基于ZigBee技术的粮仓环境检测系统

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 738.89KB 57 页 15积分

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摘要

近几年来，无线传输技术发展非常迅速。ZigBee 因具有短距离、低功耗的优

点，在国内外都非常受欢迎，产品在市场上的占有率也越来越高。ZigBee 技术在

粮仓检测、自动抄表、工业控制、智能小区等方面有很好的应用前景。

传统的粮仓检测系统存在着布线麻烦、人工操作效率低以及成本高的缺点。

由于 ZigBee 无线通信网络可以组成多种网络拓扑结构，达到有效均匀覆盖，采集

到的信息足以满足实际的要求，因此利用 ZigBee 无线通信技术建立粮仓环境检测

系统可以解决布线麻烦、成本高的问题。

本文主要是用 ZigBee 无线网络进行粮仓的温湿度检测，实现检测信息的稳定

传输。论文首先对系统进行硬件设计，包含串口设计、电源模块设计、仿真器设

计、LED 和按键设计等等，用到的主控芯片是 CC2530 和增强型 MCS51 单片机，

可以达到低功耗和有效处理采集数据的能力；然后利用 Z-STACK 协议栈，在应用

层进行程序的编写，对协调器、路由器、终端设备进行软件编程，实现其无线传

输。本设计具有检测节点多、施工简单、维修方便的特点。

最后对系统进行了测试，测试结果表明系统能够在一定距离内进行可靠的传

输，测量的精确性和稳定性很高，实现粮仓温度和湿度的稳定检测，为传统的粮

仓检测方法提供了一个思路。

关键词：ZigBee 无线传感器网络 Z-STACK CC2530

ABSTRACT

In recent years, zigbee technology is developing rapidly. Zigbee has the advantages

of short distance and low power consumption. It is very popular at home and abroad and

share more and more in the market. Zigbee technology has the good application in

granary monitoring system, automatic meter reading, industry control, intelligent

community.

The traditional transmission exists wiring trouble, inefficiency of artificial

operation, and high cost of the product. Because zigbee wireless communication

network can form a variety of network topology structure to achieve the effective even

cover which can collect enough information to meet the practical requirements, so

granary monitoring system uses zigbee wireless communication technology to solve the

problem of wiring trouble and high cost of the product .

This paper mainly uses zigbee wireless network to test the temperature and humidity

of the granary monitoring which can achieve the stable transmission of monitoring

information. First, the design of hardware is done which contains a serial port design,

power supply module, the design of the simulation, the LED module, the design of key

module and so on. The main control chip is CC2530 and enhanced MCS51

microcontroller which can achieve low power consumption and effective treatment of

the data gathering ability. Then, the programming is done by using Z-STACK protocol

stack for the coordinator and terminal equipment to realize its wireless transmission.

This design has characteristics of more monitoring node, simple construction and easy

maintenance.

At last, the test of system is done, which can transmit reliably within a certain

distance with the high accuracy of the measurement to realize the granary monitoring of

temperature and humidity. This paper provides a train of thought for the traditional

monitoring method.

Key words: ZigBee，Wireless Sensor Network，Z-STACK,CC2530

III

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论.............................................................................................................. 1

§1.1 课题研究背景及其意义 .................................................................................. 1

§1.2 几种无线传输技术及其比较 .......................................................................... 2

§1.3 ZigBee 国内外现状.......................................................................................... 3

第二章 ZiBee 技术概述................................................................................................... 5

§2.1 ZigBee 协议的体系结构................................................................................. 6

§2.1.1 物理层（PHY）....................................................................................... 7

§2.1.2 介质接入控制子层（MAC）.................................................................. 8

§2.1.3 网络层（NWK）...................................................................................... 8

§2.1.4 应用层（APL）........................................................................................ 9

§2.2 ZigBee 协议术语........................................................................................... 10

§2.3 ZigBee 网络结构和运行流程........................................................................ 13

§2.3.1 ZigBee 网络的主要拓扑结构................................................................. 15

§2.3.2 ZigBee 无线传感器网络的节点结构..................................................... 17

第三章 ZigBee 粮仓检测系统硬件设计...................................................................... 19

§3.1 硬件设计的基本要求和设计的思想 ............................................................ 19

§3.2 ZigBee 组网的抗干扰性 ................................................................................ 20

§3.3 ZigBee 检测系统硬件设计............................................................................ 22

§3.3.1 CC2530 外围电路及内部结构............................................................... 23

§3.3.2 串行接口模块电路设计 ......................................................................... 24

§3.3.3 时钟模块电路 ......................................................................................... 25

§3.3.4 电源模块电路 ......................................................................................... 25

§3.3.5 复位模块设计 ......................................................................................... 26

§3.3.6 仿真器调试电路设计 ............................................................................. 26

§3.3.7 按键与 LED 显示.................................................................................... 27

§3.3.8 温湿度传感器模块设计 ......................................................................... 28

§3.4 小结.............................................................................................................. 31

第四章 ZigBee 粮仓检测系统软件设计...................................................................... 32

§4.1 网络协调器软件设计..................................................................................... 32

§4.1.1 设置协调器网络 ..................................................................................... 33

§4.1.2 协调器建立新网络 ................................................................................. 34

§4.2 网络路由器软件设计 .................................................................................... 37

§4.3 网络终端设备软件设计................................................................................. 39

第五章系统调试与测试 ............................................................................................ 43

总结与展望 .................................................................................................................... 49

参考文献 ........................................................................................................................ 51

在读期间公开发表的论文与专利 ................................................................................ 54

致谢............................................................................................................................ 55

