基于zigbee的智能温室数据采集系统

1、齐齐哈尔大学毕业设计(论文)齐 齐 哈 尔 大 学毕业设计（论文）题 目 基于Zigbee的智能温室数据采集系统 学 院 通信与电子工程学院 专业班级 物联网工程112班 学生姓名 邓成瑶 指导教师 张 鹏 成 绩 2015年 6月 15日摘 要无线传感器网络是当今备受关注的前沿热点领域，被评为未来高科技的三大产业之一。Zigbee技术是一种短距离、低速率、低功耗、低成本和可靠性高的无线通信技术，主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，十分适合担当组织无线传感器网络的重任，这些特点使得该技术弥补了低功耗、低成本和低速率的无线通讯市场的空缺，其应用前景被十分看好。本文研究分析Zi

2、gbee技术的基础理论，剖析Zigbee技术的组网方式，结合国内目前已有的传感器技术，提出了用于采集温室环境数据的传感器网络系统方案。通过Zigbee无线通信技术构建一个无线传感器网络。系统由传感器节点、路由节点、中心节点和上位机监测平台组成。系统采用树型网络拓扑结构，对加入该网络的传感器节点进行温度，光照强度和雨水的数据进行采集和分析，将此应用于对农业里温室的环境检测和控制当中，避免了有线网络的布线问题和成本问题。关键词：Zigbee技术；无线传感器网络；环境监测AbstractWSN is a hot field in concern, was named one of the three

3、 future high-tech industries. Zigbee technology is a short distance, low rate, low power consumption, low cost and high reliability of wireless communication technology, mainly suitable for automatic control and remote control, you can embed a variety of devices, very suitable for the task as organi

4、zation of WSN, these characteristics make the technology for low power consumption, low cost and low rate wireless communication market vacancy, its application prospect is very optimistic. This is the theoretical analysis of Zigbee technology, analyzes the networking mode of Zigbee technology, comb

5、ining the domestic existing sensor technology, wireless sensor network system for greenhouse environment data acquisition scheme is proposed. Build a WSN through Zigbee wireless communication technology. The system consists of sensor nodes, routing node, central node and PC monitoring platform. The

6、system uses a tree topology, the temperature of the sensor nodes join the network, the light intensity and rainfall data collection and analysis, applied to the environment on agricultural greenhouse monitoring and control.Keywords:Zigbee technology; WSN; environmental monitoring目 录摘 要IAbstractII目 录

7、III第1章 绪论11.1 智能温室的研究背景11.2 智能温室的国内外发展现状21.3 本课题的目的及意义21.4 课题的主要研究内容31.5 论文安排及组织结构3第2章 智能温室系统技术概述52.1 Zigbee概述52.2 Zigbee体系结构52.2.1 星型网络拓扑62.2.2 树状网络拓扑72.2.3 网状网络拓扑82.3 Zigbee的协议栈研究82.3.1 物理层82.3.2 MAC层92.3.3 网络层102.3.4 应用层112.4 Zigbee技术与几种无线通信技术的比较122.4.1 Zigbee技术122.4.2 Wifi技术122.4.3 Bluetooth技术13

8、2.4.4 红外技术132.4.5 几种无线通信技术的参数比较13第3章 系统的硬件平台构建153.1 系统的整体结构153.2 系统硬件设计流程图163.3 系统的微处理器模块163.4 系统的数据采集模块173.4.1 温度传感器173.4.2 光照传感器183.4.3 雨滴传感器193.5 智能温室的串口通信模块193.5 系统的LCD显示模块203.5.1 LCD12864显示模块203.5.2 LCD12864显示模块电路图213.5.3 LCD12864初始化子程序流程图213.6 系统的供电模块22第4章 系统的软件系统设计244.1 系统软件设计244.1.1 STC12C5A

9、60S2系列单片机简介244.1.2 STC12C5A60S2系列单片机的内部结构244.2 节点程序设计流程与开发平台254.3 协调器节点的软件设计254.3.1 Zigbee数据收发模块254.3.2 LCD显示模块29第5章 智能温室系统的测试与调试结果425.1 系统的硬件调试425.1.1 光合作用部分测试425.1.2 雨水部分测试435.1 系统的整体测试44第6章 结论45参考文献46附 录48致 谢57III第1章 绪论1.1 智能温室的研究背景随着计算机技术和无限通信技术的快速发展以及人们生活水平的提高，传统的有线通信方式成本高、布线复杂且花费大量的人力物力，已经不能完全

