基于ZigBee的无线温湿度采集系统设计毕业设计论文.doc

燕山大学本科毕业设计(论文)

摘要
在物联网盛行的今天，无线传感器网络(wsnM乍为物联网中核心技术之 一，应用更是日益广泛。IEEE802.15.4/ZigBee技术是近些年来通信领域中 的研究热点，它具有低成本、低功耗、低速率等特点和高可靠性、组网简单 灵活等优势，逐步成为WSN事实上的国际标准[1]。ZigBee技术凭借其优势， 赢得了广阔的市场，国内外企业纷纷展开了 ZigBee产品的开发。本文设计 的ZigBee的无线温湿度采集系统，移植性强，可广泛应用于大棚温湿度采 集、家庭办公自动化温控、工业与环境信息监测等场景，有广阔的市场前景。
本文首先对ZigBee协议栈架构进行了系统的分析，然后依据其特点对 系统总体方案进行概要设计。本文设计了参照TI公司的设计方案，硬件选 用TI公司的CC2530芯片进行设计，软件选用ZigBee协议栈2007 Z-Stack 设计[2]。文章接下来又分别对软硬件进行详细地设计。对于系统的硬件电路 设计主要包括，分析了 CC2530射频芯片的特性及使用，分别对协调器、路 由器和终端采集节点的核心电路和外围电路原理图进行设计，其中外围电路 部分主要包括电源电路、复位电路、USB转串口电路、Debug下载电路以 及网络指示电路等的设计。在系统软件设计部分，主要对ZigBee协议栈的 配置、网状网程序、设备间的通信、温湿度数据采集和上位机界面等部分进 行了设计，其中上位机界面设计程序使用LabVIEW2010编写。
系统设计完成后，又对所设计的系统进行了组网、通信以及系统功能的 测试，实现了网状网拓扑的组网采集功能，论证了方案的可实施性。接下来 本文对ZigBee网络与C008网络通信进行了分析，给出了实现网络大范围 覆盖的系统搭建方案，用来。文章结尾对设计工作做了总结，并对接下来的 进一步研究设计和系统的应用进行了分析与展望。
关键词无线传感器网络；ZigBee；数据采集；Z-Stack
Abstract
Nowadays the IOT is prevalent, wireless sensor network is used wider and wider as the core of the Internet technology. IEEE802.15.4/ZigBee technology is a hot research in the field of communication in recent years. It has the advantages of low cost, low power consumption, low rate, high reliability, simple, flexible and so on. And it gradually become the de facto international standard of the WSN[1]. ZigBee technology has won the broad market, the domestic and foreign companies launched the development of ZigBee products. ZigBee wireless temperature and humidity acquisition system is designed in this paper, the portability is strong, can be widely applied in the greenhouse temperature and humidity collection, family office automation control, industrial and environmental information monitoring scene.
This paper analyzes ZigBee protocol stack, then designs the scheme of the system. The hardware is designed by using CC2530 chip of the TI, the software is designed by using Z-Stack . The design of hardware circuit system includes the core and peripheral circuit of the coordinator, router and end device. The peripheral circuit includes the design of the power circuit, reset circuit, USB conversion circuit, Debug serial circuit and display circuit. While in the process of designing the software of the system, the configuration of the Z-Stack, network programming, devices communication, temperature and humidity data acquisition are designed, and the PC interface is designed by the LabVIEW2010.
Then I test the system function of networking and communication. And the net acquisition function of mesh topology is realized, demonstrates the implementation of the scheme. Next this paper analyzs the bridging of the ZigBee network and C008 wireless network, and gives the system construction scheme for network coverage. At the end of the paper the design work is summarized, and the future design of the study is analyzed and forecasted.
Key words wireless sensor network； data acquisition； ZigBee； Z-Stack
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目录

