無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計-基于ZigBee的大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)

1、WSN課程設(shè)計說明書 基于ZigBee的大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)學 院： 計算機科學與工程學院 專業(yè)班級： 物聯(lián)網(wǎng)（13-2）班 學 號： 2013303066 學生姓名： 指導教師： 2015年11月8日目錄1. 背景12. ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)12.1 ZigBee技術(shù)概述12.2 Zigbee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)22.3 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的不同設(shè)備類型42.4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)53. 系統(tǒng)硬件設(shè)計83.1 系統(tǒng)的整體介紹83.2 系統(tǒng)硬件介紹94. 系統(tǒng)軟件設(shè)計124.1 ZigBee集成開發(fā)環(huán)境134.2 ZigBee協(xié)議棧組網(wǎng)過程134.2.1 建立自己的協(xié)議找144.2.2

2、終端節(jié)點發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)154.2.3 終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)164.2.4 串口通信174.2.5 上位機軟件的設(shè)計185. 總結(jié)186. 參考文獻191. 背景眾所周知，農(nóng)作物的生長受溫濕度的影響很大。在溫室大棚中，溫濕度對于蔬菜的品質(zhì)和產(chǎn)量更是至關(guān)重要。所以，要不斷監(jiān)控大棚中的溫濕度，以保證蔬菜時刻處于適宜的生長環(huán)境。傳統(tǒng)的溫濕度監(jiān)控是在溫室大棚內(nèi)部懸掛溫度計和濕度計，通過讀取溫度值和濕度值，然后與蔬菜最適宜生長的溫濕度進行比較，看溫濕度是否過高或過低，然后進行相應(yīng)的通風或者灑水。這種方式費時費力，尤其對于有較多大棚的蔬菜種植基地，更是相當麻煩。為了能輕松地獲取每個大棚內(nèi)溫濕度，可以利用ZigBee技

3、術(shù)，對各個大棚內(nèi)的溫濕度進行實時監(jiān)控，然后將溫濕度信息傳輸?shù)絇C端，這樣，農(nóng)戶就可以足不出戶地了解各個大棚內(nèi)的溫濕度情況。2. ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)2.1 ZigBee技術(shù)概述ZigBee是基于IEEE802.15.4協(xié)議的短距離、低功耗、低成本的無線通信技術(shù)。在2000年12月,電子和電器工程師協(xié)會成立了 IEEE802.15.4工作組,它定義了一種無線連接技術(shù),這個技術(shù)的特點是低成本、低速率、固定的、極低復雜度的,zigbee也過這種技術(shù)來命名的,但是zigbee這個名字來源于蜂群傳遞花粉信息所使用的通信方式,蜜蜂通過形狀像zigbee的舞蹈來告訴別的同伴食物源的位置、方向和距離等信息。

4、所以zigbee這個名字也就產(chǎn)生了。在標準化方面,zigbee聯(lián)盟負責高層的應(yīng)用和測試,而底層協(xié)議是由IEEE802.15.4工作組來制定的,比如說物理層和MAC層的協(xié)議都是由這個工作組來指定的。在2003年,發(fā)布了正式的IEEE802.15.4標準,芯片和產(chǎn)品都已經(jīng)面世了,zigbee聯(lián)盟發(fā)展也相當迅速,在2003版的IEEE802.15.4標準發(fā)布后,2005年6月27日,就公布了第一份zigbee規(guī)范“ZigBee Specification vl.O”,在2006年底改進版本的zigbee規(guī)范,使得各個國家也爭相開始研究zigbee技術(shù)。目前由于zigbee技術(shù)低成本的特點顯著,它的發(fā)

5、展速度是非?？斓?研究的人也越來越多了。遠遠超過了比它早出現(xiàn)的一些無線技術(shù),比如說藍牙等。它不僅在工業(yè)農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價值,而且在未來其應(yīng)用更將擴展到涉及人類日常生活和社會生產(chǎn)活動的所有領(lǐng)域。2.2 Zigbee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)Zigbee協(xié)議棧定義了四層。物理層和媒體訪問控制層由IEEE802.15.4-2003定義，上層的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由Zigbee聯(lián)盟定義。應(yīng)用層分別包括ZDO（Zigbee設(shè)備對象），APS（應(yīng)用支持子層）和AF（應(yīng)用框架）組成。Zigbee協(xié)議棧每一層負責完成所規(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)。圖2.

