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xxx大学xx学院
本科生毕业设计（论文）
论文题目：基于ZigBee的无线温度检测系统设计
姓名：xxx
系别：xxx
专业：xxx
班级、学号：xxx
指导教师：xxx
xx大学xx学院教务部印制
摘要
传统的多点分布式温度检测系统多采用有线传输方式，然而随着分布式节点的不断增加，布线复杂程度和成本也急剧增加，给系统的设计，维护和升级带来了诸多困难。
ZigBee是一种崭新的近程无线网络通信技术，是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定的标准，主要适用于自动控制和远程控制领域，。本设计基于ZigBee技术，采用CC2430作为温度检测系统芯片，应用2.4GHz ISM波段,满足低成本,低功耗的要求。
本设计首先介绍了课题研究的意义，ZigBee技术的应用范围以及ZigBee技的发展现状。
其次，详细介绍Zigbee技术低功耗、低成本以及网络容量大等特点和符合Zigbee通信协议的硬件开发平台CC2430。
最后，完成温度检测系统的硬件设计以及软件流程图的设计。温度检测系统的硬件部分是以CC2430为控制核心，加上一些外围电路组成控制系统，包括A/D 转换电路、显示电路、USB接口转换电路等，实现对分散节点的温度采集，采集后的温度实时地显示。本设计可以有效满足工农业检测过程中对多测点、移动性及便捷性等方面的要求，并且能够有效解决有线网络的布线难题和成本问题，具有十分广阔的应用前景。软件部分主要是传感器，协调器等系统流程图的设计，详细描述整个系统的工作过程。
关键词：ZigBee；CC2430；无线传感器网络；温度采集
Abstract
Traditional multi-point distributed temperature detection system using wire transmission, with the distributed nodes increases ceaselessly, the wiring complexity and costs also increased dramatically, to system design, maintenance and upgrade brings a lot of difficulties.
ZigBee is a new short-range wireless communication technology, in order to meet the needs of small cheap equipment wireless networking and control standards, mainly applicable to the field of automatic control and remote control,. The design is based on ZigBee technology, using CC2430 as the temperature detection system using 2.4GHz chip, ISM band, meet the low cost, low power requirements.
This paper first introduces the significance of the research, the application of ZigBee technology and ZigBee technology and development status.
Secondly, introduces Zigbee technology of low power consumption, low cost and network capacity is big wait for a characteristic and the communication protocol with the Zigbee hardware development platform CC2430.
Finally, the completion of the temperature detection system hardware design and software flow diagram design. The temperature detection system hardware is part of the CC2430 as the control core, plus
some peripheral circuits to form control system, including the A/D conversion circuit, display circuit, USB interface conversion circuit, the temperature detection, so as to realize temperature of various state monitoring and other functions. The software part is the main sensor, coordinator and the flow chart of the system design, detailed description of the working process of the system.