目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1课题的研究背景及意义 1
1.2国内外研究的现状 2
1.3无线温湿度采集系统设计思路 2
1.4组织架构 3
第2章ZigBee协议简介 5
2.1 ZigBee技术简介 5
2.2 ZigBee网络设备 5
2.3 ZigBee协议栈架构 7
2.4本章小结 9
第3章系统硬件设计 10
3.1系统整体方案 10
3.2系统硬件平台选择 11
3.3协调器电路设计 12
3.3.1 CC2530核心电路设计 13
3.3.2外围电路设计 14
3.4终端节点电路设计 16
3.5路由器电路设计 17
3.6本章小结 17
第4章系统软件设计 18
4.1系统软件平台概述 18
4.2 ZigBee设备通信设计 19
4.2.1 ZigBee协议栈配置 19
4.2.2网状网程序设计 25
4.2.3数据的收发 27
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4.2.4温湿度数据采集 30
4.3 LabVIEW上位机设计 35
4.3.1后砸程序实现 35
4.3.2前砸布局 37
4.3.3应用程序和安装程序的生成 37
4.4本章小结 38
第5章网络测试与分析 39
5.1组网测试 39
5.2设备通信测试 40
5.2.1空旷无障碍测试试验 40
5.2.2有障碍测试 41
5.2.3温湿度采集系统功能测试 42
5.3测试结果与分析 44
5.4 C008搭载ZigBee网络实现方案 44
5.5本章小结 46
总结 47
参考文献 48
致谢 50
附录1硬件原理图 51
附录2 ZigBee程序 53
附录3 LabVIEW程序图 67
附录4外文翻译 69
附录5开题报告 85
附录6文献综述 91
附录7中期报告 96
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第1章绪论

第1章绪论
ZigBee技术是一种介于蓝牙和无线标记之间的无线技术方案。ZigBee 技术是一种新兴的短距离、低功耗、低速率、低成本的无线通信技术。它采 用CSMA-CA方式接入信道，可有效地避免通信冲突[3]。ZigBee网络拓扑结 构主要有星型网、树状网或网状网三种。设备地址分为16位短地址和64 位长地址，具有较大网络容量[4]。它的应用层可根据用户需要进行开发。
1.1课题的研究背景及意义
在物联网盛行的今天，无线传感器网络作为物联网中的核心技术之一， 应用更是日益广泛。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是通
过各类传感器协作地实时感知和采集环境信息，通过无线发送，以自组多跳 的方式传送到一个特定的节点进行信息收集的网络。WSN的特性决定了其 不需要较高的传输带宽，而需要较低的传输延时和极低的功率。ZigBee技 术是近年来通信领域中的研究热点，具有低成本、低功耗、低速率的特点和 高可靠性、组网简单、灵活等优势，逐渐成为WSN实际上的国际标准[5]。
ZigBee技术应用广泛，主要领域有大棚温湿度采集控制、家庭办公自 动化、工业与环境监测及人员定位与医疗护理等。温室大棚可以通过ZigBee 技术完成温湿度采集，并通过无线网络传输到后台，方便管理员调节大棚温 湿度，节省了人力；家中具有ZigBee系统，可以方便的监控家中的整体运 作，有效掌握电力、自来水等的使用状况，智能化控制空调、灯光、火灾等 感应系统，节约能源；在社区老年福利院，使用ZigBee人员定位系统，可 以动态的监测各人员位置，方便人员的及时护理。
运用ZigBee等技术的无线传感器网络，相比于传统的布线方式，省去 了电缆安装和网络架设等环节，大大节省了人力、财务等，系统的灵活性、 可维护性与扩展性也大大提高[6]。基于ZigBee技术的无线传感器网络，能 够实时地监测环境的信息，其网络节点可以自组织的随时加入/退出网络， 不需要人为管理。ZigBee技术满足了无线通信、网络大范围覆盖、网络灵 活性高以及维护管理方便等要求，是将来物联网发展的趋势。
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1.2国内外研究的现状
WSN的巨大应用价值，引起了国际上的广泛重视。美国自然科学基金 委员会于2003年制定了 WSN研究计划，日本、英国、意大利、巴西等国 也陆续展开该领域的研究工作。在温总理2009年提出的“感知中国”中， 物联网正式列为我国五大新兴战略性产业之一。ZigBee作为物联网的骨干 之一，在中国引起了企业的高度重视，许多企业纷纷展开了基于ZigBee的 研究，推动了 ZigBee技术在中国的发展。
现如今，许多芯片厂商已推出自己的Soc解决方案，并免费提供了基于 自家芯片的ZigBee协议栈。随着ZigBee协议标准的逐步完善和物联网的带 动，以及 5 大芯片厂商(Jennic，TI, Frescale，Ember, Ateml)和 ZigBee 联 盟的不断努力推动，基于ZigBee的应用层出不穷[7]。
ZigBee技术具有广阔的应用前景，在未来可以涉及到人类日常生活和 社会生产的众多领域。从技术层面上来看，ZigBee技术在未来将迎合物联 网的发展，扮演好传输层的角色，朝着开发更廉价，更省电，更快速的Soc 发展。从应用领域上来看，ZigBee相比于蓝牙、WiFi，它具有低功耗的优 势，有机会开拓在智能手机等领域的市场。
目前ZigBee技术仍然处于起步探索阶段，主要表现在可应用的终端产 品真正上市的不多，典型应用少、网状网应用少、缺乏体现ZigBee优势的 大型组网应用。ZigBee的大规模商业应用还有待时日，但已经展示出了其 非凡的应用价值，相信随着技术的发展和推进，一定会得到更广阔的应用。
1.3无线温湿度采集系统设计思路
本文设计的基于ZigBee的温湿度采集系统，选用2.4GHz的CC2530作
为核心芯片，参考TI的设计方案进行软硬件设计。在网络覆盖范围内，分 布着协调器、路由器和终端采集节点。系统运行时，终端节点实现数据的采 集和上传；协调器将各终端节点上传的数据汇总、处理，并通过串口发送至 上位机界面显示并存储；当传输距离达不到时，采用路由器对数据进行转发， 达到中继路由功能，同时路由器也具备采集功能。
对于该无线温湿度采集系统的实现，主要从以下几个方面进行了设计：
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第2章ZigBee协议简介

