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基于ZigBee的温度检测系统设计.doc

基于ZigBee的温度检测系统设计

李无雨
2017-10-01 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《基于ZigBee的温度检测系统设计doc》,可适用于高等教育领域

基于ZigBee的温度检测系统设计摘要ZigBee国内称之为“紫蜂”是一种廉价的低功耗近距离无线组网通信技术具有低功耗、低成本、低速率、短延时、高网络容量等特点。目前ZigBee技术已经广泛应用于无线通信领域。本设计意在通过ZigBee无线通信技术构建一个无线传感器网络(WSN)采用树形网络拓扑结构对加入该网络的传感器节点进行温度数据采集和分析可以应用于工业控制或者农业生产中对温度的检测和控制避免了有线网络的布线问题和成本问题。上位机由VisualBasic语言编写完成ZigBee无线网络中的协调器通过串口将节点地址信息和当前温度值传给上位机上位机提取出地址和温度值并实时的显示出来同时绘出温度变化的折线图反映温度变化的趋势。关键词:ZigBeeCC无线传感器网络温度采集本科毕业设计论文引言在粮库温控系统、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节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以折线图的方式显示。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。本科毕业设计论文概述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。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:成本低:ZigBee模块的初始成本低并且ZigBee协议是免专利费的采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段(GHz(全球)、MHz(美国)和MHz(欧洲)免执照频段低功耗: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号电池就可以维持长时间使用低速率。Zigbee工作在,kbps的较低速率分别提供kbps(GHz)、kbps(MHz)和kbps(MHz)的原始数据吞吐率满足低速率传输数据的应用需求时延短: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ms典型的搜索设备时延为ms活动设备信道接入的时延为ms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个节点的大网。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本科毕业设计论文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)的对称密码,以灵活确定其安全属性。,m之间在增加RF发射功率传输距离远:传输范围一般介于后,亦可增加到,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。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本科毕业设计论文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。ZigBee技术也可以应用到汽车电子、农业生产和军事领域中。随着此外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底层协议的应用多而基于ZigBee标准协议的应用少。国内外研究概况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。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联盟于年底发布了ZigBee协议(版本规范年月发布了ZigBee协议(版本规范年月发布了ZigBeePro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。本科毕业设计论文飞思卡尔推出了全球首个符合ZigBee标准的平台使得制造商能够将ZigBee技术应用于传感和监控领域。截止至年月已有TexasInstruments(收购Chipcon)、Freeseale、CompXs、Ember等四家公司通过了ZigBee联盟对其产品所作的测试和兼容性验证。目前市场上RF主流芯片的供应商包括TI、EMBER、FREESCALE以及JENNIC他们分别推出单芯片解决方案CC、EM、MClx以及JN在市场上极具竞争力。主流的商,CC用ZigBee的协议栈为Figurewireless提供的FwZStack。