线辐射被大气层阻挡后以下几个段可以通过：13微米段、35微米段和813微米段，在军事方面把这些可以通过大气阻挡的波段分别视为近红外、中红外和远红外波段14

34、。在日常的应用当中，常见的有红外探测、红外摄影、红外武器、红外实验器、红外仿真等，一般都有军事、科研、纺织、通信等行业会涉及红外技术。2 蓝牙技术蓝牙技术是一种较新的无线技术标准，定点设备、移动设备、建筑群和单个域网之间的近距离数据沟通可通过蓝牙技术实现。起初是由it行业的公司爱立信在二十世纪九十年代构建，设计初是为了淘汰当时的rs232数据线传输技术。由于可以在几个设备之间互联，蓝牙技术一出现就解决了数据同步的问题13。蓝牙的工作波段为24002483.5mhz，这是一个相对自由和免费的波段13。其跳频技术将传输的数据转换成多个小包，由特定的多个频道实现这些小数据包的传输，最后完成整个的数据

35、传输。蓝牙通常是两个蓝牙设备间的对称连接，一般适用于两个设备通过最简单的配置进行连接的简单应用，如耳机和遥控器等。3 wifi技术wifi是一门能够将pc、小型电子设备（如平板、手机、mp4、mp5）等产品以无线方式互相连接的技术14。实际上它本身只是一个无线电信号。wi-fi联盟的无线保真是一个无线网络通信技术的品牌，传统一般使用有线方式连接pc端，而无线保真是利用无线电波方式来链接到网络中。在路由器的电波能够到达的点，都可以采用无线保真的连接方式上网，如果无线路由器连接了一条adsl线路或者别的上网线路，则又被称为wifi热点，其主要应用在手持设备、娱乐和建筑群通信等方面。在无线局域网的领

36、域上，无线网络的实质上是一种商业化的认证方式，它也属于现在新兴的联网技术28,29。4 6lowpanietf 6lowpan技术的目标是使用ieee 802.15.4链路保证依赖于ip通讯的同时，满足公开的标准还能保持与另外ip设备的互联并将ip协议引入到无线通信网络中。就当前而言，无线网使用的都是特定的协议，主要原因是ip协议基于内存和带宽的依赖性太高23。要使它的使用条件降低以满足无线的连接在实际测试当中难度较大，基于ieee 802.15.4标准的ipv6通信ietf 6lowpan标准将在改善这个方面做出贡献11。6lowpan技术运行对功耗要求不高，所以能够满足从掌上设备到大型机器

37、的应用中，同时加密aes-128的内部配置能够为其稳定的认证和安全性建立基础ieee802.15.4标准设计了低功耗、低成本的嵌入式电池供电设备，利用无线电收发信息工作的标准传输在2.4ghz频段，使用相同的频段有wi-fi，但其射频发射功率的无线网络连接，只有1左右，这限制了ieee802.15.4设备的传输距离。因此，多个设备必须共同协调，以传输在更长的距离信息和绕过阻挡31。5 zigbee技术zigbee技术是一种双向型的无线通讯技术，其主要用于距离较短、耗能较低且速率要求较低的电子设备之间进行相应的数据传输和通信。zigbee同其他网络相比它具有以下几个优点:1) 低功耗:由于zig

38、bee传输的速率不高,传输数据量不大,而且还有节能模式可以设置,因此基于zigbee的设备和应用普遍耗电量低。据实验测试结果表明两节5号电池就可以维持一般zigbee设备六个月到而年的工作时间22,34。2) 成本低:基于zigbee技术的集成电路的费用一般在35元以内,根据其发展趋势很快能够实现15元以内的集成电路模块,而且关于它的协议是不需要专利费的，因此其成本与其他技术相比非常低。3) 时延短:zigbee技术的应用反应时间都很快，建立通讯的延迟和激活的延迟都不需要太多时间,通常在两个模式之间的切换只花费15ms左右。此外，大多数的系统和设备的时延只有30ms左右,不固定设备使用信道接入

39、为15ms左右。相对比较而言,蓝牙的时延为3s到10s、wi-fi为3s。4) 可靠:使用碰撞方式传输，能够有效的错开数据发送的冲突，避开冲突就能够为固定带宽的其他业务空出专用时隙。mac层采的数据传输使用全部验证方式,所有要发送数据包都必须有接收方的完全确认，传输过程一旦有误可以通过重新验证发送35。5) 安全:基于循环冗余校验(crc)的数据包全部验证功能，无论是哪一方的数据都可以被安全的检测。6) 网络形式组成灵活：zigbee网络有星状,树状和网状三种网络拓扑结构35。如下面图2-5、图2-6和图2-7所示，其中coordinator表示zigbee协调器，end -drice表示终端

