基于ZigBee的监测系统的设计

2010年 第 21期 SCIENCE＆TECHNOLOGY INFORMATION O机械与电子0 科技信息 基于ZigBee的监测系统的设计 张会康 张健涛 赵春平 蒋 媛 (陕西理工学院物理系 陕西 汉中 723000) 【摘 要】根据 zigBee的堆栈 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 ，建立了一个小型星状网络系统，设计 了一种基于zigBee的温湿度监测系统。系统终端节点以 ATMEGA16L为内核 ，以一体化的温湿度传感器 SHT111为采集设备，使用专用的zi邸ee传输模块 CC2420。主节点以ATMEGA16和 CC2420分别作为主控部分和传输芯片。采用液晶12864，计算出终端节点测量的温度、湿度值并显示在液晶屏上。通过适当的软、硬件抗干扰 处理，设计出的多点无线温湿度采集系统具有实用性、小型化等特点。 【关键词】温度；湿度；无线；ATMEGA16L；CC2420；SHT11 The Design of W ireless Monitoring System Based Oil Zigbee ZHANG Hui—kang ZHANG Jian-tao ZHAO Chun—ping JIANG Yuan (Department of Physics，Shaanxi University of Technology，Hanzhong Shaanxi，723000，China) 【Abstract]Based on the protocol of ZigBee，establishing a new star network system and creating a monitoring system under the agreement，the network system，using the integrated temperature and humidity sensor SHT11，sampling each terminal node to calculate the temperature，humidity and displayed on the LCD screen．ATMEGA16L iS used as system terminal node core、SHT1 1 for the acquisition equipment，a professional ZigBee transmission module CC2420．ATMEGA16 an d CC2420 alSO were used as the master part and the tran sfer too1．combined with LCD 12864．Through appropriate software and hardware anti-jamming processing，make this system more pratica1． 【Key words】Temperature；Humidity；Wireless；IEEE802．15．4；ATMEGA16L；CC2420；SHT1 1 O 引言 随着微电系统．片上系统，无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速 发展，孕育出了无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)，并以 其低功耗，低成本，分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变 革。无线器网络就是由许多这些传感器节点协同组织起来，节点可以 随机或者特定地布置在目标环境中，它们之间通过特定协议 自组织起 来，能够获取周围环境的信息并且协同工作完成特定任务。 1 ZigBee技术 ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术 。它是一种介 于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。ZigBee协议比蓝牙、高速率 个人区域网(PAN)或802．1lx无线局域网更简单实用。ZigBee技术的 主要特点包括以下几个部分： 1．i 数据传输速率低，只有 10kbps一250kbps，专注于低传输应用。 1．2 功耗低，在低耗电待机模式下 ，两节普通2号干电池可使用 6个 月 以上 。 1．3 成本低，因为 ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低 了成本。 1．4 网络容量大每个 ZigBee网络最多可支持 255个设备。