10、满足人们的应用需要了。所以，无线通信技术由此出现。无线网络技术按照传输范围来划分，可分为无线广域网、无线城域网、无线局域网和无线个人域网。无线个人域网也叫做短距离无线网络，比较普遍的短距离无线网络传输技术有：Zigbee、Wifi以及Bluetooth也就是人们常说的蓝牙等组成。在家庭自动化、军工领域和工业控制领域中，Bluetooth虽然成本较低，成熟度高，但是由于其仅有10的传输距离来说，Bluetooth可以参与组网的节点太少。Wifi虽然在传输速度方面速度较快，传输距离可达到100米，但是其价格高，功耗大，所以组网能力偏差。相比之下Zigbee技术则是主要针对低速率、低成本和低功耗的无

11、线通讯市场，它具有如下特点（1）速率低：Zigbee工作在20250kbps的较低速率，分别提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20kbps（868MHz）的原始数据吞吐率，来满足低速率传输数据的应用需求。（2）成本低：由于Zigbee模块的初始成本很低，并且Zigbee的协议是免专利费的，采用直接序列扩频在工业科学医疗（ISM）频段，2.4GHz（全球）、915MHz（美国）和868MHz（欧洲），免执照频段。（3）功耗低：由于Zigbee的传输速率比较低，传输数据量较小，并且采用额休眠模式，因此Zigbee设备功耗很低，仅用两节5号电池就可以维持长时间使用。（

12、4）距离近。传输范围一般介于10100m之间，在增加发射功率后，亦可增加到13km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。（5）时延短。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要310s、WiFi 需要3 s。（6）容量高。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000 个节点的大网。（7）安全高。ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用访问

13、控制清单(Access Control List, ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。由于Zigbee技术具有以上所说的特点，因此Zigbee技术在短距离低速率电子设备之间的数据传说应用广泛。Zigbee联盟预测的主要应用领域包括汽车自动化、工业控制、消费性电子设备、农业自动化和医用设备控制等。1.2 智能温室的国内外发展现状Zigbee作为一种新兴的国际标准短距离无线通信协议，其协议栈体系结构是基于标准七层开放式系统1互联网参考模型（OSI），IEEE802.15.4-2003标准定义了下面的两层：物理层和媒体接入控制子层：网络

14、层、应用汇聚层、应用层都是由Zigbee联盟制订的。2002年，Zigbee联盟刚刚创立，创始者包括IC供应商、无线ip提供商、设备制造商、测试设备制造商和最终产品制造商等，这些企业能提供适应Zigbee的产品和解决方案。当前，我国已进入加快改造传统农业、走中国特色农业现代化道路的关键时刻，农业、农村经历着广泛而深刻的变革，世界范围也正在孕育一场新的农业科技革命，农业科技的支撑作用更加突出。2011年年初，国家“十二五”规划提出今后我国农业要走农业生产经营专业化、标准化、规模化、集约化道路；而在近日出台的2012年中央一号文件则继续聚集“三农”，并占用了半个篇幅涉及农业科技，可见国家依靠农业科

15、技创新、创业发展现代农业的决心。作为中原经济区的核心区，浙江省早在2005年就提出要优化蔬菜产业结构、加强蔬菜生产基地建设、提高蔬菜的产业化水平、加大科技投入和提高研发能力、加大蔬菜优良品种和先进技术的引进及推广力度；杭州作为中原经济区的节点城市，发展绿色无公害蔬菜得天独厚。随着全省经济的跨越式发展，要实现农业增效、农民增收，就必须着力建设高效特色产业，走规模化经营，实现农业现代化。去年，海勃湾区千里山镇团结新村兴建了一栋智能温室。该温室占地2880平方米，采用钢结构固定，喷灌、施肥、保温、通风，全部都实现了智能化操作。目前，智能温室里培育了白菜、蒜苗、辣椒、西红柿等果蔬，还有红掌、一品红等花

16、卉。1.3 本课题的目的及意义随着人们生活质量的不断提高及对生态环境和自身健康保护意识的增强，人们不再满足于对蔬菜数量的追求，而是追求安全、卫生的绿色蔬菜。绿色蔬菜是指按照特定生产方式生产，经专门机构认定，许可使用绿色食品标志的安全、优质蔬菜，是“绿色食品”的重要组成部分。绿色蔬菜避免了在传统蔬菜生产中因化学农药、化学肥料大量使用及深加工过程中对环境所造成的污染，提高了产品档次，增加了营养价值，满足了人们的饮食需要，加快了农业科学技术转化为经济效益的速度，带动和扩大了出口创汇蔬菜的发展，使生态效益、经济效益和社会效益有机地结合在一起。因此，发展绿色蔬菜是保障人民身心健康、造福子孙后代、增强人们

