畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于cc2530的溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(文件)

　

【正文】 .................................................... 24 致謝 ........................................................................................................................................ 25 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................................. 26 附錄 A 英文文獻(xiàn)原文 .................................................................................................... 27 附錄 B 英文文獻(xiàn)譯文 .................................................................................................... 33 附錄 C 系統(tǒng)源程序 ......................................................................................................... 38 附錄 D 硬 件電路原理圖 ............................................................................................... 48 附錄 E 元器件清單 ......................................................................................................... 50 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁 共 50 頁 伴隨著時(shí)代的進(jìn)步，人們充分認(rèn)識(shí)到了科學(xué)技術(shù)的力量。通過各類微型無線傳感器對(duì)目標(biāo)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采集，并由嵌入式微處理器對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理，再通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將處理后的信息傳送至遠(yuǎn)程用戶端，再進(jìn)行各種應(yīng)用分析。 CC2530 是一種嶄新的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn) 程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)核心應(yīng)用芯片， CC2530 是用于 IEEE 、 ZIGBEE 和 RF4CE 應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（ SOC）解決方案。但隨著通訊設(shè)備的復(fù)雜度，功耗以 及系統(tǒng)成本的增加，相對(duì)于其他無線通訊技術(shù) ， ZIGBEE技術(shù)是彌補(bǔ)了低成本、低功耗、和低速率的無 線通信市場(chǎng)的空缺，隨著正式版本 ZIGBEE 協(xié)議的 公布，它將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用，將有越來越多 的內(nèi)置 ZIGBEE 功能的設(shè)備進(jìn)入生活，并將極大地改善的人們的生活方式和生活體驗(yàn)。 將新的 ZIGBEE認(rèn)證項(xiàng)目推向市場(chǎng)。隨著 ZIGBEE 技術(shù)的深入發(fā)展和應(yīng)用，越來越多的注意力和研究力量將會(huì)轉(zhuǎn) 到應(yīng)用的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通測(cè)試和市場(chǎng)的推 廣等方面。另外，要完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用刻畫，還需要對(duì)遠(yuǎn) 程任務(wù)管理單元、外部網(wǎng)絡(luò)和用戶進(jìn)行定義。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)不同，它是以數(shù)據(jù)為中心的自組織無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)部署密集，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化。所以只有減小節(jié)點(diǎn)功耗，才能延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命。要實(shí)現(xiàn)上述功能，網(wǎng)絡(luò)必須具備自組織的能力，即各個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)能夠感知相鄰節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)的變化，通過相互通信得 知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)行，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性。由于傳感器節(jié)點(diǎn)具有成 本較低的優(yōu)勢(shì)，我們可以大量部署此類節(jié)點(diǎn)在整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，使得監(jiān)測(cè)區(qū)域的每個(gè)角落都可以被覆蓋住，這樣就可以獲得比較準(zhǔn)確的整體信息，通過一些相應(yīng)的數(shù)據(jù)融合算法，可以宏觀把握整個(gè)區(qū)域的完整信息。這樣既減少了網(wǎng)絡(luò)流量，也降低了功耗，減少了數(shù)據(jù)的冗余度。