畢業設計-基于cc2530的溫濕度控制系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 離控制，這樣有利于家庭的安全調控、節電 [3]。 Zigbee技術在 zigbee 聯盟和 ，結合其他無線技術，可以實現無所不在的網絡，它不僅在工業，農業，軍事，環境，醫療等傳統領域具有巨大的應用價值，在未來的應用中還可以涉及到人們日常生活和社會生產活動的各個 領域。由于各方面的制約， zigbee技術的大規模商業應用還有待時日，但已經顯示出了非凡的應用價值，相信隨著相關技術的日漸成熟和發展推進，一定會得到更廣泛的應用。但是，基于 zigbee技術的無線網絡應用還不算很成熟，國內企業應該抓緊商機，加大投入人才力度，推動整個行業的發展。 陜西理工學院畢業設計 第 3 頁 共 50 頁 2. 方案論證及 選擇 本次畢業設計的目的是實現 溫濕度數據的采集， 要研究的主要內容是熟悉并掌握 cc2530 芯片功能；熟悉 協議棧，并利用 cc2530 搭建 zigbee 無線網絡 ；采集溫濕度傳感信號，并完成信號的傳輸。需要解決的主要問題是，首先，由于本次的任務是實現數據在 zigbee 無線網絡中傳輸，則需要搭建 zigbee 網絡，其次，本次采用的微控制器是 cc2530 單片機，則必須對其內部資源要掌握。最后，完成主節點及采集節點的程序設計，實現對現場參數的采集，處理，輸出控制及監控等功能。 要實現溫濕度的采集和 傳輸有多種方案，下 面介紹以下兩 種方案。 方案一：用可編程邏輯器件設計，而所設計的電路比較繁雜，可能用到十幾片數字集成塊，利用數字電路的各功能模塊的組合來完成其功能，焊接的過程比較復 雜，成本也比較高。這里可以利用 ALTERA 公司的 FLEX10K 系列 PLD 器件。結構清晰的設計，各個模塊，從硬件上設計起來相對簡單，比較方便控制與顯示的模塊間的連接。但是如果結合本設計的特點， EDA 在功能擴展上會受到約束，而且 EDA 占用的資源也會比較多。用可編程邏輯器件設計，成本上來講處在弱勢 [4]。 方案一的設計框圖如 圖 所示 : 數 據 顯 示 模 塊P L D 數 據 接 收 模 塊按 鍵P L D 數 據 采 集 模 塊溫 濕 度 傳 感 器 圖 方案一設計框圖 方案二： 基于 cc2530 芯片的溫濕度采集， 該方案是用溫濕度傳感器將外界環境溫濕度采集過來，主控芯片是 cc2530，利用其 zigbee 無線傳輸功能將傳感器采集過來的溫濕度發送到顯示界面。 一個完整的 ZigBee 系統需要至少一個協調器， 一個或多個路由器及許多個終端節點組成，這樣才能完成網絡的搭建，路徑的分配和數據的采集及傳輸任務。 ZigBee 網絡根據實際組網的需要可以組成星形網、網狀網、和簇狀網這 3 種拓撲結構。 基于 CC2530 的溫濕度監測系統是星狀網絡 ,它是由一個全功能協調器（稱為 FFD），一個集合有溫濕度傳感器的測溫濕節點作為終端 節點 （稱為 Zink）組建成的。 FFD 通過串口與 PC 機連接， Zink 被布置在環境監測區域， 通過其上的溫濕度傳感器 DS18B20 來監測環境的溫度，最后通過天線以無線的方式將監測到的溫濕度數據發送給 FFD，由于 FFD 和 PC 機連接，這時 PC 機上可以顯示出溫濕度的監測結果 [5]。 整個系統的結構圖如圖, 所示： 陜西理工學院畢業設計 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 器發 射 器傳 感 器 圖 數據采集模塊框圖 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 器顯 示接 收 器 圖 數據接收模塊框圖 上面列出了本次設計的兩 種設計思路及方法，經分析得出，方案一的設計電路比較繁雜，用到的集成模塊比較多，所以成本相對也比較高，焊接的過程也相應的比較復雜。