基于CC2530的温度监测系统设计-信息工程本科生毕业设计.doc

1、 编 号 ： （ ） 字 号本 科 生 毕 业 设 计题目： 姓名： 学号： 班级： 二一四年六月基于 CC2530 的温度监测系统设计信息工程 2010-4 班xxxx 大 学本 科 生 毕 业 设 计姓 名： 学 号： xxxx 学 院： 信息与电气工程学院 专 业： 信息工程 设计题目： 基于 CC2530的温度监测系统设计 专 题： 指导教师： xxxx 职 称： 教 授 二一四年 六月 xxxxx 大学毕业设计任务书学院 信息与电气工程学院 专业年级 信息 2010 级 学生姓名 xxx 任 务 下 达 日 期 ： 2013 年 12 月 30 日毕业设计日期： 2013 年 12

2、月 30 日至 2014 年 6 月 10 日毕业设计题目： 基于 CC2530 的温度监测系统设计毕业设计专题题目： 毕业设计主要内容和要求：1.设计基于 CC2530 的无线温度检测节点；2.多个节点组成一跳网络；3.节点可睡眠；4.设计节点软件；5.简单设计上位机软件院长签字： 指导教师签字：年 月 日xxx 大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字：年 月 日xxx 大学毕业设计评阅教师评阅书评阅

3、教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字：年 月 日xxx 大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况回 答 问 题提 出 问 题 正 确基 本正 确有 一般 性错 误有 原则 性错 误没 有回 答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要本文主要对煤矿监控系统中温度的监测进行研究和分析，根据国内目前对于温度监测方法的研究，设计了一种基于 CC2530

4、 的温度监测系统。本文首先对本课题的研究意义及国内发展现状进行分析和研究，详细比较了几种现有的温度监测方法，根据煤矿监控系统所处的复杂环境需要，提出了基于 CC2530 的温度监测系统设计。随后本文对设计所采用的 ZigBee 无线自组网技术和 ZigBee 开发套件进行了简要介绍，并对设计所采用的 Z-Stack 协议栈的工作流程作详细介绍。本温度监测系统设计在 Z-Stack 协议栈的基础上进行，其中包括温度的采集、处理和传输，终端节点的休眠与唤醒，协调器节点串口通信等。另外，本文还对上位机软件进行了简单设计，用于温度数据在上位机上的显示。最后，本文对该系统的温度监测功能效果进行验证，并总

5、结分析验证结果。最终，设计出一种基于 CC2530 的温度监测系统。该无线传感系统能够实现点对点通信，传感器节点负责进行温度数据的采集和发送，协调器节点负责温度数据的接收和转发，上位机软件负责对温度数据的显示。关键词：ZigBee；CC2530；DS18B20；温度监测AbstractThis paper mainly carries on research and analysis of the monitoring temperature of coal mine monitoring system, according to the current domestic research f

6、or temperature monitoring method, design a temperature monitoring system based on CC2530.This paper first carries on the analysis and research of this topic research significance and the domestic development status, a detailed comparison of the temperature monitoring method of several existing, acco

7、rding to the complex environment of coal mine monitoring system which needs, puts forward the design temperature monitoring system based on CC2530. Then the design of the ZigBee wireless ad hoc network technology and ZigBee development kit are introduced, and the design of the Z-Stack protocol stack

8、 of the work process are introduced in detail. The temperature monitoring system design based on the Z-Stack protocol stack, including the acquisition, processing and transmission of temperature, dormancy and awakening of terminal nodes, the coordinator node serial communication etc In addition, thi

9、s paper also gives a simple design for the software, used to display in the upper computer temperature data. Finally, this paper verifies the temperature monitoring function of the system, and analyzed the results.Finally, the design of a temperature monitoring system based on CC2530. The wireless s

10、ensing system can realize the point-to-point communication, sensor nodes are responsible for temperature data acquisition and sending, receiving the coordinator node is responsible for temperature data and forwarding, PC software is responsible for the display of the temperature data.Key words: ZigB

11、ee; CC2530; DS18B20; Temperature monitoring 目 录1.绪 论 11.1 课题的研究背景及意义 .11.2 国内外研究概况 .11.3 论文的主要内容及结构安排 .22.ZigBee 协议简介 32.1 ZigBee 协议体系结构 .32.1.1 物理层（PHY） 42.1.2 媒体介质访问层（MAC） .42.1.3 网络层（NWK ） .52.1.4 应用层（APL） .52.2 ZigBee 基本概念 .62.2.1 设备类型 62.2.2 网络拓扑结构 72.2.3 信标与非信标模式 82.2.4 ZigBee 术语 82.2.5 绑定 92.

