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1、摘要摘要在物联网盛行的今天，无线传感器网络（WSNM乍为物联网中核心技术之一， 应用更是日益广泛P IEEE802. 15. 4ZgBee技术是近些年来通信领域中的研究热点 它具有低成本、低功耗、低速率等特点和高可靠性、组网简单灵活等优势，逐步成 为WSN事实上的国际标准。ZlgBee技术凭借其优势，赢得了广阔的市场，国内 外企业纷纷展开了 ZlgBee产品的开发。本文设计的ZlgBee的无线温湿度采集系 统，移植性强，可广泛应用于大棚温湿度采集、家庭办公自动化温控、工业与环境 信息监测等场景，有广阔的市场前景。本文首先对ZlgBee协议栈架构进行了系统的分析，然后依据其特点对系统总 体方案进
2、行概要设计。本文设计了参照Tl公司的设计方案，硬件选用Tl公司的 CC2530芯片进行设计，软件选用ZlgBee协议栈2007 ZStack设计。文章接下来 又分别对软硬件进行详细地设计。对于系统的硬件电路设计主要包括，分析了 CC2530射频芯片的特性及使用，分别卡协调器、路由器和终端采集节点的核心电 路和外围电路原理图进行设计，其中外围电路部分主要包括电源电路、复位电路、 USB转串口电路、DebUg下载电路以及网络指示电路等的设计。在系统软件设计 部分，主要对ZlgBee协议栈的配置、网状网程序、设备间的通信、温湿度数据采 集和上位机界面等部分进行了设计，其中上位机界面设计程序使用Lab
3、VIEW2010 编写。系统设计完成后，又对所设计的系统进行了组网、通信以及系统功能的测试， 实现了网状网拓扑的组网采集功能，论证了方案的可实施性。接下来本文对ZlgBee 网络与C008网络通信进行了分析，给出了实现网络大范围覆盖的系统搭建方案， 用来。文章结尾对设计工作做了总结，并对接下来的进一步研究设计和系统的应用 进行了分析与展望。关键词无线传感器网络；ZlgBee；数据采集；Z-StackAbstractNowadays the IOT is prevalent, wireless sensor network is used wider and wider as the core
4、of die Internet teclology. IEEE802. 15. 4/ZigBee teclmology is燕山大学本科毕业设计（论文）a hot research u the field of connumcaton in recent years. It has the advantages of low cost, low power consumption, low rate, high reliability, simple, flexible and so on. Aiid it g adually become the de facto international
5、 standard of the WSN Llj. ZigBee teclology lias won the broad market, the domestic and foreign companies launched the development of ZigBee products. ZigBee wieless temperature and humidity acquisition system is designed in tlus paper, the portability is strong, can be widely applied in the greelous
6、e temperature and Iiunudity collection, family office automation control, Iiidustnal and enviouetal Iiifbniiatioii momtormg scene.This paper analyzes ZigBee protocol stack, then designs the scheme of the system. The hardware is designed by smg CC2530 clup of the TI, the software is designed by usmg
