电子防潮箱网络化监测系统硬件设计【字数：10892】
摘 要温湿度是现在生产生活，科研工作等方面非常重要的物理量，人工测量温湿度存在效率低，测量数据精度低等问题，有线测量也存在布线困难，线路老化，后期维护成本高等问题。采用无线方式采集数据，克服了有线的制约因素，具有非常广泛的应用前景。本设计提出的电子防潮箱网络化，是在原先的有线温湿度数据采集的基础上改为无线数据采集。无线通信采用ZigBee技术，利用CC2530 ZigBee模块组成无线通信部分，无线通信部分与防潮箱控制板相连组成无线数据采集网络。防潮箱控制板的微控制器采集温度数据后，通过数码管显示出来，同时将数据写入串口，终端节点读取串口数据，然后通过无线网络发送给协调器，协调器节点将接收的数据发送给上位机，上位机通过串口调试工具将采集的温湿度数据显示出来。本文重点讨论电子防潮箱硬件设计以及以CC2530芯片为核心组建的ZigBee网络，分析ZigBee网络拓扑结构。通过对协调器和终端组网过程的分析，组建简单的星型无线网络，完成无线通信。
目录
1 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 短距离无线通信发展现状 1
2 系统总体方案设计 3
2.1 系统总体设计 3
2.2 无线通信技术选型 3
2.3 ZigBee技术概述 4
2.3.1 ZigBee的网络拓扑结构 4
2.3.2 ZigBee协议架构 5
2.3.3 ZStack协议栈 7
2.4 ZigBee无线通信芯片的选型 7
3 系统硬件设计 8
3.1 硬件总体设计 8
3.2 防潮箱控制板单元电路设计 8
3.2.1 数码显示驱动电路 8
3.2.2 SHT11温湿度传感器 9
3.2.3 多功能按键电路 10
3.2.4报警控制电路 11
3.2.4 STM8S端口配置 12
3.3 无线通信单元电路设计 13
3.3.1 协调器模块 13
3.3.2 终端模块 15
3.4 总结 17
4 系统的软件设计 18
4.1 程序总体设计 18 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
4.2 协调器部分软件设计 18
4.2.1 初始化 19
4.2.2 接收上位机指令 20
4.2.3 接收数据 21
4.2.4 发送数据请求 22
4.3 终端部分软件设计 22
4.3.1 获取温湿度数据 23
4.3.2 接收发送数据请求 24
4.4 总结 25
5 系统调试分析 26
5.1 软硬件问题及解决 26
5.2 设计不足 28
参考文献 29
致谢 30
绪论
课题背景
温湿度是生产生活，科研工作中非常重要的物理量。例如在温室大棚中，控制好温湿度，才能提高农作物产量；食品的仓储，运输时需要控制好温湿度数据，避免食品变质；在化学反应过程中，控制好温湿度才能得到自己需要的产物等等，所以温湿度数据的采集与控制就显得非常重要。而人工采集的效率太低，精度也不高而且在环境恶劣的地方你不适合人类工作。有线数据采集精度高，但需要预先布好通讯线，浪费时间与空间资源，而且有线只适合与定点测量当移动测量点时又需要重新布线，通讯线还会面临老化，后期维护等问题。
随着短距离无线通信技术的发展，将有线数据采集与短距离无线通信技术相结合的无线传感器网络技术诞生。无线传感器网络起源于美国军方，用于战场各方面数据的采集，可以将一片区域内大量的传感器组成一个网络，将采集的数据集中处理，大大提高数据采集的效率。到二十世纪九十年代，短距离无线通信与现场总线技术趋于成熟，无线传感器网络技术开始广泛应用于工农业生产生活中。美国商业周刊和MTI技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一[1]。
短距离无线通信发展现状
短距离无线通信技术的建造成本低、应对环境变化能力强，相较于传统有线通信有更加地便捷、灵活、扩展性强等优点，目前各式各样的短距离无线通信技术不断涌现[2]。这里主要介绍无线保真，蓝牙，红外，超带宽，ZigBee等几种短距离无线通信技术。
