基于zigbee的溫度測量網(wǎng)絡軟件設計

本科生畢業(yè)設計（論文）基于ZIGBEE的溫度測量網(wǎng)絡軟件設計SOFTWAREDESIGNOFTEMPERATUREMEASUREMENTNETWORKBASEDONZIGBEE總計30頁表格3個插圖30幅本科畢業(yè)設計（論文）學院（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)絡軟件設計摘要本設計是基于ZIGBEE技術的溫度測量網(wǎng)絡的軟件設計，實現(xiàn)把采集到的溫度數(shù)據(jù)以無線的方式發(fā)射給接收裝置。設計采用MEGA16單片機作為控制器，利用數(shù)字式DS1820作為溫度傳感器，同時采用TM12864對采集到的數(shù)據(jù)進行顯示，XBEE模塊作為無線的接收與發(fā)射模塊。數(shù)字式溫度傳感器DS1820和單片機以單總線方式連接，使用方便。MEGA16按照DS1820的通信協(xié)議，便可得到DS1820轉換后的溫度數(shù)據(jù)。TM12864為12864的液晶顯示模塊，MEGA16按其操作指令對其進行讀寫便可顯示所需數(shù)據(jù)。單片機與XBEE模塊以UART方式傳輸數(shù)據(jù)，使用方便。用C語言實現(xiàn)對MEGA16的編程，從而實現(xiàn)對溫度的采集、顯示與傳輸。關鍵詞ZIGBEE；XBEE；溫度傳感器；無線傳輸SOFTWAREDESIGNOFTEMPERATUREMEASUREMENTNETWORKBASEDONZIGBEEABSTRACTTHETOPICISSOFTWAREDESIGNOFTEMPERATUREMEASUREMENTNETWORKBASEDONZIGBEEITUSESTHEXBEEMODULEOFMAXSTREAMTHISDESIGNWANTSTHESYSTEMTOTRANSMITTHEDATAOFTEMPERATURETOTHERECEIVERTHEDESIGNUSESMEGA16ASTHECONTROLLERTOCONTROLTHEDS1820TOCAPTURETHEDATAOFTEMPERATURE,DRIVETHETM12864TODISPLAYDIGITALTEMPERATURESENSORDS1820COMMUNICATEWITHMEGA16VIASINGLEBUSWEUSETHEMODULEOFXBEEASWIRELESSRECEIVERANDTRANSMITTERMEGA16CANGETTHEDATAOFTEMPERATUREFROMDS1820ACCORDINGTOTHECOMMUNICATIONPROTOCOLOFDS1820TM12864IS12864LATTICSDISPLAYDEVICEMEGA16CONTROLTM12864TODISPLAYTHEDATABYUSINGTHEINSTRUCTIONSMEGA16CANCOMMUNICATEWITHTHEXBEEMODULEVIAUARTITISCONVENIENCETOUSEPROGRAMMINGFORMEGA16INTHEENVIRONMENTOFCLANGUAGEACHIEVETHEDATAACQUISITION,DISPLAYANDRECEPTIONKEYWORDSZIGBEEXBEETEMPERATURESENSORWIRELESSTRANSMISSION目錄1引言111選題背景及意義112本設計的主要內容12系統(tǒng)方案設計121系統(tǒng)原理122發(fā)送模塊框圖223接收模塊框圖23發(fā)送模塊的軟件設計231溫度采集軟件設計2311初始化流程3312ROM操作命令4313存儲器操作命令4314寫命令流程5315讀數(shù)據(jù)流程6316溫度數(shù)據(jù)的處理732顯示控制軟件設計8321TM12864指令9322指