1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 基于 ZigBee 的无线测温管理系统的应用研究 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 大型的电器设备一般都工作在高电压大电流环境下，为了及时的测量出电器设备的连接点温度，并及时进行预警 。设计制作出一种基于 ZigBee 技术的无线测温管理系统。 ZigBee 是 一种新型的 无线传感器网络 技术，是 介于无线 标识 技术和 蓝牙技术 之间的技术提案 。 ZigBee 将 无线 传感器技术、 无线 通讯技术和计算机技术结合在一起 ，不仅 可以进行 数据的 采集 还可以进行数据的 传输和处理
2、 。 ZigBee 具有距离近、复杂度低、功耗低、数据传输速率低、成本低 、网络 自组织 、 工作可靠等优点。主要适合用于自动控制 系统 和远程控制领域， 并且 可以嵌入 到 各种设备。本 课题 通过采用 DS18B20 温度传感器采集温度信息、 CC2430 作为处理芯片通过 USB 接口与 计算机通信。通过可视化程序设计语言 Visual Basic 6.0 设计监控界面，易于实现无线传感器网络温度信息的实时采集、及时报警和有效管理。 关键词： ZigBee，无线测温， DS18B20， CC2430 II Application research on wireless temperat
3、ure administration system based on ZigBee Abstract A wireless temperature administration system based on ZigBee is designed for timely detecting the temperature of connection point in large electrical equipments. As a new technique, ZigBee wireless sensor network holds wireless sensor technique, wir
4、eless communication technique and computer technique together, and it can be provided with information collection, transmission and processing. It is intervenient wireless markers technique and Bluetooth technique. ZigBee has lots of advantages such as short range, low complexity, low power consumpt
5、ion, low data transfer rate, low cost, self-organizing, reliable work, etc, mainly be suitable for automatic control system and the remote control field， Which can be embedded into all kinds of equipment. This topic uses DS18B20 temperature sensor to collect temperature information. CC2430 is proces
6、sing chip through USB interface communication with computer. Through the interface of Visual Basic 6.0, the real-time acquisition, timely alarm and effective administration of temperature information could be easily realized. Keywords: ZigBee, Wireless temperature measurement, DS18B20, CC2430 III 目录
7、 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 课题的来源 . 1 1.2 课题的意义 . 1 1.3 无线传感器网络技术国内外发展现状 . 2 1.3.1 国内无线传感器网络技术的研究现状 . 2 1.3.2 国外无线传感器网络技术的研究现状 . 2 1.4 课题研究的主要内容 . 3 2 ZigBee 标准和应用领域 . 4 2.1 ZigBee协议概述 . 4 2.2 IEEE802.15.4. 5 2.3 ZigBee. 5 2.4 传感器节点 . 5 2.5 ZigBee网络拓扑结构 . 6 2.5.1 星型网 . 6 2.5.2 网状网 . 6 2.5.3
8、混合网 . 6 2.6 端点绑定 . 7 2.7 数据传输机制 . 7 2.8 ZigBee优点 . 7 2.9 ZigBee与 蓝牙和 Wi-Fi技术比较 . 8 2.10 ZigBee的应用 . 9 2.10.1 智能家庭 . 9 2.10.2 智能交通 . 9 2.10.3 工业领域 . 9 3硬件设计 . 10 3.1 硬件总体设计方案 . 10 3.2 温度传感器终端设计 . 11 3.2.1 温度传感器 . 11 3.2.2 微控制器 . 12 3.3 温度传感器终端原理图 . 12 3.4 温度传感器基站设计 . 12 3.4.1 CC2430 芯片概述 . 12 IV 3.4.