无线保真技术又被称为WiFi技术，它采用802.11标准。目前已经发展出多个版本，它们技术指标和性能指标各不相同。1997年原始标准中，设计的最大数据传输速率为2Mbit/s,工作在2.4G频段。1999年对物理层进行了补充形成的IEEE 802.11a标准最大数据传输速率为54Mbit/s，工作在5G频段；IEEE 802.11b标准最大数据传输速率为11Mbit/s，工作在2.4G频段[3]，IEEE 802.11g标准作为IEEE 802.11b标准的后续保留了802.11b中的CCK技术，两个版本之间可以相互通信，实现了后向兼容特性，而且将最大数据传输速率提高为54Mbit/s。
WiFi技术具有组建简单，成本低，传输距离长，数据传输快等优点。但是也存在功耗大，通讯质量差，不安全等缺点。
蓝牙诞生于1998年，由爱立信，英特尔等公司联合推出。蓝牙出现的目的是实现网络中各类设备的无线互联[4]。蓝牙工作频段为2.4GHz，通信频道采用79个或23个，每个频道之间的间隔为1MHz，通讯距离大概在10M。因为蓝牙采用跳频技术，所以它的抗干扰能力特别强，通信速率也很高，但是蓝牙存在同频干扰，技术相对比较复杂，网络节点数太少等问题等问题。
红外线是波长大于750nm小于1mm的电磁波，为了统一规范，现在红外通讯技术将波长限定在800nm到950nm之间，但是它的波长太短，不能有效绕过障碍物，所以一般只用于短距离的点对点通信。初始红外通讯采用依托于uart的SIR技术，其速率被限制在115200bps/s,其后采用的FIR技术将速率提升到4Mbps，继FIR之后，VFIR将速率提升至16Mbps[5]。IrDA具有功耗低，成本低，体积小，通信所受干扰小等优点，但是他的通信距离太短，而且只支持点对点通信，这些缺点限制了它的应用范围。
超带宽技术是一种不需要载波的无线通讯技术，与其他通讯技术相比它还有一个显著特点就是频谱很宽。以前用于无线通信，现在多用于室内定位。具有抗干扰性强、传输速率高、带宽宽、功耗低、发送功率小等诸多优点，是一种非常有前景的无线通讯方式[19]。
ZigBee中文译名为紫蜂，是基于IEEE802.15.4标准的局域网协议。依据蜜蜂相互交流信息时所跳的“之”字形状的舞而得名。因为蜜蜂传递信息时所需能量小，这也象征着ZigBee功耗小。2001年Invensys公司、摩托罗拉公司、三菱电气公司及飞利浦等公司共同宣布组成Zigbee技术联盟，共同研究开发Zigbee技术，以此来满足现代工业生产生活中要求通信设备功耗低，成本低的需求[6]。目前该技术已吸引了上百家芯片公司、软件开发商、系统集成商等公司等的加盟，而且，这个技术联盟还在不断地发展壮大[7]。
目录
1 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 短距离无线通信发展现状 1
2 系统总体方案设计 3
2.1 系统总体设计 3
2.2 无线通信技术选型 3
2.3 ZigBee技术概述 4
2.3.1 ZigBee的网络拓扑结构 4
2.3.2 ZigBee协议架构 5
2.3.3 ZStack协议栈 7
2.4 ZigBee无线通信芯片的选型 7
3 系统硬件设计 8
3.1 硬件总体设计 8
3.2 防潮箱控制板单元电路设计 8
3.2.1 数码显示驱动电路 8
3.2.2 SHT11温湿度传感器 9
3.2.3 多功能按键电路 10
3.2.4报警控制电路 11
3.2.4 STM8S端口配置 12
3.3 无线通信单元电路设计 13
3.3.1 协调器模块 13
3.3.2 终端模块 15
3.4 总结 17
4 系统的软件设计 18
4.1 程序总体设计 18 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
4.2 协调器部分软件设计 18
4.2.1 初始化 19
4.2.2 接收上位机指令 20
4.2.3 接收数据 21
4.2.4 发送数据请求 22
4.3 终端部分软件设计 22
4.3.1 获取温湿度数据 23
4.3.2 接收发送数据请求 24
4.4 总结 25
5 系统调试分析 26
5.1 软硬件问题及解决 26
5.2 设计不足 28
参考文献 29
致谢 30
绪论
课题背景
