zigbee的无线环境监测模拟装置设计软件部分(附件)
Zigbee是一种新的短距离无线通信技术，具有低功耗、低成本以及高安全性的典型特征，特别适合于环境监测、家庭自动化等领域。
在分析了温室大棚环境监测系统需求的基础上，本文提出了基于CC2530的温湿度监测方案，即主控芯片CC2530和温湿度传感器DHT11的结合。设计了传感器节点软件和协调器节点软件，真正实现了成本低，功耗小，稳定性好的特点。
把ZigBee这样一种短距离、低功耗、低成本的无线通信技术应用到温室大棚的检测系统中，能够实现检测系统的自动化，具有很强的实用性和应用前景。
关键词 ZigBee，温湿度检测，传感器
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 无线环境监测技术应用现状 2
1.3 课题的主要研究内容 2
2 系统总体设计 3
2.1 温湿度检测系统简介 3
2.2 温湿度监测系统结构 3
2.3 系统的网络拓扑结构选择 4
3 系统的硬件设计 5
3.1 硬件平台选择 6
3.2 CC2530概述 8
3.3 协调器节点设计 9
3.4 传感器节点设计 11
4 系统软件设计 12
4.1 软件平台选择 12
4.2 ZigBee协议栈介绍 13
4.3 节点软件设计 14
4.4 DHT11温湿度数据采集程序设计 18
5 系统调试 21
结 论 23
致 谢 24
参 考 文 献 25
附录： 26< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
br /> 1 绪论
1.1 研究背景和意义
随着时间的流逝和无线环境监测技术的提高以及人们对于环境监测的需求越来越迫切，很多企业和机构都花费了大量精力探究如何把无线传感器网络技术更好的运用在环境监测系统中。放置在系统中需要监测的区域的许多传感器节点，使用无线数据传输,以形成一个网络系统，以实现上述目的所希望的区域的监控信息的采集，处理和传输[1-2]。与传统的利用电缆等设备连接的有线环境监测相比而言，无线环境监测系统具有以下几个优点。一是无线网络监测更加便捷而且易于安放。二是传感器节点采集的数据可通过协调器节点进行传输，既不增加成本，又提高了监测性能。三是网络具有不易损坏，抗毁能力强等优点，可以满足许多苛刻环境的监测[3]。
无线环境监控系统可以在温室，各种各样的水域，生物物种和生态环境监测院，办公室和购物区中使用。基于无线传感器网络的环境监测所应用的区域一般都有以下特点[4]：(1)区域内人烟稀少、环境很严苛以及监测区域距离监测中心很远。(2)该区域内的生物对于外来设备非常敏感，通过有线传输的环境监测可能会对环境造成破坏，影响生物的习性和分布。(3)需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备相对比较多，但仅仅用于监测或控制。(4)整个系统布置下来花费较低，不需要大量电缆连接，可以增加节点或减少节点来对监测系统进行扩展或缩小。(5)可以将许多传感器采集的数据存储到远程数据库中，并对其进行处理和分析 [5]。在具体的应用中还有许多重要技术，其中包括传感器节点的布置、远程无线控制、数据信息采集等[6]。从这些描述中我们可以发现，随着无线传感设备价格的下降以及无线传感器网络技术的不断发展和普及，无线环境监测技术将会让我们的生活和工作越来月便捷和安全。
1.2 无线环境监测技术应用现状
无线环境监测技术在采集监测区域的环境参数时，可以对广阔的区域实现实时在线自动化监测。它具有设备安置便捷，系统容易建立的优点，不容易被监测区域的环境所限制，尤其适合在环境严苛不易布线以及人烟稀少的区域布置网络。近几年，无线传感监测网络被广泛应用于环境监测当中[7]。
许多外国研究团队已经开始探究如何更好的把无线传感器网络应用在环境监测这个领域。在University of Southern California中，科学家们提出了部署传感器的方法和新的环境监测的传感器网络结构，以及簇型树形结构。斯坦福大学中的研究人员提出了如何把闭环控制系统组成的传感器网络结构体系以及由传感器和控制器组成的无线网络系统运用在环境监测领域[8]。
直至到当前为止，无线传感器网络在环境监测中最著名的应用案例当属大鸭岛项目。2002年，加利福尼亚大学和大西洋学院共同推出了一种名为现场的传感器网络项目，用来监测海岛的环境参数信息。人员们在大鸭岛上完成了由四十几个终端采集节点组成的无线环境监测网络系统。终端采集节点配备了多种传感器来对海岛上不同类型的环境信息进行采集。 之所以大鸭岛项目在至今为止的无线环境监测系统的开发历史中占据重要的地位，是由于它所监测的区域环境很恶劣，监测对象也非常复杂众多。它充分发挥无线传感器网络无线、自组织、低功耗、以数据为中心、抗毁性，在监测区域环境非常严苛的情况下，实现了普通有线环境监测做不到的事情，说明了无线环境监测技术的发展的势头不可阻挡。
