摘 要
传统的多点分布式温度检测系统多采用有线传输方式，然而随着分布式节点的不断增加，布线复杂程度和成本也急剧增加，给系统的设计，维护和升级带来了诸多困难。
ZigBee是一种崭新的近程无线网络通信技术，是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定的标准，主要适用于自动控制和远程控制领域，。本设计基于ZigBee技术，采用CC2430作为温度检测系统芯片，应用2.4GHz ISM波段,满足低成本,低功耗的要求。
本设计首先介绍了课题研究的意义，ZigBee技术的应用范围以及ZigBee技的发展现状。
其次，详细介绍Zigbee技术低功耗、低成本以及网络容量大等特点和符合Zigbee通信协议的硬件开发平台CC2430。
最后，完成温度检测系统的硬件设计以及软件流程图的设计。温度检测系统的硬件部分是以CC2430为控制核心，加上一些外围电路组成控制系统，包括A/D转换电路、显示电路、USB接口转换电路等，实现对分散节点的温度采集，采集后的温度实时地显示。本设计可以有效满足工农业检测过程中对多测点、移动性及便捷性等方面的要求，并且能够有效解决有线网络的布线难题和成本问题，具有十分广阔的应用前景。软件部分主要是传感器，协调器等系统流程图的设计，详细描述整个系统的工作过程。
关键词：ZigBee；CC2430；无线传感器网络；温度采集
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Abstract
Traditional multi-point distributed temperature detection system using wire transmission, with the distributed nodes increases ceaselessly, the wiring complexity and costs also increased dramatically, to system design, maintenance and upgrade brings a lot of difficulties.
ZigBee is a new short-range wireless communication technology, in order to meet the needs of small cheap equipment wireless networking and control standards, mainly applicable to the field of automatic control and remote control,. The design is based on ZigBee technology, using CC2430 as the temperature detection system using 2.4GHz chip, ISM band, meet the low cost, low power requirements.
This paper first introduces the significance of the research, the application of ZigBee technology and ZigBee technology and development status.
Secondly, introduces Zigbee technology of low power consumption, low cost and network capacity is big wait for a characteristic and the communication protocol with the Zigbee hardware development platform CC2430.
Finally, the completion of the temperature detection system hardware design and software flow diagram design. The temperature detection system hardware is part of the CC2430 as the control core, plus
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some peripheral circuits to form control system, including the A/D conversion circuit, display circuit, USB interface conversion circuit, the temperature detection, so as to realize temperature of various state monitoring and other functions. The software part is the main sensor, coordinator and the flow chart of the system design, detailed description of the working process of the system.
Key words: ZigBee; CC2430; wireless sensor network; temperature acquisition
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目 录
摘 要 ............................................. I Abstract .............................. 错误！未定义书签。 1 绪论 ....................................................... 1
1.1引言 ..................................................... 1 1.2课题背景 ................................................. 1 1.3课题研究的目的和意义 ..................................... 2 1.4 ZigBee的发展现状 ........................................ 4 1.5 本设计的主要工作......................................... 4
2 ZigBee的介绍 .............................................. 5
2.1 ZigBee的概述............................................. 5 2.1.1物理层（PHY层） ..................................... 6 2.1.2 MAC层............................................... 6 2.1.3网络层（NWK层） ..................................... 6 2.1.4应用层（APL层） ..................................... 7 2.1.5安全服务提供层（SSP层） ............................. 8 2.2 ZigBee网络基础 .......................................... 8 2.2.1 网络节点类型 ........................................ 8 2.2.2 网络拓扑形式 ........................................ 8 2.3工作模式 ................................................ 11
3 温度检测系统总体方案设计 ............................... 12
3.1系统整体结构 ............................................ 12 3.2 温度采集系统原理........................................ 13
4 温度检测系统硬件电路设计 ............................... 15