Key words:ZigBee; CC2430; wireless sensor network; temperature acquisition
目录
摘要 ....................................... I Abstract .......................... 错误！未定义书签。1绪论. (1)
1.1引言 (1)
1.2课题背景 (1)
1.3课题研究的目的和意义 (2)
1.4 ZigBee的发展现状 (4)
1.5本设计的主要工作 (4)
2 ZigBee的介绍 (5)
2.1 ZigBee的概述 (5)
2.1.1物理层（PHY层） (6)
2.1.2 MAC层 (6)
2.1.3网络层（NWK层） (6)
2.1.4应用层（APL层） (7)
2.1.5安全服务提供层（SSP层） (8)
2.2ZigBee网络基础 (8)
2.2.1网络节点类型 (8)
2.2.2网络拓扑形式 (8)
2.3工作模式 (11)
3 温度检测系统总体方案设计 (12)
3.1系统整体结构 (12)
3.2温度采集系统原理 (13)
4 温度检测系统硬件电路设计 (15)
4.1zigbee芯片选择和简介 (15)
4.1.1 zigbee芯片的选择 (15)
4.1.2 cc2430简介 (15)
4.1.3 CC2430芯片的主要特点 (16)
4.1.4 I/O端口线引脚功能 (17)
4.1.5 CC2430外围电路 (19)
4.1.6 CC2430应用于无线网络节点设计 (21)
4.2节点的硬件设计 (22)
4.2.1 协调器节点的硬件设计 (22)
4.2.2 路由器节点的硬件设计 (22)
4.2.3传感器节点的硬件设计 (23)
4.3电源供电电路 (24)
4.4传感器电路 (24)
4.5 A/D转换电路图 (26)
4.6 USB转串口电路图 (28)
4.7显示电路 (29)
5 温度检测系统软件流程图设计 (31)
5.1传感器节点的程序流程图 (31)
5.2协调器的程序流程图 (31)
5.3上位机软件的程序的流程图 (32)
6 开发环境简介 (34)
6.1 C51RF-3-PK开发平台 (34)
6.2 IAR Embedded Workbench简介 (34)
6.3上位机的功能简介 (35)
7.总结与展望 (36)
致谢 (37)
参考文献 (38)
附录 (40)
1绪论
1.1引言
温控系统、冷库温控系统、智能化建筑控制系统、中央空调系统等众多应用系统中，为了实时地监测不同点的温度，需要多点分布式温度测量系统。传统的多点分布式温度监测系统多采用有线传输方式，然而随着分布式节点的不断增加，系统的布线复杂度和成本也就极具增加，这给系统的设计、维护和升级带了许多不便。如何解决有线网络带来的诸多不便已成为当下研究的热点。
ZigBee技术就是一种基于IEEE 802.15.4协议标准的近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用，已成为当下较为流行的无线通信技术。
本设计意在设计一种基于ZigBee的温度检测系统，用以实现对分散节点的温度采集，采集后的温度实时地显示。本设计可以有效满足工农业检测过程中对多测点、移动性及便捷性等方面的要求，并且能够有效解决有线网络的布线难题和成本问题，具有十分广阔的应用前景。
1.2课题背景
信息技术发展日新月异，传统的有线通信方式因为其成本高、布线复杂，已经不能完全满足人们的应用需求了。由此，无线通信技术应运而生。无线网络技术按照传输范围来划分，可分为无线广域网、无线城域网、无线局域网和无线个人域网。无线个人域网即短距离无线网络，典型的短距离无线传输技术有：蓝牙（Bluetooth）、ZigBee、WiFi等[1]。
在工业控制、家庭自动化和遥测遥感领域，蓝牙（Bluetooth）虽然成本较低，成熟度高，但是传输距离有限，仅为10米，可以参与组网的节点少。WiFi虽然传输速度较快，传输距离达到100米，但是其价格偏高，功耗较大，组网能力较差。
相比之下ZigBee技术则主要针对低成本、低功耗和低速率的无线通信市场，具有如下特点[2]：
(1)成立本低：ZigBee模块的初始成本低，并且ZigBee协议是免专利费采
用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段，2．4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)，免执照频段。
(2)低功耗：由于ZigBee的传输速率较低，传输数据量较小，并且采用了休眠模式，因此ZigBee设备功耗很低，仅靠两节5号电池就可以维持长时间使用。
(3) 低速率。Zigbee工作在20～250 kbps的较低速率，分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。
(4)时延短：ZigBee的响应速度较快，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，一般从休眠转入工作状态只需要15ms，节点进入网络只需要30ms，进一步节约了能源。
(5)网络容量大：Zigbee可采用星型、树型和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254 个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000 个节点的大网。