7、Z-Stack . The design of hardware circuit system Uicludes the core and peripheral circuit of the coordinator, router and end device. The peripheral cicit includes die design of the power circuit, reset circuit, USB conversion cu cut, Debug serial cucut and display cucut. Wlnle in the process of desig
8、iung the SOftWaie of the system, the configuration of the Z-Stack, netwok progranumg, devices Coniiiiuiucatioii, temperature and Iiunudity data acquisition are designed, and the PC Uiterface is designed by the LabVIEW2010.Then I test the system function of networking and Coiiiiiiuiiicatioii. Aiid th
9、e net acquisition function of mesh topology is realized, demonstrates the implementation of the scheme. Next tlus paper analyzs the bridging of the ZigBee network and C008 wireless network, and gives the system COnStrUCtlOn scheme for network coverage. At die end of the paper the design work is sunu
10、arzed, and the future design of the study is analyzed and forecasted.Key words wueless sensor netwoik； data acquisition； ZigBee； Z-Stack#目录目录摘要IAbstractII第1章绪论1LI课题的研究背景及意义11.2国内外研究的现状2L 3无线温湿度采集系统设计思路2L 4组织架构3第2章ZlgBee协议简介52. 1 ZIgBee技术简介 53. 2 ZigBee网络设备54. 3 ZlgBee协议栈架构72. 4本章小结9第3章系统硬件设计103.1系统整
11、体方案103. 2系统硬件平台选择 113. 3协调器电路设计123. 3. 1 CC2530核心电路设计 134. 3. 2外围电路设计 143. 4终端节点电路设计 163. 5路由器电路设计 173. 6本章小结 17第4章系统软件设计184.1系统软件平台概述 184. 2 ZigBee设备通信设计 194.2. 1 ZlgBee协议栈配置194. 2. 2网状网程序设计254. 2. 3数据的收发27m燕山大学本科毕业设计（论文）4. 2. 4温湿度数据采集301. 3 LabVlEW上位机设计354. 3.1后砸程序实现355. 3. 2前砸布局376. 3. 3应用程序和安装程序
12、的生成 374. 4本章小结38第5章网络测试与分析395.1组网测试395. 2设备通信测试405. 2. 1空旷无障碍测试试验407. 2. 2有障碍测试418. 2. 3温湿度采集系统功能测试 425. 3测试结果与分析446. 4 COO8搭载ZlgBee网络实现方案445. 5本章小结46总结47参考文献48致谢50附录1硬件原理图51附录2 ZigBee程序53附录3 LabVlEW程序图67附录4外文翻译69附录5开题报告85附录6文献综述91附录7中期报告96#第1章绪论第1章绪论ZigBee技术是一种介于蓝牙和无线标记之间的无线技术方案。ZigBee技术是 一种新兴的短距离、
