1、基于ZigBee的环境测控硬件设计开题报告1 课题来源、目的，国内外基本研究情况1.1课题名称基于ZigBee的无线传感网络的粮仓环境测控硬件设计。1.2课题来源及目的 近年来人们对绿色储粮意识逐步加强，不断加大对粮食仓储的科技投入，但目前还是主要使用化学药剂来防治虫、霉，以确保粮食的储存安全。但由于长期单一或不当的使用化学药剂，不但在杀虫不彻底时使害虫的抗药性不断增加，而且对粮食、环境造成污染，危害人、畜健康。由于在一定的温度、湿度下，可以抑制虫、霉菌的生长；在一定的光照度以下，可以抑制粮食胚胎的发育，抑制粮食发芽。故在该设计中，采取控制粮仓的温度、湿度以及光照度来储存粮食。然而为保证粮仓的
2、环境能稳定在一定的范围内，需要温度、湿度以及光照度控制终端和各种、各位置的传感器进行协调工作。所以，考虑这一点，本设计中就用到了ZigBee无线通讯技术。通过ZigBee，实现自动化控制数据传输，从而实现传感器与温控、光控等终端以及传感器与传感器之间的的协调工作，使粮仓的环境形成一定要求的平衡。随着21世纪社会经济的迅速发展，人们对能够随时随地提供信息服务的移动计算和宽带无线通信的需求越来越迫切。无处不在的网络终端，以人为本、个性化、智能化的移动计算，以及方便快捷的无线接入和无线互连等新概念和新产品，已逐渐融入人们的工作领域和日常生活。如今短距离无线通信技术发展突飞猛进，其应用日新月异。Zig
3、Bee是其中一种具有代表性的短距离无线通信标准。ZigBee具有很广阔的应用前景。ZigBee技术将主要嵌入在消费型电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控制装置、电脑外设、医用传感器、玩具和游戏机等设备中，支持小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域中的应用，同时还支持地理定位功能。ZigBee具有很广阔的应用前景。1.3国内基本研究情况 尽管国内不少人已经开始关注ZigBee这门新技术，而且也有不少单位开始涉足ZigBee技术的开发工作；然而，由于ZigBee本身是一种新的系统集成技术，应用软件的开发必须同网络传输、射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起，因而深入理解这个来自国外的新技术，
4、再组织一个在这几个方面都有丰富经验的配套队伍，本身就不是一件容易的事情。因此到目前为止，国内目前除了少数几家公司外，有关ZigBee开发的公司还很少；但可喜的是随着国内公司的ZigBee各系列的实用开发系统推向市场，目前各大高校以及公司相继加入到了ZigBee的开发行列中。1.4国外基本的研究情况 2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作组，形成了IEEE802.15.4标准，此正是ZigBee的基础。2002年8月，ZigBee联盟成立，由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成，如今已吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发
5、商的加入。在ZigBee联盟和IEEE802.15.4的推动下，ZigBee技术结合其他无线技术，可以实现无所不在的网络。 在IEEE802.15.4中，总共分配了27个具有三种速度的信道：在2.4GHz频段有16个速率为250kb/s的信道，在915MHz频段有10个40kb/s的信道，在868MHz频段有1个20kb/s的信道。其中2.4GHz是全球通用的ISM频段，915MHz是北美的ISM频段，868MHz是欧洲的ISM频段。 ZigBee联盟对IEEE802.15.4标准网络层协议和API进行了标准化，制定了基于IEEE802.15.4，具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。Z
6、igBee联盟对ZigBee标准的制定：IEEE802.15.4的物理层、MAC层及数据链路层，标准已在2003年5月发布。ZigBee网络层、加密层及应用描述层的制定也取得了较大的进展。V1.0版本已经发布。其他应用领域及其相关的设备描述也会陆续发布。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄露其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。 韩国第三大移动手持设备制造商Curitel Communications公司已经研制成世界上第一款ZigBee手机，该手机可通过无线的方式将家中或是办公室内的PC、家用设备和电动开关连接起来。这种手机融入了ZigBee技术，能
7、够使手机用户在短距离内操作电动开关和控制其他电子设备。2 预计达到目标，关键理论及技术，完成课题的方案及主要措施2.1预计达到的目标实现对粮仓环境参数（温度，相对湿度，光照度或气体浓度等）的智能检测与控制，使其达到合适的储粮环境。2.2关键理论及技术主要包括无线传感网络、ZigBee技术、单片机技术、机械原理和机械设计、传感技术、射频技术。无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。体系结构如下图1：脉冲宽度调制(PWM) 是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非
8、常有效的技术，是一种对模拟信号电平的数字编码方法，通过使用高分辨率计数器（调制频率）调制方波的占空比，从而实现对一个模拟信号的电平进行编码。其最大的优点是从处理器到被控对象之间的所有信号都是数字形式的，无需再进行数模转换过程；而且对噪声的抗干扰能力也大大增强（噪声只有在强到足以将逻辑值改变时，也可能对数字信号产生实质的影响），这也是PWM在通讯等信号传输行业得到大量应用的主要原因。脉冲宽度调制广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。在本设计中，用其来进行功率控制。可使用单片机来实现调制。完整的Zigbee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上
