无线传感器网络课程设计-基于ZigBee的大棚温湿度监控系统

1、WSN课程设计说明书 基于ZigBee的大棚温湿度监控系统学 院： 计算机科学与工程学院 专业班级： 物联网（13-2）班 学 号： 2013303066 学生姓名： 指导教师： 2015年11月8日目录1. 背景12. ZigBee传感器网络12.1 ZigBee技术概述12.2 Zigbee协议栈结构22.3 ZigBee无线传感器网络中的不同设备类型42.4 ZigBee网络拓扑结构53. 系统硬件设计83.1 系统的整体介绍83.2 系统硬件介绍94. 系统软件设计124.1 ZigBee集成开发环境134.2 ZigBee协议栈组网过程134.2.1 建立自己的协议找144.2.2

2、终端节点发现网络154.2.3 终端节点加入网络164.2.4 串口通信174.2.5 上位机软件的设计185. 总结186. 参考文献191. 背景众所周知，农作物的生长受温湿度的影响很大。在温室大棚中，温湿度对于蔬菜的品质和产量更是至关重要。所以，要不断监控大棚中的温湿度，以保证蔬菜时刻处于适宜的生长环境。传统的温湿度监控是在温室大棚内部悬挂温度计和湿度计，通过读取温度值和湿度值，然后与蔬菜最适宜生长的温湿度进行比较，看温湿度是否过高或过低，然后进行相应的通风或者洒水。这种方式费时费力，尤其对于有较多大棚的蔬菜种植基地，更是相当麻烦。为了能轻松地获取每个大棚内温湿度，可以利用ZigBee技

3、术，对各个大棚内的温湿度进行实时监控，然后将温湿度信息传输到PC端，这样，农户就可以足不出户地了解各个大棚内的温湿度情况。2. ZigBee传感器网络2.1 ZigBee技术概述ZigBee是基于IEEE802.15.4协议的短距离、低功耗、低成本的无线通信技术。在2000年12月,电子和电器工程师协会成立了 IEEE802.15.4工作组,它定义了一种无线连接技术,这个技术的特点是低成本、低速率、固定的、极低复杂度的,zigbee也过这种技术来命名的,但是zigbee这个名字来源于蜂群传递花粉信息所使用的通信方式,蜜蜂通过形状像zigbee的舞蹈来告诉别的同伴食物源的位置、方向和距离等信息。

4、所以zigbee这个名字也就产生了。在标准化方面,zigbee联盟负责高层的应用和测试,而底层协议是由IEEE802.15.4工作组来制定的,比如说物理层和MAC层的协议都是由这个工作组来指定的。在2003年,发布了正式的IEEE802.15.4标准,芯片和产品都已经面世了,zigbee联盟发展也相当迅速,在2003版的IEEE802.15.4标准发布后,2005年6月27日,就公布了第一份zigbee规范“ZigBee Specification vl.O”,在2006年底改进版本的zigbee规范,使得各个国家也争相开始研究zigbee技术。目前由于zigbee技术低成本的特点显著,它的发

5、展速度是非常快的,研究的人也越来越多了。远远超过了比它早出现的一些无线技术,比如说蓝牙等。它不仅在工业农业、军事、环境、医疗等传统领域具有较高的应用价值,而且在未来其应用更将扩展到涉及人类日常生活和社会生产活动的所有领域。2.2 Zigbee协议栈结构Zigbee协议栈定义了四层。物理层和媒体访问控制层由IEEE802.15.4-2003定义，上层的网络层和应用层由Zigbee联盟定义。应用层分别包括ZDO（Zigbee设备对象），APS（应用支持子层）和AF（应用框架）组成。Zigbee协议栈每一层负责完成所规定的任务，并且向上层提供服务，各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务。图2.