令的數(shù)據(jù)格式與功能9323寫時序及相關操作流程10324讀時序及相關流程11325顯示一個字形的控制流程1333數(shù)據(jù)發(fā)送軟件設計14331XBEE模快14332單片機與XBEE模塊的通信144接收模塊的軟件設計1541數(shù)據(jù)的接收1642數(shù)據(jù)的顯示175系統(tǒng)仿真及調試1751XBEE模塊的參數(shù)設置1752仿真與調試20結束語22參考文獻23附錄24致謝301引言11選題背景及意義近年來，各種無線技術快速發(fā)展,它們在配置、安裝、修改和擴展等方面有很多優(yōu)勢,同時無線網(wǎng)絡的成本要低于有線網(wǎng)絡，給人們的生產生活帶來了很多方便。其中ZIGBEE技術就是新興的無線技術之一，它是IEEE80215工作組的標準之一1，采用直接序列擴頻DSS技術。工作頻率為868MHZ、915MHZ或者24G,頻率的無線技術，用于個人局域網(wǎng)和對等網(wǎng)絡是一種適用于固定、便攜或移動設備使用的低復雜度、低成本、低功耗、低速率的短距離雙向無線通信協(xié)議2。ZIGBEE技術在農業(yè)，汽車，家居得等方面都有很大的發(fā)展優(yōu)勢與空間，其耗電量低，可擴節(jié)點多很適合用于溫度濕度等的檢測。本課題的設計正是基于ZIGBEE技術的無線溫濕度測量網(wǎng)絡，可將采集傳感器獲得的溫度數(shù)據(jù)顯示并且以傳送出去。同時由接收模塊接收發(fā)出的數(shù)據(jù)。12本設計的主要內容本課題所設計的系統(tǒng)以AVR單片機作為控制器，以ICCV7FORAVR為系統(tǒng)程序開發(fā)平臺，用C語言3進行程序設計，以PROTEUS作為仿真軟件。系統(tǒng)主要有發(fā)射部分和接收部分兩部分組成。發(fā)射部分主要有溫度采集、顯示、傳輸三小部分組成，接收部分主要有接收數(shù)據(jù)與顯示兩部分。這樣系統(tǒng)經(jīng)過XBEE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。2系統(tǒng)方案設計21系統(tǒng)原理溫度的測控采用以AVR單片機與溫度傳感器的單總線連接方式，溫度傳感器DS1820是智能溫度傳感器，它的輸入/輸出采用數(shù)字量，以單總線方式，接收控制器發(fā)送的命令，根據(jù)DS1820內部的協(xié)議進行相應的處理，將轉換的溫度數(shù)值以串口形式發(fā)送給控制器。因此讓控制器機按照DS1820的通信協(xié)議用一個I/O口模擬DS1820的時序4，發(fā)送命令初始化命令、ROM命令、功能命令給DS1820，并讀取溫度值，單片機進行相應的數(shù)值處理5，控制字符型液晶模塊顯示室內的溫度。由于要求系統(tǒng)能夠發(fā)送數(shù)據(jù)還能夠接收發(fā)送來的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)總體由發(fā)送模塊與接收模塊兩部分組成。這樣系統(tǒng)就完成了采用ZIGBEE技術無線傳輸模塊XBEE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)過單片機數(shù)據(jù)處理，把接收到的數(shù)據(jù)顯示到液晶模塊。22發(fā)送模塊框圖發(fā)送模塊有AVR單片機控制溫度傳感器，把得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，一方面控制顯示器顯示出來，另外控制采用ZIGBEE技術的無線模塊發(fā)送出去，從而實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的發(fā)送。發(fā)送模塊的框圖設計如圖1所示。