基于Zigbee的温度测量网络硬件设计

本科生毕业设计（论文）基于ZigBee的温度测量网络硬件设计HardwareDesignofTemperatureMeasurementNetworkBasedonZigBee总计：毕业设计（论文）20页表格：5个插图：17幅学院（系）：电子与电气工程系专业：电子信息工程基于ZigBee的温度测量网络硬件设计[摘要]本文介绍一种新兴的低功耗、低成本、低复杂度的无线网络技术ZigBee技术及其在无线传感器网络中的应用。无线传感器网络因其在生产生活中将产生的意义重大而受到越来越多的关注。该系统采用了星型网络拓扑结构。主要工作包括：组建ZigBee无线网络；实现数据的无线双向传输；设计温度控制系统；液晶的显示输出。无线传感器及其网络协议技术分析的基础上，提出了一种基于ZigBee协议用于测量温度的无线传感器网络方案，并设计相应的无线传感器节点。该网络由一个协调器充当中心节点和若干个终端节点一起，构成一个星型网络。协调器负责向终端节点查询温度信息，终端节点负责将温度传感器所采集到的信息反馈给协调器，从而达到对一块区域进行温度监控的目的。[关键词]ZigBee；无线通信；温度传感器；网络拓扑结构HardwareDesignofTemperatureMeasurementNetworkBasedonZigBeeAbstract:Thispaperpresentsanewlow-power,lowcost,lowcomplexityofwirelessnetworktechnologythatisZigBeeTechnologyanditsapplicationinwirelesssensornetworks.Wirelesssensornetworkswillbegivenmoreandmoreattentionforitssignificanceintheproductionlife.Thesystemusesastarnetworktopology.ItsmaintasksaresetupZigBeewirelessnetwork,achievewirelesstwo-waytransmissionofdata,designtemperaturecontrolsystems,andoutputtheliquidcrystaldisplay.WirelesssensorandnetworkprotocolarebasedontechnicalanalysisandproposedawirelesssensornetworkingprogramtomeasurethetemperaturewhichbasedonaZigBeeprotocol,anddesignedtherelevantwirelesssensornodes.Acoordinatoractsasthecentralnodeandtogetherwithnumberofterminalnodestoformastarnetwork.Coordinatorisresponsibleforcheckingthetemperatureinformationterminalnode;terminalnodeisresponsibleforfeedbackthecollectedinformationfromtemperaturesensortothecoordinator,thereby,toachievethepurposeofmonitoringthetemperatureofoneregion.Keywords:ZigBee;wirelesscommunication;wemperaturesensor;networktopology目录TOC\f\h\z\t"标题1,1,标题2,2,标题3,3"1引言 11.1概述 11.2无线技术标准 11.2.1ZigBee/IEEE802.15.4 11.2.2Wi-Fi/IEEE802.11b 11.2.3蓝牙(Bluetooth)/IEEE802.15.1 11.2.4无线USB(WirelessUSB) 12ZigBee网络及协议 22.1ZigBee节点类型 22.1.1ZigBee协调点 22.1.2ZigBee路由节点 22.1.3ZigBee终端节点 22.2网路拓扑结构 22.2.1星型网络 32.2.2树型网络 32.2.3网状网络 32.3ZigBee协议构架 32.4ZigBee网络设计 43单元模块电路设计 53.1串行通信 63.2温度传感器与AVR接口设计 73.2.1Atmega16L单片机 73.2.2温度传感器 83.2.3温度传感器电路设计 83.3无线模块电路设计 93.4液晶显示电路设计 114系统网络方案设计 124.1设计原理 124.2发送模块设计 134.3接收模块设计 135无线网络温度采集系统硬件调试 135.1液晶模块调试 135.2Xbee数据传输调试 145.3数字温度显示调试 165.4系统整体调试 17结束语 17参考文献 17附录 19致谢 201引言1.1概述ZigBee技术一种应用于短距离范围内，低传输数据速率下电子设备之间的无线通信技术。ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗的无线网络技术。它采用直接序列扩频(DSS)技术。工作频率为868MHz、915MHz或者2.4G频率的无线技术，用于个人局域网和对等网络。IEEE.802.15.4是ZigBee技术的基础，完整的ZigBee协议由应用层、网络层、数据链路层和物理层协议组成。相对于现有的种种无线通信技术，ZigBee技术低功耗、低成本、时延短、安全、工作频段灵活等诸多优点。随着ZigBee规范的进一步完善，许多公司均在着手开发基于ZigBee的产品。ZigBee技术将主要应用嵌入式消费性电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控制装置、电脑外设、医用传感器等设备中，支持小范围内基于无线通信的控制和自动化等。1.2无线技术标准1.2.1ZigBee/IEEE802.15.4ZigBee技术是一项新兴的短距离无线通信技术，主要面向的应用领域是低速率无线个人区域网(LRWPAN，LowRateWirelessPersonalAreaNetwork)，典型特征是近距离、低功耗、低成本、低传输速率，主要适用于自动控制以及远程控制领域，目的是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制，典型的如无线传感器网络[1]。2.4GHz频段是全球通用频段，868MHz和915MHz则是用于美国和欧洲的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。1.2.2Wi-Fi/IEEE802.11bWi-Fi即无线局域网，工作在2.4GHz频段，用于学校、商业等办公区域的无线连接技术，传输速率可达11Mbit/s，工作距离100m，采用直接序列扩频(DSSS)的方式。采用Wi-Fi的主要推动因素是数据吞吐量，Wi-Fi一般用来将计算机与本地局域网相连或直接与互联网相连[2]。1.2.3蓝牙(Bluetooth)/IEEE802.15.1一项由蓝牙特别利益小组(SIG)制定的用于无线个人区域网(WPAN)的标准，采用跳频扩频(FHSS)方式，支持语音、数据传输。蓝牙可对多达8个连接成皮网(Piconet)的设备以及多个连接成散射网的皮网提供支持。蓝牙有79个信道，信道间隔均为1MHz。通信距离为10～100m。1.2.4无线USB(WirelessUSB)WirelessUSB技术在3m距离的最大传输速率达480Mbit/s，而性能与现有的USB2.0相同。WirelessUSB规定10m的速率为110Mbit/s，使用全球通用的2.4GHzISM频段，通信距离高达10m，可连接8个设备。WirelessUSB并非联网解决方案，因此没有相关成本或功率开销，支持USB的即插即用，无需驱动程序和认证过程。2ZigBee网络及协议2.1ZigBee节点类型ZigBee网络中有3类节点：ZigBee协调点、ZigBee路由节点和ZigBee终端节点。对这三种节点的介绍是了解整个协议栈运作很好的切入点。2.1.1ZigBee协调点Zigbee协调点在IEEE.802.15.4中也称作PAN(PersonalAreaNetwork)协调点，在无线传感器网络中可以作为汇聚节点。ZigBee协调点必须是FFD，ZigBee网络中只有一个ZigBee协调节点[3]，它往往比网络中其他节点功能更强大，是整个网络的主控节点、负责发起建立新的网络、设定网络参数、管理网路中的节点以及存储网络中节点的信息等，网络形成后可以执行路由器的功能2.1.2ZigBee路由节点ZigBee路由节点(ZigBeeRouter)也必须是FFD，它可以参与路由发现、信息转发、通过连接的节点来扩展网络的覆盖范围等。2.1.3ZigBee终端节点ZigBee终端节点(ZigbeeEndDevice)可以是FFD或者RFD，它通过ZigBee协调点或者路由节点连接到网络，但不允许其他任何节点通过它加入网络[3]。