国内图书分类号：国际图书分类号：ＴＰ９１１硕士学位论文基于ＳＴＭ３２Ｗ１０８单片机温湿度监测系统的设计与实现硕士研究生：塞！』运杰导师姓名：围童俭申请学位级别：王堂亟±学科、专业：通值当信皇丕统所在单位：通信皇电壬王程堂陵答辩日期：２Ｑ１２生１２且量９教授学位授予单位：壹岛理王太堂ＣｌａｓｓｉｆｉｅｄＩｎｄｅｘ：ＴＰ９１１Ｕ．Ｄ．Ｃ：ＤｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅＭａｓｔｅｒＤｅｇｒｅｅｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈｕｍｉｄｉｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＳＴＭ３２Ｗ１０８ＭＣＵＣａｎｄｉｄａｔｅ：Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：ＡｃａｄｅｍｉｃＤｅｇｒｅｅＡｐｐｌｉｅｄＳｐｅｃｉａｌｔｙ：ＬｉｕＹｕｎｊｉｅＰｒｏｆ．ＺｈｏｕＬｉｊｉａｎｆｏｒ：ＭａｓｔｅｒｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＤａｔｅｏｆＯｒａｌＥｘａｍｉｎａｔｉｏｎ：Ｄｅｃｅｍｂｅｒ２０１２Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ：ＱｉｎｇｄａｏＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ硕士学位论文基于ＳＴＭ３２Ｗ１０８单片机温湿度监测系统的设计与实现指导教师签字：答辩委员会成员签字：率坦缝蔓享靴期：导师签名：——日研究生签名：——容。论文的公布（包括刊登）授权青岛理工大学研究生处办理。密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手青岛理工大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、ＣＤＭＤ和ＤＭＤ有权保青岛理工大学学位论文使用授权声明均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得青岛理工大学或其它教育机研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的青岛理工大学学位论文独创性声明青岛理工大学工学硕士学位论文目Ｅｉ录录………………………………………………………………………………………………………………．Ｉ摘要………………………………………………………………………………………………………………．ＩＡｂｓｔｒａｃｔ……………………………………………………………………．．…．．．。．……………………………ＩＩＩ第一章绪论………………………………………………………………………………………．１１．１温湿度系统概述………………………………………………………………．１１．２国内外研究现状………………………………………………………………．２１．３文章的主要内容及结构………………………………………………………．４第二章Ｚｉｇｂｅｅ协议标准……………………………………………………………………．．５２．１Ｚｉｇｂｅｅ技术概述………………………………………………………………．．５２．１．１２．１．２Ｚｉｇｂｅｅ设备………………………………………………………………５Ｚｉｇｂｅｅ协议架构…………………………………………………………６２．２２．３Ｚｉｇｂｅｅ网络拓扑结构…………………………………………………………．．８Ｚｉｇｂｅｅ网络通信方式…………………………………………………………一９２．４本章小结………………………………………………………………………．９第三章Ｚｉｇｂｅｅ天线理论及其设计…………………………………………………………１１３．１微波传输线理论………………………………………………………………１１３．１．１微波等效电路物理量…………………………………………………．１１３．１．２微波传输线等效电路…………………………………………………．１２３．２天线的基本概念………………………………………………………………１５３．２．１方向图………………………………………………………………………．１６３．２．２天线效率………………………………………………………………．１７３．２．３增．益……………………………………………………………………………………………１７３．２．４辐射电阻………………………………………………………………．１７３．２．５匹配……………………………………………………………………．１８３．２．６电压驻波比……………………………………………………………．１８３．３半波振子的基本特点…………………………………………………………１９３．４ＺｉｇＢｅｅ天线设计………………………………………………………………１９３．４．１巴伦变换………………………………………………………………．２０３．４．２ＺｉｇＢｅｅ天线设计………………………………………………………．２０青岛理工大学工学硕士学位论文３．４．３ＺｉｇＢｅｅ倒Ｆ天线仿真…………………………………………………２３３．５本章小结……………………………………………………………………．．２５第四章Ｚｉｇｂｅｅ温湿度监测系统模块及硬件设计……………………………………。２７４．１电源模块……………………………………………………………………．．２７４．１．１供电方式介绍…………………………………………………………２７４．１．２４．２３．３Ｖ线性稳压芯片．ＡＳＭｌ１１７．３．３……………………………………２８Ｚｉｇｂｅｅ单片机模块……………………………………………………………３０ｌ４．３温湿度模块…………………………………………………………………一３４．４ＪＴＡＧ接口模块………………………………………………………………．３２４．５串口通信模块………………………………………………………………．．３３４．６指示模块……………………………………………………………………．．３４４．７滤波模块……………………………………………………………………．．３５４．８本章小结……………………………………………………………………．．３６第五章Ｚｉｇｂｅｅ温湿度监测系统的软硬件设计与实现………………………………３７５．１５．２ｃａｄｅｎｃｅ电路板设计软件介绍………………………………………………．３７Ｚｉｇｂｅｅ温湿度采集系统原理图及ＰＣＢ设计………………………………一３８５．２．１核心板原理图及ＰＣＢ板图……………………………………………３８５．２．２底板原理图及ＰＣＢ板图………………………………………………４０５．２．３性能测试………………………………………………………………４３５．３Ｚｉｇｂｅｅ温湿度采集系统软件设计……………………………………………４４５．３．１ＳＴＭ３２Ｗ１０８单片机程序……………………………………………．．４４５．３．２上位机程序的编写……………………………………………………４８５．４Ｚｉｇｂｅｅ系统数据采集显示……………………………………………………５１１５．５本章小结……………………………………………………………………．．５第六章总结与展望…………………………………………………………………………５３６．１总结……………………………………………………………………………………………………５３６．２展望……………………………………………………………………………………………………５３参考文献………………………………………………………………………………………．５５攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作………………………………………。５９致谢………………………………………………………………………………………………………………６１附录………………………………………………………………………………………………………………６３青岛理工大学工学硕士学位论文摘要无线传感器网络是由大量随处分布，具有通信与计算能力的微小传感器节点所组成的能够自主组网通信与测量功能的局部或广域的网络。传感器网络最初是由于军事需要而发展起来的，随着技术的逐步发展以及人们生活要求的提高，它的应用也越来越广泛，已经进入人们生活的方方面面。但无线传感器网络因其工作环境的限定，同时也要求它具有极低的功耗，较低成本，以及方便的使用特性等，而Ｚｉｇｂｅｅ协议的出现恰恰适应了时代的这种需求。本文采用意法半导体的ＳＴＭ３２Ｗ１０８．Ｚｉｇｂｅｅ单片机、ＤＨＴｌｌ温湿度采集芯片设计并实现了温湿度监测系统。文中主要完成了ＳＴＭ３２Ｗ１０８核心板、外围电路板、迂回倒Ｆ天线设计仿真、ＳＴＭ３２Ｗ１０８的片内程序以及上位机程序等。本文主要研究重点是微带天线（ＰＣＢ天线）的设计：设计过程中采用Ｃａｄｅｎｃｅ设计软件结合迂回倒Ｆ天线设计方法，在保证整体性能的同时使核心板在同样搭载ＰＣＢ天线的Ｚｉｇｂｅｅ核心板中做到了最小尺寸（２０ｍｍｘ３０ｍｍ），并将所研究的做成实物与上位机软件进行联机显示，同时实测视线传输距离在１２０ｍ左右。文中首先介绍了Ｚｉｇｂｅｅ技术标准和网络协议，对Ｚｉｇｂｅｅ特有的网络结构和各层做简单介绍；然后，结合Ｚｉｇｂｅｅ天线及其基本理论设计一款满足设计要求的Ｚｉｇｂｅｅ天线；其次，结合应用需求和本系统设计中所采用的ＳＴＭ３２Ｗ１０８．Ｚｉｇｂｅｅ单片机的特点、优势，设计了基于ＳＴＭ３２Ｗ１０８Ｚｉｇｂｅｅ单片机的温湿度监测系统的软硬件部分；最后，对论文进行总结，并提出今后的研究工作方向。关键词：Ｚｉｇｂｅｅ，ＳＴＭ３２Ｗ１０８，ＤＨＴｌｌ，温湿度监测系统青岛理工大学工学硕士学位论文ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆｔｉｎｙｓｅｎｓｏｒｎｏｄｅｓｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄｃｏｍｐｕｔｉｎｇｃａｐｃｉｔｙｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｇｒｏｕｐｏｆｎｅｔｗｏｒｋｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓｏｆｌｏｃａｌＳｅｎｓｏｒｏｒｗｉｄｅａｒｅａｎｅｔｗｏｒｋ．ｎｅｔｗｏｒｋＷａｓｏｒｉｇｉｎａｌｌｙｄｅｖｅｌｏｐｅｄｄｕｅｔｏｍｉｌｉｔａｒｙｎｅｅｄｓ，ｗｉｔｈｔｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅ。ＳＳｓｅｎｓｏｒａｎｄｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｄｅｍａｎｄｆｏｒｐｅｏｐｌｅ’Ｓｌｉｖｅｓ，ｉｔｉｓｔｈｅｗｉｄｅｌｙ，ｈａｓｅｎｔｅｒｅｄｅｖｅｒｙａｓｐｅｃｔｏｆｐｅｏｐｌｅ’Ｓｌｉｖｅｓ．Ｗｉｒｅｌｅｎｅｔｗｏｒｋｓｉｓｌｉｍｉｔｅｄｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｉｒｗｏｒｋｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｂｕｔａｌｓｏｒｅｑｕｉｒｅｉｔｔｏｈａｖｅａｖｅｒｙｌｏｗｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｌｏｗｅｒｔｏｃｏｓｔ，ａｎｄｏｆｔｈｅｅａｓｙｔｏｕｓｅｆｅａｔｕｒｅｓｗｈｉｌｅＴｈｅＺｉｇｂｅｅｐｒｏｔｏｃｏｌｐｒｅｃｉｓｅｌｙａｄａｐｔｅｄｔｈｉｓｄｅｍａｎｄｔｉｍｅｓ．