13、低功耗、低速率、低成本的无线通信技术。它采用CSMA-CA 方式接入信道，可有效地避免通信冲突叫ZigBee网络拓扑结构主要有星型网、 树状网或网状网三种。设备地址分为16位短地址和64位长地址，具有较大网络容 量。它的应用层可根据用户需要进行开发。1.1 课题的研究背景及意义在物联网盛行的今天，无线传感器网络作为物联网中的核心技术之一，应用 更是日益广泛。无线传感器网络(WUeless SeiisoiNetwoiks, WSN)是通 过各类传感器协作地实时感知和采集环境信息，通过无线发送，以自组多跳 的方 式传送到一个特定的节点进行信息收集的网络。WSN的特性决定了其不需要较高 的传输带宽，
14、而需要较低的传输延时和极低的功率。ZIgBee技术是近年来通信领 域中的研究热点，具有低成本、低功耗、低速率的特点和高可靠性、组网简单、 灵活等优势，逐渐成为WSN实际上的国际标准。ZlgBee技术应用广泛，主要领域有大棚温湿度采集控制、家庭办公自动化、 工业与环境监测及人员定位与医疗护理等。温室大棚可以通过ZlgBee技术完成温 湿度采集，并通过无线网络传输到后台，方便管理员调节大棚温 湿度，节省了人 力；家中具有ZlgBee系统，可以方便的监控家中的整体运作，有效掌握电力、自 来水等的使用状况，智能化控制空调、灯光、火灾等感应系统，节约能源；在社 区老年福利院，使用ZlgBee人员定位系统
15、，可以动态的监测各人员位置，方便人 员的及时护理。运用ZlgBee等技术的无线传感器网络，相比于传统的布线方式，省去了电 缆安装和网络架设等环节，大大节省了人力、财务等，系统的灵活性、可维护性 与扩展性也大大提高。基于ZlgBee技术的无线传感器网络，能够实时地监测环 境的信息，其网络节点可以自组织的随时加入/退出网络，不需要人为管理。ZigBee 技术满足了无线通信、网络大范围覆盖、网络灵活性高以及维护管理方便等要求， 是将来物联网发展的趋势。1燕山大学本科毕业设计(论文)1.2 国内外研究的现状WSN的巨大应用价值，引起了国际上的广泛重视。美国自然科学基金 委员 会于2003年制定了 WS
16、N研究计划，日本、英国、意大利、巴西等国也陆续展开 该领域的研究工作。在温总理2009年提出的感知中国”中，物联网正式列为我 国五大新兴战略性产业之一。ZlgBee作为物联网的骨干 之一，在中国引起了企业 的高度重视，许多企业纷纷展开了基于ZlgBee的研究，推动了 ZlgBee技术在中 国的发展。现如今，许多芯片厂商已推出自己的SOC解决方案，并免费提供了基于自家 芯片的ZIgBee协议栈。随着ZIgBee协议标准的逐步完善和物联网的带动，以及5 大芯片厂商(Jenmc, TI, Frescale, Ember, Ateml)和ZigBee联 盟的不断努力推 动，基于ZlgBee的应用层出不
17、穷。ZlgBee技术具有广阔的应用前景，在未来可以涉及到人类日常生活和社会生 产的众多领域。从技术层面上来看，ZlgBee技术在未来将迎合物联网的发展，扮 演好传输层的角色，朝着开发更廉价，更省电，更快速的SoC发展。从应用领域上 来看，ZIgBee相比于蓝牙、WiFi,它具有低功耗的优势，有机会开拓在智能手机 等领域的市场。目前ZlgBee技术仍然处于起步探索阶段，主要表现在可应用的终端产品真 正上市的不多，典型应用少、网状网应用少、缺乏体现ZlgBee优势的大型组网应 用。ZigBee的大规模商业应用还有待时日，但已经展示出了其 非凡的应用价值， 相信随着技术的发展和推进，一定会得到更广阔
18、的应用。1. 3无线温湿度采集系统设计思路本文设计的基于ZigBee的温湿度采集系统，选用2. 4GHz的CC2530作 为核心芯片，参考Tl的设计方案进行软硬件设计。在网络覆盖范围内，分布着协 调器、路由器和终端采集节点。系统运行时，终端节点实现数据的采集和上传； 协调器将各终端节点上传的数据汇总、处理，并通过串口发送至上位机界面显示 并存储；当传输距离达不到时，采用路由器对数据进行转发，达到中继路由功能， 同时路由器也具备采集功能。对于该无线温湿度采集系统的实现，主要从以下几个方面进行了设计：第1章绪论(1)系统硬件部分的设计，主要包括协调器、路由器及终端采集节点的硬件 整体方案设计和的硬
