论文部分内容阅读
一、ZigBee简介
ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4标准的无线协议，主要应用于低速率，低功耗设备的组网，支持250kbit/s的数据传输速率，可以实现一点对多点的快速组网。ZigBee技术的主要优点有省电、可靠、低、时延短、网络容量大、安全。
ZigBee设备为低功耗设备，其发射输出功率为03.6dBm，通信距离为30～70m，具有能量检测和链路质量指示能力，根据这些检测结果，设备可以自动调整发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最低限度地消耗设备能量。在组网性能上，ZigBee可以构造为星形网络或者点对点对等网络。在每一个ZigBee组成的无线网络中，连接地址码分为16bit短地址码或者64bit长地址码，具有较大的网络容量。
二、系统硬件设计
（一）传感器电路
1.温度采集电路
本系统所采用的温度传感器型号为LM61。该传感器是一种精密的集成电路温度传感器，它由单电源供电，供电电压为+2.7V。温度测量范围从-300C至+1000C。LM61的输出电压与摄氏温度成线性关系（+10mV/oC），具有+600mV的直流偏量， 通过该直流偏量就可以读出负温度而无需负电压供电。
温度采集电路的结构简单， LM61只有三个引脚，一个供电引脚，一个输出引脚，一个接地引脚。只需在输出端外接一个滤波电容就 完成电路的设计。该传感器输出的数据为模拟量，通过A/D转换就可以读出温度值。
2.湿度采集电路
湿度指的是空气中水蒸气的含量，其表示方法有绝对湿度、相对湿度等，我 们通常所说的湿度是指相对湿度。相对湿度的定义是单位体积空气内实际所含的 水蒸汽密度和同温度下饱和水蒸气密度的百分比，用RH表示。湿度传感器的型号为HSll01的湿敏电容，它独特的电容式单元设计，适用于那些空间大，要求低成本的场合。比如农业自动化，办公自动化以及工控系统等。它还适用于需要湿度补偿的场合。
湿度采集电路以HSll01湿度传感器充当NE555构成振荡器的振荡电容，再 外接一些电阻构成多谐振荡器电路，从而完成湿度到频率的转换。用脉冲信号加 在标准电容和串联的电路上，从他们的中点取出信号，经滤波、放大，从而完成 从湿度到电压的转换。
（二）无线传输模块的选择
在设计中选择CC2500无线射频模块。该模块是在 CC2500的基础上扩展了PA+LNA，把CC2500和几个功率放大器集成到一块PCB 板上，使得数据的传输距离得到了提升。
CC2500无线射频芯片是一种低成本真正单片的2.4GHz收发器，工作频段 设定为2400MHz～2483.5MHz的ISM（工业，科学和医学）和SRD（短距离设备） 频率波段。它的性能稳定，为低功耗无线应用而设计。
CC2500的RF收发器集成了一个数据传输率可达500Kbps的高度可配置的调 制解调器。通过开启该调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。
CC2500为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量 指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。
（三）无线射频模块与单片机的连接
CC2500无线射频模块与单片机MSP430通过SPI总线接口相连，再加上一些 外围元器件，就构成了无线收发系统。
其中，MSP430作为SPI的主控器件，既承担数据的采集和处理，同时也承担 ZigBee的通信工作，控制CC2500完成无线通信。而CC2500作为从器件，只承担 ZigBee的通信工作，负责传输数据。
SPI（Serial Peripheral interface）总线系统是一种同步串行外设接口，它 可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息，它是Motorola 公司推出的一种高速的、全双工、同步的串行通讯方式。
（四）硬件总体设计
系统选择星型网络拓扑结构的组网方式，手持接收端作为协调器，固定采集端作为终端设备。
手持接收端的电路可具体分为电源部分、实时时钟部分、基准源部分、液晶驱动部分等。
1.电源电路。电源是任何一个电子系统安全、可靠、正常运作的重要保证。这里使用SP6201的电源芯片。SP6201是为准确、快速、易用 的广泛应用场合而生产地CMOS器件。这种器件可以提供相当低的静态电流，即 使在负载的情况下，电流也只是轻微的增大一些。因此较双极器件，可以提供更好的效果。
2.实时时钟电路。本系统的时钟电路采用的是美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟芯片DSl302。
三、软件设计
由于本系统使用的微处理器是MSP430单片机，因此，我们使用C430语言作 为编程的工具，本系统的程序采用自上而下的设计思想，整个软件系统分为两大部分：采 集端软件系统和接收端软件系统。
数据传输是这样一个过程：首先手持端发送一个数据请求信号给采集端，采 集端收到数据请求信号后，返回一个成功信号给手持端。如果请求失败，则继续 发送数据请求信息，直到请求成功。接着采集端发送第一帧数据，接收端成功接 收到第一帧数据后，发送确认信号，示意采集端继续发送下一帧数据。如果手持 端没有收到第一帧数据，则不发送确认信号，继续等待第一帧数据。而采集端没 有收到确认信号，则不进行下一帧数据的发送，继续发送第一帧数据。接收端接 收完数据后，就可以结束工作了。而对于采集端，在数据发送完毕后，继续进行 数据的采集。
四、结束语
通过软硬联调，可实现数据发送与接收，并实现简单的数据统计与显示，通过串口可以将数据上传至上位机，网络的组网及路由效果良好，在短距离内，星形网络的连接通畅，各节点设备之间能实现通信.缺点是未能实现动态组网，整个数据系统必须以主控器为中心，不利于动态使用。
本项目完成了无线数据采集系统整体架构设计和底层硬件的具体实现，并达到了预期要求，系统稳定性、响应速度等性能都满足实际需求。该系统可同时对多个区域进行监测，安装维护简单，可以根据具体要求在数据采集模块上进行相应传感器的扩充以完成特定数据采集。
ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4标准的无线协议，主要应用于低速率，低功耗设备的组网，支持250kbit/s的数据传输速率，可以实现一点对多点的快速组网。ZigBee技术的主要优点有省电、可靠、低、时延短、网络容量大、安全。
ZigBee设备为低功耗设备，其发射输出功率为03.6dBm，通信距离为30～70m，具有能量检测和链路质量指示能力，根据这些检测结果，设备可以自动调整发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最低限度地消耗设备能量。在组网性能上，ZigBee可以构造为星形网络或者点对点对等网络。在每一个ZigBee组成的无线网络中，连接地址码分为16bit短地址码或者64bit长地址码，具有较大的网络容量。
二、系统硬件设计
（一）传感器电路
1.温度采集电路
本系统所采用的温度传感器型号为LM61。该传感器是一种精密的集成电路温度传感器，它由单电源供电，供电电压为+2.7V。温度测量范围从-300C至+1000C。LM61的输出电压与摄氏温度成线性关系（+10mV/oC），具有+600mV的直流偏量， 通过该直流偏量就可以读出负温度而无需负电压供电。
温度采集电路的结构简单， LM61只有三个引脚，一个供电引脚，一个输出引脚，一个接地引脚。只需在输出端外接一个滤波电容就 完成电路的设计。该传感器输出的数据为模拟量，通过A/D转换就可以读出温度值。
2.湿度采集电路
湿度指的是空气中水蒸气的含量，其表示方法有绝对湿度、相对湿度等，我 们通常所说的湿度是指相对湿度。相对湿度的定义是单位体积空气内实际所含的 水蒸汽密度和同温度下饱和水蒸气密度的百分比，用RH表示。湿度传感器的型号为HSll01的湿敏电容，它独特的电容式单元设计，适用于那些空间大，要求低成本的场合。比如农业自动化，办公自动化以及工控系统等。它还适用于需要湿度补偿的场合。
湿度采集电路以HSll01湿度传感器充当NE555构成振荡器的振荡电容，再 外接一些电阻构成多谐振荡器电路，从而完成湿度到频率的转换。用脉冲信号加 在标准电容和串联的电路上，从他们的中点取出信号，经滤波、放大，从而完成 从湿度到电压的转换。
（二）无线传输模块的选择
在设计中选择CC2500无线射频模块。该模块是在 CC2500的基础上扩展了PA+LNA，把CC2500和几个功率放大器集成到一块PCB 板上，使得数据的传输距离得到了提升。
CC2500无线射频芯片是一种低成本真正单片的2.4GHz收发器，工作频段 设定为2400MHz～2483.5MHz的ISM（工业，科学和医学）和SRD（短距离设备） 频率波段。它的性能稳定，为低功耗无线应用而设计。
CC2500的RF收发器集成了一个数据传输率可达500Kbps的高度可配置的调 制解调器。通过开启该调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。
CC2500为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量 指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。
（三）无线射频模块与单片机的连接
CC2500无线射频模块与单片机MSP430通过SPI总线接口相连，再加上一些 外围元器件，就构成了无线收发系统。
其中，MSP430作为SPI的主控器件，既承担数据的采集和处理，同时也承担 ZigBee的通信工作，控制CC2500完成无线通信。而CC2500作为从器件，只承担 ZigBee的通信工作，负责传输数据。
SPI（Serial Peripheral interface）总线系统是一种同步串行外设接口，它 可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息，它是Motorola 公司推出的一种高速的、全双工、同步的串行通讯方式。
（四）硬件总体设计
系统选择星型网络拓扑结构的组网方式，手持接收端作为协调器，固定采集端作为终端设备。
手持接收端的电路可具体分为电源部分、实时时钟部分、基准源部分、液晶驱动部分等。
1.电源电路。电源是任何一个电子系统安全、可靠、正常运作的重要保证。这里使用SP6201的电源芯片。SP6201是为准确、快速、易用 的广泛应用场合而生产地CMOS器件。这种器件可以提供相当低的静态电流，即 使在负载的情况下，电流也只是轻微的增大一些。因此较双极器件，可以提供更好的效果。
2.实时时钟电路。本系统的时钟电路采用的是美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟芯片DSl302。
三、软件设计
由于本系统使用的微处理器是MSP430单片机，因此，我们使用C430语言作 为编程的工具，本系统的程序采用自上而下的设计思想，整个软件系统分为两大部分：采 集端软件系统和接收端软件系统。
数据传输是这样一个过程：首先手持端发送一个数据请求信号给采集端，采 集端收到数据请求信号后，返回一个成功信号给手持端。如果请求失败，则继续 发送数据请求信息，直到请求成功。接着采集端发送第一帧数据，接收端成功接 收到第一帧数据后，发送确认信号，示意采集端继续发送下一帧数据。如果手持 端没有收到第一帧数据，则不发送确认信号，继续等待第一帧数据。而采集端没 有收到确认信号，则不进行下一帧数据的发送，继续发送第一帧数据。接收端接 收完数据后，就可以结束工作了。而对于采集端，在数据发送完毕后，继续进行 数据的采集。
四、结束语
通过软硬联调，可实现数据发送与接收，并实现简单的数据统计与显示，通过串口可以将数据上传至上位机，网络的组网及路由效果良好，在短距离内，星形网络的连接通畅，各节点设备之间能实现通信.缺点是未能实现动态组网，整个数据系统必须以主控器为中心，不利于动态使用。
本项目完成了无线数据采集系统整体架构设计和底层硬件的具体实现，并达到了预期要求，系统稳定性、响应速度等性能都满足实际需求。该系统可同时对多个区域进行监测，安装维护简单，可以根据具体要求在数据采集模块上进行相应传感器的扩充以完成特定数据采集。