基于zigbee的溫度測量網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計

本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）基于ZIGBEE的溫度測量網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計HARDWAREDESIGNOFTEMPERATUREMEASUREMENTNETWORKBASEDONZIGBEE總計畢業(yè)設(shè)計（論文）20頁表格5個插圖17幅學(xué)院（系）電子與電氣工程系專業(yè)電子信息工程基于ZIGBEE的溫度測量網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計摘要本文介紹一種新興的低功耗、低成本、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ZIGBEE技術(shù)及其在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其在生產(chǎn)生活中將產(chǎn)生的意義重大而受到越來越多的關(guān)注。該系統(tǒng)采用了星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。主要工作包括組建ZIGBEE無線網(wǎng)絡(luò)；實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線雙向傳輸；設(shè)計溫度控制系統(tǒng)；液晶的顯示輸出。無線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基于ZIGBEE協(xié)議用于測量溫度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方案，并設(shè)計相應(yīng)的無線傳感器節(jié)點。該網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器充當中心節(jié)點和若干個終端節(jié)點一起，構(gòu)成一個星型網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器負責向終端節(jié)點查詢溫度信息，終端節(jié)點負責將溫度傳感器所采集到的信息反饋給協(xié)調(diào)器，從而達到對一塊區(qū)域進行溫度監(jiān)控的目的。關(guān)鍵詞ZIGBEE；無線通信；溫度傳感器；網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)HARDWAREDESIGNOFTEMPERATUREMEASUREMENTNETWORKBASEDONZIGBEEABSTRACTTHISPAPERPRESENTSANEWLOWPOWER,LOWCOST,LOWCOMPLEXITYOFWIRELESSNETWORKTECHNOLOGYTHATISZIGBEETECHNOLOGYANDITSAPPLICATIONINWIRELESSSENSORNETWORKSWIRELESSSENSORNETWORKSWILLBEGIVENMOREANDMOREATTENTIONFORITSSIGNIFICANCEINTHEPRODUCTIONLIFETHESYSTEMUSESASTARNETWORKTOPOLOGYITSMAINTASKSARESETUPZIGBEEWIRELESSNETWORK,ACHIEVEWIRELESSTWOWAYTRANSMISSIONOFDATA,DESIGNTEMPERATURECONTROLSYSTEMS,ANDOUTPUTTHELIQUIDCRYSTALDISPLAYWIRELESSSENSORANDNETWORKPROTOCOLAREBASEDONTECHNICALANALYSISANDPROPOSEDAWIRELESSSENSORNETWORKINGPROGRAMTOMEASURETHETEMPERATUREWHICHBASEDONAZIGBEEPROTOCOL,ANDDESIGNEDTHERELEVANTWIRELESSSENSORNODESACOORDINATORACTSASTHECENTRALNODEANDTOGETHERWITHNUMBEROFTERMINALNODESTOFORMASTARNETWORKCOORDINATORISRESPONSIBLEFORCHECKINGTHETEMPERATUREINFORMATIONTERMINALNODETERMINALNODEISRESPONSIBLEFORFEEDBACKTHECOLLECTEDINFORMATIONFROMTEMPERATURESENSORTOTHECOORDINATOR,THEREBY,TOACHIEVETHEPURPOSEOFMONITORINGTHETEMPERATUREOFONEREGIONKEYWORDSZIGBEEWIRELESSCOMMUNICATIONWEMPERATURESENSORNETWORKTOPOLOGY目錄1引言111概述112無線技術(shù)標準1121ZIGBEE/IEEE8021541122WIFI/IEEE80211B1123藍牙BLUETOOTH/IEEE8021511124無線USBWIRELESSUSB12ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議221ZIGBEE節(jié)點類型2211ZIGBEE協(xié)調(diào)點2212ZIGBEE路由節(jié)點2213ZIGBEE終端節(jié)點222網(wǎng)路拓撲結(jié)構(gòu)2221星型網(wǎng)絡(luò)3222樹型網(wǎng)絡(luò)3223網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)323ZIGBEE協(xié)議構(gòu)架324ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)設(shè)計43單元模塊電路設(shè)計531串行通信632溫度傳感器與AVR接口設(shè)計7321ATMEGA16L單片機7322溫度傳感器8323溫度傳感器電路設(shè)計833無線模塊電路設(shè)計934液晶顯示電路設(shè)計114系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計1241設(shè)計原理1242發(fā)送模塊設(shè)計1343接收模塊設(shè)計135無線網(wǎng)絡(luò)溫度采集系統(tǒng)硬件調(diào)試1351液晶模塊調(diào)試1352XBEE數(shù)據(jù)傳輸調(diào)試1453數(shù)字溫度顯示調(diào)試1654系統(tǒng)整體調(diào)試17結(jié)束語17參考文獻17附錄19致謝201引言11概述ZIGBEE技術(shù)一種應(yīng)用于短距離范圍內(nèi)，低傳輸數(shù)據(jù)速率下電子設(shè)備之間的無線通信技術(shù)。