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1、学号：题目类型：设计（设计、论文、报告本科毕业设计（论文）题目：温湿度测量系统设计学院：信息科学与工程学院专业（方向）：通信工程班级：2011-2班学生：指导教师：2015年05月22日利用ZigBee无线通信技术和传感器技术设计一个多点无线温湿度测量系统，该系统可以设置温度最大限值，实现超值预警报警。温湿度传感器采用DHT11，无线射频芯片采用ZigBee标准的CC2530。通过温湿度传感器对实时温湿度数据的采集，利用ZigBee无线技术把实时数据传输到接收终端，最终显示在LCD显示屏上，还可以通过按键减小或者增大温度报警限值。通过该系统对温湿度的实时测量与控制以实现对人们工作生活环境温度和
2、湿度的测量监控。该系统因为采用了CC2530模块，使得PCB电路简单，易于实现，具有功耗低、适应性强等特点。论文首先分析介绍传温湿度感器技术与ZigBee无线技术的发展，并解析它们的技术特点。之后介绍该温湿度测量系统的硬件设计：从CC2530芯片到DHT11传感器,最终到硬件电路的论述。紧接着介绍该系统的软件设计：从系统整体方面对该系统进行一个综述，然后分别对各部分实现的功能进行阐述。关键词：无线通信；ZigBee;传感器；DHT11;温湿度测量TheDesignoftheTemperatureandHumidityMeasurementSystemStudent:LUOGangTeacher
3、:SHENZhuo-junAbstract:ThedesignoftemperatureandhumiditymeasuringsystembasedonZigBeewirelesscommunicationtechnologyandthetemperatureandhumiditysensortechnology.Thesystemcansetthemaximumlimitandcarryoutvaluewarningandalarming.ThesensoradoptsDHT11whiletheRFIDchipadoptsthestandardCC2530ofZigbee.Thereal-
4、timedata,collectedbythesensorandtransmittedtothereceivingendoverZigBee,canbeshowedontheLCDscreen.Thealarmlimitcanbedecreasedorincreasedbypressingthebutton.Thesystemistomeasureandmonitorthetemperatureandhumidityofpeoplelivingandworkingenvironmentbyrealtimemeasuringandcontrolling.TheapplicationofCC253
5、0modulemakesthePCBcircuitsimpleandeasytoimplement.Itfeatureslowpowerconsumptionandstrongadaptability.ThepaperisfirstlytointroducethedevelopmentofthesensorandZigBee,andthenanalyzestheirfeatures.Secondly,itintroducesthehardwaredesignofthesystem:fromCC2530chip,DHT11sensortothedissertationofthehardwarec
6、ircuit.Thirdly,itintroducesthesoftwaredesign.Itgivesawholereviewtothesystemelaboratesthefunctionsofeachpart.Keywords:Wirelesscommunication；ZigBee；Sensor;DHT11；Temperatureandhumiditymeasurement摘要IAbstractII1绪论11.1引言11.2温湿度传感器11.3ZigBee通信技术21.3.1ZigBee协议21.3.2ZigBee网络拓扑结构22系统架构52.1总体架构52.2硬件设计52.3电路原理
7、图62.3.1控制器主板62.3.2数据米集板112.4软件设计142.4.1程序框图142.4.2程序详解153调试与测试204总结21致谢22参考文献23附录1241绪论1.1引言经过几十年上百年的工业化进程，工业化留下了太多的问题，而环境问题是极为突出的一方面。环境问题对工农业生产方面有着非常大的影响，如果是对工农业的影响只是生产者、各级政府、专家关注的方面。那么，现在在国内特别是在北方地区，当沙尘暴、PM2.5成为新闻热点，人们口中的焦点，空气污染正成为人们关注的对象。人们生活水平得到提高后，就开始关注生活质量，关注自身生活环境的舒适度。而温度与湿度这个两个参数对人们的生产生活有着非常
8、重要的影响，而且温度和湿度有着密不可分的联系，人不单纯的受温度或者湿度的影响，而是受温度和湿度两方面综合的作用。在工业生产中需要实时的监控温湿度，在农业生产中有些时候也需要实时的监控温湿度（例如：温室大棚农作物种植）。随着人们生活水平的提高和近年来环境问题逐渐严峻，人们越来越注意自身生活环境质量的改善，虽然我们可以通过天气预报获知当地的温湿度数据，但是天气预报的都是一个地区（一般精确到县区）的数据，在多山地区（尤其在广西），居住在同一区域的居民，居住的环境也有不同。同一区域中有居住在丘陵中，有些生活在海拔高的山上，以至于同一区域温湿度存在着差异。有些时候，人们还需要监测一定空间内（温室、饲养场