6、1 ZigBee协议栈结构图1) 物理层物理层由半双工的无线收发器及其接口组成，主要作用是激活和关闭射频收发器；检测信道的能量；显示收到数据包的链路质量；空闲信道评估；选择信道频率；数据的接受和发送。2) 媒体访问控制层媒体访问控制（MAC）层建立了一条节点和与其相邻的节点之间可靠的数据传输链路，共享传输媒体，提高通信效率。在协调器的MAC层，可以产生网络信标，同步网络信标；支持Zigbee设备的关联和取消关联；支持设备加密；在信道访问方面，采用CSMA/CA信道退避算法，减少了碰撞概率；确保时隙分配（GTS）；支持信标使能和非信标使能两种数据传输模式，为两个对等的MAC实体提供可靠连接。3)

7、网络层基于底层的可靠通信，提供路由、路由发现、多跳、转发的功能。Zigbee网络可以组成星型、簇树型或MESH型网络。对于终端节点而言，网络层的功能只是加入和离开网络；对于路由器而言，网络层的功能是信息的转发，路由发现，建立和维护路由表和邻居表，以及构造到某节点的路由任务；而协调器网络层的任务主要包括启动和维护网络正常工作，为新加入的节点分配网络地址。4)应用层应用层包括三部分：应用支持子层（APS）、Zigbee设备对象（ZDO）和应用框架（AF）。应用支持子层的任务是提取网络层的信息并将信息发送到运行在节点上的不同应用端点。应用支持子层维护了一个绑定表，可以定义、增加或移除组信息；完成64

8、位长地址（IEEE地址）与16位短地址（网络地址）一对一映射；实现传输数据的分割与重组；应用支持子层连接网络层和应用层，是它们之间的接口。这个接口由两个服务实体提供：APS数据实体（APSDE）和APS管理实体（APSME）。APS数据实体为网络中的节点提供数据传输服务，它会拆分和重组大于最大荷载量的数据包。APS管理实体提供安全服务，节点绑定，建立和移除组地址，负责64位IEEE地址与16位网络地址的地址映射。Zigbee设备对象负责设备的所有管理工作，包括设定该设备在网络中的角色（协调器、路由器或终端设备），发现网络中的设备，确定这些设备能提供的功能，发起或响应绑定请求，完成设备之间建立安

9、全的关联等。用户在开发Zigbee产品时，需要在Zigbee协议栈的AF上附加应用端点，调用ZDO功能以发现网络上的其他设备和服务，管理绑定、安全和其他网络设置。ZDO是一个特殊的应用对象，它驻留在每一个Zigbee节点上，其端点编号固定为0。 AF应用框架是应用层与APS层的接口。它负责发送和接收数据，并为接收到的数据寻找相应的目的端点。2.3 ZigBee无线传感器网络中的不同设备类型用zigbee技术组建的无线个域网的特点是传输数据速率很低,按照其各自的功能分:网络中有三种设备,可以分为路由器节点、终端节点和协调器节点。协调器节点是建立网络者,同时也在管理者它的网络,它是整个网络的领导者

10、,肩负着允许和拒绝节点加入网络的权力。路由器节点是中继节点,主要有转发数据的功能,而终端节点数量较多,一个网络理论上可以有65536个节点,包括路由器和协调器,可见终端节点的数目巨大,终端节点主要是负责釆集数据,然后通过zigbee协议传给路由器或协调器。此外,网络中器和路由器。就是具有完备功能的设备,功能很全。半功能设备是中终端设备,也就是只具有部分功能的精简设备。也就是说全功能设备可以用来当做半功能设备来用,但是半功能设备不能当做全功能设备来用。在通常意义上业界把设备分为三类:它们分别是协调器Coordinator)> 路由器(Router)、终端设备(End Device)。1)

11、协调器(Coordinator):ZigBee网络协调器设备在ZigBee网络中具有建立网络和管理网络的功能,它也是该无线网络中的第一个设备,而且一个网络只有一个协调器,其他终端节点要加入或者退出网络都要经过它的允许。建立.网络首先要发送原语,第二选择空闲的信道和合适的信标,这样就组建了 ZigBee无线传感器网络,协调器在网络中的作用是举足轻重的,肩负着整个网络的运行。它一旦出了问题,那么整个网络即将瘫痪。2)路由器(Router):路由器在无线传感器网络中也可以叫做中继节点,他只是负责数据的转发。把从传感器节点接收到的数据发给协调器,或者把协调器发来的指令发给传感器节点。在ZigBee的网

