ZigBee无线温湿度采集单元硬件毕业设计

基于 ZigBee 无线温湿度数据采集单元硬件设计

[摘 要]本文全面深入地对无线传感器网络以及ZigBee标准做了研究分析，从网络

设备入网流程等关键点上突破，研究了ZigBee技术的组网方式。并结合CC2430芯片，

以ZigBee协议为基础，实现无线传输。

本文采用SHT11数字传感器进行数据采集，在已组建的ZigBee通信网的基础上，

从终端节点角度考虑网络的低功耗问题，采用锂电池供电，在终端采集温湿度数据。

最后，通过RS232数据传输端口把数据传输到PC机上，实现了温湿度数据的集中处理

与显示。

Abstract： In this paper， comprehensive and in-depth on wireless sensor networks， as

well as standard ZigBee done research and analysis ， network flow from the network

equipment at key points such as a breakthrough in-depth study the ZigBee technology.

Combined with CC2430 chip to ZigBee agreement based on the realization of wireless

transmission.

In this paper ， the number of sensors SHT11 data acquisition ， ZigBee has been

established based on the communication network， from the perspective of end-node network

of low-power problem ，temperature and humidity data acquisition terminal. Finally ，data

transmission through the RS232 port to transmit data to PC, to achieve the temperature and

humidity data to focus on and display.

基于 ZigBee 无线温湿度采集单元硬件设计

目 录

1 引言.................................................................................................................................................................1

1.1 无线传感器网络...................................................................................1

1.2 温湿度数据采集系统.............................................................................2

1.3 本文工作.............................................................................................3

1.4 论文结构.............................................................................................3

2 ZigBee 网络节点的硬件电路设计................................................................................................................3

2.1 ZigBee 技术概况.................................................................................3

2.5 复位电路设计....................................................................................11

3 温湿度数据采集单元的硬件电路设计......................................................................................................11

3.1 数字式温湿度芯片 SHT11 简介............................................................11

3.2 芯片接口...........................................................................................12

3.3 电路设计...........................................................................................12

3.4 SHT11 使用注意事项.........................................................................13

4 串口通信的硬件电路设计..........................................................................................................................14

4.1 电气特性...........................................................................................15

4.2 接口电路设计....................................................................................16

结束语..............................................................................................................................................................17

基于 ZigBee 无线温湿度采集单元硬件设计

环境不能被破坏或敌对区域)和一些临时场合等。无线传感器网络节点可以随机或特定

地布置在目标环境中，它们之间通讯通过特定的协议自组织起来，能够获取周围环境

的信息并且相互协同工作完成特定任务。在军事、国防、工农业、城市管理、生物医

疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的

使用价值，具有十分广阔的应用前景。

开发无线传感器网络所采用的协议取决于网络具体的应用范围。ZigBee 协议是为

家庭控制、安全系统、建筑自动化等方面设计的传感器网络协议。本文将会分析

ZigBee 协议的结构并基于 ZigBee 协议实现一种温湿度传感器网络。

20 世纪 90 年代末问世的无线传感器网络正在以人们难以预测的速度迅猛发展，

系统、工业自动化系统内部及其周围环境的信息并实施监控的民用/商用应用领域，一

直到数字化战场全谱战斗空间的监视、检测与跟踪等军事作战领域。

1.1.1 国内外研究现状

传感器网络系统是当今前沿性的热点研究方向之一，有着巨大的科学意义和应用

前景，被认为是将对 21 世纪产生巨大影响力的高技术之一。2003 年 2 月份的美国

《技术评论》杂志评选出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络

即被列为第一。美国《商业周刊》在 2003 年 8 月的技术评论中，已经将传感器网络

定位成 21 世纪高技术领域的四大支柱型产业之一，其潜在的市场需求十分巨大。传感

器网络系统己引起了世界各国学术界、军事部门和工业界的极大关注。

美国自然科学基金委员会 2003 年制定了传感器网络研究计划，投资 3400 万美

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电组件传感器(MEMS)，它能探测从光线到震动的任何东西。由于硅和制造技术的最新

突破，这些“无线遥感收发信机”终将能做成沙粒大小，而每个里面包含了传感器、计算

电路、双向无线通信技术和电源。它们收集大量的数据，进行计算，并在相距 1000

英尺的无线遥感收发信机之间利用双向无线电交流信息。

信息工业界巨头如微软公司等也开始了传感器网络方面的工作，纷纷设立或启动相应

的行动计划。欧盟 2002 年开始实施为期 3 年的 EYES(自组织和协作有效能量的传感

器网络)计划。2004 年 3 月，日本总务省成立“泛在传感器网络”调查研究会。

在国内传感器网络系统方面的研究起步较晚，近两年才受到广泛关注。“传感器网

络系统的基础软件及数据管理关键技术的研究”己被列为国家自然科学基金委员会信息

科学部与微软亚洲研究院正式签署的第二期联合资助项目之一，国家“十五“科技攻关项

本文主要研究在基于 ZigBee 的协议的基础上，实现温湿度数据的采集，然后把

数据传输给上位机来显示和处理。首先，此系统包括 ZigBee 网络节点的设计，电源

设计，温湿度数据采集的设计，串口通信的设计。明白了我们需要的设计的模块的基

础上，根据系统要实现的功能，给出了如图 1 所示的系统设计框图：

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ZigBee 网络节点的设计我们采用 CC2430 芯片，此产品可以实现我们需要的

ZigBee 传输协议；温湿度数据采集电路设计采用 SHT11 芯片，这种芯片是一种全数

字式的芯片，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特定，在实

际应用中非常方便；串口设计采用 RS-232 通信标准，实现数据的接收和传送；电源

栈及其具体实现方式，并能初步应用协议栈实现具体功能。

(2)根据节点的物理特性，选择合适的微处理器和无线传输芯片，组建无线传感器

网络节点，包括电路连接，相应外围电路设计，射频部分的天线分析，PCB 制作等。

(3)整个网络的测试，能完成预期设定的功能并能达到预定的性能指标。

本文的结构大致分为四部分：

第一章：引言。该章介绍了无线传感器网络的概念以及国内外的研究现状、并设

计了温湿度采集系统的总体设计框图。

第二章：设计了 ZigBee 网络节点的硬件电路。

第三章：介绍了温湿度数据采集所需的器件，设计了温湿度数据采集的硬件电路，