9、）的温湿度数据。温湿度对人们的一个比较明显的影响：在人们的卧室中，温湿度对人们的睡眠质量也有着重要的影响，实时地监控温湿度可以为改善人们睡眠质量提供条件。通过温湿度测量系统，用户可以了解其工作生活环境的温度和湿度情况，以做出相应的应对措施，改善其生活的环境。所以各种温湿度测控系统正以各种家电（例如空调、增湿器）或者智能硬件为载体进入个人用户家庭。1.2温湿度传感器21世纪是科技主导的世纪，得益于高科技的快速发展，在传感器方面，高度集成化、智能化的传感器的出现，使得现在传感器技术应用非常广泛，传感器除了在军用、航空、工农业生产等方面有极大的发展。逐步地，传感器技术的应用很早就进入了民用领域，上至
10、各种大家电，下到我们使用的智能手机，都应用了传感器技术。现状全球环境日益恶劣，人们越来越关注生活环境问题，在当今互联网行业发展最迅速的智能硬件更是把传感器技术发挥到了极致，各种温湿度、PM2.5、空气净化等环境监控智能硬件正走进各家各户。而温湿度传感器也最初的分立式、模拟集成式发展到现在高度智能化、极致集成化、系统化、微型化、低成本化的发展，现在温湿度测量系统不仅仅应用于工农业生产，个人民用方面，温湿度及其相关环境监测系统也得到了长足的发展。特别是智能硬件与智能家居的兴起，让这些环境监测系统重新受到开发者的青睐。一个温湿度及其他环境监测系统，可以接入智能家居系统，成为其数据采集、数据改善的一部
11、分。所以，受近些年来智能硬件的影响，温湿度及其他环境监测系统有着非常广阔的发展空间。1.3ZigBee通信技术ZigBee通信技术是一种在IEEE802.15标准的基础上发展起来的低功耗、近距离的新兴的无线通信技术。相对于蓝牙，wifi等短距离无线通信技术，其特点是功耗低、安全性高、时延短、自组织、短距离、速率低、成本低。ZigBee工作在工业医疗频段，全球2.4GMHZ，美国915MHz，欧洲868MHz，无需申请牌照即可免费使用3。ZigBee可以嵌入各种设备，应用于各种自动控制和远程控制系统中。随着物联网与智慧城市的快速发展，城市中的各种控制系统互联，家庭中的设备互联尤为离不开无线通信技
12、术。而ZigBee作为一种新兴的无线通信技术，更有着比蓝牙，wifi更多的优点，互联互操作是ZigBee的最大技术优势，在一些互操作性要求极高的场景（只能路灯控制、智能家居等）有着非常广泛的应用前景。更由于其统一性强，能大大缩短开发周期，使其越来越来的受到开发者的关注与应用。1.3.1 ZigBee协议ZigBee协议的集成是802.15.4,其扩展了IEEE，并对网络层协议和API进行了标准化。它有自己的协议标准，适应了无线传感器花费低、能耗低、容错性高的要求，用于短距离无线通信，能在非常多个无线传感器中形成自组网络实现通信。能实现通信的网络就会有相应的网络协议的支持，无线温湿度测量系统的软
13、件设计也需要针对各层通信编写出相应程序代码。ZigBee协议栈与IEEE制定的网络协议类似，其具有物理层，MAC层，传输层、网络层、应用层。1.3.2 ZigBee网络拓扑结构ZigBee网络结构有星形、树形和网状形3种。在整个网络中，每个网络节点都有一个属性，它们按照功能划分，分别为：协调器、路由器、终端节点。星形是ZigBee最简单的一种网络拓扑结构，它包含一个作为中心节点的协调器和一系列只能与协调器进行通信的终端节点5（如图1.1所示）。这种网络结构所有的通信都由中心节点来支配，具有维护管理容易、扩展方便和配置灵活的特点。但是其也因为所有的通信数据都只能通过中心节点而使其有可能成为整个星
14、形网络的瓶颈，若中心节点出问题，那么整个网络就瘫痪了图1.1星形网络拓扑终端节点O协调器树形结构是一种分层结构，有多个层级，其由协调器往下连接一系列的路由器与终端节点，而路由器也可以往下连接一系列的路由器跟终端节点5（如图1.2所示）该网络结构命名为树形网络结构是因为其形状像一棵倒立的树，顶端是树根，树根往下有各种分支，分支之后还可接很多子分支。树形结构网络的每个节点只能和它的父节点或者它的子节点通信。树形拓扑也具有易于扩展、能很快隔离故障的优点，但是图1.2树形网络拓扑整个网络对根节点（协调器）的依赖性太大。o协调器厂路由器*护终端节网状结构不依赖于某个单一的节点，每个节点可以与多个节点通信
15、，在整个网络中节点与其他节点通信可以选择多条不同的路径5。加上网状结构具有灵活的路由信息规则，有较高的可靠性，可以有效的减少网络阻塞和碰撞，即使是局部网络出现故障这也不会影响整个网络的通信。虽然网状结构网络具有非常多的优点，但是由于网状网络关系复杂，结构也是非常的复杂网状结构图如图1.3所示：二协调器二路由器.终端节点2系统架构2.1总体架构诺基亚5110图2.1整体架构示意图该系统共由五个模块组成（如图2.1所示），其中一模块（控制器模块）为数据接收处理单元，负责对接收到的温湿度数据进行处理并显示在显示屏上，还可在数据接收单元上设置相关参数与数值限额，实现对实时温湿度数据的监控报警。其余四个模块为数据采集单元，主要是对实现监控环境内四个不同点的温湿度进行实时采集，并把相关数据通过ZigBee无线模块传输到数据接收单元。2.2硬件设计该课题实现的是一个温湿度测量系统的设计，需具备以下功能：1对四个不同位点进行温度、湿度测量，并将数据以无线的方式传输到控制器模块。2. 控制器对多点温湿度进行处理、修正，并把温湿度显示在同一显示屏上。3. 可手动设置温湿度门限值，实现超值报警。主控制器模块主要由Nokia5110LCD液晶显示屏和CC2530ZigBee模块组成，并配备一个自锁开关，为
