基于Zigbee技術的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計

1、陜西理工學院畢業(yè)設計題 目 基于Zigbee技術的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計 學生姓名 學號 所在學院 數(shù)學與計算機科學技術學院 專業(yè)班級 計算機科學與技術班 指導教師 完成地點 陜西理工學院 201年 6月13日 本科畢業(yè)設計任務書 院(系) 數(shù)學與計算機科學學院 專業(yè)班級 計算機科學與技術(計算機) 學生姓名 一、畢業(yè)設計題目 基于Zigbee技術的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計 二、畢業(yè)設計工作自 201 年 11 月_ 27_日 起至 201 年 6 月 20 日止三、畢業(yè)設計進行地點: 陜西理工學院 四、畢業(yè)設計內(nèi)容要求：熟悉嵌入式系統(tǒng)的設計過程，采用Zigbee技術，傳感器技術，設計實現(xiàn)基于Z

2、igbee技術的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，畢業(yè)設計內(nèi)容主要包括:(1)對環(huán)境信息如溫濕度、光照等通過相應的傳感器進行采集。(2)串口編程，通過串口通信將采集到的數(shù)據(jù)傳給zigbee通信模塊。 (3)研究Zigbee技術，通過zigbee模塊將采集到的信息發(fā)送到控制端。(4)控制端將接收到信息進行保存、信息，提供相應的查詢功能。(5)研究如何為系統(tǒng)的管理提供人性化界面及快捷的管理方式。學生應具備的專業(yè)知識： （1）掌握嵌入式系統(tǒng)編程的整體流程。 （2）熟練掌握C語言編程，QT編程。 （3）對zigbee的工作原理和流程有一定的了解，做到熟練使用。成果形式：（1）基于Zigbee技術的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；（

3、2）畢業(yè)設計說明書；（3）用戶手冊。開題時間：2014年3月15日，并于此前提交開題報告課題完成時間：2014年5月30日 答辯時間：2014年6月10前 指 導 教 師 系(教 研 室) 計算機工程教研室 系(教研室)主任簽名 批準日期 接受設計任務開始執(zhí)行日期 201 學生簽名 基于zigbee技術的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)馬強（陜西理工學院數(shù)學與計算機科學學院計算機科學與技術專業(yè)13班）指導教師：陳【摘要】 本系統(tǒng)研究分析了傳感器、ZigBee技術的基本理論，設計實現(xiàn)了基于zigbee無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用80C52單片機控制DHT11度傳感器采集溫濕度數(shù)據(jù)、zigbee無線模塊

4、進行數(shù)據(jù)傳輸，用戶在服務器端可實時的對環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測。經(jīng)過測試系統(tǒng)運行穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)準確，可用于各種不同環(huán)境下的信息監(jiān)測?！娟P鍵詞】DHT11；無線傳感器； ZigBee；80C52Design and implementation of wireless environmental monitoring system based on ZigBee TechnologyMa longqiang(Shaanxi Institute of mathematics and computer science, computer science and technology professional

5、 103 class)Teacher: Chen YongAbstract:The system analysis of the basic theory of the sensor, the ZigBee technology,design and implementation of wireless environmental monitoring system based on zigbee. The system uses 80C52 SCM control DHT11 temperature and humidity data collected by sensors, ZigBee

6、 wireless data transmission module,users can real-time monitoring of environmental parameters on the server. After the test system is stable, accurate data collection, can be used for monitoringvarious environment.Keyword:DHT11 ; environmental monitoring wireless sensor ; ZigBee ; 80C52 目錄引 言11 緒 論2

7、1.1 研究背景及現(xiàn)狀21.2 研究目的及意義21.3 開發(fā)工具的選擇22 硬件系統(tǒng)設計42.1 設計原則42.2 硬件系統(tǒng)結構42.3 數(shù)據(jù)采集模塊62.4 串口通信模塊82.5 相應供電模塊93軟件系統(tǒng)設計113.1 設計原則113.2 軟件系統(tǒng)結構113.3 上位機監(jiān)控軟件設計113.4 單片機軟件設計113.6 zigbee網(wǎng)絡節(jié)點軟件設計143.7 串口軟件設計154 系統(tǒng)測試與實驗結果分析174.1 軟件編譯與燒寫174.2 軟件測試174.3 硬件測試174.4 溫濕度傳感器節(jié)點測試結果分析17致 謝20參考文獻21科技外文文獻22附 錄A：源程序代碼29附 錄B：系統(tǒng)使用說明3