(6)可靠度高：为了避免发送数据的竞争和冲突，采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙。MAC层采用完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，如果传输过程中出现问题可以进行重发。
(7)安全：Zigbee提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128) 的对称密码,以灵活确定其安全属性。
(8)传输距离远：传输范围一般介于10～100 m 之间，在增加RF 发射功率后,亦可增加到1～3 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。
由于ZigBee技术具有上述特点，因而广泛应用在短距离低速率电子设备之间的数据传输。ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。
1.3课题研究的目的和意义
ZigBee技术具有低成本、低功耗、近距离、短时延、高容量、高安全及免执照频段等优势，广泛应用于智能家庭、工业控制、自动抄表、医疗监护、传感
器网络应用和电信应用等领域。
智能家庭：现今家用电器已经随处可见了，如何将这些电器和电子设备联系起来，组成一个网络，甚至可以通过网关连接到Internet，使得用户可以方便地在任何地方监控自己家里的情况。ZigBee技术提供了家庭智能化的技术支持，在ZigBee技术的支持下，家用电器可以组成一个无线局域网，省却了在家里布线的烦恼。
工业控制：工厂环境当中有大量的传感器和控制器，可以利用ZigBee技术把它们连接成一个网络进行监控，加强作业管理，降低成本。
自动抄表：现在在大多数地方还是使用人工的方式来逐家逐户进行抄表，十分不方便。而ZigBee可以用于这个领域，利用传感器把表的读数转化为数字信号，通过ZigBee网络把读数直接发送到提供煤气或水电的公司。使用ZigBee进行抄表还可以带来其它好处，比如煤气或水电公司可以直接把一些信息发送给用户，或者和节能相结合，当发现能源使用过快的时候可以自动降低使用速度。
医疗监护：医疗工作中，时常要获得病人的生理指标、环境指标，可以通过放置传感器构成传感器网络，实时监测这些数据。由于是无线技术，传感器之间不需要有线连接，被监护的人也可以比较自由的行动，非常方便。
传感器网络应用：传感器网络也是最近的一个研究热点，像货物跟踪、建筑物监测、环境保护等方面都有很好的应用前景。传感器网络要求节点低成本、低功耗，并且能够自动组网、易于维护、可靠性高。ZigBee在组网和低功耗方面的优势使得它成为传感器网络应用的一个很好的技术选择。
此外，ZigBee技术也可以应用到汽车电子、农业生产和军事领域中。随着物联网技术的日渐兴起，ZigBee技术将会扮演更为重要的角色。但是，物联网的全面普及将是一个十分漫长的过程，至少目前还在探索和实验阶段，距离实用还有很长的路要走。
虽然前景一片大好，但是我们应该清楚认识到由于各方面的制约，ZigBee 技术的大规模商业应用还有待时日，基于ZigBee技术的无线网络应用还远远说不上成熟，主要表现在：ZigBee市场仍处于起步探索阶段，终端产品和应用大多处于研发阶段，真正上市的少，且以家庭自动化为主；潜在应用多，但具有很大出货量的典型应用少，市场缺乏明确方向；使用点对多点星状拓扑的应用较多，
体现ZigBee优势的网状网络应用少；基于IEEE 802.15.4底层协议的应用多，而基于ZigBee标准协议的应用少。
1.4 ZigBee的发展现状
ZigBee作为一种新兴的国际标准短距离无线通信协议，其协议栈体系结构是基于标准七层开放式系统互联参考模型(OSI)， IEEE 802.15.4-2003标准定义了下面的两层：物理层和媒体接入控制子层；网络层、应用会聚层、应用层由ZigBee联盟制订。
2002年，ZigBee联盟创立，创始者包括IC供应商、无线IP提供商、设备制造商、测试设备制造商和最终产品制造商等，这些企业能提供适应ZigBee的产品和解决方案。
ZigBee联盟于2004年底发布了ZigBee协议1．0版本规范，2006年11月发布了ZigBee协议1．1版本规范，2007年10月发布了ZigBee Pro版本规范。
ZigBee联盟的主要目标是以通过加入无线网络功能，为消费者提供更富有弹性、更容易使用的电子产品。ZigBee技术能融入各类电子产品，应用范围横跨全球的民用、商用、公共事业以及工业等市场。使得联盟会员可以利用ZigBee 这个标准化无线网络平台，设计出简单、可靠、便宜又节省电力的各种产品来。
1.5 本设计的主要工作
本文主要研究了基于ZigBee的温度检测系统的设计，包括节点的硬件设计、无线传感器网络的组建，以及软件流程图设计。主要工作包括以下几个方面：（1）阐述了设计的背景、目的和意义以及目前ZigBee研究发展情况。
（2）介绍了ZigBee的协议栈结构、各层的功能、ZigBee的网络节点类型、网络体系结构及工作模式，此外介绍了CC2430芯片及它的外围电路。
（3）介绍了本设计的开发环境以及相关的硬件设计。如协调器节点设计、路由器节点设计、转感器节点设计等。
（4）软件流程图设计。传感器，协调器等流程图的设计。
（5）对全文进行了总结。
2 ZigBee的介绍
2.1 ZigBee的概述
