本科毕业论文-基于ZigBee的数据采集系统的设计

西安航空学院本科毕业设计（论文）

西安航空学院

本科毕业设计（论文）

题 目： 基于ZigBee数据采集系统的设计

学 院： 电子工程学院 专 业： 测控技术与仪器 学 号： ************** 学生姓名： ****** 指导教师： **********

2016年 5月 25日

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摘 要

近年来科技水平不断提高，各行各业也对获取数据的便捷性、准确性、廉价性提出来越来越高的要求。无论工业现场还是在家庭，温湿度都是一个非常重要的因素。然而在某些高腐蚀的环境下通过布设电缆，进行采集是不易的。实现无线数据采集的无线化、智能化是最理想的解决方案。ZigBee作为一种最新推出的无线通信技术，已经在工业自动化、智能医疗、消费电子产品方面得到了普遍的应用。

本文是在ZigBee技术做了深入的研究下，完成了基于ZigBee的温湿度数据采集系统的设计。本文主要利用CC2530芯片作为整个系统的核心，采用IEEE 802.15.4协议作为整个网络的通信协议。前端高精度的DHT11温湿度传感器把检测数据通过终端节点，发送到另一个作为整个无线网络协调器的ZigBee模块，并用电平出发的LCD12864显示模块进行显示。

本文中搭建的微型无线数据采集网络，实现了温度和湿度数据的实时采集。本设计提出的无线数据采集的方式，为现场数据监测的无线化设计和实际应用问题的解决，提供了思路。

关键字：无线数据采集系统；温湿度；ZigBee；CC2530；DHT11

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Abstract

In recent years, science and technology has improved continuously, businesses also easy access to data, accuracy, cheapness raised higher and higher requirements. Whether at home or industrial field, temperature and humidity is a very important factor. However, in some highly corrosive environment by running cables, acquisition is not easy. Wireless data acquisition wireless, intelligence is the ideal solution. As a latest ZigBee wireless communication technology has been widely used in industrial automation, intelligent medical, consumer electronics products.

This article is in ZigBee technology to do the next in-depth study, completed the ZigBee-based temperature and humidity data acquisition system design. In this paper, the use of CC2530 chip as the core of the system, using the IEEE 802.15.4 protocol as the communication protocol of the entire network. DHT11 tip precision temperature and humidity sensors to detect data through the terminal node, sent to another as the entire wireless network coordinator ZigBee module, and power level starting LCD12864 display module for display.

Paper completed the build miniature wireless data acquisition system to achieve real-time transmission of temperature and humidity data. This design can be seen from the wireless network for field data acquisition parameters and application programs designed to detect wireless devices provide a new solution.

Keywords: Wireless data acquisition system；Temperature and humidity；ZigBee；

CC2530；DHT11

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目 录

第一章 绪论 ....................................................................................................................... 1 1.1 课题背景 ...................................................................................................................... 1 1.2 ZigBee技术简介 ......................................................................................................... 2 1.3 国内外研究现状 .......................................................................................................... 3 1.4 基于ZigBee的数据采集系统的意义 ........................................................................ 4 1.5 论文主要内容与组织结构 .......................................................................................... 5 第二章 系统总体方案设计 ............................................................................................... 6 2.1 系统的设计原则 .......................................................................................................... 6 2.2 系统硬件组成 .............................................................................................................. 6 2.3 系统关键技术介绍 ...................................................................................................... 7

2.3.1 ZigBee协议体系 ............................................................................................... 7 2.3.2 ZigBee网络结构 ............................................................................................... 9 2.4 ZigBee无线芯片的选取 ........................................................................................... 12 第三章 硬件电路的设计 ................................................................................................. 13 3.1 总体设计方案 ............................................................................................................ 13 3.2 C2530无线单片机介绍 ............................................................................................ 13

3.2.1 CC2530芯片的硬件组成 ................................................................................ 14 3.2.2 CC2530芯片的主要特征 ................................................................................ 15 3.3 CC2530基本电路 ...................................................................................................... 17 3.4 CC2530外围节点电路 .............................................................................................. 18

3.4.1 数据采集电路 .................................................................................................. 18 3.4.2 串口转USB电路 ............................................................................................ 20 3.4.3 电源电路 .......................................................................................................... 20 3.4.4 显示电路 .......................................................................................................... 21 3.4.5 键盘电路模块 .................................................................................................. 23 3.4.6 天线…………………………………………………………………………...23 第四章 软件设计………………………………………………………………………..24 4.1 IAR开发平台的介绍………………………………………………………………..24