8、4引 言環(huán)境監(jiān)測的主要目標是通過檢測環(huán)境變量參數(shù)及變化趨勢的數(shù)據(jù)，判斷環(huán)境質量，評價當前主要環(huán)境問題，為環(huán)境管理服務。環(huán)境監(jiān)測是科學管理環(huán)境和環(huán)境執(zhí)法監(jiān)督的基礎。環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境保護必不可少的基礎性工作，是環(huán)保部門的立身之本。通過環(huán)境監(jiān)測可以搞清楚污染物種類和分布狀況，明確污染途徑，預測污染變化趨勢，預警可能出現(xiàn)的環(huán)境問題。環(huán)境監(jiān)測根據(jù)環(huán)境管理的需要來測定、獲取、解釋、運用數(shù)據(jù)。環(huán)境監(jiān)測還可作為環(huán)境執(zhí)法監(jiān)督的技術基礎和技術仲裁，為環(huán)境管理決策、環(huán)境規(guī)劃、實施總量控制、排污收費、環(huán)境指標考核、環(huán)境工程、監(jiān)視污染源排污和評價治理措施及效果驗收服務。在經(jīng)歷了環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境保護的“眼睛”、“哨兵”、“基

9、礎”、“重要支柱”的認識過程后，現(xiàn)在明確提出基于無線網(wǎng)絡的環(huán)境監(jiān)測是“一項政府行為”，體現(xiàn)了對環(huán)境監(jiān)測重要性認識的深化。環(huán)境監(jiān)測在正確認識環(huán)境質量，解決現(xiàn)存或潛在的環(huán)境問題，改善生活環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，協(xié)調人類和環(huán)境的關系，最終實現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展中起著舉足輕重的作用。第 34 頁 共 34 頁1 緒 論1.1 研究背景及現(xiàn)狀近年來，隨著無線網(wǎng)絡技術的發(fā)展，各種基于無線網(wǎng)絡傳感器技術的產(chǎn)品層出不窮。同時，由于環(huán)境的不斷惡化，人們對環(huán)境保護和環(huán)境監(jiān)測提出了更高的要求，越來越多的企業(yè)和機構都致力于在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中應用無線傳感器網(wǎng)絡技術的研究?；跓o線傳感器網(wǎng)絡的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)適合于在煤礦、油田安全監(jiān)測，

10、溫室環(huán)境監(jiān)測、環(huán)保部門的大氣監(jiān)測、突發(fā)性環(huán)境事故的預測及分析、特殊污染企業(yè)的監(jiān)測，生物群種的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以及家庭、辦公室及商場空氣質量監(jiān)測等領域應用。利用無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測的應用領域一般具有以下特點：(1)無人環(huán)境、環(huán)境惡劣或超遠距離情況下信息的采集和傳送，保證系統(tǒng)工業(yè)級品質安全可靠。(2)生物群種對于外來因素非常敏感，人類直接進行的生態(tài)環(huán)境監(jiān)控可能反而會破壞環(huán)境的完整性，包括影響生態(tài)環(huán)境中種群的習性和分布等。(3)需要較大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡中的設備相對比較多，但僅僅用于監(jiān)測或控制。(4)系統(tǒng)實施、運行費用要低，無需鋪設大量電纜，支持臨時性安裝，系統(tǒng)易于擴展和更新。(5)具有數(shù)據(jù)存儲

11、和歸檔能力，能夠使大量的傳感數(shù)據(jù)存儲到后臺或遠程數(shù)據(jù)庫，并能夠進行離線的數(shù)據(jù)挖掘，數(shù)據(jù)分析也是系統(tǒng)實現(xiàn)中非常重要的一個方面。無線傳感器網(wǎng)絡是由大量節(jié)點組成的面向任務的分布式網(wǎng)絡，它綜合了傳感器、嵌入式計算、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信、分布式信息處理等多領域技術，通過各類微型傳感器實時采集信息，由嵌入式微處理器對信息進行加工處理，并通過無線通信網(wǎng)絡將信息傳送至遠程用戶。在國防安全、工農(nóng)業(yè)領域各種控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災、防恐反恐、危險區(qū)域遠程控制等許多領域都有重要的科研價值和實用價值，具有十分廣闊的應用前景。無線傳感器網(wǎng)絡技術作為信息科學技術領域的前沿性技術，已經(jīng)引起了學術界和工業(yè)界

12、的廣泛關注。國外的許多大學和研究機構紛紛投入大量研發(fā)力量從事無線傳感器網(wǎng)絡軟硬件系統(tǒng)的研究工作。1.2 研究目的及意義本設計以DHT11傳感器為信息采集端，AT89C52單片機作為控制核心，實時監(jiān)測目標環(huán)境內(nèi)溫度，濕度等工業(yè)參數(shù)，并將實測值通過zigbee發(fā)送至監(jiān)測終端。系統(tǒng)能對大面積的多點溫度，濕度進行監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機上進行數(shù)據(jù)存儲與分析。整個監(jiān)測網(wǎng)絡是由基于ZigBee技術的無線溫、溫濕度傳感器節(jié)點和ZigBee無線網(wǎng)關組成。無線溫、濕度節(jié)點放置于需要測量的現(xiàn)場，執(zhí)行溫度和濕度數(shù)據(jù)采集、預處理和發(fā)送等工作。通過無線傳感器發(fā)送給接收節(jié)點，最后實時的顯示溫、濕度信息。本次課題主要是基