ZigBee终端节点能够以非常低的功率运行。2.2网路拓扑结构网络拓扑结构是指用传输媒体互连各种设备的物理布局，就是用什么方式把网络中的计算机等设备连接起来。拓扑图给出网络服务器、工作站的网络配置和相互间的连接。IEEE802.15.4协议中明确定义了三种拓扑结构：星型结构(Star)、树型结构(Clustertree)、网状结构(Mesh)都是属于点对点(peer–to-peer)的拓扑结构。三种拓扑结构网络如图1所示。图1网络拓扑结构图2.2.1星型网络星型网络是一个辐射状系统，数据和网络命令都可以通过中心节点传输。在这种路由拓扑中，外围节点需要直接与中心节点连接，某个节点的冲突或者故障将会降低系统的可靠性。星型网络以网络协调器为中心，所有设备只能与网络协调器进行通信，因此在星型网络协调器的构建过程中，第一步就是建立网络协调器。任何一个FFD设备都有可能成为网络协调器的可能，一个网络如何确定协调器由上层协议决定。一个简单的应用策略是：一个FFD设备第一次被激活后，首先广播查询网络协调器的请求，如果收到回应说明网络已经存在网络协调器，在经过一系列的认证过程，设备就成为了这个网络中的普通设备，如果没有收到回应说明网络认证过程不成功，这个FFD设备可以建立自己的网络，并且成为这个网络的协调器[4]。2.2.2树型网络树型网络中，任意两个设备只要能够彼此收到对方的无线信号，就可以进行通信，不需要其他设备的转发。但点对点网络中仍然需要一个网络协调器，不过该协调器的不再是设备转发数据，而是完成设备的注册和访问控制等基本的网络功能。网络协调器的产生同样由上层协议规定，比如把某个信道的第一个开始通信设备作为该信道上的网络协议器。2.2.3网状网络Mesh网状网拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信，该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络，还具备自组织、自愈功能。网状网是一种特殊的、按接力方式传输的网络结构，其路由可自动建立和维护。一个ZigBee网络只有一个网络协调器，但是可以有若干个中继器。协调器负责整个网络的建网，同时它也可以与其他类型网络的通信节点(网关)[5]。构成协调器和中继器必须是全功能器(FFD)，而构成终端设备的器件可以是FFD，或者是功能器件RFD。2.3ZigBee协议构架ZigBee网络协议栈采用开放系统互连模(OSI)，如图2所示，每层为其上层提供一部分通信功能，并同时向高层提供服务。一个数据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部其他服务。每个服务实体通过一个服务接入点(SAP)为其上层提供服务接口，并且每个SAP提供了一系列的基本服务指令来完成相应的功能[6]。Zigbee协议栈的体系结构如图2所示。IEEE.802.15.4标准定义了最下层面的两层：物理层(PHY)和介质接入控制子层(MAC)。PHY由射频收发器以及底层的控制模块构成；MAC层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口；Zigbee联盟定义了网络层、应用层与安全规范，提供了网络层和应用层(APL)框架的设计。其中，应用层的框架包括了，应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)及由制造商制定的应用对象。图2ZigBee协议结构2.4ZigBee网络设计IEEE802.15.4和ZigBee规范中明确定义了三种拓扑结构：星型结构、树型结构和网状结构。星型网络由一个协调器(全功能设备FFD)和多个终端设备节点(简化功能设备RFD)构成，协调器是网络的中心，负责处理整个网络的工作，终端设备被分布在覆盖范围内的不同地点。星型网络的控制和同步比较简单，适用于设备数量比较少的场合。树型网络是星型网络的扩展，是一种多级的星型结构。网状网络是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护。树型和网状网络能够两者相结合组建混合网，适用于网络极其复杂的情况。系统的ZigBee网络通信部分由一台主控制器、若干从控制器组成[7]。系统的各个主、从控制器相对独立，各主、从控制器之间通过ZigBee无线网格进行通信，主控制器通过远程无线通信与控制中心通信。网络拓扑结构如图3所示。图3分布式网络拓扑结构系统采用了ZigBee星型网络拓扑结构。