9、2 CC2430 无线收发模块 . 13 3.4.3 USB 接口 . 14 4软件程序开发设计 . 15 4.1 系统部分模块初始化分析 . 15 4.1.1 DS18B20 的初始化 . 15 4.1.2 USART 的初始化 . 16 4.2 软件编程 . 16 4.2.1 DMA 程序写入 . 16 4.2.2 监控界面设计 . 17 4.2.3 部分程序代码 . 18 5设计成品简介 . 21 5.1 硬件介绍 . 21 5.2 监控界面介绍 . 21 结论 . 23 参考文献 . 24 致谢 . 错误 !未定义书签。 附录 . 25 附录图 1 DMA操作流程 . 25 附录图 2
10、 温度传感器终端原理图 1. 26 附录图 3 温度传感器终端原理图 2. 27 附录图 4 CC2430 片上系统功能模块 . 28 附录图 5 CC2430 无线收发模块 . 29 基于 ZigBee 的无线测温管理系统的应用研究 1 1 绪论 1.1 课题的来源 物联网作为一个新概念在几年前才被提出。作为一门新兴科技，指的是在计算机互联网的基础上，利用无线射频技术、 无线通信 技术等，构造一个覆盖世界上所有事物的“ Internet of Things”。 无线传感器网络是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间相互交叉的结果。 1 无线传感器网络的一个最
11、显著特点是智能化的传感器。 智能传感器不再是传统意义上的传感器，而是一种嵌入了计算能力的传感器。正是由于嵌入了计算能力，使得传感器节点在原有数据采集功能的基础上，还拥有了滤波、信息处理等功能。在智能传感器的基础上增加无线通信功能的无线智能传感器，不仅大大扩展了传感器的感知范围，也使得传感器的工程实施变得十分简便。在无线智能传感器的基础上再加入网络技术，传感器就不仅是个简单的感知体，而是能够进行信息交换、协调控制的微系统，从而实现物联网的构想 物与物的互联。在 无线智能传感器网络技术中， ZigBee技术由于其独 特的特点和技术优势无疑将成为物联网技术发展的前沿科技。 本课题是基于我国目前大力发
12、展物联网技术，以及国家在“十二五”期间对物联网技术的强烈要求的新形式以及物联网技术的巨大发展潜力与指导教师共同商议提出的。 1.2 课题的意义 运行 中 的 大型 电气设备通常工作在高电压和大电流状态 下 ，设备中存在的某些 微小 缺陷 或损耗 会导致设备部件的异常 并使局部 温度 骤升 。 从而 造成 局部温度与接触电阻值的恶性循环，导致 电气 设备 不仅 不能正常工作，甚至 引起 设备 的 烧毁 、 爆炸 并带来人员伤亡 事故。 无线测温管理系统正是因为上述原因而备受关注的。其 主 要 的 功能是对 环境 温度 实现 在线 的实时 监测 和 预警，该技术 目前已 广泛应用于水温 的 测量、
13、气温的测量等领域。 无线测温 技术运用最新 的 无线通信技术、数字化温度传感技术，可实时自动检测 发电 站 和 工程现场各高低压关键点温度，大幅度降低现场设备 人工 巡查的工作量 。并且可以 对 危险 状况进行提前预警，通过后台计算机轻松 的 实现无人值守和远程监 测 。 在环境温度监测系统的设计开发中，必须考虑到实时监测时数据采集量和传输量巨大，实时性要求高，监测周期长，因此选用一种在低能耗情况下，也基于 ZigBee 的无线测温管理系统的应用研究 2 具有较高传输效率、理想传输数率的设备与技术是十分必要的。 2 鉴于上述要求与 ZigBee技术的优点，我们选择 ZigBee 技术作为本课题
14、的技术基础。 1.3 无线传感器网络技术国内外发展现状 作为新一代的传感器网络，无线智能传感器网络具有非常广阔的开发应用前景和巨大的市场经济价值。现在世界上各个国家都很重视无线智能传感器网络的开发和应用。无线智能传感器网络技术不仅被美国技术评论杂志评为未来十大新兴科技。而且，在“中国未来 20 年技术预见研究”的 157 个技术课题中，就有 7项是直接论述无线智能传感器网络的。 2006年发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为我国信息技术 未来的发展指引了三个前沿科技，而其中的智能感知技术和自组织网络技术就直接与无线智能传感器网络的研究相关。 9 由此可知，无线智能传感器网络的大规模应用将是