I

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4.2 传感器模块的软件设计…………………………………………………………….25 4.3 协调器的软件设计………………………………………………………………….26 4.4 IAR开发平台程序烧录 ............................................................................................ 26

4.4.1 创建一个新工程 .............................................................................................. 26 4.4.2 工程参数设置 .................................................................................................. 27 4.4.3 添加项目代码 .................................................................................................. 28 第五章 总结与展望 ......................................................................................................... 30 5.1 设计总结……………………………………….....…………………………………………….30

5.1.1 基本功能实现…… ………… ……………………………...…… ………………….30 5.1.2 无线数据采集的测试…… ……………… ……………………………..………… 31

5.2 前景展望…………………………………………………………………….………………….32 参考文献 ............................................................................................................................. 33 致谢………………………………………………………………………………………..34 附录……………………………………………… ……………………………………… 39

II

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利用ZigBee技术可以方便地组建廉价的低速率无线个域网。ZigBee网络基础主要包括设备类型、拓扑结构、路由方式三方面的内容。作为网络基础的网络节点类型，它主要反应了网络的拓扑结构。ZigBee标准规定了协调器（Coordinator）路由器(Router)和终端节点（End Device）三种网络节点。符合IEEE 802.15.4协议的无线传感器网络中有两种终端设备，分别为：全功能设备（Full Function Device，FFD）和精简功能设备（Reduced Function Device，RFD）。FFD可以执行IEEE 802.15.4标准中描述的所有功能，并且可以扮演网络中的任何角色。但是，RFD只有FFD的部分功能。RFD设备的处理能力和内存远远小于FFD设备。 ZigBee设备的类型以及功能的描述见表2-1：

表2-1 ZigBee设备类型机器功能

ZigBee的设备类型 协调器 IEEE 802.15.4的设备类型 FFD 典型功能 除路由器的典型功能外，还包括创建和配置网络，存储绑定表等功能 路由器 FFD 允许其他节点加入，分配网络地址，提供多条路由和数据转发，协调终端设备完成通讯 终端设备 RFD 完成节点的休眠的唤醒、传感器的控制功能 路由器作为形成网络的重要设备，当网络采用树状或者网型拓扑结构时，它可以充当协调器，使数据的传输距离得到加长。它不仅可以完成自身节点数据的处理，还可以作为数据的“传送站”，传递从其他节点接收到的数据，与终端设备完成通讯。

终端节点的主要任务就是接收和发送信息，当终端节点没有接收和发送任务时，节点处在休眠状态，以降低能量消耗。

终端节点主要任务是发送和接收信息，通常一个终端节点不处在数据收发状态时可进入休眠状态以降低能耗[2]。

ZigBee标准与IEEE 802.15.4的区别图2.3所示：

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ZigBee协调器（IEEE 802.15.4 PAN协调器）ZigBee设备角色ZigBee协调器（IEEE 802.15.4 协调器）ZigBee协调器（IEEE 802.15.4 设备）PAN协调器（FFD）IEEE 802.15.4 设备角色协调器（FFD）设备（RFD or FFD）

图2.3 IEEE 802.15.4和ZigBee标准中的设备角色

ZigBee网络主要有三种组网形式：星型网络、树状网络和网状网络[5]。

（1） 星型网络：

协调器路由器

图2.4 星型网络

星型网络拓扑是最常见的拓扑网络形式，如图2-4所示。由图可以看出，星型网络拓扑结构是由一个ZigBee协调器节点和多个终端设备节点组成的。网络中的数据共享只能发生在协调器和终端设备节点之间，不能由一个终端节点传输到另一个终端设备节点。当协调器节点组建一个属于自己的网络的时候，它会第一时间在其射频范围内找到一个唯一的标识符，并且保证这个标示符没有被其他网络设备所使用。

（2） 树型网络

树型网络拓扑结构如图2.5所示。由图可以看出，树形网络的协调器不同于星型网络中的网络协调器，它可以不仅可以与终端节点进行数据传输，而且可以和由节点组建的子网络充当协调器的子节点建立数据共享。但是直接数据共享只能出现在父子关系的节点之间，跨级的节点之间不能出现直接的数据通信，又有通过与其相连的子路由器节点进行数据的间接共享。不过，利用这种数据的间接传递实现数据信号的“多级跳”，可以拓展网络覆盖区域，增加网络传输距离。但是，随着网络的不断扩大，