12、络中,路由器也叫做网络的中转站,主要用于多跳中继通信,具备路由功能。路由器在ZigBee网络中也是一个较小网络的管理者,管理者它下面的若干个终端节点。有时候区分协调器和路由器只是在硬件配置上有所不同而已。3)ZigBee 终端设备(End Device):ZigBee终端设备在无线网络的最末端,它一般带有各种传感器,负责采集各种信息,采集到后再通过射频模块发送给路由器或者直接发送给协调器。它在ZigBee网络中三个逻辑设备中唯一一个半功能设备,但是它是整个信息的来源,可见它在网络中也是非常重要的。在大的网络中,会存在很多个终端设备,所以要合理优化布置终端节点。2.4 ZigBee网络拓扑结构星

13、型网、网状型网络网络、树形网络是在ZigBee网络中三种常见的网络拓扑结构类型。星型网络是三种网络中结构最简单的一种网络,它是一个福射状的系统,当协调器建立网络后,其他的节点都要和协调器直接通信,而且它们之间互相不通信,所以任何一个路由器或者终端设备故障了,那么它就断开网络了,导致了这个网络的可靠性不是很高,但是成本低,便于管理,当有少数节点的时候适合使用这个网络,但是这个网络的覆盖范围太小了,如果是大范围大面积的网络用这个网络就不合适的。图2.2为星型网络拓扑结构,其中协调器:Coordinator,路由器:Router,终端设备:End Device。图2.2 星型网络拓扑结构树状拓扑网络

14、中包含一个协调器、若干个路由器、若干个终端节点,它是在较简单的星状拓扑网络的基础上展开的,该种拓扑网络有一个核心节点(协调器)发起网络,然后会有若干个路由器节点加入该网络中,构成一个“树干型”的网络,然后在树干的末端就是所谓的“叶子”节点,也就是终端节点。如果某个路由器出了故障,那么在这个路由器下面的子节点都将离开网络,处于瘫痪状态。也就是说叶子节点不能与协调器直接通信,要通过它的父节点路由器来转发数据才能通信。树型拓扑是复杂度介于网状型网络网络和星型网络之间的一种拓扑结构。为了支持网络功能,首先,树型网络必须提供动态地址分配机制,以便新加入的节点能连接到网络上,并且被其他已有节点所认可。其次

15、,为保证信息向前发送,树型拓扑中每个节点必须根据信息的发送和接收者做出简单的路由选择。最后,树型网络要提供可配置的范围属性,这个范围属性包括树型结构的最大层数和允许子节点的最大个数。树形网络主要应用在简单的低数据传输速率的传感器网络中,也可以很好的用在无线电环境中。树型网络拓扑结构如图2.3所示:图2.3 树型网络拓扑结构网状型网络是三种网络中灵活性最好、抗干扰能力最好、结构最复杂的一种网络。与树型网络不同的是,网状型网络网络内的路由器之间还存在许多路由器,这些冗余的路由器为终端节点传输数据提供了更多的路径,当网络中某些节点出现故障时,终端节点可以找到另外的路径跟协调器通信,实现了网络的自组织

16、、多跳、自愈的功能,提高了网络的可靠性和稳定性,但是硬件消费就比较大了。网状型网络最主要的一个特点是结构复杂,这个网络中一般由若干个全功能设备和许多半功能设备一起构成了大型的网络,在这个大型的网络中,一个优化的路由算法是非常重要的,既可以使传输更加快捷,而且可以节约能源。此外,网状的拓扑网络还具有非常高的安全保密机制,当在传输过程中,受到某种噪声、电磁波等的干扰,那么它会选择另外一条路径来传输数据,避幵这种干扰。因此,网状型网络比较适合在覆盖范围大的网络中使用。网状型网络结构如图2.4所示:图2.4 网状型网络结构3. 系统硬件设计3.1 系统的整体介绍本系统由数据汇聚模块（协调器），温度传感

17、器模块（终端节点）和上位机三部分组成。数据汇聚模块负责组建Zigbee网络，完成温度传感器模块与上位机（PC）数据的透明传输；温度传感器模块负责采集、存储、上传温度数据。数据汇聚模块通过RS-232串口与上位机相连。上位机有监控界面可以测环境温度（传感器模块位置在数据汇聚模块的网络覆盖范围内），多个传感器节点置于不同的监测区域，每个传感器节点把数据传给汇聚节点，在汇聚节点完成数据融合，然后汇聚节点把数据通过串口传给上位机做进一步处理并显示给用户。上位机监控界面需要显示所有温度数据的地址，温度数据的大小及温度变化趋势。温湿度检测系统总体结构图如图3.1。 图3.1温湿度检测系统总体结构图3.2

