1、毕 业 设 计题 目 基于 ZigBee 的烟雾温度传感系统设计 学 院 自动化与电气工程学院 专 业 自动化 班 级 仪器 0901 学 生 5645136 学 号 49 指导教师 王中华 二一三年六月八日济南大学毕业设计- I -摘 要无线传感技术如雨后春笋般日益成熟，其具有成本低、能耗小、无需布线、相互之间没有电气干扰等优点，极大的迎合了公众的节能，使用方便的需求心理。本文设计了一种基于 ZigBee 技术的烟雾温度传感系统，主要有两部分组成：数据采集系统（无线终端下位机）和数据接收系统（上位机） ，上位机和下位机呈现一对多的关系。采用 CC2430 模块通过 ZigBee 协议实现上位
2、机和下位机数据的无线收发功能。本文根据课题设计任务的要求，完成了烟雾传感器、温度传感器、液晶显示、射频收发模块的选型，设计了由电源模块、传感器模块、数据无线传输模块、串口模块等构成系统的相关电路，制定了数据无线传输通讯协议，编制了相关程序，并进行了相关的实验调试。此无线传感系统性价比较高，适应能力强，复杂度低，极大的提高系统可靠性、灵活性和检测范围，降低系统的成本，具有较好的应用前景。关键词：ZigBee；无线传感系统；下位机；射频收发模块；通讯协议济南大学毕业设计- II -ABSTRACTWireless sensing technology have sprung up day by d
3、ay mature. It has low cost, low energy consumption, no wiring, and the advantages of no electrical interference between each other, catering to the energy saving of the public, convenient to use the psychological demand. This paper designed a kind of smoke temperature sensing system based on ZigBee
4、technology. There are two major parts: the data acquisition system (wireless terminals under a machine) and data receiving system (PC). Upper machine and lower machine presents a one-to-many relationship. Using CC2430 module through the ZigBee protocol implementation of upper machine and lower machi
5、ne data radio transceiver functions. In this paper, according to the requirements of project design, completed the smoke sensor, temperature sensor, LCD display, rf transceiver module selection, design including power supply module, sensor module, wireless data transmission module, serial port modul
6、e composition system such as the relevant circuit, established data wireless communication protocol, compiled the relevant procedures, and has carried on the related experimental debugging. The wireless sensor system, high cost performance, strong adaptability, low complexity, greatly increase the s
7、ystem reliability, flexibility and range of detection, lower the cost of the system, has good application prospect.Key words：ZigBee；Wireless sensor systems; Sensor module; RF transceiver module; Communication protocol济南大学毕业设计- III -目 录摘 要 .IABSTRACT .II1 课题背景及意义 .11.1 课题背景及研究现状 .11.2 研究目的和意义 .22 系统总
8、体设计方案 .32.1 ZigBee 协议规范研究及分析 .32.1.1 ZigBee 网络拓扑结构 .32.1.2 ZigBee 数据传输机制 .32.1.3 ZigBee 节能技术探讨 .42.2 方案选择 .52.3 系统整体设计 .52.4 芯片选择 .62.4.1 无线射频模块 .62.4.2 单总线温度传感器 DS18B20 .72.4.3 气敏传感器 MQ-2 .72.4.4 液晶显示模块 .72.5 系统硬件结构 .73 无线传感系统的硬件设计 .93.1 无线传输模块的电路设计 .93.2 温度采集电路设计 .133.3 烟雾采集电路设计 .143.4 声光报警电路设计 .1
