基于ZigBee的无线温湿度采集系统设计概要

8 总结与展望
2018/10/25
1 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
ZigBee技术具有低成本、低功耗、低速率的特点和高 可靠性、组网简单、灵活等优势。ZigBee技术主要领域有 大棚温湿度采集控制、家庭办公自动化、工业与环境监测 及人员定位与医疗护理等。 ZigBee技术满足了无线通信、网络大范围覆盖、网络 灵活性高以及维护管理方便等要求，是将来物联网发展的 趋势。 由于ZigBee网络覆盖范围有限，本文将ZigBee网络与 北京韦加航通科技有限公司的C008设备网络配合使用，实 现远程大范围监控。
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1 绪论
1.2 系统设计思路
ZigBee系统设计思路如下图：
温湿度采集系统
系统硬件设计
系统软件设计
协调器 节点电 路设计
路由器 节点电 路设计
采集 节点电 路设计
系统 协议 设计
系统 网络 设计
设备 通信 设计
DHT11 上位机 数据采 软件 集设计 设计
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1 绪论
ZigBEE网络
C008终端
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2 ZigBee协议简介
2.1 ZigBee网络设备
IEEE(电气和电子工程师协会)定义了两种不同类型的 设备：一种是全功能设备(FFD)，另一种是简化功能设备 (RFD)。FFD能够转发其他设备的数据帧，与多个其它的 FFD或多个RFD进行通信；RFD不能同其他终端节点通信， 只能够同FFD进行通信。 ZigBee技术支持星型网、树状网和网状网三种网络拓 扑，其网络中有三种的数据通信机制：单播(Unicast)、组播 (Multicast)和广播(Broadcast)。
3 系统硬件设计
VDD_3V3
GND_3V3
VDD_PLL
GND_PLL
VDD_3V3
RESET
OSC1
OSC2
V
G
VDD_5V P0_7 D D N P0_6 P0_5 P0_4 P0_3/TX P0_2/RX P0_1 P0_0 RESET
D
M D D
P
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
G
5
6
7
8
9
0
系统初始化
执行操作系统
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4 系统软件设计
开始 Y
macEventLoop（） N nwk_event_loop（）
本任务当前 最高优先级事件
Y
Z-Stack中操作系 统是基于优先级的轮转 查询式操作系统，执行 流程图如右图：
本任务当前 最高优先级事件
N Y Hal_ProcessEvent（） N Y APS_event_loop（） 系统消息事件 LED闪烁事件 键盘事件 本任务当前 最高优先级事件
D
2
1
0
4
3
2
1
1
C
Vout
0 6
u
F Header 3X2
P
G
7
VDD_3V3
5
3
1 N
D
P0_0
RESET
P0_1
P1_6MOSI
P1_5/SCLK
VDD_3V3
6
4
2
1
C
G 0
2
N
u
F
D
3 系统硬件设计
3.3 终端节点电路设计
终端节点负责数据采集。温湿度传 感器DHT11应用电路如右图： 终端节点工作位置不确定，使用电 池供电，电路如右图：
2
1
0
0
3
2
3
2
6
5
1
9
8
7
4
1
G
N
D
G
N
G D
N
1
C
D 5 R
0
3
6 1
0
K
n
F
G
N
D
G
N
1
C18
u D
F
1
C
0
4
0
n
G
F
N
D
2
C17
2 1
C10
1
C
7
8
8 9
p
p
p
F
3
Y F
F
2
G
1
M N
D
1 C 1
G 0
5
N
0
n
D
F
2
C16
7
G
p N
F
D
2
C
2
6
0
p
G
F
N
D
1 32.768K
C15
2
5
p
F
Y
G
N Y
ZDApp_event_loop（）
系统消息事件 ZDO状态改变事件 网络初始化事件 网络启动事件 网络更新NV事件 设备重启事件
N Y SAPI_ProcessEvent（） 系统消息事件 允许绑定时间事件 绑定时间事件 进入事件 用户事件