ZigBee是一种新兴的短距离，低速率，低功耗无线网络技术，主要用于近距离无线连接。它有主见的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电微波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通行效率非常高。
ZigBee协议是基于IEEE 802.15.4标准的[3]，由IEEE 802.15.4和ZigBee 联盟共同制定。IEEE 802.15.4工作组制定ZigBee协议的物理层（PHY）和媒体访问控制层（ MAC层）协议。ZigBee联盟成立用于2002年，定义了ZigBee协议的网络层（NWK）、应用层（APL）和安全服务规范。协议栈结构如图2-1。
应用层（含应用接口层）用户
ZigBee联盟
IEEE 802.15.4
图2-1 ZigBee协议栈结构
ZigBee协议由物理层(PHY)、介质访问控制子层(MAC)、网络层(NWK)，应用层(APL)及安全服务提供层(SSP)五块内容组成。其中PHY层和MAC层标准由IEEE 802.15.4标准定义，MAC层之上的NWK层，APL层及SSP层，由ZigBee联盟的ZigBee标准定义。APL层由应用支持层(APS)，应用框架(AF)以及ZigBee设备对
象(ZDO)及ZDO管理平台组成。
2.1.1物理层（PHY层）
主要功能：
物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。
物理层数据服务包括以下四个方面的功能：
1.激活和休眠射频收发器。
2.信道能量检测。
3.收发数据。
4.检测接受数据包的链路质量指示。
工作频段和信道分配：
物理层定义了三个载波频段用于收发数据。三个频段总共提供27个信道，信道的编号从0到26。868MHZ频段一个信道。915MHZ频段10个信道，2450MHZ 频段16个信道。
2.1.2 MAC层
主要功能：
MAC层使用CSMA-CA冲突避免机制对无线信道访问进行控制[4]，负责物理相邻设备问的可靠链接，支持关联(Association)和退出关联(Disassociation)以及MAC层安全。MAC层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务，MAC 层数据服务通过物理层数据服务发送和接收MAC层协议数据单元(MPDU)。
MAC层的主要功能包括以下几个方面：
1.进行信标管理。
2.信道接入。
3.保证时隙(GTS)管理。
4.帧确认应答帧传送、连接和断开连接。
2.1.3网络层（NWK层）
主要功能：
NWK层提供网络节点地址分配，组网管理，消息路由，路径发现及维护等功能。NWK层主要是为了确保正确地操作IEEE 802.15.4．2003MAC子层和为应用层提供服务接口。NWK层从概念上包括两个服务实体：数据服务实体和管理服务实体。
网络层的功能有以下几个方面[5]：
1.NWK层的责任主要包括加入和离开一个网络用到的机制、应用帧安全机制和他们的目的地路由帧机制。
2.ZigBee协调器的网络层还负责建立一个新的网络。
3.网络发现。
4.网络形成。
5.允许设备连接。
6.断开网络连接。
7.接收机同步。
8.信息库维护。
2.1.4应用层（APL层）
ZigBee应用层包括应用支持子层(APS子层)、应用框架(AF)和ZigBee设备对象(ZDO)。APS子层负责建立和维护绑定表，绑定表主要根据设备之间的服务和他们的需求使设备相互配对。ZigBee的应用框架(AF)为各个用户自定义的应用对象提供了模板式的活动空间，并提供了键值对(KVP)服务和报文(MSG)服务供应用对象的数据传输使用。一个设备允许最多240个用户自定义应用对象，分别指定在端点l至端点240上。ZDO[6]可以看成是指配到端点O上的一个特殊的应用对象，被所有ZigBee设备包含，是所有用户自定义的应用对象调用的一个功能集，包括网络角色管理，绑定管理，安全管理等。
ZDO负责定义设备在网络中的角色(例如是ZigBee协调器或者ZigBee终端设备)、发现设备和决定他们提供哪种应用服务，发现或响应绑定请求，在网络设备之间建立可靠的关联
2.1.5安全服务提供层（SSP层）
安全服务提供者SSP(Security Service Provider)向NWK层和APS层提供安全服务。
ZigBee协议层与层之间是通过原语进行信息的交换和应答的。大多数层都向上层提供数据和管理两种服务接口，数据SAP(Service Access Point)和管理SAP(Service Access Point)。数据服务接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务，管理服务接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制。
2.2 ZigBee网络基础
ZigBee网络基础主要包括设备类型，拓扑结构和路由方式三方面的内容，ZigBee标准规定的网络节点[7]分为协调器（Coordinator）、路由器(Router)和终端节点（End Device）。节点类型是网络层的概念，反映了网络的拓扑形式。ZigBee 网络具有三种拓扑形式：星型拓扑、树型拓扑、网状拓扑。
2.2.1网络节点类型
(1) 协调器（Coordinator）