13、于zigbee無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)，主要是為了解決有線環(huán)境監(jiān)測布線的繁瑣，有線監(jiān)測在環(huán)境變化后更改和重用的難度較大，無人和惡劣環(huán)境下對監(jiān)測的不可實現(xiàn)性。同時，無線傳感技術作為國際備受關注的前沿熱點領域，致力于提供一種廉價的固定、便攜或者移動設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無線通信技術。具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡容量大、具有較好的兼容性及安全性?；跓o線網(wǎng)絡環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究，對于未來人們生活更加智能化有很大的幫助。1.3 開發(fā)工具的選擇本系統(tǒng)的開發(fā)主要用到Keil uVision4 調試編譯軟件和STC-ISP燒錄軟件把編譯好的軟件燒寫進開發(fā)板內(nèi)。Keil uVision4是目前

14、使用廣泛的單片機集成開發(fā)環(huán)境，這個集成開發(fā)環(huán)境包含：編譯器，匯編器，實時操作系統(tǒng)，項目管理器，調試器。同時還提供了KEIL C51標準C編譯器，為8051微控制器的軟件開發(fā)提供了C語言環(huán)境,同時保留了匯編代碼高效,快速的特點。STC-ISP是STC單片機專用的燒錄軟件，大部分STC單片機內(nèi)部固化有ISP系統(tǒng)引導程序，配合PC端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進單片機內(nèi)部，故不需要編程器并且速度比通用編程器快。ISP軟件界面如圖1.1所示。 圖1.1 ISP軟件界面具體操作步驟：步驟1：選擇你所使用的單片機型號，STC89C52RC步驟2：打開文件，要燒錄用戶程序，必須調入用戶的程序代碼（*.

15、bin,*.hex）步驟 3：選擇串口號步驟4：設置是否雙倍速，雙倍速選中Double Speed 即可，STC89C52RC系列出廠時為單倍速，用戶可指定設為雙倍速，如想從雙倍速恢復成單倍速，則需用通用編程器擦除整個晶片方可，這會將單片機內(nèi)部已燒錄的ISP 引導程序擦除。一般使用缺省設置即可，無須設置。OSCDN：單片機時鐘振蕩器增益選 1/2 gain 為降一半，降低EMI；選full gain（全增益）為正常狀態(tài)步驟 5：選擇“Download/下載”按鈕下載用戶的程序進單片機內(nèi)部，可重復執(zhí)行步驟5，也可選 擇“ Re-Download/重復下載”按鈕。下載時注意看提示，主要看是否要給單

16、片機上電或復位，下載速度比一般通用編程器快。一定要先選擇“Download/下載”按鈕，然后再給單片機上電復位（先徹底斷電），而不要先上電。2 硬件系統(tǒng)設計環(huán)境監(jiān)測具有區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測點數(shù)量多、監(jiān)測時間長、監(jiān)測情況復雜等特點。針對傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測手段的網(wǎng)絡布局困難、節(jié)點智能化程度低等缺點，設計了基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡是一種由傳感器節(jié)點構成的網(wǎng)絡，能夠實時地監(jiān)測、感知和采集節(jié)點部署區(qū)域需要監(jiān)測的各種信息，并對這些信息進行處理后以無線的方式傳送，通過無線網(wǎng)絡最終發(fā)送給監(jiān)控終端。在ZigBee傳感器網(wǎng)絡中，傳感器節(jié)點兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點的終端和路由器雙重功能，在采集、接

17、收、處理及發(fā)送數(shù)據(jù)進的同時，還要對其他節(jié)點轉發(fā)來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合等處理，并與其他節(jié)點協(xié)作完成一些特定任務。這里設計一套簡單基于zigbee無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測某特定環(huán)境中的溫度和濕度，為環(huán)境控制和管理提供準確的數(shù)據(jù)。本設計采用了溫濕度傳感器兩種適用于環(huán)境監(jiān)測的傳感器作為無線網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點?？梢詫⑦@些傳感器節(jié)點分布于室內(nèi)或室外環(huán)境中的各個角落。在網(wǎng)絡協(xié)調器(即中心節(jié)點)的無線覆蓋范圍之內(nèi)，布置若干個路由節(jié)點和終端節(jié)點，實現(xiàn)網(wǎng)絡管理和互相通信。根據(jù)系統(tǒng)的需要，傳感器節(jié)點應具備以下功能：(1)傳感器信號的采集和處理。(2)無線數(shù)據(jù)的發(fā)送或轉發(fā)。(3)友好的人機交互界面。(4)RS2