19、件各组成部分的设计。(2)系统软件部分的设计，主要包括Z-StaCk协议分析、系统网络设计、节 点间通信设计、数据采集程序设计以及上位机软件界面设计。温湿度采集系统本文温湿度采集系统设计思路如图1-1所示。系统硬件设计系统软件设计-协调器路由器采集系统系统设备DHTll上位机节点电节点电节点电协议网络通信数据采软件路设计路设计路设计设计设计设计集设计设计图IT温湿度监测系统整体设计框图1. 4组织架构本文可以分为七章，下面分别介绍每章的主要内容：第1章简要介绍了基于ZigBee无线温湿度采集系统的研究背景及意义、国 内外的研究现状以及本文的设计思路。最后给出了本文的组织架构。第2章主要包括Zl
20、gBee技术简介，网络中的设备、拓扑结构以及ZIgBee协 议栈架构的各主要部分。第3章给出了基于ZlgBee技术的无线温湿度采集系统的总体设计，并给出 了系统的硬件平台和软件平台的选择方案。第4章主要介绍了无线通信模块的设计，并根据网络中各节点类型，分别对 协调器、路由器和终端节点进行硬件设计。第5章对系统的软件部分进行了设计，主要包括协议栈的配置、各模块间数 据通信以及温湿度的采集和上传，同时还用LabVIEW设计了上位机界 面，用以 实时显示存储采集到的温湿度数据。3燕山大学本科毕业设计（论文）第6章主要进行了组网、通信以及系统功能的测试。在上位机界面上显示并 存储协调器上传的数据。并根
21、据测试过程中遇到的问题提出了相应的解 决方案。第7章结合实习工作单位的C008设备，将ZlgBee协调器接到C008设 备的 终端，实现大范围无线网络覆盖。最后对设计工作进行了总结，并对今后的系统的进一步设计进行了分析与展望。#第2章ZlgBee协议简介第2章ZigBee协议简介2. 1 ZigBee技术简介物联网就是物物相连的互联网。通过红外感应器、射频识别(RFID)、全球定 位等信息传感设备，按照约定的协议，把互联网与任何物体相连接，实现双方间 的信息通信，以实现对物体的智能化识别、定位跟踪和管理的一种网络。无线传感器网络是物联网中核心技术之一。WSN可以采用ZlgBee技术、蓝 牙、W
22、lFI和红外等技术实现。其中ZIgBee技术是一种新兴的短距离、低复杂度、 低功耗、低数据速率、低成本的无线通信技术。它采用CSMA-CA方式接入信道， 可有效地避免通信冲突。随着ZlgBee技术走进国内市场，许多公司均在着手开 发基于ZlgBee的产品。其应用领域有大棚温湿度采集控制、家庭办公自动化、工 业与环境监测及人员定位与医疗护理等。3. 2 ZigBee网络设备IEEE(Isttute OfElectncal and Electronics Engineers,电气和电子工程师 协会)定义了两种不同类型的设备：一种是全功能设备(FFD),另一种是简化功能 设备(RFD) FFD能够转
23、发其他设备的数据帧，与多个其它的FFD或多个RFD进 行通信；RFD不能同其他终端节点通信，只能同FFD进行通信。依据设备在网络中承担的任务的不同，可以将ZlgBee网络中的设备分 为协 调器、路由器和终端节点。FFD在任何网络拓扑结构的中，能够成为网络中的协 调器、路由器或终端节点，而RFD只能充当终端节点四。一个ZlgBee网络中只有 一个协调器，它是整个网络的核心，负责网络的建立，向周围的设备发送信标帧 并为其分配地址，并将数据上传或命令下发。路由器协助协调器建立网络，并在 协调器和终端节点间起到路由中继的作用。终端节点的主要功能是将采集的数据 发送给协调器或接收协调器下达的命令。(1)
24、 ZigBee网络的拓扑结构ZlgBee网络支持星型网、树状网和网状网三种网络拓扑结构g。如图2-1所图2-1 ZigBee网络的拓扑结星型网由一个协调器和传感器(路由器或者终端节点)组成，只存在协调器与 传感器的通讯，传感器间的通讯则需要通过协调器的转发。树状网由一个协调器和若干个星型网组成，设备只能与自己的父节点或子节 点进行直接通讯。网状网在树状网的基础上实现，它允许网络中具有路由器直接互通，由路由 器中的路由表实现消息的路由。该拓扑结构减少了延时，具有很强的网 络健壮性 和系统可靠性，但是需要更多的存储空间。(2) ZlgBee数据通信机制ZlgBee网络中有三种的数据通信机制：单播(