4.1 zigbee芯片选择和简介 .................................... 15 4.1.1 zigbee芯片的选择 .................................... 15 4.1.2 cc2430简介 ........................................ 15
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4.1.3 CC2430 芯片的主要特点 .............................. 16 4.1.4 I/O 端口线引脚功能 ................................ 17 4.1.5 CC2430 外围电路 .................................. 19 4.1.6 CC2430应用于无线网络节点设计 ..................... 21 4.2节点的硬件设计 .......................................... 22 4.2.1 协调器节点的硬件设计 ............................... 22 4.2.2 路由器节点的硬件设计 .............................. 22 4.2.3 传感器节点的硬件设计 .............................. 23 4.3电源供电电路 ............................................ 24 4.4 传感器电路.............................................. 24 4.5 A/D转换电路图 ......................................... 26 4.6 USB转串口电路图 ....................................... 28 4.7显示电路 ................................................ 29
5 温度检测系统软件流程图设计 ............................. 31
5.1传感器节点的程序流程图 .................................. 31 5.2 协调器的程序流程图...................................... 31 5.3上位机软件的程序的流程图 ................................ 32
6 开发环境简介 ............................................. 34
6.1 C51RF-3-PK开发平台 ..................................... 34 6.2 IAR Embedded Workbench简介 ............................. 34 6.3 上位机的功能简介........................................ 35
7.总结与展望 ................................................ 36 致 谢 ........................................................ 37 参考文献 .................................................... 38 附 录 ........................................................ 40
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1 绪论
1.1引言
温控系统、冷库温控系统、智能化建筑控制系统、中央空调系统等众多应用系统中，为了实时地监测不同点的温度，需要多点分布式温度测量系统。传统的多点分布式温度监测系统多采用有线传输方式，然而随着分布式节点的不断增加，系统的布线复杂度和成本也就极具增加，这给系统的设计、维护和升级带了许多不便。如何解决有线网络带来的诸多不便已成为当下研究的热点。
ZigBee技术就是一种基于IEEE 802.15.4协议标准的近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用，已成为当下较为流行的无线通信技术。
本设计意在设计一种基于ZigBee的温度检测系统，用以实现对分散节点的温度采集，采集后的温度实时地显示。本设计可以有效满足工农业检测过程中对多测点、移动性及便捷性等方面的要求，并且能够有效解决有线网络的布线难题和成本问题，具有十分广阔的应用前景。
1.2课题背景
信息技术发展日新月异，传统的有线通信方式因为其成本高、布线复杂，已经不能完全满足人们的应用需求了。由此，无线通信技术应运而生。无线网络技术按照传输范围来划分，可分为无线广域网、无线城域网、无线局域网和无线个人域网。无线个人域网即短距离无线网络，典型的短距离无线传输技术有：蓝牙（Bluetooth）、ZigBee、WiFi等[1]。
在工业控制、家庭自动化和遥测遥感领域，蓝牙（Bluetooth）虽然成本较低，成熟度高，但是传输距离有限，仅为10米，可以参与组网的节点少。WiFi虽然传输速度较快，传输距离达到100米，但是其价格偏高，功耗较大，组网能力较差。
相比之下ZigBee技术则主要针对低成本、低功耗和低速率的无线通信市场，具有如下特点[2]：
(1)成立本低：ZigBee模块的初始成本低，并且ZigBee协议是免专利费采
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用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段，2．4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)，免执照频段。
(2)低功耗：由于ZigBee的传输速率较低，传输数据量较小，并且采用了休眠模式，因此ZigBee设备功耗很低，仅靠两节5号电池就可以维持长时间使用。
(3) 低速率。Zigbee工作在20～250 kbps的较低速率，分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。
(4)时延短：ZigBee的响应速度较快，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，一般从休眠转入工作状态只需要15ms，节点进入网络只需要30ms，进一步节约了能源。
(5)网络容量大：Zigbee 可采用星型、树型和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254 个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000 个节点的大网。
(6)可靠度高：为了避免发送数据的竞争和冲突，采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙。MAC层采用完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，如果传输过程中出现问题可以进行重发。
(7)安全：Zigbee 提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128) 的对称密码,以灵活确定其安全属性。
(8)传输距离远：传输范围一般介于10～100 m 之间，在增加RF 发射功率后,亦可增加到1～3 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。
由于ZigBee技术具有上述特点，因而广泛应用在短距离低速率电子设备之间的数据传输。ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。
1.3课题研究的目的和意义
ZigBee技术具有低成本、低功耗、近距离、短时延、高容量、高安全及免执照频段等优势，广泛应用于智能家庭、工业控制、自动抄表、医疗监护、传感
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器网络应用和电信应用等领域。