ｓｉｎｇｌｅ．ｃｈｉｐｍｉｃｒｏｃｏｍｐＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｔｈｅｓｔｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＳＴＭ３２Ｗ１０８一Ｚｉｇｂｅｅ‘ｕｔｅｒ，ＤＨＴ１１ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈｕｍｉｄｉｔｙａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃｈｉｐｄｅｓｉｇｎ·ｔｕｒｅａｎｄｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｃｏｒｅａｎｄｈｕｍｉｄｉｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．ＭａｉｎｃｏｍｐｌｅｔｅｄＳＴＭ３２Ｗ１０８ｂｏａｒｄ，ｃｈｉｐｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｂｏａｒｄ，ｃｉｒｃｕｉｔｏｕｓｉｎｖｅｒｔｅｄＦａｎｔｅｎｎａｄｅｓｉｇｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＳＴＭ３２Ｗ１０８ｐｒｏｇｒａｍ，ａｓｗｅｌｌａｓ吐１ｅＰＣｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐｐｒｏｇｒａｍ．Ｔｈｅｍａｉｎｆｏｃｕｓｏｆｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｉｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓｕｓｉｎｇｔｈｅｍｅｔｈｏｄ，ｉｔｓｃａｄｅｎｃｅａｎｔｅｎｎａ（ＰＣＢＡｎｔｅｎｎａ）：ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｓｏｆｔｗａｒｅｃｏｍｂｉｎｅｄｃｉｒｃｕｉｔｏｕｓｉｎｖｅｒｔｅｄＦｅｑｕｉｐｐｅｄａｎｔｅｎｎａｄｅｓｉｇｎｂｏａｒｄｄｏｔｈｅｃｏｒｅｂｏａｒｄｉｓａｌｓｏｗｉｔｈＰＣＢａｎｔｅｎｎａＺｉｇｂｅｅｃｏｒｅｍｉｎｉｍｕｍｓｉｚｅ（２０ｍｍｘ３０ｍｍ），ａｎｄｔｈｅｓｔｕｄｙｍａｄｅｉｎｋｉｎｄａｎｄＰＣｓｏｔｈｖａｒｅｆｏｒｏｎｌｉｎｅｄｉｓｐｌａｙ，ｍｅａｓｕｒｅｄｌｉｎｅ．ｏｆ－ｓｉｇｈｔｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｄｉｓｔａｎｃｅｏｆ１２０ｍｏｒｓｏ．ＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｆｉｒｓｔｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓＺｉｇｂｅｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｔａｎｄａｒｄｓａａｎｄｎｅｔｗｏｒｋａｎｄｐｒｏｔｏｃｏｌｓ，ｄｏｂｒｉｅｆｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｎｔｈｅｔｈｅＺｉｇｂｅｅｕｎｉｑｕｅｎｅｔｗｏｒｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅｌａｙｅｒｓ；ｔｈｅｎ，ｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｈｅＺｉｇｂｅｅ‘ｍｅｎｔｓｔｏａｎｔｅｎｎａａｎｄｉｔｓｂａｓｉｃｔｈｅｏｒｙｔｏｍｅｅｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｄｅｓｉｇｎａＺｉｇｂｅｅａｎｔｅｎｎａ；Ｓｅｃｏｎｄ，ｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｄｅｍａｎｄａｎｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｔｈｅｃｈｉｐＳＴＭ３２Ｗ１０８Ｚｉｇｂｅｅｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｄｅｓｉｇｎｏｎ纺ｅ凼ｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｈｕｍｉｄｉｔｙｂａｓｅｄＳＴＭ３２Ｗ１０８．Ｚｉｇｂｅｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｓａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｐａｒｔ；Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｐａｐｅｒａｎｄｐｒｏｐｏｓｅｄｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｚｉｇｂｅｅ，ＳＴＭ３２Ｗ１０８，ＤＨＴｌ１，ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｓｙｓｔｅｍｈｕｍｉｄｉｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇＩＩＩ第一章绪论１．１温湿度系统概述当前常用的温湿度监控系统是集合集中式计算机控制技术和现场总线技术的温湿度监控系统，但这种系统比较传统。在这种系统中，温湿度的状况需要上位机通过智能节点来进行检测，当监测的温湿度数据不符合要求时，上位机通过智能节点发出警报，同时驱动监控环境中的温湿度调节设备，进而对监控环境的温湿度进行调节。上位机将监控环境里的温湿度数据发送到相应的智能节点，从而可以实时监测并作出相应调整。这种系统的缺点是传输距离受到限制而且布线比较复杂，不能很好地解决温湿度监控系统中的许多实际问题。考虑到物联网的飞速发展和当今广泛应用的以太网资源，最终确定采用以基于自组网的Ｚｉｇｂｅｅ的远程温湿度系统作为本文基本框架的设计核心。随着现代化的快速发展，温湿度在各个领域的重要性越来越受到人们的重视，在生活水平提高的同时，人们也想密切的关注自己周围环境的温湿度变化，本课题的设计正是基于这个需求。（１）温湿度监控在农业中的应用在农业中，温湿度的变化大小会直接影响着农作物的生长，尤其是对经济作物在幼苗时期的生长。采用了温湿度监控系统，它将会自动将记录的温湿度值通过计算机进行分析，然后对所测得的数值以图表形式输出，从而便于管理员分析和管理。同时当温湿度不在设定的范围内时，系统自带的警告功能可及时提醒研究人员对大棚或是育苗温室等环境中各个因子进行调节。这将会大大减少人们的工作量，同时节约成本，真实客观地反映记录的过程。（２）温湿度监控在食品行业中的应用食品在加工和存储过程中，温湿度的超标会致使食物变质，过高或是过低也会使得食物的口感变差而降低品质，因此及时掌握食物所处的环境是否处在食品安全条件下是非常重要的。在这种情况下，就要求人们能够实时掌握温湿度的变化，从而保证食品能安全的流入市场。（３）温湿度监控在博物馆文物、档案管理中的应用青岛理工大学工学硕土学位论文在这个领域中，温湿度的实时监测是必不可少的，档案的纸张需要在合适的温湿度下才会得到长久存放，当温湿度的条件遭到破坏，纸张就会变脆，资料也不会得到有效保护。因此，在档案馆中，进行温湿度的记录是非常必要的。温湿度监控系统应用在档案资料管理中，不仅会将温湿度的记录工作得以简化，而且也会节约文物保管的成本。从而，在保证对艺术品的最小破坏前提下，文物的色彩、形状等也能得到有效保护。（４）温湿度监控在建材实验方面中的应用在建材方面，特别是在混凝土干燥过程中，其干燥趋势是评价产品的指标之一。通过温湿度监控系统，将此数据记录并提供给建材研究，从而给施工提供有益的帮助。（５）温湿度监控在管路维护中的应用我们知道，管路里的发霉一般是因为管道上湿度过大形成的，这不但会影响空气流动，而且还会滋生大量细菌。这些受到污染的区域不仅会对健康构成威胁，而且附近区域空气质量也会慢慢恶化。因此，掌握实时的温湿度数据变化情况是日常生活所需也是健康保证ｕＪ。１．２国内外研究现状当前国外先进大型温室监控系统多是多种因子综合控制系统。这些控制系统提供了人机可以交互的界面，不仅方便对参数进行设置和温室内的数据信息显示，而且还可用计算机对各种环境因子监控，从而实现了应用计算机对温室内环境自行监控管理，其涉及的环境因子如温湿度、光照、Ｃ０２浓度等，涵盖了生物体在生长阶段的活体信息及果实的形状等。２０世纪８０年代初，美国摩托罗拉和其它公司共同开发的用于灌溉的智能中央计算机控制系统，很快该系统在全美赢得了广泛的认可和应用【２１。美国ＱｅｅＩＬＡｊｒ公司研制的ＧＨＣｌ００型温室控制器在满足低成本通风控制的同时也可进行全方位温室控Ｎｔ３，４】，用户不仅可以通过面板来进行实时监控和现场设置，还可进行远程数据记录、监测、控制。具有世界领先的温控技术水平的国家要属荷兰了，在世界市场上，其智能温室成套设施备受青睐。早在上世纪７０年代荷兰就研制出了计算机控制系统ＣＥＣＳ，并集合了一系列的计算机软、硬件，实现温室内供水、施肥以及环境的自动化控２制‘５１。荷兰著名的温室设备生产公司如Ｐｒｉｖａ公司，研制的温室控制系统不仅能够协调控制各种环境因子并且能对温室过程控制、灌溉施肥作业进行控制。以色列的温室农业发展非常迅速，它的温室计算机环境控制系统采用先进的温室结构和空气温湿度调控等，并配备了幕帘、天窗及遮阳网，可依据光线强度的不同自动调节。另外，温室内配有的现代化滴灌和微喷灌系统，通过现场控制器和监控室内的中心计算机之间的通信，可方便快捷地遥控灌溉和施肥，使水肥的利用率达８０％－－一９０％［酬。在英国，其温室农业大都采用计算机来控制温湿度、Ｃ０２、营养液供给等，该国自主研发的计算机遥控技术可以观测并遥控５０ｋｍ以外温室内的温湿度等环境状况。在日本，其温室监控技术水平也很高，如四国电力集团研发的“ＯｐｅｎＰＬＡＮＥＴ”远程双向监控系统，该系统包括数据的收集、检控专用ＬＡＮ、服务器、分散控制等，也可对温室的群进行管理；另外，ＥＳＥ公司研发的环境控制系统可以对温室内的环境因子如温度、光照、Ｃ０２浓度等可进行全面的检测和控制‘７。１０】。然而，国内在温室控制技术方面的研究相对较晚。８０年代初期，国外高科技温室技术的蓬勃发张也促使我国的农业科技工作人员逐步对温度、湿度、Ｃ０２浓度等单一的环境因子方面展开了研究【１１１。代表性的主要有：由江苏理工的李萍萍、毛罕平等人在１９９６年研制的小型智能温室环境控制系统，该系统不仅对温度、湿度、营养液等环境因素良好控制外，而且该系统运行成本低【１２１；汪永斌，吕昂等根据计算机集散控制原理研制了温室全数字式温湿度综合控制系统。该系统可根据用户设定的温湿度值来自动调节控制温室内的温湿度。实践表明，该系统优于传统温湿度控制系统，实时应用价值较高【１３】；董乔雪、王一鸣设计的温室计算机分布式自动控制系统，很好的应用在同一地区的多个温室，从而实现了温室集群控制【１４】；左志宇、毛罕平等提出的基于Ｉｎｔｅｍｅｔ构架的温室监控系统【１５１，实现了远程温室监控功能。