18、32通訊功能。2.1 設計原則(1)盡可能選擇典型電路，并符合單片機的常規(guī)用法。為硬件電路的標準化、模塊化打下良好基礎。可靠性和抗干擾設計是硬件設計必不可少的一部分，它包括芯片和器件的選擇、去耦電容、濾波電容、電路板的布線等。(2)盡量朝單片方向設計硬件。硬件器件越多，器件之間相互干擾越強，功耗也會越大，就會可避免的降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(3)在速度允許的情況下，盡量使用串行為主的擴展方式。串行擴展具有方便、靈活、電路簡單、占用I/O資源少等特點。(4)留下一些指示燈或通信口以方便調試和判別系統(tǒng)問題。 2.2 硬件系統(tǒng)結構根據(jù)系統(tǒng)的組成可將系統(tǒng)化為四大模塊：信息采集模塊、信息傳輸模塊、信息處理及顯

19、示終端、信息預警系統(tǒng)。系統(tǒng)功能模塊如圖2.1所示。圖2.1 系統(tǒng)功能模塊圖無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點通常由傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊構成。微處理器和無線通信模塊采用支持ZigBee協(xié)議的片上系統(tǒng)級芯片CC2530，大大簡化了射頻電路的設計。傳感器模塊采用集成溫濕度傳感器DHT11，電源采用USB供電。系統(tǒng)網(wǎng)絡結構如圖2.2所示。圖2.2 系統(tǒng)結構圖微處理器模塊負責控制整個節(jié)點的數(shù)據(jù)處理操作、路由協(xié)議、功耗管理、任務管理等，最主要的是需要實現(xiàn)網(wǎng)絡安全可靠的通信協(xié)議;無線通信模塊負責與其他節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集模塊主要負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集并將各種傳感

20、器(如溫度、濕度）采集的信號轉變?yōu)閿?shù)字信號并傳送給微處理器模塊。路由器節(jié)點和終端設備節(jié)點上都有數(shù)據(jù)采集模塊。電源模塊管理單元節(jié)點類型不同有不同的供電方式，在終端設備節(jié)點上，電源USB供電，協(xié)調器的電源是用USB供電或者交流電供電。在協(xié)調器上還有RS-232串口，與監(jiān)控主機通訊。因為大氣環(huán)境監(jiān)測的地理形狀可能比較復雜，而且有時候可能根據(jù)需要移動節(jié)點，節(jié)點位置不固定，要求系統(tǒng)能根據(jù)具體的地理位置調整監(jiān)測的范圍和傳輸路徑，要求系統(tǒng)有很大的靈活性和自組織性，因此選擇具有自組織式的和自恢復式的網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構。2.2 微處理器模塊微處理器是無線傳感器節(jié)點的核心。它采集并處理傳感器數(shù)據(jù)，與無線模塊通訊并判

21、斷何時發(fā)送和接收這些數(shù)據(jù)，控制人機操作界面以及通過串口與上位機通訊。處理器必須運行各種程序，包括時間要求嚴格的信號處理、通信協(xié)議、以及應用程序。它是節(jié)點的中央處理單元(CPU)。多種處理任務可以在不同結構的處理器上執(zhí)行，任務的分配需要考慮可行性、性能、能量效率以及成本之間的折中問題。本設計中微處理器采用TI公司的CC2530芯片和AT89C52單片機芯片共同組成。(1)CC2530芯片介紹CC2530它是ZigBee應用的一個真正的片上系統(tǒng)解決方案，它能夠以非常低的材料成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點。結合了性能優(yōu)良的RF收發(fā)器、業(yè)界標準的增強型8051CPU、最大128KB的可編程閃存和8KB的RAM

22、。CC2530具有不同的運營模式，使其特別適合于超低功耗要求的場合。由于CC2530芯片內(nèi)集成了許多特色功能模塊，因此，其典型的外圍電路也就非常簡潔。其中，主時鐘晶振采用32MHZ無源晶振以及32.768KHZ時鐘晶振；無線RF模塊外圍電路采用無巴倫的阻抗匹配網(wǎng)絡；天線使用50歐鞭狀負極性天線。CC2530配合很少的外圍元件就可以組成無線通信模塊。如圖2.3所示。圖2.3 CC2530外圍硬件電路原理圖CC2530芯片的主要特點如下：(1)工作頻帶：2405MHz2480MHz(2)支持802.15.4、ZigBee2007、ZigBee PRO和ZigBee RF4CE等標準(3)主控芯片：

23、CC2530F256(4)通信協(xié)議標準：IEEE 802.15.4(5)網(wǎng)絡拓撲結構：星狀、網(wǎng)狀(6)數(shù)據(jù)傳輸速率：250Kbps(7)天線模式：外置天線 (8)通信范圍：300米450米(9)接收靈敏度：-97dBm(10)發(fā)射電流：29mA(11)接收電流：24mA(12)工作溫度：-4085(13)電源：2.0V3.6V(14)模塊外形尺寸：4034mm(2)AT89C52單片機最小系統(tǒng)設計 單片機供電電路：AT89C52需要可靠的5V供電，在電路圖中的VCC和GND為供電網(wǎng)絡標識符；振蕩電路：AT89C52需要一個穩(wěn)定的振蕩電路才能夠正常工作，單片機的時鐘信號是用來提供單片機內(nèi)各種微操