40、设备，router表示zigbee路由器。星状网络：通过唯一协调器和多个终端节点组成网络。只有协调器参与才能实现通信，也就是说终端节点之间的通信也需要协调器的转换36。树状网络：唯一协调器和多个星状连接而成。终端可以与自身的父节点或子节点实现通讯,其他的通信方式必须路由来实现间接通信。网状网络：建立在树状网络之上构建的，但是与树状网络大不相同。网络中凡是有路由功能的节点都可以互连,由路由器中的路由表配合，实现消息的网状路由通信。优点是减少了信息处理的时间,更加可靠。缺点是更多的存储空间。图2-5 zigbee星状拓扑结构图2-6 zigbee树形拓扑结构图2-7 zigbee网形拓扑机构本课题

41、使用的无线通信技术是成功实现系统需求的重要步骤之一。传统的无线通信方式在我们生活中随处可见，但它们主要应用在长距离数据通信中的传输设备中，而且耗能一般较高，对环境链路的要求也很高，与本文无线位移检测系统的应用场景不相符合34。低功耗、近距离的通信技术更适合应用在无线传感器网络中。随着世界对物联网的大力发展与推动，zigbee已经被国内外的用户所认同，其近距离、低复杂度、低功耗、低成本的以及可靠安全的无线数据传输等特点非常契合本文无线位移监测系统的设计，因此本设计选择了zigbee技术作为主要技术展开课题的设计。2.4 本章小结本章就论文设计的结构做了总体的设计和规划，系统的需求关系主要是通过系

42、统的实际需求来探讨出设计的方向。接着通过设计的目的可以看出系统的总体方向所在。同时，本章就本课题使用的关键技术与其他的技术作了分析和对照，从而体现出使用此技术的缘由。第3章 无线位移监测系统下位机节点设计3.1 系统节点本无线位移监测系统的下位机无线传感网络的功能是实现直线位移数据的检测和检测数据的转换、缓存和传输数据到上位机以及一些简单的显示。下位机主要是采用zigbee的星状网络拓扑结构，包含两个节点，分别是直接位移传感器终端节点和协调器节点。3.1.1直接位移传感器终端节点设计直接位移传感器终端节点的设计主要是基于zigbee技术，而当前zigbee技术的应用在单片机模块选取中，ti公司

43、的cc2530单片机以其对zigbee技术和无线传感网络高度的契合性作为最佳选择。通过cc2530单片机模块外接的天线部分集成ad数据转换模块、电源模块、led显示模块、报警模块以及一些常规的下载和测试电路即可实现一个无线节点的构造38。本课题基于zigbee技术下选择的节点主要功能如图3-1所示：其中，传感器、ad模块主要是负责采集数据，并完成数据格式的变换。电源模块是对输入5v直流转换为3.3v供其他模块使用。led模块显示网络当前的运行情况和测试数据。天线模块实现数据无线传输。报警模块使用蜂鸣器报警。图3-1位移终端节点功能框图3.1.2协调器节点的集成应用如图 3-2所示，本文的协调器

44、模块主要包括：cc2530模块、天线部分、电源模块、串口模块、下载调试模块和led部分等。cc2530部分主要负责数据传输等核心功能。天线部分为主要是实现数据的无线接收。电源模块主要是供电和实现电压转换模块为节点提供合适的电压，一般采用稳定的直流供电。串口模块为上位机和节点间提供了接口，功能是实现与上位机的互相通信。led用来显示当前协调器的运行情况。图3-2协调器节点功能框图3.2 节点电路的总体规划由上面节点功能框图可以看出，它们都是以cc2530作为节点的主控芯片，在cc2530组成的最小系统的电路都是一样的。差别主要是在外围的应用电路。协调器节点与位移终端节点主要差别就是一个串口通信电

45、路的设计。如图3.3所示终端节点硬件电路原理图和图3.4所示节点电路的pcb设计图。图3-3节点硬件电路原理图图3.4 节点pcb图3.2.1节点主要芯片与电路介绍节点电路主要选取如下电路和器件完成硬件电路的设计，分别是cc2530单片机模块、ad电路的tlc549、电源转换电路的tps79533、报警电路、led显示电路和传感器。1 cc2530介绍cc2530 单片机是兼容 ieee 802.15.4和rf4ce应用的真正解决方案，能够支持ieee 802.15.4 以及zigbee、zigbee pro 和 zigbeerf4ce 标准39。超低的制作成本就能建立一个庞大的网络节点是其主

