基于ZigBee技术的温度采集系统的设计毕业设计论文.docx
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基于ZigBee技术的温度采集系统的设计毕业设计论文
毕业设计(论文)
BACHELORDISSERTATION
论文题目:
基于ZigBee技术的温度采集系统的设计
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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指导教师签名:
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日 期:
学位论文原创性声明
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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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日期:
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年月日
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日期:
年月日
注意事项
1.设计(论文)的内容包括:
1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)
2)原创性声明
3)中文摘要(300字左右)、关键词
4)外文摘要、关键词
5)目次页(附件不统一编入)
6)论文主体部分:
引言(或绪论)、正文、结论
7)参考文献
8)致谢
9)附录(对论文支持必要时)
2.论文字数要求:
理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括:
任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。
4.文字、图表要求:
1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请他人代写
2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画
3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印
4)图表应绘制于无格子的页面上
5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档
5.装订顺序
1)设计(论文)
2)附件:
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩:
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年月日
教学系意见:
系主任:
(签名)
年月日
基于ZigBee技术的温度采集系统的设计
中文摘要
现如今越来越多的产业在发展,在发展过程中,温度对设备能否正常工作有着决定性作用。
而此时,传统的温度检测设备已经不能满足现在的需求,应用而生的是新的无线温度检测设备,通过无线连接来检测和传输温度,这其中应用很广泛的就是ZigBee技术。
它具有高安全性、低功耗、使用便捷等优势,是传统传感器所不能替代的。
本次设计是基于ZigBee技术的温度采集系统设计,设计的主要部分有以下几点:
温湿度采集模块、无线传输模块、显示模块。
其中主控制器是CC2530,选用DS18B20和DHT11传感器和显示屏OLED12864,设计一款无线温度采集、实时显示的电路。
本设计完成了数字传感器采集温度,在显示屏上显示,然后通过ZigBee技术传输给协调器,再通过协调器传输到上位机,实现环境温湿度的实时采集和显示。
关键词:
ZigBee;CC2530;温湿度传感器;OLED12864;无线传传感技术
ThedesignofthetemperatureacquisitionsystembasedonZigBeetechnology
ChineseAbstract
Todaymoreandmoreindustriesinthedevelopment,inthedevelopmentprocess,temperaturesontheequipmentworkscorrectlyplaysadecisiverole.Butthistime,thetraditionaltemperaturemeasurementdeviceshavebeenunabletomeetcurrentneeds,applicationsandnewwirelesstemperaturetestequipment,todetectandtransmitinformationoverawirelessconnection,whichistheZigBeetechnologyiswidelyused.Ithasadvantagessuchashighsecurity,lowpowerconsumption,easytouse,traditionalsensorscannotbesubstituted.
ThisdesignisthedesignoftemperatureacquisitionsystembasedonZigBeetechnology,designhasthefollowingmainpartsofwhattime:
temperatureandhumiditydataacquisitionmodule,wirelesstransmissionmoduleanddisplaymodule.MaincontrolleristheCC2530,selectionofDS18B20OLED12864andDHT11sensorsanddisplays,designedawirelesstemperaturedataacquisition,real-timedisplayofthecircuit.
Thisdesigncompletedigitalsensortemperature,displayedonthescreen,andthenthroughtheZigBeetechnologytransferCoordinator,throughtheCoordinatortransfertoPC,real-timecaptureanddisplayofenvironmentaltemperatureandhumidity.