这个系统的特点是：（１）采用了模块化的设计；（２）运用Ｃ／Ｓ模式；（３）实时观察到温室的工作参数和历史数据，方便了温室信息化管理；（４）软件开发可直接采用Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统。从信息的传输方式上来讲，国内外还是有很大的差距的。对于简单数据的传输（比如温湿度、烟火警报等）国内现在主要还是在使用走线布线方式，稍微先进一点的采用功率比较大的无线芯片进行星型网络数据的传输，虽然这样省掉了３青岛理工大学工学硕士学位论文对于信号线的布线，但其耗电量比较大，还得对电源线进行布线。而对于美国，基于低功耗无线自组网的Ｚｉｇｂｅｅ传输模式早已走入了千家万户，为人们的生活提供便利。总体来讲，国内的研究和实际系统的开发主要是在温室的自控系统结构、智能控制算法等方面获得数据，在这方面应付我们现实的应用已经是绰绰有余，但和国外相比，国内温室自动控制系统在经济性、功能、可靠性、可扩展性等方面还有待进一步的提高。１．３文章的主要内容及结构本文在深入了解Ｚｉｇｂｅｅ白组网协议，天线理论的基础上，设计了基于ＳＴＭ３２．Ｗ１０８．Ｚｉｇｂｅｅ单片机的温湿度采集系统的软硬件部分，主要包括ＳＴＭ３２Ｗ１０８核心板、外围通信板、ＳＴＭ３２Ｗ１０８的片内程序以及上位机程序等，并将其做成实物与上位机软件进行联机显示。经测试能够满足基本的使用要求。本文设计的温湿度远程监测系统基于现有Ｚｉｇｂｅｅ无线协议，不用布线、便于安装，并且可直接查看数据。文章的结构安排如下：第一章绪论。简要介绍了温湿度系统的概况：国内外研究现状；文章的主要内容及结构；第二章Ｚｉｇｂｅｅ通信协议标准。首先介绍ＩＥＥＥ８０２．１５．４协议与Ｚｉｇｂｅｅ的关系，然后给出Ｚｉｇｂｅｅ协议的架构，最后根据Ｚｉｇｂｅｅ协议的分层结构，分别介绍了物理层、数据链路层、网络层和应用层的功能、详细结构及数据格式等内容。第三章电磁场及天线的基本理论。主要研究电磁波的传输，传播方向及天线的阻抗匹配等。第四章Ｚｉ曲ｅｅ温湿度监测系统模块及硬件设计。介绍了Ｚｉｇｂｅｅ温湿度采集系统的各个模块，并对天线的设计进行了仿真。第五章Ｚｉｇｂｅｅ＇温湿度监测系统的软硬件设计与实现。本章主要介绍Ｚｉｇｂｅｅ温湿度监控系统的原理图设计、ＰＣＢ设计、ＳＴＭ３２Ｗ１０８单片机程序编写以及上位机程序的编写，并最终完成了对采集数据的处理与实现工作。４第二章Ｚｉｇｂｅｅ协议标准任何无线通信技术的使用都得依靠一定的通信约束，即通信协议。Ｚｉｇｂｅｅ通信就是使用ｚｉ曲ｅｅ联盟所制定的协议进行全球推广的、该协议主要完成了设备自组网和收发数据的功能。２．１Ｚｉｇｂｅｅ技术概述Ｚｉｇｂｅｅ是基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准的低功耗无线个人局域网协议。是一种短距离、低功耗的无线通信技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。Ｚｉｇｂｅｅ技术的特点：·省电：两节五号电池支持长达６个月到２年左右的使用时间。·可靠：在整个ＺｉｇｂｅｅＮ络中通过动态路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。·时延短：响应速度较快，从睡眠中唤醒只需１５ｍｓ，节点接入网络只需３０ｍｓ，从而节省了电能。·网络容量大：可支持达６５０００个节点。·安全：Ｚｉｇｂｅｅ自身具有数据完整性检查和鉴权功能，且采用通用的加密算法ＡＥＳ．１２８，因此也具有很高的保密性。２．１．１Ｚｉｇｂｅｅ设备Ｚｉｇｂｅｅ是Ｚｉｇｂｅｅ联盟在ＩＥＥＥ８０２．１５．４定义的物理层（ＰＨＹ）和媒体访问控制层（ＭＡＣ）基础之上制定的一种ＬＲ－ＷＰＡＮ技术规范。对于网络中的设备，ＩＥＥＥ８０２．１５．Ａ和ＺｉｇＢｅｅ联盟所制定的标准分别有不同的定义方法和规范术语，分别如表２．１所示。５青岛理工大学工学硕士学位论文表２－１Ｚｉ曲ｅｅ中设备分类ＦＦＤＩＥＥＥ８０２．１５．４Ｚｉｇｂｅｅ联盟Ｚｉｇｂｅｅ协调器（Ｃｏ－ｏｒｄｉｎａｔｏｒ）Ｚｉｇｂｅｅ路由器（Ｒｏｕｔｅｒ）Ｚｉｇｂｅｅ终端设备（ＥＮＤＤｅｖｉｃｅ）ＰＡＮ协调器ｌ强Ｄ协调器一般设备Ｚｉｇｂｅｅ设备依据功能不同分别划分为全功能设备（Ｆｕｌｌ－ＦｕｎｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ，ＦＦＤ）和简化功能设备（Ｒｅｄｕｃｅｄ．ＦｕｎｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ，Ｉ强Ｄ）；依据在网络中设备承担任务的不同，又可分为Ｚｉｇｂｅｅ协调器、Ｚｉｇｂｅｅ路由器和Ｚｉｇｂｅｅ终端设备。协调器也称为网络中的总控制器，一个网络中只有一个协调器，而且必须是ＦＦＤ，同时它也是Ｚｉｇｂｅｅ路由器，依靠发送的信标同步来使得服务同步，网络ｑｂＺｉｇｂｅｅ终端设备可以是ＲＦＤ也可以是ＦＦＤ。ＲＦＤ主要负责简单的应用，且通常只和一个ＦＦＤ通信一般，不需传输很多数据，因而，ＩｕＤ占有较少的资源和空间。而ＦＦＤ不仅可以与ＲＦＤ关联，也可与其它ＦＦＤ关联【２２．１．２５｜。Ｚｉｇｂｅｅ协议架构Ｚｉｇｂｅｅ的协议栈结构是由一系列称为层的协议块所组成的。每个层为上一层提供一系列特定的服务。数据入口提供数据传输的服务，管理入口提供其余的所有服务。每个服务接口都通过ＳＡＰ（ＳｅｒｖｉｃｅＡｃｃｅｓｓＰｏｉｎｔ）接口与上一层进行数据交换，每个ＳＡＰ都支持一系列的服务原语。Ｚｉｇｂｅｅ协议栈是基于ＯＳＩ（ＯｐｅｎＳｙｓｔｅｍｓＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）标准的，但只定义了所需要的那些层。主要由物理层ＰＨＹ，媒体接入层ＭＡＣ，网络层以及应用框架层组成，框架图如下图所示。其中，ＰＨＹ层和ＭＡＣ层采用了ＩＥＥＥ８０２．１５．４协议标准‘２６删。６青岛理工大学工学硕士学位论文图２—１ＺｉｇＢｅｅ协议栈结构物理层提供两类服务：物理层数据服务和物理层管理服务。ＰＨＹ层功能包括无线收发信机的开启和关闭、能量检测（ＥＤ）、链路质量指示（ＬＱＩ）、信道评估（ＣＣＡ）和通过物理媒体收发数据包。ＭＡＣ子层同时也提供两种服务：ＭＡＣ层数据服务和ＭＡＣ层管理服务（ＭＡＣｓｕｂ—ｌａｙｅｒｍａｎａｇｅｍｅｎｔｅｎｔｉｔｙ，ＭＬＭＥ）。前者保证ＭＡＣ协议数据单元在物理层数据服务中正确收发，后者维护一个存储ＭＡＣ子层协议相关信息的数据库。Ｚｉｇｂｅｅ应用框架层主要为Ｚｉｇｂｅｅ技术的实际应用提供一些应用框架模型，以便对Ｚｉｇｂｅｅ技术进行开发应用。在不同的应用场合，其开发应用框架不同，主要由三个部分组成，ＡＰＳ子层、ＺＤＯ（包含ＺＤＯ管理平台）和由制造商定义的应用对象。它们共同为各应用开发者提供统一的接口。Ｚｉｇｂｅｅ网络层主要用于Ｚｉｇｂｅｅ的无线个人局域网ＷＰＡＮ网的组网连接，数据管理以及网络安全等。为了向应用层提供接口，网络层提供了两个功能服务实体，分别为数据服务实体ＮＬＤＥ和管理服务实体ＮＬＭＥ。ＮＬＤＥ通过ＮＬＤＥ．ＳＡＰ为应７青岛理工大学工学硕士学位论文用层提供数据传输服务，ＮＬＭＥ通过ＮＬＭＥ．ＳＡＰ为应用层提供网络管理服务，而且，ＮＬＭＥ还完成对网络信息库ＮＩＢ的维护和管理。ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准是针对低速率无线个人局域网络（ＬＲ．ＷＰＡＮ）通讯制定的标准，定义了ＬＲ－ＷＰＡＮ的ＰＨＹ层和ＭＡＣ层。在此基础Ｉ－Ｚｉｇｂｅｅ联盟定义的ＺｉｇＢｅｅ标准包括ＮＷＫ层，ＡＰＬ层及ＳＳＰ层的标准。本小节主要分析ＰＨＹ层，ＭＡＣ层，ＮＷＫ层和ＡＰＬ层的标准。２．２Ｚｉｇｂｅｅｌ网络拓扑结构ＺｉｇｂｅｅＮ络有三种拓扑形式：星形、簇树形和网形（图２．２）。消息从一个节点如何路由至另一个节点完全取决于网络拓扑。星形网络有一个中心节点，所有消息都经它传输。簇树形网络有一个顶端节点，下面有枝有叶，消息先上行再下传。网形网络与簇树形相似，但它的某些枝、叶可直接链接。）凑Ａ吣，∥、．㈨禽图２．２Ｚｉｇｂｅｅ＝种拓扑结构网络的基本单元是节点，但一网络最多可设６５５３５个节点。按功能区分，有简化功能设备（ＩＵＤ）和全功能设备（ＦＦＤ）。前者按最少ＲＡＭ和ＲＯＭ资源实现的，设计成网络中简单的收发节点。它能搜索现成网络，必要时传输应用数据，向网络协调器请求数据，多数时间处于休眠状态以节省电池功耗。后者可用作网络协调器，连接协调器或另一个通信设备，还能与其它ＲＦＤ和ＦＦＤ建立通信联系。在具体网络中，逻辑设备类型是Ｚｉｇｂｅｅ协调器，Ｚｉｇｂｅｅ路由器和Ｚｉｇｂｅｅ端点设备。协调器启动网络、管理网络节点、存储网络节点信息。它还能提供路由消息、安全管理和其他服务。路由器与网络中成对节点的消息路由，可让子节点与它连接。终端节点不能传输消息，也不能连接其它子节点，它的主要任务是发送与接收消息。Ｚｉｇｂｅｅ自形成与自愈网络结构允许数据和控制消息通过多条路径传输，这一特囝青岛理工大学工学硕士学位论文性扩展了网络的范围并提高了数据的可靠性。网络的对等功能可用于构建大型的，地域分散的网络，将小型网络连接在一起形成簇树形网络。２．３Ｚｉｇｂｅｅ网络通信方式Ｚｉｇｂｅｅ技术是采用自组织网的通信方式来通信的。网状网通信实际上就是多通道通信，．在实际工业现场，由于各种原因，各个无线通道能否始终畅通无阻往往不能得到保证，这就如同现实中城市的街道，可能会因各种原因如道路维修等，会暂时中断某条道路的交通，但此时因有多个通道选择，车辆（如同我们需要控制的数据）仍可以通过选择其他道路到达地方。而自组织网一般采用的是动态路由方式。动态路由是指数据在网络中传输时其路径并不是先设定好的，而是在传输数据前，先搜索当时网络能利用的路径，然后确定路径位置的远近，选择最优的那条传输数据。通常，在网络管理软件过程中，路径的选择一般采用“梯度法”，即是先选择其中最近一条通道进行传输，如果传不通，则采用较远的一条路径进行传输，如此类推，直到数据传输到目的地。在实际的工业现场，先设定好的传输路径因各种原因可能随时会发生变化，如传输中断或者过于繁忙不能进行及时传送。为解决这个问题，在使用时，动态路由采用与网状拓扑结构相结合的方式，以保证数据能可靠传输。２．４本章小结本章首先对Ｚｉｇｂｅｅ做了一下概述，详细了解ＴＺｉｇｂｅｅ协议的架构，最后介绍了Ｚｉｇｂｅｅ网络拓扑结构和Ｚｉｇｂｅｅ通信方式。９青岛理工大学工学硕士学位论文第三章Ｚｉｇｂｅｅ天线理论及其设计对短距离无线通信设备来说，天线质量的好坏关系到通信距离的问题。辐射模型、增益、阻抗匹配、带宽等因素，会影响我们对天线的选择和设计。为了分析研究天线和辐射场，必须对有关的理论基础有较好的理解和掌握。３．１微波传输线理论微波传输线可看成能引导微波能量传输的装置，一般可分为同轴传输线、金属波导传输线、介质波导传输线、带状线、微带线、共面线等，对微波有源电子线路来说主要应用微带线、共面线等便于集成的传输线。而对微波的分析主要采用两种基本方法：电磁理论、微波等效电路理论。卜３３ｌ。１．电磁理论微波技术的基本研究方法是“场解法”。场解法就是在一定的边界条件下，求解麦克斯韦方程组。从理论上讲，所有微波技术中的问题都可以用“场解法”求解。遗憾的是，除了在非常简单的边界条件下，我们可以得到封闭的场解，在某些边界条件下，可以借助电子计算机得到数值解外，在大多数的边界条件下，我们不可能得到封闭的场解。