12、2.6 ZigBee 原语 93.基于 CC2530 的温度监测系统 .103.1 系统设计思路及整体结构 .103.2 系统硬件设计 .103.2.1 ZigBee 开发套件 103.2.2 CC2530 概述 123.2.3 DS18B20 概述 153.3 系统软件设计 .153.3.1 软件开发环境 IAR 简介 153.3.2 Z-Stack 体系架构及工作流程 .153.3.3 网络通信过程 193.3.4 温度测量与数据传输 213.3.5 节点休眠 233.3.6 上位机软件设计 244.系统测试 274.1 系统测试步骤 .274.2 系统测试结果 .274.3 系统测试结果

13、分析 .285.总结与展望 295.1 工作总结 .295.2 前景展望 .29参考文献 .31翻译部分 .32中文译文 .32原文 .37致 谢 .42xxx 大学 2014 届本科生毕业设计 第 1 页1.绪 论1.1 课题的研究背景及意义煤炭自燃产生的有害气体不仅严重危害井下人员的健康,而且容易诱发瓦斯、煤尘爆炸事故，并造成严重的资源浪费，因此研制煤矿采空区火源点感知网络系统是煤矿安全生产的迫切需要，对于制定采空区防灭火措施,实现煤矿安全高效生产和可持续发展具有重大的现实意义。基于 CC2530 的温度监测系统不仅能有效满足煤矿采空区火源点感知的需求，而且还因为其具有低成本、低功耗等特点

14、，受到人们的广泛青睐。由于简化协议，对于控制器的要求已经很低，以 8051 的 8 位控制器测算，每块芯片仅需要 2 美元，而且 ZigBee 协议免专利费，免执照频段，进一步降低了产品成本。CC2530 在众多无线通讯芯片中最为突出的优势是低功耗，在休眠模式下，2 节 5 号电池就可以维持 1 至 2 年。因此，研究基于 CC2530 的温度监测系统是非常有意义的。1.2 国内外研究概况煤矿采空区自然发现火源位置的探测在技术实现上的难度较大。国内外在这一领域内进行了大量的研究工作。现有技术主要有：电磁探测法、气体探测法和温度探测法。它们各具特点，适应不同的开采条件，也存在着各自的不足之处。

15、气体探测法。主要包括采空区气体成分分析法和测氡法。束管是当前我国煤矿火灾监测的主要手段，它利用在采空区不同位置布置多条空气采集管，定时抽取特定区域的气体样本，对该区域某点的 O2、N 2、CO、CH 4、CO 2、C 2H4、C 2H6、C 2H2等自然火灾标志气体含量循环监测，判断煤面的氧化情况，预测预报发火点的温度变化，为煤矿自然火灾的防治工作提供科学依据。具统计我国目前获得安标的都是该类产品。国内外，还开展了测氡法探测火源位置的研究。其基本原理是放射性元素存在衰变现象，在衰变过程中产生氡气，而在实际的地层测量中。人们找到了温度与氡气浓度之间的关系，依据这种关系可以从氡气浓度的变化反过来推

16、算出火源的温度。电磁法。包括磁性探测法和电阻率探测法。磁性探测法，利用煤层上覆岩中常含有大量菱铁矿及黄铁矿结核，发生自燃时，上覆岩受高温烘烤，铁质成分发生变化而形成磁性物质，且磁性随自燃温度的升高而增强的原理，实现对采空区发火点的检测。电阻率法，地下煤层沿走向或其它方向电阻率基本保持不变，自燃后引起煤层和周围岩石电阻率变化；自燃初期电阻率下降，后期表现较高电阻率，比较未自燃区和自燃区的变化来判断自燃位置。温度探测法。主要有二类系统，基于无线的采空区温度监测系统、基于分布式光纤传感器的采空区温度监测系统。无线传感器网络温度监测技术是近年来逐步发展起来的监测煤自然发火的检测方法。河南理工大学、西安