ZIGBEE是一種新興的短距離、低速率、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它采用直接序列擴頻DSS技術(shù)。工作頻率為868MHZ、915MHZ或者24G頻率的無線技術(shù)，用于個人局域網(wǎng)和對等網(wǎng)絡(luò)。IEEE802154是ZIGBEE技術(shù)的基礎(chǔ)，完整的ZIGBEE協(xié)議由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)議組成。相對于現(xiàn)有的種種無線通信技術(shù)，ZIGBEE技術(shù)低功耗、低成本、時延短、安全、工作頻段靈活等諸多優(yōu)點。隨著ZIGBEE規(guī)范的進一步完善，許多公司均在著手開發(fā)基于ZIGBEE的產(chǎn)品。ZIGBEE技術(shù)將主要應(yīng)用嵌入式消費性電子設(shè)備、家庭和建筑物自動化設(shè)備、工業(yè)控制裝置、電腦外設(shè)、醫(yī)用傳感器等設(shè)備中，支持小范圍內(nèi)基于無線通信的控制和自動化等。12無線技術(shù)標準121ZIGBEE/IEEE802154ZIGBEE技術(shù)是一項新興的短距離無線通信技術(shù)，主要面向的應(yīng)用領(lǐng)域是低速率無線個人區(qū)域網(wǎng)LRWPAN，LOWRATEWIRELESSPERSONALAREANETWORK，典型特征是近距離、低功耗、低成本、低傳輸速率，主要適用于自動控制以及遠程控制領(lǐng)域，目的是為了滿足小型廉價設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制，典型的如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)1。24GHZ頻段是全球通用頻段，868MHZ和915MHZ則是用于美國和歐洲的ISM頻段，這兩個頻段的引入避免了24GHZ附近各種無線通信設(shè)備的相互干擾。122WIFI/IEEE80211BWIFI即無線局域網(wǎng)，工作在24GHZ頻段，用于學(xué)校、商業(yè)等辦公區(qū)域的無線連接技術(shù)，傳輸速率可達11MBIT/S，工作距離100M，采用直接序列擴頻DSSS的方式。采用WIFI的主要推動因素是數(shù)據(jù)吞吐量，WIFI一般用來將計算機與本地局域網(wǎng)相連或直接與互聯(lián)網(wǎng)相連2。123藍牙BLUETOOTH/IEEE802151一項由藍牙特別利益小組SIG制定的用于無線個人區(qū)域網(wǎng)WPAN的標準，采用跳頻擴頻FHSS方式，支持語音、數(shù)據(jù)傳輸。藍牙可對多達8個連接成皮網(wǎng)PICONET的設(shè)備以及多個連接成散射網(wǎng)的皮網(wǎng)提供支持。藍牙有79個信道，信道間隔均為1MHZ。通信距離為10100M。124無線USBWIRELESSUSBWIRELESSUSB技術(shù)在3M距離的最大傳輸速率達480MBIT/S，而性能與現(xiàn)有的USB20相同。WIRELESSUSB規(guī)定10M的速率為110MBIT/S，使用全球通用的24GHZISM頻段，通信距離高達10M，可連接8個設(shè)備。WIRELESSUSB并非聯(lián)網(wǎng)解決方案，因此沒有相關(guān)成本或功率開銷，支持USB的即插即用，無需驅(qū)動程序和認證過程。2ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議21ZIGBEE節(jié)點類型ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)中有3類節(jié)點ZIGBEE協(xié)調(diào)點、ZIGBEE路由節(jié)點和ZIGBEE終端節(jié)點。對這三種節(jié)點的介紹是了解整個協(xié)議棧運作很好的切入點。211ZIGBEE協(xié)調(diào)點ZIGBEE協(xié)調(diào)點在IEEE802154中也稱作PANPERSONALAREANETWORK協(xié)調(diào)點，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中可以作為匯聚節(jié)點。ZIGBEE協(xié)調(diào)點必須是FFD，ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)中只有一個ZIGBEE協(xié)調(diào)節(jié)點3，它往往比網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點功能更強大，是整個網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點、負責發(fā)起建立新的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、管理網(wǎng)路中的節(jié)點以及存儲網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的信息等，網(wǎng)絡(luò)形成后可以執(zhí)行路由器的功能212ZIGBEE路由節(jié)點ZIGBEE路由節(jié)點ZIGBEEROUTER也必須是FFD，它可以參與路由發(fā)現(xiàn)、信息轉(zhuǎn)發(fā)、通過連接的節(jié)點來擴展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍等。213ZIGBEE終端節(jié)點ZIGBEE終端節(jié)點ZIGBEEENDDEVICE可以是FFD或者RFD，它通過ZIGBEE協(xié)調(diào)點或者路由節(jié)點連接到網(wǎng)絡(luò)，但不允許其他任何節(jié)點通過它加入網(wǎng)絡(luò)3。