基于zigbee的智能温湿度无线传感网络设计【字数：10174】
摘 要本文主要针对温湿度监测方面，设计了基于ZigBee技术的智能温湿度无线传感网络设计。根据ZigBee无线通信技术来进行软件和硬件的设计与实现，最终设计出一种可以实时传输并采集数据的系统。本文对数据采集模块的组合以及结构进行了全面的介绍，查阅、分析了关于ZigBee传输数据方法的原理和常规的性质，研究编码方式，并阐述了传感器DHT11和嵌入式处理器STM32F103及外围的电路，从而设计了传输数据的硬件电路和主要的软件程序。通过对系统各模块的测试以及综合调试，对正确性和可靠性都具有一定的保证。本文也对系统设计过程中所碰到的难题和经验进行了综合概括，对不足之处进行了展望。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2研究方案 2
第二章 课题的总体设计 4
2.1课题关键技术概述 4
2.2 ZigBee协议栈架构 4
2.2.1物理层 5
2.2.2媒体介质访问控制子层 5
2.2.3网络层 6
2.2.4应用层 7
2.3 ZigBee的网络拓扑结构 7
2.4系统的芯片选型与功能 8
2.4.1嵌入式处理器STM32F103C8T6 8
2.4.2传感器DHT11 8
2.4.3 USB转串口芯片CH340 9
2.4.4 SMC1602ALCM液晶 9
2.4.4 芯片CC2530 10
2.5小结 10
第三章 系统硬件设计与实现 11
3.1系统的总体设计方案 11
3.2微处理器模块 12
3.3传感器采集节点设计 12
3.4电源电路设计 13
3.5显示电路设计 14
3.6串口接口电路设计 14
3.7小结 15
第四章 系统的软件设计 16
4.1 ZigBee模块的连接 16
4.1.1 DL30模块的连接 16
4.1.2串口配置 16
4.2软件开发平台 17
4 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
.3 SMC1602的软件设计 18
4.4温湿度传感器DHT11软件设计 19
4.5小结 20
第五章 系统调试 21
5.1温湿度传感器DHT11调试 21
5.2 SMC1602测试 21
5.3系统综合测试 22
5.4小结 23
结束语 24
致 谢 25
参考文献 26
附录A：系统原理图 27
附录B：部分程序 28
附录C：系统硬件图 31
第一章 绪论
1.1研究背景及意义
“ZigBee”来自蜜蜂的八字舞，蜜蜂依靠飞行和摇动翅膀跳舞来向伙伴传到消息，是以，蜜蜂依靠这种发自组成群体中的通讯网络。ZigBee联盟于二十一世纪初成立。它已经吸引了很多芯片公司、无线节点公司和开发商，其中大部分公司都将生产ZigBee产品[1]。
但国内研究起步较晚，国内厂商的ZigBee模块受芯片厂商数量和价格的限制，国内市场大部分被外国占领[2]。传统的互联网研究有着悠久的历史，利用现有的基础化设施，会相对容易的构建大规模的物理测试平台（如用于组播应用研究的Mbone）和用于虚拟网络测试环境（如用于P2P研究的PlantLab）[3]。但是，无线传感器网络是一种才被广为传播的网络技术。它与传统的互联网，甚至网络体系结构都有很大的不同。因此，对无线传感器网络可继承资源的研究十分有限[4]。网络节点的开发、结构、开发以及一定规模的试验台的建设，自然成为无线传感器网络早期研究的重要课题。到目前为止，已经出现了大量的节点测试平台[5]。
ZigBee技术在无线传感器网络中具有很强的信息处理能力[6]。ZigBee在无线网络连接中,可以工作在2.6MHz(全球)、895GHz(欧洲)和957GHz(美国)3个频段,最高传输速率分别为270kbit/s、30kbit/s和50kbit/s,ZigBee的传输距离在1075m之间,但仍然可以增加,并且具有一定的范围[7]。ZigBee的无线技术的优点有很多:
成本低:ZigBee模块只有50元，但随着技术的不断发展，最近跌到了20元。此外，ZigBee协议在法规方面是免版税的。ZigBee只需要32KB的内存，在很大程度上节省了开发成本[8]。
功耗低:ZigBee的发射功率仅为1mW，传输速率低,在休眠模式下,功耗低,ZigBee设备的功耗非常低 [9]。
时间短:休眠状态下通信的激活和响应时间是相当长的。如果网络搜索无线设备对休眠状态的反应约为20ms，则激活时间延迟约为10ms。ZigBee网络延迟无线控制（例如工业控制应用）是ZigBee的技术要求[10]。
简而言之，ZigBee无线网络传输系统的开发和应用是信息技术进步的必然趋势[11]。因此，基于ZigBee的智能温湿度无线传感器网络的研究与设计，对室内温湿度进行实时监测，具有很强的实用价值和良好的商业应用前景。
1.2研究方案
本文围绕四个问题进行具体研究分析：
1)系统框架设计