17、科技大学、黑龙江科技学院、太原电xxx 大学 2014 届本科生毕业设计 第 2 页子研究设计院等相继对采空区温度场无线自组网传感器监测系统进行了理论研究和开发。他们的研究表明，煤自燃温度场无线网络监测法能及时预测温度场的微弱变化 ,比 CO 的预报更早 ,对于煤炭自然发火早期预警预报有十分重要的意义 ，已经被业界认可。但是，这方面至今还没有产品推出。山东省科学院，提出了利用光纤拉曼散射效应（Raman scattering）和光时域反射测量技术（Optical Time-Domain Reflectometry，简称OTDR）来获取空间温度分布信息。其中光纤拉曼散射效应（Raman scat

18、tering）用于实现温度测量，光时域反射测量技术（Optical Time Domain Reflectometer）用于实现温度定位，是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高科技技术，它能够连续测量光纤沿线的温度分布情况，测量距离可达 30 公里，空间定位精度达到米的数量级，能够进行不间断的自动测量，特别适宜于需要长距离、大范围多点测量的应用场合。综上所述，束管监测系统属于对自然发火的间接测量，发火点定位困难，且束管监测系统的管线较长,投入大,维护困难,且经常发生管路漏气或堵塞现象。分布式光纤温度监测系统，在采空区温度检测中遇到的最大问题，是监测光纤极可能被塌落的顶板砸断，造成

19、不可恢复故障。测氡法，该方法与实用还有很大距离，首先是地质因素的影响，并不是所有矿都具有可供测量的氡气存在；另一方面就是氡气浓度与火源温度之间的关系并不是单调增减，而是在某一基轴线上的减幅波动，从而影响火源定位准确性。电磁法自然发现火点探测技术，必须等煤炭燃烧起来才可以使用，适用于已经火灾已经形成情况下，不适用于火源点的预警与报警。1.3 论文的主要内容及结构安排本论文主要研究“基于 CC2530 的温度监测系统设计” ，包括节点的硬件设计、无线传感器网络的组建、对温度监测功能的实现分析。本文共分为六章：第一章，绪论阐述了基于 CC2530 的温度监测系统研究的背景及意义，国内外研究煤矿采空区

20、自然发现火源位置的探测的概况；第二章，简述 ZigBee 协议栈结构、协议中各子层功能；第三章，对 CC2530 开发套件及 CC2530 芯片进行简介，对设计采用的软件开发环境IAR 进行简介，详细介绍 Z-Stack 协议栈工作流程，对温度采集、处理、传输程序进行分析和对休眠与唤醒程序进行分析，分析上位机软件设计；第四章，简述该系统设计的测试及调试过程，分析实验结果；第五章，总结与展望，对整个设计进行总结分析出自己的心得体会。xxx 大学 2014 届本科生毕业设计 第 3 页2.ZigBee 协议简介2.1 ZigBee 协议体系结构ZigBee 协议基于 IEEE802.15.4 标准

21、，由 IEEE802.15.4 和 ZigBee 联盟共同制定。ZigBee 协议栈由物理层（PHY） 、媒体介质访问层（MAC） 、网络层（NWK）和应用层（APL）共 4 层构成，其中 PHY 层和 MAC 层由 IEEE802.15.4 标准工作组制订，而 NWK 层和 APL 层由 ZigBee 联盟自行制订。每一层都完成其各自特定的任务并且向上一层提供服务，数据服务实体主要负责数据传输服务，管理服务实体则主要负责所有的其他管理服务。每个服务实体为其上层提供需要的接口都是通过其相应的服务接入点（SAP）实现的，每个 SAP 所对应的功能通过服务原语来完成，且每个 SAP 支持许多种不同