同时，由于麦克斯韦方程所需要的数学复杂性（场解给出的是空间中任何一点的电磁场的完整描述，它提供的信息量比大多数实际工程中需要的要多），使得在工程应用中，不可能求解，也没有必要对每个微波相关问题都列出麦克斯韦方程并去求解这个方程。２．微波等效电路理论在微波工程的应用领域中，需要有简便的工程计算方法。在一定的条件下，类比于低频电路的概念，因此可以将本质上属于场微波电路转化为微波等效电路，从而使微波工程的计算和分析得到简化。对于大多数微波工程问题，我们不可能得到封闭的场解，所以，在解决微波工程问题时，需要在基本理论、基本概论和近似计算的指导下，进行大量的实验和调试。３．１．１微波等效电路物理量由于微波波长较短，微波的传输系统、微波元器件及他们的工作原理和分析方法都与直流、低频电路系统、低频元器件及它们的工作原理和分析方法截然不同。首先，我们在分析低频电路时，可以认为有关物理量在传输系统中是均匀分布的。因此，我们只需考虑各物理量随时间的变化，而不考虑其空间分布。对于微波系统，我们必须同时考虑各物理量随时间的变化及其空间分布。在确定的空间内，对于低频信号我们观察到的是物理量的震荡，对于高频信号我们观察到的是物理量的波动。例如，电磁波的频率若为５０Ｈｚ，其波长为６０００Ｋｍ，电磁波的频率若为１００ＧＨｚ，其波长就只有３ｍｍ。一般来讲电路的尺度为几十ｒｎｎ＇ｌ，分立元件的尺寸为几个ｌ＇ｎｎ＇ｌ，当频率较高的电磁波通过时，在分离元件的两端，该信号的一些物理量就会发生变化一次，对于高频信号的分析，就必须考虑电磁场的空间分布。由于微波的特点，微波电路不但采用了与低频电路不同的传输系统，而且在分析微波电路时也必须引入和低频电路不同的物理量，低频电路系统与微波电路系统的比较如表３．１所示。表３．１低频电路系统与微波电路系统比较物理量电压、电流、电阻、电容、电感低频电路系统传输系统可见回路形式电路电路模型分立元件电路、集总模型物理量功率、损耗、特征阻抗、传输模式微波电路系统传输系统可见及可不见介质回路形式，大气、波导和传输线等电路模型麦克斯韦方程、等效分布模型３．１．２微波传输线等效电路长线理论是微波等效电路理论中涉及单模均匀传输线传输特性的理论。之所以称传输理论为长线理论，是因为衡量传输线的长度是以电长度为尺寸的。所谓电长度即上，五，是在传输线里电磁波的波长，，是传输线实际的长度。当三＜＜１以冬时称为短线，而三不满足上述条件时称为长线，两者有本质的区别。如：我们所农用的市电频率为５０Ｈｚ，其波长为６×１Ｅ６米，若一个长度为６千米的平行双导线，其实际长度是很长了，而其电长度为０．００１是很短的，可以看成是一个点。再如频率１２青岛理工大学工学硕士学位论又为５ＧＨｚ的电磁波在ＴＥＭ传输线里传输时其波长为６ｃｍ，若一个长度６ｃｍ的［ｈ－－Ｊ轴线其实际长度是很短，而其电长度为１．Ｏ，也就是说实际的长度可以和波长相比拟，称为长线。在传输线上电场、磁场分布是不同的，从等效电路上看，短线可以用集中元件（电阻、电感、电容）来表示，而长线必须用分布参数元件来表示。从本质上看分析传输线特性必须从电场强度、磁场强度来获得，但求解电场强度、磁场强度必须由麦克斯韦方程和边界条件来求解，太繁也太难。为了和直流电路相对应，我们引入等效电压、电流的概念，来分析传输线的特性（注意在微波电路中电压、电流是不能测量的，是一个等效的参数）。等效电压是由电场强度定义的，而等效电流是由磁场强度定义的。当微波能量通过传输线时将产生如下的分布参数效应：由于电流流过导线将发热，这表明导线具有分布电阻；由于导线间的绝缘不完善而存在漏电流，这表明导线间存在分布电导；由于导线有电流，在其周围存在磁场，因此导线上存在分布电感；由于导线间存在电压，导线间必有电场，于是导线问存在分布电容。在低频段可以忽略不计，但在微波段必须加以考虑。因此在微波频段，传输线是分布参数电路。我们假定：传输线是均匀的，每一个微分单元长度的电阻、电导、电容、电感都等于单位长的电阻值、电导值、电容值、电感值乘以单元的微分长度。图３．１是用电路方法分析微波传输线的等效电路及参考方向的过程。ＳＯＵＰＣｅｖ（×，ｔ）ＩｌｔＬｏａｄｊ．．．．一ｉ（ｘ，ｔＯ－……………‘。ｏ（ｘ＋Ａｘ，ｔ）———ｖ（ｘ．ｔＱ－……………一Ｏ：．＿＿………一‘●－：ｖ（ｘ＋ａｘ．ｔ）ａｘ××＋△ｘ图３．１微波传输线等效电路根据图３．１所示的等效电路，在长度为ｄｘ的一段均匀传输线的串联阻抗和并联１３青岛理工大学工学硕士学位论文导纳可以表示为：Ｚ＝Ｒ＋ｊｃｏＬ（３－１）Ｙ＝Ｇ＋ｊｃｏＣ（３．２）Ｒ为单位长度导体的串联电阻，Ｑ／ｍ；Ｌ为单位长度导体的串联电感，日／ｍ；Ｇ为单位长度导体的并联电导，Ｓ／ｍ：Ｃ为单位长度导体的并联电容，Ｃ／ｍ。根据电路分析理论中的基本霍夫定律（分流、分压关系），可以得到电压波和电流波的微分方程组：Ａｖ（ｘ，ｔ）＝Ｖ（Ｘ＋ＡＸ，ｔ）－ｖ（ｘ，ｔ）：（－Ｒ．Ａｘ）．ｉ（ｘ，ｔ）＋（－Ｌ．△ｘ）掣Ａｉ（ｘ，ｔ）：炽＋Ａｘ，ｔ）一ｉ（ｘ，ｔ）：（一Ｇ．缸）．ｖ（ｘ＋Ａｘ，ｔ）＋（一ｃ．缸）塑掣（３－３）（３．４）ａｔ式（３．３），（３．４）就是长线理论的基本方程…～电报方程。整理上述两式，除以血，并利用缸专０，得到如下来那个方程：—ｄｖ（ｘ—，ｔ）－Ｒ．ｆｆｘ，ｔ）一Ｌｄｉ（ｘ，ｔ）．出（３．５）讲—ｄｉ（ｘ—，ｔ）＝－Ｇ．ｖ（ｘ，ｔ）一Ｃｄｖ（ｘ，ｔ）．础（３．６）讲对式（３．５）进行ｄ）（求导，对式（３—６）进行ｄｔ求导，得到如下两式。—ｄ２ｖ（—ｘ，ｔ）：一Ｒ．型一Ｌ—ｄ２ｉ（—ｘ，ｔ）（３．７）出‘ｄｘｄｔｄｘ一＝一—ｄ２ｉ（—ｘ，ｔ）：一Ｇ（３—８）ｋｊ—Ｏ／ｄｘｄｔｄｖ（ｘ，ｔ）一Ｃ．一ｄ２ｖ（ｘ，ｔ）ｄｔ‘一．———＿一ｄ‘ｔ将式（３．６）和（３．８）带入式（３．７）中，消除堕毕堕和望享粤，得到如下波动方ａｘａｘａｔ程式：—ｄ２了ｖ（ｘ厂，ｔ）一ｙ２．ｖ（ｘ，ｆ）：０（３．９）这里ｙ＝４—（Ｒ＋ｊｃｏＬ）（—Ｇ＋ｊｃｏＣ）＝ａ＋ｊｆｌ（３．１０）式中，口是单位长度的衰减常数（奈培）；∥是单位长度上的相位常数（弧度）。１４在不考虑时间量的情况下，式（３．９）的通解为：Ｖ（ｘ）＝Ｋ·ｅ一芦＋矿·ｅ芦（３—１１）式（３．１１）也给出了在传输线上传输的一般表达方式。前向传输的电压表示为圪．ｅ－芦反射（后向）传输电压为Ｅ·ｅ－芦。矿（功是ｘ点处，前向传输电压和反射电压之叠加。按照同样的求解过程，我们可以得到关于电路的方程式：，（ｘ）＝Ｌ·ｅ芦－／＿·ｅＦ从而得到：（３－１２）‘＝一南，ｔ＝Ｖ—Ｒ＋ｇ面（３－１３）在取得传输线上的电压和电流表达式后，很容易就得到了传输阻抗的表达式：Ｚ０－－≥＝乏ｖ＝半文揣＋ｊｗＣ）／Ｚｏ＝（舻７＝归＝一面ｒ１／２＠川对于无损传输线，即Ｒ＝Ｇ＝０，则阻抗和传播系数的表达式为：＠㈣由阻抗表达式（３—１４）和（３．１５）可以看出，对于理想传输线，其阻抗和信号频率无关，而对于有损传输线，阻抗和频率相关，但是由于我们所研究的信号频率比较高，并且传输线上的阻抗和电导效应比较微弱，一般情况下：Ｒ＜＜ｊｗＬ，Ｇ＜＜ｊｗＣ。在这种情况下，表达式（３—１４）可以近似等于（３－１５），因此对于损耗不大的有损传输线也近似等效成无损传输线。３．２天线的基本概念电磁波是通过天线发射出来的，所以在对ＲＦＩＤ系统天线辐射场的分析过程中，要用到很多有关天线的基本概念。本节就将介绍关于天线的一些常用的基本概念【３４·３７１。青岛理工大学工学硕士学位论文３．２．１方向图所谓天线方向图，是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的图形，通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示，如图３．２所示：后罱烹辚第一图３—２天线方向图方向图呈波瓣形。最大的波瓣叫傲主瓣，其余的叫副瓣或旁瓣；与主瓣相反方向上的副瓣叫后瓣，如图示。为了便于比较各类天线的方向图特性，就需用一些参数如波瓣宽度、前后比及方向系数等。１、波瓣宽度波瓣宽度一般为方向图主瓣的两个半功率点间的宽度，是用来衡量天线的最大辐射区域尖锐程度的参量。２、前后比前后比是指主瓣的最大辐射方向（规定为００）的功率通量密度与相反方向附近（规定为１８００＋２００范围内）的最大功率通量密度之比值。单位为分贝，如图３．３示。到爿图３．３天线的前后比示意图３、方向系数任一定向天线的方向性系数是指在接收点产生相等电场强度的条件下，非定向天线的总辐射功率Ｓ。。对该定向天线的总辐射功率＆之比，方向性系数是用来表示天线向某一个方向集中辐射电磁波程度（即方向性图的尖锐程度）的一个参数，记为Ｄ，即１６Ｄ：垒：瞠（３－１６）＆吲２为了确定定向天线的方向性系数，通常以理想的非定向天线作为比较的标准。天线方向系数又表示为Ｄ：＝竺（３．１７）ｒ”肛（ｐ，硝ｓｉｎ觎删Ｄ＞Ｉ，在理想的非定向天线下有Ｄ＝Ｉ。Ｄ越大，则天线辐射的电磁波能量越集中，方向性就越强。３．２．２天线效率实际运用中，天线会存在一定的功率损耗，因此，天线实际辐射功率最会小于发射机的输入功率圪。常用参数７７表示天线效率，即刀：墨驴专（３．１８）门。１引７／≤１。ｒ／＝１仅对于理想状态下无耗天线而言，、由式可知，７７越大，则功耗越小。３．２．３增益增益是就是上述天线效率和方向性系数的乘积，它是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，记为Ｇ，即Ｇ＝ｒｉＤ（３－１９）该式描述了在与理想的无方向性天线相比，在最大辐射方向上将输入功率放大的倍数，单位是ｄＢｉ或ｄＢｄ。３．２．４辐射电阻加在天线上的功率通过两种途径消耗掉：一种是以电磁波的形式辐射出去；另一种是以热能的形式在导线和附近的电介质中损耗掉。辐射出去的功率是我们所要的。在以上两种情况中，所消耗的功率都等于，２Ｒ。在热能损耗的情况下，Ｒ代表真实的电阻。但是，在辐射的情况下，Ｒ是一个“虚”的电阻。这个电阻值如果用真实的同阻值的电阻来代替，会消耗和天线实际辐射出去的功率相同的能量。这青岛理工大学工学硕士学位论文个电阻称为辐射阻抗，用Ｒｚ表示，定义为Ｒ∑：等（３．２０）１０式中厶为天线上电流峰值，最为天线辐射的电磁功率。琏越大，天线辐射电磁能量的能力越强。３．２．５匹配阻抗匹配是指在能量传输时，要求负载阻抗ＺＬ要和传输线的特征阻抗Ｚ０相等，此时的传输不会产生反射，这表明所有能量都被负载吸收了．反之则在传输中有能量损失。高速ＰＣＢ布线时，为了防止信号的反射，要求是线路的阻抗为５０欧姆。如图３．４所示，当天线阻抗为５０Ｑ时，与５０Ｑ的电缆是匹配的，而当天线阻抗８０Ｑ时，与５０Ｑ的电缆是不匹配的。毫●秘拥天捻５００ｈ嚣幢舶ｏｈ啪Ｌ■－铲，图３－４匹配示意图３．２．６电压驻波比不匹配状态下，入射波和反射波会同时存在馈线上。传输时，当入射波和反射波的相位相同时，其电压振幅会相互叠加，电压振幅会达到最大，形成波腹；当入射波与反射波的相位相反时，其电压振幅会相互抵消，此时电压振幅为最小，形成波节。其它点的电压振幅值会处在波腹与波节之间。这种频率和振幅均相同、振动方向一致、传播方向相反的两列行波叠加后形成的波为驻波，若振幅不相同，则形成行驻波，规定，反射系数Ｒ为反射波电压与入射波电压幅度之比。Ｒ＝ＩＺＬ－ＺｏｉＩ（３．２１）波腹电压和波节电压的比值称是电压驻波比，用ＶＳＷＲ表示ＶＳＷＲ：坐（３．２２）１一Ｒ１８由上式可知，当负载阻抗Ｚ，越接近传输线特性阻抗Ｚ０，反射系数Ｒ就越小，其驻波比ＶＳＷＲ也就越接近１，匹配就会越好。３．３半波振子的基本特点对称振子是常用的典型线天线。半波振子简单讲就是以无线电波半个波长的尺寸制作成的导体，只有接收导体长度达到半个波长，导体中才能产生电流，从而由天线向馈线传送电信号。