25、UnlCast)、组播(MUltICaSt)和广 播(Broadcast) o5安全服务供应新应用程序椎架应用波,240 应用模备1J一端点2 . /端点1 一 XAPSCe-SAP /IAPSDe-SAP 卢应用支持子层CAPS)NWX 安全管理APS 安全管理MJ)E-SAPAPS洎息中转网络层(NWONWK消息中转2IC管理面板略由管理同络管理:MLME-SAP媒体介质访问层OttGPLME-SAP 2.，PI-SAP 物理层(Hff)1碗 II 8Bafa：1EEE 802.15.4ttZfeBedR制索势IelM造BnM定 各层功能(田层接IJffl 2z2ZgBee协议体系结构在单
26、播寻址过程中，发送方将数据帧发送给目标设备，实现点对点传输。在 组播寻址过程中，消息被传递给一个网络中的一组成员。在广播寻址过程 中，目 的地址域初始化为OxFFFF,任何处于接收使能状态的设备均能接收广播数据帧 122.3 ZigBee协议栈架构协议栈是协议和用户之间的一个接口，开发人员是通过议栈来使用协议，进 而实现数据的收发。ZlgBee协议栈的每一层负责实现协议中的规定任务，并为自 己的上一层提供特定服务与支持：数据服务实体提供数据传输服务；管理实体提供管理服务1。ZlgBee协议栈体系结构如图2-2所示。ZlgBee协议分为两部分，IEEE802. 15. 4标准定义了物理层(PHY
27、)和介质访 问层(MAC)技术规范；ZIgBee联盟定义了网络层(NWK)、应用层(APL)技 术规范。(1) 物理层(PHY)ZigBee协议的物理层是由IEEE802. 15. 4制定的，IEEE802. 15. 4是一个 低 速无线个人局域网（LoW Rate Wireless Personal Aiea Networks, LR-WPAN） 标准。物理层定义了两个不同的载波频率范围（868/915MHZ和2. 4GHz）用于收发 数据。低频率物理层包括868MHZ欧洲频段和915MHZ美洲澳洲频段；高频率物理 层供全世界使用。其中频段868MHZ定义了 1个频道，频段915MHZ定义了
28、 10 个频道，频段2. 4GHz定义了 16个频道口包物理层定义了物理层和MAC层之间的接口，通过两个物理层服务访问点 （PDSAP和PLME-SAP）提供了物理层数据服务和物理层管理服务。物理 层数据 服务通过PD-SAP实现物理层协议数据单元（PPDU）的收发，物理层管理服务通过 PLME-SAP维护物理层的数据库n。物理层功能：1）设备的激活；2）当前信道能量的检测；3）链路质量的检测； 4）信道接入方式的选择；5）信道频率的选择；6）数据的传输和接收。（2）介质访问层（MAC）ZigBee协议的媒体访问控制子层也是由IEEE802. 15. 4制定，它使用 CSMACA机制来接入无线
29、信道，是所有无线信道的维护接口，主要负责管 理网 络信标、发送确认帧以及发送连接和断开请求等。MAC层定义了 MAC层和网络层之间的接口，通过两个服务访问点 （MLDESAP和MLME-SAP）提供了 MAC层数据服务和管理服务。MAC层 数 据实体服务通过MLDE-SAP实现了 MAC层协议数据单元MPDU的收发，MAC 层管理实体服务通过MLME-SAP维护MAC层的管理服务：闻。MAC层功能：1）协调器产生信标；2）支持网络链路的建立和断开；3）为设备的安全性提供支持；4）采用CSMACA信道接入方式；5）保护时隙机制 的处理与维护；6）在两个MAC实体间提供可靠而稳定的网络通信 链路。