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节点的时延会叠加，使信号延迟不断严重。

协调器路由器终端节点

图2.5 树状网络

（3） 网状网络 网状拓扑如图2.6所示。

协调器路由器

图2.6 网状拓扑

当两个设备距离足够近的话，他们会自己连接并组建成网络。这样多对近距离的网络节点就会组成网状无线数据传传输[6]。因为在网状拓扑结构中节点都具备数据信号转发的功能，因此网状结构中的设备只能是全功能设备FFD。精简功能设备RFD在网状结构中不是没有用，他可以充当特定设备，比如路由器。如果某些节点间的通信可由其他中继节点转发且不甚影响网络性能，可不必直接互联。因此在地域范围很广节点数目较多时，都是部分节点连接的任意拓扑结构。

综上所述，不论什么样的网络拓扑结构，一个IEEE 892.15.4网络总会存在一个协调器，并由它创建网络。网络协调器控制网络并执行以下职责：

? 在组建的网络内，给每个终端设备一个特定的身份信息，即适用于本网络的

地址。

? 初始化、终止、转发网络中的信息。

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整个网络中只有一个网络协调器，并且它需要较长的活跃周期。因此，网络协调器通常连接到一个主电源，并非是电池。处理协调器外的设备不是每时每刻都保持在工作状态，而只有需要数据采集的时候处于工作状态，其余时间都在休眠状态。所以，终端设备用电池就可以满足其电路需求。

2.3 ZigBee无线芯片的选取

ZigBee技术的快速发展，广大芯片商制造出来许多型号符合ZigBee标准的芯片。目前，ZigBee联盟中的各大芯片生产厂商如Chipcon、Ember、Freescale等厂商都推出了ZigBee无线解决方案。表2-2中选取了几种有代表性的芯片进行比较。

为了能在能够完成设计要求，又能简化设计，通过比较发现，CC2530比较符合我们的设计要求。CC2530是以系统芯片CMOS为解决方案的。这种解决方案可以提高系统性能并可以满足以ZigBee为基础的集成开发环境作为支持。CC2530的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合对电池寿命要求比较高的应用。

表2-2 ZigBee芯片比较

芯片型号 JN5121 MCU 32位RISC 16MHz MC132XX 8位 40MHz EM250 16位XAP 内存容量 96K RAM, 64K ROM 4K RAM， 60K Flash 5K RAM, 128K Flash CC2530 8051内核 32MHz 8K RAM， 128K Flash 1uA 25/34mA ADC，Timer，UART 1.5uA 40uA 休眠电流 收发电流 5uA 外围接口 50/40mA ADC，DAC，UART，SPI,12C，Timer，Comparator 37/30mA ADC，UART，SPI,12C，Timer，Comparator 29/33mA ADC，UART，SPI,12C，Timer

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第三章 硬件电路的设计

3.1 总体设计方案

本文所设计的无线数据采集系统，总体上利用两个CC2530模块，一个作为主协调器，另一个作为普通设备形成一个最简单的数据采集网络。系统整体框图如图3.1所示。完成本设计，主要是针对主协调器模块的设计。主协调器模块中包含基础的CC2530基本电路，负责通信任务，还有就是一些外围电路，比如LCD显示电路、供电模块、串口转USB电路等。主协调器负责网络的监管，允许终端节点的加入和离开，并且接受并且存储由终端节点采集来的信息，然后将所接收到的信息进行显示。其中，LCD显示模块负责将终端节点所采集到的实际数据进行显示。USB串口转换模块负责CC2530芯片与PC机进行信号交换。供电模块负责整个系统的能量供应，满足工作状态和休眠状态和电量需求，并达到低耗能的系统设计要求。

天线存储器CC25308051MCUA/D转换电源管理图3.1 系统整体框图

通用接口LCD模块键盘电路复位电路USB转串口PC 本课题的硬件电路设计可以分为CC2530基本工作电路和节点外围电路两大部分。外围节点电路主要是为了可以实现组网的功能，并实现程序的下载和与计算机通讯等功能。外围电路主要由前端的数据采集电路、与PC相连进行节点程序下载的串口通信电路、还有其他基本功能的电路组成。本文所指出的CC2530芯片完全能够满足设计要求，能够完成无线数据的采集。各模块的电路在后文逐一给出。