半波振子存在于天线中，数量越多，增益也就越强，增益一般用ｄＢｉ／ｄＢｄ表示，它的结构如图３．５所示，由两段同样粗细和相等长度的直导线构成，每一臂长度，约为１／４波长，在中间两个端点之间进行馈电。幽３－５对称振子结构半波振子可以看成是开路的传输线逐渐张开而成，如图所示。传输线上有交变电流流动时，会发生电磁波辐射。而传输线长度与形状会关系到其辐射的能力大小。当传输线的长度远小于波长时，辐射会很微弱；传输线的长度与波长相似时，电流将会增加，形成较强辐射。当传输线距离很近，如图３．６（ａ），电场辐射会很微弱，只存在在两传输线之间；当两传输线逐渐张开时，电场就会散播在周围的空间里，辐射增强，当传输线完全张开时就变成具有极强辐射能力的天线，如图３．６（ｃ）所示。（ａ）（ｂ）（ｃ图３。６开路传输线到半波振子３．４Ｚｉｇｂｅｅ天线设计天线一般分为单端和差分天线两种：单端天线属非平衡天线，差分天线属平衡天线。单端天线依地为参考信号，特征阻抗为５０欧姆。然而，很多ＲＦＩＣ具有差分ＲＦ口，因此，电路中如果采用单端天线，就需要用一个电路改变这一特性，这１９青岛理工大学工学硕士学位论文个电路就是ｂａｌｕｎ（通常说的平衡／非平衡变压器）。单端天线和差端天线的实例如图３．７所示：图３．７单端天线和差分天线３．４．１巴伦变换巴伦是英文“平衡．不平衡转换器”音译，由天线理论可知，偶极天线被认为是平衡型天线，而同轴电缆属于是不平衡传输线，若将它们直接连接，高频电流就会流过同轴电缆的外皮（由同轴电缆传输原理可知，同轴电缆的外皮是屏蔽层，没有电流，高频电流一般只流动在电缆内部），如此，天线的辐射就会被影响，即电波在辐射时也有同轴电缆屏蔽层的参与。因此，把平衡不平衡转换器加在天线和同轴电缆之间，扼制掉流入电缆屏蔽层外部的电流，即是把从振子流过的高频电流被电缆屏蔽层外皮截断。在本设计所采用的巴伦模块及在电路中连接图如图３．８（ａ）、（ｂ）所示：．，捌够ｊ—■ｑ一一一◆。；Ｏ图３—８（ａ）Ｅ伦天线模块外观图图３．８（ｂ）巴伦天线在电路中的连接图３．４．２Ｚｉｇｂｅｅ天线设计Ｚｉｇｂｅｅ天线系统的设计是本系统中设计中比较重要也是很关键的环节。Ｚｉｇｂｅｅ２０青岛理工大学工学硕士学位论文天线性能的优劣直接决定了该Ｚｉｇｂｅｅ模块整体性能。在总体设计选择中，天线的尺寸、成本和性能是主要的因素。短程设备常用的三种天线是ＰＣＢ天线、芯片天线和带有连接器的鞭状天线‘３８１。其优缺点如表３．２所示：表３－２三种天线的优缺点天线类型优缺点属于板载天线，成本低、尺寸小、频率高、性能一般，可以与电路ＰＣＢ天线板一起设计加工，应用在对传输距离不是很远的场合属于板载天线，成本中、尺寸最小，频率高、性能一般，不需要单芯片天线鞭状天线独设计，可以一次性购买，可以极大减小ＰＣＢ的板面积属于外接天线，成本中（与芯片天线类似），性能好、频率高、不需要单独设计，应用在对传输距离要求较远的场合本文结合ＰＣＢ天线成本最低、尺寸小且鞭状天线性能好，发射距离远等特点，综合情况采用ＰＣＢ天线与鞭状天线相结合的方式。图３－９为文中采用的鞭状天线实物图。图３－９本设计中米用的天线外形图本节所设计使用的天线是ＰＣＢ天线…２．４ＧＨｚ迂回倒Ｆ天线，相对其它的２．４ＧＨｚ天线，该天线其体积最小，辐射效率较高等特点，特别适合天线所占空间有限的场合。本设计所采用的迂回倒Ｆ天线是对倒Ｆ天线的变型，将其发射臂进行迂回折叠以使其在满足天线谐振长度的同时使其所占电路板面积最小，只有这样才能使核心板做到最小。２１青岛理工大学工学硕士学位论文倒Ｆ天线中的有效发射长度Ｌ约四分之一波长，即３１．２５ｍｍ，实际应用中为了达到最佳的发射效果，所取的Ｌ都会略小于四分之一波长，约为０．９倍的兰，４及２８．１２５ｍｍ。本设计的变形后的倒Ｆ天线结构如图３．１０所示。其有效辐射长度Ｌ＝Ｌ３＋２木Ｌ５＋２奉Ｌ２＋４木Ｌ４＋Ｌ１＝５．０＋２＊２．０＋２＊２．７＋４＊２．６４＋３．９４＝２８．９ｍｍ。天线总体大小为１５．２×５．７ｍｍ。在整个设计中Ｌ３，Ｌ５，Ｌ２，Ｌ４，Ｌ１的作用是保证天线在２．４ＧＨｚ谐振，Ｄ５的作用是起到阻抗变换的效果。在仿真过程中通过调节Ｄ５的距离可以使天线的部分容抗变换为感抗，以期在匹配到５０欧姆的射频源时其反射系数在２．４Ｇ．２．４５ＧＨｚ内小于．１０ｄＢ，即驻波比小于２。通过调节后Ｄ５的参数如表３．３所示。这款ＰＣＢ天线在２．４５ＧＨｚ的阻抗为５０Ｑ，因此不需要进行额外的匹配元件。本系统所使用的倒Ｆ天线的尺寸如图３．１０所示：吨峨∞～、∞ｔ、眈０忱０＿｝——————·———－－－－－争０３Ｌ４叭一Ｌ４ＵＬ’Ｌ６ｋ６、ｒｗ２毒ｗ２霉娩Ｌ５７珏忱－ｒ’ｌｉｆｔ．７丽图３．１０ＰＣＢ天线尺寸示意图图中设计天线的尺寸如表３．３示表３．３ＰＣＢ天线设计尺寸Ｌ１Ｌ２Ｌ３Ｌ４Ｌ５Ｌ６Ｗ１０．９０ｍｍＤ６３．９４ｍｍ２．７０ｒａｍＤｌ５．０ｍｍＤ２０．３０ｍｍ２．６４ｍｍＤ３２．００ｍｍＤ４４．９０ｍｍＤ５Ｗ２０．５０ｍｍ０．５０ｍｍ０．３０ｍｍ０．５ｍｍ１．４０ｍｍ１．７０ｍｍ２２３．４３Ｚｉｇｂｅｅ倒Ｆ天线仿真本设计使用ＡＤＳ２００９ｍｏｍｅｎｔｕｍ［３９】进行天线的设计与仿真，ＡＤＳ—ＡｄｖａｎｃｅｄＤｅｓｉｇｎＳｙｓｔｅｍ，由美国Ａｇｉｌｅｎｔ公司推出的微波电路和通信系统仿真软件，是当今业界最流行的微波射频电路、通信系统、ＲＦＩＣ设计软件；也是国内高校、重点院所和大型ＩＴ公司使用最多的软件之一。其功能非常强大，仿真手段丰富多样，可实现包括时域和频域、数字与模拟、线性与非线性、噪声等多种仿真分析手段，并可对设计结果进行成品率分析与优化，从而大大提高了负责电力的设计效率，是非常优秀的微波射频电力、系统信号链路的设计工具。在开始仿真前，首先设置天线层叠结构，该层叠结构采用双层电路板，板层介质为厚度１．１８ｍｍ的ＦＲ．４材料，其在２．４Ｇｈｚ频率处的介电常数为４．４左右，损耗正切为０．０３５。如图３．１１所示：ＳｕｂｓｔｒａｔｅＬａｙｅｒｓＬａｙｏｕｔＬａｙｅｒｓｆｌａｒｅ．ｍｅｎｄｅｒＦｊａｙＳｅｌｅｃｔｓｕｂｓｔｒａｔｅｌａｙｅｒｅｄｉｔＯＲｄｅｆｉｎｅ１ａｙｅｒ：ＳｕｂｓｔｒａｔｅＬａｙｅｒｓｋｉｔ』ｏｐＦｌＨ１Ｂ０ｔｔｏｍＰｅｒｍｉｔｔｉｖｉｌＲｅ，ＬｏｓｓＲｅａｌ４４Ｔａａｇｅｎｔ１８ｖ·ＦＲ４“ｒｔｙ（Ｚｒ）Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ州ｋ）Ｔａｎｇｅｎｔ一Ｒｅ，ＬｏｓｓＴａｎｇｅｎｔｖ；Ｒｅｄ｝１Ｌｏｓｓ０ＴａｕａｇｅｎｔＬｏｓｓ０．０３５Ａｄｄ１ＯＫＣｕｔ‰：ｅ】ｌＡｐｐｌｙ』Ｃａｎｏｅｌ］【Ｈｅｌｐ图３－Ｉ１仿真天线层叠结构设计然后按照尺寸参数画出外形图，如图３．１２所示：青岛理工大学工学硕士学位论文图３—１２仿真天线外形图运行仿真之后可以观看到Ｓ１１图以及史密斯原图，如图３．１３所示：ＴｈｕＭａｙ２４２０１２－Ｏａｔａｓｅｔ：ＭｅｎｄｅｒＦｍ０１１＂１Ｓ１１Ｓ１１占已ｏ！ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＦｒｅｑｕｅｎｃｙＳ１１ｒ１３ｒｅｑ＝２．４１ＯＧＨｚ＿ｌｅｎｄｅｒＦ—ｍ０１１＂１．．ｓｏ．１）＝０．０２８，－１２８．３６９１１３ｐｅｄａｎｃｅ＝ＺＯ‘（０９６５－ｊ０．０４２）ｌｔｅｑ·：Ｄ∞ｏＨ：ｂ）∞０ＢＨｏ２４ＰｏｗｅｒＧａｉｎｍ｝１ｌ－３ｊｐ弋、，ｒ—２００—１５０—１００如０∞气ｏＱ１５０２００ＴＨＥＴＡ图３－１３天线仿真结果从图３．１３的Ｓ１１图中可以看出该天线在２．４１ＧＨｚ的Ｓ１１为．３１．１３８ｄＢ，最大增益为１．９２８ｄＢ，符合使用的要求。此时的天线的归一化特征阻抗为０．９６５＋ｊ０．０４２，接近最佳匹配效果即归一化特征值１，另外考虑到受加工工艺以及其他因素等影响，天线仿真结果跟制作完成后天线性能具有极大的差异，所以在电路板制作中通过预留匹配网络，在产品批量生产后测试后再进行额外匹配，以达到最佳效果。３．５本章小结结合本文设计，本章主要介绍了有关微波基本理论和天线的基本概念，并在此基础上完成了本文Ｚｉｇｂｅｅ天线的设计与仿真工作。２５第四章Ｚｉｇｂｅｅ淌［度监测系统模块及硬件设计Ｚｉｇｂｅｅ温湿度采集系统主要由底板和核心板构成，主要包括电源模块、串口通信模块、ｆｌＡＧ接口模块、指示模块、温湿度采集模块、Ｚｉｇｂｅｅ单片机模块、巴伦变换模块、滤波模块、阻抗变换模块以及天线模块。其中大板包含电源模块、串口通信模块、ＪＴＡＧ接口模块、指示模块、温湿度采集模块：核心板包含Ｚｉｇｂｅｅ单片机模块、巴伦变换模块、滤波模块、阻抗变换模块以及天线模块。各个模块之间的关系如４．１所示：腽湿度藕磊赢燎模影＼／巴伦大（平阻抗滤板ＺｉｇＢｅｅ衡到与单片机●＿＿◆不平●啼匹配波天网络●－．◆器■—◆线模陌谰．＠·核模块衡）模块模，Ｄ变换块块板模块ｌ樟块：＝：：：接口模模块厂一一＿－块电源模块Ｌ一÷大板接口核心板图４—１Ｚｉｇｂｅｅ温湿度采集系统结构框图电源是电子设备动力的源泉，在电子设备中的重要性不言自喻。在本设计中我们从Ｚｉｇｂｅｅ低功耗性能出发，采用太阳能电池板或四节五号电池与一枚纽扣电池搭配的方式，以提供应对不同场合的供电需求。４．１．１供电方式介绍在本设计中使用太阳能电池板或四节５号电池与一枚可充电纽扣电池（３Ｖ）进２７青岛理工大学工学硕士学位论文行同时供电。太阳能电池的最大输出功率为２Ｗ，电压为６Ｖ与四节五号电池的输出能力相当，但需要经过降压芯片进行电压转换。纽扣电池电压为３Ｖ，可以直接供给系统使用。在该系统中纽扣电池属于备用电源，当主电源（太阳能电池板或四节５号电池没电时）进行应急供电，当太阳能电池或四节５号电池重新获得电能时对纽扣电池进行充电。图４－２太阳能电池板、纽扣电池、四节六号电池图４．１．２３．３Ｖ线性稳压芯片．ＡＳＭｌｌｌ７．３．３现代电子设备中使用的直流稳压电源主要分为两大类：线性稳压电源和开关性稳压电源。线性稳压电源稳压性能好，输出纹波很小，缺点是电源转换效率低，发热量大。例如在本设计中输入电压为６Ｖ，输出电压为３．３Ｖ，若用线性稳压芯片其效率为７７＝掣木１００％＝５５％。而开关型稳压电源效率较高能达Ｎ８０％左右。开２０６关型稳压电源可按照不同分类方式，分成多种类型。按照输出是否调整原件（开关元件）等构成的其他部分隔离，这种隔离可以分成为非隔离型和隔离性两类；按照开关元件的激励方式，可以分成自激励和它激励两种类型；按照输出电压的２８方式，可以分成为脉宽一调制式、频率调制式和脉宽一频率调制式三种类型；按照电源的输入，可分为ＡＣ／ＤＣ和ＤＣ／ＤＣ两种类型；按照开关元件的连接形式，可分成串联型和并联型两种类型。它的优点是效率高，体积小，重量轻，但却存在着线路结构复杂、维修技术难度大的缺点。所以在本设计中采用线性稳压芯片ＡＭＳｌｌｌ７．３．３。ＡＭＳｌｌｌ７．３．３三端稳压芯片是输出为３．３Ｖ电流１Ａ的线性稳压芯片，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路。图４—３ＡＳＭｌｌｌ７．３．３外观及内部电路结构图参数如表４．１所示：表４—１ＡＭＳｌ参数符号１１７—３．３芯片参数范围２０单位ｙ引入工作电压引脚温度（焊接５秒）工作结温范围储存温度功耗‰‰乃瓦形昂ＥＳＤ２６０ｏＣ１５０ｏＣ…６５＋１５０内部限制ｏＣｍＷＥＳＤＨ…ｗ力（最小值）２０００ｙ在本设计中的应用电路如下图所示：２９Ｕ２图４．４三端稳压器件ＡＳＭＩ１７．３．３４．２Ｚｉｇｂｅｅ单片机模块该模块是全系统的核心也是精髓所在。该模块负责数据的接收发送，Ｚｉｇｂｅｅ网络的创建、维护，信号指示、低功耗控制等。该模块为意法半导体的３２位Ｚｉｇｂｅｅ单片机ＳＴＭ３２Ｗ１０８ｔ４０１。