24、作的基準。在該電路中采用了12MHz的晶振作為AT89C52的時鐘源；這里采用的是內(nèi)部振蕩方式，在引腳XTAL1和XTAL2外接晶振，通過內(nèi)部振蕩得到的時鐘信號比較穩(wěn)定，在電路中使用較多。在下面的電路圖中可以看到在晶振兩側連了兩個電容C2，C3，它們是起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，電容值一般為530pF。本設計中用的是30pF的電容。 復位電路：復位電路是單片機正常運行的一個必要部分。復位操作一般有兩種基本形式：上電復位和開關復位。在本設計中采用的是第二種。復位電路應該保證單片機在上電的瞬間進行一次有效的復位，在單片機正常工作時將RST引腳置低。此外通過一個按鍵進行手動復位，在單片機運行不正

25、常時使用。上電后，由于電容充電，是RST持續(xù)一段高電平時間。當單片機已經(jīng)在運行時，按下復位鍵也能使RST持續(xù)一段高電平，從而實現(xiàn)上電且開關復位的操作。通常我們選擇的復位電容為1050F，電阻為110k。在本設計中復位電容選的是47F的，電阻選的是10k的。2.3 數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊的設計主要包括傳感器的選擇以及與微處理器的連接電路。本次設計基于大氣環(huán)境監(jiān)測，主要采集大氣的溫度，濕度。在傳感器的選擇中，需要考慮量程，精度需求，供電電壓以及功耗。經(jīng)過對市場中的傳感器各方面的比較，選用了DHT-11溫濕度傳感器測量環(huán)境的溫度，濕度。(1)溫濕度傳感器DHT11介紹DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一

26、款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝。連接

27、方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。其溫濕度傳感器參數(shù)如表2.1所示。表2.1 DHT11溫濕度傳感器特性參數(shù)參數(shù)條件MinTypMax單位濕度分辨率111%RH16Bit重復性1%RH精度254%RH0505%RH互換性可完全互換量程范圍03090%RH252090%RH502080%RH響應時間1/e(63%)25，1m/s 空氣61015S遲滯1%RH長期穩(wěn)定性典型值1%RH/yr溫度分辨率111161616Bit重復性1精度12量程范圍050響應時間1/e(63%)630SDHT11的接口在功耗以及信號讀取方面做了優(yōu)化，通過類似于IIC的兩線制串口接口與處理器直接連接。其與微控制器

28、的接口如圖2.4所示。SCK 用于微處理器與DHT11之間的同步通訊，可以接到微控制器的I/O口，通過I/O口模擬時鐘信號來實現(xiàn)。由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，所以不存在最小的SCK頻率，但是當供電電壓小于4.5V時最大頻率為1MHz。DATA三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取，DATA在SCK時鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK時鐘高電平時，DATA必須保持穩(wěn)定。為避免信號沖突，微處理器應驅動DATA在低電平。需要一個外部的上拉電阻將信號提拉至高電平，DHT11與微處理器接口電路圖如圖2.4所示。圖2.4 DHT11與微處理器接口電路圖DHT11含有四個引腳各個引腳都有

29、不同的功能，因此對引腳作以說明。DHT11引腳如表2.2所示表2.2 DHT11引腳說明pin名稱注釋1VDD35.5VDC2DATA串行數(shù)據(jù)，單總線3NC空腳，請懸空4GND接地，電源負極 （2）溫濕度傳感器DHT11數(shù)據(jù)傳輸方式DATA用于微處理器與DHT11之間的通訊和同步,采用單總線數(shù)據(jù)格式,一次通訊時間4ms左右,數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分,具體格式在下面說明,當前小數(shù)部分用于以后擴展,現(xiàn)讀出為零.操作流程如下:一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit,高位先出。數(shù)據(jù)格式:8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bit校驗和數(shù)據(jù)傳送正確時校驗和數(shù)

30、據(jù)等于“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結果的末8位。MCU發(fā)送一次開始信號后,DHT11從低功耗模式轉換到高速模式,等待主機開始信號結束后,DHT11發(fā)送響應信號,送出40bit的數(shù)據(jù),并觸發(fā)一次信號采集,此時可選擇讀取部分數(shù)據(jù).從模式下,DHT11接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集,如果沒有接收到主機發(fā)送開始信號,DHT11不會主動進行溫濕度采集.采集數(shù)據(jù)后轉換到低速模式?？偩€空閑狀態(tài)為高電平,主機把總線拉低等待DHT11響應,主機把總線拉低必須大于18毫秒,保證DHT11能檢測到起始信號。DHT11接收到主機的開始信號后,等待主機開