9、协议由Zigbee联盟制定，IEEE负责物理层和链路层标准。图2为ZigBee协议体系结构:ZigBee可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线
10、连接。简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。通常，符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用Zigbee技术做无线传输：（1）设备成本很低，传输的数据量很小；（2）设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；（3）没有充足的电力支持，只能使用一次性电池；（4）频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难；（5）需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅仅用于监测或控制。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点：低功耗、低成本、时延短、网络容量
11、大、可靠、安全。表1列举了几种常用无线传输方式的主要性能比较。基于以上这些特点，本设计中就采用ZigBee来进行传感器、终端以及单片机间的通讯。跟传感器和温度、湿度等控制终端通讯的ZigBee网络示意图，如图2所示：图2 跟传感器和温度、湿度等控制终端通讯的ZigBee网络示意图目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：（1）在智能仪器仪表上的应用（2）在工业控制中的应用（3）在家用电器中的应用（4）在计算机网络和通信领域中的应用（5）单片机在医用
12、设备领域中的应用（6）在各种大型电器中的模块化应用（7）单片机在汽车设备领域中的应用在本设计中，由于通信中并不涉及很复杂的运算，且单片机有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活和使用方便等特点，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。故本设计中采用单片机进行网络通信运算处理与协调控制。 以温度监控为例，采用CC2430(集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机)模块挂接多个DS18B20(DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯)温度传感
13、器来进行数据采集，图3为DS18B20与CC2430的硬件接口连接图，图4为温度数据采集模块所示：图3 DS18B20与CC2430的硬件接口连接图图4温度数据采集模块 由于采用无线传输通讯，故需要射频技术来产生无线讯号。2.3课题研究的主要内容（1）完成基于ZigBee的无线传感器网络的组建；（2）完成电路设计及制作；（3）完成信号采集及处理算法设计；（4）完成机械设计制图2.4完成课题的方案 基于ZigBee技术，构建无线传感器网络，实现对环境参数（温度，相对湿度，光照度或气体浓度等）的智能检测与控制。 设计控制电路与结构实现温度控制，湿度控制，和光照强度控制，其中温度控制终端采用空调或者
14、通风装置，湿度控制可通过喷水或抽湿机装置，光照强度控制可通过LED补光照明及PWM控制和遮阳布控制装置。2.5主要措施 温度控制：空调或者通风装置； 湿度控制：抽湿机装置； 光强度控制：LED补光照明及PWM控制和遮阳布控制装置。3 课题研究计划15周：总结文献、综述，整理相关资料；48周：学习ZigBee无线通信以及单片机方面的知识，进行设计总体方案、控制电路；710周：完成电路设计、制作、调试；914周：设计遮阳布的自动调剂机械装置，并进行机械制图，了解传感器在粮仓放置位置的最优化；1216周：完成毕业设计（论文）、答辩。参考文献1李文仲，段朝玉等编著ZigBee无线网络技术入门与实战.北
15、京：北京航空航天大学出版社，2007.2王汝传，孙力娟等主编无线多媒体传感器网络技术.北京：人民邮电出版社，2011.3金纯，罗祖秋，罗凤，陈前斌编著ZigBee技术基础及案例分析.北京：国防工业出版社，2008.4蒋挺，彭秀华编著紫蜂技术及其应用.北京：北京邮电大学出版社，2006.5王权平，王莉编著ZigBee技术及其应用. 现代电信科技6邓星钟等编著机电传动控制(第四版).武汉：华中科技大学出版社，2007.7胡乾斌，李光斌，李玲，喻红著单片微型计算机原理与应用（第二版）.武汉：华中科技大学出版社，2006.8叶嘉雄、常大定、陈汝钧编著光电系统与信号处理.科学出版社，1997.9康华光、
16、邹寿彬、秦臻主编电子技术基础（数字部分）（第五版）.北京：高等教育出版社，2006.10康华光、陈大钦、张林主编电子技术基础（模拟部分）（第五版）.北京：高等教育出版社，2006.11张磊、高军、胡智佑编写浅谈国内外绿色储粮技术储粮害虫防治技术研究.12朱俊、田作华、何黎明编写射频技术在粮仓无线监控系统中的应用.13陈得民编写CC2430与DS18B20的粮库温度传感器网络设计.14集体编写储粮害虫防治.北京：中国财政经济出版社，1986.15白旭光等集体编写储藏物害虫与防治.北京：科学出版社，2002.16杨广靖，任云虹，贾金元，胡德泗编写我国粮食储藏的现状及发展趋势.17单片机将无处不在，
17、并正在激发全方位的设计创新和产品创新EB/OL. http:/www.ed-18唐秀辉编无线传感器网络技术及在环境检测中的应用研究.电子科技大学模式识别与智能系统，2006.19CC2430 A True System-on-Chip solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4 / ZigBee OL.20ZigBee Specification 2005 OL.http:/www.zigbee.org.21IEEE Std 802.15.4 2003 OL. http:/www.zigbee.org.22ZigBee Alliance.ZigBee Document 053474r13OL.http:/www.zigbee.org December，2006.23CC2430 Data Sheet OL.248051 IAR Embedded Workbench Help OL.