液晶顯示單片機無線模塊溫度傳感器圖1發(fā)送模塊框圖設計23接收模塊框圖AVR單片機把通過XBEE模塊接收到的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理后控制液晶顯示模塊將數(shù)據(jù)顯示出來設計框圖如圖2所示。液晶模塊單片機無線模塊圖2接收模塊框圖3發(fā)送模塊的軟件設計本部分要完成溫度的采集，把得到的數(shù)據(jù)顯示出來同時將數(shù)據(jù)發(fā)射出去，其整體流程如圖3所示，當開始后首先控制溫度的采集，然后將溫度數(shù)據(jù)顯示出來，并發(fā)送出去，按此操作順序循環(huán)下去。31溫度采集軟件設計溫度傳感器采用了DS1820，信息通過單線接口進入DS1820，因此從中央處理器7到DS1820僅需一條線（和地）讀寫和溫度轉換所需的電源可從數(shù)據(jù)線本身獲得，而不需要外接電源，使用比較方便。由于DS1820與單片機的連接只有一條線，沒有專門的數(shù)據(jù)端口與控制端口，單片機需要按照訪問單總線接口DS1820的協(xié)議，才能獲得溫度數(shù)據(jù)。訪問時序如下1初始化2對ROM操作命令3存儲器操作命令4處理數(shù)據(jù)本設計中溫度傳感器DS1820僅一個且采用外電源供電。單片機對DS1820的控制操作如下表1示,把表1轉換為溫度采集的整體流程如圖4所示。采集溫度數(shù)據(jù)顯示和發(fā)送開始圖3發(fā)射模塊的整體流程311初始化流程單總線上的所有處理均從初始化序列開始，初始化序列包括主機發(fā)出一系列復位脈沖，接著從屬器件發(fā)出存在脈沖。（其脈沖如圖5）一旦主機發(fā)現(xiàn)從器件存在它便發(fā)出ROM命令。表1溫度采集指令主機方式數(shù)據(jù)（LSB在先）注釋TXCCHSKIPROM跳過命令TX44HCONVERTT（溫度變換）命令RX1個數(shù)據(jù)字節(jié)讀“忙”標志3次。主機一個接一個連續(xù)讀一個字節(jié)（或位）直至數(shù)據(jù)為FFH（全部為1）為止。TXRESET（復位）復位脈沖RXPRESENCE（存在）存在脈沖TXCCHSKIPROM（跳過ROM）命令TXBEHREADSCRATCHPAD（讀暫存存儲器）命令RX9個數(shù)據(jù)字節(jié)讀整個暫存存儲器TXRESET復位復位脈沖XRRESENCE存在存在脈沖，操作完成初始化18B20跳過讀序列號的操作（SKIP命令）啟動溫度轉換（約定代碼44H）轉換等待（至少2S）初始化跳過讀序列發(fā)出讀溫度寄存器命令接收數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理結束圖4溫度采集流程圖主機初始化低電平480US960US18B20回應60240US圖5DS1820復位與存在脈沖主機先發(fā)出一個在480US到960US的低電平，然后等待15US到60US若主機接收到60US到240US的低電平,說明從器件應答存在，如圖5所示。單片機的PB7端口與DS1820的DQ端口相連接，要實現(xiàn)始化需PB7口輸出如圖5的脈沖。初始化的流程如圖6所示，當給出初始化脈沖后，等待60至260US后，如果收到高電平說明初始化成功，否則失敗8，程序見附錄。312ROM操作命令所有ROM操作命令均為八位長。這些命令有READROM（讀ROM），MATCHROM，SKIPROM等五種共有ROM操作命令，由于此模塊僅連接一個DS1820，可以不使等待1560US開始用這些命令，不再詳述。313存儲器操作命令存儲器的操作命令如表2所示。由于溫度傳感器僅有一個且采用外部電源，本設計可采用的命令有以下這些101SKIP“跳過”ROMCCH此命令允許不提供64位ROM編碼而訪問存儲器來節(jié)省時間。