智能家庭：现今家用电器已经随处可见了，如何将这些电器和电子设备联系起来，组成一个网络，甚至可以通过网关连接到Internet，使得用户可以方便地在任何地方监控自己家里的情况。ZigBee技术提供了家庭智能化的技术支持，在ZigBee技术的支持下，家用电器可以组成一个无线局域网，省却了在家里布线的烦恼。
工业控制：工厂环境当中有大量的传感器和控制器，可以利用ZigBee技术把它们连接成一个网络进行监控，加强作业管理，降低成本。
自动抄表：现在在大多数地方还是使用人工的方式来逐家逐户进行抄表，十分不方便。而ZigBee可以用于这个领域，利用传感器把表的读数转化为数字信号，通过ZigBee网络把读数直接发送到提供煤气或水电的公司。使用ZigBee进行抄表还可以带来其它好处，比如煤气或水电公司可以直接把一些信息发送给用户，或者和节能相结合，当发现能源使用过快的时候可以自动降低使用速度。
医疗监护：医疗工作中，时常要获得病人的生理指标、环境指标，可以通过放置传感器构成传感器网络，实时监测这些数据。由于是无线技术，传感器之间不需要有线连接，被监护的人也可以比较自由的行动，非常方便。
传感器网络应用：传感器网络也是最近的一个研究热点，像货物跟踪、建筑物监测、环境保护等方面都有很好的应用前景。传感器网络要求节点低成本、低功耗，并且能够自动组网、易于维护、可靠性高。ZigBee在组网和低功耗方面的优势使得它成为传感器网络应用的一个很好的技术选择。
此外，ZigBee技术也可以应用到汽车电子、农业生产和军事领域中。随着物联网技术的日渐兴起，ZigBee技术将会扮演更为重要的角色。但是，物联网的全面普及将是一个十分漫长的过程，至少目前还在探索和实验阶段，距离实用还有很长的路要走。
虽然前景一片大好，但是我们应该清楚认识到由于各方面的制约，ZigBee技术的大规模商业应用还有待时日，基于ZigBee技术的无线网络应用还远远说不上成熟，主要表现在：ZigBee市场仍处于起步探索阶段，终端产品和应用大多处于研发阶段，真正上市的少，且以家庭自动化为主；潜在应用多，但具有很大出货量的典型应用少，市场缺乏明确方向；使用点对多点星状拓扑的应用较多，
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体现ZigBee优势的网状网络应用少；基于IEEE 802.15.4底层协议的应用多，而基于ZigBee标准协议的应用少。
1.4 ZigBee的发展现状
ZigBee作为一种新兴的国际标准短距离无线通信协议，其协议栈体系结构是基于标准七层开放式系统互联参考模型(OSI)， IEEE 802.15.4-2003标准定义了下面的两层：物理层和媒体接入控制子层；网络层、应用会聚层、应用层由ZigBee联盟制订。
2002年 ，ZigBee联盟创立，创始者包括IC供应商、无线IP提供商、设备制造商、测试设备制造商和最终产品制造商等，这些企业能提供适应ZigBee的产品和解决方案。
ZigBee联盟于2004年底发布了ZigBee协议1．0版本规范，2006年11月发布了ZigBee协议1．1版本规范，2007年10月发布了ZigBee Pro版本规范。
ZigBee联盟的主要目标是以通过加入无线网络功能，为消费者提供更富有弹性、更容易使用的电子产品。ZigBee技术能融入各类电子产品，应用范围横跨全球的民用、商用、公共事业以及工业等市场。使得联盟会员可以利用ZigBee这个标准化无线网络平台，设计出简单、可靠、便宜又节省电力的各种产品来。
1.5 本设计的主要工作
本文主要研究了基于ZigBee的温度检测系统的设计，包括节点的硬件设计、无线传感器网络的组建，以及软件流程图设计。主要工作包括以下几个方面：
（1）阐述了设计的背景、目的和意义以及目前ZigBee研究发展情况。 （2）介绍了ZigBee的协议栈结构、各层的功能、ZigBee的网络节点类型、网络体系结构及工作模式，此外介绍了CC2430芯片及它的外围电路。
（3）介绍了本设计的开发环境以及相关的硬件设计。如协调器节点设计、路由器节点设计、转感器节点设计等。
（4）软件流程图设计。传感器，协调器等流程图的设计。
（5）对全文进行了总结。
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2 ZigBee的介绍
2.1 ZigBee的概述
ZigBee是一种新兴的短距离，低速率，低功耗无线网络技术，主要用于近距离无线连接。它有主见的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电微波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通行效率非常高。
ZigBee协议是基于IEEE 802.15.4标准的[3]，由IEEE 802.15.4和ZigBee联盟共同制定。IEEE 802.15.4工作组制定ZigBee协议的物理层（PHY）和媒体访问控制层（ MAC层）协议。ZigBee联盟成立用于2002年，定义了ZigBee协议的网络层（NWK）、应用层（APL）和安全服务规范。协议栈结构如图2-1。
应用层（含应用接口层） 用户
安全层
ZigBee联盟
网络层
MAC层
IEEE 802.15.4
物理层
图2-1 ZigBee协议栈结构
ZigBee协议由物理层(PHY)、介质访问控制子层(MAC)、网络层(NWK)，应用层(APL)及安全服务提供层(SSP)五块内容组成。其中PHY层和MAC层标准由IEEE 802.15.4标准定义，MAC层之上的NWK层，APL层及SSP层，由ZigBee联盟的ZigBee标准定义。APL层由应用支持层(APS)，应用框架(AF)以及ZigBee设备对
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象(ZDO)及ZDO管理平台组成。
2.1.1物理层（PHY层）
主要功能：
物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。
物理层数据服务包括以下四个方面的功能：
1.激活和休眠射频收发器。 2.信道能量检测。 3.收发数据。
4.检测接受数据包的链路质量指示。 工作频段和信道分配：
物理层定义了三个载波频段用于收发数据。三个频段总共提供27个信道，信道的编号从0到26。868MHZ频段一个信道。915MHZ频段10个信道，2450MHZ频段16个信道。
2.1.2 MAC层
主要功能：
MAC层使用CSMA-CA冲突避免机制对无线信道访问进行控制，负责物理相
[4]
邻设备问的可靠链接，支持关联(Association)和退出关联(Disassociation)以及MAC层安全。MAC层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务，MAC层数据服务通过物理层数据服务发送和接收MAC层协议数据单元(MPDU)。
MAC层的主要功能包括以下几个方面： 1. 进行信标管理。 2. 信道接入。
3. 保证时隙(GTS)管理。
4. 帧确认应答帧传送、连接和断开连接。
2.1.3网络层（NWK层）
主要功能：
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NWK层提供网络节点地址分配，组网管理，消息路由，路径发现及维护等功能。NWK层主要是为了确保正确地操作IEEE 802.15.4．2003MAC子层和为应用层提供服务接口。NWK层从概念上包括两个服务实体：数据服务实体和管理服务实体。
网络层的功能有以下几个方面[5]：
1.NWK层的责任主要包括加入和离开一个网络用到的机制、应用帧安全机制和他们的目的地路由帧机制。
2.ZigBee协调器的网络层还负责建立一个新的网络。 3.网络发现。 4.网络形成。 5.允许设备连接。 6.断开网络连接。 7.接收机同步。 8.信息库维护。
2.1.4应用层（APL层）
ZigBee应用层包括应用支持子层(APS子层)、应用框架(AF)和ZigBee设备对象(ZDO)。APS子层负责建立和维护绑定表，绑定表主要根据设备之间的服务和他们的需求使设备相互配对。ZigBee的应用框架(AF)为各个用户自定义的应用对象提供了模板式的活动空间，并提供了键值对(KVP)服务和报文(MSG)服务供应用对象的数据传输使用。一个设备允许最多240个用户自定义应用对象，分别指定在端点l至端点240上。ZDO[6]可以看成是指配到端点O上的一个特殊的应用对象，被所有ZigBee设备包含，是所有用户自定义的应用对象调用的一个功能集，包括网络角色管理，绑定管理，安全管理等。
ZDO负责定义设备在网络中的角色(例如是ZigBee协调器或者ZigBee终端设备)、发现设备和决定他们提供哪种应用服务，发现或响应绑定请求，在网络设备之间建立可靠的关联