由于各方面的制約， zigbee技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用還有待時(shí)日，但已經(jīng)顯示出了非凡的應(yīng)用價(jià)值，相信隨著相關(guān)技術(shù)的日漸成熟和發(fā)展推進(jìn)，一定會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。最后，完成主節(jié)點(diǎn)及采集節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的采集，處理，輸出控制及監(jiān)控等功能。結(jié)構(gòu)清晰的設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊，從硬件上設(shè)計(jì)起來相對(duì)簡(jiǎn)單，比較方便控制與顯示的模塊間的連接。 一個(gè)完整的 ZigBee 系統(tǒng)需要至少一個(gè)協(xié)調(diào)器， 一個(gè)或多個(gè)路由器及許多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成，這樣才能完成網(wǎng)絡(luò)的搭建，路徑的分配和數(shù)據(jù)的采集及傳輸任務(wù)。 整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖, 所示： 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁 共 50 頁 傳 感 器 模 塊 處 理 器 模 塊 無 線 射 頻 模 塊 C C 2 5 3 0電 源 管 理 模 塊A / D處 理 器存 儲(chǔ) 器發(fā) 射 器傳 感 器 圖 數(shù)據(jù)采集模塊框圖 無 線 射 頻 模 塊 處 理 器 模 塊 C C 2 5 3 0電 源 管 理 模 塊處 理 器存 儲(chǔ) 器顯 示接 收 器 圖 數(shù)據(jù)接收模塊框圖 上面列出了本次設(shè)計(jì)的兩 種設(shè)計(jì)思路及方法，經(jīng)分析得出，方案一的設(shè)計(jì)電路比較繁雜，用到的集成模塊比較多，所以成本相對(duì)也比較高，焊接的過程也相應(yīng)的比較復(fù)雜。所以相比之下，方案二的可行性與可靠性都比其他兩個(gè)好，于是本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方案最終確定為方案二。 Zigbee 協(xié)議棧每一層負(fù)責(zé)完成所規(guī)定的任務(wù)，并且向上層提供服務(wù)，各層之間的接口通過所定義的邏輯鏈路來提供服務(wù)。 3)網(wǎng)絡(luò)層 基于底層的可靠通信，提供路由、路由發(fā)現(xiàn)、多跳、轉(zhuǎn)發(fā)的功能。應(yīng)用 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 50 頁 支持子層的任務(wù)是提取網(wǎng)絡(luò)層的信息并將信息發(fā)送到運(yùn)行在節(jié)點(diǎn)上的不同應(yīng)用端點(diǎn)。 APS管理實(shí)體提供安全服務(wù)，節(jié)點(diǎn)綁定，建立和移除組地址，負(fù)責(zé) 64 位 IEEE 地址與 16 位網(wǎng)絡(luò)地址的地址映射。 AF 應(yīng)用框架是應(yīng)用層與 APS 層的接口。在簇樹型和 MESH 型拓?fù)渚W(wǎng)路結(jié)構(gòu)中，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)并決定一些關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，如網(wǎng)絡(luò) ID，網(wǎng)絡(luò)使用的信道等。 MESH 型網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)等交流，但是不能使用信標(biāo)。在 PAN（ PersonalArea Network）中，全功能設(shè)備可以作為 PAN 的協(xié)調(diào)器，路由器或作為一個(gè)終端設(shè)備。 它是一種按需的改進(jìn)的距離向量路由協(xié)議，具有按需路由協(xié)議的特點(diǎn)即在 AODV 路由協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)在需要進(jìn)行通信時(shí)才發(fā)送路由分組，而不會(huì)周期性地交互路由信息以得到所有其它主機(jī)的路由；同時(shí)具有距離向量路由協(xié)議的一些特點(diǎn)，即各節(jié)點(diǎn)路由表只維護(hù)本節(jié)點(diǎn)到其他節(jié)點(diǎn)的路由，而無需掌握全網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 AODV 的一個(gè)顯著特點(diǎn)是它在每個(gè)路由表項(xiàng)上使用了目的序列號(hào)。此外， AODV 另一個(gè)顯著的特點(diǎn)是它加入了組播路由協(xié)議擴(kuò)展，并支持 QOS。 比如說 ，發(fā)起請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn) 必須 要用它 獨(dú)有的 的 IP 地址作為消息中的發(fā)起者 IP。 當(dāng)源節(jié)點(diǎn)希望發(fā)送數(shù)據(jù)而又沒有到目的節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)存的有效路由時(shí)，將會(huì)啟動(dòng)一個(gè)路由發(fā)現(xiàn)過程：給相互處于對(duì)方的無線電覆蓋范圍之內(nèi)的鄰近節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)路徑請(qǐng)求分組 (RREQ)， AODV 路由協(xié)議中的中間節(jié)點(diǎn)允許響應(yīng) RREQ， RREQ 會(huì)被這些鄰近節(jié)點(diǎn)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)，直到到達(dá)一個(gè)擁有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的足夠新鮮路徑的中間節(jié)點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn)。