17、对环境保护意识的一件大事。在我国由于部分农作物对环境要求较高，一些地区无法在冬季室外栽培，大多采用大棚栽培，但对棚内的光照、温度和湿度等环境的控制要求比较高，传统的人工检测和调节难度较大。建立智能温室数据采集系统，可记录成长过程中所有的环境变量情况以及植物成长情况并由专家系统实现远程自动控制。实验测试表明，该系统在硬件与软件的配合下，能够实时、准确以及快捷地采集到远程农业相关数据信息，并可将采集到的环境信息无线传输到计算机，生成相应的曲线图及柱状图，通过专家系统云服务，精确设定最佳农事操作，使传统的粗放生产变为精细农作，达到科学种植的目的。由于农作物的质量与产量受种植环境优劣影响很大，因此农民

18、的收入一直难以稳定。这种系统可以让温室大棚智能化，能将大棚内环境信息及时反馈，并通过计算机调用专家系统，对温室环境的控制来调整农作物的长势，稳定农民的收益，甚至达到控制农作物生长周期，使得农作物提前上市获得更高经济效益的效果。现有的大多数智能温室系统的数据采集是通过采用人工实地记录方式或者通过有线数据远距离检测记录方式。2这两种方式都有明显的局限性，智能生态系统的环境温湿度参数对农作物有着重要的作用，为此采用新兴的zigbee网络技术设计智能温室大棚检测系统是很有必要的。1.4 课题的主要研究内容本文主要研究和利用了Zigbee技术和无线传感器网络技术来设计一个温室远程环境监测系统，对温室内的

19、温度、雨水和光照强度进行监测，从而达到温室智能化的管理。1.5 论文安排及组织结构本文的安排如下：第1章 绪论简单介绍设计的背景、目的和意义，以及国内外研究的概况和本设计的论文安排。第2章 主要说明了Zigbee协议机器网络基础和工作模式，另外还对zigbee与其他几种无线通信技术进行了比较。第3章 介绍了系统的整体结构，硬件方面的功能和配置。第4章 介绍了系统的开发环境，以及软件方面的功能。第5章 简单阐述了该系统的测试和调试过程。第6章 简单说明了我在设计过程中的个人心得以及遇到问题的总结。 第2章 智能温室系统技术概述2.1 Zigbee概述Zigbee是基于IEEE802.15.4标准

20、的低功耗局域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，3由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的、低速率和低功耗的近距离无线组网通讯技术。IEEE802.15.4协议是IEEE802.15.4工作组为低速率无线个人区域网(WPN:Wireless Personal Area Network)制

21、定的标准，该工作组成立于2002年12月，致力于定义一种廉价的，固定、便携或移动设备使用的，低复杂度、低成本、低功耗、低速率的无线连接技术，并于2003年12月通过了第一个802.15.4标准。随着无线传感器网络技术的发展，无线传感器网络的标准也得到了快速的发展。802.15.4标准定义了在个人区域网中通过射频方式在设备间进行互连的方式与协议，该标准使用避免冲突的载波监听多址接入以方式作为媒体访问机制，同时支持星型与对等型拓扑结构。在802.15.4标准中指定了两个物理频段和的直接扩频序列物理层频段:868/915MHz和2.4GHz的直接序列扩频(DSSS)物理层频段。2.4GHz的物理层支

22、持空气中250kb/s的速率，而868/915MHz的物理层支持空气中20kb/s和40kb/s的传输速率。由于数据包开销和处理延迟，实际的数据吞吐量会小于规定的比特率。作为支持低速率、低功耗、短距离无线通信的协议标准，802.15.4在无线电频率和数据率、数据传输模型、设备类型、网络工作方式、安全等方面都做出了说明。并且将协议模型划分为物理层和媒体接入控制层两个子层进行实现。2.2 Zigbee体系结构ZigBee技术与蓝牙类似，是新兴的短距离无线通信技术。它的优势在于它是一种低功耗、低速度、低成本的无线通信技术，4因此在很多领域上都可应用。ZigBee技术的体系结构主要包括Applicat