1.3 课题的主要研究内容
在温室大棚生产中，对大棚各种环境参数的监测尤其重要。温室大棚内环境参数的实时监测可以让温室生产更加方便，更加有效率。其主要作用是实时在线检测、显示温室内作物的生长环境因素，从而方便人员根据作物生长的环境需求对温室环境进行调整，来实现适合作物生长的温室环境，让作物产量和质量都有所增加，实现智能化管理温室大棚[9]。为此，我们设计了一个无线温室环境监测的模拟装置。
首先主要介绍了无线环境监测系统的研究背景意义和现状，以及本次课题的主要研究内容：其次主要介绍了温室检测系统的总体解决方案，提出了系统设计目标和软硬件功能要求。然后主要是对系统硬件的设计，根据分析第二章的硬件功能要求，不仅从整体上概括了整个硬件电路的设计框架，而且还基于此对各个功能模块进行大体介绍。接着主要是对系统软件的设计，根据分析第二章的软件功能要求，确定了软件整体框架设计，将软件设计细分成各个功能模块，并且对各个功能模块的实现作了详细描述。最后主要是对整个系统的调试。
2 系统总体设计
2.1 温湿度检测系统简介
传统的温室大棚大多是通过线缆将采集到的温湿度数据传到监控中心来检测温湿度，这样不仅施工比较麻烦，而且装好的设备不能移动，也不利于维修，价格也比较高，因此随着技术的发展这种方式必将被取代。基于这个现状，本次设计采用了先进的传感器和zigbee无线通信技术，然后运用ZigBee无线组网技术把数据无线传输到监控中心，避免了复杂的线缆布线。通过以上技术的运用也使温湿度检测系统更加简便，更加智能化。
2.3 系统的网络拓扑结构选择
ZigBee 网络的主要有三种网络的拓扑结构，它们分别是星型网络、簇状型网络及混合状型网络。具体拓扑图如图2.2所示。
图 2.2 Zigbee网络拓扑结构图
在星型网中，最重要的是协调器节点，所有的节点只是和协调器节点之间互相通信，其他终端节点之间通信是经过协调器节点的中间转发来完成的，这种网络结构结构简单，功耗低适合对小区域的环境监测。
3.1.1 MCU+RF收发器解决方案
这是在 ZigBee 技术刚开始出现时，各个公司提供的初期解决方案。在一个zigbee通信模块上实现采集、传输数据、通信交流和许多其他的功能。该方案比较便捷，因为MCU与RF芯片是通过SPI串口进行连接的，所以只要单片机和射频无线通信模块都拥有SPI接口，就可以相互之间进行合成。微处理器控制协议栈，是这个系统的核心，而射频芯片则主要负责无线传输通信[11]。模块框图如图 3.1.1所示。
1 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 无线环境监测技术应用现状 2
1.3 课题的主要研究内容 2
2 系统总体设计 3
2.1 温湿度检测系统简介 3
2.2 温湿度监测系统结构 3
2.3 系统的网络拓扑结构选择 4
3 系统的硬件设计 5
3.1 硬件平台选择 6
3.2 CC2530概述 8
3.3 协调器节点设计 9
3.4 传感器节点设计 11
4 系统软件设计 12
4.1 软件平台选择 12
4.2 ZigBee协议栈介绍 13
4.3 节点软件设计 14
4.4 DHT11温湿度数据采集程序设计 18
5 系统调试 21
结 论 23
致 谢 24
参 考 文 献 25
附录： 26< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
br /> 1 绪论
1.1 研究背景和意义
随着时间的流逝和无线环境监测技术的提高以及人们对于环境监测的需求越来越迫切，很多企业和机构都花费了大量精力探究如何把无线传感器网络技术更好的运用在环境监测系统中。放置在系统中需要监测的区域的许多传感器节点，使用无线数据传输,以形成一个网络系统，以实现上述目的所希望的区域的监控信息的采集，处理和传输[1-2]。与传统的利用电缆等设备连接的有线环境监测相比而言，无线环境监测系统具有以下几个优点。一是无线网络监测更加便捷而且易于安放。二是传感器节点采集的数据可通过协调器节点进行传输，既不增加成本，又提高了监测性能。三是网络具有不易损坏，抗毁能力强等优点，可以满足许多苛刻环境的监测[3]。