论文的主要研究内容及论文安排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上位机的编程实现。本文的安排如下:第一章阐述了设计的背景、目的和意义以及目前国内外的ZigBee研究发展情况。第二章介绍了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简要介绍了CC芯片。第三章介绍了本设计的开发环境以及相关的软硬件设计包括上位机的设计。第四章介绍了该设计的测试过程和调试过程。第五章对全文进行了总结以及一些个人心得。本科毕业设计论文ZigBee协议及所采用的芯片介绍ZigBee概述ZigBee一词来源于蜜蜂赖以生存的通信方式ZigZag形状的舞蹈是一种低成本、低功耗的近距离无线组网通信技术。年IEEE工作组成立的任务组TG(TaskGroupTG)制定了IEEE标准。该标准以低能耗、低速率传输、低成本为重点目标为设备之间的低速无线互连提供了统一标准就是ZigBee无线通信技术。ZigBee协议是基于IEEE标准的由IEEE和ZigBee联盟共同制定。IEEE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。应用层,含应用接口层,用户安全层ZigBee联盟网络层MAC层IEEE物理层图ZigBee协议栈结构FigureTheProtocolstructureofZigBeeZigBee协议由物理层(PHY)、介质访问控制子层(MAC)、网络层(NWK)本科毕业设计论文应用层(APL)及安全服务提供层(SSP)五块内容组成。其中PHY层和MAC层标标准定义MAC层之上的NWK层APL层及SSP层由准由IEEEZigBee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。PHY层定义了无线射频应该具备的特征提供了MHzMHz、MHzMHz和MHzMHz三种不同的频段分别支持kbps、kbps和kbps的传输速率个、个以及个不同的信道。ZigBee的传输距离与输出功率和环境参数有关一般为,米之间。PHY层提供两种服务:PHY层数据服务和PHY层管理服务PHY层数据服务是通过无线信道发送和接收物理层协议数据单元(PPDU)PHY层的特性是激活和关闭无线收发器、能量检测、链路质量指示、空闲信道评估、通过物理媒介接收和发送分组数据。MAC层使用CSMACA冲突避免机制对无线信道访问进行控制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层的主要功能是:进行信标管理、信道接入、保证时隙(GTS)管理、帧确认应答帧传送、连接和断开连接。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(MAC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。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ZigBee协调器的网络层还负责建立一个新的网络。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。一个设备允许最多个用户自定义应用对象分别指定在端点l至端点上。ZDO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。本科毕业设计论文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。安全服务提供者SSP(SecurityServiceProvider)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(ServiceAccessPoint)和管理SAP(ServiceAccessPoint)。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。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分为协调器(Coordinator)、路由器(Router)和终端节点(EndDevice)。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。网络节点类型()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。()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。()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。网络拓扑形式()星型拓扑本科毕业设计论文星型拓扑是最简单的拓扑形式如图。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。图星形拓扑结构FigureStarNetwork()树型拓扑树型拓扑结构如图。