星型网络以网络协调器为中心，所有设备只能与网络协调器进行通信，因此在星型网络的形成过程中，第一步就是建立网络协调器。主控制器作为网络协调器被首先激活，然后向周围的从控制器节点发送广播，并为网络选择一个惟一的标识符；从控制器节点收到主控制器发来的广播后，向其发出入网申请，并等待主控制器节点响应；主控制器节点收到一个入网申请后，将根据请求信息作出是否允许加入网络的判断，若允许加入，主控制器节点将发出请求响应，告知从控制器节点。从控制器节点收到请求响应后，将获得一个主控制器节点分配给它的一个网络地址作为在网络内的惟一身份标识，从而成功加入网络，网络组建完成。在ZigBee协议中，层与层之间是通过服务接入点(SAP)相连接。应用层(APL)、网络层(NWK)与媒体接入控制层(MAC)都可以通过本层与下一层的SAP调用下层所提供的服务，同时通过与上层的SAP为上层服务。允许加入网络的过程通过NLME–JOINING.requst原语开始。只有ZigBee协调器和ZigBee路由节点才能允许设备加入网络[7]。设备入网步骤：当网络中的成员设备允许一个新的设备加入的时候，父子关系就会形成。新设备成为子设备，另一设备成为父设备。子设备可以使用MAC层关联程序入网，任意设备都会接受来自新设备的加入请求，只要它拥有必要的物理性能和可用的网络空间。只有ZigBee协调器或路由节点从物理性能上可以接受一个加入请求，终端节点不可以，子节点加入网络。子设备通过发送NLME–DISCOVERY.requst原语启动MAC层协调器加入网络，原语中设置ScanChannels参数[8]，表明需要扫描那些通道，设置ScanChannels参数，表明扫描每个信道所需的时间。一旦收到该原语，NWK层就会发送NLME–BEACON–NOTIFY.indication原语要求MAC层运行一次被动或主动的扫描。扫描过程中接收到的每一个有效数据长度非零的信息帧，都会引起扫描设备从MAC层发送NLME–BEACON–NOTIFY.indication原语给它的网络层管理实体(NLME)[8]。该原语包括信息设备的寻址信息、是否允许关联以及信标有效载荷。3单元模块电路设计系统主要有四个模块组成：温度传感器模块、无线网络模块、液晶模块、单片机模块、串口转换模块。温度传感器负责采集数据，单片机把采集到的数据进行处理，ZigBee把相关数据信息发送出去，路由节点把接收到的数据传送给接收模块，经过单片机处理把数据显示在液晶模块。系统模块设计框图如图4所示。(1)温度传感器主要负责采集室内环境温度监测；(2)ZigBee建立无线网络，将采集到得数据传输到接收模块；(3)液晶模块主要负责把MCU处理的数据显示出来；(4)MCU负责把温度传感器采集到的数据进行转换和处理显示在液晶模块；(5)串口转换芯片PL2303把电源转化为TTL电平和串口RS232。图4系统模块设计框图3.1串行通信PL2303是一种高度集成的RS232-USB接口转换器，可提供一个RS232全双工异步串行通信装置与USB功能接口便利联接的解决方案。该器件内置USB功能控制器、USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART，只需外接几只电容就可实现USB信号与RS232信号的转换，能够方便嵌入到手持设备[9]。该器件作为USB／RS232双向转换器，一方面从主机接收USB数据并将其转换为RS232信息流格式发送给外设；另一方面从RS232外设接收数据转换为USB数据格式传送回主机。这些工作全部由器件自动完成，开发者无需考虑固件设计。PL-2303芯片输入输出引脚分类与基本接法如表1所示。通过编程设置UART，支持各种数据格式和波特率。在PC机的COM端口编程设置UART的数据格式和波特率。表1PL-2303芯片输入输出引脚分类与基本接法组别电平引脚方向典型接口112输入输出接MCU的RX接MCU的TX2910输入输出接MCU的RX接MCU的TX31516输入输出连接到接口与其它设备通过2323连接41920输入输出连接到接口与其它设备通过2323连接PL2303的高兼容驱动可在大多操作系统上模拟成传统COM端口，并允许基于COM端口应用可方便地转换成USB接口应用，通讯波特率高达6Mb／s。在工作模式和休眠模式时都具有功耗低，是嵌入式系统手持设备的理想选择。该器件具有以下特征：完全兼容USBl．1协议；可调节的3～5V输出电压，满足3V、3．3V和5V不同应用需求；支持完整的RS232接口，可编程设置的波特率：75b／s～6Mb／s，并为外部串行接口提供电源；512字节可调的双向数据缓存；支持默认的ROM和外部EEPROM存储设备配置信息，具有I2C总线接口，支持从外部MODEM信号远程唤醒。