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2.1.5安全服务提供层（SSP层）
安全服务提供者SSP(Security Service Provider)向NWK层和APS层提供安全服务。
ZigBee协议层与层之间是通过原语进行信息的交换和应答的。大多数层都向上层提供数据和管理两种服务接口，数据SAP(Service Access Point)和管理SAP(Service Access Point)。数据服务接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务，管理服务接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制。
2.2 ZigBee网络基础
ZigBee网络基础主要包括设备类型，拓扑结构和路由方式三方面的内容，ZigBee标准规定的网络节点[7]分为协调器（Coordinator）、路由器(Router)和终端节点（End Device）。节点类型是网络层的概念，反映了网络的拓扑形式。ZigBee网络具有三种拓扑形式：星型拓扑、树型拓扑、网状拓扑。
2.2.1 网络节点类型
(1) 协调器（Coordinator）
在各种拓扑形式的ZigBee网络中，有且只有一个协调器节点，它负责选择网络所使用的频率通道、建立网络并将其他节点加入网络、提供信息路由、安全管理和其他服务。 (2) 路由器（Router）
当采用树型和网状拓扑结构时，需要用到路由器节点，它也可以加入协调器，是网络远距离延伸的必要部件。它负责发送和接受节点自身信息；节点之间转发信息；允许子节点通过它加入网络。
(3) 终端节点
终端节点的主要任务就是发送和接收信息，通常一个终端节点不处在数据收发状态时可进入休眠状态以降低能耗。
2.2.2 网络拓扑形式
(1) 星型拓扑
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星型拓扑是最简单的拓扑形式[8]，如图2-2。图中包含一个协调器节点和一些终端节点。每一个终端节点只能和协调器节点进行通讯，在两个终端节点之间进行通讯必须通过协调器节点进行转发，其缺点是节点之间的数据路由只有唯一路径。
星状拓扑结构有两类：一类是中心节点仅完成从节点连通的作用；另一类
是，中心节点是有很强处理能力的计算机，从节点是一般的计算机或终端，这时中心节点有转接和数据处理的双重功能。强的中心节点成为各从节点共享的资源，中心节点也可以按储存转发方式工作。
协调器 路由器
图2-2 星形拓扑结构
(2)树型拓扑
树型拓扑结构如图2-3。协调器可以连接路由器节点和终端节点，子节点的路由器节点也可以连接路由器节点和终端节点。直接通信只可以在父节点和子节点之间进行，非父子关系的节点只能间接通信。
树形拓扑适用于相邻层的通信较多的情况，典型的应用层是最低层节点解决
不了的问题，请求中层计算机解决，中层计算机解决不了的问题，请求顶部计算机解决。
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图2-3 树状拓扑结构 终端节点 协调器 路由器 (3)网状拓扑
网状拓扑如图2-4。网状拓扑具有灵活路由选择方式，如果某个路由路径出现问题，信息可自动沿其他路径进行传输。任意两个节点可相互传输数据，网络会自动按照ZigBee协议算法选择最优化路径，以使网络更稳定，通讯更有效率。 网状拓扑各节点的距离很长，某些节点间是否用点—点线路专线连接，要依据其间的信息流量以及网络所处的地理位置而定。如果某些节点间的通信可由其他中继节点转发且不甚影响网络性能，可不必直接互联。因此在地域范围很广节点数目较多时，都是部分节点连接的任意拓扑结构。部分节点连接的网络必然带来由中继节点转发而相互通信的现象，称此为交换。
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图2-4 网状拓扑结构 协调器 路由器
2.3工作模式
ZigBee网络的工作模式可以分为信标(Beacon)模式和非信标(Non-beacon)模式两种[9]。信标模式可以实现网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度地节省功耗，而非信标模式只允许ZE进行周期性休眠，协调器和所有路由器设备长期处于工作状态。
在信标模式下，协调器负责以一定的间隔时间(一般在15ms--4mins之间)向网络广播信标帧，两个信标帧发送间隔之间有16个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两个部分，消息只能在网络活动区的各个时槽内发送。
非信标模式下，ZigBee标准采用父节点为子节点缓存数据，终端节点主动向其父节点提取数据的机制，实现终端节点的周期性(周期可设置)休眠。网络中所有的父节点需要为自己的子节点缓存数据帧，所有子节点的大多数时间都处于休眠状态，周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，并向 父节点提取数据，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15ms。
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3 温度检测系统总体方案设计
3.1系统整体结构
本设计所实现的无线温度采集系统以C51RF-3-PK开发平台为核心，使用了两块表演板，利用芯片自带的温度传感器采集温度值，充分发挥了C51RF-3-PK开发平台的丰富资源[22]。在上位机上，采集的温度实时地显示出来，并且通过折线图动态描绘出温度的变化趋势。考虑到可能采集多个节点的温度，上位机可以根据客户要求切换不同节点的温度折线图。为了方便对以往数据的查看，采集到的数据被实时保存到了文档之中。
本文总体设计是实现针对主协调器节点的设计与开发。主协调器的硬件系统中包括CC2430通信模块、键盘电路模块、串口转USB模块、液晶显示模块和电源电路模块等[10]。主协调器节点的主要功能是负责接收和存储传感器节点发送来的消息，并向传感器节点发布网络控制信息，同时与Pc机进行数据交换。其中串口转USB模块负责转换CC2430模块与PC机的通信信号；液晶显示模块负责节点工作状态的指示；电源模块通常采用持续电力供电，为主协调器节点提供运行所需的能量。
天线 CC2430 通 用 接 口 电源管理 PC LCD模块 键盘电路 复位电路 USB转串口存储器 8051 MCU A/D 转换 图3-1 总体框图
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温度传感模块的核心元件为Pt100铂电阻，它是正温度系数热敏电阻传感器，线性较好，在0~100℃之间变化时，最大非线性偏差小于0.5℃。另外，Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点[11]。模块框图如图3-2所示。
电源单元 激励通信放大单片机电桥 图3-2 温度传感模块框图
3.2 温度采集系统原理
本系统由三类节点组成：ZigBee协调器节点、路由器节点、传感器节点。图3-3所示是其组成示意图，其中ZigBee协调器是分布式处理中心，即汇聚节点。多个传感器节点置于不同的监测区域，每个传感器节点会先把数据传给汇聚节点，然后汇聚节点把数据通过串口传给上位机做进一步处理并显示给用户。协调器节点可以与多个传感器节点通信，这样可以使本系统同时监测多个区域，何时检测哪个区域通常由用户通过协调器节点来控制。当被检测区域的障碍物较多或者协调器节点距离传感器节点较远时，可以通过增加路由器节点来增强网络的稳定性。当用户没有数据请求时，传感器节点只进行低功耗的信道扫描。
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上位机 1 824 9 3 13 7 6 1#仓库 5 10 11 12 2#仓库 1- Zigbee协调器节点；2，3-路由器节点 4-13—传感器节点
图3-3 温度采集系统示意图
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4 温度检测系统硬件电路设计
4.1 zigbee芯片选择和简介
4.1.1 zigbee芯片的选择