无线环境监控系统可以在温室，各种各样的水域，生物物种和生态环境监测院，办公室和购物区中使用。基于无线传感器网络的环境监测所应用的区域一般都有以下特点[4]：(1)区域内人烟稀少、环境很严苛以及监测区域距离监测中心很远。(2)该区域内的生物对于外来设备非常敏感，通过有线传输的环境监测可能会对环境造成破坏，影响生物的习性和分布。(3)需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备相对比较多，但仅仅用于监测或控制。(4)整个系统布置下来花费较低，不需要大量电缆连接，可以增加节点或减少节点来对监测系统进行扩展或缩小。(5)可以将许多传感器采集的数据存储到远程数据库中，并对其进行处理和分析 [5]。在具体的应用中还有许多重要技术，其中包括传感器节点的布置、远程无线控制、数据信息采集等[6]。从这些描述中我们可以发现，随着无线传感设备价格的下降以及无线传感器网络技术的不断发展和普及，无线环境监测技术将会让我们的生活和工作越来月便捷和安全。
1.2 无线环境监测技术应用现状
无线环境监测技术在采集监测区域的环境参数时，可以对广阔的区域实现实时在线自动化监测。它具有设备安置便捷，系统容易建立的优点，不容易被监测区域的环境所限制，尤其适合在环境严苛不易布线以及人烟稀少的区域布置网络。近几年，无线传感监测网络被广泛应用于环境监测当中[7]。
许多外国研究团队已经开始探究如何更好的把无线传感器网络应用在环境监测这个领域。在University of Southern California中，科学家们提出了部署传感器的方法和新的环境监测的传感器网络结构，以及簇型树形结构。斯坦福大学中的研究人员提出了如何把闭环控制系统组成的传感器网络结构体系以及由传感器和控制器组成的无线网络系统运用在环境监测领域[8]。
直至到当前为止，无线传感器网络在环境监测中最著名的应用案例当属大鸭岛项目。2002年，加利福尼亚大学和大西洋学院共同推出了一种名为现场的传感器网络项目，用来监测海岛的环境参数信息。人员们在大鸭岛上完成了由四十几个终端采集节点组成的无线环境监测网络系统。终端采集节点配备了多种传感器来对海岛上不同类型的环境信息进行采集。 之所以大鸭岛项目在至今为止的无线环境监测系统的开发历史中占据重要的地位，是由于它所监测的区域环境很恶劣，监测对象也非常复杂众多。它充分发挥无线传感器网络无线、自组织、低功耗、以数据为中心、抗毁性，在监测区域环境非常严苛的情况下，实现了普通有线环境监测做不到的事情，说明了无线环境监测技术的发展的势头不可阻挡。
1.3 课题的主要研究内容
在温室大棚生产中，对大棚各种环境参数的监测尤其重要。温室大棚内环境参数的实时监测可以让温室生产更加方便，更加有效率。其主要作用是实时在线检测、显示温室内作物的生长环境因素，从而方便人员根据作物生长的环境需求对温室环境进行调整，来实现适合作物生长的温室环境，让作物产量和质量都有所增加，实现智能化管理温室大棚[9]。为此，我们设计了一个无线温室环境监测的模拟装置。
首先主要介绍了无线环境监测系统的研究背景意义和现状，以及本次课题的主要研究内容：其次主要介绍了温室检测系统的总体解决方案，提出了系统设计目标和软硬件功能要求。然后主要是对系统硬件的设计，根据分析第二章的硬件功能要求，不仅从整体上概括了整个硬件电路的设计框架，而且还基于此对各个功能模块进行大体介绍。接着主要是对系统软件的设计，根据分析第二章的软件功能要求，确定了软件整体框架设计，将软件设计细分成各个功能模块，并且对各个功能模块的实现作了详细描述。最后主要是对整个系统的调试。
2 系统总体设计
2.1 温湿度检测系统简介
传统的温室大棚大多是通过线缆将采集到的温湿度数据传到监控中心来检测温湿度，这样不仅施工比较麻烦，而且装好的设备不能移动，也不利于维修，价格也比较高，因此随着技术的发展这种方式必将被取代。基于这个现状，本次设计采用了先进的传感器和zigbee无线通信技术，然后运用ZigBee无线组网技术把数据无线传输到监控中心，避免了复杂的线缆布线。通过以上技术的运用也使温湿度检测系统更加简便，更加智能化。
2.3 系统的网络拓扑结构选择
ZigBee 网络的主要有三种网络的拓扑结构，它们分别是星型网络、簇状型网络及混合状型网络。具体拓扑图如图2.2所示。
图 2.2 Zigbee网络拓扑结构图
在星型网中，最重要的是协调器节点，所有的节点只是和协调器节点之间互相通信，其他终端节点之间通信是经过协调器节点的中间转发来完成的，这种网络结构结构简单，功耗低适合对小区域的环境监测。
3.1.1 MCU+RF收发器解决方案
这是在 ZigBee 技术刚开始出现时，各个公司提供的初期解决方案。在一个zigbee通信模块上实现采集、传输数据、通信交流和许多其他的功能。该方案比较便捷，因为MCU与RF芯片是通过SPI串口进行连接的，所以只要单片机和射频无线通信模块都拥有SPI接口，就可以相互之间进行合成。微处理器控制协议栈，是这个系统的核心，而射频芯片则主要负责无线传输通信[11]。模块框图如图 3.1.1所示。
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