15、一种必然趋势，而无线智能传感器网络的出现和发展应用将会像 20世纪的计算机技术、激光技术一样给人类社会的发展和社会文明带来极大的变革。 1.3.1 国内无线传感器网络技术的研究现状 我国无线传感器网络技术的应用研究与发达国家几乎同期启动。 1999年首次出现于中科院知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动化领域报告中，作为该领域提出的五个重大项目之一。 目 前在我国，由 中科院微系统所主导的研发团队正在积极的开展基于无线传感器网络的电子围栏技术边境防御系统的研发和测试，已取得了阶段性的成果。同时 也有许多公司正在研究无线传感器网络，例如西安华凡科技有限公司，作为无线传感器网络解决方案的专业提供
16、商，为 ZigBee技术在我国的发展做出了不懈的努力。为广大的初学者和用户提供了从开发学习套件、 ZigBee 典型应用方案演示模型到 ZigBee 解决方案商业应用的一条龙服务。 杭州齐格科技有限公司与浙江农科院合作研发了远程农作管理决策服务平台，该平台利用无线传感器技术实现对农田温室 大棚温度、湿度、光照等环境信息的监测。 1.3.2 国外无线传感器网络技术的研究现状 国际上比较有代表性和影响力的无线传感器网络研发成功的项目有智能尘埃（ smart dust）、行为习惯监控项目、战场遥控系统（ remote battlefield sensor system, REMBASS）等。美国俄亥
17、俄州正在开发的能够监测到运动中的高金属含量目标“沙漠直线”无线传感器网络系统和美军试验成功的“狼群”地面无线智能传感器网络已成为该技术在电子战领域最新突破的标志。 10 民用方面，美国英特尔公司和加利福尼 亚州大学伯克利分校领导的“智能基于 ZigBee 的无线测温管理系统的应用研究 3 尘埃”技术的研究工作，已经成功的创建了瓶盖大小的全能型智能传感器，可以执行计算、监测与通信等功能。 2002年，英特尔公司又率先在俄勒冈州建立了世界上第一个无线葡萄园，这是一个典型的精准农业、智能耕种的实例。在亚洲， 日本制作所于 2004年 11月 24日宣布开发出了全球体积最小的无线传感器网络终端，该终端
18、为安装电池的有源无线终端，可以配合搭载温度、亮度、红外线、加速度等各类传感器使用。 1.4 课题研究的主要内容 本课题的主要研究内容是根据 IEEE 802.15.4 协议规范设计制作一 个基于ZigBee 的无线测温管理系统。该系统拟采用 DS18B20 温度传感器结合 ZigBee技术的无线模块 CC2430 搭建无线测温网络，通过温度传感器 DS18B20 采集环境温度数据。并通过 ZigBee 网络传输采集到的数据，最后测试基站再通过 USB接口与本地计算机连接通信，实现温度的在线监测。 本课题的难点在于实现温度传感器与基站以 ZigBee 协议的方式进行无线通信，将模拟量温度值转化为
19、数字量温度值，编写完善的通信协议及系统软件。同时，由于温度检测时产生的数据量巨大，实时性要求高。因此，如何高效的传输数据也成为 系统设计时必须要考虑的问题。 “ 无线测温管理系统 ” 是为了更好的适应现代化工业生产和家庭生活而设计的。它改变了传统的必须通过接触式测量的方法，实现了智能化监测环境温度，免去了大量的人工操作，同时实现了实时的在线监测。设计开发完成后，应该能够达到以下几点： 1. 可以在本地 PC机上观看到实时监测的环境温度。 2. 可以更换系统老化的温度传感器终端，并且不会影响原有的检测网络系统。 3. 控制界面及内容观测方便。 4. 在课题结束的时候，希望能够完成一个较为完整的测
20、试系统甚至是可以投入市场的一个产品。 基于 ZigBee 的无线测温管理系统的应用研究 4 2 ZigBee 标准和应用领域 2.1 ZigBee 协议概述 IEEE 802.15.4 是 IEEE 针对低速率无线个人区域网（ low-rate wireless personal area networks, LR-WPAN）制定的无线通信标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本制造作为重点目标，旨在为个人或家庭内不同设备之间低速率无线通信提供统一的标准。 19 该标准定义的无线个人区域网络的特征与无线传感器网络有很多相似之处，国内外很多研究机构已将其视为无线传感器网络的实际通信标准。 Z
