摘 要

ZigBee无线通信技术利用无线的方式进行数据通讯，使得各种不同的工业现场复杂的环境因素的制约不会影响到数据的传输，具有传输可靠、稳定等优点。在批量阅读国内外的相关文献的基础上对ZigBee无线传输控制回路结构所拥有的资料进行整理，做出了具有一个温湿度传感器节点、一个三轴加速度传感器节点和一个协调器节点的无线数据采集系统，并且对采集频率进行了调整，最后对在100Hz和1000Hz的采集频率下收集到的数据的丢失率与错误率进行了分析。主要内容包括：

（1）论文以基于ZigBee无线传输的高频数据采集系统为研究对象，综合考虑了温湿度数据以及三轴加速度数据的采集方法以及传输过程，确定了此无线传感器网络系统的组成与结构；

（2）通过对温湿度传感器、三轴加速度传感器的使用原理及使用方法的了解，确定了采用温湿度传感器DHT11和三轴加速度传感器MPU-6500来采集相应的数据；

（3）通过对ZigBee硬件CC2530的工作原理及使用方法以及对ZigBee软件IAR的编程与调试的基本方法的了解，采用了CC2530作为控制器、IAR作为编程工具，对DHT11的控制时序进行了编程，采用了MPU-6500的I2C通信数据传输方式，通过编程设置了MPU-6500的寄存器的功能，收集了温湿度数据以及三轴加速度数据；

（4）通过对网络的设置，实现了两个终端与一个协调器的无线网络传输，并且通过协调器的数据处理函数，实现了风扇对温度数据的反馈。通过对采集频率的调整，实现了在100Hz和1000Hz下的数据采集；

（5）通过对频率在100Hz和1000Hz下的温度、湿度数据以及三轴加速度采集数据的处理，采用了数理统计的方法，对主要分析了数据传输效率和丢失现象，计算了数据丢失率和错误率。

关键词：ZigBee；温湿度传感器；三轴加速度传感器；高频数据采集

Abstract

ZigBee wireless communication technology makes use of wireless mode to communicate data, which makes data transmission not restricted by industrial environment factors, and has the advantages of reliable and stable transmission. On the basis of reading the relevant literature at home and abroad in batches, the data of ZigBee wireless transmission control loop structure having been sorted out, a wireless data acquisition system with a temperature and humidity sensor node, a three-axis acceleration sensor node and a coordinator node is made. The acquisition frequency is adjusted., and finally, the acquisition frequency is received at 100Hz and 1000Hz. The loss rate and error rate of collected data are analyzed. The main contents include:

(1)The paper takes the high-frequency data acquisition system based on ZigBee wireless transmission as the research object, comprehensively considers the temperature and humidity data and the acquisition method and transmission process of the three-axis acceleration data, and determines the composition and structure of the wireless sensor network system.

(2) Through the understanding of the principle and method of using temperature and humidity sensor and three-axis acceleration sensor, it is determined that the temperature and humidity sensor DHT11 and three-axis acceleration sensor MPU-6500 are used to collect the corresponding data.

(3) Through the understanding of the working principle and use method of ZigBee hardware CC2530 and the basic method of programming and debugging of ZigBee software IAR, CC2530 is used as the controller and IAR as the programming tool to program the control time sequence of DHT11. The I2C communication data transmission mode of MPU-6500 is adopted. The register function of MPU-6500 is programmed. The temperature and humidity and triaxial acceleration data are collected;

(4) By setting up the network, the wireless network transmission between two terminals and a coordinator is realized, and through the data processing function of the coordinator, the fan's feedback to the temperature data is realized. By adjusting the acquisition frequency, the data acquisition at 100Hz and 1000Hz is realized;

(5) By processing temperature and humidity data and triaxial acceleration data at frequencies of 100 Hz and 1000Hz, the data transmission efficiency and loss phenomena are analyzed by mathematical statistics, and the data loss rate and error rate are calculated.

Key Words：ZigBee; Temperature and Humidity Sensor; Tri-axial Acceleration Sensor; High Frequency Data Acquisition

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 III

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 ZigBee高频数据采集系统的国内外研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 本文的主要研究内容 3