30、（3）网络层（NWK）网络层是ZlgBee协议栈中的重中之重，是ZIgBee的核心。网络层主要实现 了设备节点的加入或者离开、路由链表的查找及网络数据的传输等。网络层为了确保MAC层正常工作提供了一些必要的函数，并且还为系 统开 发层提供了服务接口，它由网络层数据服务实体（NLDE）和管理实体（NLME）共同 组成。NLDE为设备间的通信提供相应服务，它产生网络层协议数据单元（NPDU）,9第2章ZlgBee协议简介并且为其指定网络拓扑中的传输路由。NLME主要提供网络中的管理服务2。网络层功能：1)网络发现与形成；2)路由器初始化；3)设备同网络连接；4) 网络的断开与重新加入；5)接收机同
31、步；6)信息库维护。(4) 应用层(APL)ZigBee应用层框架包括应用支持层(APS)、ZigBee设备对象层(ZDO)和 制造商自己定义的应用程序框架(AF)。ZIgBee应用层除了提供一些必要函数以及 为网络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能是用户可以在这层定义自己的 设备应用对象。应用支持层使用了生产商自定义的应用对象和ZlgBee设备对象提供的服务， 借此实现了网络层和应用层之间的接口问题。应用层通过两个服务访 问点 (APSDe-SAP和APSME-SAP)提供了数据服务和管理服务。应用层数据服务实 体通过APSDe-SAP提供了数据传输服务，应用层管理服务实体通过APSMe
32、-SAP 来提供管理服务2。ZIgBee设备对象是一个特殊的设备应用对象，它在端点0上实现。它使用应 用层的APSDE-SAP和网络层的NLMESAP包括了定义网络中设备的角色，发 起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制等功能。应用程序框架层(AF)是应用在ZlgBee协议栈上的程序，即芯片生产厂 家自 己定义的应用对象，遵循(PIofne)规范运行在设备端点1-240 o在ZlgBee应用 中，AF层提供了 2种标准的服务类型：健值对(KVP)服务和报文(MSG)服务n 2.4本章小结本章首先介绍了 ZigBee网络的体系结构，并详细介绍了 ZigBee网络中的 设备分类及拓扑结构。接
33、着详细阐述了 ZIgBee协议栈的架构并且分别对物理层、 MAC层、网络层和应用层进行了介绍。燕山大学本科毕业设计(论文)第3章系统硬件设计通过在前面两章的比较、学习、研究，本章首先提出了基于ZlgBee的无线温湿度采集系统设计的整体方案，然后对系统的硬件电路进行了详细设计。3.1 系统整体方案本文设计的基于ZlgBee的无线温湿度采集系统，主要由1台PC机、1台协 调器、多台终端节点和若干台路由器组成。系统采用了分布式的测量方式，终端节 点根据实际生产应用，放置在不同的实际环境当中；在协调器与终端节点数据传输 距离达不到的时候，添加路由器作为中继，进行数据的透明传输。整个无线温湿度 采集系统
34、的网路拓扑结构如图3-1所示。采集节点采煤PC机采煤采集节点图3-1无线温湿度采集系统框图ZigBee 路由器好网 点的 经过ZigBee/协调器ZigBee , 路由器串口采集节 点 (?协调器首先建立 络，等待各个传感器节 入网请求；传感器节点 验证后加入网络，将被赋予一个16位 通信都采集节点短地址在以后网络中的#以这个16位的短地址作为节点的标识。传感器节点把温湿度传感器采集到第3章系统硬件设计的数据读取，并通过无线传感器网络将数据包上传给协调器；协调器通过串口按定 义好的数据格式上传给PC机，PC机通过上位机软件解析、显示并存储数据。上 位机界面用来监控各工作环境的温湿度，以便掌握整
35、个网络系统的运行状态。3.2 系统硬件平台选择本文系统总体设计方案分为硬件设计和软件设计两个方面，接下来首先介绍 系统硬件平台的设计。硬件平台选择主要分为处理器(MCU)和射频收发 器(RF)的 选择以及相关外围电路器件的选择，主要选择原则有：是否易于实现；性能是否满 足设计要求；设计开发有没有适合的开发工具。此外，还必 须针对ZlgBee网络的 结构特点，对功耗、成本和芯片封装大小等方面进行综合评估考虑。一个完整的硬件开发平台主要由MCU+RF收发器组成，目前主流的设计方案 存在两种，一种是MCU+RF收发器方案；另一种是SoC方案。(1) MCU+RF收发器解决方案以8位单片机为基础，搭配