方案二與方案一相比，設計電路相對簡單，主要用到的芯片是 cc2530，它是高度集成的芯片，上面的貼片電容，電阻等小器件都是焊接好的，所以在后續設計過程中，焊接部分相對較少。最主要的是該芯片可實現的功能非常多，雖然本次設計只是用到了其中的一小部分 功能，但對 設計成果后續的 功能拓展提供了很好的平臺。 方案二中僅用一個芯片就可實現溫濕度的同時采集。所以相比之下，方案二的可行性與可靠性都比其他兩個好，于是本次設計的設計方案最終確定為方案二。 陜西理工學院畢業設計 第 5 頁 共 50 頁 3. 硬件電路的設計 Zigbee 協議棧 Zigbee協議棧結構 Zigbee 協議棧定義了四層。物理層和媒體訪問控制層由 定義，上層的網絡層和應用層由 Zigbee 聯盟定義。應用層分別包括 ZDO（ Zigbee 設備對象）， APS（應用支持子層）和AF（應用框架）組成。 Zigbee 協議棧每一層負責完成所規定的任務，并且向上層提供服務，各層之間的接口通過所定義的邏輯鏈路來提供服務。 如圖 所示： 應 用 框 架安 全服 務管 理Z i g B e e 設 備 對 象（ Z D O ）Z D O 公 共 接 口應 用 對 象2 4 0應 用 對 象1 應 用 支 撐 層Z D O管理平臺介 質 訪 問 管 理 層物 理 層 網 絡 層端 點 2 4 0A P S D E S A P端 點 1 `A P S D E S A P端 點 0A P S D E S A P安 全 管 理信 息 管 理 反 映 管 理N L D E S A P N L M E S A P安 全管 理M L D E S A P M L D E S A P路 由管 理信 息管 理路 由管 理P D S A P P L M E S A P2 . 4 G H Z 頻 段8 6 8 / 9 1 5 M H Z 圖 Zigbee 協議棧結構圖 1)物理層 物理層由半雙工的無線收發器及其接口組成，主要作用是激活和關閉射頻收發器；檢測信道的能量；顯示收到數據包的鏈路質量；空閑信道評估；選擇信道頻率；數據的接受和發送。 2) 媒體訪問控制層 媒體訪問控制（ MAC）層建立了一條節點和與其相鄰的節點之間可靠的數據傳輸鏈路，共享傳輸媒體，提高 通信效率。在協調器的 MAC 層，可以產生網絡信標，同步網絡信標；支持 Zigbee 設備的關聯和取消關聯；支持設備加密；在信道訪問方面，采用 CSMA/CA 信道退避算法，減少了碰撞概率；確保時隙分配（ GTS）；支持信標使能和非信標使能兩種數據傳輸模式，為兩個對等的 MAC實體提供可靠連接。 3)網絡層 基于底層的可靠通信，提供路由、路由發現、多跳、轉發的功能。 Zigbee 網絡可以組成星型、簇樹型或 MESH 型網絡。對于終端節點而言，網絡層的功能只是加入和離開網絡；對于路由器而言，網絡層的功能是信息的轉發，路由發現，建立 和維護路由表和鄰居表，以及構造到某節點的路由任務；而協調器網絡層的任務主要包括啟動和維護網絡正常工作，為新加入的節點分配網絡地址。 4)應用層 應用層包括三部分：應用支持子層（ APS）、 Zigbee 設備對象（ ZDO）和應用框架（ AF）。應用 陜西理工學院畢業設計 第 6 頁 共 50 頁 支持子層的任務是提取網絡層的信息并將信息發送到運行在節點上的不同應用端點。