(1) 系统硬件部分的设计，主要包括协调器、路由器及终端采集节点的 硬件整体方案设计和的硬件各组成部分的设计。
(2) 系统软件部分的设计，主要包括Z-Stack协议分析、系统网络设计、 节点间通信设计、数据采集程序设计以及上位机软件界面设计。
本文温湿度采集系统设计思路如图1-1所示。

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协调器

路由器

采集

系统

系统

设备

DHT11

上位机
节点电

节点电

节点电

协议

网络

通信

数据采

软件
路设计

路设计

路设计

设计

设计

设计

集设计

设计

图1-1温湿度监测系统整体设计框图

系统硬件设计
系统软件设计

1.4组织架构
本文可以分为七章，下面分别介绍每章的主要内容：
第1章简要介绍了基于ZigBee无线温湿度采集系统的研究背景及意义、 国内外的研究现状以及本文的设计思路。最后给出了本文的组织架构。
第2章主要包括ZigBee技术简介，网络中的设备、拓扑结构以及ZigBee 协议栈架构的各主要部分。
第3章给出了基于ZigBee技术的无线温湿度采集系统的总体设计，并 给出了系统的硬件平台和软件平台的选择方案。
第4章主要介绍了无线通信模块的设计，并根据网络中各节点类型，分 别对协调器、路由器和终端节点进行硬件设计。
第5章对系统的软件部分进行了设计，主要包括协议栈的配置、各模块 间数据通信以及温湿度的采集和上传，同时还用LabVIEW设计了上位机界 面，用以实时显示存储采集到的温湿度数据。
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第6章主要进行了组网、通信以及系统功能的测试。在上位机界面上显 示并存储协调器上传的数据。并根据测试过程中遇到的问题提出了相应的解 决方案。
第7章结合实习工作单位的C008设备，将ZigBee协调器接到C008设 备的终端，实现大范围无线网络覆盖。
最后对设计工作进行了总结，并对今后的系统的进一步设计进行了分析
与展望。

