基于Zigbee協(xié)議的工業(yè)

基于Zigbee協(xié)議的工業(yè)環(huán)境檢測無線傳感網(wǎng)設(shè)計

515110001969

顧鑫森

主要內(nèi)容總體結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟硬件設(shè)計網(wǎng)絡(luò)主機軟硬件設(shè)計系統(tǒng)測試無線傳感網(wǎng)總體結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計-器件選擇主控模塊：低功耗8位MCU-Atmega16L無線通信模塊：單片無線收發(fā)器芯片nRF905傳感器：DS18b20數(shù)字溫度傳感 MQ-3氣體傳感器（酒精）

紅外測溫模塊

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計-電源設(shè)計本設(shè)計所需電壓為3.3V，采用LM1117-3.3供電系統(tǒng)。對于發(fā)送端，可采用5V電池供電。對于接收端，可采用5V開關(guān)電源供電。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計-溫度傳感器溫度傳感器選擇DS18b20數(shù)字溫度傳感器，該傳感器可以提供9位二進(jìn)制溫度讀數(shù)，指示器件的溫度。DS18b20通過單線與MCU通信，且不需要額外電源。每一個DS18b20在出廠時已經(jīng)給定了唯一的序號，因此任意多個DS18b20可以存放在同一條單線總線上。這允許在許多不同的地方放置溫度敏感傳感器。DS18b20工作過程協(xié)議包括初始化，ROM操作命令，存儲器操作命令和處理數(shù)據(jù)等。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計-酒精氣體傳感器酒精氣體傳感器選擇MQ-3氣體傳感器。該傳感器使用的氣敏材料是二氧化錫，當(dāng)環(huán)境中存在酒精蒸汽時，氣敏材料電導(dǎo)率隨酒精蒸汽濃度增大而增大。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計-紅外傳感器熱釋電紅外探測器輸出的紅外輻射響應(yīng)信號是一種頻率較低的微弱動態(tài)信號，為獲得與目標(biāo)表面溫度變化規(guī)律相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)信號，必須對這種信號進(jìn)行濾波、放大、環(huán)境溫度補償?shù)?。環(huán)境溫度補償直接采用半導(dǎo)體集成溫度傳感器。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計-通信模塊Atmega16L與nRF905之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸采用SPI接口。微處理器的PB7-PB4連接nRF905的SPI接口，PB2-PB0、PD2-PD3連接nRF905的控制信號和檢測信號接口，用于nRF905的模式切換以及通信過程中必要的信號指示。nRF905四種模式：發(fā)送模式、接收模式、空閑模式和關(guān)機模式。這幾種模式是由nRF905的TRX_CE、TX_EN和PWR_UP這幾個引腳決定。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計-節(jié)點硬件設(shè)計傳感器節(jié)點采用Atmega16L微處理器，通過自身四路AD口與傳感器通信，微處理器通過RF接口與nRF905通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。節(jié)點的nRF905通信模塊輪詢等待主機的start信號，當(dāng)收到主機起始信號后，微控制器打開AD轉(zhuǎn)換，等待預(yù)定的時間后nRF905將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)回主機，然后節(jié)點再次輪詢，等待下個start信號。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計-節(jié)點軟件工作流程傳感節(jié)點程序主要完成網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)、加入和維護(hù)、控制節(jié)點工作模式的切換，工作模式處理中還包括傳感器數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。節(jié)點上電后，首先進(jìn)行協(xié)議棧初始化，開啟全局中斷，然后進(jìn)行信道掃描尋找網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)后申請加入。一旦成功加入網(wǎng)絡(luò)，立即上傳DS數(shù)據(jù)給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，進(jìn)行身份注冊完成智能化識別，為后續(xù)數(shù)據(jù)服務(wù)提供依據(jù)。節(jié)點根據(jù)協(xié)調(diào)器命令選擇工作模式，初始化時命令緩存列表有默認(rèn)模式，在接受新的命令后及時調(diào)整和更新，依據(jù)不同模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集收發(fā)、控制以及休眠。為保證節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)可靠性，節(jié)點需要定時進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢查，將狀態(tài)數(shù)據(jù)上報協(xié)調(diào)器，如果發(fā)現(xiàn)與上級設(shè)備連接丟失，節(jié)點將啟動重入網(wǎng)機制，再次加入網(wǎng)絡(luò)，保證與協(xié)調(diào)器連接穩(wěn)定。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計-底層驅(qū)動傳感器網(wǎng)絡(luò)主機的設(shè)計-硬件設(shè)計主機包括兩個移位寄存器和一個主機時鐘發(fā)生器。通過將需要的從機的SS引腳拉低，主機啟動一次通訊過程。主機和從機將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入相應(yīng)寄存器。配置為SPI主機時，SPI接口不自動控制SS引腳，須由用戶通過軟件來設(shè)置。傳感器網(wǎng)絡(luò)主機的設(shè)計-軟件設(shè)計主機SPI底層驅(qū)動nRF905模塊驅(qū)動四種工作模式用戶對SS引腳控制同步設(shè)置數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)測試主機通過RS232總線將讀取到的信息送到計算機顯示。在測試環(huán)境中，主機每10秒讀取一次各個節(jié)點數(shù)據(jù)，然后傳送給計算機。如果沒有節(jié)點數(shù)據(jù)則重復(fù)讀取該節(jié)點。若連續(xù)3次沒有讀取到數(shù)據(jù)則認(rèn)為該節(jié)點故障，并通過串口在計算機上顯示。計算機上顯示協(xié)調(diào)器組網(wǎng)過程以及讀取各個節(jié)點數(shù)據(jù)的情況。系統(tǒng)測試需要達(dá)到的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)傳輸距離：室內(nèi)有間隔通信距離大于40米功耗情況：采用3.3