18、系统硬件介绍本系统的数据汇聚模块(协调器)和温湿度传感器模块（终端设备）的主芯片采用TI公司的CC2530。CC2530是一个真正的系统芯片（SOC）COMS解决方案，这种解决方能够降低成本，提高性能，并满足以ZigBee为基础的2.4 GHz ISM波段应用低功耗的要求。考虑到温湿度传感器模块工作时，需要将采集的温湿度信息和时间信息存储，故扩展外部FLASH芯片ST-M25PE16和时钟芯片S35190A。在天线设计方面，使用了TI的参考设计方案反向F型天线。1） 温湿度传感器模块CC2530 CC2530包括了1个高性能的2.4 GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和1个8051

19、控制器，它具有32/64/128 kB可选择的编程闪存和8 kB的RAM，还包括ADC、定时器、睡眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路和21个可编程I/O引脚，这样很容易实现通信模块的小型化。CC2530是一款功耗相当低的单片机，功耗模式3下电流消耗仅0.2A，在32 k晶体时钟下运行，电流消耗小于1A。图3.2 CC2530芯片脚位图2）温湿度传感器模块Flash存储芯片存储器ST-M25PE16是4线的SPI通信模式的FLASH，它可以整块擦除，最大可以存储2M个字节。工作电压为2.7v到3.6v。3）温湿度传感器模块DHT11DHT11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器,

20、它应用专用的数字模块采集技术以及温湿度传感技术,确保产品非常可靠和具有长期稳定性。传感器包括一个NTC温元件和一个电阻式感湿元件并和一个高性能8位单片机连接，因此该声品具有超快响应、品质卓越、抗干扰能力强、性价比超高等一些优点。DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中校准过,校准系数以程序的形式存在OTP内存中,传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。传输数据用的是单线制串行接口,使系统集成变得简便快捷。超小的体积、极低的功耗,信号传输距离在20米以内时,需要用5k的上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。产品为4针单排引脚封装,连接方便。其实物图如下：图3.3 D

21、HT11实物图4）温湿度传感器模块时钟时钟芯片S35190A是超低功耗的3线CMOS实时时钟IC。工作电压为1.3v5.5v，最低计时工作电压为1.1v。它有内置到2099年为止的自动日历，具有润年自动运算功能，可以定时产生中断。5）温湿度传感器模块反向F型天线采用TI公司公布的2.4GHz倒F型天线的参考设计。天线的最大增益为3.3dB，天线面积为25.7×7.5mm。该天线完全能够满足CC2530工作频段的要求（CC2530工作频段为2.400GHz2.480GHz）。3.2.3数据汇聚模块（协调器）数据汇聚模块主要由CC2530和串口电平转换芯片MAX232组成。CC2530主

22、要负责收发数据。时钟芯片主要负责为温度数据提供时间信息。对于上位机和温度传感器模块来说，数据汇聚模块是透明的，它只负责将上位机发送的命令通过无线的方式转发给温度传感器模块；还有将温度传感器模块上传的温度数据及时间信息按照一定的格式转发给上位机。协调器实物图如下：图3.4 协调器实物图4. 系统软件设计系统软件设计是在硬件的基础上进行相应的软件开发,实现传感器采集数据、发送数据到相应的设备和上位机显示数据等功能。系统软件设计按照实现功能的不同可以划分为终端设备数据采集、协调器设备数据管理和上位机显示软件设计3大部分。软件总体框图如图4.1所示。图4.1 软件总体框图4.1 ZigBee集成开发环

23、境IAR System公司在嵌入式系统开发领域一直处于世界领先的水平。公司成立于1983年,迄今已有29年,它所提供的产品和服务涉及到嵌入式系统开发的每个环节,此外还包括了带有C/C+交叉编译环境和调试器的集成开发环境(IDE),它支持很多种不同的微处理器,给它们提供一样直观的用户界面。到目前为止它可以支持35种以上的8位/16位/32位ARM微处理器结构。因此在硬件设计的基础上,我们使用IAR作为软件开发的工具。该集成编译器的主要特征有: 1)高效的PROMable代码。 2)具有非常完善的C语言开发体系。 3)版本控制和扩展工具支持良好,还有便捷的中断处理。 4)内建对应芯片的程序速度和大