现在的ZigBee芯片包括单芯片和ZigBee射频芯片两种芯片厂商提供的主力ZigBee射频芯片在性能上大同小异。比较流行的freescale的mc13192和chipcon的cc2420以及Ember公司的芯片，它们在性能上基本相同，都支持IEEE802.15.4协议。射频芯片通过SPI接口与MCU相连，由MCU进行控制。所谓单芯片，就是一个芯片上集成了ZigBee射频部分和MCU[18]。以chipcon公司的cc2430为例，他将cc2420芯片与一个51单片机集成在同一篇芯片上，其体积与一个cc2420芯片差不多。从应软件开发的角度来看，选择cc2430或者选择cc2420外加一个带有SPI接口的单片机，软件设计是没有太大区别的，尤其是MAC层以上是完全相同的。但从硬件开发的角度来看，单芯片方案却比双芯片方便很多。在双芯片方案中，MCU和射频芯片之间用SPI接口相连，增加的布线的复杂性。而在高速PCB设计上，任何额外的布线和芯片数目的增加，都会对系统的正常工作产生影响，必须谨慎地选择芯片布置的位置和走线。因此增加了PCB设计和调试的复杂性。从成本上看cc2430和cc2420价格接近，但使用cc2420时需外加一个单片机，增加了系统的成本。因此综合考虑，cc2430的单芯片解决方案是更好的选择。
4.1.2 CC2430简介
CC2430是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案[12]。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。
CC2430的尺寸只有7×7mm 48-pin的封装，采用具有内嵌闪存的0.18微米 CMOS标准技术。这可实现数字基带处理器，RF、模拟电路及系统存储器 整合在同一个硅晶片上。
CC2430包含一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核，运行时钟
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32MHz。
CC2430包含一个DMA控制器。8K字节静态RAM，其中的4K字节是超低功耗SRAM。32K，64K或128K字节的片内Flash块提供在电路可编程非易失性存储器。
CC2430集成了4个振荡器用于系统时钟和定时操作：一个32MHz晶体振荡器，一个16MHz RC-振荡器，一个可选的32.768kHz晶体振荡器和一个可选的32.768kHz RC 振荡器。
CC2430也集成了用于用户自定义应用的外设。一个AES协处理器被集成在CC2430之中，用来支持IEEE 802.15.4 MAC 安全所需的（128位关键字）AES的运行，以尽可能少的占用微控制器。
中断控制器为总共18个中断源提供服务，他们中的每个中断都被赋予4个中断优先级中的某一个。调试接口采用两线串行接口，该接口被用于在电路调试和外部Flash编程。I/O控制器的职责是21个一般I/O口的灵活分配和可靠控制。
CC2430包括四个定时器：一个16位MAC定时器，用以为IEEE 802.15.4的CSMA-CA算法提供定时以及为IEEE 802.15.4的MAC层提供定时。一个一般的16位和两个8位定时器，支持典型的定时/计数功能，例如，输入捕捉、比较输出和PWM功能。
CC2430内集成的其他外设有: 实时时钟；上电复位；8通道，8－14位ADC；可编程看门狗；两个可编程USART，用于主/从SPI或UART操作。
为了更好的处理网络和应用操作的带宽，CC2430集成了大多数对定时要求严格的一系列IEEE 802.15.4 MAC协议，以减轻微控制器的负担。这包括：自动前导帧发生器、同步字插入/检测、CRC-16校验、CCA、信号强度检测/数字RSSI、连接品质指示(LQI) 和CSMA/CA协处理器。
4.1.3 CC2430 芯片的主要特点
CC2430 芯片延用了以往CC2420 芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee 射频(RF) 前端、内存和微控制器。它使用1 个8 位MCU（8051），具有128 KB 可编程闪存和8 KB 的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器（Timer）、AES128 协同处理器、看门狗定时器（Watchdog timer）、32 kHz 晶振的休眠模
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式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown out detection)，以及21 个可编程I/O 引脚。
CC2430 芯片采用0.18 μm CMOS 工艺生产；在接收和发射模式下，电流损耗分别低 于27 mA 或25 mA。CC2430 的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。 CC2430芯片的主要特点如下[13]：
1. 高性能和低功耗的8051 微控制器核。 2. 集成符合IEEE802.15.4 标准的2.4 GHz 的 RF 无线电收发机。 3. 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。 4. 在休眠模式时仅0.9 μA 的流耗，外部的中断或RTC 能唤醒系统;在待机模式时少于0.6 μA 的流耗，外部的中断能唤醒系统。 5. 硬件支持CSMA/CA 功能。 6. 较宽的电压范围（2.0～3.6 V）。
7. 数字化的RSSI/LQI 支持和强大的DMA 功能。 8.具有电池监测和温度感测功能。 9. 集成了14 位模数转换的ADC。 10. 带有 2 个强大的支持几组协议的USART，以及1个符合IEEE 802.15.4 规范的MAC计时器，1个常规的16 位计时器和2个8位计时器。 11. 强大和灵活的开发工具。
4.1.4 I/O 端口线引脚功能
CC2430 有21个可编程的I/O 口引脚，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5个可使用的位。通过软件设定一组SFR 寄存器的位和字节，可使这些引脚作为通常的I/O口或作为连接ADC、计时器或USART部件的外围设备I/O口使用。 I/O 口有下面的关键特性[14]：
1.可设置为通常的I/O口，也可以设置为外围I/O口使用。
2.在输入时有上拉和下拉能力。
3.全部21个数字I/O口引脚都具有响应外部的终端能力。如果需要外部设
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备，可对I/O口引脚产生中断，同时外部的中断事件也能被用来唤醒休眠式。 1～6 脚（P1_2～P1_7）:具有 4 mA 输出驱动能力。 8～9 脚（P1_0～P1_1）:具有 20 mA 的驱动能力。 11～18 脚（P0_0 ～P0_7）：具有 4 mA 输出驱动能力。
43，44，45，46，48 脚（P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0）：具有4 mA 输出驱动能力。 电源线引脚功能：
7脚（DVDD）：为 I/O 提供2.0～3.6 V 工作电压。
20 脚（AVDD_SOC）：为模拟电路连接2.0～3.6 V 的电压。 23 脚（AVDD_RREG）：为模拟电路连接2.0～3.6 V 的电压。 24 脚（RREG_OUT）：为 25，27～31，35～40引脚端口提供1.8 V的
稳定电压
25 脚(AVDD_IF1 )：为接收器波段滤波模拟测试模块和VGA的第一部
电路提供1.8 V压。
27 脚（AVDD_CHP）： 为环状滤波器的第一部分电路和充电泵提供1.8
V 电压。
28 脚（VCO_GUARD）：VCO 屏蔽电路的报警连接端口。
29 脚（AVDD_VCO）：为VCO 和PLL 环滤波器最后部分电路提供1.8 V
电压
30 脚（AVDD_PRE）: 为预定标器、Div 2 和LO 缓冲器提供1.8 V 的
电压。
31 脚（AVDD_RF1）: 为LNA、前置偏置电路和PA 提供1.8 V 的电
压。
33 脚（TXRX_SWITCH）: 为PA 提供调整电压。
35 脚（AVDD_SW）: 为LNA/PA 交换电路提供1.8 V 电压。 36 脚（AVDD_RF2）: 为接收和发射混频器提供1.8 V 电压。 37 脚（AVDD_IF2）: 为低通滤波器和VGA 的最后部分电路提供1.8 V
电压。
38 脚（AVDD_ADC）: 为ADC 和DAC 的模拟电路部分提供1.8 V 电
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压。
39 脚（DVDD_ADC）: 为ADC 的数字电路部分提供1.8 V 电压。 40 脚（AVDD_DGUARD）: 为隔离数字噪声电路连接电压。 41 脚（AVDD_DREG）: 向电压调节器核心提供2.0～3.6 V 电压。 42 脚（DCOUPL）: 提供1.8 V 的去耦电压，此电压不为外电路所使