第一章　绪论　

第一章绪论

§1.1 课题研究背景及其意义

中国现在的人口越来越多，但是土地的面积没有变，粮食的人均资源存量不

足，人均资源占有量与世界平均水平无法相比，粮食是人生存的必需物品，是国

家重要的战略物资，粮食的短缺会导致国家安全方面的问题。足够的粮食是人们

生活的重要保证，因此粮食的存储是至关重要的，关系到了一个民族的命运。粮

食的有效存储可以安定民生，但是在存储的过程中，有许多问题，例如环境问题

所导致粮食发霉，所以每个国家都对粮食的有效存储都特别关心。随着社会的发

展，技术的进步，我们就需要一个高效的现代化的粮仓设施，这对粮食安全保证

至关重要。我国政府在全国各地建立了粮食储备基地，一直非常重视粮食储备问

题。由于以前技术方面的不足，粮食损失严重。传统的粮仓检测方式有两种方式，

其中一种方式是采用有线的多探头检测仪，在粮仓内部存放这些检测用的探头，

利用单片机等通讯方式采集室内的环境参数，有问题的话及时的采取预防措施，

但是由于粮仓比较大，布线就比较长，这种方式带来了很大的问题，例如扩展起

来特别麻烦，施工成本也特别高，在检测的过程中效率很低，一旦线路出现问题，

维修起来也特别麻烦。另外一种方式就是手持式检测仪，定期的将传感器探头插

入粮仓内部，检测内部的环境参数。这种方式的最大缺点在于探头可能插入不到

粮仓的最深部位，检测的不全面，同时人工操作效率低而且工作量很大，很难达

到实时检测，报警也不能够及时执行。根据各方面的统计，我国就是因为储备问

题，每年粮食损失相当严重[1]。

我们要开发功能齐全的粮仓检测软、硬件系统，利用高效的管理手段，建立

现代化的粮仓设施。利用 CC2530 和传感器结合构成 ZigBee 组网进行远程监控，

对粮仓的存储环境进行有效的检测达到自动组网调节和实时检测的目的。采用无

线传感器网络实现粮仓的温湿度检测，重点解决温度、湿度传感器模块与 CC2530

单片机的可靠组合，依照 ZigBee2007 通讯协议标准，代替传统的检测方法，实现

检测信息的稳定传输。本设计具有检测节点多、施工简单、维修方便、扩展容易

的特点。在高速发展的工农业领域中，先进技术的使用越来越普遍，实现了劳动

生产率的提高和生产成本的下降。而数字通信技术越来越瞩目，深受各国的喜爱，

在工业越来越数字化的基础上，工农业生产检测在控制和检测方面越来越熟练，

随着工业自动化、通信网络和计算机的不断发展，对数据的要求越来越严格，例

基于 ZigBee 技术的粮仓环境检测系统

如数据的安全性以及传送的实时性都提出了更加高的要求。很多公司由于发展的

规模大，企业遍布各地，生产区域也比较多，控制中心设置比较分散，采集的数

据多而乱，因此需要通过一定的通信手段来实现与中心控制单元间的数据通信，

进而实现数据的及时传输[2]。在传统的网络环境下，我们大部分使用的是有线传输，

但是具有非常大的局限性，比如会出现特殊环境下的网络覆盖问题，如果遇到国

家禁止布线的区域，采用有线网络就无法满足其需求，所以无线网络都能够解决

这些难题。利用无线传输，不用担心布线的问题。随着无线网络技术的发展，无

线网络的标准也越来越多，灵活性也越来越好，在工业领域，短距离、低功耗的

无线传输技术越来越受到社会的欢迎[2]。

§1.2 几种无线传输技术及其比较

蓝牙是基于 IEEE802.15.1 协议的无线技术，包含了物理层、MAC 层、应用层

和网络层等协议栈。蓝牙一开始被用在手机和耳机之间，进行无线通信，是由爱

立信公司研究的，在 1998 年，IBM、爱立信等公司共同推出了此项技术，主要是

用于和信息设备进行无线传输连接，其传输范围在 15m，工作频率是 2.4GHZ。在

语音、图像等方面提供特定服务，需要满足带宽等方面的要求，因此增加了系统

的复杂性，同时也增加了成本。另外，蓝牙对每个微网只能配置 7个节点的限制，

在特别大的传感网络中不是很合适，具有一定的局限性。

Wi-Fi是我们大家常用电脑的无线上网网络，它可以将电脑手机等网络以无线

形式相互连接。Wi-Fi是一种无线网路通信技术，已经发展多年，目的在于不断的

改善，不断的积累经验，增强与其他产品之间的兼容性，提高通信质量，在于改

善基于 IEEE 802.1 标准的无线网路产品之间的互通性。Wi-Fi具有三层：媒体接入

控制层、物理层，网络层。网络层是基于 TCP/IP 协议的，但是它要求的带宽越来

越大，即便是满足要求，但是功耗很大，所以在供电需求方面就比较高，大部分

都需要常规充电，在这方面一定程度上限制了它的发展。

ZigBee 技术是近几年发展起来的一种短距离无线传感通信技术，在供电方面

很简单，一个 5号电池就可以用半年，功耗就很低；在组网方面，它可以组成多

种网络拓扑结构；所以在工业领域方面有很大的发展前景，它和蓝牙一样使用的

是2.4GHZ 波段，采用跳频技术和扩频技术。另外，它可与几百个节点联网。节点

可以包括仪器和家庭自动化应用设备。其本身的优点是其在家庭、工业、通信、

安全等方面都有很好的前景。

其整体的传输方式比较如表 1-1所示：

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