36、正EE802. 15. 4/ZlgBee标准的射频芯片，组 成集信息米集、传输、通信多功能于一体的ZIgBee通信模块。这种方案构建灵活， 设计多样化，可根据实际应用具体选型设计。单片机与射频芯片间主要SPl串口连 接。MCU作为整个模块的核心，控制协议栈；射频芯片则主要完成无线通信的接 入。模块框图如图3-2所示。图32 MCU+RF收发器解决方案目前市场上主要的MCU+RF解决方案有几种：1） Tl的解决方案：MSP430(业界公认的低功耗单片机)力口 CC2520,此方案符合ZigBee低功耗的要求，受到很多工程技术人员的推荐；11第3章系统硬件设计2） FieeSCaIe的解决方案：H
37、CO8围片机加MCl319x系列射频芯片；3） ATMEL的解决方案：ATmege128L单片机加AT86RF230射频芯片。（2） SOC解决方案SoC芯片集成了 MCU和RF射频芯片，节省了系统成本，提高了系统性能， 简化了设计流程，开发难度远远小于上一种设计方案。目前主要的SOC解决方案 有：1） Tl的SoC解决方案CC2530。CC2530是Tl第二代SOC解决方案，它支 持系统编程。CC2530拥有优秀的RF性能、选择性和业界标准增强8051 MCU内 核，应用于包括远程控制、消费型电子、楼宇自动化、医疗等更多领域。CC2530 还可以配备TI的协议栈来简化开发。2） Ember
38、的 SoC 解决方案 EM260,它集成了和 2. 4GHz IEEE802. 15. 4 兼 容的无线收发器和16位闪存MCU,具有快速SPl接口。应用于建筑物自动化控 制、家庭娱乐等g。3） Freescale的SoC解决方案MC1322x系列平台。MC1322x的设计面 向需 要在正EE802. 15. 4或ZigBee网络中更快地传输音频和数据文件的新型 无线设备。通过对上述各种方案进行综合比较，并结合本设计系统对软硬件平台的综合 配套使用要求，本文选用TI的CC2530 SoC芯片作为ZigBee无线测控 网络的硬 件解决方案。CC2530是用于IEEE 802.15. 4/Z1gB
39、ee应用的一个片上系统解决方案。它能以非常低的成本建立强大的无线传感器网络。Tl为其提供 了完整的开发和调试环境CC2530有优秀的RF性能增强型8051微处理器内核、 IOldB的链路质量、优秀的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性，以及其他强大的支 持功能和外设。可以应用于包括远程控制、消费型电子、楼宇自动化、医疗等众 多领域。本文设计采用了 CC2530F256芯片 该芯片结合Tl的ZlgBee协议栈（Z-StaCk） 使用，提供了一个强大和完整的ZIgBee解决方案。3.3协调器电路设计硬件电路的设计是网络系统开发的基础，它关系到整个网路系统的整体性能，在基于ZlgBee的无线温湿度采集系统中
40、，总体上可以分为协调器、路由器 和终端节点三个模块的电路设计。其中协调器是无线网络系统的核心，它负责组 建网络，从传感器节点采集数据，并且协调器还负责把采集的数据通过串口上传 给PC机。协调器的电路设计也较其他节点复杂。本章先介绍协调器的设计，其它节点 的电路设计在其基础上修改。协调器的硬件电路设计分为两部分：一部分是 CC2530核心电路的设计；另一部分是外围电路的设计，主要分为电源电路设计、 复位电路设计、USB转串口电路设计、DebUg下载电路设计以及网络指示灯电路 设计等。3.3.1 CC2530核心电路设计本文中，CC2530的核心电路设计，严格按照Tl公司的参考设计，CC2530核
41、在上图中，重点说明Wlup天线的设计，它采用了 TI的巴伦天线的参 考设 计。Wlnp天线属于单端非平衡天线，需要一个巴伦电路变压器叫其性能良好， 通信距离较远，并且提供了标准的SMA接口。#第3章系统硬件设计3. 3. 2外围电路设计外围电路设计主要包括以下几部分：电源电路设计、复位电路设计、USB转 串口电路设计、Debug下载电路设计以及网络指示灯电路设计等。1) 电源电路设计在实际应用中，协调器需要一直持续工作，一般是与PC机相连，所以可以 通过PC机直接供电。PC机USB接口提供了 5V电源，而CC2530芯片需要的是 3. 3V供电。所以需要采用三端稳压芯片HT7533将电压转换成