第2章ZigBee协议简介
2.1 ZigBee技术简介
物联网就是物物相连的互联网。通过红外感应器、射频识别(RFID)、全 球定位等信息传感设备，按照约定的协议，把互联网与任何物体相连接，实 现双方间的信息通信，以实现对物体的智能化识别、定位跟踪和管理的一种 网络。
无线传感器网络是物联网中核心技术之一。WSN可以采用ZigBee技术、 蓝牙、WiFi和红外等技术实现。其中ZigBee技术是一种新兴的短距离、低 复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信技术。它采用CSMA-CA 方式接入信道，可有效地避免通信冲突[8]。随着ZigBee技术走进国内市场， 许多公司均在着手开发基于ZigBee的产品。其应用领域有大棚温湿度采集 控制、家庭办公自动化、工业与环境监测及人员定位与医疗护理等。
2.2 ZigBee网络设备
IEEE(Institute ofElectrical and Electronics Engineers，电气和电子工程师
协会)定义了两种不同类型的设备：一种是全功能设备(FFD)，另一种是简化 功能设备(RFD)。FFD能够转发其他设备的数据帧，与多个其它的FFD或多 个RFD进行通信；RFD不能同其他终端节点通信，只能同FFD进行通信[9]。
依据设备在网络中承担的任务的不同，可以将ZigBee网络中的设备分 为协调器、路由器和终端节点。FFD在任何网络拓扑结构的中，能够成为网 络中的协调器、路由器或终端节点，而RFD只能充当终端节点[10]。一个 ZigBee网络中只有一个协调器，它是整个网络的核心，负责网络的建立， 向周围的设备发送信标帧并为其分配地址，并将数据上传或命令下发。路由 器协助协调器建立网络，并在协调器和终端节点间起到路由中继的作用。终 端节点的主要功能是将采集的数据发送给协调器或接收协调器下达的命令。 (1) ZigBee网络的拓扑结构
ZigBee网络支持星型网、树状网和网状网三种网络拓扑结构[11]。如图 2-1所示。
第2章ZigBee协议简介

星型网 网状网

树状网
协调器
路由器
采集节点
图2-1 ZigBee网络的拓扑结
星型网由一个协调器和传感器(路由器或者终端节点)组成，只存在协调 器与传感器的通讯，传感器间的通讯则需要通过协调器的转发。
树状网由一个协调器和若干个星型网组成，设备只能与自己的父节点或 子节点进行直接通讯。
网状网在树状网的基础上实现，它允许网络中具有路由器直接互通，由 路由器中的路由表实现消息的路由。该拓扑结构减少了延时，具有很强的网 络健壮性和系统可靠性，但是需要更多的存储空间。
(2) ZigBee数据通信机制
ZigBee网络中有三种的数据通信机制：单播(Unicast)、组播(Multicast) 和广播(Broadcast)。
在单播寻址过程中，发送方将数据帧发送给目标设备，实现点对点传输。 在组播寻址过程中，消息被传递给一个网络中的一组成员。在广播寻址过程 中，目的地址域初始化为OxFFFF，任何处于接收使能状态的设备均能接收 广播数据帧[12]。
2.3 ZigBee协议栈架构
协议栈是协议和用户之间的一个接口，开发人员是通过议栈来使用协 议，进而实现数据的收发。ZigBee协议栈的每一层负责实现协议中的规定 任务，并为自己的上一层提供特定服务与支持：数据服务实体提供数据传输
服务；管理实体提供管理服务[13]。ZigBee协议栈体系结构如图2-2所示。