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。图树状拓扑结构FigureClusterTreeNetwork()网状拓扑网状拓扑如图。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。本科毕业设计论文图网状拓扑结构FigureMeshNetwork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(Nonbeacon)模式两种。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msmins之间)向网络广播信标帧两个信标帧发送间隔之间有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ms。CC芯片CC概述CC是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的GHzISM波段应用及对低成本低功耗的要求。它结合一个高性能GHzDSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一本科毕业设计论文颗工业级小巧高效的控制器。图CC引脚排列图FigureThePinarrangementofCCCC的尺寸只有×mmpin的封装采用具有内嵌闪存的微米CMOS标准技术。这可实现数字基带处理器RF、模拟电路及系统存储器整合在同一个硅晶片上。CC包含一个增强型工业标准的位微控制器内核运行时钟MHz。CC包含一个DMA控制器。K字节静态RAM其中的K字节是超低功耗SRAM。KK或K字节的片内Flash块提供在电路可编程非易失性存储器。CC集成了个振荡器用于系统时钟和定时操作:一个MHz晶体振荡器一个MHzRC振荡器一个可选的kHz晶体振荡器和一个可选的kHzRC振荡器。CC也集成了用于用户自定义应用的外设。一个AES协处理器被集成在CC之中用来支持IEEEMAC安全所需的(位关键字)AES的运行以尽可能少的占用微控制器。中断控制器为总共个中断源提供服务他们中的每个中断都被赋予个中断优先级中的某一个。调试接口采用两线串行接口该接口被用于在电路调试和外部Flash编程。IO控制器的职责是个一般IO口的灵活分配和可靠控制。CC包括四个定时器:一个位MAC定时器用以为IEEE的CSMACA算法提供定时以及为IEEE的MAC层提供定时。一个一般的位和两个位定时器支持典型的定时计数功能例如输入捕捉、本科毕业设计论文比较输出和PWM功能。,位ADCCC内集成的其他外设有:实时时钟上电复位通道可编程看门狗两个可编程USART用于主从SPI或UART操作。为了更好的处理网络和应用操作的带宽CC集成了大多数对定时要求严格的一系列IEEEMAC协议以减轻微控制器的负担。这包括:自同步字插入检测、CRC校验、CCA、信号强度检测数字动前导帧发生器、RSSI、连接品质指示(LQI)和CSMACA协处理器。CC芯片的主要特点CC芯片延用了以往CC芯片的架构在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用个位MCU()具有KB可编程闪存和KB的RAM还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(Timer)、AES协同处理器、看门狗定时器(Watchdogtimer)、kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(PowerOnReset)、掉电检测电路(Brownoutdetection)以及个可编程IO引脚。CC芯片采用μmCMOS工艺生产在接收和发射模式下电流损耗分别低于mA或mA。CC的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。本科毕业设计论文基于ZigBee的温度采集系统开发环境简介CRFPKZigBee无线网络技术专业开发平台成都无线龙ZigBee协议栈高级开发系统CRF是一款经济、高效、方便的开发工具套装满足IEEE标准和ZigBee技术标准的无线网络技术设计开发。CRFPK开发平台具有以下特点:、具有USB高速下载、支持IAR集成开发环境、具有在线下载、调试、仿真功能、可以根据需求选配多种扩展开发板、开发方便、快捷、简单、功能强大的CRF仿真器。不仅可以实现对CCCC程序下载还可实现开发仿真调试。、多种扩展板既有简单开发按键、又有液晶显示及各种传感器。不但可以实现简单的CCCC开发还可作复杂的ZigBee无线网络。IAREmbeddedWorkbench简介IAREmbeddedWorkbench(简称EW)的CC交叉编译器和调试器是今天世界最完整的和最容易使用专业嵌入式应用开发工具。EW今天已经支持种以上的位位位ARM的微处理器结构对不同的微处理器提供一样直观用户界面。EW包括:嵌入式CC优化编译器汇编器连接定位器库管理员编辑器项目管理器和CSPY调试器。