23、ion Layer应用层、Network Layer网络层、MAC Layer媒体接入控制层、PHY Layer即物理层，其结构如图2-1所示： 图2-1 ZigBee技术体系结构图ZigBee能够使用的频段有3个，它们分别为美国的915 MHz 频段、欧洲的868 MHz 频段以及2.4 GHz的ISM频段2.4 GHz的ISM频段，不同频段对应可使用的信道分别是10、1、16个。在中国采用的频段是2.4 GHz频段（免申请和免使用费的频段）。 采用直接序列扩频技术DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)，它的传输距离介于10m与75 m之间，这样能够增加R

24、F发射功率，使其高达500 m。它的传输速率为20到250 kb/s，对于传感器数据采集和控制的传输有一定优势。ZigBee技术具有强大的组网能力，可以形成星型网状网、树型网状网和MESH网状网。星状网络结构主要负责网络中设备的初始和维护工作，它主要由ZigBee协调器来控制网络。星状网中用于直接和协调器进行通信的其它设备叫做终端设备。在树状和网状网络中，网络和选择网络主要参数是ZigBee协调器主要负责形成的，然后再通过路由节点扩张到网络。2.2.1 星型网络拓扑其中星状网络拓扑结构图如图2-2所示。 图2-2星型网络拓扑结构图 星状网络拓扑结构是这样形成的。首先，为作为网络的PAN主协调器

25、，应选择一个具有全功能的设备（FFD），然后再由它来建立一个新的网络，以此来确定该网络的唯一的一个PAN标识符，即PANID号。在每个星状网络中，PAN主协调器只能是唯一的，因而每个星型网络的通信对于当前其他星型网络来说，都是独立的，所以，为保网络的唯一性，应该选择一个新的PANID号，这一特点是ZigBee技术所特有的。当新的网络由协调器建立了以后，5其他的各种设备也就可以加入到这个网络之中，用来做为这个星状网络的予节点。目前，星状网络拓扑结构的优点是其结构简单、实现起来比较容易等，因此它被大量应用在远程监测和控制上。星状网络结构的简单，主要可以从紧需要执行很少的上层协议、对路由功能的控制相

26、对容易等方面来体现，并且，最重要的是，它方便管理。管理工作大部分都是由PAN协调器来完成的。但是，它也存在缺陷，那就是只能实现简单的网络，所以在大规模组网的场合里是无法应用的，如果通信中遇到某个节点断开，对其他节点的通信会造成一定程度上的影响，从而无线网络的覆盖范围也会因此而受到限制了，同时，星状网络拓扑结构的高密度的扩展也很难实现。2.2.2 树状网络拓扑树状网络拓扑的结构如图2-3所示，协调器和路由器都属于FFD设备，RFD为终端设备。终端设备节点的特点是它只能与自己的父节点进行通信。 图2-3 树状网络拓扑结构图2.2.3 网状网络拓扑网状网络是一个自由设计的拓扑结构，它的网络优点是自愈

27、能力很强。其中网络中的所有节点都具有重新路由选择的能力，都是FFD设备，因此在网状网络中，节点间的通讯路径并不唯一。网状网络拓扑结构的适宜环境为比较复杂的环境。网络中的每个节点都是一个小的路由器，6都具有重新路由选择的能力，以确保网络最大限度的可靠性，可以看出网络中任意两个节点的通信路径不是唯一的。网形拓扑与星形、树形相比，更加复杂，其路由拓扑是动态的，不存在一个固定的路由模式。这样信息传输的时间更加依赖瞬时网络连接质量，因而难以预计。2.3 Zigbee的协议栈研究ZigBee协议结构前面已经有所介绍，下面将分别具体介绍。 2.3.1 物理层 物理层的任务是通过无线信道进行安全、有效的数据通

28、信，同时为MAC层提供数据和管理服务。物理层的主要功能有：休眠和激活射频收发器、选择通信信道、对当前信道进行能量检测、指示链路质量、清除信道评估以及无线数据的收发等等。 (1)工作频段和数据速率： ZigBee工作在ISM(Industrial Scientific and Medical)频段，即工业、科学、医学频段，该频段为免付费、免申请的无线电频段。在该频段上，ZigBee定义了三个工作频段，分别为：24GHz频段和91 5868MHz频段。其中24GHz是全球通用的ISM频段，有16个信道，数据传输速率为250kbps，采用的是16相位正交调制技术7(q-Offset Quadratu