图2-2 ZigBee协议体系结构
ZigBee协议分为两部分，IEEE802.15.4标准定义了物理层(PHY)和介质 访问层(MAC)技术规范；ZigBee联盟定义了网络层(NWK)、应用层(APL)技
术规范。
(1) 物理层(PHY)
ZigBee协议的物理层是由IEEE802.15.4制定的，IEEE802.15.4是一个 低速无线个人局域网(Low Rate Wireless Personal Area Networks, LR-WPAN)
标准。物理层定义了两个不同的载波频率范围(868/915MHz和2.4GHz)用于 收发数据。低频率物理层包括868MHz欧洲频段和915MHz美洲澳洲频段; 高频率物理层供全世界使用。其中频段868MHz定义了 1个频道，频段 915MHz定义了 10个频道，频段2.4GHz定义了 16个频道[14]。
物理层定义了物理层和MAC层之间的接口，通过两个物理层服务访问 点(PD-SAP和PLME-SAP)提供了物理层数据服务和物理层管理服务。物理 层数据服务通过PD-SAP实现物理层协议数据单元(PPDU)的收发，物理层 管理服务通过PLME-SAP维护物理层的数据库[14]。
物理层功能：1)设备的激活；2)当前信道能量的检测；3)链路质量的 检测；4)信道接入方式的选择；5)信道频率的选择；6)数据的传输和接收。
(2) 介质访问层(MAC)
ZigBee协议的媒体访问控制子层也是由IEEE802.15.4制定，它使用
CSMA-CA机制来接入无线信道，是所有无线信道的维护接口，主要负责管 理网络信标、发送确认帧以及发送连接和断开请求等。
MAC层定义了 MAC层和网络层之间的接口，通过两个服务访问点 (MLDE-SAP和MLME-SAP)提供了 MAC层数据服务和管理服务。MAC层 数据实体服务通过MLDE-SAP实现了 MAC层协议数据单元MPDU的收发， MAC层管理实体服务通过MLME-SAP维护MAC层的管理服务[14]。
MAC层功能：1)协调器产生信标；2)支持网络链路的建立和断开；
3)为设备的安全性提供支持；4)采用CSMA-CA信道接入方式；5)保护时 隙机制的处理与维护；6)在两个MAC实体间提供可靠而稳定的网络通信 链路。
(3) 网络层(NWK)
网络层是ZigBee协议栈中的重中之重，是ZigBee的核心。网络层主要 实现了设备节点的加入或者离开、路由链表的查找及网络数据的传输等。
网络层为了确保MAC层正常工作提供了一些必要的函数，并且还为系 统开发层提供了服务接口，它由网络层数据服务实体(NLDE)和管理实体 (NLME)共同组成。NLDE为设备间的通信提供相应服务，它产生网络层协 议数据单元(NPDU)，并且为其指定网络拓扑中的传输路由。NLME主要提 供网络中的管理服务[15]。
网络层功能：1)网络发现与形成；2)路由器初始化；3)设备同网络连 接；4)网络的断开与重新加入；5)接收机同步；6)信息库维护。
(4) 应用层(APL)
ZigBee应用层框架包括应用支持层(APS)、ZigBee设备对象层(ZDO)和
制造商自己定义的应用程序框架(AF)。ZigBee应用层除了提供一些必要函 数以及为网络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能是用户可以在这层 定义自己的设备应用对象。
应用支持层使用了生产商自定义的应用对象和ZigBee设备对象提供的 服务，借此实现了网络层和应用层之间的接口问题。应用层通过两个服务访 问点(APSDE-SAP和APSME-SAP)提供了数据服务和管理服务。应用层数据 服务实体通过APSDE-SAP提供了数据传输服务，应用层管理服务实体通过 APSME-SAP来提供管理服务[15]。
ZigBee设备对象是一个特殊的设备应用对象，它在端点0上实现。它 使用应用层的APSDE-SAP和网络层的NLME-SAP。包括了定义网络中设备 的角色，发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制等功能。
应用程序框架层(AF)是应用在ZigBee协议栈上的程序，即芯片生产厂 家自己定义的应用对象，遵循(profile)规范运行在设备端点1-240上。在 ZigBee应用中，AF层提供了 2种标准的服务类型：键值对(KVP)服务和报 文(MSG)服务[16]。
2.4本章小结
本章首先介绍了 ZigBee网络的体系结构，并详细介绍了 ZigBee网络中 的设备分类及拓扑结构。接着详细阐述了 ZigBee协议栈的架构，并且分别 对物理层、MAC层、网络层和应用层进行了介绍。
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第3章系统硬件设计