22、的服务原语。ZigBee 协议体系结构如图 2.1 所示： 应 用 程 序 框 架 ZigBe设 备 对 象（ ZDO）应 用 支 持 子 层 （ APS）应 用 设 备 240端 点 240APSDE-SAP 应 用 设 备 1端 点 1APSDE-SAP 端 点 0APSDE-SAPZDO公 共接 口APS 安 全 管 理 APS 消 息 中 转 反 射 器 管 理安 全服 务供 应 商 网 络 层 （ NWK） NLED-SAP ZDO管理面板APSME-SAPNLME-SAPNWK 安 全 管 理 NWK 消 息 中 转 路 由 管 理 网 络 管 理媒 体 介 质 访 问 层 （ M

23、AC） MLDE-SAP MLE-SAP物 理 层 （ PHY）PD-SAP PLME-SAP2.4GHz 86/915MHzIE802.154制 定 终 端 制 造 商 制 定 ZigBe联 盟 制 定 各 层 接 口图 2.1 ZigBee 协议体系结构图2.1.1 物理层（PHY）xxx 大学 2014 届本科生毕业设计 第 4 页物理层定义了物理无线信道和 MAC 层之间的接口，提供三种不同的通信频段：868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz 和 2400MHz-24835MHz，以及 1 个、10 个以及 16 个不同的信道。物理层提供两种服务：物理层数据服务（PD

24、）和物理层管理服务（PLME） 。通过无线信道的发送和接收以及物理层协议数据单元（PPDU）来实现物理层数据服务。PLME 主要通过调用物理层管理功能函数来提供管理和服务，其中物理层数据服务接入点（PD-SAP）给 MAC 层提供数据服务接口，而物理层管理实体服务接入点（PLME-SAP）给 MAC 层提供管理服务接口。驱动程序为物理层提供的接口是无线射频服务接入点（RF-SAP） ，从外界接收到数据包后，从物理层中提取信息并通过 PD-SAP 上传给上层协议。物理层结构及接口示意图如图 2.2 所示。物 理 层（ PHY） 物 理 层 管 理 实 体（ PLME）物 理 层 管 理实 体 服

25、 务 接 入 点（ PLME-SAP）无 线 射 频 服 务 接 入 点（ RF-SAP）数 据 服 务 接 入 点（ PD-SAP） 物 理 层 信 息 库（ PHY IB）图 2.2 物理层结构及接口示意图物理层的主要功能包括：1)ZigBee 系统的启动和关闭；2)当前信道的能量检测；3)链路质量信息；4)信道评估与选择；5)传输和接收数据。2.1.2 媒体介质访问层（MAC）MAC 层控制无线信道访问时使用 CSMA-CA 冲突避免机制，是所有无线信道的维护接口，提供两个相邻设备之间可靠的链路。MAC 层由 MAC 层管理实体（MLME）提供 MAC 层管理服务和 MAC 层数据服务实

26、体（MCPS）提供 MAC 层数据服务两部分构成。MAC 层数据服务是指MAC 层协议数据单元（MPDU）通过物理层数据服务发送和接收，而 MAC 层数据服务接入点（MCPS-SAP）给网络层提供数据服务接口。MAC 层管理实体以提供可调用 MAC 层管理功能接口为目的，MAC 层管理实体服务接入点（MLME-SAP）为网络层提供管理服务接口。MAC层的结构接口示意图如图 2.3 所示。xxx 大学 2014 届本科生毕业设计 第 5 页MAC层 数 据 实 体（ PS） MAC层 管 理 实 体（ LME）MAC层 数 据 实 体服 务 接 入 点（ PS-A） MAC层 管 理 实 体服

27、务 接 入 点（ LE-SAP）PD-SA PLME-SAPMAC层 信 息 库（ PIB）图 2.3 MAC 层结构和接口图MAC 层主要功能包括：1）信标的产生与同步；2）信道接入；3）保证系统的安全性；4）管理时隙(GTS)机制；5）提供可靠的通信链路。2.1.3 网络层（NWK）网络层是 ZigBee 协议栈的核心部分。网络层由网络层数据服务实体（NLDE）和网络层管理实体（NLME）两部分共同组成，不仅为 MAC 层提供函数而且为应用层提供服务接口。网络层数据服务实体产生网络层协议数据单元（NPDU）为设备间的数据传输提供必要的服务，通过网络层数据实体服务接入点（NLDE-SAP）为

