基于ZIGBEE的多点温湿度检测系统

论文总字数：17771字

目 录

1. 引言 1

1.1国内外现状 1

1.2无线传感器网络特点 1

1.3无线传感器网络应用领域 2

1.4 ZigBee技术与无线传感器网络的优缺点 2

2.系统设计方案 3

2.1模块构成 3

2.1.1 ZigBee核心板 3

2.1.2 温湿度传感器 5

2.1.3 显示模块 9

3.软件设计方案 11

3.1 ZigBee网络结构 11

3.1.1 ZigBee网络拓扑结构 12

3.1.2 ZigBee协议栈 13

3.2系统开发环境 17

3.3 主程序段 19

3.3.1 DHT11驱动程序 20

3.3.2 LCD驱动程序 22

4.实物及调试结果 23

5. 总结与展望 25

致 谢 26

参考文献 26

基于ZigBee的多点温湿度采集系统设计

施昊

，China

Abstract：Wireless sensor network is between each sensor node using wireless communication network and data transmission, because the distribution of free, convenient communication and other characteristics, has increasingly replaced the traditional wired network. ZigBee technology is a new wireless sensor network technology.

In this paper, based on the analysis of ZigBee network architecture and its protocol stack function, a multi-point temperature and humidity acquisition system is designed. First based on ZigBee protocol wireless network consisting of, the network has a, B two terminal nodes and a coordinator node and terminal node to join the network after, through the sensor collected data of temperature and humidity, a certain degree of integration and sent to the coordinator, the coordinator is responsible for the upload data to the microcontroller, microcontroller receives the data drive the display displays the data measured by the two terminal nodes. Then it introduces the general design scheme of the system, first introduced the system hardware design, mainly on temperature and humidity sensor DHT11, chip CC2530, STC89C52 single chip, the LCD1602 display function of the hardware and circuit connection is described; then, based on the Z-stack protocol stack and analyzes the design of system software. At last, the overall design is summarized and prospected.

Key words: Wireless sensor networks, ZigBee technology, multi-point temperature and humidity acquisition, Z-Stack protocol stack

1.引言

无线传感器网络与传统的有线网络不同，它以数据为中心，具有自组织功能^[1]。网络节点的布局方式较为自由多样，网络的拓扑结构也随之动态变化。

1.1国内外现状

无线传感器网络近年来发展迅速，在人们生活和生产中的各个领域都出现了各种应用。各国都高度重视无线传感器网络技术的研究与应用。美国投入大笔资金发展无线传感器网络技术应用于军事、医学研究、航天等领域，同时IEEE和波士顿大学合作创立了传感器网络协会，希望能借此促进研究机构和工业公司之间的合作，建立综合无线传感器网络技术研究平台^[2],无线传感器网络技术也被美国《技术评论》杂志评为最重要的未来技术。可以预见，随着无线传感器网络的广泛应用，人们的生活将会变得越来越多样化和方便。可以预见，随着无线传感器网络的广泛应用，人们的生活方式也将随之变得更加多样和便捷。

我国现代无线传感器网络技术应用研究首次正式提出是在1999年中国科学院《知识创新项目试点领域方向》的“信息与自动化研究领域的研究报告”中，具体提出了无线传感器网络技术研究方案，并作为报告提出的五个重点研究计划之一得到越来越多的关注^[3]。随后几年，清华大学、哈尔滨工业大学、重庆大学等国内高校分别制定了无线传感器网络技术的研究课题和研究方向，并与中科院、半导体、微电子等科研单位合作，逐步搭建无线传感器网络的研究平台，良好的拓展了研究的深度和广度。在网络节点的定位，数据管理系统和嵌入式节点的开发等方面取得了一定的成果，应用范围包括工业和民生。目前，国内从事无线传感器网络应用的企业有许多，呈现出大企业高精尖，小企业蓬勃发展的势头。

1.2无线传感器网络特点

无线传感器网络需要一个非常低的功率消耗。由于无线传感器网络的可移动特性决定了节点的能源容量往往有限，而且受到工作环境等因素的影响，更换或补充能源的成本很高，只要能源耗尽，节点就无法工作。随着网络中节点的失效，网络功能将受到影响甚至完全瘫痪。因此，节点需要具有低功耗，以延长网络的工作时间。

无线传感器网络可以自组织。即网络中如果有节点发生故障，其他节点会根据网络拓扑结构和路由表，选择新的通信目标和路线，从而实现网络动态自组织，确保网络正常运行。因此，与传统的有线网络相比，网络中单个节点的故障不会影响整个网络的功能，从而提高了网络的可靠性。

无线传感器网络节点部署具有分布性。ZigBee网络节点直接通信距离为10--100M，借助路由器节点，通信距离还可以被扩展，随着节点间距离的增加，网络的覆盖范围也随之增大，但每个节点能够检测的范围有限，网络覆盖范围越大，每个节点收集到的信息的差异将越明显，在这样的情况下，我们需要根据信息的差异程度在网络覆盖范围内设置在相应数量的节点，即信息差异越大，节点越多；信息差异小，节点数也少。以此准确了解区域内的完整信息。

无线传感器网络的数据处理是分散的。在工作中，往往是节点处理数据，完成后发送到协调器，而不是所有数据均由协调器处理。这可以提高网络的效率。

1.3无线传感器网络应用领域

最近几年，随着技术的发展，无线传感器网络在越来越多的领域中得到了广泛的应用，主要有如下三个方面：

（1）环境监测

无线传感器网络用于环境监测时，不仅数据的收集和传输更方便，而且对环境的破坏也减少了很多。通过使用不同的传感器和外设，无线传感器网络对空气，水体，土壤质量以及农作物生长情况等均可以进行检测。

（2）医疗护理

无线传感器网络也可以应用在医护领域。比如通过放置在各个病人身上的传感器节点，可以很方便的监控病人的各项身体特征，有指标超出警戒值还可以发出警报等。

（3）智能家居

主要体现为在家具原有的操作基础上，加入由传感器控制的结构。传感器检测温度，光照，人体红外等信息，然后由软件做出判断，对空调，电灯，窗帘等自动进行操作，实现居家生活的智能化。

1.4 ZigBee技术与无线传感器网络的优缺点

不同类型的无线网络技术，主要区别在于其通信协议的不同。其中，比较广为人知的有蓝牙（Bluetooth）和WiFi^[4]。虽然这两种协议拥有较高的数据传输速率，但是随之而来的是它们相对复杂的结构、较高的功耗和成本，这在很大程度上影响了它们的广泛应用。基于这种情况，2001年8月，ZigBee联盟成立，希望能够完善和丰富无线网络市场。ZigBee技术具有以下的优点：

低功耗：ZigBee网络的传输功率最低为0dBm，还可以进入睡眠状态，这使得它的功耗很低。据测试，其终端节点的工作电流仅为25mA左右，一节干电池可以支持其工作150天。

低成本：目前，ZigBee模块的核心芯片CC2530价格在15～20元，具有大部分基础功能的核心版的价格在30～35元。随着生产技术的提高，ZigBee模块的成本还有望进一步降低。

网络容量大：根据ZigBee协议规定，节点在网络中的地址为16位，即0x0000～0xFFFF^[5]，网络中最大节点数为65535，其网络容量十分可观。

安全性好：为了保证数据传输的安全性，可以采用AES-128（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）技术对数据进行加密^[6]。同时，还可以应用CSMA-CA机制和预留GTS等方法来避免数据冲突。

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