也就是说 每个 ZigBee设备可以与另外 254台设备相连接。 l～ 工作使用的频段分别为 2．4GHz、868MHz(欧洲)及 915MHz(美 国)均为免执照频段。 1．6 ZigBee主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各 种电子设备之间。 2 系统总体设计思想 图 1 无线传感器网络星形拓扑图 该网络(图 1)由多个终端节点，一个主节点和显示设备组成。终 端节点负责环境数据的采集，主节点负责网络的建立、维护以及终端 数据的收集和显示。终端节点和主节点之间是无线双向通信。终端节 点和主节点的设计正如一般无线传感器网络节点的设计一样。包括数 据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元四部分。数 据采集单元主要由各种传感器构成，用来感知周围环境参数：数据处 102 理单元主要由MCU和协议栈组成，MCU用来对传感器感测到的数据 进行处理，而协议栈则规定了节点间通信的规则；数据传输单元主要 由无线收发芯片组成．用来接收和发射信息。 本设备主要通过多个终端节点和一个调节器主节点构成这个 ZigBee无线网络系统，终端节点主要有温湿度传感器 SHT11，无线传 感器CC2420，处理芯片ATMEGA16L组成如图2所示。而调节器主节 点有一个处理芯片 ATMEGA16L和一个显示设备 LCD12864组成，如 图3所示．主节点通过与终端节点的通讯将各个点的局部温湿度收集 起来进行有效的监控。 图 2 终端节点框图 3 系统硬 件设计 图 3 协调器节点框图 3．1 温湿度传感器电路设计 由于本课题的重点不在传感器方面，所以在传感器模块上只用了 一 个温湿度传感器来采集环境的温湿度数据．然后通过无线收发模块 传输到主节点上。传统的模拟式湿度传感器～般都要设计信号调理电 路并需要经过复杂的校准和标定过程，因此测量精度难以保证 ．且在 线性度、重复性、互换性、一致性等方面往往不尽人意。SHT1 1是瑞士 SENSIRION公司推出的基于CMOSensTM技术的新型温湿度传感器。 该传感器将 CMOS芯片技术与传感器技术结合起来．从丽发挥出它们 强大的优势互补作用。 3．1．1 SHTl 1的结构特点 由于将传感器与电路部分结合在一起，因此 ，该传感器具有比其 它类型的湿度传感器优越得多的性能。首先是传感器信号强度的增加 增强了传感器的抗干扰性能，保证了传感器的长期稳定性 。而A／D转 换的同时完成，则降低了传感器对干扰噪声的敏感程度。其次在传感 器芯片内装载的校准数据保证了每一只湿度传感器都具有相同的功 能，即具有 100％的互换性。最后，传感器可直接通过 I2C总线与任何 类型的微处理器、微控制器系统连接，从而减少了接 M电路的硬件成 科技信息 。机械与电子0 2010年 第 21期 本 ．简化了接口方式。在本次设计中，由于AVR具有专门的I2C寄存 器．所以很方便的进行通讯，如图4所示为其内部结构。图 5为 AVR 单片机与 SHT11的电路连接图。 、 一 一 图 5 SHT11与 ATMEGA16L的连接 图 3．1．2 SHT11的性能特点 SH1’11温湿度传感器的主要特性如下： (1)将温湿度传感器、信号放大调理、MD转换、I2C总线接口全部 集成于一芯片(CMOSensTM技术)； (2)可给出全校准相对湿度及温度值输出； (3)带有工业标准的I2C总线数字输出接口； (4)具有露点值计算输出功能； (5)具有卓越的长期稳定性。 3．1．3 温湿度值的计算 SHT1l可通过 I2C总线直接输出数字量湿度值．其相对湿度数字 输出特性呈一定的非线性 ，为了补偿湿度传感器的非线性，可按如下 公式修正湿度值： RHli一 =CI+C2xSO~+C3xSO 式中：RH。 为经过线性补偿后的湿度值 ，S0 为相对湿度测量 值，C1、C2、C3为线性补偿系数。 对线性补偿后的湿度值进行温度补偿很有必要。补偿公式如下： RH =rr一25)x(t1+t2xSOaH)+RHli 温度传感器的读数值 M也呈非线性，必须代人下式才能计算出 被测温度值 Tf℃)： T=dl+d2M d1和 d2为特定系数，dl的取值与SHT11工作电压有关，d2的取 值则与SHT11内部MD转换器采用的分辨率有关。 3．2 单片机与液晶模块电路设计 该部分电路功能主要将主机处理后的数据显示出来 ，该模块与单 片机连接简单，三位控制13分别与液晶模块的 RS、R／W、E相接 ，如图 6所示。在本次设计中用 AVR的JTAG接口和 12864的这三位进行连 接。注意的一点是需要将熔丝位设置JTAGEN设置为 1。这样就可以 将 PC[5：2]设置为普通10口。 图 6 12864与 ATMEGA16L连接 图 4 系统软件设计 4．