46、要的特点。 cc2530集成了2.4 ghz的射频收发器、加强型工业标准的8051 mcu、可达256 kb的编程flash、8 kb的ram，以及一套普遍适用的外设接口。其中包括有5通道dma、12位adc、2个usart、12位的adc和21个通用io接口40。cc2530 有cc2530f32/64/128/256四种不同的闪存版本，分别具有32/64/128/256kb 的闪存。cc2530 具有不止一种使用模式，因此它非常适应低功耗要求的应用的设计。同时，其模式之间很短的时延进一步保证了其低消耗的特点。图3-5所示为cc2530内部结构图19：图3-6 cc2530内部结构图中cc2

47、530的模块大致可以分为三类：cpu 和内存相关的模块、外设模块、时钟和电源管理相关的模块、无线电相关的模块。其中内存和cpu相关的模块主要如下：1) 中断控制器：包含了18个中断源，且分六个组，每个组与四个中断优先级其中之一相关。当设备从激活模式回到非激活状态时，任意的一个中断服务请求会被同意。2) 内存仲裁器：在cc2530中心，使用sfr总线让cpu 和dma 控制器和物理存储器还有全部的外设实现连接。它包含可四个内存访问点，每一次的访问都会反映到8-kb sram、闪存存储器和xreg/sfr 寄存器其中一个存储器。3) 8-kb sram：一个功耗很低的sram，即使数字部分没有在供

48、电的模式下，其内容也会被全部保存，这在低功耗应用中是非常重要的一部分。4) 32/64/128/256 kb闪存块：内部电路可编程的非易失性程序存储器的重要保证，它的数据映射到xdata 的存储当中。时钟和电源管理：能够使用多个模式提供电源，这样能增长电池的使用寿命，实现应用的低功耗运行41。外设模块主要如下：1) 调试接口：一个特定的两线串行接口，内部电路调试时使用。2) i/o控制器：负责所有通用i/o引脚。用配置外设模块的方式，cpu可以控制特定的一个引脚。一个引脚定义输出或者输出。cpu 中断可以分别在每个引脚上使能。外部设备如果连接到i/o 引脚，就可以在i/o 引脚的输出或输入选择

49、，极大的保证了应用程序的灵活性。这部分还包含了一个dma控制器，它具有5个通道，多种功能。还有一个xdata存储空间，使用者写可以访问所有的雾里存储器。3) mac定时器：特定支持ieee 802.15.4 标准的mac或另外的时槽的协议。4) 睡眠定时器：功耗很低的一种定时器，用于实现低功耗应用的需求。5) adc：支持7到12位的分辨率，分别在30 khz或4 khz的带宽。6) 随机数发生器：通过16 位lfsr 发出伪随机数，伪随机数是可以被处理器直接使用或者被cpu直接提取。随机数也可以产生随机密匙，主要用于一些安全设置方面。7) 2个串口：分别被配置为一个spi主或和从或一个uar

50、t。能够为rx和tx提供双缓冲，以及硬件流的控制，对于高吞吐量的全双工应用是一个很好的选择。而且2个串口都有自己的一个高准确度波特率发生器，这样，当普通定时器空闲出来的时候，可以用在其他方面。无线设备:cc2530 具有一个ieee 802.15.4 标准兼容的收发器和rf 内核控制模块。同时还包含了一个mcu ，通过接口可以与无线其他设备互连。2 供电电路因为cc2530模块的工作电压是3.3v，而系统的电源电压设计是5v，因此使用tps79533构建一个电压转换电路，将系统的电压转换为3.3v，tps79533的低功耗电压调节器具有高电源抑制比，超低噪音，快速启动等优点，同时其采用了先进的

51、、专有的双cmos制造工艺，产生极低压降电压（比如110mv、500 ma）42。而且每个设备可实现快速启动，并且功耗都非常低。此外，当设备被置于待机模式下，电源电流被降低至小于1微安。如图3-7所示为供电电路原理图：图3-7 供电电路的原理图3 直线位移传感器介绍本课题采用直线位移传感器是马尔传感器，它在原理上属于线绕电位器式位移传感器一类,绕线电位器主要是使用电阻丝烧制在绝缘的基础架构上,使用移动的电刷来形成与滑动点电阻之间一个对照的输入改变。电刷首先置于待测量位移部分，通过拖动来产生位置变化,输出的是电压或者电阻，他们一般与位移成一定的比例关系。线绕电位器长处：结构简单、使用方便41。直