6、1 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖1) 物理層物理層由半雙工的無線收發(fā)器及其接口組成，主要作用是激活和關(guān)閉射頻收發(fā)器；檢測信道的能量；顯示收到數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量；空閑信道評估；選擇信道頻率；數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。2) 媒體訪問控制層媒體訪問控制（MAC）層建立了一條節(jié)點和與其相鄰的節(jié)點之間可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，共享傳輸媒體，提高通信效率。在協(xié)調(diào)器的MAC層，可以產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標，同步網(wǎng)絡(luò)信標；支持Zigbee設(shè)備的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)；支持設(shè)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(shù)據(jù)傳輸模式，為兩個對等的MAC實體提供可靠連接。3)

7、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。Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以組成星型、簇樹型或MESH型網(wǎng)絡(luò)。對于終端節(jié)點而言，網(wǎng)絡(luò)層的功能只是加入和離開網(wǎng)絡(luò)；對于路由器而言，網(wǎng)絡(luò)層的功能是信息的轉(zhuǎn)發(fā)，路由發(fā)現(xiàn)，建立和維護路由表和鄰居表，以及構(gòu)造到某節(jié)點的路由任務(wù)；而協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)主要包括啟動和維護網(wǎng)絡(luò)正常工作，為新加入的節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址。4)應(yīng)用層應(yīng)用層包括三部分：應(yīng)用支持子層（APS）、Zigbee設(shè)備對象（ZDO）和應(yīng)用框架（AF）。應(yīng)用支持子層的任務(wù)是提取網(wǎng)絡(luò)層的信息并將信息發(fā)送到運行在節(jié)點上的不同應(yīng)用端點。應(yīng)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

8、位長地址（IEEE地址）與16位短地址（網(wǎng)絡(luò)地址）一對一映射；實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的分割與重組；應(yīng)用支持子層連接網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，是它們之間的接口。這個接口由兩個服務(wù)實體提供：APS數(shù)據(jù)實體（APSDE）和APS管理實體（APSME）。APS數(shù)據(jù)實體為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，它會拆分和重組大于最大荷載量的數(shù)據(jù)包。APS管理實體提供安全服務(wù)，節(jié)點綁定，建立和移除組地址，負責64位IEEE地址與16位網(wǎng)絡(luò)地址的地址映射。Zigbee設(shè)備對象負責設(shè)備的所有管理工作，包括設(shè)定該設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色（協(xié)調(diào)器、路由器或終端設(shè)備），發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，確定這些設(shè)備能提供的功能，發(fā)起或響應(yīng)綁定請求，完成設(shè)備之間建立安

9、全的關(guān)聯(lián)等。用戶在開發(fā)Zigbee產(chǎn)品時，需要在Zigbee協(xié)議棧的AF上附加應(yīng)用端點，調(diào)用ZDO功能以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備和服務(wù)，管理綁定、安全和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。ZDO是一個特殊的應(yīng)用對象，它駐留在每一個Zigbee節(jié)點上，其端點編號固定為0。 AF應(yīng)用框架是應(yīng)用層與APS層的接口。它負責發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并為接收到的數(shù)據(jù)尋找相應(yīng)的目的端點。2.3 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的不同設(shè)備類型用zigbee技術(shù)組建的無線個域網(wǎng)的特點是傳輸數(shù)據(jù)速率很低,按照其各自的功能分:網(wǎng)絡(luò)中有三種設(shè)備,可以分為路由器節(jié)點、終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點。協(xié)調(diào)器節(jié)點是建立網(wǎng)絡(luò)者,同時也在管理者它的網(wǎng)絡(luò),它是整個網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)導者