Keywords:
ZigBee;CC2530;temperatureandhumiditysensors;OLED12864;wirelesssensortechnology
第一章绪论
1.1选题背景
在我们生活和生产中温度是最基本的一个参数,在很多情况下,都必须要实时测量温度,这样才能保证生产的安全性。
比如说当锅炉里的温度过高时,就有可能会出现事故,这时我们就必须要对它的温度进行实时检测,确保安全性。
再比如说电缆沟也需要测温,电缆关系着网络的运行状态,故我们需要及时知道它内部的温度是多少,保证电缆正常工作。
所以我们就经常需要对它进行检测、监控。
随着科学技术发展速度非常快,传统的有线传感器网络由于布线不方便等很多问题,已经无法满足一些特定情况下的需求了。
此时首先想到的就是通过无线通信技术来进行监控。
无线通信技术又可以划分四种类型,分别WWAN、WMA、WLA,和WPAN。
其中个人无线域网WPAN中就包含了ZigBee无线技术。
ZigBee无线传感器网络解决了环境检测范围大、测量距离远、布线不方便等问题。
给我们在传感器网络方面提供了全新的思路。
1.2课题研究的目的
本次的设计题目是基于ZigBee技术的温度采集系统的设计,设计一种以ZigBee模块为基础的无线温度传感器监测系统。
本次课题研究的目的是为了了解ZigBee网络的工作原理,采用ZigBee模块、DS18B20数字温度传感器和DHT11数字温湿度传感器,设计一个基于ZigBee技术的温湿度采集系统,实现对温湿度的实时采集和显示,并通过ZigBee协议传给上位机。
设计相应的串口调试、显示电路、供电电路等硬件电路以及终端节点、路由器、协调器等部分的软件部分的设计。
1.3课题研究的意义
和传统的传感器技术作比较,ZigBee技术具有很多的优点,比如说它的成本很低、功耗低、传输的延时很短、包含的信息容量大并且传输过程精度和安全性都很高。
ZigBee技术因为使用便捷并且复杂度低,所以非常广泛的被使用。
它在距离短、范围小的基于无线通信的控制领域很适用,并且它还弥补了传统传感器很多不足的地方。
在软件方面,ZigBee协议能够非常方便的在硬件平台间进行移植。
所以在生活和生产中的应用非常的广泛。
1.4课题的主要任务
本次设计主要是针对传统的有线传感网络的缺陷,设计一个基于ZigBee技术的无线的能够实时检测温度的传感器,本次课题的主要任务如下:
(1)深入了解ZigBee技术
了解ZigBee的特点、ZigBee协议、怎样工作等方面的内容。
(2)实现温湿度采集
本设计通过数字传感器DS18B20和DHT11采集环境中的实时温度信息。
(3)实时显示温湿度
为了让用户能够准确的了解实时温度,本设计设立了液晶显示电路,显示器我们用的是OLED12864显示屏,当温度和湿度信息被传感器采集到以后,就会快速在显示屏上显示此时的温湿度。
第二章ZigBee简介
2.1ZigBee概述
ZigBee这个词来源与蜜蜂的ZigZag形式的舞蹈,它是一种复杂度、成本、功耗、速率都非常低的近距离无线组网通信技术[1]。
他的体系机构是由层作为每个模块而组成的,其中每一层都会调用函数、程序给它的上层,让上层能够进行正常的工作。
ZigBee协议是基于IEEE802.15.4标准的,由ZigBee联盟和IEEE802.15.4共同制定。
IEEE802.15.4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[2]。
在2002年成立了ZigBee联盟,提供网络层和应用层定义了ZigBee协议的网络层(NWK)、应用层(APL)和安全服务规范。
物理层(PHY)定义了无线射频应该具备的特征,提供了三种不同的频段,它们分别是868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz和2400MHz-2483.5MHz。
分别支持20kbps、40kbps和250kbps的传输速率,1、10及16个不同的信道[3]。
当处于不同的频段时,信道的中心频率也会不同,具体如下:
(k表示的是信道号码)
PHY的主要工作有:
(1)开关收发器、接收和发送分组数据;
(2)选择信道该用什么频率;
(3)检测信道的能量。
处于不同频段的ZigBee体系,在工作时它的码片速率和调制的方式也是不同的,如下表1所示。
表1频段和数据率
媒体接入控制子层(MAC)负责控制无线信道的访问和近距离节点间的链接问题。
它的主要工作就是产生和管理信标、信道接入和断开等。
协议网络层(NWK)给网络节点提供地址和管理组网等。
它的主要工作就是加入和离开网络机制,ZigBee协调器的网络层的功能还有负责建立网络。
在ZgBee的网络节点中主要有协调器(Coordinator)、路由器(Router)和终端节点(EndDevice)这三种不同类型的节点[4]。
它的拓扑形式也有三种:
分别是星型结构、树型结构和网状结构。
星型结构顾名思义就是有一个中心,然后外围有很多结构和中心连接。
在ZigBee中就是由多个终端节点和一个协调器进行连接而组成的。
协调器的主要作用跟信号塔一样,就是组建起一个无线网络区域,然后终端节点都会加入这个网络,与协调器进行无线数据的传输。
树型结构是星型结构的延续,它的整体模型也和星型结构差不多,外围多个结构和一个中心相连,而这里的外围结构是已经组好的星型结构网络,然后这些星型网络再和一个协调器连接,构成树型结构的网络。
这个结构能够覆盖的工作范围更大。
网状结构是终端节点之间相互连接并能够进行通信。
它的优点就是减小了传输的延时和网络更加可靠[5]。
本次设计采用的就是星型结构,因为构架这个网络比较方便,切根据设计要求,这个网络类型已经能够满足设计要求。
星型结构图示如下所示。
图1星型结构示意图
2.2ZigBee协议栈
2.2.1简介
什么是ZigBee协议栈?