9、43.5 液晶显示电路设计 .153.6 远红外遥感电路设计 .163.7 串口电路设计 .173.8 整机电路图 .174 系统软件设计 .184.1 终端测量节点加入无线网络 .184.2 终端节点信号采集 .194.3 数据传送 .204.4 系统主流程 .215 系统性能调试 .23济南大学毕业设计- IV -5.1 终端实验板 .235.2 上位机界面 .236 抗干扰设计 .266.1 存在的干扰表现 .266.2 抑制干扰的措施 .26结 论 .27参 考 文 献 .28致 谢 .30附 录 A .31附 录 B .33济南大学毕业设计- 1 -1 课题背景及意义1.1 课题背景
10、及研究现状建筑物内的安防问题一直是关系社会环境安定和人身安全的重大问题。由于现代化的城市布局不断扩大，城市人口拥挤，各种电器设备在使用过程中可能出现可燃气体泄露、短路、负载过大等不安全的因素，所以建筑物内具有火灾隐患，据官方统计火灾的发生率呈上升趋势 1。目前火灾体现出复杂化、立体化、扩展快的特点，对公众的生命和财产造成极严重的威胁和损失。为保障公众的生命财产安全，相关当局除了要加强宣传消防教育，提高公众消防意识，加强公共消防设施建设，建立消防安全长效管理机制以外，还需要从科学技术上强调创新，消防设施注重更新换代，从而形成一个有效的消防监控系统，便于时刻监控建筑物内的情况，达到防灾减灾的作用。
11、当监控系统监测到异常情况时，系统会自动发出报警信号,便于工作人员及时采取应对措施，最大程度的减少灾难带来的损失 1。然而目前市场上涌现的监控系统多采用有线通信，系统成本较高，布线繁琐，系统扩展性能差，线路老化快，抗干扰能力差，因此有线传感系统故障率和误报警率较高 2。将智能的无线传感报警系统应用于消防领域，进行建筑物内的环境监测 3和救援人员车辆的定位追踪 4，将大大地改善传统有线火灾自动报警系统的弊端，而且人性化的智能无线传感系统克服了有线通信的很多弊端，使用方便，便于维修保养 5。目前 ZigBee技术应用较广，其技术相对成熟，将 ZigBee 技术融入到无线通信技术中，使其各种设备和主控
12、系统都能够在功耗极低的状态下运行，这使得整个系统的运行成本得到有效的降低 6。目前国外最大的无线报警系统的生产厂家是美国松柏公司（ITI 公司） ，该系统既可作为火灾报警 2，也可作为保安系统，两者兼用，是一种高科技的无线安保系统。现在各种不同的无线通信技术正迅猛发展，从先前的广域网（Internet、GSM/GPRS/3G）到后来的基于 IEEE802.11 系列的无线局域网（WLAN ：Wireless Area Net ） 、基于蓝牙的无线个域网（ WPAN：Wireless Personal Area Net ） ，再到后来的基于 ZigBee 的低速无线个域网（LR-WPAN：Low
13、 Rate-WPAN）等 12。国内市场上也已经推出了多种无线通信传感系统，例如基于蓝牙技术的无线火灾自动报警系统 7、基于 ZigBee 的家居安防系统的设计 8、基于 ZigBee 和以太网的大学生宿舍防火防盗监控系统 9等。ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入到各种设备中，同时支持地理定位功能。随着技术的发展，可将多种探测技术进行综合，将现有分布智能式有线报警系统与 ZigBee 无线技术相结合，建设新型分布智能型复合探测无线消防报警系统。本文将设计一种基于 ZigBee 技术的烟雾济南大学毕业
14、设计- 2 -温度传感系统，此系统性价比较高，可以提高系统的可靠性、灵活性和检测范围，降低系统的成本。本系统主要有两部分组成：数据采集系统（无线终端下位机）和数据接收系统（上位机） 。上位机和下位机呈现一对多的关系。采用 CC2430 模块通过 ZigBee 协议实现上位机和下位机数据的无线收发功能。1.2 研究目的和意义鉴于市场上现有的火灾报警系统的缺陷，本设计采用 TI 公司的 ZigBee 协议栈，设计一款无线传感系统，不仅可以取代传统的有线传感系统，降低整个监测系统的复杂度，关键是无线传感系统在很大程度上提高了系统的可靠性和稳定性，实现了火灾预警和报警的高速反应和快速动作功能，极大的符
15、合现今要求的节能观念潮流4，社会受众率高。本系统在低耗待机模式下，2 节 5 号干电池可供 1 个节点工作6-24 个月，甚至更长时间，而若给蓝牙供电仅能工作数周、WiFi 仅仅工作数小时。火灾报警的节点穿墙安装方便，无线布线，大大降低了施工成本，特别是适用于古建筑、旧楼宇加装智能消防系统，为火灾报警系统的推广和普及提供了极大的市场前景 8。近年来基于 ZigBee 技术的烟雾温度传感系统应用场合越来越广，可以实时监测现场信息，以便用来做好对意外情况的预防并制定及时的解决方案，是一种功能完善，适应能力强，应用广的监测装置。济南大学毕业设计- 3 -2 系统总体设计方案本设计采用融入 ZigBe
16、e 的无线传输技术，设计火灾报警安防系统，其主要功能是传感器能够检测建筑物内的烟雾浓度和温度，然后将采集到的信号经过无线传感系统发送到 CC2430 芯片内部集成的 8051 内核，内部微处理器作出相应的判断和处理，处理后的信号再由无线发射模块传送至上位机，上位机显示各个传感器组上采集到的信息，若烟雾浓度或者温度超过系统设定的阈值，CC2430 芯片内部集成的8051 内核将驱动声光报警控制器，发出报警信号。2.1 ZigBee 协议规范研究及分析ZigBee 技术是近几年快速发展起来的一种无线通讯技术，符合 IEEE802.15.4 协议标准，网络支持三种拓扑结构 10：星型结构(Star)