10、,肩負著允許和拒絕節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的權(quán)力。路由器節(jié)點是中繼節(jié)點,主要有轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的功能,而終端節(jié)點數(shù)量較多,一個網(wǎng)絡(luò)理論上可以有65536個節(jié)點,包括路由器和協(xié)調(diào)器,可見終端節(jié)點的數(shù)目巨大,終端節(jié)點主要是負責釆集數(shù)據(jù),然后通過zigbee協(xié)議傳給路由器或協(xié)調(diào)器。此外,網(wǎng)絡(luò)中器和路由器。就是具有完備功能的設(shè)備,功能很全。半功能設(shè)備是中終端設(shè)備,也就是只具有部分功能的精簡設(shè)備。也就是說全功能設(shè)備可以用來當做半功能設(shè)備來用,但是半功能設(shè)備不能當做全功能設(shè)備來用。在通常意義上業(yè)界把設(shè)備分為三類:它們分別是協(xié)調(diào)器Coordinator)> 路由器(Router)、終端設(shè)備(End Device)。1)

11、協(xié)調(diào)器(Coordinator):ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)備在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中具有建立網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)的功能,它也是該無線網(wǎng)絡(luò)中的第一個設(shè)備,而且一個網(wǎng)絡(luò)只有一個協(xié)調(diào)器,其他終端節(jié)點要加入或者退出網(wǎng)絡(luò)都要經(jīng)過它的允許。建立.網(wǎng)絡(luò)首先要發(fā)送原語,第二選擇空閑的信道和合適的信標,這樣就組建了 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò),協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)中的作用是舉足輕重的,肩負著整個網(wǎng)絡(luò)的運行。它一旦出了問題,那么整個網(wǎng)絡(luò)即將癱瘓。2)路由器(Router):路由器在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中也可以叫做中繼節(jié)點,他只是負責數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。把從傳感器節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)發(fā)給協(xié)調(diào)器,或者把協(xié)調(diào)器發(fā)來的指令發(fā)給傳感器節(jié)點。在ZigBee的網(wǎng)

12、絡(luò)中,路由器也叫做網(wǎng)絡(luò)的中轉(zhuǎn)站,主要用于多跳中繼通信,具備路由功能。路由器在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中也是一個較小網(wǎng)絡(luò)的管理者,管理者它下面的若干個終端節(jié)點。有時候區(qū)分協(xié)調(diào)器和路由器只是在硬件配置上有所不同而已。3)ZigBee 終端設(shè)備(End Device):ZigBee終端設(shè)備在無線網(wǎng)絡(luò)的最末端,它一般帶有各種傳感器,負責采集各種信息,采集到后再通過射頻模塊發(fā)送給路由器或者直接發(fā)送給協(xié)調(diào)器。它在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中三個邏輯設(shè)備中唯一一個半功能設(shè)備,但是它是整個信息的來源,可見它在網(wǎng)絡(luò)中也是非常重要的。在大的網(wǎng)絡(luò)中,會存在很多個終端設(shè)備,所以要合理優(yōu)化布置終端節(jié)點。2.4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)星

13、型網(wǎng)、網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)是在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中三種常見的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)類型。星型網(wǎng)絡(luò)是三種網(wǎng)絡(luò)中結(jié)構(gòu)最簡單的一種網(wǎng)絡(luò),它是一個福射狀的系統(tǒng),當協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)后,其他的節(jié)點都要和協(xié)調(diào)器直接通信,而且它們之間互相不通信,所以任何一個路由器或者終端設(shè)備故障了,那么它就斷開網(wǎng)絡(luò)了,導致了這個網(wǎng)絡(luò)的可靠性不是很高,但是成本低,便于管理,當有少數(shù)節(jié)點的時候適合使用這個網(wǎng)絡(luò),但是這個網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍太小了,如果是大范圍大面積的網(wǎng)絡(luò)用這個網(wǎng)絡(luò)就不合適的。圖2.2為星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),其中協(xié)調(diào)器:Coordinator,路由器:Router,終端設(shè)備:End Device。圖2.2 星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)樹狀拓撲網(wǎng)絡(luò)