ZIGBEE終端節(jié)點能夠以非常低的功率運行。22網(wǎng)路拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是指用傳輸媒體互連各種設(shè)備的物理布局，就是用什么方式把網(wǎng)絡(luò)中的計算機等設(shè)備連接起來。拓撲圖給出網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、工作站的網(wǎng)絡(luò)配置和相互間的連接。IEEE802154協(xié)議中明確定義了三種拓撲結(jié)構(gòu)星型結(jié)構(gòu)STAR、樹型結(jié)構(gòu)CLUSTERTREE、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)MESH都是屬于點對點PEERTOPEER的拓撲結(jié)構(gòu)。三種拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。圖1網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖221星型網(wǎng)絡(luò)星型網(wǎng)絡(luò)是一個輻射狀系統(tǒng)，數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)命令都可以通過中心節(jié)點傳輸。在這種路由拓撲中，外圍節(jié)點需要直接與中心節(jié)點連接，某個節(jié)點的沖突或者故障將會降低系統(tǒng)的可靠性。星型網(wǎng)絡(luò)以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為中心，所有設(shè)備只能與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進行通信，因此在星型網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的構(gòu)建過程中，第一步就是建立網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。任何一個FFD設(shè)備都有可能成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的可能，一個網(wǎng)絡(luò)如何確定協(xié)調(diào)器由上層協(xié)議決定。一個簡單的應(yīng)用策略是一個FFD設(shè)備第一次被激活后，首先廣播查詢網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的請求，如果收到回應(yīng)說明網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)存在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，在經(jīng)過一系列的認證過程，設(shè)備就成為了這個網(wǎng)絡(luò)中的普通設(shè)備，如果沒有收到回應(yīng)說明網(wǎng)絡(luò)認證過程不成功，這個FFD設(shè)備可以建立自己的網(wǎng)絡(luò)，并且成為這個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器4。222樹型網(wǎng)絡(luò)樹型網(wǎng)絡(luò)中，任意兩個設(shè)備只要能夠彼此收到對方的無線信號，就可以進行通信，不需要其他設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)。但點對點網(wǎng)絡(luò)中仍然需要一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，不過該協(xié)調(diào)器的不再是設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，而是完成設(shè)備的注冊和訪問控制等基本的網(wǎng)絡(luò)功能。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的產(chǎn)生同樣由上層協(xié)議規(guī)定，比如把某個信道的第一個開始通信設(shè)備作為該信道上的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議器。223網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)MESH網(wǎng)狀網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強大的功能，網(wǎng)絡(luò)可以通過“多級跳”的方式來通信，該拓撲結(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，還具備自組織、自愈功能。網(wǎng)狀網(wǎng)是一種特殊的、按接力方式傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其路由可自動建立和維護。一個ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)只有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，但是可以有若干個中繼器。協(xié)調(diào)器負責整個網(wǎng)絡(luò)的建網(wǎng)，同時它也可以與其他類型網(wǎng)絡(luò)的通信節(jié)點網(wǎng)關(guān)5。構(gòu)成協(xié)調(diào)器和中繼器必須是全功能器FFD，而構(gòu)成終端設(shè)備的器件可以是FFD，或者是功能器件RFD。23ZIGBEE協(xié)議構(gòu)架ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧采用開放系統(tǒng)互連模OSI，如圖2所示，每層為其上層提供一部分通信功能，并同時向高層提供服務(wù)。一個數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，一個管理實體提供全部其他服務(wù)。