17、 、树状结构(Tree)和网状结构(Mesh)。下面将简要介绍 ZigBee 技术在无线烟雾温度传感系统应用背景中解决的几个关键问题：网络拓扑结构的定义、数据传输机制和节能技术 11。2.1.1 ZigBee 网络拓扑结构IEEE802.15.4/ZigBee 协议中明确定义了上述 3 种网络拓扑结构，如图 2.1 所示。无线传感器系统在实际应用中，根据应用需要，经常要灵活地选择适合的拓扑结构。结合建筑物内烟雾温度无线传感系统的应用，星型结构(Star)和树状结构(Tree)适合该应用背景。一个 Zigbee 的星型网络拓扑结构最多可以容纳 254 个从设备和一个主设备，而且一个区域内可以同时
18、存在多达 100 个 ZigBee 网络，网络之间组成较灵活。树状网络可以定期发送信标，使拓扑结构内部节点能够做到很好的同步，便于节点定期进入休眠状态，从而降低系统功耗，延长拓扑结构寿命。因此星型结构与树状结构的层次融合，必将是 ZigBee 技术网络拓扑结构的一个重要发展方向。2.1.2 ZigBee 数据传输机制采用 ZigBee 协议传输数据，由于 ZigBee 协议规范中的网络拓扑结构有多种，所以系统的数据传输确认机制也不同。ZigBee 协议中的数据传输模式有以下三种 11：（1）终端设备作为发送端，协调器作为接收端（2）协调器作为发送端，终端设备作为接收端接收数据（3）多个终端设备
19、之间互相传送数据在传输数据时，首先需要建立数据传输链路，传输数据帧时可以采用CSMA.CA 数据传输机制，沿着星型和树状结构进行点对点传输，直到完成所有数据帧的传输。本文在设计 ZigBee 烟雾温度无线监测的参数采集时，拟采用该种数据传输机制。济南大学毕业设计- 4 -2.1.3 ZigBee 节能技术探讨ZigBee 技术通常应用在对带宽要求较低的场合，大部分时间，其节点可以工作在睡眠模式 12，从而节省了电池能量。当接收到信号时，ZigBee 节点被唤醒，并且可以迅速发送数据，发送完成之后重新工作在睡眠模式。在 15ms 或者更短的时间内，ZigBee 节点可以由睡眠模式进入活动模式，因
20、此睡眠模式下的网络节点也可以获得适合的低时延。F F DR F DP A N C o o r d i n a t o rF F DR F DP A N C o o r d i n a t o r星型结构 树状结构 F F DR F DP A N C o o r d i n a t o r网状结构图 2.1 ZigBee 网络拓扑结构济南大学毕业设计- 5 -2.2 方案选择目前市场上具有 ZigBee 协议功能的芯片有很多种，运用 ZigBee 技术的无线传感系统的方案 13主要有以下三种：（1）ZigBee RF+MCU：如 TI 公司的 CC2420+单片机 MSP430、Freescal
21、e 公司的 MC13XX 和 GT60、Microchip 公司的 MJ2440 和单片机 PIC MCU 等下位机控制模块；（2）单芯片集成 SoC：如 TI 公司新推出的 CC2430/CC2431(8051 内核)模块、Freescale 公司生产的 MC1321X 、EM250 等；（3）内置 ZigBee 协议栈的单芯片再外挂其他功能芯片，如 Jennic 公司的SoC+EEPROM、Ember 公司的 260 和 MCU 的组合等。相比较而言 Jennic 公司的芯片内部无法存放用户程序，只有 ROM(只读存储器)，系统若要实现存储程序的功能，必须要外加一个 EEPROM，用户所用
22、的全部程序必须存储在这个外加的 EEPROM 内。若用户选择使用 Jennic 公司的无线芯片，把程序存放在外加的 EEPROM 内，使用时调用较繁琐，而且最让用户头疼的是自己开发的代码没有安全保障，不能加密，外人很容易就盗版了自己的劳动成果。Freescale 的无线射频模块是两个芯片通过 SIP(系统级封装)实现的，使用过程中会出现通讯问题，不利于大量生产。相对于前两家公司生产的无线射频模块而言，TI 公司推出的ZigBee 无线单片机系列芯片性能稳定，价格低廉，便于使用。而结合本设计中的无线传感系统考虑，将采用 TI 公司新推出的一款无线传感芯片 CC243014，相对于CC2420 芯
23、片而言，该芯片内部集成了 8051 微处理器，只需要简单的外设电路，就可以实现对烟雾温度的无线传感功能，而且内置 ADC，无需外接模数转换电路。电路设计简单，整个系统使用方便，易于维修。该芯片是满足 IEEE802.15.4 标准的片上 SOC ZigBee 产品，具有 DSSS(直接序列扩频)功能，与上位机之间连接有标准的串口接口，具有五种操作模式，即接收、发送、睡眠、命令和空模式，工作频率为2.4GHz。同时该模块具有体积小、功耗低、接口简单、易于组网以及升级方便等优点，适用于较低数据速率的短距离通信应用，尤其是在智能无线传感系统设计中有着广阔的应用前景。2.3 系统整体设计本设计采用 CC2430 芯片作为无线射频元件，进行必要的外围电路设计，实现对环境内的烟雾温度进行实时监测，烟雾传感器和温度传感器采集完信号以后，将程序移植到发送端的 ZigBee 节点模块上，使之与数据接收端 CC2430 无线射频模块兼容，使每一个 ZigBee 模块在系统搭建的网络平台上，实现对烟雾温度的无线采集、发送和显示。接收端无线模块接收到数据后，通过串口连接到 PC 机上，从而实现对更大范围的烟雾温度进行实时监测，本系统的整体结构图如图 2.2 所示。