它和ZigBee写有有什么关系?
简单来说,协议是通信标准,而协议栈就是具体实现这些标准,为用户和这些协议之间提供一个接口,让我们能够使用这个协议,从而来实现无线传输[6]。
如下图,是ZigBee协议层的架构图。
图2ZigBee协议层架构
由图可以看出,整个ZigBee协议体系是由物理层PHY、介质接入控制子层MAC、网络层NWK、应用支持层APS和应用层APL这5个层构成[7]。
其中的MAC层和PHY层由IEEE802.15.4一2003标准定义,而ZigBee联盟则在此基础上定义了APL层和NWK层[8]。
ZigBee协议栈将这5个层定义的协议都整合到了一起,并且写成了函数的形式,通过APL用户就可以直接用了。
它具体的分层架构和代码文件夹如下表。
表2ZigBee协议栈分层信息表
2.2.2如何使用协议栈
协议栈简单说就是调用它的代码、函数库[9]。
现在一般用的协议栈,它的底层程序代码都已经写好了,我们只要根据功能模块要进行什么样的工作而进行相应的调用就可以了。
比如说我现在想把数据从一个设备传输到另外一个设备,下面是实现一个简单的无线数据传输过程的一般步骤:
(1)建立组网:
调用协议栈的组网函数和加入网络函数,实现网络的建立和终端的加入;
(2)发送端发送:
此时要调用无线发送数据函数;
(3)接收端接收:
此时要调用无线接收数据函数。
第三章系统设计方案
3.1设计框图
图3系统设计框图
3.2方案论证
温湿度检测系统有一些共同的特点:
第一点就是有非常多的测量点,第二点环境不相同且比较复杂、第三点布线分散、测量点离监控室远等。
假如我们使用一般的温度传感器来采集温度信号,它输出的就是模拟信号,这时我们就需要设计很多其他的电路模块,比如说信号调节电路、A/D转换电路及相应的接口电路,通过这些转换,才能把传感器输出的模拟信号变换成数字信号从而送到上位机。
但是外界存在的干扰非常多,就有可能会使系统的检测结果出现较大的误差;又由于测量时环境条件复杂、信号传输的距离远、测量点很多等各种因素的干扰,会让整个检测模块的稳定性和可靠性下降。
所以温度检测系统有两个关键部分的设计:
选择温度传感器的种类和设计主控单元。
温度传感器的应用范围很广泛、使用数量多、也高居各类传感器之首。
3.2.1传感器的选择
方案一:
使用热敏电阻来测量温度,这个可以测量40摄氏度到90摄氏度的温度区间,可是这个热敏电阻的是通过感知温度的变化而电阻值发生变化,从而测的温度,所以它的测量精度、重复性和可靠性都比较差,对于检测温度变化区间比较小的情况下是不适用的。
方案二:
采用单片模拟量温度传感器。
可是这些传感器输出的温度信号都不是数字信号,这样就要经过A/D转换后才可以传送到计算机上,这样我们就要设计一些外围电路来完成这个转换,使我们在设计测温装置结构的过程变得较复杂。
而且,它还不能测量不同地方的温度,因为这种测温传感器不能够并联在一起,所以一个传感器就要占用一根线。
就算它能完成多点测量的工作,它实现这个任务的过程也不简单,肯定繁琐,这样一定程度上也增加了设计软件实现的难度。
方案三:
采用数字温度传感器DS18B20进行测量温度,这个DS18B20输出的信号就不是模拟信号了,这样这个输出的信号就会很容易被单片机处理和控制,并且使用DS18B20时,整个设计就简单了很多,还不会像传统的测温方式那样有很多其他的外围电路[10]。