第3章系统硬件设计
通过在前面两章的比较、学习、研究，本章首先提出了基于ZigBee的 无线温湿度采集系统设计的整体方案，然后对系统的硬件电路进行了详细设 计。
3.1系统整体方案
本文设计的基于ZigBee的无线温湿度采集系统，主要由1台PC机、1 台协调器、多台终端节点和若干台路由器组成。系统采用了分布式的测量方 式，终端节点根据实际生产应用，放置在不同的实际环境当中；在协调器与 终端节点数据传输距离达不到的时候，添加路由器作为中继，进行数据的透 明传输。整个无线温湿度采集系统的网路拓扑结构如图3-1所示。
采集节点
采集节点 «?))
采集节点 ((f))
采集节点 采集节点
图3-1无线温湿度采集系统框图
采集节点
((?»
PC机

协调器首先建立好网络，等待各个传感器节点的入网请求；传感器节点
经过验证后加入网络，将被赋予一个16位短地址，在以后网络中的通信都
以这个16位的短地址作为节点的标识。传感器节点把温湿度传感器采集到
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的数据读取，并通过无线传感器网络将数据包上传给协调器；协调器通过串 口按定义好的数据格式上传给PC机，PC机通过上位机软件解析、显示并 存储数据。上位机界面用来监控各工作环境的温湿度，以便掌握整个网络系 统的运行状态。
3.2系统硬件平台选择
本文系统总体设计方案分为硬件设计和软件设计两个方面，接下来首先 介绍系统硬件平台的设计。硬件平台选择主要分为处理器(MCU)和射频收发 器(RF)的选择以及相关外围电路器件的选择，主要选择原则有：是否易于实 现；性能是否满足设计要求；设计开发有没有适合的开发工具。此外，还必 须针对ZigBee网络的结构特点，对功耗、成本和芯片封装大小等方面进行 综合评估考虑。
一个完整的硬件开发平台主要由MCU+RF收发器组成，目前主流的设 计方案存在两种，一种是MCU+RF收发器方案；另一种是SoC方案[2]。
(1) MCU+RF收发器解决方案
以8位单片机为基础，搭配IEEE802.15.4/ZigBee标准的射频芯片，组
成集信息米集、传输、通信多功能于一体的ZigBee通信模块。这种方案构 建灵活，设计多样化，可根据实际应用具体选型设计。单片机与射频芯片间 主要SPI串口连接。MCU作为整个模块的核心，控制协议栈；射频芯片则 主要完成无线通信的接入。模块框图如图3-2所示。

目前市场上主要的MCU+RF解决方案有几种：
1) TI的解决方案：MSP430(业界公认的低功耗单片机)加CC2520,此方
案符合ZigBee低功耗的要求，受到很多工程技术人员的推荐；
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2) Freescale的解决方案：HC08单片机加MC1319x系列射频芯片；
3) ATMEL的解决方案：ATmege128L单片机加AT86RF230射频芯片。 (2) SoC解决方案
SoC芯片集成了 MCU和RF射频芯片，节省了系统成本，提高了系统 性能，简化了设计流程，开发难度远远小于上一种设计方案。目前主要的 SoC解决方案有：
1) TI的SoC解决方案CC2530。CC2530是TI第二代SoC解决方案， 它支持系统编程。CC2530拥有优秀的RF性能、选择性和业界标准增强8051 MCU内核，应用于包括远程控制、消费型电子、楼宇自动化、医疗等更多 领域。CC2530还可以配备TI的协议栈来简化开发。
2) Ember 的 SoC 解决方案 EM260，它集成了和 2.4GHz IEEE802.15.4 兼容的无线收发器和16位闪存MCU，具有快速SPI接口。应用于建筑物自 动化控制、家庭娱乐等[17]。
3) Freescale的SoC解决方案MC1322x系列平台。MC1322x的设计面 向需要在IEEE802.15.4或ZigBee网络中更快地传输音频和数据文件的新型
无线设备。
通过对上述各种方案进行综合比较，并结合本设计系统对软硬件平台的 综合配套使用要求，本文选用TI的CC2530 SoC芯片作为ZigBee无线测控 网络的硬件解决方案。CC2530是用于IEEE 802.15.4/ZigBee应用的一个片
上系统解决方案。它能以非常低的成本建立强大的无线传感器网络。TI为 其提供了完整的开发和调试环境。CC2530有优秀的RF性能、增强型8051 微处理器内核、101dB的链路质量、优秀的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性， 以及其他强大的支持功能和外设[9]。可以应用于包括远程控制、消费型电子、 楼宇自动化、医疗等众多领域。
本文设计采用了 CC2530F256芯片，该芯片结合TI的ZigBee协议栈 (Z-Stack)使用，提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案。
3.3协调器电路设计
硬件电路的设计是网络系统开发的基础，它关系到整个网路系统的整体
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第3章系统硬件设计