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4 系统软件设计
网状网程序设计: 在一个网络结构中，只有 一个协调器和数个终端节点以 及若干个路由器组成。网状网 络是树状网络基础上实现的， 与树状网络不同的是，它允许 网络中所有具有路由功能的节 点直接互连，由路由器中的路 由表实现消息的网状路由。 数据的收发： ZigBee设备间通信：设备发送端，调用自定义的发送函数 (SampleApp_Send_P2P_Message)发送数据；接收端就调用事件 任务处理(SampleApp_ProcessEvent)、 消息处理函数 (SampleApp_MessageMSGCB)接收数据。 设备发送的数据包括发送设备的64位扩展IEEE地址和 DHT11的采集温湿度。其中跟据DTH11的传输时序编写温湿度 采集程序，程序主要包括：延时函数，8位数据写入，DHT11 传感器启动、读取数据。 2018/10/25
N
D
G
N
终端节点去掉了USB转串口电路。核心电路、复位电路、Debug 下载电路以及网络指示灯电路参考协调器电路的设计。
3.4 路由器电路设计
路由器设计时，去掉了USB转串口电路，加上了传感器应用电 路。复位电路、Debug下载电路、网络指示灯电路以及传感器应用电 路参考协调器电路的设计。 2018/10/25
CC2530核心电路设计
D
CC2530
AVDD5/AVDD_SOC
3 系统硬件设计
AVDD_GUARD
XOSC32M_Q2
XOSC32M_Q1
DCOUPL
A
A
A
A
RBIAS V
V
V
V
G P2_3 P2_4
RF_N RF_P
3.2 协调器电路设计
D
D
D
D
N
D
D
D
D
D
4
1
2
3
4
3
4
2
2
3
3
2
2
3
2
2
2
2
燕山大学
基于ZigBee的无线温湿度采集系统设计
——本科毕业论文
学 院：电气工程学院
年级专业：10级自动化
学生姓名：*** 指导教师：***
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内容提要
1 绪论
2 ZigBee协议简介
3 系统总体方案设计 4 系统硬件设计
5 系统软件设计
6 网络测试与分析 7 C008搭载ZigBee网络
2.2 ZigBee协议栈架构
ZigBee协议分两部分，IEEE802.15.4标准定义了物理层 (PHY)和介质访问层(MAC)技术规范；ZigBee联盟定义了网 络层(NWK)、应用层(APL)技术规范。
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2 ZigBee协议简介
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3 系统硬件设计
3.1 系统整体设计
CC2530核心电路设计
4
3
2
1
0
9
8
7
6
5
4
3
2
1
PL2303HX
U
1
u
2
F
EE_DATA
EE_CLK
SHTD_N
CTS_N
DCD_N
DSR_N
V
G
RI_N
RXD
VDD_232
RTS_N
DTR_N
TXD
D
N
D
D
P
G
G
G
2
1 N
1
9
8
7
6
5
4
3
2
1
N
N
1
0
D
D
D
TRI_MODE
LD_MODE PLL_TEST
1
2
3
4
5
6
7
8
1
R
1
R
1
R
1
R
K 7
K 6
K 5
K 4
N
D
P
R12
R11
R10
PWR
D
D
D
3 3
2
1
1
1
9
8
7
6
5
4
3
2
1
1
0
1
C
0 5
G
0 N
1 n
C
1
2
0 6 F
D
0
n
1.5K
2
2
F
0
0
G
3
Y
N
VDD_5V
P0_7
P0_6
P0_5
P0_4
P0_3/TX
P0_2/RX
P0_1
P0_0
RESET
VCC_IN 2
P1_1
P1_0
P1_4/CSN
1
D
VDD_5V
M
2
C
2
C
G
G 2
4
2 3
N
N
p
p
F
F
D
D
4
3
2
1PUSB源自P1041
1
9
8
7
6
5
4
3
2
1
G
D
D
VBUS
1
0
N
+
-
D
G
G
N
N
D
D
P0_3/TX
P0_2/RX
G
VDD_3V3
N
D
VDD_5V
RESET
P1_4/CSN
P2_2/DC
Debug&LCD
G
1
R13