42、3. 3V,电源电路如 图3-4所示。d图3-4电源电路原理图如上图所示，在输入和地之间加一个IOUF的旁路电容，来抑制噪声和电压纹 波、改善稳态响应；在输出端和地之间加一个IOUF的旁路电容，来增强输出电压 的稳定性。2) 复位电路设计本文的复位电路是一个典型的按键复位电路，复位电路如图3-5所示。|图3-5复位电路原理图3) USB转串口电路设计协调器接收到传感器节点传递来的数据后，要通过串口向PC机上传数据。 考虑到用笔记本电脑现场调试方便，设计采用PL2303HX芯片进行了 USB与串口 的转换，来实现PC机与协调器间的通信，如图3-6所示。图3-6 USB转串口电路原理图4) Deb
43、Ug下载电路设计CC2530提供一个可以对芯片在线调试的DebUg接口。该接口允许对片上闪 存进行编程、访问存储器内容和对芯片在线调试，比如单步调试、设置断点和寄 存器修改等，Debug下载电路如图3-7所示。图3-7 DebUg下载电路原理图5)网络指示灯电路设计为了方便调试程序，并在ZlgBee组网时显示网络状态，设计了网络指示灯, 网络指示灯电路如图3-8所示。#燕山大学本科毕业设计(论文)11-图3-8网络指示灯电路原理图3.4 终端节点电路设计在网络系统中，终端节点是负责数据采集的主要节点它分布于监测环境中， 把采集到的温湿度数据以无线的形式发送给协调器，或者经过路由器 传递给协调
44、器。（1） 温湿度传感器应用电路设计本文采用DHTll数字式温湿度传感器。DHTll响应超快、抗干扰能力 强、 性价比极高。相对于模拟式温湿度传感器基于模拟信号的测量，数字式 温湿度传 感器，测量更加精确。DHTIl产品参数：测量范围：湿度20-901RH,温度050 C;测量精度：湿度5%RH,温度2。 C;分辨率：湿度1%RH,温度1。 CoDHTll温湿度传感器应用电路如图3-9所示。路16第3章系统硬件设计（2） 电源电路设计在实际应用中，很多时候终端节点的工作位置不确定，无法使用电源供电， 所以使用电池供电。电源设计电路与图3-4相比，仅多了一个电池插槽。电池供 电电路设计如图3-1
45、0所示。I - II 【三 T T图3-10电池供电电路原理图终端节点的主要用于采集温湿度数据并上传，不需要同PC机直接通信，所 以在设计过程中，去掉了 USB转串口电路。为了调试设备测试，仍然给它配备了 网络状态指示灯。核心电路、复位电路、Debug下载电路以及网络 指示灯电路参 考协调器电路的设计。3.5 路由器电路设计终端节点一般分布于监测环境中，相距协调器较远，需要路由器作为数 据传 输的中继。路由器不需要和上位机通信，在电路设计时，省去了 USB转串口电路。由 于路由器本身也可以充当终端节点采集数据，只是带有路由功能的采集节点。所 以为路由器也加上传感器应用电路。复位电路、DebUg
46、下载电路、网 络指示灯电 路以及传感器应用电路参考协调器电路的设计。3.6 6本章小结本章首先介绍了系统的整体方案，接下来对硬件平台的不同解决方案进行比 较、选择，确定了系统硬件平台，给出了系统的总体设计方案。最后分别对协调 器、路由器和终端节点的核心电路和外围电路原理图进行了设计。外围电路主要 设计了电源电路、复位电路、USB转串口电路、DebUg下载 电路以及网络指示灯 电路等。硬件总体设计图见附录1。17燕山大学本科毕业设计(论文)第4章系统软件设计本文设计的基于ZlgBee无线网络的温湿度采集系统，用由协调器、路由器和 终端节点构成无线网络。协调器是整个网络的核心，负责收集网络中传感器节点 发来的数据，然后通过串口发送给PC机，上位机软件进行数据处理显示并存储。 系统软件设计主要包括：ZigBee协议栈的配置、网状网程序设计、数据的收发、 温湿度数据采集和上位机界面设计。4.1 系统软件平台概述(1) ZlgBee协议栈的选择结合本文设计的系统，对现存的各种主流ZIgBee协议栈进行了充分的比较。 当前比较主流的ZlgBee协议栈主要有：1) Tl的Z-StaCk协议栈，它是半开源的， 网络层以下对于用户来说是透明的，只提供相应的APl函数，目前免费，功能强 大；2) Embel的EmbeiZNet协议栈，需要付费才能使用；3) Fieesca