性能，在基于ZigBee的无线温湿度采集系统中，总体上可以分为协调器、 路由器和终端节点三个模块的电路设计。其中协调器是无线网络系统的核 心，它负责组建网络，从传感器节点采集数据，并且协调器还负责把采集的 数据通过串口上传给PC机。
协调器的电路设计也较其他节点复杂。本章先介绍协调器的设计，其它 节点的电路设计在其基础上修改。协调器的硬件电路设计分为两部分：一部 分是CC2530核心电路的设计；另一部分是外围电路的设计，主要分为电源 电路设计、复位电路设计、USB转串口电路设计、Debug下载电路设计以 及网络指示灯电路设计等。
3.3.1 CC2530核心电路设计
本文中，CC2530的核心电路设计，严格按照TI公司的参考设计，CC2530 核心电路如图3-3所示。

图3-3 CC2530核心电路原理图
在上图中，重点说明Whip天线的设计，它采用了 TI的巴伦天线的参 考设计。Whip天线属于单端非平衡天线，需要一个巴伦电路变压器™。其 性能良好，通信距离较远，并且提供了标准的SMA接口。
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第3章系统硬件设计

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3.3.2外围电路设计
外围电路设计主要包括以下几部分：电源电路设计、复位电路设计、 USB转串口电路设计、Debug下载电路设计以及网络指示灯电路设计等。
1) 电源电路设计
在实际应用中，协调器需要一直持续工作，一般是与PC机相连，所以 可以通过PC机直接供电。PC机USB接口提供了 5V电源，而CC2530芯 片需要的是3.3V供电。所以需要采用三端稳压芯片HT7533将电压转换成 3.3V，电源电路如图3-4所示。
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图3-4电源电路原理图
如上图所示，在输入和地之间加一个10uF的旁路电容，来抑制噪声和 电压纹波、改善稳态响应；在输出端和地之间加一个10uF的旁路电容，来 增强输出电压的稳定性。
2) 复位电路设计
本文的复位电路是一个典型的按键复位电路，复位电路如图3-5所示。

图3-5复位电路原理图 3) USB转串口电路设计
协调器接收到传感器节点传递来的数据后，要通过串口向PC机上传数 据。考虑到用笔记本电脑现场调试方便，设计采用PL2303HX芯片进行了 USB与串口的转换，来实现PC机与协调器间的通信，如图3-6所示。