31、始信號結束,然后發(fā)送80us低電平響應信號.主機發(fā)送開始信號結束后,延時等待20-40us后, 讀取DHT11的響應信號,主機發(fā)送開始信號后,可以切換到輸入模式,或者輸出高電平均可, 總線由上拉電阻拉高?？偩€為低電平，說明DHT11發(fā)送響應信號，DHT11發(fā)送響應信號后，再把總線拉高80us，準備發(fā)送數(shù)據(jù)，每1bit數(shù)據(jù)都以50us低電平時隙開始，高電平的長短定了數(shù)據(jù)位是0還是1。如果讀取響應信號為高電平，則DHT11沒有響應，請檢查線路是否連接正常。當最后1bit數(shù)據(jù)傳送完畢后，DHT11拉低總線50us，隨后總線由上拉電阻拉高進入空閑狀態(tài)。2.4 串口通信模塊串行通信是在一根傳輸線上一位一

32、位的傳送信息，所用的傳輸線少，并且可以借助現(xiàn)成的電話網(wǎng)進行信息傳送，因此，特別適合于遠距離傳輸。對于那些與計算機相距不遠的人機交換設備和串行存儲的外部設備如終端、打印機、邏輯分析儀、磁盤等，采用串行方式交換數(shù)據(jù)也很普遍。所以串行接口是微機應用系統(tǒng)常用的接口。許多外設和計算機按串行方式進行通信，這里所說的串行方式，是指外設與接口電路之間的信息傳送方式，實際上，CPU與接口之間仍按并行方式工作。在單片機系統(tǒng)中，串口是一個非常重要的組成部分。通常使用單片機串口通過RS232接口和電平轉換芯片MAX232與上位機連接，以進行上位機與下位機的數(shù)據(jù)交換、參數(shù)設置、組成網(wǎng)絡以及各種外部設備的連接等。RS23

33、2串行接口總線具有成本低、簡單可靠、容易使用等特點，加上其歷史悠久，所以目前應用仍然非常廣泛；特別對于數(shù)據(jù)量不是很大的場合，串口通信仍然是很好的選擇，有著廣闊的使用前景。在單片機編程中，串口占了很重要的地位。通信接口的選擇：為了便于QT2440開發(fā)板和各種外圍設備的串行通信連接，更廣義地來講是為了各種數(shù)據(jù)終端設備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設備(DCE)之間的連接，制定了若干種串行通信接口標準。只要是符合某種標準的設備之間就可以直接互相連接、互相通信。串行通信接口按電氣標準及協(xié)議來分包括RS-232、RS-422、RS485、USB等。 RS-232、RS-422與RS-485標準只對接口的電氣特性做

34、出規(guī)定，不涉及接插件、電纜或協(xié)議。USB是近幾年發(fā)展起來的新型接口標準，主要應用于高速數(shù)據(jù)傳輸領域。在本設計中，選擇RS-232接口就可以滿足通信需求了。微控制器通過RS232與上位機通信。如圖2.5所示。串口芯片選擇MAX232，MAX232配備專有的低漏失電壓發(fā)射器輸出狀態(tài)，通過雙電荷泵，在3.0V至5.5V供壓下，表現(xiàn)出真正的RS232協(xié)議器件性能，這些器件只需4個0.1F的外部小電容，用于電荷泵。發(fā)光二極管TX-LED，RX-LED用來觀察MAX232工作是否正常，是否有數(shù)據(jù)通過該模塊，RS232電路圖如圖2.5所示。圖2.5 RS232電路對于終端節(jié)點，微控制器與232之間采用標準的

35、MODBUS協(xié)議進行通訊，用于設置終端節(jié)點的系統(tǒng)參數(shù)。對于中心節(jié)點，微控制器將無線模塊接收到的數(shù)據(jù)通過232傳到上位機軟件顯示。2.5 相應供電模塊無線傳感器網(wǎng)絡一般應具有移動性，所以節(jié)點大多數(shù)需要采用電池供電，從上面各章節(jié)可以看出，在硬件元器件的選取中，已經(jīng)考慮到了盡量降低系統(tǒng)的功耗，各個模塊的供電電壓都比較低，綜合比較，可以采用2節(jié)1.5V的堿性電池進行供電。電源原理圖如圖2.6所示。圖2.6 電源電路圖由于仿真器可以提供穩(wěn)定的電壓，也可以選擇匹配電源。在電源模塊的設計時，采用開關選擇是否選用外接電池供電或者電腦供電，這樣可以在調試和燒寫程序的時候采用電腦供電，保持電壓的穩(wěn)定，在應用時采用