使用IAR的编译器最优化最紧凑的代码可以节省硬件资源最大限度地降低产品成本提高产品竞争力。IAREmbeddedWorkbench集成的编译器主要产品特征:•高效PROMable代码•完全标准C兼容•内建对应芯片的程序速度和大小优化器•目标特性扩充本科毕业设计论文•版本控制和扩展工具支持良好便捷的中断处理和模拟••瓶颈性能分析•高效浮点支持•内存模式选择工程中相对路径支持•IARSystems的CC编译器可以生成高效可靠的可执行代码并且应用程序规模越大效果明显。与其他的工具开发厂商相比系统同时使用全局和针对具体芯片的优化技术。连接器提供的全局类型检测和范围检测对于生成目标的代码的质量是至关重要。IAREmbeddedWorkbench是一套完整的集成开发工具集合:包括从代码编辑器、工程建立到CC编译器、连接器和调试器的各类开发工具。它和各种仿真器、调试器紧密结合使用户在开发和调试过程中仅仅使用一种开发环境界面就可以完成多种微控制器的开发工作。除上述的几点之外在IAREmbeddedWorkbenchIARSystems还提供了visualSTATE和IARMakeApp两套图形开发工具帮助开发者完成应用程序的开发它可以根据设计自动生成应用程序代码和自动生成驱动程序使开发者摆脱这些耗时的任务同时保证了代码的质量。系统详细设计系统整体结构本设计所实现的无线温度采集系统以CRFPK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CRFPK开发平台的丰富资源。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。本科毕业设计论文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。图温度采集系统示意图FigureTheSchematicofTemperatureDetectionSystem节点的硬件设计()协调器节点的硬件设计ZigBee协调器节点硬件设计如图所示该节点由无线收发器CC、射频天线RF、电源模块、晶振电路和串口电路组成。RF的输入,输出是高阻和差动的。当使用不平衡天线(例如单极天线)时为了优化性能应当使用不平衡变压器。不平衡变压器可以运行在使用低成本的单独电感器和电容器的场合。电源模块用于CC的数字IO和部分模拟IO的供电供电电压为(,(V。CC可以同时接MHz和(kHz的两种频率的晶振电路以满足不同的要求。串口电路用于CC将接收到的数据传送给上位机由于上位机与CC的电平不一致所以需要一个MAX电平转换电路。本科毕业设计论文图协调器节点FigureCoordinatorNode()路由器节点的硬件设计路由器节点的主要任务是将不同区域的数据从传感器节点路由到协调器节点因此该电路比较简单该节点由无线收发器CC、射频天线RF、电源模块和晶振电路组成。()传感器节点的硬件设计传感器节点和硬件设计如图所示该节点由无线收发器CC、射频天线RF、电源模块、晶振电路和串口电路组成。由于CC芯片本身带有温度传感器因而本实验直接采用了CC的内置温度传感器监测温度。但是该温度传感器的精度有限如果要求更高的精度可以扩展出一个温度传感器如DSB。图传感器节点FigureSensorNode本科毕业设计论文下面对每个部分的功能和指标进行详细介绍:()信息收集终端:即协调器放置于监控室完成网络的建立与维护和节点之间绑定的建立实现数据的汇总然后以有线的方式传送到上位机软件进行进一步数据处理。本设计采用RS串口将采集到的数据发送到上位机。()温度采集终端:即节点放置在需要采集温度的地方。温度采集终端可以实现网络的加入、与协调器绑定的建立、温度的检测。检测到的温度通过ZigBee无线网络发送到协调器。()上位机:位于监控室完成对所采集温度的汇总与显示。采集到的数据实时保存到文档中同时以折线图的形式实时反映出温度的变化趋势使其更为直观。显示的折线图可以在不同节点之间切换。系统的程序设计()设备的描述程序中两种设备被配置:传感器和中心收集设备。中心收集设备作为协调器或路由器启动描述为:constSimpleDescriptionFormattzbSimpleDesc={MYENDPOINTID,端点MYPROFILEID,ProfileIDDEVIDCOLLECTOR,设备IDDEVICEVERSIONCOLLECTOR,设备版本,保留NUMINCMDCOLLECTOR,输入命令数量(cIdt*)zbInCmdList,输入命令列表NUMOUTCMDCOLLECTOR,输出命令数量(cIdt*)输出命令列表}传感器设备的描述为:本科毕业设计论文constSimpleDescriptionFormattzbSimpleDesc={MYENDPOINTID,端点MYPROFILEID,ProfileIDDEVIDSENSOR,设备IDDEVICEVERSIONSENSOR,设备版本,保留NUMINCMDSENSOR,输入命令数量(cIdt*)zbInCmdList,输入命令列表NUMOUTCMDSENSOR,输出命令数量(cIdt*)zbOutCmdList输出命令列表}()节点类型的确定传感器程序下载成功之后传感器节点启动类型就已经确定而中心收集设备启动时需要确定设备的启动类型由如下程序可以看出当按键按下时设备作为协调器启动当按键按下时设备作为路由器启动。