图3-6 USB转串口电路原理图 4) Debug下载电路设计
CC2530提供一个可以对芯片在线调试的Debug接口。该接口允许对片 上闪存进行编程、访问存储器内容和对芯片在线调试，比如单步调试、设置 断点和寄存器修改等，Debug下载电路如图3-7所示。
图3-7 Debug下载电路原理图 5)网络指示灯电路设计
为了方便调试程序，并在ZigBee组网时显示网络状态，设计了网络指 示灯，网络指示灯电路如图3-8所示。
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图3-8网络指示灯电路原理图
3.4终端节点电路设计
在网络系统中，终端节点是负责数据采集的主要节点，它分布于监测环 境中，把采集到的温湿度数据以无线的形式发送给协调器，或者经过路由器 传递给协调器。
(1) 温湿度传感器应用电路设计
本文采用DHT11数字式温湿度传感器。DHT11响应超快、抗干扰能力 强、性价比极高。相对于模拟式温湿度传感器基于模拟信号的测量，数字式 温湿度传感器，测量更加精确。
DHT11产品参数：测量范围：湿度20-90%RH，温度0〜50°C;测量精
度：湿度±5%RH，温度±2°C;分辨率：湿度1%RH，温度1°C。
DHT11温湿度传感器应用电路如图3-9所示。

图3-9 DHT11温湿度传感器应用电路 16

第4章系统软件设计

(2) 电源电路设计
在实际应用中，很多时候终端节点的工作位置不确定，无法使用电源供 电，所以使用电池供电。电源设计电路与图3-4相比，仅多了一个电池插槽。 电池供电电路设计如图3-10所示。
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图3-10电池供电电路原理图
终端节点的主要用于采集温湿度数据并上传，不需要同PC机直接通信， 所以在设计过程中，去掉了 USB转串口电路。为了调试设备测试，仍然给 它配备了网络状态指示灯。核心电路、复位电路、Debug下载电路以及网络 指示灯电路参考协调器电路的设计。
3.5路由器电路设计
终端节点一般分布于监测环境中，相距协调器较远，需要路由器作为数 据传输的中继。
路由器不需要和上位机通信，在电路设计时，省去了 USB转串口电路。 由于路由器本身也可以充当终端节点采集数据，只是带有路由功能的采集节 点。所以为路由器也加上传感器应用电路。复位电路、Debug下载电路、网 络指示灯电路以及传感器应用电路参考协调器电路的设计。
3.6本章小结
本章首先介绍了系统的整体方案，接下来对硬件平台的不同解决方案进 行比较、选择，确定了系统硬件平台，给出了系统的总体设计方案。最后分 别对协调器、路由器和终端节点的核心电路和外围电路原理图进行了设计。 外围电路主要设计了电源电路、复位电路、USB转串口电路、Debug下载 电路以及网络指示灯电路等。硬件总体设计图见附录1。
第4章系统软件设计
本文设计的基于ZigBee无线网络的温湿度采集系统，用由协调器、路 由器和终端节点构成无线网络。协调器是整个网络的核心，负责收集网络中 传感器节点发来的数据，然后通过串口发送给PC机，上位机软件进行数据 处理显示并存储。系统软件设计主要包括：ZigBee协议栈的配置、网状网 程序设计、数据的收发、温湿度数据采集和上位机界面设计。
4.1系统软件平台概述
(1) ZigBee协议栈的选择
结合本文设计的系统，对现存的各种主流ZigBee协议栈进行了充分的 比较。当前比较主流的ZigBee协议栈主要有：1) TI的Z-Stack协议栈，它 是半开源的，网络层以下对于用户来说是透明的，只提供相应的API函数， 目前免费，功能强大；2) Ember的EmberZNet协议栈，需要付费才能使用； 3) Freescale的BEE KIT协议栈，需要付费才能使用。
考虑到开发成本、难易程度以及协议栈功能的大小等多种因素，本文选 择TI的最新的Z-Stack2007协议栈，它支持协调器、路由器以及终端节点三 种设备。ZStack被ZigBee测试机构国家技术服务公司评为ZigBee联盟最高 业内水平，为全球众多的ZigBee开发人员广泛使用。
(2) ZigBee设备开发软件的软件
本文米用 IAR Embedded Workbench for MCS-8051 V8.10 Evaluation (IAR-EW)作为系统的软件开发平台，该平台是一款集编译与调试于一体的 集成开发环境，它支持多种以8051为内核的芯片编程；编译的可执行代码 高效而紧凑；采用精简优化技术，生成的代码量；集成开发工具较为完整， 易于操作。IAR-E