与单片机连接如图5所示。图5接口设计原理图3.2温度传感器与AVR接口设计利用AVR单片机控制温度传感器采集室内温度。传感器采用DS18B20，其引脚功能描述见表2所示。表2引脚功能描述引脚序号符号功能1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚3VDD可选择的VDD引脚3.2.1Atmega16L单片机Atmega16L是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位COMS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，Atmega16L的数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻辑单元(ALU)Atmega16L的特点：采用先进RISC结构的AVR内核，16K字节的系统内可编程FLASH（具有同时读写的能力，即RWM），512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较灵活的定时器/计数器(T/C)，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU停止工作；而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电保护模式时晶体振荡器停止工作；ADC噪声抑制模式时终止CPU和处了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声[10]3.2.2温度传感器DS18B20是智能温度传感器，它的输入/输出采用数字量，通过单总线，接收主机发送的命令，根据DS18B20内部的协议进行相应的处理，将转换的温度数值以串口形式发送给主机。主机按照通信协议用一个I/O口模拟DS18B20的时序，发送命令(初始化命令、ROM命令、功能命令)给DS18B20，并读取温度值，在内部进行相应的数值处理，用字符型液晶模块显示各点的温度[11]。DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。DS18B20产品的特点:(1)只要求一个端口即可实现通信；(2)在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号；(3)实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温；(4)测温范围:-55～+125℃,在-10～+85℃时精度为±0.5(5)可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃(6)内部有温度上、下限告警设置；(7)可用数据线供电，电压范围：3.0～5.5V；(8)12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字；(9)负压特性：电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。3.2.3温度传感器电路设计温度传感器负责采集室内的温度，需要准确反馈信息，系统温度采集模块选用DS18B20温度传感器。DS18B20与Atmega16L连接方法如图6所示。DS18B20只有三个引脚，一个接地，一个接电源，一个数字输入输出引脚接单片机的I/O口，电源与数字输入输出脚间需要接一个4.7K的电阻。由于DS18B20采用的是1－Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对Atmega16L单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问图6DS18B20与AVR接口设计3.3无线模块电路设计表3Xbee管脚分局序号名字方向描述1VCCPowersupply2DOUTOutputUARTDataOut3DINInputUARTDataIn4DIO12EitherDigiI/O125/RESETInputModuleReset6PWM/DIO10EitherPWMOutput7PWM/DIO11EitherDigitalI/O8ReservedDonotconnect9/DTREitherPINsleep10GNDGround11DIO4EitherDigitalI/O412/CTSEitherDigitalI/O713ON/SleepOutDigitalI/O914ReservedDonotconnect15AssociateDIO5EitherDigitalI/O516/RTS/DIO6EitherDigitalI/O617AD3/DIO3EitherDigitalI/O318AD3/DIO2EitherDigitalI/O219AD3/DIO1EitherDigitalI/O120AD3/DIO0EitherDigitalI/O0系统采用Xbee模块，自动组建网络。