36、電池供電。這樣即可以簡化電源電路的設計，又可以保證調試的正常進行。而協(xié)調器的電源則是應用USB供電或者交流電供電。3軟件系統(tǒng)設計3.1 設計原則（1）明確任務，弄清軟件所承擔的任務細節(jié)。（2）軟件結構設計，合理的軟件結構是設計出一個性能優(yōu)良的單片機應用系統(tǒng)軟件的基礎。模塊化程序設計，是單片機應用中最常用的程序設計技術。將一個完整的程序分解成若干個功能相對獨立的較小的程序模塊，對各個程序模塊分別進行設計、編制和調試，最后將各個調試好的程序模塊進行聯(lián)調。 而面向對象程序設計的數(shù)據(jù)抽象可以在保持外部接口不變的情況下改變內(nèi)部實現(xiàn)，從而減少甚至避免對外界的干擾；通過繼承大幅減少冗余的代碼，并可以方便地擴

37、展現(xiàn)有代碼，提高編碼效率，也減低了出錯概率，降低軟件維護的難度；結合面向對象分析、面向對象設計，允許將問題域中的對象直接映射到程序中，減少軟件開發(fā)過程中中間環(huán)節(jié)的轉換過程。 （3）編寫程序。根據(jù)系統(tǒng)功能和操作過程，列出程序的功能流程圖。在完成流程圖的設計之后，便可編寫程序了。3.2 軟件系統(tǒng)結構軟件系統(tǒng)設計可分為單片機軟件設計、zigbee無線通信模塊軟件設計、串口通信模塊軟件設計。如圖3.1所示。圖3.1 軟件設計模塊功能圖3.3 上位機監(jiān)控軟件設計上位機軟件是一個軟件系統(tǒng)，它負責完成采集終端采集到數(shù)據(jù)的顯示，存儲。它提供了一個顯示數(shù)據(jù)和控制節(jié)點工作的界面。圖中只顯示了傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)

38、，當上位機緩沖器接收到協(xié)調器傳來的數(shù)據(jù)時，會觸發(fā)一個串口消息事件，然后開始讀取數(shù)據(jù)。上位機監(jiān)控界面也可以對網(wǎng)絡中的節(jié)點發(fā)送命令，按下“打開串口”和“關閉串口”按鈕可以控制節(jié)點是否采集數(shù)掘，這些命令通過串口發(fā)送給協(xié)調器，然后通過協(xié)調器再將其轉發(fā)到網(wǎng)絡中的所有節(jié)點上，節(jié)點收到命令之后，會按照相應的命令進行數(shù)據(jù)采集操作。3.4 單片機軟件設計單片機采用C52在keil uvision4的開發(fā)環(huán)境進行編程，在仿真軟件中調試成功后，再把生成的HEX文件燒到單片機中，在真實的硬件環(huán)境下進行測試。具體設計主要分兩部分，一是溫濕度傳感器的驅動和測溫程序，另一個是利用單片機串口編寫的無線傳輸程序。下面將對程序中

39、的關鍵部分進行闡述。溫濕度傳感器接口軟件設計單片機從DHT11完成溫濕度數(shù)據(jù)讀取要經(jīng)過以下步驟：單片機發(fā)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉換到高速模式，等待主機開始信號結束后，DHT11發(fā)送響應信號,送出40bit的數(shù)據(jù),并觸發(fā)一次信號采集，用戶可選擇讀取部分數(shù)據(jù).從模式下，DHT11接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒有接收到主機發(fā)送開始信號，DHT11不會主動進行溫濕度采集。采集數(shù)據(jù)后轉換到低速模式。流程圖如圖3.2所示。圖3.2 單片機軟件設計的流程圖主要源碼如下void COM(void)U8 i; for(i=0;i8;i+)/對一個字節(jié)進行編碼 U8FLAG=2; wh

40、ile(!P2_0)&U8FLAG+);Delay_10us();Delay_10us();Delay_10us(); U8temp=0; if(P2_0)U8temp=1; U8FLAG=2;while(P2_0)&U8FLAG+); if(U8FLAG=1)break; /超時則跳出for循環(huán) U8comdataopen(QIODevice:ReadWrite); /以讀寫方式打開 myCom-setBaudRate(BAUD19200); /設置波特率 myCom-setDataBits(DATA_8); /設置數(shù)據(jù)位 myCom-setParity(PAR_NONE); /設置奇偶校驗

41、,無校驗 myCom-setStopBits(STOP_1); /設置終止位,1位 myCom-setFlowControl(FLOW_OFF); /設置數(shù)據(jù)流控制，無數(shù)流控制 myCom-setTimeout(500);/ QMessageBox:information(0,write,123); QObject:connect(myCom,SIGNAL(readyRead(),this,SLOT(readCom();4 系統(tǒng)測試與實驗結果分析4.1 軟件編譯與燒寫軟件是系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵，程序代碼的好壞直接影響系統(tǒng)實現(xiàn)的優(yōu)劣，PC機通過與單片機相連，將已編譯好的程序下載到目標開發(fā)板上的C52單

