本科毕业论文-基于ZigBee的数据采集系统的设计 - 图文

西安航空学院本科毕业设计（论文）

一特点使得该技术可以广泛的用于各种设备，比如机顶盒、无线点灯等家用设备。2009年4月，ARM和Ember宣布Ember的下一代ZigBee半导体将采用ARMCortex-M3处理器，为快速增长的ZigBee市场设置一个高性能和低功耗的新标准。

2009年五月份ZigBee联盟同欧洲智能计量产业集团（European Smart Metering Industry Group，ESMIG）一起为欧盟（European Union，EU）的无线智能化的计量产业技术定义了各种设备之间兼容的通信标准规范。

ZigBee技术进入中国国内时，其技术已经发展相对成熟。虽然ZigBee在国内起步较靠后，但是它如雨后春笋的快速发展，新的应用ZigBee技术的产品和新兴企业遍地开花。比如在2007年我国的华立仪表公司就和Ember开启了关于新型的基于ZigBee技术的集中抄表系统的创新项目进行了合作，并且这个项目在过后两年的时候得到了政府科技部门的认可。这个项目就是利用Ember公司所生产的ZigBee芯片还有IEEE 802.15.4标准协议完成了无线数据协调器、无线数据采集终端还有其所用软件的设计，从而组成了这个新型的无线智能抄表系统，实现了远程无线抄表和管理功能。

近年来将ZigBee技术与GSM网进行结合，实现无线定位数据采集功能，是今后的一个重要发展方向。由赫立讯科技公司开发的ZigBee无线定位技术，在我们日常的生活中已经得到了应用，比如应用在隧道工程安全领域，可以为工程人员提供更可靠的安全防护，防止事故发生提供了很大帮助。如今，国内多所知名高校和研究机构都开始了对ZigBee技术的研究，成立了相应的科研小组。在当今的中国无论是企业还是科研机构都在对ZigBee技术进行深入研究，使人们的生活更加的智能化，工厂生产的效率更高成本更低。随着对无线通信技术研究的不断深入，相信将来在医疗方面、家居方面、工业控制方面都会得到广泛应用，有更多的国产无线通信产品闯出国门，进入世界市场。

1.4 基于ZigBee的数据采集系统的意义

利用ZigBee技术进行数据采集，除了能够实现无线数据采集系统的优点外，还具有以下优点：

（1） 低耗能：ZigBee的发射功率为1mW，按照一直保持在工作状态计算，一个ZigBee节点使用一节5号电池可以六个月时间，在休眠状态工作可以工作长达两年时间，这是其他无线设备没有办法超越的。

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（2） 低成本：由于他们的ZigBee协议时免除专利费的，使得ZigBee模块的基础成本为$ 6左右。

（3） 延时短：无论节点在工作状态还是休眠状态，状态时延都是非常短的。休眠和有源器件的时间延迟都仅为15ms[3]。

（4） 网络容量大：一个ZigBee节点充当协调器时组建网络，分配254个地址给终端检测节点。一个区域可以同时存在100个ZigBee网络。

（5） 组网方式多样：当网络节点过多时，数据采集节点也可以作为协调器节点起到路由的作用，为子节点分配地址。这种组网方式是柔性的，ZigBee网络可以由节点设备动态的添加而改变，形成多样的拓扑结构。

（6） 可靠：碰撞规避策略被采用，和一个专用时隙被保留用于需要被固定带宽的通信服务，并避免数据传输的竞争和冲突。 MAC层采用完全识别的数据传输方式，各派出都必须等待接收方的确认消息的信号。

（7） 自配置：ZigBee节点在通过协调器的方式用载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA-CA）的方式自动访问信道；加入或在任何时候离开设备节点，这是一种自我配置，自我组织的网络模式。

（8） 高安全性：ZigBee利用的是循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，CRC）技术[3]。这种检测方式可以进行数据分组完整性检测，为了提高数据的安全性，使用了AES-128算法，使每个程序都可以安全的运行。

克服了传统数据采集方式的缺点，基于低功耗、低速率、比成本、高安全性的无线ZigBee数据采集系统，是今后数据采集系统的发展方向。

1.5 论文主要内容与组织结构

本课题主要进行了基于ZigBee无线温湿度数据采集系统的设计。主要使用了两块ZigBee模块，一个作为网络协调器接收数据，另外一个作为采集模块进行数据采集。DHT11型数字式温湿度传感器用于数据的前端采集，采用LCD12864显示现场的温湿度。

以下是本文各章的内容概述：

第一章作为的绪论部分，主要分析了无线数据采集的系统相对于有线的电缆传输的优势，并指出了对于ZigBee技术的国内外研究现状和研究本课题的意义。

第二章主要从系统总体设计层面介绍了ZigBee标准协议，从ZigBee的OSI七层

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网络结构到无线网络的建立。对每个网络功能层功能、组网方式进行了介绍，通过对比完成了系统芯片CC2530的选择。

第三章主要是本设计的硬件电路部分，除了CC2530芯片的基本单元电路，还有其他外围电路，如数据采集电路等。并且完成了温湿度传感器选型的问题，确定使用DHT11型传感器。

第四章主要为本设计的软件设计，使用开发环境IAR Embedded Workbench对各模块进行调试并编译，达到系统设计要求。

第五章是对本设计，无线数据采集系统设计的总结，提出了不足，并提出了改进方案。

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第二章 系统总体方案设计

2.1 系统的设计原则

（1） 低功耗：由于环境和设备需长期运行等原因，数据采集节点必须做到低功耗，以保证采集系统能在电池供电的条件下做到正常运行半年以上甚至更长的时间。

（2） 高可靠性：工作现场条件恶劣，干扰因素多，以及元器件型号的选择等因素都会导致数据受到来自外部和内部的各种电气干扰。为了得到高精度的数据，必须提高系统的可靠性。

（3） 自组织性：如果采集系统终端节点出现故障，导致数据采集网络拓扑结构变化或者数据传输不畅，可能会使整个系统停止工作。因此，需要系统具有自组织性，在节点出现故障时能自动形成新的拓扑结构。

2.2 系统硬件组成

ZigBee数据采集系统通常情况下都采用点对点的无线通信网络结构。利用两个ZigBee模块，其中一个模块充当整个无线检测网络的网络协调器功能，起着管理控制整个网络和接收由另外一个节点采集数据的结果的功能。这种网络拓扑结构是以一种一对多的方式完成模块之间数据的发送和接收。基于ZigBee的数据采集系统的结构如图2.1所示。

数据采集终端数据采集终端ZigBee终端节点ZigBee终端节点2.4GHzISM频段RS232通信ZigBee协调器节点LCD显示···数据采集终端ZigBee终端节点图2.1 基于ZigBee的数据采集系统整体结构

由上图可知，基于ZigBee的数据采集系统主要包括：数据采集终端节点、网络协调器节点、ZigBee终端节点和LCD显示模块。

（1） 数据采集终端节点：此模块的主要功能是为了准确获得终端节点温湿度、压力、PH值等现场实际参数。

（2） 网络协调器节点：此模块电路就相当于整个无线数据监测网络的大脑，它

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