ＳＴＭ３２Ｗ１０８是意法半导体（ＳＴ）公司最新推出的～款完全集成的系统级芯片，该芯片不但集成了３２位Ｃｏｎｔｅｘ．Ｍ３微处理器、Ｆｌａｓｈ闪存、ＲＡＭ存储器而且还把符合ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准的２．４ＧＨｚ收发器和基于Ｚｉｇｂｅｅ系统使用的许多通用外设都集合一起。ＳＴＭ３２Ｗ１０８不同于目前其他２．４ＧＨｚＳｏＣ芯片主要表现在：一是在能保证系统低功耗的前提下，其３２位ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ．Ｍ３内核，有用更强大的处理能力，并且其有广泛的ＡＲＭ开发工具、群体支持，使其区别于其他的８、１６位处理器；二是芯片内部的功率放大器（ＰＡ），可使发射输出功率达到＋７ｄＢｍ，无需外放就能获得较远的通信距离；三是不同版本的ＳＴＭ３２Ｗ１０８芯片分别已经固化了８０２．１５．４ＭＡＣ、Ｚｉｇｂｅｅ、ＲＦ４ＣＥ等协议栈，因此，无需用户理解、开发网络协议，就可以直开发符合相关标准的无线网络产品，使得用户开发产品的复杂度降低，还使产品的上市时间缩短。３０青岛理工大学工学硕士学位论文、，一～＊ｇ队ｎ’ＴＸ＾ｃ１１ⅥＳＲＡｂ，Ｉ豳晦ｌｌｌＩ脚哪Ｆｌ赫ｌｌＩ丝ＫＢ÷．．。●ｏｒ一ｅＩ国髓斟』娃要ＫＭＡＣ＾ＲＭＣＯＲＴＥＸ－Ｍ３日ａ■ｄ州２“Ｌ。ｖｄＣＰＵ诵ｔｈＮＶｌＣｌａｒ＿ｅ．ＮＩＢｌＡＳＲ卜回‘＿。，ｊＩ０ＳＣ＾唧ＦＰＩｉ／蜘“。：’！“ｌ／Ｉ…ＩＦＰＩｉ／Ｄ＇。Ｉ｜瓣ＪＯＳＣＢ姻圆圆Ｈ掣、啊ＥＧ（ｘＪＴ耐旺ＳＨ卜回圈Ｉ掣｜－１Ｉｎ毋咖ＧＰＩｏ圉圉一ｉ冈ＷｉＲ∞ｄ－［ＳＷＣＬｋｊ１℃ｋＪ１＾Ｇ＾出Ｉ眭｝ｕＡｌｔＴｉｌＳＰｌ／＇ＩⅥｌｌｌ勤ｅｅｐｆ●倒——广●１ＧＰＩＯｍｕｌｅｉ一∞‘ｗｓｗｔｉｃｈ，ｉ。，ｉ。。ｉ．。２。，２。，ｉ。，ｉ。。ｉ，。ｉ。．ｉ．，：．．ｉ．，ｉ。。ｉ，。ｉ．。ｉ．．ｉ．土工土土上上上ＰＡｌ７：０｝Ｐ珥７礁Ｐｃｆ７：ｏ】图４．５ＳＴＭ３２Ｗ１０８的结构框图图４－６ＳＴＭ３２Ｗ１０８在电路中的电路图４．３温湿度模块本设计采用的温湿度测量模块为ＤＨＴｌ１，ＤＨＴｌ１是一款含有已校准的数字温湿度传感器，输出数字信号。传感器与一个高性能的８位单片机连接，传感器中含一个电阻式感湿元件和一个ＮＴＣ、狈Ｉ］温元件。因此该产品具有性能高、反应快、抗干扰能力强等优点。另外，其体积小、功耗低，能传输信号的距离达２０米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。ＤＨＴｌ１外形图如图４．７所示：ＤＨＴｌｌ在电路中连接图如图４．１０中所示。其测量范围如表４—２所示：表４．２产品ＤＨＴｌｌＤＨＴｌ图４—７ＤＨＴｌｌ外形图１产品信息测温精度４－２℃测量范围２０．９０％ＲＨ０—５０℃测湿精度士５％ＲＨ分辨力１封装４针单排直插４．４ＪＴＡＧ接口模块ＪＴＡＧ（ＪｏｉｎｔＴｅｓｔＡｃｔｉｏｎＧｒｏｕｐ：联合测试行动小组）是一种国际标准测试协议（ＩＥＥＥ１１４９．１兼容），主要用于芯片内部测试和对芯片的在线编程。在现在流行的ＡＲＭ芯片中主要使用ＪＬｉｎｋ进行芯片程序的烧写及程序的调试。而ＪＬｉｎｋ所使用的接口为ＪＴＡＧ接口，如图４．８所示。图４—８ＪＬＩＮＫ、ＪＴＡＧ接口实物及接线图３２青岛理工大学工学硕士学位论文其管脚功能如表４．３所示：表４．３ＪＴＡＧ各管脚功能脚位１功能描述脚位２功能描述ＶＤＤ一３．３ＶＪＮＴＲＳＴＪＴＤＩＶＤＤ一３．３ＶＧＮＤＧＮＤ３４５６７ＪｎⅥＳ８ＧＮＤ９ＪＴＣＫ１０ＧＮＤｌ１ＮＣ１２ＧＮＤ１３ＪＴＤＯ１４ＧＮＤ１５ＲＥＳＥＴ１６ＧＮＤ１７ＮＣ１８ＧＮＤ１９ＮＣ２０ＧＮＤ４．５串口通信模块本系统具有ＲＳ．２３２通讯功能，可通过ＲＳ．２３２串口发送数据然后通过ＺｉｇＢｅｅ单片机将数据通过空中发送出去，也可以将接受到的数据通过串口发送给上位机以供显示或决策。我们使用的ＰＣ机的串口是ＣＭＯＳ电平，最高为１５Ｖ，为逻辑１，而单片机串口用的是ＴＴＬ电平，最高位５Ｖ为逻辑１。此时我们需要将电平进行转换。ＳＰ３２３２ＥＥＮ就是将接收到的ＣＭＯＳ电平转为ＴＴＬ电平的芯片。如图４．９所示：３３青岛理工大学工学硕±学位论文ＵＣ１＋ｉ■■■■－１．Ｖ＋｝２；Ｃ１—１●●■■＿ｌ＿１６Ｉ１１Ｖｃ：ＧＮＤＴ１ｏＵＴＲ１ＩＮＲ１ｏｕＴＴ１ｌＮＴ２１Ｎ３￡置，’＿晡，ｏ＿卜—－Ｖ、ＳＰ３２３２ＥＣＩ亡Ｉ１５：１４Ｃ２＋４■■■■－…‘＝一。Ｃ２—Ｖ二３，■■■■■一１■■■■－１３ｌ■！１１２ｌ—！１６；７８■＝ｌＩ：＝１０１１ＩＴ２０ＵＴＲ２ＩＮＲ２０ＵＴ图４－９ＳＰ３２３２ＥＥＮ外观图在本设计中的单片机可以直接连接ＳＰ３２３２ＥＥ进行电平转换后发送给上位机；也可以将上位机的程序经过电平转换发送给单片机。连接关系如图４．１０所示：５４３２１图４．１０ＳＰ３２３２ＥＥＮ与单片机连接电路４．６指示模块ＬＥＤ指示电路主要是用来指示电路的操作和工作状态是否正确，在该设计中，ＬＥＤ指示电路主要包括电源指示灯、串口收发指示灯、ＩＯ口驱动指示灯，用于各种状态的显示，如图４．１１所示。３４青岛理工大学工学硕士学位论文ＶＤＤＶＤＤＶＤＤ＇０２Ｄ＇图４．１１ＬＥＤ指示电路·Ｄ１、Ｄ２：２＂ｉ＂ＬＥＤ指示灯，分别连接到无线通信模块的ＰＣ６、ＰＢ７引脚。弓脚输出低电平时，对应的ＬＥＤ点亮。·Ｄ３、Ｄ４：串口收发指示灯，直接连接ＳＰ３２３２的ＴＸＤ、ＲＸＤ管脚，在串口通信中有数据收发时ＬＥＤ会闪烁。·Ｄ５－电源指示灯，有３．３Ｖ电源输入时点亮。４．７滤波模块滤波器的功能主要是让一定频率范围的信号通过，而将次品率范围之外的信号加以抑制或者使其急剧衰减。本设计的ＲＣ带通滤波器如图４—１２所示：ｉ＿２ＣＪ｝Ｏ一—８ｐ一［ｒ’Ｏ’Ｏ图４．１２ＲＣ带通滤波器电路图’Ｏ３５青岛理工大学工学硕士学位论文通过ＡＤＳ２００９仿真后的结果如图４．１３和图４．１４所示：…一一一窝ＳＰｌ．一．釉归ｑＯ啦．Ｓ协口司ｎＯＧＨＥ§ｌｅ诘０．１６眨１＿ｅ柏‘＿。ｉ‘ｊ晷ｍａ２’。’’．№ｎ＃２．．一２－５００ｈｍ．．图４．１３ＡＤＳ２００９中仿真的原理图图４－１４带通滤波器的Ｓ１２与￥２１特性由仿真图可知，频率在１．５—３ＧＨｚ的信号允许通过，对在其他范围的信号很好的抑制掉，达到了设计需要的滤波效果。４．８本章小结本章主要阐述］＂Ｚｉｇｂｅｅ温湿度采集系统各个模块及硬件电路设计，并对部分模块进行了仿真实验，从而为下章的软硬件的结合，以及系统功能的实现做铺垫。３６第五章Ｚｉｇｂｅｅ温湿度监测系统的软硬件设计与实现本章主要介绍Ｚｉ曲ｅｅ温湿度监控系统的原理图设计、ＰＣＢ设计、ＳＴＭ３２Ｗ１０８单片机程序编写以及上位机程序的编写。在本次设计中原理图使ｃａｄｅｎｃｅｔ４１４３】进行原理图与ＰＣＢ的设计，其中使用Ｏｒｃａｄ进行原理图设计、ａｌｌｅｇｒｏ进行ＰＣＢＩ构设计；ＳＴＭ３２Ｗ１０８的程序使用ＩＡＲ基于意法半导体所提供的ＳＴＳｉｍｐｌｅＭＡＣ１．１．０库进行编写；使用Ｃ撑完成上位机的演示程序。５．１ｃａｄｅｎｃｅ电路板设计软件介绍ＣａｄｅｎｃｅＤｅｓｉｇｎＳｙｓｔｅｍｓＩｎｃ是全球最大的电子设计技术（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｓｉｇｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）、程序方案服务和设计服务供应商。其主要包含两部分软件一原理图软件和ＰＣＢＬａｙｏｕｔ软件。其中原理图软件是Ｃａｄｅｃｅ公司收购的Ｏｒｃａｄ，ＰＣＢ为ａｌｌｅｇｒｏ。ＬａｙｏｕｔＯＲＣＡＤ软件是由ＯＲＣＡＤ公司在８０年代末推出的ＥＤＡ软件，现在是世界上使用最广的ＥＤＡ软件，每天都会被上百万的电子工程师使用，与其他ＥＤＡ软件相比，它的功能强大，但由于ＯＲＣＡＤ软件含有防盗功能，因此，在国内并不普及。在ＰＣＢ铝ｔＪ作方面，相对于ＰＡＤＳ、Ｐｒｏｔｅｌ，Ａｌｌｅｇｒｏ的优势是可应用与高速、高密度ＰＣＢ设计，其分析功能强大，大多数计算机主板都是利用该平台设计与制作的。随着电子产品高速化的发展，低速ＰＣＢ已经很难满足高速电子产品的规范和要求。如果硬件研发人员依靠经验去布线，会造成研发周期过长，浪费财力物力，生产出来的产品不稳定等问题。通常，高低速ＰＣＢ的信号线必须按照传输线理论设计，否则会严重影响信号的完整性。Ｃａｄｅｎｃｅ平台是一个非常实用的、用于高速电路设计及信号完整性分析的软件。利用这个仿真软件可以完成原理图设计、原理图仿真（ＰＳｐｉｃｅ），并能够根据层叠的排序、ＰＣＢ的介电常数、介质的厚度、信号层所处的位置以及线宽等，来判断某－－ＰＣＢ线条是否属于微带线、带状线、或宽带耦合带状线，并根据不同的计算公式自动计算出信号线的阻抗及信号的反射、串扰、电磁干扰等，从而可以对布线进行约束，以保证ＰＣＢ的信号完整性。３７５．２Ｚｉｇｂｅｅ温湿度采集系统原理图及ＰＣＢ设计在本设计中采用了核心板与底板配合的形式，这样做的目的是为了以后底板扩展功能；核心板为四层阻抗板，价格比较高，所以做好之后不轻易改动。５．２．１核心板原理图及ＰＣＢ板图核心板主要完成ＳＴＭ３２Ｗ１０８单片机的最小系统的设计及射频部分Ｂａｌｕｎ变换、滤波网络及阻抗匹配、管脚的引出设计等。原理图如５．１所示：弑｜ｌ｜曩｜于急鬟墓塑一图５—１ＳＴＭ３２Ｗ１０８原理图该原理图中，最右侧的Ｈ１为接插件是与底板通信的桥梁。该接插件将底板的电源引入的核心板，并将核心板的接口提供给底板。中心的Ｕ３为ＳＴＭ３２Ｗ１０８单片机，依次往左为巴伦变换模块、滤波模块、射频天线选择芯片、阻抗匹配模块、天线。本设计采用四层ＰＣＢ电路板，基本满足对于射频电路差分线１００欧姆阻抗及单端线５０欧姆阻抗的要求。电路采用Ｃａｄｅｎｃｅ的自动阻抗计算功能，如图５．２所示为本电路板的层叠结构以及为了满足差分阻抗１００欧姆单端阻抗５０欧姆所需要的走线宽度。３８青岛理工大学工学硕士学位论文图５—２核心板层叠结构从图中可以看到当ＰＣＢ导线宽度为８ｍｉｌ是单端阻抗匹配至，ＪＴ５４．８７１欧姆，差分阻抗匹配到了９９．７８５欧姆。该核心板因为元件比较密集，射频部分的传输线还有５０欧单端阻抗、１００欧差分阻抗的要求，所以采用手动布线方式，先布线射频部分，然后在进行其它部分的布线，以使性能最优。原［］Ｌａｙｏｕｔ成ＰＣＢ后，覆铜前和覆铜后分别如图５．３和图５．４所示：图５—３核心板未覆铜之前３９图５．４核心板覆铜后经加工焊接后的核心板如图５．５所示：图５—５制作完成后的核心板样板５．２．２底板原理图及ＰＣＢ板图底板主要完成电源模块、指示模块、调试模块、串口通信模块、ＤＨＴｌｌ温湿度采集模块的制作。原理图如图５．６所示：青岛理工大学工学硕士学位论文图５．６底板原理图因为底板要求不是很高，所以直接采用自动布线方式进行完成，完成后电路板板图如图５．７、图５．８所示：图５．７底板覆铜前４ｌ青岛理工大学工学硕士学位论文图５—８底板覆铜后经加工出厂后的底板，如图５．９示：图５．９底板样板经焊接组装后，本文所用到的Ｚｉｇｂｅｅ系统模块如图５—１０示：４２图５－１０Ｚｉｇｂｅｅ组装系统５．２．３性能测试为了验证核心电路板与底板的性能，在青岛理工大学的操场进行了实地测试，测试时要求数据丢包率不超过５％。当天天气晴朗，微风，使用的测试代码如下：Ｉｎｔｉ＿Ｏ：Ｗｈｉｌｅ（１）｛Ｐｆｉｎｔｆ（％ｄ，ｉ＋＋）；ｄｅｌａｙ＿ｍｓ（１０００）；）测试结果如表所示：４３青岛理工大学工学硕士学位论文表５．１天线测试结果ＰＣＢ天线．－ＰＣＢ天线１３０米ＰＣＢ天线．－２ｄＢｉ鞭状天线１７０米２ｄＢｉ鞭状天线一２ｄＢ鞭状天线２００米另外在实验室环境下测试ＰＣＢ天线．ＰＣＢ天线时信号能够穿越２层楼板，即在１楼可以以较高的丢包率接收到４楼传输的信号。