52、线位移传感器的功能主要在于把直线机械的位移量转换成模拟的电信号，其工作原理图如图3-8所示：a b之间是用均匀电阻丝缠绕形成的电阻，当c点压缩或者拉伸时，bc间的电阻就会变小或者变大，从而使传感器的输出电压发生变化，通过输出电压的变化就能使用公式测出位移量的变化。图3-8 位移传感器原理图假设把b点作为参照点，则电压和位移的转换公式可以表达成其中位移量，uab传感器的输出电压，t单位电压的位移变化，0初始的电压为0。4 ad转换电路利用直线位移传感器的电阻变化产生的输出电压是一个模拟量，而cc2530是一个接受数字量的片上系统，所以必须对检测的数据进行一个ad（模数）转换。如图3-9所示，tl

53、c549是ti公司前几年采用了cmos工艺设计的一款8位 a/d转换器，其成本低、性能高而且其实现a/d转换的方法是通过8位开关电容逐次的逼近，所以其转换速度非常快。转换延迟在理论上不会超过17us、可以达到 40000hz的转换速度、拥有4mhz的时钟、额定电压为4v左右。能够方便地采用三线串行接口方式与各种外部微处理器连接，是各种低成本的应用系统很好的选择。图3-9 ad转换电路原理图5. led液晶显示电路液晶显示屏作为下位机部分一个直观的有效的系统显示模块，在系统运行时中不但可以显示系统的运行状态和监测数据，还能作为测试系统的一个重要反应模块，以便能够准确的把握系统的运行情况。系统中在

54、协调器和位移终端节点上都使用了液晶显示，将节点的通信数据以及系统运行情况直观呈现出来41。设计中液晶显示器选择的是显示信息更加完整体积更小的128*64点阵液晶模块ocm12864-9。同时为了cc2530模块的i/o口资源能够用于更多的开发，系统还使用了74hc595作为液晶的驱动芯片。74hc595寄存器有一个串行移位输入、一个串行输出、一个异步的低电平复位。存储寄存器还包含一个并行8位的具备高电平、低电平和高阻抗输出状态三态总线。100mhz的移位频率可以被直接清除。液晶模块的原理图如3-10所示：图3-10 液晶显示模块原理图6. 报警电路报警电路作为一个警示设备，主要是在系统测试的位

55、移超过设置的上限时使用蜂鸣器或者闪光灯对使用者进行报警，本系统主要测的是位移，因此设计了一个简单的蜂鸣器报警系统，由于蜂鸣器长期工作发热会过大，因此加了一个保护电阻。其原理图如图3-11所示:图3-11报警电路原理图3.3 节点的软件开发在无线位移检测系统的下位机节点设计中，除了节点电路的设计和pcb板的设计之外，还有很重要的一部分就是cc2530单片机程序的设计，通过系统的需求分析可以知道，cc2530内部程序的编写主要实现三个功能，分别是实现协调器节点和上位机之间的串口通信、协调器节点到位移终端节点的数据接收以及位移终端节点到协调器节点的数据发送。其他的主要是一些显示功能和输入输出等。3.

56、3.1 节点软件开发环境和协议栈介绍1. 程序编译环境介绍本次系统的位移节点和协调器节点的软件编译选择的是iar embedded workbench（iar嵌入式工作平台）40。iar embedded workbench是一个专门为微处理器而开发的集成开发环境，由瑞典的一个嵌入式系统开发工具和服务供应商iar systems而设计，支持cc2530、arm、msp430等众多芯片内核平台。embedded workbench arm 中包含有一个全软件的模拟程序(simulator)，任意的arm 内核、外部设备和中断的软件运行事件都可以使用模拟程序去模拟，并且不需求任何外部硬件。iar

57、embedded workbench可以在多种微型处理器和控制器上良好运用。无论8位、16位还是32位的。使用者即使在开发新的应用时也能在同样相似的环境中操作。同时它还为用户提供了一个简单易懂的学习环境，而且还包含了一个大量的代码继承功能。能够支持大部分以及一些特殊目标的运行。嵌入式 iar embeddedworkbench 主要特点如下：1) 大程度简化的 iar avr c/c+交叉编译调试器2) avr iar 汇编器3) 通用 iar xlink linker4) iar xar 库创建器和 iar xlib librarian5) 强大的编辑器 6) 工程管理器7) 国际领先水平的tm iar c-spy 调试器8) 命令行实用程序2. 软件开发的协议介绍本次的下位机节点的设计主要是基于zigbee而构建的，在软件开发方面，选用zstack协议栈帮助完成节点应用软件的开发。zstack协议栈是有行业巨头ti公司开发