29、re PhaseShift Keying，O-QPSK)；915MHz是北美的ISM频段，有10个信道，数据传输速率为40kbps；868MHz是欧洲的ISM频段，有1个信道，数据传输速率为20kbps，915868MHz采用的是带有二进制移相键控(Binary Phase-Shift Keying，BPSK)的直接序列扩频(Direct SequenceSpread Spectrum，DSSS)技术。在我国使用的是2.4GHz的频段。 (2)物理层帧结构格式 ：物理层协议数据单元(PHY Protocol Data Unit，PPDU)I扫用于数据流同步的同步包头(Synchronizati

30、on Header，SHR)、带有帧长度信息的物理层包头(PHYHeader，PHR)以及含有MAC层数据帧的载荷组成的。 2.3.2 MAC层MAC层的主要功能包括：协调器设备产生网络信标；与网络协调器产生的信标进行同步；PAN无线链路的建立、维护和断开；支持设备的安全性；信道接入采用冲突兔碰撞载波监听多址接入(Carrier Sense Multiple Access with Collision Aviodance，CSMACA)机制；预留时隙管理；在对等的MAC实体中提供一个可靠的链路等等。 如图2-4所示，MAC层通过两个服务接入点(Service Access Point，SAP)

31、为它提供两种不同的MAC层服务。即通过MAC层公共部分予层SAP(MAC Common Part Sublayer-SAP,MCPS-SAP)为它提供数据照务；通过MAC层管理实体SAP(MAC subLayer Management Entity-SAP,MLME-SAP)为它提供管理服务。这两种服务为服务协议汇聚层(Service Specific Converence Sublayer,sscs)和物理层之间提供了一个接口，这个接口通过物理层中的数据服务SAP(PHY DataSAP-PD-SAP)和管理实体服务SAP(PhysicalLayer Management Entity-SA

32、P,PLME-SAP)来实现的。除了这些外部的接1:3之强，在MLME和MCPS之闻还有一个隐含的接豳，该接口使得MLME可以使用MAC的数据服务。MAC公共部分子层MAC公共部分子层 MAC管理实体MAC层个域信息库MAC公共部分子层 物理层数据服务 接入点 物理层管理实体 图2-4 MAC层参考模型2.3.3 网络层网络层 (Network layer,NWK)主要负责网络拓扑结构的建立、维护、命名以及绑定等服务，并且它们协同完成寻址、路由和安全等这些必需服务。图2-5描述了网络层的构成部分及其各部分接口。 NLDE-SAP NLME-SAP网络层数据实体网络层管理实体 MLME-SAP

33、MCPS-SAP 图2-5 网络层参考模型 网络层的主要功能有两个：一个是提供一些可以让MAC子层正常工作的函数；另一个是为应用层提供合适的服务接口。其中，为了给应用层提供接口，网络层需要包含两个服务实体来提供必要的一些功能。这两9个服务实体分别为数据服务实体和管理服务实体。网络层数据实体(NWK layer data entity,NLDE)通过它相关的服务接入点NLDESAP来提供数据传输服务；网络层管理实体(NWK layer management entity,NLME)通过它相关的服务接入点NLME.SAP来提供管理服务。NLME会利用NLDE来完成一些管理工作，同时维护网络信息库(

34、Network Information Base,NIB)。 如图2-4所示，网络层分别通过MCPS-SAP和MLME-SAP为MAC子层提供接口，通过NLDE-SAP和NLME-SAP为应用层提供接口。除了这些外部接口之外，网络层在NLME和NLDE之间还有一个隐含的接口，允许NLME使用网络层的数据服务。 网络层功能描述： ZigBee网络层主要负责无线通信中网络节点的连接和断开、路由机制的选择以及网络地址的分配等等。基于ZigBee协议的通信网络中，所有的设备都必须有以下三种功能，具体包括：加入网络、离开网络和重新加入网络功能。 此外，ZigBee网络协调器和路由器还应该具备以下功能：

35、(a) 允许终端节点以如下方式加入网络，包括：通过MAC层的连接指示命令、通过应用层的连接请求命令以及重新加入请求命令； (b) 允许终端节点以如下方式离开网络，包括：通过网络层发送主动断开命令帧和应用层的离开请求命令； (c) 参与逻辑网络地址的分配工作； (d)进行维护邻居设备表工作。 最后，ZigBee协调器还应该具备建立一个新网络的功能，同时路由器以及终端节点在一个网络中应提供轻便支持。2.3.4 应用层ZigBee应用层(Application Layer,APL)主要包括应用支持子层(Application Support Sub-Layer,APS)、ZigBee设备应用以及Zi