而且这个芯片的工作性质非常的稳定,是一个能够用在工业中测量温度的元器件。
这个元件有非常好的线性变化度,当从0摄氏度变化到100摄氏度的时候,它最大的线性偏差还不到1摄氏度。
DS18B20还有一个最大的特点,就是运用单总线的数据传输模式,它输出的温度信号就是数字信号,可以直接和上位机连接起来。
这样测量系统的结构设计就简单了很多,体积也小了很多,设计便捷化了,所以多点测量的设计系统就容易被实现了。
方案四:
采用DHT11数字温湿度传感器进行测量温度和湿度。
它所采集、输出的信号和DS18B20一样,都不是模拟信号,但是能够在检测温度的同时检测空气中的湿度。
而且体积小、功耗低,能够很好的运用在日常的生活中。
系统芯片化是如今测温系统的发展趋势,所以本次设计所采用的传感器全都是数字传感器DHT11和DS18B20,正好顺应了这个发展趋势。
集成化的电路,让整个电路系统看起来更加清楚,在构建电路和做电路方面更加方便和快捷。
而且,我们在运用集成化的电路时,外界环境中的很多干扰因素都能都被有效地避免,这样就使得整个测量电路的精确度得到提高。
所以在将来电路发展的一个趋势肯定就是采用集成化的芯片。
本次设计采用这个数字温湿度传感器DHT11和DS18B20也是顺应这一趋势。
3.2.2主控部分的选择
表3CC2430和CC2530功能对比表
由上表可知,和CC2430相比,CC2530芯片在很多性能方面比CC2430有了重大改进,比如说我们比较注重的封装尺寸、内存大小和RF性能等方面。
综上所述,本次设计,传感器采用DHT11,控制器采用CC2530。
3.2.3显示器的选择
方案一:
液晶显示字符大多数都是按照行数或列数、液晶点阵线的方式进行命名。
比方说0801的意思就是每一行最大为8个字符,一共显露出1行。
类似于1601,1602,0802等命名。
这类液晶显示可显示ASCII字符,只是不能显示汉字。
方案二:
采用OLED显示屏,它的工作电压、适用温度范围都很广,构造很简单,并且有自发光、对比度高、范瑛速度快这些优势。
因为OLED可以显示汉字,并且有良好的人机交互,功耗比较低。
所以选用方案二。
第四章系统硬件设计
本次设计系统的主要工作流程是首先终端节点的数字温度传感器采集温湿度信号,然后采集到的信号分成两路,一部分被传送到12864显示屏进行显示,另一部分传送到CC2530芯片进行处理,再通过PCB天线发送出去,然后协调器的PCB天线接收从终端节点发出的信号,接收到信号后传送到CC2530芯片进行处理,然后传送给上位机。
具体的工作流程示意图如下图4所示。
图4系统硬件电路工作示意图
本系统的硬件电路设计图如下图5所示。
图5整体硬件电路设计
4.1DHT11温湿度传感器介绍
DHT11是既能测量温度又能测量湿度的传感器,它输出的数字信号。
这个传感器包由三个部分组成:
感湿元器件、测温元器件和一个8位单片机连接在一起。
所以它性价比非常高、很强的抗干扰能力等优势。
并且体积小、功耗低,在很多情况下都被运用。
图6DHT11实物图
4.1.1DHT11的主要特性:
(1)工作电压范围:
3.3
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