28、应用层提供数据服务接口。网络层管理实体主要负责网络中的管理服务，通过网络层管理实体接入点（NLME-SAP）实现。网络层结构和接口图如图 2.4 所示。网络层主要功能包括：1)网络的发现、形成和维护；2)路由器初始化；3)提供网络节点地址分配；4)允许设备直接或间接同网络连接；5)断开网络连接；6)复位配置；7)信息库管理。 网 络 层 数 据 实 体（ NLDE） 网 络 层 管 理 实 体（ NLME）网 络 层 数 据 实 体服 务 接 入 点（ NLDE-SAP） 网 络 层 管 理 实 体服 务 接 入 点（ NLME-SAP）MCPS-A MLE-SAPMAC层 信 息 库（ PI

29、B）图 2.4 网络层结构和接口图2.1.4 应用层（APL）xxx 大学 2014 届本科生毕业设计 第 6 页ZigBee 应用层框架由应用支持子层（APS） 、应用程序框架（AF） 、ZigBee 设备对象（ZDO）和用户定义的应用对象 4 个部分组成。ZigBee 应用层除了提供必要的函数以及服务接口外，另一个重要的功能是让用户在应用层里编辑自己的应用对象。应用支持层（APS）具有管理绑定表、在绑定设备间传输数据的功能。它由主要负责为设备间的数据传输提供相应服务的应用支持子层数据服务实体（APSDE）和主要负责根据命令提供相应管理和服务的应用支持子层管理实体（APSME）共同组成。在应

30、用层中，应用支持子层数据接入点（APSDE-SAP）和应用支持子层管理服务接入点（APSME-SAP）分别为上层的应用实体提供数据和管理服务。应用支持子层结构与接口图如图 2.5 所示。应用程序框架（AF）其本质就是各个制造商所自定义的应用对象，并提供键值对(KVP)服务和报文(MSG)服务以满足应用对象的数据传输，用户自定义应用对象必须遵循在端点 1-240 上运行的规范（profile）原则。设备在网络中的角色（例如是 ZigBee 协调器或是 ZigBee 终端设备或是 ZigBee 路由器）是由 ZigBee 设备对象（ZDO）定义的，同时 ZigBee 设备对象还负责对绑定请求的响应

31、和初始化，在设备间建立可靠的联系。 应 用 支 持 子 层 数 据 实 体（ APSDE） 应 用 支 持 子 层 管 理 实 体（ APSME）应 用 支 持 子 层 数 据实 体 服 务 接 入 点（ APSDE-AP） 应 用 支 持 子 层 管 理实 体 服 务 接 入 点（ APSME-AP）NLDE-SAP NLME-SAPMAC层 信 息 库（ PIB）图 2.5 应用支持子层结构与接口图2.2 ZigBee 基本概念ZigBee 协议栈主要包含 6 个基本概念：设备类型、网络拓扑结构、信标与非信标模式、ZigBee 术语、绑定、ZigBee 原语。2.2.1 设备类型ZigBe

32、e 系统中的设备可能包含协调器（Coordinator） 、路由器（Router）和终端节点（End Device）3 种逻辑类型中的两种或三种，一个完整的 ZigBee 网络由至少一个协调器、一个或多个路由器和一个或多个终端节点组成。协调器ZigBee 网络的拓扑形式可以多种多样，但是每个 ZigBee 网络中有且只有一个协调器节点。协调器负责选择网络的信道、启动并建立整个网络。协调器也可以协助网络中安xxx 大学 2014 届本科生毕业设计 第 7 页全服务和应用层的绑定服务的建立。但是协调器的角色只涉及网络的启动和配置，之后整个网络的运行就不再依赖于协调器是否存在。路由器在树形和网状拓扑