第2章 系统总体要求与方案 5

2.1 系统总体要求 5

2.2 系统总体方案 5

2.3 本章小结 6

第3章 系统硬件设计 7

3.1 传感器工作原理及电路 7

3.1.1 温湿度传感器DTH11工作原理及电路 7

3.1.2 三轴加速度传感器工作原理及电路 10

3.2 本章小结 11

第4章 系统软件设计 32

4.1 传感器检测功能实现 32

4.1.1 CC2530编程简介 32

4.1.2 温湿度传感器检测功能实现 35

4.1.3 三轴加速度传感器检测功能实现 39

4.2 ZigBee无线通信功能实现 52

4.2.1 模块的组网形式 52

4.2.2 模块间的发送数据 53

4.2.3 模块接收数据并处理 53

4.3 风扇控制实验 54

4.4 本章小结 55

第5章 高频数据采集分析 42

5.1 100Hz频段高频数据采集分析 42

5.1.1 温湿度传感器100Hz频段高频数据采集分析 42

5.1.2 三轴加速度传感器100Hz频段高频数据采集分析 43

5.2 1000Hz频段高频数据采集分析 43

5.2.1 温湿度传感器1000Hz频段高频数据采集分析 43

5.2.2 三轴加速度传感器1000Hz频段高频数据采集分析 44

5.3 得出结论 45

5.4 本章小结 45

第6章 总结与展望 43

6.1 全文总结 43

6.2 研究展望 43

参考文献 45

致谢 46

绪论

研究背景及意义

近年来，在工业化生产中，生产环境中的温度与湿度以及刀具加工时的加速度的对产品质量有着至关重要的影响。而在传统的工业环境温湿度监测和加速度数据采集系统中存在着布线繁琐、地理环境影响较大以及成本偏高等问题，因此需要一种布线简单、维护方便、成本低廉且有高可靠性、高效率的工业环境温湿度监测和加速度数据采集系统。ZigBee 具有可在近距离传输数据、且其复杂度较其它网络传输设备更低、时延也更短、成本上也低廉。因此，我们的研究是设计基于ZigBee无线传输的高频数据采集系统设计。ZigBee无线通信技术作为该系统的基础，利用无线的方式进行数据通讯，使得各种不同的工业现场复杂的环境因素的制约不会影响到数据的传输，数据传输可靠且稳定^[1]。

在数据采集方面，在万物互联、信息化迅速蓬勃发展、日新月异的今天，军事、农业、商务等各个领域都有对数据采集及传输的工作的需要^[2]。在传统数据采集过程中，数据依靠人工采集、依靠纸质文档记录，在传统数据传输工作中，传输主要路径依靠的是传统通信网络，很容易受到外界因素的干扰而出现不同程度的破坏，影响传输数据的完整性。而智能数据采集的出现改善了原有的状况，全面提高了数据采集工作的效率及可靠性。并且通过传感器网络进行实时监控，智能数据采集系统还能实现数据的实时监控、统计的功能。因此，设计出一套智能数据采集系统对于智能生产具有至关重要的作用。

在ZigBee无线传输方面，近年来，随着无线传感器技术的日新月异的发展，无线传感网络以其成本低廉、安装部署方便、分布范围广、自组织、可扩展和智能信息处理等特点受到了人们的青睐，可应用领域包括生产环境监测、医疗健康监测、交通管理、物流管理、军事应用等等^[3]。IEEE802.15.4 标准的局域网协议和ZigBee联盟规定了ZigBee， 2.4GHz和868/915MHz 频段都可以让ZigBee运行^[4]。ZigBee无线传输技术是一种具有稳定可靠、短距离和低功耗传输等特点的无线通信技术。因此研究如何合理科学地设计此系统，利用无线的方式进行数据通讯，对提高无线传输系统的效用十分重要。

ZigBee高频数据采集系统的国内外研究现状

国外研究现状

关于ZigBee无线传输，国外对无线传感器网络的研究比中国要早得多，研究所使用的技术和仪器更先进。 1995年，美国推出了国家智能交通系统项目计划。 2001年，无线传感器网络（WSN）的应用前景引起了IEEE组织的关注，WSN会议首次举行。 2002年，由于环境污染的严重性，美国联合大西洋公司利用传感器网络开展了“鸭岛环境监测”活动无线监控周围的环境数据。同年10月，ZigBee联盟成立^[5]。 2003年，英特尔公司（美国）发布了“基于传感器的新计算机系统的开发计划”，并于2004年为残疾人和阿尔茨海默病患者推出了一个能够提供家庭护理的无线传感器网络系统。

在高频数据采集方面，随着无线通信技术和集成技术的发展和成熟，数据采集设备不断更新。芬兰的Nordic ID公司开发的RF601和RF651系列，这些设备采用多个模块的集成，具有多种功能。 它们提供有效的RFID数据采集方案，支持数据库，RFID阅读器和标签，GPS定位，无线网络模块等。 Jo等人设计了一个与Imote 2无线传感器网络节点兼容的高精度加速度计扩展卡。它使用低背景噪声和高灵敏度加速度计输出具有高信噪比的模拟信号，并使用范围更窄的测量，以提高信号采集的分辨率。Liu 等设计了采样率为 100Hz的用于大型桥梁监测的无线传感器网络节点^[6]。Chen 等设计了基于压电的无线控制系统来解决有线采集成本高并且可能给传感器带来噪声的问题。Alam等为减小无线传感器网络数据量和能量消耗等问题提出了事件敏感的自适应采样^[6]。但这些方法均只适用于特定的数据，并且算法复杂度高。