14、中包含一個協(xié)調(diào)器、若干個路由器、若干個終端節(jié)點,它是在較簡單的星狀拓撲網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上展開的,該種拓撲網(wǎng)絡(luò)有一個核心節(jié)點(協(xié)調(diào)器)發(fā)起網(wǎng)絡(luò),然后會有若干個路由器節(jié)點加入該網(wǎng)絡(luò)中,構(gòu)成一個“樹干型”的網(wǎng)絡(luò),然后在樹干的末端就是所謂的“葉子”節(jié)點,也就是終端節(jié)點。如果某個路由器出了故障,那么在這個路由器下面的子節(jié)點都將離開網(wǎng)絡(luò),處于癱瘓狀態(tài)。也就是說葉子節(jié)點不能與協(xié)調(diào)器直接通信,要通過它的父節(jié)點路由器來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)才能通信。樹型拓撲是復雜度介于網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)和星型網(wǎng)絡(luò)之間的一種拓撲結(jié)構(gòu)。為了支持網(wǎng)絡(luò)功能,首先,樹型網(wǎng)絡(luò)必須提供動態(tài)地址分配機制,以便新加入的節(jié)點能連接到網(wǎng)絡(luò)上,并且被其他已有節(jié)點所認可。其次

15、,為保證信息向前發(fā)送,樹型拓撲中每個節(jié)點必須根據(jù)信息的發(fā)送和接收者做出簡單的路由選擇。最后,樹型網(wǎng)絡(luò)要提供可配置的范圍屬性,這個范圍屬性包括樹型結(jié)構(gòu)的最大層數(shù)和允許子節(jié)點的最大個數(shù)。樹形網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用在簡單的低數(shù)據(jù)傳輸速率的傳感器網(wǎng)絡(luò)中,也可以很好的用在無線電環(huán)境中。樹型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2.3所示:圖2.3 樹型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)是三種網(wǎng)絡(luò)中靈活性最好、抗干擾能力最好、結(jié)構(gòu)最復雜的一種網(wǎng)絡(luò)。與樹型網(wǎng)絡(luò)不同的是,網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的路由器之間還存在許多路由器,這些冗余的路由器為終端節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)提供了更多的路徑,當網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點出現(xiàn)故障時,終端節(jié)點可以找到另外的路徑跟協(xié)調(diào)器通信,實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的自組織

16、、多跳、自愈的功能,提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性,但是硬件消費就比較大了。網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)最主要的一個特點是結(jié)構(gòu)復雜,這個網(wǎng)絡(luò)中一般由若干個全功能設(shè)備和許多半功能設(shè)備一起構(gòu)成了大型的網(wǎng)絡(luò),在這個大型的網(wǎng)絡(luò)中,一個優(yōu)化的路由算法是非常重要的,既可以使傳輸更加快捷,而且可以節(jié)約能源。此外,網(wǎng)狀的拓撲網(wǎng)絡(luò)還具有非常高的安全保密機制,當在傳輸過程中,受到某種噪聲、電磁波等的干擾,那么它會選擇另外一條路徑來傳輸數(shù)據(jù),避幵這種干擾。因此,網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)比較適合在覆蓋范圍大的網(wǎng)絡(luò)中使用。網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2.4所示:圖2.4 網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 系統(tǒng)的整體介紹本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)匯聚模塊（協(xié)調(diào)器），溫度傳感