33、结构中，需要有路由器节点的加入，它是网络远距离延伸的必要部分。路由器节点的功能是允许其他节点加入网络，协助各个节点之间的通信。终端设备终端设备主要负责信息的接收和发送，不需要维持特定的网络结构，可以根据需要进入休眠或唤醒状态以降低功耗。终端设备一般由电池供电，对存储空间要求比较小。2.2.2 网络拓扑结构ZigBee 支持 3 种网络拓扑结构，包括：星型拓扑网络、树形拓扑网络和网状拓扑网络。如图 2.6 所示。其中，全功能设备（FFD，Router）可以支持任何一种网络结构，可以作为网络协商者和普通协商者使用，并且可以和任何一种设备进行相互通信。精简功能设备（RFD）只支持星型网络结构，不能成

34、为任何一种协商者使用，但是可以和网络协商者相互通信。星 型 拓 扑 网 络 树 型 拓 扑 网 络 网 状 拓 扑 网 络协 调 器 路 由 器 终 端 设 备图 2.6 ZigBee 网络拓扑结构星型拓扑网络星型拓扑网络是最简单的一种拓扑结构，由一个协调器和一个或多个终端设备组成，只存在协调器与终端设备的通信，而没有路由节点的参与，终端设备之间的相互通讯必须通过协调器转发。树形拓扑结构树形拓扑网络结构可以理解为由一个协调器和一个或多个星型结构连接而成，直接通信只能在父子节点之间进行，而非父子节点之间的通信只能通过树状路由器间接完成。网状拓扑网络网状拓扑网络具有灵活、减少消息延时和可靠的特点，

35、网络中所有具有路由功能的节点直接互联，任意两个节点间可相互传输数据，网络路径通过路由器中的路由表按照算法选择。xxx 大学 2014 届本科生毕业设计 第 8 页2.2.3 信标与非信标模式ZigBee 网络可以分为信标（Beacon）和非信标(Non-beacon)两种工作模式。为最大限度的节约能源消耗，信标模式可以使所有网络设备同步工作和同步休眠；而在非信标模式下，协调器和路由器必须长时间处于工作状态，只允许终端设备周期性进入休眠模式。在信标模式下，协调器向网络广播 16 个相同时间槽间隔的信标帧一般以 15ms-4min之间的时间为间隔。时间槽被分为网络活动区和网络休眠区两个部分，消息只

36、能在网络活动区内发送。在非信标模式下，采用终端节点向父节点提取数据，父节点为子节点缓存数据的机制，使终端设备可以周期性进入休眠模式以达到低功耗。在 ZigBee 网络中，子节点大部分时间通常都处于休眠工作状态，但需要周期性醒来确认自己仍处于网络中，并可在15ms 的延时后转入数据传输模式，提取数据。2.2.4 ZigBee 术语节 点射 频 发 射 器设 备 设 备端 点 端 点输 出 群 集端 点 输 入 群 集输 出 群 集属 性属 性属 性属 性属 性 端 点 输 出 群 集属 性端 点 输 入 群 集属 性输 出 群 集属 性属 性图 2.7 ZigBee 术语结构图属性反映物理数量或

37、状态的数据值称为属性，如开关值（On/Off）,温度值、百分比等。群集群集就是属性的集合，每一个群集都被系统分配一个独有的的群集 ID 且每个群集至多可以有 65536 个属性。设备描述设备描述包含一个或多个集群，指定集群是输入或输出，描述符有 4 种，分别是简单描述符、节点描述符、电源描述符、端点描述符。端点端点是协议栈应用层的入口，是为实现一个设备描述而定义的一组群集。用户可以在每个设备上自定义 240 个应用对象（也就是端点 1-240） 。每个 ZigBee 设备必须使用端xxx 大学 2014 届本科生毕业设计 第 9 页点 0 用于与 ZDO 接口，而被保留用于广播的端点是 255

38、，端点 241-254 则被保留下来为了将来做扩展时使用。节点每个节点有且只有一个信道使用，包含一组 ZigBee 设备，也可以理解为是一个专门的 ZigBee 设备的容器。2.2.5 绑定通过使用 ClusterI 使不同的节点上的独立端点之间能够建立一个逻辑上的连接的特殊操作被称为绑定。绑定操作的实现是协调器在接收到两个端点的绑定请求之后，通过建立绑定表使端点间建立一种逻辑链路。在两个端点建立绑定表后，端点间的通信是由一个端点将信息传递给协调器，再由协调器通过查找已有绑定表将收到的信息发送给所绑定的另一个端点，这样实现端点间的间接通信。2.2.6 ZigBee 原语ZigBee 协议栈各层