3.2 CC2530无线单片机介绍

CC2530模块是基于ZigBee 2007标准的芯片，模块使用了SMT工艺批量生产，一致性好，可靠性高；模块工作在免费的2.4GHz频段，数字I/O接口全部引出，用处广泛。CC2530在设计时就将所有的I/O口外置，这样做就是为了方便用户对芯片进行二次开发，充分发挥芯片的潜能。CC2530的核心是增强型的8051微控制器，并且芯片内部还包含一个高性能的射频收发器，并且支持芯片系统内进行编程，系统为芯片提供10dB的链路宽频带，拥有8kB的内存容量，因此芯片中的RF射频收发器

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倒F天线由于其简单、尺寸以及与全向天线的辐射模式相当，而成为IEEE 802.15.4应用中最常见的一种天线。在倒F天线中，可以通过改变馈电点的位置来调整阻抗，该值通常接近50?[4]。倒F天线的结构如图3.13所示。

略小于馈电点?4接地层

图3.13 倒F天线结构

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第四章 软件设计

4.1 IAR开发平台的介绍

应用及开发ZigBee系统主要使用的软件工具是IAR Embedded Workbench IDE。IAR Systems公司是在嵌入式系统开发工具和嵌入式服务提供的全球领导者。IAR Systems公司于1983年建立，他们提供嵌入式系统的设计开发的产品和服务，其中包括C / C++的编译还有其调试器的集成开发环境（Integrated Development Environment，IDE），实时操作系统和中间件测试的各个阶段的开发工具，硬件仿真器和状态机建模工具[11]。C语言编译器IAR Embedded Workbench是这个公司最著名的产品，这个平台支持大部分半导体厂商所生产的MCU。

IAR Embedded Workbench是一套高度紧密并且使用方便的嵌入式应用编程开发工具。这个IDE包括在IAR中运行的C/C++编译器、程序汇编工具、程序连接工具、C-SPY、文本编辑器、工程管理器还有库管理器。Flash/PROMable是通过IAR平台内置的芯片型号来优化编写的代码[12]，可以通过平台为8051系列单片机优化可靠的代码。嵌入式工作台IAR提供了一套完整的，可以被嵌入到任何可用的工具。IAR嵌入式工作台适用于大量的8/16/32位微处理器和微控制器，让用户可以在所适应了的开发环境下开发新项目。它为用户提供了一个易于学习和有很多代码开发环境的集成功能，并支持和最具体的目标。IAR Embedded Workbench增加用户的生产力，使用IAR平台，用户节约出大量时间。IAR Embedded Workbench平台界面如图4.1所示：

图4.1 IAR Embedded Workbench界面

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IAR Embedded Workbench优点：

（1） 满足多种单片机开发条件，提供可视化环境； （2） 可以使用汇编语言、C语言进行调试；

（3） 可以对CPU、寄存器、内存的状态进行监控，支持多种单步进行方

式，方便进行中断处理和模拟；

（4） IAR Embedded Workbench开发环境方便调试； （5） 高效浮点支持； （6） 支持内存模式选择。

4.2 传感器模块的软件设计

开始初始化设备N连接成功进入休眠状态是否有外部中断发送查询指令等待数据转换Y超时？N发送数据

图4.2 传感器软件设计

本设计中系统的数据传输为中断。当传感器节点供上电后，节点进行初始化过程，以自组网的方式与网络协调器连接成功后，如果没有接收到外部发给CC2530的中断

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信号，节点会处在低功耗状态。只有外部中断信号产生，节点才会被激活，进入工作状态采集并发送数据。当外部中断信号消失后，节点会再次进入低功耗状态，以降低系统能耗。在节点以自组网的形式与协调器建立联系时，协调器会分配给节点一个唯一的新地址，使得节点与协调器绑定在同一网络中[11]。

当传感器节点接收到外部数据发送请求的时，采集模块会将采集到的集体数据分享给网络协调器。如图4.2所示为传感器采集节点的工作流程图。

4.3 协调器的软件设计

当协调器节点上电后，自主的会组建一个属于自己的新网络。网络组建完成后，网络协调器节点会自动在其网络辐射区域内搜索是否有“无家可归”的终端采集节点申请加入协调器组建的网络。若有节点申请加入，协调器会通过网络层给新节点分配一个属于它的唯一识别的地址[13]。当协调器需要进行数据显示的时候，会向终端采集节点发出指令，要求其进行数据采集并将采集结果发送给协调器，进行存储和显示。