17、器模塊（終端節(jié)點）和上位機三部分組成。數(shù)據(jù)匯聚模塊負責組建Zigbee網(wǎng)絡(luò)，完成溫度傳感器模塊與上位機（PC）數(shù)據(jù)的透明傳輸；溫度傳感器模塊負責采集、存儲、上傳溫度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)匯聚模塊通過RS-232串口與上位機相連。上位機有監(jiān)控界面可以測環(huán)境溫度（傳感器模塊位置在數(shù)據(jù)匯聚模塊的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)），多個傳感器節(jié)點置于不同的監(jiān)測區(qū)域，每個傳感器節(jié)點把數(shù)據(jù)傳給匯聚節(jié)點，在匯聚節(jié)點完成數(shù)據(jù)融合，然后匯聚節(jié)點把數(shù)據(jù)通過串口傳給上位機做進一步處理并顯示給用戶。上位機監(jiān)控界面需要顯示所有溫度數(shù)據(jù)的地址，溫度數(shù)據(jù)的大小及溫度變化趨勢。溫濕度檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖3.1。 圖3.1溫濕度檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖3.2

18、系統(tǒng)硬件介紹本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯聚模塊(協(xié)調(diào)器)和溫濕度傳感器模塊（終端設(shè)備）的主芯片采用TI公司的CC2530。CC2530是一個真正的系統(tǒng)芯片（SOC）COMS解決方案，這種解決方能夠降低成本，提高性能，并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM波段應(yīng)用低功耗的要求。考慮到溫濕度傳感器模塊工作時，需要將采集的溫濕度信息和時間信息存儲，故擴展外部FLASH芯片ST-M25PE16和時鐘芯片S35190A。在天線設(shè)計方面，使用了TI的參考設(shè)計方案反向F型天線。1） 溫濕度傳感器模塊CC2530 CC2530包括了1個高性能的2.4 GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發(fā)器核心和1個8051

19、控制器，它具有32/64/128 kB可選擇的編程閃存和8 kB的RAM，還包括ADC、定時器、睡眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路和21個可編程I/O引腳，這樣很容易實現(xiàn)通信模塊的小型化。CC2530是一款功耗相當?shù)偷膯纹瑱C，功耗模式3下電流消耗僅0.2A，在32 k晶體時鐘下運行，電流消耗小于1A。圖3.2 CC2530芯片腳位圖2）溫濕度傳感器模塊Flash存儲芯片存儲器ST-M25PE16是4線的SPI通信模式的FLASH，它可以整塊擦除，最大可以存儲2M個字節(jié)。工作電壓為2.7v到3.6v。3）溫濕度傳感器模塊DHT11DHT11是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器,

20、它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)以及溫濕度傳感技術(shù),確保產(chǎn)品非?？煽亢途哂虚L期穩(wěn)定性。傳感器包括一個NTC溫元件和一個電阻式感濕元件并和一個高性能8位單片機連接，因此該聲品具有超快響應(yīng)、品質(zhì)卓越、抗干擾能力強、性價比超高等一些優(yōu)點。DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中校準過,校準系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中,傳感器內(nèi)部在檢測型號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)。傳輸數(shù)據(jù)用的是單線制串行接口,使系統(tǒng)集成變得簡便快捷。超小的體積、極低的功耗,信號傳輸距離在20米以內(nèi)時,需要用5k的上拉電阻,大于20米時根據(jù)實際情況使用合適的上拉電阻。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝,連接方便。其實物圖如下：圖3.3 D

21、HT11實物圖4）溫濕度傳感器模塊時鐘時鐘芯片S35190A是超低功耗的3線CMOS實時時鐘IC。工作電壓為1.3v5.5v，最低計時工作電壓為1.1v。它有內(nèi)置到2099年為止的自動日歷，具有潤年自動運算功能，可以定時產(chǎn)生中斷。5）溫濕度傳感器模塊反向F型天線采用TI公司公布的2.4GHz倒F型天線的參考設(shè)計。天線的最大增益為3.3dB，天線面積為25.7×7.5mm。該天線完全能夠滿足CC2530工作頻段的要求（CC2530工作頻段為2.400GHz2.480GHz）。3.2.3數(shù)據(jù)匯聚模塊（協(xié)調(diào)器）數(shù)據(jù)匯聚模塊主要由CC2530和串口電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232組成。CC2530主