用。
47 脚（DVDD）: 为I/O 端口提供2.0～3.6 V 的电压。
控制线引脚功能：
10 脚（RESET_N）: 复位引脚低电平有效。 19 脚（XOSC_Q2）: 32 MHz 的晶振引脚2。 21 脚（XOSC_Q1）: 32 MHz 的晶振引脚1，或外部时钟输入引脚。 22 脚（RBIAS1）: 为参考电流提供精确的偏置电阻。 26 脚（RBIAS2）: 提供精确电阻，43 kΩ±1%。 32 脚（RF_P）:在RX期间向LNA输入正向射频信号：TX期间接收来PA的
输入正向射频信号。
34 脚（RF_N）: 在RX期间向LNA输入负向射频信号：在TX期间接收来自
PA 的输入负向射频信号。
43 脚(P2_4/XOSC_Q2):32.768 kHz XOSC 的2.3端口。
4.1.5 CC2430 外围电路
CC2430芯片需要很少的外围部件的配合就能实现信号的收发功能[15]。图4—1为CC2430芯片的一种典型硬件应用电路。
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VDD 3.3VCC2430VCC 1.8VC6100nf2041747424846459865432111121314151617181049AVDD-SOCAVDD-DREGDVDDDVDDDCOUPLP2_0P2_1P2_2P1_0/LEDP1_1/LEDP1_2P1_3P1_4P1_5P1_6P1_7P0_0P0_1P0_2P0_3P0_4P0_5P0_6P0_7RESET-NGNDAVDD_DGUARD40DVDD_ADC39AVDD_ADC38AVDD_IF237AVDD_RF236AVDD_SW35AVDD_RF131AVDD_PRE30AVDD_VCO29AVDD_GVARD28AVDD_CHP27AVDD_IF125RF_P32TXRX_SWTTCH33RF_N34P2_4/XOSC_Q243P2_3/XOSC_Q144XOSC_Q1XOSC_Q22119X2C32.768MHZ3C415pf15pfVCC 1.8VRREG_OUT24AVDD_RREG23VDD 3.3VX1C1R222pf56KΩC232MHZ22pfC1010nfC8220nfL18.2nHL222nH5.6pfC9VDD 3.3VL31.8nHR36.8KΩRBIAS122RBIAS226C50.1μfR143KΩC7C11220nf220nf
图4-1 CC2430基本电路
图中C1，C2为22pf的电容，连接32MHZ的晶振电路，此石英晶振用于正常工作使用。C3，C4为15pf的电容，连接32.768KHZ的晶振电路，此石英晶振用于休眠时工作，这样就能够降低它的工作损耗。C5为0.1μf的电容，用来去除一些杂波的干扰，从而有效的防止的单片机的错误复位。C6是100nf的电容，C7为220nf的电容，C8为220nf的电容。这些电容用作滤波，去除杂波的干扰使电压能够更加的稳定。电路中使用非平衡天线，连接非平衡变压器可使天线性能更好。C9为5.6pf的电容，电路中非平衡的变压器就是由C9和电感L1，L2，L3以及一个PCB微波传输线路组成的。整个的结构满足RF输入/输出匹配电阻（50Ω）的要求。L1为8.2nh的电感，L2为22nh的电感，L3是1.8nh。C10，C11为去耦合电容，用来电源滤波，这样就可以提高了芯片工作的稳定性。偏置电阻器R1和R2分别是43KΩ，56KΩ。R1用来为32MHZ晶体振荡器设置精密偏置电流。
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4.1.6 CC2430应用于无线网络节点设计
系统内
ZigBee无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是由部署
在监测区域的大量的微型ZigBee传感器节点(即ZigBee终端RFD节点)和ZigBee FFD网络协调器节点组成，通过无线通信方式形成一个无线自组织网络系统[17]。其应用电路硬件框图如图所示
天线天线部分无线部分5Tex4321t54321GNDRF_NRF_PVCCRXDTXDGNDR1P0.0CC2430ANSW-PBLED1R2D1LEDD2R3VCCLEDLED2
图4 -2 RFD节点电路图 天线GND天线部分无线部分RF_NTXDSIP3223RXDTXDRXDRF_PR1P0.0CC2430ANSW-PBCAN控制器、收发器RSCLCKS液晶显示SDDRSTP1.1P1.4P1.5P1.6P2.0
图4-3 网络协调器电路框图
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4.2节点的硬件设计
4.2.1 协调器节点的硬件设计
ZigBee协调器节点硬件设计如图4-4所示，该节点由无线收发器CC2430、射频天线RF、电源模块、晶振电路和串口电路组成。RF的输入／输出是高阻和差动的。当使用不平衡天线(例如单极天线)时，为了优化性能，应当使用不平衡变压器。不平衡变压器可以运行在使用低成本的单独电感器和电容器的场合。电源模块用于CC2430的数字I/O和部分模拟I/O的供电，供电电压为2．0～3．6 V。CC2430可以同时接32 MHz和32．768kHz的两种频率的晶振电路，以满足不同的要求。串口电路用于CC2430将接收到的数据传送给上位机，由于上位机与CC2430的电平不一致，所以需要一个MAX232电平转换电路。
天线 UART MAX23RF-P PF-N RXD TXD CC2430 晶振 32MH 32.768KHz 电源模块 2.0-3.6
图4-4 协调器节点
4.2.2 路由器节点的硬件设计
路由器节点的主要任务是将不同区域的数据从传感器节点路由到协调器节点，因此，该电路比较简单，该节点由无线收发器CC2430、射频天线RF、电源模块和晶振电路组成。
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4.2.3 传感器节点的硬件设计
传感器节点和硬件设计如图3-3所示，该节点由无线收发器CC2430、射频天线RF、电源模块、晶振电路和串口电路组成。由于CC2430芯片本身带有温度传感器，因而本实验直接采用了CC2430的内置温度传感器监测温度。但是该温度传感器的精度有限，如果要求更高的精度，可以扩展出一个温度传感器，如LM94002。
天线 1. PF-N RF-P RXD TXD CC2430 电源模块 2.0-3.6 电源模晶振 32MHZ 晶振 32.768KHZ3
图4-5 传感器节点 下面对每个部分的功能和指标进行详细介绍：
(1)信息收集终端：即协调器，放置于监控室， 完成网络的建立与维护，和节点之间绑定的建立，实现数据的汇总，然后以有线的方式传送到上位机软件，进行进一步数据处理。本设计采用RS-232串口将采集到的数据发送到上位机。
(2)温度采集终端：即节点，放置在需要采集温度的地方。温度采集终端可以实现网络的加入、与协调器绑定的建立、温度的检测。检测到的温度通过ZigBee无线网络发送到协调器。
(3)上位机：位于监控室，完成对所采集温度的汇总与显示。采集到的数据实时保存到文档中，同时以折线图的形式实时反映出温度的变化趋势，使其更为
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直观。显示的折线图可以在不同节点之间切换。
4.3电源供电电路
220V交流电经过变压器降压后得到9V交流电，然后经过整流桥全波整流，电容滤波稳压后得到稳定的5V直流电源。本设计采用稳压芯片7805来获得所需直流稳压电源。7805的电压输入范围较宽，输入电压在7V-36V之间都可实现良好的稳压效果。考虑芯片的热效应及稳压的准确性，所以尽量减少输出电压与输入电压的电压差，同时为了保证电源可以提供足够的功率，电压压差至少要大于3V，所以本系统的输入电压定位9V，足以保证电源所能提供的功率，且芯片不会过热[15]。
D1是整流桥，选用耐压值AC600V电流为2A的KBP206。C1、C2、C3是用来
吸收低频脉动和滤波的电容，可以是电压更为平稳。为使直流电源更加稳定，本电路中使用电容C2吸收其他频率成分的谐波。U1是7805稳压芯片，该芯片稳定性、可靠性较高，且能产生稳定额5V直流电源[14]。C3除了启动吸收谐波的作用外，还可防止出现稳压后的直流电源随后级负载的加重而逐渐降低的情况。
除去需给外围电路提供5V直流电源外，Zigbee芯片需要3.3V的直流电压，