如下图4.3所示为协调器节点工作的流程图。

开始设备初始化信道扫描建立网络N建立网络成功？Y允许节点加入接收数据发送指令执行各种指令操作

图4.3 传感器软件设计

4.4 IAR开发平台程序烧录

4.4.1 创建一个新工程

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首先，打开IAR Embedded Workbench，选择Project→Creat New Project菜单项，弹出如图4.4所示窗口。选择Empty project默认配置，单击OK弹出保存对话框，输入项目的文件名project，选择保存路径为project文件夹下，单击“保存”按钮。以下操作步骤以数据采集模块为例，进行说明。

图4.4 新建一个新工程

图4.5 选择Empty project默认配置

选择File→workspace菜单项，输入workspace文件名，如图4.5，单击“保存”退出。

4.4.2 工程参数设置

工程选项页面中需要设置很多必要的参数，下面针对CC2530来配置这些参数，选择Project→Options打开工程选项，开始根据CC2530对General Options、C/C++ Compiler、linker、Debugger等参数进行设置。在linker设置目录选择CC2530匹配信息。设置如下图4.6~图4.9所示

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图4.6 General Options设置

图4.7 C/C++ Compiler设置

图4.8 linker设置

图4.9 Debugger设置

4.4.3 添加项目代码

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首先选择File→New→File，新建一个C文件，然后选择File→Save，弹出保存对话框，输入文件名，单击“保存”。然后创建一个文件组，将C文件加入到该文件组中，打开文件组页面即可以写入程序代码。如图4.10和图4.11所示

图4.10 创建一个文件组

图4.11 输入文件名

在新键C文件中编写源代码，如图4.12所示。通过Project→Make选项进行编译，也可以通过Rebuild All全部编译，用Make只会编译修改过的文件。编译后，如果没有错误程序就可以使用，一般的警告可以忽略，只要没有错误就行。修改完成后进行程序下载。进行程序下载时，先安装CC beguer驱动，按下程序下载器复位键，连接程序下载器与模块程序接口，进行程序下载。下载成功后软件仿真，软件仿真过程如图4.12所示。用GO TO键进行连续仿真。

图4.12 C语言程序界面

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图4.13 程序仿真界面

以上通过显示模块程序的仿真过程为例，说明了程序编写的过程。再通过IAR开发平台对数据发送模块、数据接收模块、LED显示模块的程序分别进行调试。各部分的具体程序见附录。

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第五章 总结与展望

5.1 设计总结

本文主要完成基于ZigBee的温湿度无线数据采集。以CC2530芯片为核心，使用两个ZigBee模块完成本设计，一个模块作为接收模块，另一个作为接收模块，并利用LCD显示。

本设计主要完成了如下内容：

（1） 本文简单对比了由线缆传输数据的有线方式和以无线电方式传播的无线数据采集方式的优缺点。认为无线数据采集方式克服了有线传输方式所不能克服的困难，达到了在低功耗条件下系统稳定工作的设计要求。

（2） 对IEEE 802.15.4标准和七层网络模型（OSI）做了深入的理解和分析[4]。节点自组网，网络地址分配，在理解网络拓扑结构的基础上，完成了基于ZigBee的无线数据采集系统的搭建。

（3） 对采集系统的硬件电路进行介绍。从核心芯片CC2530的选型、数字式温湿度传感器DHT11的确定到LCD12864显示模块的选择，实现了无线数据采集系统的硬件电路的搭建。

（4） 利用IAR Embedded Workbench开发平台，对采集系统数据发送、数据采集模块的程序设计。实现在软件层面上的对无线数据采集系统的设计[14]。

（5） 将源代码下载导入系统后，对硬件进行调试，使系统达到了显示温湿度数据的功能。 5.2.1 基本功能实现

完成系统调试后，实现了系统预先要求的功能。具体实现效果如图5.1所示。 当对DHT11数字型温湿度传感器哈气，改变其温湿度，效果如图5.2和图5.3所示。对DHT11哈气后温湿度，都立即有所提高，随后又恢复到原来状态，显示当前环境温湿度。

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图5.1 基于ZigBee无线数据采集系统设计实现图

图5.2 环境温湿度

图5.3 哈气后温湿度显示

5.2.2 无线数据采集距离的测试

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xbx6.html