42、片機中，單片機通過程序控制傳感器進行數(shù)據(jù)采集。具體操作步驟如下：（1） 啟動程序燒錄軟件。（2）在打開的界面中設置端口號、波特率、單片機型號。（3）在界面中點擊選擇程序文件項，選擇需要燒錄的程序，保證單片機型號設置成AT89C52，選擇好要燒錄程序文件后，點擊download，即可進行程序到單片機處理器的下載。 (4) 將燒好程序的單片機芯片，插入已經(jīng)焊好的面包板上，進行上電，傳感器即開始溫濕度數(shù)據(jù)的采集。4.2 軟件測試（1）傳感器采樣程序測試26：以1 s或2s間隔頻率采集各個傳感器，連續(xù)采集24小時以上，觀察數(shù)據(jù)顯示是否有異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)。測試結果：采樣正常，數(shù)據(jù)可靠。（2）單片機與無線模塊

43、通訊測試：單片機每采樣到一次傳感器信號，處理后及時將數(shù)據(jù)發(fā)送到無線模塊，通過觀察電路板上的通訊指示燈觀察無線模塊是否接收到數(shù)據(jù)。測試結果：無線模塊接收正常。（3）顯示終端監(jiān)控界面程序測試：多次重復操作按鍵菜單，設置各個系統(tǒng)參數(shù)，查看程序是否跑死，分析是否有bug。測試結果：程序運行無錯誤，無死機現(xiàn)象。（4）預警模塊程序測試，設置溫濕度范圍偏小，使得采集到的數(shù)據(jù)超出監(jiān)測范圍，查看綁定的手機是否會收到短信報警提醒。4.3 硬件測試本設計中硬件網(wǎng)絡節(jié)點實物圖如圖4.1所示。圖4.1 網(wǎng)絡節(jié)點實物圖電路板焊接完畢后，找出硬件整體上的錯誤，如接口松動、接觸不良，電源不穩(wěn)定等。(1)穩(wěn)定性測試：長時間運行

44、系統(tǒng)檢查電源電壓，傳感器，無線模塊等。經(jīng)測試系統(tǒng)各電源運行正常，電壓均在正常值范圍之內(nèi)；傳感器工作正常，采樣的數(shù)據(jù)正確；無線模塊無死機現(xiàn)象。(2)硬件安全性：檢查各類接口，保證電路不出現(xiàn)短路等問題。長時間運行程序并檢查芯片工作情況與工作狀態(tài)(溫度、電壓等)。經(jīng)測試系統(tǒng)各接口運行正常。4.4 溫濕度傳感器節(jié)點測試結果分析在本設計中，首先無線網(wǎng)關創(chuàng)建網(wǎng)絡，等待節(jié)點的加入，此時顯示終端屏如圖4.2所示。圖4.2 等待節(jié)點加入網(wǎng)絡時的終端顯示情況節(jié)點加入網(wǎng)絡后，則在顯示終端上顯示測得的溫度、濕度具體數(shù)值。如圖4.3所示。圖4.3 測得此時溫濕度顯示情況通過實驗測定，最宜人的室內(nèi)溫濕度是：冬天溫度為 1

45、8至 25 ，濕度為30%至80%；夏天溫度為23至28，濕度為30%至60% 。 因此通過比較我們所測的溫濕度值符合人體適宜溫濕度范圍?？?結ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡是基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡，是ZigBee協(xié)議與傳感技術的結合，是應用性非常強的技術，它具有耗資小、安裝方便、維護和更新費用低等優(yōu)勢，非常適合于對布線困難、人員不能到達的區(qū)域和一些臨時場合的狀況進行遠程監(jiān)控，如大型建筑的健康狀態(tài)監(jiān)控、空間探索、災害預測，養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測等，它在當前我國環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中有著巨大的應用潛力的。目前市場上的近距離無線通信技術有很多種，如無線局域網(wǎng)WiFi、藍牙、IrDA、UWB、RF等。經(jīng)過市

46、場調研，發(fā)現(xiàn)ZigBee無線通信技術在在無線傳感網(wǎng)絡中占有廣泛的市場，具有低功耗、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡容量大、兼容性強、安全性高、成本低等特點。本設計采用了ZigBee技術實現(xiàn)無線網(wǎng)絡的搭建。選用了一款性能較好的STDSMA模塊傳輸無線信號。經(jīng)過反復的測試，我們研制的無線網(wǎng)絡節(jié)點通信平臺已經(jīng)可以穩(wěn)定的運行，并且有較好的可靠性和擴展性。本次設計主要涉及到硬件設計和ZigBee協(xié)議棧編程兩方面的內(nèi)容。通過該設計，使得自己在學業(yè)上受益匪淺，它不僅要求我靈活應用以前所學的知識，也要求自己在工作中不斷學習和接受新知識，極大的鍛煉了自己獨立研發(fā)的能力，為今后的工作開創(chuàng)了新的前景。致 謝本次畢業(yè)設計是在陳老師的精心指導下完成的，從最初的系統(tǒng)可行性的分析，包括系統(tǒng)的整體設計，系統(tǒng)功能模塊的設計，到最終系統(tǒng)的實現(xiàn)的整個階段，老師給了我很大的指導