每個服務(wù)實體通過一個服務(wù)接入點SAP為其上層提供服務(wù)接口，并且每個SAP提供了一系列的基本服務(wù)指令來完成相應(yīng)的功能6。ZIGBEE協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。IEEE802154標準定義了最下層面的兩層物理層PHY和介質(zhì)接入控制子層MAC。PHY由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成；MAC層為高層訪問物理信道提供點到點通信的服務(wù)接口；ZIGBEE聯(lián)盟定義了網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層與安全規(guī)范，提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層APL框架的設(shè)計。其中，應(yīng)用層的框架包括了，應(yīng)用支持子層APS、ZIGBEE設(shè)備對象ZDO及由制造商制定的應(yīng)用對象。ZIGBEE應(yīng)用層ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)層IEEE802154MAC層物理層（PHY）圖2ZIGBEE協(xié)議結(jié)構(gòu)24ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)設(shè)計IEEE802154和ZIGBEE規(guī)范中明確定義了三種拓撲結(jié)構(gòu)星型結(jié)構(gòu)、樹型結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。星型網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器全功能設(shè)備FFD和多個終端設(shè)備節(jié)點簡化功能設(shè)備RFD構(gòu)成，協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的中心，負責處理整個網(wǎng)絡(luò)的工作，終端設(shè)備被分布在覆蓋范圍內(nèi)的不同地點。星型網(wǎng)絡(luò)的控制和同步比較簡單，適用于設(shè)備數(shù)量比較少的場合。樹型網(wǎng)絡(luò)是星型網(wǎng)絡(luò)的擴展，是一種多級的星型結(jié)構(gòu)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的、按接力方式傳輸?shù)狞c對點的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其路由可自動建立和維護。樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)能夠兩者相結(jié)合組建混合網(wǎng)，適用于網(wǎng)絡(luò)極其復(fù)雜的情況。系統(tǒng)的ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)通信部分由一臺主控制器、若干從控制器組成7。系統(tǒng)的各個主、從控制器相對獨立，各主、從控制器之間通過ZIGBEE無線網(wǎng)格進行通信，主控制器通過遠程無線通信與控制中心通信。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。主控制器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器從控制器從控制器從控制器AVR16控制中心圖3分布式網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用了ZIGBEE星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。星型網(wǎng)絡(luò)以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為中心，所有設(shè)備只能與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進行通信，因此在星型網(wǎng)絡(luò)的形成過程中，第一步就是建立網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。主控制器作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器被首先激活，然后向周圍的從控制器節(jié)點發(fā)送廣播，并為網(wǎng)絡(luò)選擇一個惟一的標識符；從控制器節(jié)點收到主控制器發(fā)來的廣播后，向其發(fā)出入網(wǎng)申請，并等待主控制器節(jié)點響應(yīng)；主控制器節(jié)點收到一個入網(wǎng)申請后，將根據(jù)請求信息作出是否允許加入網(wǎng)絡(luò)的判斷，若允許加入，主控制器節(jié)點將發(fā)出請求響應(yīng)，告知從控制器節(jié)點。從控制器節(jié)點收到請求響應(yīng)后，將獲得一個主控制器節(jié)點分配給它的一個網(wǎng)絡(luò)地址作為在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的惟一身份標識，從而成功加入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)組建完成。在ZIGBEE協(xié)議中，層與層之間是通過服務(wù)接入點SAP相連接。應(yīng)用層APL、網(wǎng)絡(luò)層NWK與媒體接入控制層MAC都可以通過本層與下一層的SAP調(diào)用下層所提供的服務(wù)，同時通過與上層的SAP為上層服務(wù)。允許加入網(wǎng)絡(luò)的過程通過NLMEJOININGREQUST原語開始。只有ZIGBEE協(xié)調(diào)器和ZIGBEE路由節(jié)點才能允許設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)7。設(shè)備入網(wǎng)步驟當網(wǎng)絡(luò)中的成員設(shè)備允許一個新的設(shè)備加入的時候，父子關(guān)系就會形成。新設(shè)備成為子設(shè)備，另一設(shè)備成為父設(shè)備。