if(keysHALKEYSW){按键作为路由器启动……logicalType=ZGDEVICETYPECOORDINATOR……}if(keysHALKEYSW){按键作为路由器启动……logicalType=ZGDEVICETYPEROUTER……}()发现和绑定本科毕业设计论文传感器设备加入网络后将试图发现和绑定它自己到一个中心收集设备。如果发现个收集设备它将选择第一个响应的中心收集设备建立绑定如果没有发现收集节点那么它将不断进行搜索。用osalstarttimer(MYSTARTEVT,myStartRetryDelay)函数设置一个时间事件该事件处理如下:If(eventMYFINDCOLLECTEREVT){继续发送绑定ZbBindDevice(TRUE,SENSORREPORTCMDID,(uint*))}该代码在zbHandleOsalEvent()函数中是专门为用户留下的事件处理函数。可以看出如果没有建立绑定则传感器设备将周期性的发送绑定请求。网络启动建立成功后中心收集设备必须进入允许绑定模式才能对传感器发送的绑定请求做出响应。本设计中确定中心设备的启动模式之后按下按键可以使设备进入绑定模式此时LED点亮按下按键可以退出绑定模式此时LED熄灭。()数据包的发送和接收绑定建立成功后传感器设备将根据定义的时间间隔周期地采集温度传感器通过报告命令发送给收集设备。该报告命令要求收集设备应答通过函数zbSendDataConfirm()可以指示应答。如果传感器设备有一个应答没有接收到则传感器设备将移除与它的绑定重新发现和绑定。通过函数zbHandleOsalEvent()完成用户定义的事件。voidzbHandleOsalEvent(uintevent){uintpDataif(eventMYSTARTEVT){zbStartRequest()}本科毕业设计论文if(eventMYREPORTTEMPEVT){读取温度值pData=TEMPREPORTpData=myAppReadTemperature()zbSendDataRequest(xFFFE,SENSORREPORTCMDID,,pData,,AFACKREQUEST,)osalstarttimerEx(sapiTaskID,MYREPORTTEMPEVT,myTempReportPeriod)}if(eventMYFINDCOLLECTOREVT){FindandbindtoacollectordevicezbBindDevice(TRUE,SENSORREPORTCMDID,(uint*))}}收集节点接收到传感器设备发送的数据包后通过串口传输到PC机。该过程通过接收数据指示函数zbReceiveDataIndication()完成。CONSTuintstrDevice="x"voidzbReceiveDataIndication(uintsource,uintcommand,uintlen,uint*pData){uintbufuint*pBufuinttmpLenuintsensorReadingif(command==SENSORREPORTCMDID){读取传感器数据sensorReading=pData写信息到串口本科毕业设计论文tmpLen=(uint)osalstrlen((char*)strDevice)pBuf=osalmemcpy(buf,strDevice,tmpLen)ltoa(source,pBuf,)pBuf=*pBuf=''*pBuf=(sensorReading)''转换MSB为ASCII*pBuf=(sensorReading)''转换LSB为ASCIIUartTXSendString(buf,)}}基于ZigBee的温度采集系统程序流程图基于ZigBee的温度采集系统流程图见图和图所示。上电复位传感器采集数据硬件、堆栈初始化是发送成功,否发现网络否尝试重新建立绑定是加入网络否是成功,否入网成功是图传感器节点流程图FigureTheFlowchartofSensorNode图是传感器节点的程序流程图。设备初始化后传感器节点会依据ZigBee协议搜寻网络并请求加入节点。请求得到确定后传感器节点会将自本科毕业设计论文身的地址发送给协调器并自动与协调器建立绑定。在接受到数据传送请求之后传感器节点就会将温度值按时传给协调器。图是协调器的程序流程图。在设备初始化完毕后协调器新建无线网络。如果新建网络成功允许协调器设定为绑定。此时协调器检测是否有节点要求加入网络如果接收到节点的加入请求协调器会记录下节点的地址并建立绑定同时向节点发出传送数据请求得到节点的确认后协调器开始接收数据最后通过RS串口发送给上位机。上电复位否初始化硬件接收数据否是建网成功将数据发到串口发是给PC机允许绑定发现设备建立绑定图协调器的流程图FigureTheFlowchartofCoordinatorNode上位机上位机的功能简介上位机软件主要完成对每个节点信息的汇总、分析与显示。本设计采用MicrosoftVisualBasic(中文版)开发环境进行设计。