36、gBee设备对象。下面将依次做简要介绍。 应用支持子层介绍：应用支持子层通过一系列的服务为网络层和应用层提供了一个接口，这些服务都是ZigBee设备对象和厂商自定义的应用对象所使用的。通过应用支持予层数据实体服务接入点(APS data entity service access point，APSDE-SAP)提供数据服务：通过应用支持子层管理服务接入点(APS management entity service access point，APSME-SAP)提供管理服务。其中APSDE为处予圊一个网络中的两个或多个应用实体间提供数据传输服务；APSME为应用对象提供各种管理服务，其中主要包

37、括安全服务和设备的绑定管理等等，同时它还负责维护管理对象的数据库，该数据库被称之为APS。具体应用层结构如图2-6所示。 APSME-SAP APSDE-SAP APSDE APSME NLME-SAP NLDE-SAP 图2-6 应用层参考模型2.4 Zigbee技术与几种无线通信技术的比较当今无线通讯领域由于其应用范围和要求不同，存在着许多种无线通讯技术，各种无线连接技术都有着各自的优势和不足，应用在不同的领域之中。目前应用的最为广泛的无线通讯技术有以下几种。2.4.1 Zigbee技术Zigbee技术主要用于近距离无线连接和家庭局域网络方面，其基础是IEEE802.15.4 协议，10该

38、协议规定了物理层和低层次的MAC层协议，网络层以上的协议和API的制定由Zigbee联盟负责进行标准化。工作频带为868/915MHz与2.4GHz,2.4GHz为无许可证频带，世界各地各个领域都可以使用，适合于低成本的Zigbee技术使用。其传输速度为10k-250kbps,相对于蓝牙技术的传输速度较慢，适用于对数据需求量小，速度要求不高的环境。并且具有以下几大特点：(1) 省电：两节五号电池支持长达半年到两年左右的使用时间；(2) 可靠：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用的 隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个Zigbee

39、网络中通过自动路由方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性； (3) 时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短； (4) 网络容量大：可支持达65000个节点；(5) 安全：Zigbee 提供了数据完整性检查功能，加密算法采用通用的AES-128；(6) 高保密性：64位出厂编号和支持AES-128加密。 2.4.2 Wifi技术无线局域网技术WLAN（Wi-Fi）,其技术标准为802.11，可实现十几兆至几十兆的无线接入。WLAN最大的特点是便携性，主要解决用户“最好100m”的通信需求，定位于人点地区的高速游牧数据接入，不支持高速移动性，主流应用是商务用户

40、在酒店、机场等热点使用便携电脑上网浏览或访问企业的服务器。WLAN制定有一系列标准，有802.11b/a/g/n等。使用WiFi的缺点包括功耗大、成本高、协议开销大、需要接入点。目前在一个器具上增加WiFi至少需要15美元。Bluesoft标记的价格是65美元。虽然成本还会下降，但近期仍只能用于跟踪价值较高的资产。一个仓库可能只会把Bluesoft标记用于它的铲车，而不会用于铲车搬动的箱子。Wi-Fi是一个无中继转发能力的单跳网，器具只能连接到接入点（AP）。AP之间的链接、AP与其他网络的链接往往通过常规的有线以太网。如果已经用于其他以太网业务的同一布线再用作WiFi回传，就需要进行认证或者

41、把WiFi无线数据包隔离开。要不，你就不得不安装新的缆线和交换机。现在，需要新兴公司正在推进Wi-Fi网状网，其内AP被用作路由器，彼此自动发现，可经过几跳转发业务。但网状网结构主要涉及用于室外，在AP之间要求视距，使他们更适用于服务提供商，而不是企业。随着低速率应用市场需要的不断增长，Zigbee和Wi-Fi系统共处的可能性越来越大，但是由于两者都主要工作在2.4GHZ的ism频段，他们不可避免的会产生相互干扰，所以Zigbee和Wi-Fi之间的共存是一个待需解决的问题。2.4.3 Bluetooth技术Bluetooth技术是1994年爱立信公司首先提出的一种短距离无线通讯技术规范，能够在