在各种拓扑形式的ZigBee网络中，有且只有一个协调器节点，它负责选择网络所使用的频率通道、建立网络并将其他节点加入网络、提供信息路由、安全管理和其他服务。
(2) 路由器（Router）
当采用树型和网状拓扑结构时，需要用到路由器节点，它也可以加入协调器，是网络远距离延伸的必要部件。它负责发送和接受节点自身信息；节点之间转发信息；允许子节点通过它加入网络。
(3) 终端节点
终端节点的主要任务就是发送和接收信息，通常一个终端节点不处在数据收发状态时可进入休眠状态以降低能耗。
2.2.2网络拓扑形式
(1)星型拓扑
星型拓扑是最简单的拓扑形式[8]，如图2-2。图中包含一个协调器节点和一些终端节点。每一个终端节点只能和协调器节点进行通讯，在两个终端节点之间进行通讯必须通过协调器节点进行转发，其缺点是节点之间的数据路由只有唯一路径。
星状拓扑结构有两类：一类是中心节点仅完成从节点连通的作用；另一类
是，中心节点是有很强处理能力的计算机，从节点是一般的计算机或终端，这时中心节点有转接和数据处理的双重功能。强的中心节点成为各从节点共享的资源，中心节点也可以按储存转发方式工作。
图2-2 星形拓扑结构
(2)树型拓扑
树型拓扑结构如图2-3。协调器可以连接路由器节点和终端节点，子节点的路由器节点也可以连接路由器节点和终端节点。直接通信只可以在父节点和子节点之间进行，非父子关系的节点只能间接通信。
树形拓扑适用于相邻层的通信较多的情况，典型的应用层是最低层节点解决
不了的问题，请求中层计算机解决，中层计算机解决不了的问题，请求顶部计算机解决。
(3)网状拓扑
网状拓扑如图2-4。网状拓扑具有灵活路由选择方式，如果某个路由路径出现问题，信息可自动沿其他路径进行传输。任意两个节点可相互传输数据，网络会自动按照ZigBee协议算法选择最优化路径，以使网络更稳定，通讯更有效率。
网状拓扑各节点的距离很长，某些节点间是否用点—点线路专线连接，要依据其间的信息流量以及网络所处的地理位置而定。如果某些节点间的通信可由其他中继节点转发且不甚影响网络性能，可不必直接互联。因此在地域范围很广节点数目较多时，都是部分节点连接的任意拓扑结构。部分节点连接的网络必然带来由中继节点转发而相互通信的现象，称此为交换。
2.3工作模式
ZigBee 网络的工作模式可以分为信标(Beacon )模式和非信标(Non-beacon )模式两种[9]。信标模式可以实现网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度地节省功耗，而非信标模式只允许ZE 进行周期性休眠，协调器和所有路由器设备长期处于工作状态。
在信标模式下，协调器负责以一定的间隔时间(一般在15ms--4mins 之间)向网络广播信标帧，两个信标帧发送间隔之间有16个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两个部分，消息只能在网络活动区的各个时槽内发送。
非信标模式下，ZigBee 标准采用父节点为子节点缓存数据，终端节点主动向其父节点提取数据的机制，实现终端节点的周期性(周期可设置)休眠。网络中所有的父节点需要为自己的子节点缓存数据帧，所有子节点的大多数时间都处于休眠状态，周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，并向 父节点提取数据，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15ms 。
3 温度检测系统总体方案设计
3.1系统整体结构
本设计所实现的无线温度采集系统以C51RF-3-PK开发平台为核心，使用了两块表演板，利用芯片自带的温度传感器采集温度值，充分发挥了C51RF-3-PK 开发平台的丰富资源[22]。在上位机上，采集的温度实时地显示出来，并且通过折线图动态描绘出温度的变化趋势。考虑到可能采集多个节点的温度，上位机可以根据客户要求切换不同节点的温度折线图。为了方便对以往数据的查看，采集到的数据被实时保存到了文档之中。
本文总体设计是实现针对主协调器节点的设计与开发。主协调器的硬件系统中包括CC2430通信模块、键盘电路模块、串口转USB模块、液晶显示模块和电源电路模块等[10]。主协调器节点的主要功能是负责接收和存储传感器节点发送来的消息，并向传感器节点发布网络控制信息，同时与Pc机进行数据交换。其中串口转USB模块负责转换CC2430模块与PC机的通信信号；液晶显示模块负责节点工作状态的指示；电源模块通常采用持续电力供电，为主协调器节点提供运行所需的能量。
温度传感模块的核心元件为Pt100铂电阻，它是正温度系数热敏电阻传感器，线性较好，在0~100℃之间变化时，最大非线性偏差小于0.5℃。另外，Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点[11]。模块框图如图3-2所示。
3.2 温度采集系统原理
本系统由三类节点组成：ZigBee协调器节点、路由器节点、传感器节点。图3-3所示是其组成示意图，其中ZigBee协调器是分布式处理中心，即汇聚节点。多个传感器节点置于不同的监测区域，每个传感器节点会先把数据传给汇聚节点，然后汇聚节点把数据通过串口传给上位机做进一步处理并显示给用户。协调器节点可以与多个传感器节点通信，这样可以使本系统同时监测多个区域，何时检测哪个区域通常由用户通过协调器节点来控制。当被检测区域的障碍物较多或者协调器节点距离传感器节点较远时，可以通过增加路由器节点来增强网络的稳定性。当用户没有数据请求时，传感器节点只进行低功耗的信道扫描。