VisualBasic简单易学同时又功能强大可以方便的支撑上位机的开发和设计。本设计中采集到的数据通过串口读入并创建Excel文件用来保存数据同时数据可以实时地显示在文本框中。为了反映数据的变化趋势温度值还将本科毕业设计论文通过折线图绘制出来而温度值可能来自于不同的节点因而在数据从串口读入之后需要提取出节电地址和温度值不同节点的温度值分别绘图上位机允许在不同节点的折线图之间切换。因此本设计中采用了MicroSoftCommControl控件、MicrosoftCommonDialogControl控件、Label控件、Text控件、PictureBox控件等。此外由于需要建立Excel文件存储采集到的数据因而需要引用MircosoftExcelObjectLibrary。采集到的数据通过line函数实时地在各个PictureBox中绘出折线图。上位机的界面如图所示。图上位机显示界面FigureTheDisplayScreenofUpperMachine上位机软件的程序的流程图程序启动后首先需要对串口进行设置并且新建Excel文档。待串口初始化之后上位机MicroSoftCommControl控件开始响应串口读入事件。下位机的数据以字符串的形式进入上位机该字符串包含了节点的地址信息和所采集的温度信息。此时要对地址信息和温度信息进行提取。程序根据提取出的不同地址选择在哪一个PitureBox中绘出曲线。上位机显示界面中有相互重叠的几个PictureBox用来绘制不同节点的温度折线图。默认状态下显示第一个节点的折线图显示出来如果要查看其他节点的温度图线则可以点击“查看”菜单进行切换。本科毕业设计论文开始新建存储文档初始化串口接收来自串口的数据提取地址和温度值否是否新地址,原PictureBox中绘图是否新的PictureBox中绘图是温度超标,否给出警告图上位机流程图FigureTheFlowchartofUpperMachine上位机运行效果本科毕业设计论文图上位机运行效果图FigureTheDisplayScreenofUpperMachineWhileRunning程序运行初需要对串口进行设置。上位机运行后界面中PictureBox中实时绘出温度变化的折线图当前显示的节点可以通过“查看”菜单切换当前显示的节点显示在图下方的文本框中而实时数据一栏中则显示的是当前串口正读取的信息。本科毕业设计论文系统测试系统测试步骤)检查开发板电源、串口线以及外扩设备连接是否正常。)下载协调器代码到开发系统的表演板。)下载传感器节点代码到电池板)用串口调试助手观察协议栈运行是否正常)测试上位机软件PC端能否正常接收数据以及能否将数据存到数据库中可否正常画出曲线。系统测试结果系统的硬件测试系统的硬件测试包括对开发平台的电源、内存、按键、LED灯、串口以及配套电路进行测试。下载各模块的程序后系统各硬件均能正常工作。协议栈的测试下载协调器模块到表演板、节点模块到电池板后程序运行正确从串口能正确接收到节点的地址以及所采集到的温度。上位机的测试打开上位机软件从串口读入当前温度值能够实时显示温度并能够绘出温度曲线能够顺利在多个曲线间进行切换能够存储过往数据并且能够查看。系统测试结果分析经测试系统软硬件均工作正常实现了需求中的绝大部分功能。网络功能方面充分发挥了ZigBee的强大的优势网络健壮。测试中温度传感器采集的是室温所测得的温度值与室温基本一致。上位机也顺利绘出温度的折线图并且能够存储数据。总体上本设计基本完成了预期的目标和要求。本科毕业设计论文总结与展望本文详细介绍了ZigBee协议栈和基于ZigBee的温度采集系统的设计过程设计中将系统分为上位机和下位机两部分。下位机使用成都无线龙CRFPK开发系统进行开发调试通过CC芯片搭建无线传感器网络并采集节点的温度值。所采集到的数据值通过RS传输到上位机。上位机通过visualBasic编写用以实时显示数据并绘出折线图此外还需要能够查看过往数据。由于本设计是以当下较为流行的ZigBee无线通信技术为基础的ZigBee技术具有近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本等优点因而成本和功耗方面的是本设计的一大优势。同时由于ZigBee技术组网方便网络容量大可以满足工农业生产上多点的温度检测应用前景比较广泛。在设计时也充分考虑了应用的便捷性充分体现在上位机友好的节面设计上。当然本设计仍然存在一些不足需要改进和提高。例如本设计的稳定性还不能达到应用的要求数据的存储方式还可以进一步改善这些以后都会进一步研究和实现。然而ZigBee技术的应用前景是十分明朗的成本和功耗方面的优势使其在市场中十分具有竞争力。尤其在物联网技术已成为当下热点命题之一的时候ZigBee技术的应用价值就更为重要了可以想见伴随着物联网技术的成长ZigBee技术也将日趋成熟。

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新课改视野下建构高中语文教学实验成果报告(32KB)

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