Xbee模块通过串行接口（即Tx和Rx引脚）进行通信。对于简单的点对点通信来讲，只需要通过串行接口向XBee模块写数据就可以实现数据的发送；当Xbee模块通过无线通道接收到数据时，通过读串行接口可以很方便地获得这些数据，使用方式和APC220以及DF-Bluetooth蓝牙模块雷同。使用多个ArduinoXbee模块，就可以实现多个结点组成的复杂网络。在使用Xbee之前，需要先给Xbee模块进行初始参数设置，对Xbee模块的设置可以按照里介绍的AT指令，通过串行终端完成，也可以借助这一工具来完成，使用工具相对来说要方便点。XbeeZBRFModules管脚布局表3所示。处理器通过10条线就可以实现对CC2430的控制。Atmega16L通过VREG_EN和RESET_EN两个引脚实现对CC2430的使能和复位[12]。通过SPI接口与CC2430交换数据、发送命令等；CC2430通过DIN、DTR/CTS和RTS4个引脚向Atmega16L返回其收发数据的状态。连接的管脚如表4所示，使用管脚Pin1、Pin2、Pin3、Pin10，其余的6个管脚都要连接AVR16的I/0口。表4Xbee与Mega16管脚连接管脚编号名称功能1VCC电源2DOUT接收数据3DIN发送数据5RESET复位端9DTR10GND接地端12/CTS主设备停止向模块发送数据13ON数据输出端15Associate连接端口16RTS主设备发送给模块图7Xbee与Atmega16L连接电路图AVR发送引脚将数据发送到Xbee的DOUT端口，Xbee的发送端口将接收到的数据发送到单片机，RTS和CTS管脚可以用来提供RTS和CTS流控制。CTS主设备停止向模块输送串口数据。RTS流控制允许主设备发送信号给模块不要将串行传输缓冲中的数据发送出UART。原理图如图7所示。3.4液晶显示电路设计TG12864模块与AVR有并行和串行两种连接方法。一种是采用8位数据总线D0-D7和RS、R/W、EN三个控制端口；另一种是只用D4-D7作为四位数据分两次传送。管脚如表5所示，液晶逻辑电压(VDD):4.5-5.5V。表5TG12864接口引脚引脚符号电平说明1VSS0V接地(GND)2VDD5.0V电源电压3V0可调LCD驱动电压（对比度调节）4D/IH/LH:数据；L:指令5R/WH/LH:读；L:写6EH/L片使能信号7DB0H/L数据位08DB1H/L数据位19DB2H/L数据位210DB3H/L数据位311DB4H/L数据位412DB5H/L数据位513DB6H/L数据位614DB7H/L数据位715CS1HIC1片选信号，高有效16CS2HIC2片选信号，高有效17RSTL复位信号，低有效18VEE-10.0VLCD驱动负电源19LED++背光正极20LED--背光负极液晶与AVR的链接是基于并行方式连接。液晶显示模块占用了单片机Atmega16L的PA0-PA7作为数据接口，采用PB0-PB3作为控制端口[13]。液晶显示模块与控制电路设计电路图如图9用PB0引脚选择液晶模块的数据存储器或指令存储器，PB1引脚表明此次操作是读液晶模块还是写液晶显示模块，PB2则是构成上升延与下降沿完成读写指令。MISO负责选中液晶显示模块的左半部分，SCK负责选中右半部分，通常CS1,CS2都设置为1。需要注意的是，在数据或指令准备之后，再让PB2进行电平变化，否则读写会出错。VO连接滑动器端口用来调节液晶屏幕的亮暗度[14]。设计借助单片机Atmega16L图9液晶与AVR的连接电路图4系统网络方案设计系统网络的组建通过两个无线模块一个设置为路由节点，另一个设置为协调器自动组建局域网络进行数据传输。系统设计为发送模块和接受模块，利用发送模块对温度传感器的数据采集，通过发送模块的传输，接收模块接收到数据后，单片机进行数据处理显示在液晶模块。4.1设计原理基于单片机的单总线温度测控系统以AVR单片机为中心器件，以ICCAVR为系统程序开发平台，用C语言进行程序设计，以Proteus作为仿真软件设计而成的。