但如果存在多個從器件，當SKIP命令發(fā)出之后，那么由于多個從器件同時發(fā)出數(shù)據(jù)，會在總線上發(fā)生沖突（產生線與）。2CONVERTT44H溫度變換命令、啟動溫度變換，溫度轉換大概需要2秒。3READSCRATCHPADBEH讀暫存存儲器。讀開始于字節(jié)零，并繼續(xù)經(jīng)過暫存寄存器，直至第九個字節(jié)被讀出為止。如果有的存儲器不讀，那么主機可隨時發(fā)出復位命令以中止讀操作。4寫暫存存儲器4EH，寫字節(jié)至暫存存儲器地址2和3處（TL和TH溫度觸發(fā)器）。5復制暫存存儲器43H,把暫存存儲器復制入非易失性存儲器（僅地址2和地址3）。圖6DS1820初始化流程圖314寫命令流程失敗開始端口PB7作輸出口PB7低電平輸出480US960USPB7高電平輸出PB7輸出高電平15US60USPB7作輸入口延遲60240USDINB71初始化成功YN要控制溫度傳感器DS1820獲取的溫度數(shù)據(jù)，就需要向DS1820寫入一系列的命令，寫時序如圖7所示，當主機把數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平時，產生寫時間片。寫時間片有兩種類型寫1時間片和寫0時間片。所有的時間片必須有60MS持續(xù)期，在個寫周期之間須有1US的回復時間。在I/O線由高電平拉至低電平之后，DS1820在15US至60US的時間窗口對I/O線采樣，如果線為高電平，寫1就發(fā)生，為低電平寫0就發(fā)生，寫時序的流程如圖8，在寫流程中可用一個FOR循環(huán)來判斷是否共有八次，從而完成一個命令代碼字節(jié)的發(fā)送，在每發(fā)送一位后都要讓PB7拉高單總線，為寫下一位做好準備，程序見附錄。表2存儲器操作命令指令說明約定代碼發(fā)出約定代碼后單總線的操作溫度變換命令溫度變換啟動溫度變換44H讀溫度“忙”狀態(tài)存儲器命令讀暫存存儲器從暫存存儲器讀字節(jié)BEH（讀9字節(jié)數(shù)據(jù)）寫暫存存儲器寫字節(jié)至暫存存儲器地址2和3處（TH和TL溫度觸發(fā)器）4EH（寫數(shù)據(jù)至地址2和地址3的2個字節(jié)）復制暫存存儲器把暫存存儲器復制入非易失性存儲器（僅地址2和地址3）43H讀復制狀態(tài)重新調出E2把儲存在非易失性存儲器內的數(shù)值重新調入暫存存儲器（溫度觸發(fā)器）E3H（讀溫度“忙”狀態(tài)）讀電源發(fā)DS1820電源方式的信號至主機B4H（讀電源狀態(tài)）15US15US30USDS1820SAMPLES15US15USDS1820SAMPLES30USMASTERWRITE0SLOTMASTERWTRITE1SLOT1U圖7單片機向DS1820寫命令時序315讀數(shù)據(jù)流程當溫度轉換好后要把數(shù)據(jù)從DS1820的存儲器中讀出來，讀時序如9所示。從DS1820讀數(shù)據(jù)時主機產生讀時間片，當主機把數(shù)據(jù)線從邏輯高電平拉至低電平時，產生讀時間片。數(shù)據(jù)線必須把低邏輯電平保持至少1US，來自DS1820的數(shù)據(jù)在讀時間片下降沿之后15US有效。因此，從讀時間片開始主機一共必須保持至少15US的低電平。讀時間片結束后，I/O線有外部的上拉電阻拉至高電平。所有讀時間片最短維持周期為60US，每個讀時間片之間至少需1US的回復時間，讀時序的流程如圖10所示，讀流程中PB7端口將總線拉低開始數(shù)據(jù)的讀取，等待15US后，讀總線上的電平，在判斷為高電平后將由DAT|0X01將DAT的最低位置1而不改變其它位，在每讀取一位后，將DAT中的數(shù)據(jù)左移一位，同時在每讀取一位后應留有至少1US的恢復時間。程序見附錄。