22、要負責收發(fā)數(shù)據(jù)。時鐘芯片主要負責為溫度數(shù)據(jù)提供時間信息。對于上位機和溫度傳感器模塊來說，數(shù)據(jù)匯聚模塊是透明的，它只負責將上位機發(fā)送的命令通過無線的方式轉(zhuǎn)發(fā)給溫度傳感器模塊；還有將溫度傳感器模塊上傳的溫度數(shù)據(jù)及時間信息按照一定的格式轉(zhuǎn)發(fā)給上位機。協(xié)調(diào)器實物圖如下：圖3.4 協(xié)調(diào)器實物圖4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計是在硬件的基礎(chǔ)上進行相應(yīng)的軟件開發(fā),實現(xiàn)傳感器采集數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)到相應(yīng)的設(shè)備和上位機顯示數(shù)據(jù)等功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計按照實現(xiàn)功能的不同可以劃分為終端設(shè)備數(shù)據(jù)采集、協(xié)調(diào)器設(shè)備數(shù)據(jù)管理和上位機顯示軟件設(shè)計3大部分。軟件總體框圖如圖4.1所示。圖4.1 軟件總體框圖4.1 ZigBee集成開發(fā)環(huán)

23、境IAR System公司在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域一直處于世界領(lǐng)先的水平。公司成立于1983年,迄今已有29年,它所提供的產(chǎn)品和服務(wù)涉及到嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的每個環(huán)節(jié),此外還包括了帶有C/C+交叉編譯環(huán)境和調(diào)試器的集成開發(fā)環(huán)境(IDE),它支持很多種不同的微處理器,給它們提供一樣直觀的用戶界面。到目前為止它可以支持35種以上的8位/16位/32位ARM微處理器結(jié)構(gòu)。因此在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上,我們使用IAR作為軟件開發(fā)的工具。該集成編譯器的主要特征有: 1)高效的PROMable代碼。 2)具有非常完善的C語言開發(fā)體系。 3)版本控制和擴展工具支持良好,還有便捷的中斷處理。 4)內(nèi)建對應(yīng)芯片的程序速度和大

24、小優(yōu)化器。 5)高效的浮點支持,工程中相對路徑支持。IAR Embeded Workbench軟件開發(fā)環(huán)境如圖4.2所示。4.2 ZigBee協(xié)議棧組網(wǎng)過程ZigBee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的大致步驟為:首先協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò),然后是終端節(jié)點發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò),第三是終端節(jié)點申請加入網(wǎng)絡(luò),協(xié)調(diào)器響應(yīng)該請求,最后是節(jié)點間開始進行數(shù)據(jù)通信。圖 4.2 lAR Embeded Workbench 集成開發(fā)環(huán)鏡4.2.1 建立自己的協(xié)議找在ZigBee的設(shè)備中,只有全功能設(shè)備才能發(fā)起網(wǎng)絡(luò),協(xié)調(diào)器在CC2530完成初始化后通過原語的方式發(fā)起網(wǎng)絡(luò)。它有拒絕和允許節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的權(quán)力,然后把各個節(jié)點的數(shù)據(jù)采集匯總后發(fā)給上位機顯示出來。協(xié)

25、調(diào)器發(fā)起網(wǎng)絡(luò)由功能函數(shù)VoidZDO_NetWork_Formation(byteLogicalType,devStartModes_t StartMode,byte BeaconOrder,byte SuperframeOrder)來實現(xiàn)組建無線網(wǎng)絡(luò)。新網(wǎng)絡(luò)建立時協(xié)調(diào)器的工作流程圖如圖4.3所示。 圖4.3協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)流程圖4.2.2 終端節(jié)點發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點也就是本文系統(tǒng)的傳感器節(jié)點,能夠自動收集環(huán)境數(shù)據(jù),經(jīng)過或者不經(jīng)過路由器把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器。能夠接收、執(zhí)行來自協(xié)調(diào)器的命令。當網(wǎng)絡(luò)成功建立后,協(xié)調(diào)器會通過查詢的方式一直等待傳感器節(jié)點給它發(fā)送原語請求,原語請求的程序代碼是NLME_NET