系统主要由温度传感器电路、液晶显示电路、无线传输模块，电路原理图如附录一所示。DS18B20是智能温度传感器，它的输入/输出采用数字量，通过单总线，接收主机发送的命令，根据DS18B20内部的协议进行相应的处理，将转换的温度数值以串口形式发送给主机。主机按照通信协议用一个I/O口模拟DS18B20的时序，发送命令(初始化命令、ROM命令、功能命令)给DS18B20，并读取温度值，在内部进行相应的数值处理，用字符型液晶模块显示室内的温度[15]。经过ZigBee无线传输模块把采集到的数据通过自动组网方式传输到接收模块，接收模块经过AVR数据处理，把接收到的数据显示到液晶模块。4.2发送模块设计发送模块设计通过AVR单片机控制温度传感器DS18B20，用液晶模块显示室内温度值。利用AVR连接无线网络ZigBee，通过ZigBee自动组建网络的功能，数据发送到接收模块的ZigBee模块。发送模块的框图设计如图10所示。图10发送模块框图设计4.3接收模块设计ZigBee把发射模块采集的温度数据传输到接收模块，接收到数据传输到接收模块，经过AVR进行数据转换在液晶模块显示，设计框图如图11所示。图11接收模块设计5无线网络温度采集系统硬件调试基于ZigBee的无线网络温度采集系统硬件由三部分组成:(1)Atmega16L单片机的液晶显示电路设计；(2)ZigBee无线网络传输的设计；(3)温度显示实验电路设计。5.1液晶模块调试液晶模块主要由AVR开发板和液晶模块组成，AVR采用内部晶振8MHz，AVR单片机控制液晶模块，使之显示当前温度、显示汉字、字符、数据显示。AVR具有JTAG仿真器支持在线仿真的功能，方便调试[16]。实现液晶显示“南阳工学院”四个字和南阳理工学院的校徽，液晶显示仿真如图12所示。图12液晶图片显示用JTAG在线仿真工具，下载到AVR开发板显示汉字“南阳理工学院电子与电气工程系赵保生”，字符“094408001AVRMEGA16”图13液晶显示实物图5.2Xbee数据传输调试(1)将Xbee的一端插在电脑的USB接口上，点击“我的电脑”＝》属性＝》硬件＝》设备管理器＝》端口，看下图中是否出现红色框所指的PL2303虚拟的COM2，（一般为COM3，不同电脑USB-to-SerialCommPort端口号可能不同）如果出现说明模块是好的，并且驱动程序也安装成功了。如图14所示。图14USB驱动端口(2)数据发送选择1号PC机通过第三方软件网络调试助手向网关发送以太网数据帧，网关内部进行解包处理，发送至串口，2号PC机的串口调试助手接收数据帧。2号PC机通过串口调试助手向网关发送串口数据帧，网关内部进行打包处理，发送至以太网口，1号PC机的网络调试助手接收数据帧[17]。串口选择COM3端口，波特率9600，数据位8，停止位1，校验位和流量控制NONE，选择十六进制显示。发送数据如图15所示。图15调试助手发送数据Xbee通过自动组建网络的功能，将1号PC机发送的数据传输到2号PC机，接收到得数据帧如图16所示。图16接收数据5.3数字温度显示调试DS18B20模块通过AVR单片机的数据采集温度数据利用TG12864液晶显示出当前的温度[18]。温度仿真图如图17所示。图17温度的液晶显示5.4系统整体调试将硬件及软件结合起来进行系统的统一调试。调试过程将发送模块采集温度传感器的数据，利用Xbee模块进行数据传输，接收模块收到数据后显示在液晶模块。Xbee模块自动组建网络，路由节点把接收的数据传输到接收模块上，接收模块将数据显示液晶模块。结束语经过几个月的不断学习和努力，在老师谆谆教导下，在其它老师及同学们的热心帮助与指导下，基于ZigBee无线温度网络的硬件设计的毕业设计顺利结束，基本完成了老师所规定的各项工作任务。本次设计的基于ZigBee无线温度网络的硬件设计是一种分布式的温度测量系统，它可以远程对温度实现测量和监控。本文介绍了用单片机Atmega16L控制DS18B20以及着重分析各单元电路的设计，以及各电路与单片机的接口技术。本文是采用模块化的方式进行叙述，对各模块的设计进行了比较详细地阐述。在还没有做毕业设计之前，我认为只不过是对我们两年学习的一个总结而已，但是当我开始接触这个设计的时候才发现这不仅是对两年学习的一个总结，而且对自己的动手能力和人际关系的处理也有了很大能力的提高，开始以为这个设计很容易做出来，有点眼高手低的感觉。但是，当我真正做起来的时候才发现自己的知识还很欠缺，还有很多知识没有掌握，通过这次设计我明白了学习是个不断积累的过程，在生活和工作中应当不断的积累