PB7端口輸出0要寫的命令位為1PB7端口輸出高電平PB7端口輸出低電平延時1560MS命令左移一位發(fā)送了8位寫結束YNYNPB7輸出1圖8單片機向DS1820寫命令流程圖圖9單片機讀DS1820時序316溫度數(shù)據(jù)的處理由于溫度數(shù)據(jù)以16位、二進制補碼的讀數(shù)形式提供，在讀取溫度數(shù)據(jù)后，要對其進行處理才能進一步使用，這里要讀出兩個字節(jié)A與B，第一個字節(jié)A的低四位是溫度的小數(shù)位信息，高四位是溫度整數(shù)信息的低四位。第二個讀出的字節(jié)B高五位，位全1的話表示是負溫度，全為0標是正溫度。B的低三位是溫度數(shù)位。這樣B的低三位與A的高四位組成了溫度的整數(shù)位9。溫度數(shù)據(jù)處理程序流程如圖11所示，流程圖中的FSBZ為負數(shù)標志位，其為1時表示溫度值為負，為0時表示溫度值為正。至此完成了溫度采集的整體過程，程序見附錄。NNYYDAT|0X01延時至少1USPB7端口輸出低電平延時至少15US將DAT中數(shù)據(jù)左移一位判斷單總線是否為高電平開始是否讀入8位讀結束圖10單片機讀DS1820時序流程B73都為1B左移四位，A右移四位后B|A，F(xiàn)SBZ0A取反，B取反，F(xiàn)SBZ1B左移四位，A右移四位后B|A，B1返回BNY讀出A與B圖11溫度數(shù)據(jù)處理流程圖32顯示控制軟件設計當采集到溫度數(shù)據(jù)后要把溫度顯示出來，顯示器件采用TM12864，TM12864是12864液晶陣列，對TM12864的控制是通過指令加數(shù)據(jù)的方式進行的，這些控制信號包括讀/寫（R/W）信號，數(shù)據(jù)/指令（RS）信號，數(shù)據(jù)總線（DB0DB7）組成11。321TM12864指令TM12864的指令可分為三類1設置內部RAM地址的指令2向內部RAM寫入或讀出的指令3其它指令在普通的使用中，第二類指令使用的較為頻繁。由于在讀取或寫入數(shù)據(jù)后，RAM的Y地址會自動的加一，編程代碼將會縮短。但是指令在執(zhí)行指令期間，它不能接收另外的指令，因此在每次發(fā)送指令前應確定其閑忙狀態(tài)，以確保指令可被執(zhí)行。322指令的數(shù)據(jù)格式與功能指令的數(shù)據(jù)格式如下表3所示表3指令數(shù)據(jù)格式編碼格式顯示ON/OFF000011111D顯示起始行0011顯示起始行（063）設置X地址0010111X07設置Y地址0001Y地址（063）讀狀態(tài)10BUSY0ON/OFFREST0000寫顯示數(shù)據(jù)01顯示數(shù)據(jù)讀顯示數(shù)據(jù)11顯示數(shù)據(jù)下面對其指令詳細介紹如下1顯示開/關當D為1是LCD將顯示數(shù)據(jù)，D為0時LCD不顯示數(shù)據(jù)，LCD不顯示數(shù)據(jù)并不是說RAM中的數(shù)據(jù)消失。因此可有D來控制顯示的開和關。2顯示起始行設置在顯示開始行寄存器中的Z地址所對應RAM地址中的數(shù)據(jù)會被顯示在屏幕的頂端,此命令可用于動態(tài)顯示。3設置葉（X地址）當要顯示的RAM數(shù)據(jù)的地址設置在X地址寄存器后，寫或讀數(shù)據(jù)都在該設定葉中進行。4設置Y地址當把要操作的RAM的Y地址寫入Y地址計數(shù)器后，對RAM的讀寫操作Y地址計數(shù)器會自動加1。5讀狀態(tài)指令當在讀狀態(tài)中如果發(fā)現(xiàn)BUSY（DB7）為1，說明LCD系統(tǒng)處于忙狀態(tài)，此時不能接收其它指令，因此在每一次發(fā)送指令前應判斷是否處于空閑狀態(tài)。如果ON/OFF位（DB5）為1，說明處于顯示開狀態(tài)，為0時關狀態(tài)。RESET位（DB4）為1表面系統(tǒng)正被初始化，此時除了讀狀態(tài)指令外其它指令不可被執(zhí)行，為0表示初始化已完成。