温湿度是生产生活，科研工作中非常重要的物理量。例如在温室大棚中，控制好温湿度，才能提高农作物产量；食品的仓储，运输时需要控制好温湿度数据，避免食品变质；在化学反应过程中，控制好温湿度才能得到自己需要的产物等等，所以温湿度数据的采集与控制就显得非常重要。而人工采集的效率太低，精度也不高而且在环境恶劣的地方你不适合人类工作。有线数据采集精度高，但需要预先布好通讯线，浪费时间与空间资源，而且有线只适合与定点测量当移动测量点时又需要重新布线，通讯线还会面临老化，后期维护等问题。
随着短距离无线通信技术的发展，将有线数据采集与短距离无线通信技术相结合的无线传感器网络技术诞生。无线传感器网络起源于美国军方，用于战场各方面数据的采集，可以将一片区域内大量的传感器组成一个网络，将采集的数据集中处理，大大提高数据采集的效率。到二十世纪九十年代，短距离无线通信与现场总线技术趋于成熟，无线传感器网络技术开始广泛应用于工农业生产生活中。美国商业周刊和MTI技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一[1]。
短距离无线通信发展现状
短距离无线通信技术的建造成本低、应对环境变化能力强，相较于传统有线通信有更加地便捷、灵活、扩展性强等优点，目前各式各样的短距离无线通信技术不断涌现[2]。这里主要介绍无线保真，蓝牙，红外，超带宽，ZigBee等几种短距离无线通信技术。
无线保真技术又被称为WiFi技术，它采用802.11标准。目前已经发展出多个版本，它们技术指标和性能指标各不相同。1997年原始标准中，设计的最大数据传输速率为2Mbit/s,工作在2.4G频段。1999年对物理层进行了补充形成的IEEE 802.11a标准最大数据传输速率为54Mbit/s，工作在5G频段；IEEE 802.11b标准最大数据传输速率为11Mbit/s，工作在2.4G频段[3]，IEEE 802.11g标准作为IEEE 802.11b标准的后续保留了802.11b中的CCK技术，两个版本之间可以相互通信，实现了后向兼容特性，而且将最大数据传输速率提高为54Mbit/s。
WiFi技术具有组建简单，成本低，传输距离长，数据传输快等优点。但是也存在功耗大，通讯质量差，不安全等缺点。
蓝牙诞生于1998年，由爱立信，英特尔等公司联合推出。蓝牙出现的目的是实现网络中各类设备的无线互联[4]。蓝牙工作频段为2.4GHz，通信频道采用79个或23个，每个频道之间的间隔为1MHz，通讯距离大概在10M。因为蓝牙采用跳频技术，所以它的抗干扰能力特别强，通信速率也很高，但是蓝牙存在同频干扰，技术相对比较复杂，网络节点数太少等问题等问题。
红外线是波长大于750nm小于1mm的电磁波，为了统一规范，现在红外通讯技术将波长限定在800nm到950nm之间，但是它的波长太短，不能有效绕过障碍物，所以一般只用于短距离的点对点通信。初始红外通讯采用依托于uart的SIR技术，其速率被限制在115200bps/s,其后采用的FIR技术将速率提升到4Mbps，继FIR之后，VFIR将速率提升至16Mbps[5]。IrDA具有功耗低，成本低，体积小，通信所受干扰小等优点，但是他的通信距离太短，而且只支持点对点通信，这些缺点限制了它的应用范围。
超带宽技术是一种不需要载波的无线通讯技术，与其他通讯技术相比它还有一个显著特点就是频谱很宽。以前用于无线通信，现在多用于室内定位。具有抗干扰性强、传输速率高、带宽宽、功耗低、发送功率小等诸多优点，是一种非常有前景的无线通讯方式[19]。
ZigBee中文译名为紫蜂，是基于IEEE802.15.4标准的局域网协议。依据蜜蜂相互交流信息时所跳的“之”字形状的舞而得名。因为蜜蜂传递信息时所需能量小，这也象征着ZigBee功耗小。2001年Invensys公司、摩托罗拉公司、三菱电气公司及飞利浦等公司共同宣布组成Zigbee技术联盟，共同研究开发Zigbee技术，以此来满足现代工业生产生活中要求通信设备功耗低，成本低的需求[6]。目前该技术已吸引了上百家芯片公司、软件开发商、系统集成商等公司等的加盟，而且，这个技术联盟还在不断地发展壮大[7]。
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