39、之间是通过各自所关联的服务访问点来提供服务的，各层根据各自的功能独立运行，但 ZigBee 协议栈又是一个有机的整体，各层之间需要共同协作以便完成任务。因此，层与层之间的信息交互通过服务“原语”的操作实现， “原语”分为 4种类型，分别是请求（Request） 、指示（Indication） 、响应（Response）和证实（conform） 。原语的操作概念如图 2.7 所示。请求（Request）：请求原语从 N+1 实体发送到 N 实体，请求发起一个服务，如请求建立连接、数据传送等。指示（Indication）：指示原语从 N 实体发送到到 N+1 实体，指示一个对 N+1 实体有外部

40、N 层事件发生，这个事件可能由内部事件产生或与远程服务请求有关。响应（Response）：响应原语由 N+1 实体向 N 实体传递，用来响应上一个指示原语。证实（conform）：确认原语由 N 实体向 N+1 实体传递，对前面一个或多个服务请求相关的执行结果予以确认。 请 求确 认 指 示响 应服 务 用 户（ N1-User） 服 务 用 户（ N2-User）服 务 提 供 者（ N-layer）图 2.7 原语操作概念图xxx 大学 2014 届本科生毕业设计 第 10页3.基于 CC2530 的温度监测系统3.1 系统设计思路及整体结构本文的温度监测系统是利用 ZigBee 无线通讯

41、技术为基础，采用 CC2530 芯片为核心设计的无线传感系统。在现实中所应用的温度监测系统通常需要一个或多个路由器节点和至少一个或多个终端设备，往往是一个非常庞大的 ZigBee 无线网络系统，具有非常复杂的网络结构，但是由于在实验环境下，节点数量、制作成本、技术能力等多方面因素，无法构成像现实中的大型无线网络，目前只能实现点对点的温度监测和数据传输来模拟现实中的温度监测 ZigBee 网络。本文中所设计的温度监测系统采用点对点通信的模式，可以理解为简化的星型拓扑网络，由一个协调器和一个终端节点组成。协调器具有无线收发通信部分、处理器部分、与 PC 机通信的串口部分和电源供电部分。终端节点与协

42、调器相比不具有串口通信部分而是增加了温度采集传感器部分。当需要温度采集时，协调器向终端节点发送控制命令，终端节点通过温度传感器DS18B20 进行温度的采集，之后终端节点将采集的温度数据通过无线发送给协调器，由协调器对温度数据进行处理后通过串口将温度数据传输给 PC 机，通过上位机软件对温度数据进行显示、分析、存储等处理。由于 ZigBee 的特点是低功耗，因此本设计中为使节点满足低功耗要求，终端节点还能进入休眠模式，采用定时器唤醒模式每 10 秒唤醒一次，以最大限度的降低功耗。系统总体方案图，如图 3.1 所示。无 线 测 温 节 点无 线 测 温 节 点无 线 测 温 节 点 协 调 器

43、节 点 上 位 机ZigBe无 线 传 输 串 口图 3.1 系统总体方案图3.2 系统硬件设计3.2.1 ZigBee 开发套件本设计所用 ZigBee 开发套件由节点（底板和核心板）2 套、仿真器 1 个、10pin 排线 1 条、USB 线 2 条、2db 天线 2 条和 DS18B20 温度传感器 1 个构成。此开发套件具有以下特点：xxx 大学 2014 届本科生毕业设计 第 11页设计小巧，布局合理。底板尺寸 5*5cm，核心板尺寸 2.5*2.5cm；采用底板加核心板的设计，便于更换模块或板载天线模块；板上接口资源丰富，传感器即插即用；板载 USB 转串口电路，方便笔记本以及没有