26、WORK_DISCOVERY.request(ScanChannels,ScanDuration)。ScanDuration參數(shù)表示建立網(wǎng)絡(luò)所在的信道,ScanDuration參數(shù)表示的是找到信道所花費的時間。如果在掃描信道的期間有活動的網(wǎng)絡(luò)在運行,就接收此網(wǎng)絡(luò)的信標巾貞,并獲得它的PANID值和判斷是否和本身網(wǎng)絡(luò)綁定的值相同,假如相同,那么MAC層就向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送MLME_BEACON_NOTIFY.indication原語,從而MAC層就會生成一個信道掃描確認原語MLME_SCAN.confirm。 再根據(jù)反饋回來的掃描結(jié)果生成發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的原語,語法如下:NLME_NETWORK_DISCOV

27、ERY.confinn(NetworkCount,NetworkDescriptor,Status）接著應(yīng)用層會接收到網(wǎng)絡(luò)層發(fā)的這個確認信息,然后判斷該參數(shù)是否返回SUCCESS,如果是,就說明己經(jīng)找到了協(xié)調(diào)器節(jié)點,也就是發(fā)現(xiàn)了協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)了。4.2.3 終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)這個系統(tǒng)的溫濕度采集傳感器節(jié)點上電啟動，它將會主動掃描指定的頻道，并且向協(xié)調(diào)器發(fā)出入網(wǎng)請求和嘗試加入網(wǎng)絡(luò)，如果不成功，則將再次掃描加入網(wǎng)絡(luò)。加入成功后，就到協(xié)調(diào)器分配的網(wǎng)絡(luò)地址，當它沒有任務(wù)時就進入休眠狀態(tài)，以降低系統(tǒng)功耗，增加使用時間，當任務(wù)出現(xiàn)時，喚醒系統(tǒng)，傳感器節(jié)點會每隔一定的周期采集、讀取周圍環(huán)境溫濕度值，并將數(shù)據(jù)

28、打包傳給就進的父節(jié)點。如果傳輸成功，將會再次進入休眠狀態(tài)，如果不成功，需要重新傳輸數(shù)據(jù)，直到成功為止。終端設(shè)備通信流程如圖所示。圖4.4 終端設(shè)備通信流程4.2.4 串口通信下位機與上位機的通信一般來說用的是串口通信,其他的有I²C總線通信通信方式等,串口通信是最普遍的一種通信方式。在這里底層釆集傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)器的通信用的是ZigBee協(xié)議通信,而協(xié)調(diào)器和計算機的通信用的是串口通信。USARTO、USART1是CC2530兩個串行通信接口,它們能夠分別運行于異步UART模式和同步SPI模式,但一般使用UART模式。串口的編程主要考慮如何提高通信的可靠性,降低誤碼和錯誤。一般來說,串口通信由于距離非常短,誤碼率就比較低。容易出現(xiàn)的問題在于:發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)時,接收端正忙著做其他的事情,或者關(guān)閉了中斷,而串口的緩沖區(qū)SBUF只有一個字節(jié),如果數(shù)據(jù)如果不及時提取到內(nèi)存,就會被后來的數(shù)據(jù)填充掉,造成數(shù)據(jù)丟失。較好的解決方案是在通信中加上握手和校驗。我們在做串口發(fā)送時一般只需要將數(shù)據(jù)依次送到SBUF中,八位八位的送,串口會自動識別自動發(fā)送,發(fā)送完畢后給出中斷。接收方當收到一個字節(jié)后也給出中斷,主程序提取數(shù)據(jù)也在中斷中完成,另外也可以通過查詢的方式來實現(xiàn)提取數(shù)據(jù)。在本例中,將在內(nèi)存中建立一個隊列式的