6寫顯示數(shù)據(jù)指令將要顯示的字符數(shù)據(jù)寫入指定的RAM地址中。323寫時序及相關操作流程知道了命令格式及其用途后，就可以根據(jù)寫時序向TM12864發(fā)出相關命令。單片機的寫時序如圖12所示，可見在E的下降沿DB0_7被讀入。TDSUR/WWWEDB07TWHTWLCS1B,CS2BCS3RSTC圖12單片機向TM12864寫時序前四個指令的R/W和D/I相同都位0，對這四個指令可編寫一個寫指令函數(shù)以下為實現(xiàn)以上命令的調用,其流程如圖13所示在寫命令流程中的，檢測TM12864是為了了解是否忙，是的話要一直等待直到空閑為止，最后一步是為了產生E的下降沿，程序見附錄。設寫命令函數(shù)為WRITE_INST，那么可用一下方式調用1如果要輸出顯示開/關指令，則調用WRITE_INST0X3EI,其中I1時為開I0時為關。2設置起始行可調用WRIST_INST0XC0X,X為起始顯示的RAM地址。3設置RAM的X地址WRITE_INST0XB8X。X地址即葉地址，八行RAM為一葉。4RAM的Y地址WRITE_INST0X40Y，當葉地址設定后每當一次讀寫后Y地址自動加一。檢測TM12864是否忙，忙則等待R/W0,RS0,寫命令PA輸出相應命令E1延時E0開始圖13單片機向TM1864寫命令時序圖RAM地址中的X與Y的結構如圖14所示圖14顯示RAM地址結構對于寫顯示數(shù)據(jù)的流程只要將寫指令流程中的RS0改為RS1既可。324讀時序及相關流程對TM12864的操作有時要讀出其內部數(shù)據(jù)，了解它的工作狀態(tài)，其讀時序如圖15所示TDUSR/WWWEDB07TWHTWLCS1B,CS2BCS3RSTC圖15單片機向TM12864讀數(shù)據(jù)時序由讀時序可得出讀顯示數(shù)據(jù)的流程如圖16所示R/W1,RS1讀數(shù)E1E0圖16單片機向TM12864讀數(shù)據(jù)時序流程對于讀顯示數(shù)據(jù)在指定了地址后要有一個假的讀操作，以使數(shù)據(jù)鎖存在輸出緩沖器中。在每一次對TM12864操作都要判斷其是否處于忙狀態(tài)，可用讀狀態(tài)解決，讀出的第七位為1表示忙，為0表示空閑，程序見附錄。這一判斷過程可用流程圖17表示R/W1,RS0E1讀入狀態(tài)數(shù)據(jù)第七位是否為1E0結束YN圖17單片機讀TM12864狀態(tài)的流程圖有了寫指令、讀顯示數(shù)據(jù)、讀狀態(tài)，就能夠指定顯示的內容和在屏幕何處顯示，同時還可知道TM12864的工作狀態(tài)，組成LCD的顯示控制函數(shù)，程序見附錄。325顯示一個字形的控制流程要顯示字符首先要有一個字模，字符以816的形式顯示，以下為實現(xiàn)顯示字符的流程如圖18所示X地址0I/8次給出一個字節(jié)DDRB|0X01/PORT0為輸出口PORTB/右移一位DELAY53讀字節(jié)函數(shù)UNSIGNEDCHARREADONECHARVOIDUNSIGNEDCHARI0UNSIGNEDCHARDAT0FORI8I0IDDRB|0X01/PROTB0設為輸出口PORTBIFI63/判斷地址是否越界/BREAKIFI8/地址進入右半屏范圍/CS1_0CS2_1WRITE_ISNTY1|0XB8WRITE_INSTX|0X40WHILEI8WRITE_INSTQQXICSA_CLRCSB_CLR/關顯示屏/9傳輸與接收函數(shù)VOIDUART0_INITVOIDUCSRB0X00/DISABLEWHILESETTINGBAUDRATEUCSRA0X00UCSRCBITURSEL|0X06UBRRL0X33/SETBAUDRATELO內部晶振8MUBRRH0X00/SETBAUDRATEHIUCSRB0XD8PRAGMA