42、设备间实现方便快捷、灵活安全、低成本、低功耗的数据和语音通讯，是目前无线局域网的主流技术之一。其工作标准为IEEE802.15.4工作频带为ISM2.4GHz，在该频带上有79个信道，可以随时更换频道以防止干扰，传输速率为723.1kbps. 当发射功率为1mW时，其通信距离可达10m；发射功率为100mW时，通信距离可达100m.Bluetooth技术采用灵活的无基站组网方式，在这种组网方式下，每一个Bluetooth设备都能够同时和7个设备进行通信，而且支持点对点与点对多点的通信方式，在点对点的通信方式下，Bluetooth技术采用密码核对方式进行通信，及通信的两个设备需要进行设置相应的密

43、码进行配对，大大增加了数据传输的安全性。该技术广泛应用于现在如手机、PDA、台式机电脑和笔记本电脑等主流消费性产品当中。2.4.4 红外技术红外技术（IrDA,Infrared Data Association)是制定于1993年的一种短距离无线通讯标准。采用波长850nm的红光作为传输介质，采用点到点通讯方式，通过红外光脉冲和电脉冲的转化实现通信，通讯距离在1米以内，传输速率为16Mbps,是一种代替传统线缆传输的有效通讯方式。但因其传输距离有限、传输方向局限大等特点，在应用上受到了很大的限制。2.4.5 几种无线通信技术的参数比较表2-1给出了本文介绍的集中无线通讯技术的基本参数和比较。名

44、称工作频段传输速率（mbps）功耗传输方式安全方式支持组织主要用途Zigbee868MHz915MHz2.4GHz 0.02 0.04 0.251-3mW点到多点AES128Zigbee联盟家庭网络红外850nm 1.51-10mW点到点无IrDA近距离遥控Bluetooth2.4GHz 11-100mW点到多点点到点120位密钥Bluetooth SIG个人网络Wifi2.4GHz 1160-70mW点到多点WEP加密WIFI联盟局域网 从表2-1中我们可以看出其他无线通信技术都只有一种工作频段和单独的传输速率，只有Zigbee可以在多种频段下工作并且可以有多种传输速率；在功耗方面也是Zig

45、bee独占鳌头；并且在传输方式、安全方式、支持组织和主要用途多方面来看，Zigbee是最适合本次课题的。第3章 系统的硬件平台构建3.1 系统的整体结构根据室内环境与ZigBee技术的特点，本文设计的基于ZigBee技术的室内环境监控系统主要由多种传感器节点、路由器节点、网关节点与协调器软件组成。其中，网关节点与传感器节点分别充当ZigBee网络中的协调器节点与端节点的角色，11协调器软件通过与主模块进行通讯，可以实时了解室内环境的相关参数及进行手动调节。本文设计的室内环境监控系统的结构图如图3-1所示： 图3-1 监控系统结构图 由上图可知，在本系统中，传感器节点主要负责数据的采集与发送；路

46、由器节点主要负责网络的管理与数据的转发，当检测范围较大时，可通过增加路由器节点扩大网络的覆盖范围；网关节点主要负责网络的建立、节点的管理、数据的处理以及和上位机软件进行通讯。整个ZigBee网络采用树型拓扑结构，传感器节点是整个网络的叶子节点，路由器节点是传感器节点的父节点，而网关节点又是路由器节点的父节点。当监测区域较大时，可以通过增加路由器节点来保证网络的连通性与鲁棒性。上位机软件是整个室内监控系统的中枢，实现对室内环境的集中控制与管理。3.2 系统硬件设计流程图首先进行电路功能的设计，然后将设计输入软件中，若功能可以实现，则进行实物的制作。最后测试实物是否可行后进行时序的仿真，最后下载配

47、置。系统硬件设计结构框图如图3-2所示。 设计方案 软件设计 软件仿真N Y 下载配置 焊接电路图3-2 系统硬件设计结构图3.3 系统的微处理器模块微处理器是无线传感器节点的核心。它采集并处理传感器数据，与无线模块通讯并判断何时发送和接收这些数据，12控制人机操作界面以及通过串口与上位机通讯。处理器必须运行各种程序，包括时间要求严格的信号处理、通信协议、以及应用程序。它是节点的中央处理单元(CPU)。多种处理任务可以在不同结构的处理器上执行，任务的分配需要考虑可行性、性能、能量效率以及成本之间的折中问题。本设计中微处理器采用TI公司的CC2530芯片，它是ZigBee应用的一个真正的片上系统