故需要使用一个三端稳压器把5V电压转换为3.3V直流电源。本设计中中采用AMS1117芯片，输出电压为3.3V，输出电流可高达1A。
直流电源的供电电路分别如图所示。
1220VT1D1C1470μF220VTRANS1 C210μFVINVOUTGND3VCCU378052C310μFGND
图4-6 直流电源供电电路
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+5V1VINVOUTu3AMS11173VDDGND2C422μFGNDC5470μFGND
图4-7 3.3V直流电源供电电路
4.4 传感器电路
由于传感器输出的模拟信号比较微弱，所以系统需要将信号进行放大。温度传感器使用的是高精度模拟输出CMOS温度传感器LM94022，该传感器的末级为推挽输出，输出电压与感测的温度成反比，即温度越高输出电压越低；可提供4个不同增益让用户自行选择，其中包括-5.5mV/℃ 、-8.2 mV /℃ 、-10.9mV /℃及-13.6mV /℃。本设计温度传感器灵敏度选择-5.5mV/℃，所以LM94022的GS0和GS1端口都接地，温度信号放大电路如图4.3所示。
温度信号放大电路电路设计中要求高输入低输出，故放大电路的前置电阻R1的阻值设为10K。由于运放LM324的输入级是差动放大电路，要求两端输入回路参数对称，即RN=RP，RN=R1//RF，故R2=R1//R3，R5=8.3K。依据运算放大器“虚短”、“虚断”特性，有U- =U+。电压放大倍数为5。
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R350KC245vU2A1IN 1R110K230.1μF213LM324GS0GNDOUTQ1LM94022R28.3KVDD4GS15115V
图4-7 温度传感器电路
4.5 A/D转换电路图
采用的是TLC2543-使用开关电容逐次逼近技术完成12为快速A/D转换。一
个电位器调节TLC2543基准电压输出。TLC2543与外围电路的连线简单，有3个控制输入端，为CS，输入/输出时钟以及串行数据输入端。片内的14通道多路器可以选择11个输入中的任何一个或者3个内部自测电压中的一个。12为数据线分时使用，内部带有精准的参考电源。
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GNDC10.1μf12345678CON812345678910GNDA1AIN0AIN1AIN2AIN3AIN4AIN5AIN6AIN7AIN8GNDTLC2543VCCEOCI/O CLOCKDATA INPUTDATA OUTCSREF+RREF-AIN10AIN920191817161514131211JP1CLOCKDATA_INPUTDATA_OUTCS2GND1234VCCCON4CAPC11GNDJP9JP71234CON4GNDGND
GNDC12CAPR235KC80.1μfGNDGND
图 4-8 A/D转换电路图 TLC2543的引脚功能：VCC：正电源端，一般接+5V GND：正电源地。
REF+：正基准电压端，一般接+5V REF-：负基准电压端，一般接地 ANI0—AIN10：模拟输入端
CS：片选端，由高到低有效，由外部输入。 I/O CLOCK：为I/O时钟 DATA INPUT：串行数据输入端
DATA OUT：A/D转换结果的三态串行输出端 EOC：转换结束端，向外部输出
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4.6 USB转串口电路图
采用CP2102改造的接口应用电路图如图所示。串口扩展，仅需要2-3只外部
去耦电容器，REGIN端需加0.1μf与1.0μf并联的去耦电容。CP2102的供电电源由计算机的USB接口提供，再连接3只保护管以便使用。该电路仅用CP2102的UART总线上TCD/RCD两个引脚，其余悬空。单片机可直接识别CP2102的UART总线上信号，为确保数据收发的稳定性，避免通信过程受到干扰，采用光电耦合器隔离，并将RST采用一只4.7KΩ电阻上拉至VDD。
+5VVDDJP?1.2KΩ4.7KΩCP210271μf+0.1μf6GND4.7μf3USBVBUSD-D+GND1234GND854REGINRSTVDDTXDGNDRXDVBUSD-D+926390Ω256n137VDD1.2KΩ39383736353433322122232425262728P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P20P21P22P23P24P25P26P278031P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7INT1INT0T1T0EA/VPX1X2123456781312151431191891716+5V1.2KΩ651.2KΩ390Ω10113029RXDRESETTXDALE/PRDPSENWR4 HEADER6n137
图4-9 USB转串口电路图
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4.7显示电路
本设计显示采用的数码管显示，电路图如下：
R1R2R3R4470ΩVCC 3.3V109876GEM3261BEcom1U1151234567Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7VCCMRDsSTcpSHcpQTOEGND16101412119138JP112345678LPC2103hgfafgcafegdbcdpbedcom2ddpadpce74HC5951234R5R6R7R8470Ω5 图4—10 显示电路图
本设计采用 LPC2103 自带的硬件 SPI 接口与 74HC595 进行数据传输。74HC595 将 LPC2103发送过来的 8 位串行数据转换成 8 位并行数据来驱动 2 位共阳数码管。与 1 位数码管类似，2 位 LED 数码管的输入端在 5 V 电源或高于 TTL 高电平(3.5 V)的电路信号相接时，一定要串加限流电阻，以免损坏器件。由于本设计采用共阳数码管，所以 2 位数码管位选引脚选择用 LPC2103 的 P0.8 与 P0.9控制。
74HC595 是一款具有 8 位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能的驱动芯片。移位寄存器和存储器分别具有独立的时钟信号。数据在 SHcp 的上升沿
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输入，在 STcp 的上升沿进入到存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。移位寄存器有一个串行移位输入（DS），和一个串行输出（Q7），和一个异步的低电平复位（MR），存储寄存器有一个并行 8 位的，具备三态的总线输出，当使能 OE 时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。
74HC595 引脚功能: Q0-Q7： 并行数据输出口，即储存器的数据输出口。 GND： 接地。 QT： 串行输出口。
MR: 芯片复位端（低电平有效）。 SHcp： 移位寄存器的时钟脉冲输入口。 STcp： 储存器的时钟脉冲输入口。 OE： 输出使能端（低电平有效）。 Ds： 串行数据输入端。 Vcc：电源
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5 温度检测系统软件流程图设计
5.1传感器节点的程序流程图
图5-1是传感器节点的程序流程图。设备初始化后，传感器节点会依据ZigBee协议搜寻网络，并请求加入节点。请求得到确定后，传感器节点会将自身的地址发送给协调器，并自动与协调器建立绑定。在接受到数据传送请求之后，传感器节点就会将温度值按时传给协调器。
上电复位 传感器采集数据 硬件、堆栈初始化 否 发现网络 是 加入网络 是 否 入网成功 是 图5-1传感器节点流程图
成功？ 发送成功？ 否 尝试重新建立绑定 否 是 5.2 协调器的程序流程图
图5-2是协调器的程序流程图。在设备初始化完毕后，协调器新建无线网络。如果新建网络成功，允许协调器设定为绑定。此时，协调器检测是否有节点要求加入网络，如果接收到节点的加入请求，协调器会记录下节点的地址，并建立绑定，同时向节点发出传送数据请求，得到节点的确认后，协调器开始接收数据，最后通过RS-232串口发送给上位机。