路由表項(xiàng)建立以后，路由中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要執(zhí)行管理路由表和路由維持的任務(wù)，其路由表中都需要保持一個(gè)路由表項(xiàng)，這個(gè)路由表象都有一個(gè)相應(yīng)目的地址，用來實(shí)現(xiàn)逐條轉(zhuǎn)發(fā)。每個(gè)接收到 RREQ的節(jié)點(diǎn)都保留了一個(gè)“先驅(qū)列表”，用來幫助完成錯(cuò)誤報(bào)告功能，在這個(gè)列表中保存了當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的一個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)，而這個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)的 去往故障節(jié)點(diǎn)的下一跳就是當(dāng)前節(jié)點(diǎn) [11]。每個(gè) DHT11 傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。產(chǎn)品為 4 針單排引腳封裝，連接方便 [13]。 ，數(shù)字輸出 。 6. 超低能耗 。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè) NTC 測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能 8 位單片機(jī)相連接。 用戶主機(jī)（ MCU）發(fā)送一次開始信號(hào)后， DHT11 從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后， DHT11 發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出 40bit 數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信息采集。 串行接口（單線雙向） ： DHT11 器件采用簡(jiǎn)化的單總線通信。 DATA 用于微處理器與 DHT11 之間的通訊和同步 ,采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次傳送 40 位數(shù)據(jù)，高位先出。 V C CG N D單 總 線 信 號(hào) 說 明 ： 主 機(jī) 信 號(hào) D H T 信 號(hào) 主 機(jī) 發(fā) 開 始 信 號(hào) D H T 響 應(yīng) 信 號(hào) 數(shù) 據(jù) “ 0 ”拉 高 并 延 時(shí)信 號(hào) 拉 高 延 時(shí) 準(zhǔn) 備 信 號(hào)數(shù) 據(jù) “ 1 ”叢 機(jī) 拉 低5 0 u s數(shù) 據(jù) 傳 送 結(jié) 束上 拉 電 阻 拉 高總 線 圖 數(shù)據(jù)時(shí)序圖 （ 1） DHT11 上電后，測(cè)試環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)，同時(shí) DHT11 的 DATA 數(shù)據(jù)線由上拉電阻拉高一直保持高電平；此時(shí) DHT11 的 DATA 引腳處于輸入狀態(tài)，時(shí)刻檢測(cè)外部信號(hào)。 5 0 u s2 6 u s 2 8 u sV D D 主 機(jī) 信 號(hào) 從 機(jī) 信 號(hào)G N D 圖 位數(shù)據(jù)“ 0”的格式 5 0 u s 7 0 u sV C CG N D主 機(jī) 信 號(hào) 從 機(jī) 信 號(hào) 圖 位數(shù)據(jù)“ 1”的格式 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁 共 50 頁 測(cè)量分辨率 :測(cè)量分辨率分別為 8bit（溫度）、 8bit（濕度） [14]。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以與多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通信，這樣可以使本系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)區(qū)域，何時(shí)檢測(cè)哪個(gè)區(qū)域通常由用戶通過協(xié)調(diào) 器節(jié)點(diǎn)來控制。 CC2530是 TI公司推出的新一代 ZigBee無線單片機(jī)系列芯片。 在硬件設(shè)計(jì)上它采用流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的 12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期降到 1個(gè)，因此指令執(zhí)行速度有很大的提高。 RF的輸入／輸出是高阻和差動(dòng)的，用于 RF口最合適的差動(dòng)負(fù)載是(115+j180)Ω 。 CC2530可以同時(shí)接 32 MHz和 32． 768kHz的兩種頻率的晶振電路，以滿足不同的要求。由 于每片 DSl8820均有唯一的產(chǎn)品序列號(hào)，所以允許在單總線上掛接數(shù)十至上百片數(shù)字式傳感器，并可以非常方便地構(gòu)成多路溫度測(cè)量系統(tǒng)。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí) ,首先寫入字節(jié)長(zhǎng)度 ,然后寫入幀控制和負(fù)載 ,無線電模塊自動(dòng)添加 PHY層同步頭和 FCS,通過選通命令 STXON或 STXONCCA發(fā)送數(shù)據(jù) 。基帶信號(hào)的同相分量和正交分量由 DAC 轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，經(jīng)過低通濾波，變頻到所設(shè)定的信道上。 CC2530 芯片的主要特點(diǎn)如下： (1)工作頻帶： 2405MHz～ 2480MHz (2)支持 、 ZigBee202 ZigBee PRO 和 ZigBee RF4CE 等標(biāo)準(zhǔn) (3)主控芯片： CC2530F256 (4)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)： IEEE