通过测试发现，该核心板的性能良好，满足使用条件。５．３Ｚｉｇｂｅｅ温湿度采集系统软件设计本设计的软件设计主要包含ＳＴＭ３２Ｗ１０８的单片机程序的编写以及Ｃ群上位机的程序编写。５．３．１ＳＴＭ３２Ｗ１０８单片机程序本程序的设计主要基习：ｓｉｍｐｌｅＭＡＣ协议栈中的ｔａｌｋ程序进行的开发，单片机的主要的初始化配置基本都已写好，作者主要工作是根据ＤＨＴｌｌ的时序图完成ＳＴＭ３２Ｗ１０８读取ＤＨＴｌｌ温湿度及发送温度及接受温度的过程。１）ＳＴＭ３２Ｗ１０８Ｚｉｇｂｅｅ单片机工作流程＜开始＞山初始化硬件层上播放随机数生成器、王，使能中断、定时器山初始化串口通信山唤醒无线模块、Ｌ校准无线模块也设置无线模块信道、Ｊ：３０－率、Ｌ发送数据包和管理传送回调山接收数据包图５－１１Ｚｉｇｂｅｅ单片机工作流程青岛理工大学工学硕士学位论文本程序主要在定时器中完成ＤＨＴｌｌＩ拘读取工作，然后将数据保存如全局变量供给程序发送使用。定时器代码如下：ｖｏｉｄＴＩＭＥＲｌＣｏｎｆｉｇｒａｔｉｏｎ（ｖｏｉｄ）｛ＴＩＭｌ—ＯＲ＝０；ＴＩＭｌ一ＰＳＣ＝１２；／／３ＭＨｚＴｉｍｅＣｏｌｏｃｋＴＩＭｌ一ＣＲｌＩ＝ＴＩＭ＿ＵＲＳ；ＴＩＭｌ一ＣＮＴ＝０；ＴＩＭｌ一ＡＲＲ＝３木２９３０；／／２９３０为１ｓ的定时器木３代表３秒ＭｊＩＭｌＣＦＧ＝ＩＮｌｊＩＭＵＩＦ；／／ｅｎａｂｌｅｉｎｔｅｒｒｕｐｔＩＮＴ—ＣＦＧＳＥＴＩ－ＩＮＴ．－ＴＩＭ１；ＴＩＭｌ一ＣＲｌＪ＿ＴＩＭ＿ＣＥＮ；＞ｖｏｉｄｈａｌＴｉｍｅｒｌｌｓｒ（ｖｏｉｄ）／／定时器回调函数｛ＩＮＴ－ＴＩＭｌＦＬＡＧ＝ＩＮＴ＿ＴＩＭＵＩＦ；／／清标志ＲｅａｄＤＨＴｌ１０；）本程序的最终发送时在ｍａｉｎｉ函数中进行，依靠系统［拘ＳｙｓＴｉｃｋ定时器进行计数定时，达到规定时间后进行数据发送，在该例中使用的是１分钟发送一次：ｉｆ（（ｈａｌＣｏｍｍｏｎＧｅｔＩｎｔｌ６ｕＱｕａｒｔｅｒＳｅｃｏｎｄＴｉｃｋ０－ｔｉｍｅｃｏｕｎｔ＞＝６０球４））｛ａａ＝ｔａａ；ｈａｌＧｐｉｏＳｅｔ（ＰＯＲＴｘ＿ＰＩＮ（ＰＯＲＴＢ，７），哪；ｉｆ（ＴＨ＿ＳＥＮＳＯＲ｛ｐｒｉｎｔｆ（”０”）；）ＩＯ／／信号指示灯显示ＤＡＴＡ（）－一Ｏ）ｅｌｓｅ｛研ｎｔｆ（”１”）；｝ｉｆ（ＲｅａｄＤＨＴ１１０）｛ｐｒｉｎｔｆ（”Ｔｍｅｐｅｒ：％ｄ，％ｄ，％ｄ，％ｄ，％ｄ”，ｔｄａｔａ［０］，ｔｄａｔａ［１］，ｔｄａｔａ［２］，ｔｄａｔａ［３］，ｃｈｅｃｋ）；４５青岛理工大学工学硕士学位论文ｊｅｌｓｅ｛ｐｒｉｎｔｆ（”Ｅ”）；）ｐｒｉｎｔｆ（”Ｔｍｅｐｅｒ：％ｄ，％ｄ，％ｄ，％ｄ，％ｄ，％ｄ”，ｔｄａｔａ［Ｏ］，ｔｄａｔａ［１］，ｔｄａｔａ［２］，ｔｄａｔａ［３］，ｓｕｎｌ，ｃｈｅｃｋ）；ｂｕｆｆｅｒ［０］＝０ｘ９９；ｂｕｆｆｅｒ［１］－－ｔｄａｔａ［０］；ｂｕｆｆｅｒ［２］－－ｔｄａｔａ［１］；ｂｕｆｆｅｒ［３］－－ｔｄａｔａ［２］；ｂｕｆｆｅｒ［４］－－ｔｄａｔａ［３］；ｓｅｎｄＤａｔａ（５．ｂｕｆｆｅｒ，ＴＹＰＥ＿ＳＥＲＩＡＬ）；ｔｉｍｅｃｏｕｎｔ＝ｈａｌＣｏｍｍｏｎＧｅｔＩｎｔｌ６ｕＱｕａｒｔｅｒＳｅｃｏｎｄＴｉｃｋ（）；）２）ＤＨＴｌｌ数据的读取。ＤＨＴｌｌ数据的读取主要依据ＤＨＴｌｌ芯片ｄａｔａｓｈｅｅｔ所给的时序图，这个相对麻烦一些。ＤＨＴｌｌ时序图如图５．１２所示：—＿一主＃收开－一—＿一ＩⅡｒｒ响应—一—．＿数据ｗ．一Ｉ始信号【输出鏊萋稀鼹尊挂Ｖ—ＣＣ－－－＿弋二二／弋＝≥■虻厂＇ｊ广■■Ｌ厂单再鲮·釜嘉莩侍Ｌ一墨薯嚣鐾Ｌ一戥静。．０搿图５—１２ＤＨＴｌｌ时序图编写ＳＴＭ３２Ｗ１０８读取ＤＨＴｌｌ程序流程图如下图５．１３、５．１４所示：青岛理工大学工学硕士学位论文图５－１３单片机与ＤＨＴｌ１握手流程４７青岛理工大学工学硕±学位论文图５—１４将ＤＨＴ］１发送的四个自己数据一次性存入Ｔｄａｔａ５．３．２上位机程序的编写上位机程序采用ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉ０２００８ｃ拌语言进行开发，主要实现温湿度数据的显示功能。该程序的流程图如图５．１５所示：青岛理工大学工学硕士学位论文初始化串口，并且开启串口回调线程开启数据处理线程１Ｌ将数据显示如温度计控件以及图表控件图５—１５上位机流程图其中串口接收程序的代码如下：ｐｆｉｖａｔｅｖｏｉｄｐｏｒｔ＿ＤａｔａＲｅｃｅｉｖｅｄ（ｏｂｊｅｃｔｓｅｎｄｅｒ，ＳｅｒｉａｌＤａｔａＲｅｃｅｉｖｅｄＥｖｅｎｔＡｒｇｓｅ）｛Ｔｈｒｅａｄ．Ｓｌｅｅｐ（１００）；ｍ—ｂｕｆｆ—ｃｏｕｎｔ＝ｐｏｒｔ．ＢｙｔｅｓＴｏＲｅａｄ；Ｆｌａｇ＿ＳＰ＿Ｂａｃｋ２ｔｒｕｅ；ｐｏｒｔ．Ｒｅａｄ（ｂｕｆｆ＿ＳＰ，０，ｍ＿ｂｕｆｆ＿ｃｏｕｎｔ）；１』ＳＡＲＴ＿ＳＥＬＥＣＴ＝ｎｅｗＴｈｒｅａｄ（ｎｅｗＴｈｒｅａｄＳｔａｒｔ（Ｔｈｒｅａｄ＿Ｓｈｏｗ＿Ｔｅｍｐｅｒｔｕｒｅ））；￡∽ＳＡＲＴ＿ＳＥＬＥＣＴ．Ｓｔａｒｔ０；）温湿度数据处理及界面显示代码如下：ｐｒｉｖａｔｅｖｏｉｄＴｈｒｅａｄ＿Ｓｈｏｗ＿Ｔｅｍｐｅｒｔｕｒｅ０｛Ｓｙｓｔｅｍ．Ｗ＇ｍｄｏｗｓ．Ｆｏｒｍｓ．Ｃｏｎｔｒ０１．ＣｈｅｃｋＦｏｒｌｌｌｅｇａｌＣｒｏｓｓＴｈｒｅａｄＣａＵｓ＝ｆａｌｓｅ；ｉｆ（Ｆｌａｇ＿ＳＰ＿Ｂａｃｋ）｛ｊ＋＋；ｔｅｘｔＢｏｘ１．Ｔｅｘｔ２ｍ＿ｂｕｆｆ＿ｃｏｕｎｔ．ＴｏＳｔｒｉｎ９０；ｔｅｘｔＢｏｘ２．Ｔｅｘｔ＝ｂｕｆｆ＿ＳＰ［０］．ＴｏＳｔｒｉｎｇＯ；ｔｅｘｔＢｏｘ３．Ｔｅｘｔ＝－ｊ．ＴｏＳｔｒｉｎ９０；ｉｆ（ｍ＿ｂｕｆｆ＿ｃｏｕｎｔ一５＆＆ｂｕｆｆ＿ＳＰ［Ｏ］一１５３）４９青岛理工大学工学硕士学位论文ｍ＿Ｈｕｍｉｄｉｔｙ＝ｂｕｆｆ＿ＳＰ［１］；ｍ＿Ｔｅｍｐｅｒｔｕｒｅ２ｂｕｆｆ＿ＳＰ［３］；ＡＴ－Ｈｕｍｉｄｉｔｙ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ＝ｂｕｆｆ＿ＳＰ［１］；／／湿度计显示湿度ＡＴ＿Ｔｅｍｐｅｒｔｕｒｅ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ＝ｂｕｆｆ＿ＳＰ［３］；／／＇温度计显示温度ａｂｅｌ３．Ｔｅｘｔ＝ｍ＿Ｈｕｍｉｄｉｔｙ．ＴｏＳｔｒｉｎｇ（）＋”。”；／／在文本框中显示适度数值ａｂｅｌ４．Ｔｅｘｔ＝ｍ＿Ｔｅｍｐｅｒｔｕｒｅ．ＴｏＳｔｒｉｎｇ（）＋”。Ｃ”；１１在文本框中显示温度数据ｄａｔｅ＝ＤａｔｅＴｉｍｅ．ＮＯＷ．Ｈｏｕｒ木１００００＋ＤａｔｅＴｉｍｅ．Ｎｏｗ．Ｍｉｎｕｔｅ木１００＋ＤａｔｅＴｉｍｅ．Ｎｏｗ．Ｓｅｃｏｎｄ；Ｈｕｍｉｄｉｔｙ．ｍｙ（ｄａｔｅ，ｍ＿Ｈｕｍｉｄｉｔｙ）；／／在曲线图中描点湿度Ｔｅｍｐｅｒｔｕｒｅ．ｍｙ＿Ｔｅｍｐｅｒｔｕｒｅ（ｄａｔｅ，ｒｎ＿Ｔｅｍｐｅｒｔｕｒｅ）；／／在曲线图中描点温度Ｆｌａｇ＿ＳＰ＿Ｂａｃｋ＝ｆａｌｓｅ；｝）主界面程序图如图５．１６所示：文件∞●哺∞硼∞项目．＆：未｜．聋．星．曼。兰．鱼：坚：二：＿！ｊＪ圊烈二：二：ｉ夏二］串口酶妻！篓登！凰竺￡．：磷ｉ芒鬲ｉｒ葡并＿语菌两ｒ一—一——…——————圆图５—１６上位机主程序界面５０青岛理工大学工学硕士学位论文５．４Ｚｉｇｂｅｅ系统数据采集显示进过调试，试验，系统能很好的显示系统采集的温湿度数据，如图５—１８所示，左边显示的室内湿度图表，右图显示的室内温度图表，在本文设计中采用３秒采集一次室内温湿度数据，采集的温湿度界面如图５－１７所示：Ｈ‘一业：：竺坐：：竺．苎图５－１７Ｚｉｇｂｅｅ温湿度采集界面图“Ⅲ’“ｃ；‘５．５本章小结本章主要完成了电路板的制作、焊接、编程、调试，并最终完成了整个温湿度采集系统的所有设计。包括硬件、软件以及上位机程序的设计，主要涉及了高频电路制板、差分阻抗、单端阻抗在四层电路板中的配置、ＰＣＢ天线制作及仿真等。５１第六章总结与展望６．１总结在现代社会，随着半导体技术与计算机技术的发展，物联网中物物互联的观念深入到了人们的脑海中，人们越来越希望能够了解并控制周围环境中的各个因素的变化，使其能够为人类提供更加惬意舒心的服务。本文就是采用低功耗的Ｚｉｇｂｅｅ无线传感器技术，对周围环境的温湿度进行监控。其显著特点是低功耗与无线传输，避免了铺设线路的繁琐，并通过上位机软件实时监控周围环境的温湿度，具有极大的应用价值。在本论文中作者主要完成了整个系统的设计与规划，Ｚｉｇｂｅｅ单片机及外围元器件的选型、核心电路板的绘制、射频信号阻抗匹配、ＰＣＢ天线设计、底层电路板的绘制、ＺｉｇＢｅｅ温湿度监测系统单片机程序的编写、Ｃ撑上位机程序的编写等，最后进行了相关性能的测试。６．２展望本文虽然完成了设计的初衷，但是在设计过程中及使用后发现还是有一些需要改进的地方。比如数据在采用点对点收发时会出现数据延迟、从睡眠中醒来发出前几个数据包会有接收不完全的情况，但是在连续收发时不会出现，这个问题需要进一步的研究。因为时间仓促，Ｃ撑的上位机软件做的还不够完美，现在仅仅是完成了数据显示的功能，将来可以将数据存入数据库，以备以后需要查询时能够查询的到。５３青岛理工大学工学硕士学位论文参考文献【１】高芳．温湿度实时监测与报警系统的设计与实现［Ｄ】．保定：河北大学，２００５［２】张智．基于单片机的日光温室控制系统的设计叨．微计算机信息２００６，２（１２）：７７－７８仇焕广，邓祥征，战金艳等．精确农业分布式数据采集与空间决策分析系统的设计［Ｊ】，农业工程学报，２００５，２１（１０）：１０９－１０２周国祥，周俊，苗玉彬等．基于ＧＳＭ的数字农业远程监控系统研究与应用［Ｊ】，农业工程学报，２００５，２１（６）：８７—９１［５］崔世安．农业结构调整与农业工程技术．农业工程学报Ｖ０１．１６（１），２０００［６】杨启耀．温室环境智能控制技术的研究［Ｄ】．硕士学位论文，安徽农业大学，２００２［７】于海业等．发达国家温室设施自动化研究的现状【Ｊ】．农业工程学报，１９９７．１３（增刊）【８］邓璐娟，冯巧玲，李淑君等．只能温室环境控制的研究现状与发展方向［Ｊ］．郑州轻工业学院学报（自然科学版），２００３，１８（４）：２０—２３［９】崔引安．农业生物环境工程［ＭＩ．北京：农业出版社，１９９４［１０】王耀林．国内外设施农业现状及发展趋势［Ｊ】冲国农业科学，２００１（３４）：９６－１００［１１】齐文新，周学文．分布式智能型温室计算机控制系统的一种设计与实现［Ｊ］．农业工程学报，２００４，２０（１）：２４６－２４９【１２】李萍萍，毛罕平，王多辉等．智能温室综合环境因子控制技术效果及合理的环境参数研究【Ｊ】．农业工程学报，１９９８（３）：１９７－２０１【１３】汪永斌，吕昂等．温室群全数字式温度和湿度综合控制系统［Ｊ】．农业机械学报，２００２，３３（５）：７１—７４［１４】董乔雪，王一鸣．温室计算机分布式自动控制系统的开发（Ｊ）．农业工程学报，２００２，１８（１４）：９４－９７［１５】左志宇，毛罕平，李俊．基于１１１ｔｅｍｅｔ温室环境控制系统研究设－；ｇｒ［Ｊ］．农机化研究，２００３（４）：１０４－１０７［１６１杜尚丰．温室环境温度智能控制算法研究叨．计算机测量与控制，２００３，１１（１１）－８５０．８５２【１７】潘强．华北型（双层充气）连栋朔料温室环境数值模型研究［Ｄ］．博士学位论文，中气Ｓ青岛理工大学工学硕士学位论文国农业大学，２０００【ｌ８】李兆丽．温室微气候数学建模与动态模拟［Ｄ】．硕士学位论文，天津大学，２００４［１９】彭捍东，张敏．温室环境神经网络建模与自适应模糊控制算法研究叨．曲阜师范大学报，２００４，３０（３）：１１—１３【２０］李树海．华北型连栋温室热环境模型［Ｄ】．硕士学位论文，中国农业大学，２００３【２１］陈教料．温室小气候的建模及其智能控制研究【Ｄ】．硕士学位论文，浙江工业大学，２００４［２２】胥芳，陈教料．