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上电复位 否 初始化硬件 否 建网成功 是 允许绑定 将数据发到串口，发给PC机 接收数据 是 发现设备 建立绑定 图5-2 协调器的流程图
5.3上位机软件的程序的流程图
程序启动后，首先需要对串口进行设置并且新建Excel文档。待串口初始化之后，上位机MicroSoft Comm Control 6.0 控件开始响应串口读入事件[18]。下位机的数据以字符串的形式进入上位机，该字符串包含了节点的地址信息和所采集的温度信息。此时，要对地址信息和温度信息进行提取。程序根据提取出的不同地址，选择在哪一个PitureBox中绘出曲线。上位机显示界面中，有相互重叠的几个PictureBox，用来绘制不同节点的温度折线图。默认状态下显示第一个节点的折线图显示出来，如果要查看其他节点的温度图线，则可以点击“查看”菜单进行切换。
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开始 新建存储文初始化串口 接收来自串口的提取地址和温度值 否 是否新地是 新的PictureBox中绘是 原PictureBox中绘否 温度超标？ 否 给出警告
图5-3 上位机流程图
程序运行初需要对串口进行设置。上位机运行后，界面中PictureBox中实时绘出温度变化的折线图[19]，当前显示的节点可以通过“查看”菜单切换，当前显示的节点显示在图下方的文本框中，而实时数据一栏中则显示的是当前串口正读取的信息。
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6 开发环境简介
6.1 C51RF-3-PK开发平台
ZigBee协议栈高级开发系统C51RF-3是一款经济、高效、方便的开发工具套装，满足IEEE 802.15.4标准和ZigBee技术标准的无线网络技术设计开发[20]。
C51RF-3-PK开发平台具有以下特点：
1、具有USB高速下载、支持IAR集成开发环境； 2、具有在线下载、调试、仿真功能； 3、可以根据需求选配多种扩展开发板； 4、开发方便、快捷、简单；
5、功能强大的C51RF-3仿真器。不仅可以实现对CC2430/CC2431程序下载，还可实现开发仿真调试；
6、多种扩展板既有简单开发按键、又有液晶显示及各种传感器。不但可以实现简单的CC2430/CC2431开发，还可作复杂的ZigBee无线网络；
6.2 IAR Embedded Workbench简介
IAR Embedded Workbench（简称EW）的C/C++交叉编译器和调试器是今天世界最完整的和最容易使用专业嵌入式应用开发工具[21]。EW 今天已经支持35 种以上的8 位/16 位32 位ARM 的微处理器结构，对不同的微处理器提供一样直观用户界面。
EW [22]包括：嵌入式C/C++优化编译器，汇编器，连接定位器，库管理员，编辑器，项目管理器和C-SPY 调试器。使用IAR 的编译器最优化最紧凑的代码，可以节省硬件资源，最大限度地降低产品成本，提高产品竞争力。
IAR Embedded Workbench 集成的编译器主要产品特征[23]： (1)高效 PROMable 代码 (2)完全标准 C 兼容
(3) 内建对应芯片的程序速度和大小优化器 (4)目标特性扩充
(5)版本控制和扩展工具支持良好
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(5)便捷的中断处理和模拟 (6)瓶颈性能分析 (7)高效浮点支持 (8)内存模式选择 (9)工程中相对路径支持
IAR Systems 的C/C++编译器可以生成高效可靠的可执行代码，并且应用程序规模越大，效果明显。与其他的工具开发厂商相比，系统同时使用全局和针对具体芯片的优化技术。连接器提供的全局类型检测和范围检测对于生成目标的代码的质量是至关重要。
IAR Embedded Workbench 是一套完整的集成开发工具集合：包括从代码编辑器、工程建立到C/C++编译器、连接器和调试器的各类开发工具。它和各种仿真器、调试器紧密结合，使用户在开发和调试过程中，仅仅使用一种开发环境界面，就可以完成多种微控制器的开发工作。
除上述的几点之外，在IAR Embedded Workbench，IAR Systems 还提供了visual STATE和IAR MakeApp[24]两套图形开发工具帮助开发者完成应用程序的开发，它可以根据设计自动生成应用程序代码和自动生成驱动程序，使开发者摆脱这些耗时的任务同时保证了代码的质量。
6.3 上位机的功能简介
上位机软件主要完成对每个节点信息的汇总、分析与显示。可以采用Microsoft Visual Basic6.0（中文版）开发环境进行设计。Visual Basic6.0[25]简单易学同时又功能强大，可以方便的支撑上位机的开发和设计。
采集到的数据通过串口读入，并创建Excel文件用来保存数据，同时数据可以实时地显示在文本框中。为了反映数据的变化趋势，温度值还将通过折线图绘制出来，而温度值可能来自于不同的节点，因而在数据从串口读入之后需要提取出节电地址和温度值，不同节点的温度值分别绘图，上位机允许在不同节点的折线图之间切换。
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7.总结与展望
本文详细介绍了ZigBee协议栈和基于ZigBee的温度采集系统的设计过程，设计中将系统分为上位机和下位机两部分。下位机使用成都无线龙C51RF-3-PK开发系统进行开发调试，通过CC2430芯片搭建无线传感器网络，并采集节点的温度值。所采集到的数据值通过RS-232传输到上位机。上位机通过visual Basic编写，用以实时显示数据并绘出折线图，此外，还需要能够查看过往数据。
由于本设计是以当下较为流行的ZigBee无线通信技术为基础的，ZigBee技术具有近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本等优点，因而成本和功耗方面的是本设计的一大优势。同时，由于ZigBee技术组网方便，网络容量大，可以满足工农业生产上多点的温度检测，应用前景比较广泛。在设计时，也充分考虑了应用的便捷性，充分体现在上位机友好的节面设计上。
当然，本设计仍然存在一些不足，需要改进和提高。例如，本设计的稳定性还不能达到应用的要求，数据的存储方式还可以进一步改善，这些以后都会进一步研究和实现。
然而，ZigBee技术的应用前景是十分明朗的，成本和功耗方面的优势使其在市场中十分具有竞争力。尤其在物联网技术已成为当下热点命题之一的时候，ZigBee技术的应用价值就更为重要了，可以想见，伴随着物联网技术的成长，ZigBee技术也将日趋成熟。
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致 谢
在论文完成之际，我首先向关心帮助和指导我的指导老师xxx老师表示衷心的感谢并致以崇高的敬意！
在论文工作中，遇到了很多的问题，一直得到xxx老师的亲切关怀和悉心指导，使我学到了很多的东西，xxx老师以其渊博的学识、严谨的治学态度、求实的工作作风和她敏捷的思维给我留下了深刻的印象，我将终生难忘。再一次向他表示衷心的感谢，感谢她为学生营造的浓郁学术氛围，以及学习、生活上的无私帮助! 值此论文完成之际，谨向xxx老师致以最崇高的谢意!
在论文开始之初，xxx老师就给我讲解设计原理、设计流程，以及设计中需要注意的相关事项，并给我提供了相关的背景材料，使我对于设计有了一定的理解。
在学校的学习生活即将结束，回顾近四年的学习经历，面对现在的收获，我感到无限欣慰。为此，我向热心帮助过我的所有老师和同学表示由衷的感谢!
特别感谢我的大学同学们对我的学习和生活所提供的大力支持和关心!还要感谢一直关心帮助我成长的室友们，谢谢你们！开始着手论文的时候，我也遇到了很多的问题：论文的框架要怎么写？目录要怎么写？章节怎么分等。由于李亚品老师的悉心讲解，根据老师所讲的纲要，首先完成论文内容的主体框架设计，然后设计温度检测系统设计的系统框图，在这过程中参照了相关书本，也回忆起很多学过的东西。在这中间请教一些同学关于计算机、芯片等问题。最终完成了整体设计。总之，感谢那些在论文写作过程中帮助我的老师、同学！
在我即将完成学业之际，我深深地感谢我的家人给予我的全力支持！ 最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授!
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2+5VC50.1μf附 录
系统原理图
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