子設(shè)備可以使用MAC層關(guān)聯(lián)程序入網(wǎng)，任意設(shè)備都會接受來自新設(shè)備的加入請求，只要它擁有必要的物理性能和可用的網(wǎng)絡(luò)空間。只有ZIGBEE協(xié)調(diào)器或路由節(jié)點從物理性能上可以接受一個加入請求，終端節(jié)點不可以，子節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。子設(shè)備通過發(fā)送NLMEDISCOVERYREQUST原語啟動MAC層協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)，原語中設(shè)置SCANCHANNELS參數(shù)8，表明需要掃描那些通道，設(shè)置SCANCHANNELS參數(shù)，表明掃描每個信道所需的時間。一旦收到該原語，NWK層就會發(fā)送NLMEBEACONNOTIFYINDICATION原語要求MAC層運行一次被動或主動的掃描。掃描過程中接收到的每一個有效數(shù)據(jù)長度非零的信息幀，都會引起掃描設(shè)備從MAC層發(fā)送NLMEBEACONNOTIFYINDICATION原語給它的網(wǎng)絡(luò)層管理實體NLME8。該原語包括信息設(shè)備的尋址信息、是否允許關(guān)聯(lián)以及信標有效載荷。3單元模塊電路設(shè)計系統(tǒng)主要有四個模塊組成溫度傳感器模塊、無線網(wǎng)絡(luò)模塊、液晶模塊、單片機模塊、串口轉(zhuǎn)換模塊。溫度傳感器負責采集數(shù)據(jù)，單片機把采集到的數(shù)據(jù)進行處理，ZIGBEE把相關(guān)數(shù)據(jù)信息發(fā)送出去，路由節(jié)點把接收到的數(shù)據(jù)傳送給接收模塊，經(jīng)過單片機處理把數(shù)據(jù)顯示在液晶模塊。系統(tǒng)模塊設(shè)計框圖如圖4所示。1溫度傳感器主要負責采集室內(nèi)環(huán)境溫度監(jiān)測；2ZIGBEE建立無線網(wǎng)絡(luò)，將采集到得數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮漳K；3液晶模塊主要負責把MCU處理的數(shù)據(jù)顯示出來；4MCU負責把溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換和處理顯示在液晶模塊；5串口轉(zhuǎn)換芯片PL2303把電源轉(zhuǎn)化為TTL電平和串口RS232。AVR液晶顯示模塊溫度傳感器ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)串行通信圖4系統(tǒng)模塊設(shè)計框圖31串行通信PL2303是一種高度集成的RS232USB接口轉(zhuǎn)換器，可提供一個RS232全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口便利聯(lián)接的解決方案。該器件內(nèi)置USB功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號的UART，只需外接幾只電容就可實現(xiàn)USB信號與RS232信號的轉(zhuǎn)換，能夠方便嵌入到手持設(shè)備9。該器件作為USBRS232雙向轉(zhuǎn)換器，一方面從主機接收USB數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為RS232信息流格式發(fā)送給外設(shè)；另一方面從RS232外設(shè)接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)格式傳送回主機。這些工作全部由器件自動完成，開發(fā)者無需考慮固件設(shè)計。PL2303芯片輸入輸出引腳分類與基本接法如表1所示。通過編程設(shè)置UART，支持各種數(shù)據(jù)格式和波特率。在PC機的COM端口編程設(shè)置UART的數(shù)據(jù)格式和波特率。表1PL2303芯片輸入輸出引腳分類與基本接法組別電平引腳方向典型接口112輸入輸出接MCU的RX接MCU的TX2910輸入輸出接MCU的RX接MCU的TX31516輸入輸出連接到接口與其它設(shè)備通過2323連接41920輸入輸出連接到接口與其它設(shè)備通過2323連接PL2303的高兼容驅(qū)動可在大多操作系統(tǒng)上模擬成傳統(tǒng)COM端口，并允許基于COM端口應(yīng)用可方便地轉(zhuǎn)換成USB接口應(yīng)用，通訊波特率高達6MBS。在工作模式和休眠模式時都具有功耗低，是嵌入式系統(tǒng)手持設(shè)備的理想選擇。該器件具有以下特征完全兼容USBL1協(xié)議；可調(diào)節(jié)的35V輸出電壓，滿足3V、33V和5V不同應(yīng)用需求；支持完整的RS232接口，可編程設(shè)置的波特率75BS6MBS，并為外部串行接口提供電源；512字節(jié)可調(diào)的雙向數(shù)據(jù)緩存；支持默認的ROM和外部EEPROM存儲設(shè)備配置信息，具有I2C總線接口，支持從外部MODEM信號遠程喚醒。與單片機連接如圖5所示。VDD1D2D3NC4GND5SHIELD6SHIELD7SHIELD8USBU21KR912LED933PFC1VCDMDPTXD1DTR_N2RTS_N3VDD_2324RXD5RI_N6GND7VDD8DSR_N9DCD_N10CTS_N11SHTD_N12EE_CLK13EE_DATA14DP15DM16VDD_3V317GND_3V318RESET19VDD20GND21TRI_STATE22LD_MODE23VDD_PLL24GND_PLL25PLL_TEST26OSC127OSC228USBTORS232U8104C13104C12VCC47KR2847KR29VCC1212MY133PFC933PFC10104PFC1110KR2610KR27VCC104C14104C1510KR3010KR3110KR32DPDMDPC_RXC_TX1KR2312LED2LED10VCCC_TX化化化化化化圖5接口設(shè)計原理圖32溫度傳感器與AVR接口設(shè)計利用AVR單片機控制溫度傳感器采集室內(nèi)溫度。傳感器采用DS18B20，其引腳功能描述見表2所示。