玻璃温室小气候温湿度动态模型的建立与仿真叨．农业机械学报，２００５，３６（１１）：１０２－１０５［２３］王定成，方廷健，马永军．现场总线与温室智能控制的设计方案［Ｊ］．农业工程学报，２００２，１８（６）：１１５－１１７［２４］何黎明．基于现场总线的温室分布式控制系统【Ｊ］．计算机工程，２００２，２８（４）：２２２．２２３［２５】晏立．基于ＺｉｇＢｅｅ的温湿度传感器研究［Ｄ］．硕士学位论文，上海交通大学，２００９［２６］ＩＥＥＥＳｔｄ８０２．１５．４—２００３：ＷｉｒｅｌｅｓｓＭｅｄｉｕｍｆｏｒＬｏｗ－ＲａｔｅＡｃｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌ（ＭＡＣ）ａｎｄＰｅｒｓｏｎａｌＡｒｅａＰｈｙｓｉｃａ１ｌａｙｅｒ（ＰＨＹ）ＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓＷｉｒｅｌｅｓｓＮｅｔｗｏｒｋｓ（ＬＲ－ＷＡＰＮＳ）［ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｅｅｅ８０２．ｏｒｇ／１［２７］Ｖｉｓｗａｎａｔｈａｎ—ｅｅ５／ｐｕｂ／ＴＧ．４ｈｔｍｌＡ，Ｂｏｕｌｔ，Ｔ，Ｅ，Ｔｒｅｅ－ＢａｓｅｄＤａｔａＢｒｏａｄｃａｓｔｉｎＩＥＥＥ８０２．１５．４Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，ＩＥＥＥａｎｄＺｉｇＢＮｅｔｗｏｒｋｓ，ＭｏｂｉｌｅＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＯｎＶｏｌｕｍｅ５，Ｉｓｓｕｅ１ｌ，Ｎｏｖ２００６［２８】李红，基于ＺｉｇＢｅｅ技术的无线传感器网络的研究［Ｄ】．硕士学位论文，北工业大学，２００８【２９］安庆敏．基于ＺｉｇＢｅｅ的无线抄表系统及标准制定方法的研究．硕士学位论文，江大学，２００８【３０１盛振华．电磁场微波技术与天线［Ｍ］．西安电子科技大学出版社，１９９５［３１］廖承恩．微波技术基础［Ｍ］．西安电子科技大学出版社，２０１１［３２】王增和．电磁场与电磁波［Ｍ］．电子工业出版社，２００１［３３］高建平，张芝贤．电波传播（电磁理论基础·微波技术·天线基础）［Ｍ】．西北工业大学出版社，２００２【３４］马汉炎．天线技术［Ｍ］．哈尔滨工业大学出版社，１９９７５６青岛理工大学工学硕士学位论文［３５］ＲＩ］学观，郭辉萍．微波技术与天线［Ｍ】．西安电子科技大学出版社，２００１［３６］康行健．天线原理与设计［Ｍ】．北京理工大学出版社，１９９３【３７］本书编写组．Ｃａｄｅｎｃｅ电路设计案例精解．机械工业出版社，２０１０［３８】冯新宇，车向前，穆秀春．ＡＤＳ２００９射频电路设计与仿真．电子工业出版社，２０１０［３９］沈建华，郝立平．ＳＴＭ３２Ｗ无线射频ＺｉｇＢｅｅ单片机原理与应用．北京航空航天大学出版社，２０１０［４０】邵鹏．高速电路设计与仿真分析：ａｄｅｎｃｅ实例设计详解．电子工业出版社，２０１０［４１］周润景等．Ｃａｄｅｎｃｅ高速电路板设计与仿真．电子工业出版社，２０１１［４２】李明洋．ＨＦＳＳ电磁仿真设计与应用详解．人民邮电出版社，２０１０［４３】莫小锦，周严．基于射频技术与无线网络的温湿度远程监测系统［Ｊ】．传感器学报，２０１１，２４（１０）：１５０１－１５０５【４４］Ｙｏｕｎｇ—ＤｕｋＫｉｍ，Ｙａｎｇ，Ｙｅｏｎ—Ｍｏ，Ｋａｎｇ，Ｗｏｎ－Ｓｅｏｋ，Ｋｉｍ，Ｄｏｎｇ－Ｋｙｕｎ．Ｏｎｔｈｅｄｅｓｉ－印ｏｆｂｅａｃｏｎｂａｓｅｄｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｆｏｒａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｅｍｅｒｇｅｎｃｙｍｏｎｉｔｏ－ｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｕｔｅｒＳｔａｎｄａｒｄｓ＆ａｍｐ；Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ，２０１１，５（０）【４５】李胜朝．基于Ｃａｄｅｎｃｅ的信号完整性设计及其在嵌入式系统中的应用［Ｄ】．浙江工业大学硕士学位论文，２００９【４６］ＣａｄｅｎｃｅＤｅｓｉｇｎＳｙｓｔｅｍＩｎｃ．ＳＰＥＣＣＴＲＡＱｕｅｓｔＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ［Ｚ］．２００３［４７］ＬｉｕＹａｎｇｆｅｉ，ＷａｎｇＣｈｅｎｇ，ＹｕＣｈｅｎｇｂｏ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＺｉｇＢｅｅＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒｓＮｅｔｗｏｒｋＢａｓｅｄｏｎＭｏｄｂｕｓＰｒｏｔｏｃｏｌ［Ｊ］．２００９［４８］ＺｉｇＢｅｅＡｌｌｉａｎｃｅ．ＺｉｇＢｅｅＤｏｃｕｍｅｎｔ０５３４７４ｒ１７：ＺｉｇＢｅｅＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ，２００８［４９］ＩＥＥＥ８０２．１５．４ＷｉｒｅｌｅｓｓＭｅｄｉｕｍＡｃｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌ（ＭＡＣ）ａｎｄＰｈｙｓｉｃａｌＬａｙｅｒ（ＰＨⅥＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｆｏｒＬｏｗ－ＲａｔｅＷｉｒｅｌｅｓｓＰｅｒｓｏｎａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋｓ（ＬＲＷＰＡＮｓ），ＩＥＥＥ，ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００６［５ＩＤ】周武斌，罗大庸．ＺｉｇＢｅｅ路由协议的研究．计算机工程与科学．２００９，３１（６）：１２～１４【５ｌ】中国科学院计算机研究所无线传感器网络研究宝Ｊｔ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／—ｗｗｗ．ｅ—ａｓｉｎｅｔ．ｃａ，２０１０—８—７［５２】周慧玲，陈子夫等．基于ＺｉｇＢｅｅ协议的无线粮仓测温节点的研究与实现川．仪器仪表学报，２００７（８）：２９５～２９８【５３１ＲｅｈｍａｎＡｑｅｅｌＵｒ，Ａｂｂａｓｉ，ＡｂｕＺａｆａｒ，Ｉｓｌａｍ，Ｎｏｍａｎ，Ｓｈａｉｋｈ，ＺｕｂａｉｒＡｈｍｅｄ．Ａｒｅｖｉｅｗｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｓａｎｄｎｅｔｗｏｒｋｓ’ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ５７青岛理工大学工学硕士学位论文Ｓｔａｎｄａｒｄｓ＆ａｍｐ；Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ，，，２０１１，４（０）［５４］ＩａｎＥＡｋｙｉｌｄｉｚ，．Ｓｔｕｎｔｅｂｅｃｋ，ＥｒｉｃｈＲＷｉｒｅｌｅｓｓｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ：Ｒｅｓｅ—ａｒｃｈｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ［Ｊ］．ＡｄＨｏｃＮｅｔｗｏｒｋｓ，２００６，４（６）：６６９—６８６【５５】王琳．温室无线传感器网络监测系统研究与实现［Ｄ】．北京邮电大学，２００７【１５６］ＲａｕｌＭｏｒａｉｓ，Ｆｅｍａｎｄｅｓ，ＭｉｇｕｅｌＡ，Ｍａｔｏｓ．，ＳａｍｕｅｌＧＰ．Ｊ．Ｓ．ＧＲｅｉｓ，Ｍ．Ｊ．Ｃ．Ｓ．ＡＳｅｒｏｄｉｏ，Ｃａｒｌｏｓ，Ｆｅｒｒｅｉｒａ，ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｆｏｒａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｉｎＺｉｇＢｅｅｍｕｌｔｉ－ｐｏｗｅｒｅｄｗｉｒｅｌｅｓｓｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｐｒｅｃｉｓｉｏｎｖｉｔｉｃｕｌｔｕｒｅ［Ｊ］．ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，２００８，６２（２）：９４－１０６［５７】王淑珍．基于ＺｉｇＢｅｅ技术的绿地自动灌溉控制系统的研究与实现［Ｄ］．浙江大学，２０１０【５８］Ｈａｎ．Ａ．Ｈ．，ＶｉｒｔｕａｌＡＲＭＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＰｌａｔｆｏｒｍｆｏｒｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍｄｅｖｅｌｏｐｅ［Ｃ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＡｕｄｉｏ，ＬａｎｇｕａｇｅａｎｄＩｍａｇｅＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｊｕｌｙ７－９，２００８：５８６，、，５９２［５９】吴呈瑜，孙运强．基于ＺｉｇＢｅｅ技术的短距离无线数据传输系统【Ｊ］．仪表技术与传【６０］郭朗．基于删的嵌入式系统设计【Ｄ］．电子科技大学，２００７【６１】王建．ＺｉｇＢｅｅ组网技术的研究【Ｊ】．仪表技术，．２００８，（０４）：１８－１９感器，２００８，（０５）：５—６５８青岛理工大学工学硕士学位论文攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作［１】周立俭，李俊伟，刘运杰．基于小波和机工程与设计，Ｕｎｄｅｒｖｉｅｗ．（中文核心［２】刘运杰，周立俭，李俊伟．一种基于ＤＣＴ数字水印新算法．电脑知识与技术．２０１１．０７（２６１方法【Ｊ】．计算５９青岛理工大学工学硕士学位论文致谢在本论文完成之际，谨向所以关心、指导和帮助我的老师、同学和亲友们致以最衷心的感谢！首先，我要深深感谢我的导师周立俭博士。在攻读硕士学位期间，周老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路、精心点拨、热忱鼓励。周老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时两年半，却给以终生受益无穷之道。在此谨向周立俭老师表示衷心的感谢和深深的敬意！感谢同门师兄李俊伟、师妹马妍妍和实验室刘海涛、王清贵、王涛、刘长征在我整个研究生学习过程中给予的鼓励和支持，正是由于经常与他们进行学术上的交流和讨论，才使我更快、更好地理解了原本晦涩难懂的专业理论知识，为本次毕业论文的撰写打下了良好的理论基础。感谢１０９班的兄弟姐妹，是他们在学习之余给予帮助，让我在青岛理工有家的感觉，谢谢他们一路走来带来的快乐，愿他们不断超越自我，活得精彩。最后，感谢所有在百忙之中抽出时间评阅本文的专家评委。６１青岛理工大学工学硕士学位论文附录核心板的原理图：６３基于STM32W108单片机温湿度监测系统的设计与实现作者：
学位授予单位：
刘运杰
青岛理工大学
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