ZigBee无线传感器网络为了能够将获取到的数据传送到无线通信节点，所以采用传感器来感知房间内的温度和湿度。在系统中,每个位置都安装了多个发送模块作为路由器,数据通过无线路由器发送到协调器,协调器通过RS232与上位机通信，监控室内温湿度[12]。同时，系统还对室内温度进行了测量,它不仅可以让工作人员现场掌握室内温湿度,还可以用协调器接收无线节点发送的温湿度的值。为了使系统中的网络能够顺利构建，我们在系统许多节点中拿出一个节点用来作为协调器节点。室内特定节点仅作为终端节点，不相互通信，因此采用半功能节点(RFD)，用于收集和传输特定位置的室内温湿度[13]。室内节点采用全功能节点(FFD)来进行相互通信，扩展路由器功能，完成网络交互、收集温度和湿度。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2研究方案 2
第二章 课题的总体设计 4
2.1课题关键技术概述 4
2.2 ZigBee协议栈架构 4
2.2.1物理层 5
2.2.2媒体介质访问控制子层 5
2.2.3网络层 6
2.2.4应用层 7
2.3 ZigBee的网络拓扑结构 7
2.4系统的芯片选型与功能 8
2.4.1嵌入式处理器STM32F103C8T6 8
2.4.2传感器DHT11 8
2.4.3 USB转串口芯片CH340 9
2.4.4 SMC1602ALCM液晶 9
2.4.4 芯片CC2530 10
2.5小结 10
第三章 系统硬件设计与实现 11
3.1系统的总体设计方案 11
3.2微处理器模块 12
3.3传感器采集节点设计 12
3.4电源电路设计 13
3.5显示电路设计 14
3.6串口接口电路设计 14
3.7小结 15
第四章 系统的软件设计 16
4.1 ZigBee模块的连接 16
4.1.1 DL30模块的连接 16
4.1.2串口配置 16
4.2软件开发平台 17
4 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
.3 SMC1602的软件设计 18
4.4温湿度传感器DHT11软件设计 19
4.5小结 20
第五章 系统调试 21
5.1温湿度传感器DHT11调试 21
5.2 SMC1602测试 21
5.3系统综合测试 22
5.4小结 23
结束语 24
致 谢 25
参考文献 26
附录A：系统原理图 27
附录B：部分程序 28
附录C：系统硬件图 31
第一章 绪论
1.1研究背景及意义
“ZigBee”来自蜜蜂的八字舞，蜜蜂依靠飞行和摇动翅膀跳舞来向伙伴传到消息，是以，蜜蜂依靠这种发自组成群体中的通讯网络。ZigBee联盟于二十一世纪初成立。它已经吸引了很多芯片公司、无线节点公司和开发商，其中大部分公司都将生产ZigBee产品[1]。
但国内研究起步较晚，国内厂商的ZigBee模块受芯片厂商数量和价格的限制，国内市场大部分被外国占领[2]。传统的互联网研究有着悠久的历史，利用现有的基础化设施，会相对容易的构建大规模的物理测试平台（如用于组播应用研究的Mbone）和用于虚拟网络测试环境（如用于P2P研究的PlantLab）[3]。但是，无线传感器网络是一种才被广为传播的网络技术。它与传统的互联网，甚至网络体系结构都有很大的不同。因此，对无线传感器网络可继承资源的研究十分有限[4]。网络节点的开发、结构、开发以及一定规模的试验台的建设，自然成为无线传感器网络早期研究的重要课题。到目前为止，已经出现了大量的节点测试平台[5]。
ZigBee技术在无线传感器网络中具有很强的信息处理能力[6]。ZigBee在无线网络连接中,可以工作在2.6MHz(全球)、895GHz(欧洲)和957GHz(美国)3个频段,最高传输速率分别为270kbit/s、30kbit/s和50kbit/s,ZigBee的传输距离在1075m之间,但仍然可以增加,并且具有一定的范围[7]。ZigBee的无线技术的优点有很多:
成本低:ZigBee模块只有50元，但随着技术的不断发展，最近跌到了20元。此外，ZigBee协议在法规方面是免版税的。ZigBee只需要32KB的内存，在很大程度上节省了开发成本[8]。
功耗低:ZigBee的发射功率仅为1mW，传输速率低,在休眠模式下,功耗低,ZigBee设备的功耗非常低 [9]。
时间短:休眠状态下通信的激活和响应时间是相当长的。如果网络搜索无线设备对休眠状态的反应约为20ms，则激活时间延迟约为10ms。ZigBee网络延迟无线控制（例如工业控制应用）是ZigBee的技术要求[10]。
简而言之，ZigBee无线网络传输系统的开发和应用是信息技术进步的必然趋势[11]。因此，基于ZigBee的智能温湿度无线传感器网络的研究与设计，对室内温湿度进行实时监测，具有很强的实用价值和良好的商业应用前景。
1.2研究方案
本文围绕四个问题进行具体研究分析：
1)系统框架设计
ZigBee无线传感器网络为了能够将获取到的数据传送到无线通信节点，所以采用传感器来感知房间内的温度和湿度。在系统中,每个位置都安装了多个发送模块作为路由器,数据通过无线路由器发送到协调器,协调器通过RS232与上位机通信，监控室内温湿度[12]。同时，系统还对室内温度进行了测量,它不仅可以让工作人员现场掌握室内温湿度,还可以用协调器接收无线节点发送的温湿度的值。为了使系统中的网络能够顺利构建，我们在系统许多节点中拿出一个节点用来作为协调器节点。室内特定节点仅作为终端节点，不相互通信，因此采用半功能节点(RFD)，用于收集和传输特定位置的室内温湿度[13]。室内节点采用全功能节点(FFD)来进行相互通信，扩展路由器功能，完成网络交互、收集温度和湿度。
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