1 星形网络拓扑实现 星形网络的建立．如 IEEE 802．11或者 Bluetooth中有一个基站或 者接入点来控制在网络中其他节点的通讯，有时候也被称为“hub and spoke”或点对多点拓扑．在这个系统中所有的通信信号都会汇集到一 个单一的模块节点上。星形网络中的信号被集中到一个中心接人点。 中心接人点与其他子节点的无线连接质量决定网络的可靠性。 整个系统的硬件大致包括以下元件：ATMEGA16L、CC2420模块、 SHT11温度传感器、LED指示灯、按键、12864液晶显示等。其中LED 指示灯是用来指示系统运行的情况的。 4．2 星形网络节点程序实现 本系统程序设采用分层设计思想，主要分四层：物理层、MAC层 、 网络层和应用层。物理层主要完成底层 MCU端 口初始化、SPI初始 化、UART初始化以及对 CC2420寄存器和 RAM的读写操作。MAC层 在物理层 的基础上主要完成对 CC2420信道 、ShortAddr、IEEEAddr、 PANID等的设置 ，以及 CC2420发送和接收数据包的实现。MAC层程 序设计流程如下： 4．2．1 主程序流程图，如图7所示。 4．2．2 CC2420初始化程序流程图，如图 8所示。 4．2．3 发送程序流程图，如图9所示。 4．2．4 接收程序流程图，如图 10所示。 图 7 主程序流程图 图 8 CC2420初始化程序流 程图 l I 扁研髓送 I 图 9 发送程序流程图 图 10 接收程序流程图 5 结语 本文着重介绍了无线传感器网络的硬件平台搭建、网络组建、网 络中节点的软件架构的设计。本文实现的硬件节点选(下转第 116页) 103 固晕 2010年 第 21期 SCIENCE＆TECHNOLOGY INFORMATION 0高校讲坛0 科技信息 观察、认真思考对方的一举一动。这样才能够“知己知彼，百战百胜”。 俗话说脑袋越用越聪明，这样讲是通俗的，按照科学的方法就是可以 通过改善青少年大脑的物质结构和技能状况．全面发展观察力，广泛 的训练记忆力，启迪诱导想像力，帮助提高思维力，为智力开发创造良 好的生理环境条件。素质教育以培养创造精神和实践能力为重点．而 跆拳道恰好是培养人们开动脑筋，不断创新，发挥想象力的新兴学校 体育运动项目。现代跆拳道运动是从远古时候人们为了生存的简单搏 斗方法中．经过长期实践的演变、完善和不断创新而发展起来的。从另 一 种角度来讲，没有人们在实践中的不断创新发展就不会有现在的跆 拳道和将来的跆拳道。因此可以看出，学习跆拳道能很好的促进人们 智力发挥。 3 对我国人们健康的促进作用与武术的目的 看一个人是否健康不不是单单指的是身体健康，还要看心理是否 健康。中国武术始终在这个问题上起到了一个主导作用，因此在中国 来说只要说道健康就有人能够想到了中国武术同样跆拳道的技术动 作是由全身协调配合，主要通过各种各样的腿法来 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现。他能很好地 促进人体的力量、速度、灵敏、耐力、协调等全面身体素质的发展，具有 强身健体的作用。目前，由于社会的进步和人们生活水平的提高，加上 生活节奏的加快，人们的活动相对减少，青少年参加的体育活动也是 很少的，身体健康状况逐年下降。这种趋势很是让人担心。今人欣慰的 是人们逐渐认识到参加体育运动的重要性 ，从事跆拳道运动练习的人 数与剧增。练习跆拳道的人的身体素质都有大幅度提高。由于在比赛 和平时训练中要经常临场应变技战术．或是快速进攻，或是主动后撤 再反击，或是腾空劈腿，或是后踢接后旋踢，这对习练跆拳道的人的身 体素质又提出了一定的要求。通过跆拳道练习可以提高神经中枢的灵 活性，提高神经中枢协调各器官的能力。 跆拳道心理学基础。是这样描述的。跆拳道同中国武术一样都是 东方传统文化的重要组成部分，具有浓厚的民族特色和传统精神。跆 拳道是人们把人类生存的本能意识通过肢体有力的动作表现出来，其 所有动作都是以自身的防卫本能作为基础，然后逐渐变为一种主观信 念，从防御动作发展到进攻形态，最终达到自动化的行为阶段。跆拳道 的本身蕴藏着一种精神追求和信念，最重要的一点是强烈的爱国热情 和为正义献身的崇高精神。道 ，作为一种民族精神的体现，要求练习者 须具备勇猛、善战、敢打敢拼的素质，培养坚韧不拔的作风，讲究礼仪 修养以及完善的人格。因此练习跆拳道可内修精神、性情，外修技术、 身体 ，培养出常人难以达到的意志品质和忍让谦恭的美德，是培养人 们优秀品格的有效方法，并增强民族凝聚力和激发爱国精神。而这一 切，都是在人的心理适应能力的基础上引导进行的。跆拳道练习推崇 “以礼始，以礼终”的尚武精神，练习中要以“礼义廉耻，百折不屈”为宗 旨，因此，可以培养人顽强果断、耐劳的精神，磨炼人坚韧不拔、积极向 上的品质，养成礼让谦逊、宽厚待人的美德，造就人热爱祖国、勇于献 身的思想，为社会和国家造就具有优秀品质的建设者。