本文设计的系统，主要由1台PC机、1台协调器、多台终端和若干 台路由器组成。协调器负责建立网络，终端和路由器加入网络后，终 端将采集的数据上传给协调器；协调器通过串口上传数据至PC机，PC 机通过上位机界面显示并存储。 采集节点 采集节点
PC机
ZigBee 路由器 ZigBee 路由器 ZigBee 路由器
R15
P0_7
6
4
2
VDD_3V3 L
P
C
9
D
ROM_SCK
ROM_OUT
1
1
C
ROM_CS ROM_IN
0 1
G 0 R14
1
K 0
N
u
K D
F LEDA
HT7533
U
RST
SDA SCK
V
VSS
G
D
1
C
R
N
Vin S
D
S
D VDD_3V3
VDD_3V3
G
G
N
N 1
1
1
9
8
7
6
5
4
3
2
1
P11 D
D
F
4 系统软件设计
4.1 软件平台概述
系统设备软件部分选择TI的Z-Stack 2007协议栈；采用 软件平台IAR-EW开发。上位机界面选择LabVIEW设计。
4.2 ZigBee设备通信
ZigBee协议栈：
开始
使用ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0协议栈的SampleApp进 行设计开发。 Z-Stack由main()函数开始执行，main()函数共做了2件 事：一是系统初始化，另外一件是开始执行轮转查询式操 作系统。用户自己添加的应用任务程序在Zstack中的调用过 程为：main()-->osal_init_system()--> osalInitTasks()->SampleApp_Init()，具体如右图：
串口
ZigBee 协调器
硬件平台的选择：
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采集节点
采集节点
本文设计的系统选用TI的CC2530 SoC芯片作为ZigBee 无线网络的硬件解决方案。
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G N D G N RESET P0_7 P0_6 P0_5 P0_4 P0_3/TX P0_2/RX P0_1 P0_0 P1_7MISO P1_6MOSI P1_5/SCLK P1_4/CSN P1_3 P1_2 P1_1 P1_0 P2_2/DC P2_1/DD P2_0 D 1 C u 1 F G 2 1 1 1 1 1 1 1 1 3 3 1 3 3 3 3 1 0 2 3 4 5 6 7 8 9 7 8 5 1 4 5 6 9 0 6 7 8 9 4 3 2 1 N D CC2530F256 U 1 C 0 2 1 0 RESET_N P0_7 P0_6 P0_5 P0_4 P0_3 P0_2 P0_1 P0_0 P1_7 P1_6 P1_5 P1_4 P1_3 P1_2 P1_1 P1_0 P2_2 P2_1 P2_0 DVDD_USB USB_P USB_M NGND_USB AVDD_DREG D n V F D
2
N
D
1 C 1
G 7 0
N
0
n
D
F
1
C14
5
G
G
p N
N
F
D
D
2
L
1
C11
n 2
p
H G
F N
D
2
L
1
C12 2.2uF
C 2
L
n 3
p 8
n 1
H
F H
2.2pF
C13
1
VDD3V3
2 SMA
G
N 3
D
4
5
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底 CC2530_IO VDD_3V3 P2_2/DC P2_1/DD P2_0 P1_7MISO P1_6MOSI P1_5/SCLK P1_4/CSN P1_3 P1_2 P1_1 P1_0 PL2303 板 VDD_5V VDD_3V3 Key&LED C 2 1 R 1 R 1 R 0 3 2 0 0 1 K K K R R 1 9 8 0 0 P n P0_3/TX P0_2/RX 1 F 1 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 G 0 P0_5 P0_4 RESET N 4.7K 4.7K D P2_2/DC P2_1/DD P2_0 P1_7MISO P1_6MOSI P1_5/SCLK P1_4/CSN P1_3 P1_2 P1_1 P1_0 SW-PB S SW-PB S C SW-PB RESET 2 1 3 1 1 1 1 1