48、解决方案，它能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点。结合了性能优良的RF收发器、业界标准的增强型8051CPU、最大128KB的可编程闪存和8KB的RAM。CC2530具有不同的运营模式，13使其特别适合于超低功耗要求的场合。由于CC2530芯片内集成了许多特色功能模块，因此，其典型的外围电路也就非常简洁。其中，主时钟晶振采用32MHZ无源晶振以及32.768KHZ时钟晶振；无线RF模块外围电路采用无巴伦的阻抗匹配网络；天线使用50欧鞭状负极性天线。CC2530配合很少的外围元件就可以组成无线通信模块。 CC2530芯片的主要特点如下： (1)工作频带：2405MHz2480MHz (2)支

49、持802.15.4、ZigBee2007、ZigBee PRO和ZigBee RF4CE等标准 (3)主控芯片：CC2530F256 (4)通信协议标准：IEEE 802.15.4 (5)网络拓扑结构：星状、网状(6)数据传输速率：250Kbps (7)天线模式：外置天线 (8)通信范围：300米450米 (9)接收灵敏度：-97dBm (10)发射电流：29mA (11)接收电流：24mA (12)工作温度：-4085 (13)电源：2.0V3.6V (14)模块外形尺寸：40×34mm 3.4 系统的数据采集模块数据采集模块的设计主要包括传感器的选择以及与微处理器的连接电路。本次

50、设计基于环境监测，主要采集大气的温度，光照强度和雨水。在传感器的选择中，需要考虑量程，精度需求，供电电压以及功耗。14经过对市场中的传感器各方面的比较，选用了DS18B20温度传感器测量环境的温度；选用MQ-2光照传感器测量光照强度以及雨滴传感器测量雨水。下面分别介绍这三种传感器。3.4.1 温度传感器DS18B20是单线数字温度传感器，即“一线器件”，具有体积更小、适用电压更宽、更经济、可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围，适合于构建自己的经济的测温系统。DS18B20接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM88

51、74等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，15高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。温度传感器电路原理图如图3-3所示。DS18B20的特点包括：独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。测温范围 55+125，固有测温误差1。支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使

52、供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。工作电源: 3.05.5V/DC （可以数据线寄生电源）。在使用中不需要任何外围元件。测量结果以912位数字量方式串行传送。不锈钢保护管直径 6。适用于DN1525, DN40DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温。标准安装螺纹 M10X1, M12X1.5, G1/2”任选。PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。图3-3 温度传感器电路原理图3.4.2 光照传感器不区分光源数字型环境光照强度传感器BH1750FVI是日本RHOM株式会社近些年推出的

53、一种两线式串行总线接口的集成电路，可以根据手机的光照强度数据来进行环境监测，其具有165535lx的高分辨率，可支持较大范围的光照强度变化。外部光照被接近人眼反应的高精度光敏二极管PD探测到后，通过集成运算放大器将PD电流转换为PD电压，由模数转换器获取16位数字数据，16然后被逻辑和IC界面进行数据处理与存储。OSC为内部的振荡器提供内部逻辑时钟，通过相应的指令操作即可读出内部存储的光照数据。数据传输使用标准的IC总线，按照时序要求操作起来也非常方便。光照传感器电路原理图如图3-4所示。图3-4 光照传感器电路原理图3.4.3 雨滴传感器雨滴传感器又叫雨滴检测传感器，用于检测是否下雨及雨量的

54、大小，广泛用于汽车自动刮水系统、智能灯光系统和智能天窗系统中。在雨滴传感刮水系统中，用雨滴检测传感器检测出雨量，并利用控制器将检测出的信号进行变换，根据变换后的信号自动地按雨量设定刮水器的间歇时间，17以便随时控制刮水器电动机;在汽车智能灯光系统中检测车辆行驶的环境，自动调整灯光模式，提高车辆在恶劣环境下行驶的安全性;在智能天窗系统中传感器一旦检测到下雨，会自动关闭天窗。雨滴传感器电路原理图如图3-5所示。图3-5 雨滴传感器电路原理图3.5 智能温室的串口通信模块微控制器通过RS232与上位机通信。串口芯片选择MAX232，MAX232配备专有的低漏失电压发射器输出状态，通过双电荷泵，在3.0V至5.5V供压下，表现出真正的RS232协议器件性能，这些器件只需4个0.1µF的外部小电容，18用于电荷泵。发光二极管TX-LED，RX-LED用来观察MAX232工作是否正常，是