21、igBee协议标准采用 分层结构，每一层为其上层提供一系列的特殊服务：数据实体主要提供数据传输相应的服务；而管理实体则提供其余的服务。其中支持一定数量服务原语的服务接入点 SAP 作为接口为上层提供接口服务。ZigBee标准的分层架构并不是刻板无变化的，其基本架构是 OSI的七层模型。但是在此基础上也会根据实际应用的差异来重新定义。 ZigBee协议的基本体系架构如 图 1所示： Z i g B e e 设 备 对 象（ Z D O ）Z D O管理面板A P S安 全 管 理应 用 支 持 子 层 （ A P S ）A P S消 息 中 转反 射 器管 理应 用 程 序 框 架应 用 层 （
22、 A P L ）N W K安 全 管 理N W K消 息 中 转路 由 管 理 网 络 管 理网 络 层 （ N W K ）物 理 层 （ P H Y ）介 质 访 问 控 制 层 （ M A C ）8 6 8 / 9 1 5 M H z2 . 4 G H z安全服务供应商应 用 设 备 2 4 0 应 用 设 备 1. . .端 点 2 4 0A P S D E - S A P端 点 1A P S D E - S A PZ D O公 共接 口端 点 0A P S D E - S A PN L D E - S A PNLME-SAPP D - S A P P L M E - S A PASPM
23、E-SAPM L D E - S A P M L M E - S A P图 1 ZigBee协议的体系结构 基于 ZigBee 的无线测温管理系统的应用研究 5 基本架构中 IEEE 802.15.4-2003标准定义了两个底层协议： 媒体访问控制层（ MAC）和物理层（ PHY）。而 ZigBee联盟在底层协议上又定义了应用层（ APL）和网络层（ NWK）。同时在应用层内加入了应用支持子层（ APS）和 ZigBee 设备对象（ ZDO）。应用框架中则加入了用户自定义的应用对象。 19 2.2 IEEE802.15.4 2000 年 12 月，为了满足类似温度传感器这样的小型、低成本设备也
24、能进行无线联网的需求。电气和电子工程师协会组织建立了 IEEE 802.15.4 工作小组。开发价格低廉的可供便携或移动设备使用的复杂度低、成本低、功耗低、速率低的无线通信技 术是这个工作小组的研究目标。 6 在标准化工作方面， IEEE 802.15.4工作小组负责制定 媒体访问控制层 和物理层的相关协议，其他协议主要参考使用现有的一些标准。在参考使用现有标准的同时， IEEE 802.15.4 协议也吸引了其他标准化组织的注意，例如 IEEE 802.15.4 工作小组就在考虑怎样在 IEEE 802.15.4 标准基础上实现传感器网络。 正式的 IEEE 802.15.4 标准在 200
25、3年上半年发布，芯片和产品已经问世。ZigBee联盟在 IEEE 802.15.4 2003标准的基础上，于 2005年 6月 27日公布了第一份“ ZigBee Specification v1.0”，并于 2006年 12月 1日公布了改进版本的 ZigBee Specification 2006版本，再次掀起了全球范围内研究 ZigBee技术的热潮。 2.3 ZigBee ZigBee技术是一组基于 IEEE 802.15.4 无线标准研制开发的有关自组织网络、安全软件方面的通信技术。 11 ZigBee 名称的由来主要源于对蜜蜂采蜜过程的观察。在采蜜的过程中，若发现有新的实物源，那么蜜蜂就会跳着 ZigBee形状的舞蹈，以舞蹈的形式来告 知蜂群食物源的方向、距离、位置等。同时蜜蜂的自身体积小，能量消耗少，又能传送采集来的花粉。因此，人们将具有低成本、小体积、低能量消耗和低传输速率等特点的无线通信技术叫做 ZigBee技术。中文通常将 ZigBee 译为“智蜂”或“紫蜂”等。 16 2.4 传感器节点 传感器节点通常由四个部分组成：能量供应模块；无线通信模块；处理器模块（由嵌入式系统构成，包括 CPU、嵌入式操作系统等）；传感器模块（由传感器和模数转换功能模块组成）。 无线传感器网络节点结构如 图 2所示：