国内研究现状

在ZigBee无线传输领域，我国起步相对较晚。2001年，由于恶劣的城市环境，中国科学院为无线传感器网络创建了一组环境监测系统。对无线传感器网络及其应用进行了大量研究和分析，建立了无线传感器网络研发平台。2005年,国家发展改革办公厅将传感网络和家庭网络确定为信息重点领域和前沿技术。同年，科学家们提出了用于定位传感器节点的新算法和定位，这种新的定位算法大大挺高了当时其他定位算法的精确度，使节点的功能也有所提高。汶川地震时，我国科学院在灾区使用了传感器网络技术,这个技术在第一时间给我们的救灾指挥部提供了详细而完整的数据^[7]。因此，未来中国无线传感器网络的研究和应用非常重要。 其发展和运作将极大地改变人们的生活，促进社会发展。 它们还与国家战略安全和未来的国民经济联系在一起。

在高频数据采集领域，近年来，国家研究机构和公司对数据采集系统技术的集成研究和设计与开发越来越受到重视。为了提高模拟信号信噪比，一种高精度恒流稳压电源和低噪声信号调理电路被张仕明等采用^[8]。安艳艳完成了WEB服务器的构建并设计了基于ARM技术和WINCE操作系统的产品数据釆集系统。王小强利用集成技术和成熟的现有GPS技术，设计了基于农业信息采集的综合系统，完成了数据库，GPS程序及相关关键技术的设计^[9]。蔡巍巍等以 FPGA 为控制核心设计了面向机械振动监测的无线传感器网络节点，采用 16 位 A/D 转换器和 MEMS 传感器获取信号，采样率达到 10.24 KHz^[10]。随着嵌入式技术，网络技术，GPS技术和射频RFID识别技术在数据采集系统应用中的不断创新，国家智能终端采集系统的研究也越来越多。

本文主要分析了通过ZigBee无线传输的要求，完成了回路的方案设计以及结构设计。终端对温湿度以及三轴加速度高频振动噪声数据进行采集以及通过ZigBee与协调器进行无线通信，协调器相应地控制继电器。

本文的主要研究内容

目前，国内对于车间整体的温湿度采集系统、对加速度高频数据数据采集以及高频数据分析的研究依然很少，已研究出的系统也仍存在数据传输效率不高、数据丢失等问题。本文主要设计一套基于ZigBee的高频数据采集系统，高频信号的采集工作由信号采集和信号传输两部分组成^[11]。该系统主要包括传感器、终端节点和协调器。传感器进行相关数据采集，并通过终端节点无线传输到协调器，协调器根据接收到的数据执行操作。论文主要是按以下章节展开：

第一章：对本课题的相关背景及研究意义、国内外的相关技术的研究现状作了简要的综述。

第二章：分析了基于ZigBee高频数据采集系统的设计需求，介绍了系统整体方案。

第三章：对ZigBee硬件CC2530进行了阐述，对实验中选用的传感器的原理以及选型进行了描述。

第四章：对软件IAR进行了阐述，设计了系统的软件，介绍了传感器的控制程序，高频数据采集程序，终端与协调器间传感器数据的传输以及根据数据做出相应反馈的网络组成程序。

第五章：对收集到的100Hz和1000Hz频段的数据分别进行了分析，重点分析了数据传输效率和丢失现象。

第六章：对全文进行全面的总结，并对项目的未来发展做出展望。

系统总体要求与方案

系统总体要求

目前，国内对于车间整体的温湿度采集系统、对加速度高频数据数据采集以及高频数据分析的研究依然很少，已研究出的系统也仍存在数据传输效率不高、数据丢失等问题。基于ZigBee的高频数据采集系统主要包括传感器、终端和协调器。传感器进行相关数据采集，并通过终端以无线传输的方式传输到协调器，协调器根据接收到的数据对执行器件进行相应控制^[12]。

本系统需设计并实现一个具有四个ZigBee节点的无线数据采集系统。其中一个终端节点使用温湿度传感器采集和分析100HZ及 1000HZ温度和湿度数据，另两个ZigBee节点上各安装一个三轴加速度传感器来采集和分析100HZ和1000HZ振动数据，并且根据各个终端节点采集到的数据来分析数据传输效率和丢失现象。并且利用协调器进行数据反馈，当采集到的温度的平均值大于设定值时，协调器启动电扇。

系统总体方案

根据ZigBee高频数据采集系统的总体要求，确定整体系统结构（如图2.1所示）。本系统分为传感器、终端节点和协调器，确定终端节点的个数及各自具体作用^[13]。确定温湿度传感器和三轴加速度传感器的选择、学习终端节点的CC2530控制器的工作原理和传输协议、以及协调器控制的执行器件，确定ZigBee拓扑结构。在了解CC2530编程操作、各类传感器的用法以及各执行器件的控制后，单独进行各传感器的数据采集以及单独控制执行器件进行操作^[14]。初步建立具有四个ZigBee节点的系统，进行温湿度及加速度高频数据采集，进行数据分析，分析数据传输效率和观察数据丢失现象。对数据采集及处理方法上进行优化设计，提高数据传输效率、减少数据丢失现象。将采集到的数据进行分析处理，利用协调器控制执行器件进行相应操作。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：