44、串口的电脑用户；传输距离远；具备 USB 高速下载功能，支持 IAR 集成开发环境；ZigBee 开发套件节点底板实物图，如图 3.2 所示。图 3.2 节点底板实物图ZigBee 开发套件底板电路示意图，如图 3.3 所示。图 3.3 节点底板电路示意图xxx 大学 2014 届本科生毕业设计 第 12页在本温度监测系统设计中，由底板和核心板所组成的两套节点分别作为协调器和终端节点。协调器节点协调器节点主要由 CC2530 芯片、射频天线电路、供电模块、晶振电路以及串口通讯电路五部分组成。协调器节点的功能是将计算机发送的指令发送给终端节点，再接收终端节点传来的的数据信息，并将接收到的数据发送

45、给计算机显示。协调器设计如图 3.4所示。 RXD RF-PTNC2530天 线晶 振32MHz.768kUART电 源 模 块图 3.4 协调器节点终端节点终端节点主要由 CC2530 芯片、射频天线电路、供电模块、晶振电路以及温度传感器DS18B20 五部分组成。终端节点主要负责完成对温度数据的采集，并且将温度传感器采集的温度数据周期性的发送给协调器。终端节点设计如图 3.5 所示。RF-PNC2530天 线晶 振32MHz.768k温 度 传 感 器DS18B20电 源 模 块图 3.5 终端节点设计除了节点外还有仿真器，仿真器提供连接 PC 的 USB 接口，通过 Download 程

46、序至协调器和终端节点。可以实现单步调试、断点调试、观测调试、数据流调试和观察寄存器。ZigBee 开发套件仿真器实物图，如图 3.6 所示。图 3.6 仿真器实物图3.2.2 CC2530 概述xxx 大学 2014 届本科生毕业设计 第 13页CC2530 芯片是由 TI 公司设计开发的一款支持 IEEE802.15.4 标准/ZigBee/ZigBee RF4CE 的新一代 SOC 芯片，是真正的片上系统解决方案。CC2530 是理想的 ZigBee 专业应用，因为其拥有多达 256KB 的快闪记忆体。CC2530 拥有一个高性能无线收发器、一个标准增强型 8051 微处理器、8KB 的

47、RAM、32/64/128/256KB 闪存、4 种供电模式以及包括 12位数模转换器 、2 个通用串口模块和 21 个通用 GPIO 等的强大外设支持。此外，CC2530还通过 TI 的标准兼容网络协议栈 Z-Stack 来简化开发。特性描述CC2530 具有强大的无线前端：采用 2.4GHzIEEE802.15.4 标准 RF 发射器，可编程输出功率为+4.5dbm，总体无线连接 102dbm，6*6mm 的 QFN40 封装。CC2530 还具有低功耗的特点：接收模式 24mA，发送模式 29mA，4 微秒唤醒 0.2mA，睡眠计时器运行 1mA，外部中断 0.4mA，电源电压范围 2-

48、3.6V。CC2530 的微控制器包括：高性能的 8051MCU 内核，32/64/128/256KB 闪存，8KB 内存。CC2530 还具有强大的外设集：五通道 DMA，21 个通用I/O 引脚，3 个通用定时器，32kHz 睡眠计时器和定时捕获，CSMA/CA 硬件支持，8 通道12 为 ADC，AES 加密安全协处理器，WatchDog 定时器，两个 USART 等。应用范围CC2530 广泛应用于 RF4CE 摇杆控制系统、楼宇自动化系统、照明系统、工业控制和监控、电子消费、医疗保健等领域。引脚描述CC2530 采用 40 引脚的 QFN 封装，其引脚如图 3.7 所示：图 3.7

49、CC2530 引脚顶视图xxx 大学 2014 届本科生毕业设计 第 14页引脚描述xxx 大学 2014 届本科生毕业设计 第 15页CC2530 外围主电路图如图 3.8 所示。图 3.8 CC2530 外围主电路3.2.3 DS18B20 概述DS18B20 是最常用的温度传感器之一，具备体积小、成本低、抗干扰能力强、精度高等特点。DS18B20 由 4 个主要部分组成：64 位光刻 ROM、温度传感器、配置寄存器和非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL。DS18B20 有效工作电压 3-5.5V 之间，测温范围在-55- +125（测温误差 1）之间，单线接口方式，无需任何外围元件。DS18B20 使用范围广泛，包括：测温控制领域、狭小的工业设备测温和控制等。3.3 系统软件设计本设计所使用的软件开发平台是 CC2530 适用的 I