應用支持子層維護了一個綁定表，可以定義、增加或移除組信息；完成 64 位長地址（ IEEE 地址）與 16 位短地址（網絡地址）一對一映射；實現傳輸數據的分割與重組；應用支持子層連接網絡層和應用層，是它們之間的 接口。這個接口由兩個服務實體提供： APS 數據實體（ APSDE）和 APS 管理實體（ APSME）。APS 數據實體為網絡中的節點提供數據傳輸服務，它會拆分和重組大于最大荷載量的數據包。 APS管理實體提供安全服務，節點綁定，建立和移除組地址，負責 64 位 IEEE 地址與 16 位網絡地址的地址映射。 Zigbee 設備對象負責設備的所有管理工作，包括設定該設備在網絡中的角色（協調器、路由器或終端設備），發現網絡中的設備，確定這些設備能提供的功能，發起或響應綁定請求，完成設備之間建立安全的關聯等。用戶在開發 Zigbee 產品時， 需要在 Zigbee 協議棧的 AF 上附加應用端點，調用 ZDO 功能以發現網絡上的其他設備和服務，管理綁定、安全和其他網絡設置。 ZDO 是一個特殊的應用對象，它駐留在每一個 Zigbee 節點上，其端點編號固定為 0。 AF 應用框架是應用層與 APS 層的接口。它負責發送和接收數據，并為接收到的數據尋找相應的目的 端點 [7]。 Zigbee 網絡拓撲結構 Zigbee 的拓撲結構可以為以下三種：星型、簇樹型和 MESH 型。星型拓撲網絡結構網絡由協調器組建和維護，其他的設備都是終端設備，都直接與協調器一對一通信。在簇樹型和 MESH 型拓撲網路結構中，協調器負責組建網絡并決定一些關鍵的網絡參數，如網絡 ID，網絡使用的信道等。網絡中主要通過路由器來拓展網絡覆蓋范圍。樹型網絡中，路由器發送數據是通過層次的路由方法。樹型網絡可以使用網絡信標通信，路由器和終端節點以跟蹤信標的方式與協調器通信；也可以使用非信標方式通信，終端節點定時輪詢路由器或協調器來提取自己的信息。 MESH 型網絡可以進行點對點對等交流，但是不能使用信標。 Zigbee 設備都有一個 64 位的 IEEE 地址， IEEE 地址是唯一的絕對地址，設備可以用這個地址在 PAN 中進行通信，但在設 備加入網絡后，協調器后會為它分配一個16 位的網絡地址，網絡地址只在該網絡內是唯一的，是相對地址，設備也可以用這個網絡地址在 PAN內進行通信。 從物理功能上分，設備的類型可以分為 2種。一種是具有全功能設備（ Full Function Device， FFD），另一種是精簡功能設備（ Reduced Function Device， RFD）。在 PAN（ PersonalArea Network）中，全功能設備可以作為 PAN 的協調器，路由器或作為一個終端設備。一個全功能設備可以同時和多個精簡功能設備或全功能 設備通信；對 于一個精簡功能設備來說，它只能和一個全功能進行通信 [8]。 P A N 協 調 器P A N 協 調 器F F D R F D 信 息 流 圖 星型和簇樹型網絡拓撲結構 陜西理工學院畢業設計 第 7 頁 共 50 頁 AODV 路由協議 AODV 自組織按需請求型距離向量路由協議（ Ad Hoc On Demand Distance Vector,簡稱 AODV），AODV 采用的是逐跳轉發分組方式，在每個節點之間保存了路由請求和路由回答的結果，因此路由的頭部不需要攜帶完整的路由信息，從而提高了協議的效率。 算法旨在多個移動節點中建立和維護一個自啟動的，動態的，多跳路由 的專屬網絡。 它是一種按需的改進的距離向量路由協議，具有按需路由協議的特點即在 AODV 路由協議中，網絡中的每個節點在需要進行通信時才發送路由分組