跆拳道中的“礼 仪”是跆拳道基本精神的具体体现。跆拳道练虽然是以格斗的形式进 行，但是不管它怎样激烈，由于双方都有是以提高技艺和磨炼品质为 目的，所以在双方各自内心深处都必须持有向对方表示敬意和学习的 心理。因此在练习或比赛前后都一定要向对方敬礼，即跆拳道是练习 者精神和身体的综合修炼．使练习者在艰基的磨炼中培养出理想的人 格和体魄，并能够真正掌握防身自卫的本领，因而对练习者精神锻炼 一 环中就必须包括“礼仪”的教育和熏陶。“礼仪”是跆拳道运动必不可 少而且十分重要的组成部分。礼节是跆拳道练习过程中必须具备和行 为规范。练习跆拳道的人要持正确的练习的和认识态度，对跆拳道的 历史、内容、特点、作用及教育意义有全面的了解和认识。练习时衣着 端正，头发整洁，对教练、同伴时都要体现出恭敬、服从、谦虚、互助互 学的心态。谦逊和正确的言语 ，谦让和友好的态度．虚心和好学的作风 也是跆拳道练习遵循的重要礼仪。礼仪不只是形式上的表现，而是要 发自内心地实施它，在长期练习和比赛的过程逐渐将礼节形式转化为 心理动力。最常用的礼节表示方式是向教练、同伴敬礼。训练之余，无 论是在学校或家中谈话、用餐、打电话、介绍他人或访问亲友时，都要 按一定的礼节进行 ．将礼仪意识带到练习者生活、学习及工作的各个 方面．锻炼人克已礼让、宽厚待人和恭敬谦逊的道德品质。 因此跆拳道不但在身体上而且在心理上给我国的人们有了巨大 的促进作用，同样也为社会的健康发展起了促进作用。 4 结论 综上所述，跆拳道在我国的兴起与发展并不是偶然的，而是在中 国社会这样一个武术博大精深的基础上发展的同时也是人们的需求 与人们的要求所达到的共同的结果，同样也是社会发展的必然结果， 它通过各种方面来表达了跆拳道的运动是与人们以及人们所处的社 会发展有关系的，它的发展规模以及社会影响力同样也代表了这个国 家的人们所处的社会水平以及发展地位。它能够在以比任何地方都迅 猛的发展并且得到成就就是与中国的武术国风是密不可分的。 【参考文献】 [1]孟庆波，等．从跆拳道的发展看中国武术的国际化推广fJ1．山东体育学院学报 2002． [2]陈立人．跟专家练跆拳道． [3]高谊，等．跆拳道[M1．北京体育大学出版社，I998 [4]孙茂君．对跆拳道运动发展的思考． [5]俞达．试论有中国特色的“打练结合”的武术散打模式的建立． [6]徐杏玲，季敦山．谈影片《叶问》蕴含的武术价值． [7]张智录，等．中国传统健身术探析． (上接第 1O3页)择 CC2420作为无线收发芯片的一个显然的优势就 是它工作于 ISM免执照频段。此外，由于芯片采用了休眠模式，使其具 有超低能耗和以年计算的寿命。由于芯片的成本低，因此也就更符合 传感器网络需要大量分布节点的特点。再者，芯片已经集成了CRC和 数据完整性检查等功能，这就相对减少了程序员编程的工作量 ，而且 硬件处理速度一般都快于软件处理速度，因此加快了通信的速度，减 少了能量消耗。 【参考文献J [1]马潮．AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M】．北京：北京航空航天大学 出版社．2007(1o)． [2]徐勇军．无线传感器网络实验教程【M]．北京：北京理工大学出版社，2007(8)． [3]代忠，樊晓光，万明．基于射频芯片 CC2420ZJ-gBee无线通信节点设计叫．传感 器世界．2006(5)：41_44． [4]李志宇，史浩山．基于ATmegal6L的无线传感器网点设计与实现[J]．计算机工 程与应用，2Oo6(27)：76—79． [5]王吉富，马建仓，卢崇．基于单片机控制射频芯片CC2420无线通信的实现[J]． 116 [责任编辑：翟成梁] 电子测量技术．20o7． [6]蒋建辉．zi曲ee网络的设计与实现[D]．江苏：苏州大学，2006． [7]史永彬．自组织无线传感器网络技术的研究与实现fD]．湖南：国防科学技术大 学研究生院 ．2005． [8]卢超．分布式矿井温度监测系统的设计[JJ．煤炭科学技术，2007，12：51～54． [9]卢超．基于 PC机与单片机分布式温度采集系统的设计叨．仪表技术与传感 器。2007．06：38—40． 作者简介：张会康(1988一)，男，陕西汉中人，陕西理X-学院物理系，研究方向 为电子信息科学与技术。 张健涛(1988一)，男，陕西汉中人，陕西理工学院物理系，研究方向为电子信息 科学与技术。 赵春"ff'-(1988--)，男，陕西汉中人，陕西理工学院物理系，研究方向为电子信息 科学与技术。 蒋媛(1981一)，女，陕西汉中人，陕 西理工 学院物理 系助教，研 究方向为电子技 术 ，模 式识 剐。 [责任编辑：常鹏飞]