表2引腳功能描述引腳序號符號功能1GND地信號2DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳3VDD可選擇的VDD引腳321ATMEGA16L單片機ATMEGA16L是基于增強的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位COMS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATMEGA16L的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHZ,從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏輯單元ALU相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼速率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。結(jié)構(gòu)如圖10所示。ATMEGA16L的特點采用先進RISC結(jié)構(gòu)的AVR內(nèi)核，16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH（具有同時讀寫的能力，即RWM），512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較靈活的定時器/計數(shù)器T/C，一個SPI串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。工作于空閑模式時CPU停止工作；而USART、兩線接口、A/D轉(zhuǎn)換器、SRAM、T/C、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電保護模式時晶體振蕩器停止工作；ADC噪聲抑制模式時終止CPU和處了異步定時器與ADC以外所有I/O模塊的工作，以降低ADC轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲10。322溫度傳感器DS18B20是智能溫度傳感器，它的輸入/輸出采用數(shù)字量，通過單總線，接收主機發(fā)送的命令，根據(jù)DS18B20內(nèi)部的協(xié)議進行相應(yīng)的處理，將轉(zhuǎn)換的溫度數(shù)值以串口形式發(fā)送給主機。主機按照通信協(xié)議用一個I/O口模擬DS18B20的時序，發(fā)送命令初始化命令、ROM命令、功能命令給DS18B20，并讀取溫度值，在內(nèi)部進行相應(yīng)的數(shù)值處理，用字符型液晶模塊顯示各點的溫度11。DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。DS18B20產(chǎn)品的特點1只要求一個端口即可實現(xiàn)通信；2在DS18B20中的每個器件上都有獨一無二的序列號；3實際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫；4測溫范圍55125,在1085時精度為05；5可編程的分辨率為912位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為05、025、0125；6內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置；7可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍3055V；812位分辨率時最多在750MS內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字；9負壓特性電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。323溫度傳感器電路設(shè)計溫度傳感器負責采集室內(nèi)的溫度，需要準確反饋信息，系統(tǒng)溫度采集模塊選用DS18B20溫度傳感器。DS18B20與ATMEGA16L連接方法如圖6所示。DS18B20只有三個引腳，一個接地，一個接電源，一個數(shù)字輸入輸出引腳接單片機的I/O口，電源與數(shù)字輸入輸出腳間需要接一個47K的電阻。由于DS18B20采用的是1WIRE總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對ATMEGA16L單片機來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對DS18B20芯片的訪問。圖6DS18B20與AVR接口設(shè)計33無線模塊電路設(shè)計表3XBEE管腳分局序號名字方向描述1VCCPOWERSUPPLY2DOUTOUTPUTUARTDATAOUT3DININPUTUARTDATAIN4DIO12EITHERDIGII/O125/RESETINPUTMODULERESET6PWM/DIO10EITHERPWMOUTPUT7PWM/DIO11EITHERDIGITALI/O8RESERVEDDONOTCONNECT9/DTREITHERPINSLEEP10GNDGROUND11DIO4EITHERDIGITALI/O412/CTSEITHERDIGITALI/O713ON/SLEEPOUTDIGITALI/O914RESERVEDDONOTCONNECT15ASSOCIATEDIO5EITHERDIGITALI/O516/RTS/DIO6EITHERDIGITALI/O617AD3/DIO3EITHERDIGITALI/O318AD3/DIO2EITHERDIGITALI/O219AD3/DIO1EITHERDIGITALI/O120AD3/DIO0EITHERDIGITALI/O0系統(tǒng)采用XBEE模塊，自動組建網(wǎng)絡(luò)。XBEE模塊通過串行接口（即TX和RX引腳）進行通信。對于簡單的點對點通信來講，只需要通過串行接口向XBEE模塊寫數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送；當XBEE模塊通過無線通道接收到數(shù)據(jù)時，通過讀串行接口可以很方便地獲得這些數(shù)據(jù)，使用方式和APC220以及DFBLUETOOTH藍牙模塊雷同。使用多個ARDUINOXBEE模塊，就可以實現(xiàn)多個結(jié)點組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。