24、小优化器。 5)高效的浮点支持,工程中相对路径支持。IAR Embeded Workbench软件开发环境如图4.2所示。4.2 ZigBee协议栈组网过程ZigBee网络实现的大致步骤为:首先协调器建立网络,然后是终端节点发现网络,第三是终端节点申请加入网络,协调器响应该请求,最后是节点间开始进行数据通信。图 4.2 lAR Embeded Workbench 集成开发环镜4.2.1 建立自己的协议找在ZigBee的设备中,只有全功能设备才能发起网络,协调器在CC2530完成初始化后通过原语的方式发起网络。它有拒绝和允许节点加入网络的权力,然后把各个节点的数据采集汇总后发给上位机显示出来。协

25、调器发起网络由功能函数VoidZDO_NetWork_Formation(byteLogicalType,devStartModes_t StartMode,byte BeaconOrder,byte SuperframeOrder)来实现组建无线网络。新网络建立时协调器的工作流程图如图4.3所示。 图4.3协调器建立网络流程图4.2.2 终端节点发现网络终端节点也就是本文系统的传感器节点,能够自动收集环境数据,经过或者不经过路由器把数据传输到协调器。能够接收、执行来自协调器的命令。当网络成功建立后,协调器会通过查询的方式一直等待传感器节点给它发送原语请求,原语请求的程序代码是NLME_NET

26、WORK_DISCOVERY.request(ScanChannels,ScanDuration)。ScanDuration参数表示建立网络所在的信道,ScanDuration参数表示的是找到信道所花费的时间。如果在扫描信道的期间有活动的网络在运行,就接收此网络的信标巾贞,并获得它的PANID值和判断是否和本身网络绑定的值相同,假如相同,那么MAC层就向网络层发送MLME_BEACON_NOTIFY.indication原语,从而MAC层就会生成一个信道扫描确认原语MLME_SCAN.confirm。 再根据反馈回来的扫描结果生成发现网络的原语,语法如下:NLME_NETWORK_DISCOV

27、ERY.confinn(NetworkCount,NetworkDescriptor,Status）接着应用层会接收到网络层发的这个确认信息,然后判断该参数是否返回SUCCESS,如果是,就说明己经找到了协调器节点,也就是发现了协调器建立的网络了。4.2.3 终端节点加入网络这个系统的温湿度采集传感器节点上电启动，它将会主动扫描指定的频道，并且向协调器发出入网请求和尝试加入网络，如果不成功，则将再次扫描加入网络。加入成功后，就到协调器分配的网络地址，当它没有任务时就进入休眠状态，以降低系统功耗，增加使用时间，当任务出现时，唤醒系统，传感器节点会每隔一定的周期采集、读取周围环境温湿度值，并将数据

28、打包传给就进的父节点。如果传输成功，将会再次进入休眠状态，如果不成功，需要重新传输数据，直到成功为止。终端设备通信流程如图所示。图4.4 终端设备通信流程4.2.4 串口通信下位机与上位机的通信一般来说用的是串口通信,其他的有I²C总线通信通信方式等,串口通信是最普遍的一种通信方式。在这里底层釆集传感器节点和协调器的通信用的是ZigBee协议通信,而协调器和计算机的通信用的是串口通信。USARTO、USART1是CC2530两个串行通信接口,它们能够分别运行于异步UART模式和同步SPI模式,但一般使用UART模式。串口的编程主要考虑如何提高通信的可靠性,降低误码和错误。一般来说,串口通信由于距离非常短,误码率就比较低。容易出现的问题在于:发送端在发送数据时,接收端正忙着做其他的事情,或者关闭了中断,而串口的缓冲区SBUF只有一个字节,如果数据如果不及时提取到内存,就会被后来的数据填充掉,造成数据丢失。较好的解决方案是在通信中加上握手和校验。我们在做串口发送时一般只需要将数据依次送到SBUF中,八位八位的送,串口会自动识别自动发送,发送完毕后给出中断。接收方当收到一个字节后也给出中断,主程序提取数据也在中断中完成,另外也可以通过查询的方式来实现提取数据。在本例中,将在内存中建立一个队列式的