在使用XBEE之前，需要先給XBEE模塊進行初始參數(shù)設(shè)置，對XBEE模塊的設(shè)置可以按照里介紹的AT指令，通過串行終端完成，也可以借助這一工具來完成，使用工具相對來說要方便點。XBEEZBRFMODULES管腳布局表3所示。處理器通過10條線就可以實現(xiàn)對CC2430的控制。ATMEGA16L通過VREG_EN和RESET_EN兩個引腳實現(xiàn)對CC2430的使能和復(fù)位12。通過SPI接口與CC2430交換數(shù)據(jù)、發(fā)送命令等；CC2430通過DIN、DTR/CTS和RTS4個引腳向ATMEGA16L返回其收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)。連接的管腳如表4所示，使用管腳PIN1、PIN2、PIN3、PIN10，其余的6個管腳都要連接AVR16的I/0口。表4XBEE與MEGA16管腳連接管腳編號名稱功能1VCC電源2DOUT接收數(shù)據(jù)3DIN發(fā)送數(shù)據(jù)5RESET復(fù)位端9DTR10GND接地端12/CTS主設(shè)備停止向模塊發(fā)送數(shù)據(jù)13ON數(shù)據(jù)輸出端15ASSOCIATE連接端口16RTS主設(shè)備發(fā)送給模塊圖7XBEE與ATMEGA16L連接電路圖AVR發(fā)送引腳將數(shù)據(jù)發(fā)送到XBEE的DOUT端口，XBEE的發(fā)送端口將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機，RTS和CTS管腳可以用來提供RTS和CTS流控制。CTS主設(shè)備停止向模塊輸送串口數(shù)據(jù)。RTS流控制允許主設(shè)備發(fā)送信號給模塊不要將串行傳輸緩沖中的數(shù)據(jù)發(fā)送出UART。原理圖如圖7所示。34液晶顯示電路設(shè)計TG12864模塊與AVR有并行和串行兩種連接方法。一種是采用8位數(shù)據(jù)總線D0D7和RS、R/W、EN三個控制端口；另一種是只用D4D7作為四位數(shù)據(jù)分兩次傳送。管腳如表5所示，液晶邏輯電壓VDD4555V。表5TG12864接口引腳引腳符號電平說明1VSS0V接地GND2VDD50V電源電壓3V0可調(diào)LCD驅(qū)動電壓（對比度調(diào)節(jié)）4D/IH/LH數(shù)據(jù)；L指令5R/WH/LH讀；L寫6EH/L片使能信號7DB0H/L數(shù)據(jù)位08DB1H/L數(shù)據(jù)位19DB2H/L數(shù)據(jù)位210DB3H/L數(shù)據(jù)位311DB4H/L數(shù)據(jù)位412DB5H/L數(shù)據(jù)位513DB6H/L數(shù)據(jù)位614DB7H/L數(shù)據(jù)位715CS1HIC1片選信號，高有效16CS2HIC2片選信號，高有效17RSTL復(fù)位信號，低有效18VEE100VLCD驅(qū)動負電源19LED背光正極20LED背光負極液晶與AVR的鏈接是基于并行方式連接。液晶顯示模塊占用了單片機ATMEGA16L的PA0PA7作為數(shù)據(jù)接口，采用PB0PB3作為控制端口13。液晶顯示模塊與控制電路設(shè)計電路圖如圖9所示。用PB0引腳選擇液晶模塊的數(shù)據(jù)存儲器或指令存儲器，PB1引腳表明此次操作是讀液晶模塊還是寫液晶顯示模塊，PB2則是構(gòu)成上升延與下降沿完成讀寫指令。MISO負責選中液晶顯示模塊的左半部分，SCK負責選中右半部分，通常CS1,CS2都設(shè)置為1。需要注意的是，在數(shù)據(jù)或指令準備之后，再讓PB2進行電平變化，否則讀寫會出錯。VO連接滑動器端口用來調(diào)節(jié)液晶屏幕的亮暗度14。設(shè)計借助單片機ATMEGA16L的大量程序存儲器，將英文字母和若干漢字的字符點陣作為數(shù)組存入單片機的程序存儲器中。需要顯示顯示字符時可以直接調(diào)用數(shù)組，從而簡化設(shè)計，實現(xiàn)英文漢字以及圖形的顯示。圖9液晶與AVR的連接電路圖4系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的組建通過兩個無線模塊一個設(shè)置為路由節(jié)點，另一個設(shè)置為協(xié)調(diào)器自動組建局域網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)設(shè)計為發(fā)送模塊和接受模塊，利用發(fā)送模塊對溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集，通過發(fā)送模塊的傳輸，接收模塊接收到數(shù)據(jù)后，單片機進行數(shù)據(jù)處理顯示在液晶模塊。41設(shè)計原理基于單片機的單總線溫度測控系統(tǒng)以AVR單片機為中心器件，以ICCAVR為系統(tǒng)程序開發(fā)平臺，用C語言進行程序設(shè)計，以PROTEUS作為仿真軟件設(shè)計而成的。系統(tǒng)主要由溫度傳感器電路、液晶顯示電路、無線傳輸模塊，電路原理圖如附錄一所示。DS18B20是智能溫度傳感器，它的輸入/輸出采用數(shù)字量，通過單總線，接收主機發(fā)送的命令，根據(jù)DS18B20內(nèi)部的協(xié)議進行相應(yīng)的處理，將轉(zhuǎn)換的溫度數(shù)值以串口形式發(fā)送給主機。主機按照通信協(xié)議用一個I/O口模擬DS18B20的時序，發(fā)送命令初始化命令、ROM命令、功能命令給DS18B20，并讀取溫度值，在內(nèi)部進行相應(yīng)的數(shù)值處理，用字符型液晶模塊顯示室內(nèi)的溫度15。經(jīng)過ZIGBEE無線傳輸模塊把采集到的數(shù)據(jù)通過自動組網(wǎng)方式傳輸?shù)浇邮漳K，接收模塊經(jīng)過AVR數(shù)據(jù)處理，把接收到的數(shù)據(jù)顯示到液晶模塊。42發(fā)送模塊設(shè)計發(fā)送模塊設(shè)計通過AVR單片機控制溫度傳感器DS18B20，用液晶模塊顯示室內(nèi)溫度值。利用AVR連接無線網(wǎng)絡(luò)ZIGBEE，通過ZIGBEE自動組建網(wǎng)絡(luò)的功能，數(shù)據(jù)發(fā)送到接收模塊的ZIGBEE模塊。發(fā)送模塊的框圖設(shè)計如圖10所示。液晶顯示MCU溫度傳感器發(fā)送模塊圖10發(fā)送模塊框圖設(shè)計43接收模塊設(shè)計ZIGBEE把發(fā)射模塊采集的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮漳K，接收到數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮漳K，經(jīng)過AVR進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在液晶模塊顯示，設(shè)計框圖如圖11所示。液晶顯示MCU接收模塊圖11接收模塊設(shè)計5無線網(wǎng)絡(luò)溫度采集系統(tǒng)硬件調(diào)試基于ZIGBEE的無線網(wǎng)絡(luò)溫度采集系統(tǒng)硬件由三部分組成1ATMEGA16L單片機的液晶顯示電路設(shè)計；2ZIGBEE無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脑O(shè)計；3溫度顯示實驗電路設(shè)計。51液晶模塊調(diào)試液晶模塊主要由AVR開發(fā)板和液晶模塊組成，AVR采用內(nèi)部晶振8MHZ，AVR單片機控制液晶模塊，使之顯示當前溫度、顯示漢字、字符、數(shù)據(jù)顯示。AVR具有JTAG仿真器支持在線仿真的功能，方便調(diào)試16。實現(xiàn)液晶顯示“南陽工學(xué)院”四個字和南陽理工學(xué)院的?；眨壕э@示仿真如圖12所示。圖12液晶圖片顯示用JTAG在線仿真工具，下載到AVR開發(fā)板顯示漢字“南陽理工學(xué)院電子與電氣工程系趙保生”，字符“094408001AVRMEGA16”實物圖如下圖13所示。圖13液晶顯示實物圖52XBEE數(shù)據(jù)傳輸調(diào)試1將XBEE的一端插在電腦的USB接口上，點擊“我的電腦”屬性硬件設(shè)備管理器端口，看下圖中是否出現(xiàn)紅色框所指的PL2303虛擬的COM2，（一般為COM3，不同電腦USBTOSERIALCOMMPORT端口號可能不同）如果出現(xiàn)說明模塊是好的，并且驅(qū)動程序也安裝成功了。如圖14所示。圖14USB驅(qū)動端口2數(shù)據(jù)發(fā)送選擇1號PC機通過第三方軟件網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手向網(wǎng)關(guān)發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，網(wǎng)關(guān)內(nèi)部進行解包處理，發(fā)送至串口，2號PC機的串口調(diào)試助手接收數(shù)據(jù)幀。2號PC機通過串口調(diào)試助手向網(wǎng)關(guān)發(fā)送串口數(shù)據(jù)幀，網(wǎng)關(guān)內(nèi)部進行打包處理，發(fā)送至以太網(wǎng)口，1號PC機的網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手接收數(shù)據(jù)幀17。串口選擇COM3端口，波特率9600，數(shù)據(jù)位8，停止位1，校驗位和流量控制NONE，選擇十六進制顯示。發(fā)送數(shù)據(jù)如圖15所示。圖15調(diào)試助手發(fā)送數(shù)據(jù)XBEE通過自動組建網(wǎng)絡(luò)的功能，將1號PC機發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?號PC機，接收到得數(shù)據(jù)幀如圖16所示。圖16接收數(shù)據(jù)53數(shù)字溫度顯示調(diào)試DS18B20模塊通過AVR單片機的數(shù)據(jù)采集溫度數(shù)據(jù)利用TG12864液晶顯示出當前的溫度18。溫度仿真圖如圖17所示。圖17溫度的液晶顯示54系統(tǒng)整體調(diào)試將硬件及軟件結(jié)合起來進行系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)試。調(diào)試過程將發(fā)送模塊采集溫度傳感器的數(shù)據(jù)，利用XBEE模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，接收模塊收到數(shù)據(jù)后顯示在液晶模塊。XBEE模塊自動組建網(wǎng)絡(luò)，路由節(jié)點把接收的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮漳K上，接收模塊將數(shù)據(jù)顯示液晶模塊。結(jié)束語經(jīng)過幾個月的不斷學(xué)習和努力，在老師諄諄教導(dǎo)下，在其它老師及同學(xué)們的熱心幫助與指導(dǎo)下，基于ZIGBEE無線溫度網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計的畢業(yè)設(shè)計順利結(jié)束，基本完成了老師所規(guī)定的各項工作任務(wù)。本次設(shè)計的基于ZIGBEE無線溫度網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計是一種分布式的溫度測量系統(tǒng)，它可以遠程對溫度實現(xiàn)測量和監(jiān)控。本文介紹了用單片機ATMEGA16L控制DS18B20以及著重分析各單元電路的設(shè)計，以及各電路與單片機的接口技術(shù)。本文是采用模塊化的方式進行敘述，對各模塊的設(shè)計進行了比較詳細地闡述。在還沒有做畢業(yè)設(shè)計之前，我認為只不過是對我們兩年學(xué)習的一個總結(jié)而已，但是當我開始接觸這個設(shè)計的時候才發(fā)現(xiàn)這不僅是對兩年學(xué)習的一個總結(jié)，而且對自己的動手能力和人際關(guān)系的處理也有了很大能力的提高，開始以為這個設(shè)計很容易做出來，有點眼高手低的感覺。但是，當我真正做起來的時候才發(fā)現(xiàn)自己的知識還很欠缺，還有很多知識沒有掌握，通過這次設(shè)計我明白了學(xué)習是個不斷積累的過程，在生活和工作中應(yīng)當不斷的積累，才能提高自己。在這幾個月的時間里，我和指導(dǎo)老師經(jīng)過了很多次交流，通過和老師的交流使我學(xué)會了很多設(shè)計技巧及方法。有不懂的地方及時向老師請教，老師每次都不厭其煩的耐心指導(dǎo)我，并一步步把我引向成功。我在老師那里不僅這到了很多