基于能源收集和ZigBee的低功耗温湿度及重力传感器设计

摘要

ZigBee技术是一种功耗低、成本低、通信距离短、传输数据速率慢、复杂度低的双向无线通信技术，ZigBee技术可以嵌入到各种具有无线射频发送模块的微控制器中，并且可以自动组网，主要适用于短距离无线通信、自动控制和远程控制等领域。支持无线传感器网络的无线通信技术、网络技术、超微型嵌入式实时操作系统以及突发数据等若干关键技术的研究将成为未来ZigBee应用研究的趋势和热点。
　　无线传感器网络有着测量精度高、容错性强等特点，其应用场景广阔。在无线传感器网络中为了更加真实可靠采集到数据，所以传感节点个数必须要达到一定的量并且分布的区域要广泛。而现在一般的无线传感节点都是通过自身电池来供电的，这样当电池电量耗尽，该传感器网络的使用寿命也就结束了，因为通过更换电池的方法来补充能源是不现实的。近几年来可作为传统电池代替品的自给能量收集技术成为了学者的研究热点，因为能量采集技术可以很好的解决无线传感器网络能量供给问题，延长无线传感器网络的使用寿命。温湿度和重力传感器是基本的传感器之一，已广泛应用于穿戴设备中，在健康生活中有很广泛的应用。
　　本课题就是设计一种温湿度和重力传感模块，其基本要求是尽量从环境中收集能源，并尽可能的采取低功耗设计，同时具备ZigBee通信功能，以便应用于健康生活等领域，主要设计内容和特点包括：
　　1、从能源收集和低功耗两方面，分析和设计了整个模块系统。并将温湿度和重力传感器采集到的数据，通过ZigBee无线传感网络的传输，在上位机上进行显示、监测和记录。
　　2、在硬件方面，芯片的选型要采用低功耗甚至微功耗，在软件方面，进行合理的构架设计和简洁的编程方式以减少功耗。
　　3、针于ZigBee网络协议的要求，在ZigBee网络可以有效运行的前提下，尽量简化协议栈的协议层次，协议栈的操作更简单容易、通信信令方式更简练，并利用广播信息的方式来避免交互应答，减少了系统的开销并达到低功耗的目的。
　　4、针对能量收集，考虑到环境中太阳能的资源比较丰富，设计采用TI公司最新一代电源管理集成解决方案BQ25504芯片，该芯片可高效提取和管理从光源采集到微瓦(uW)至毫瓦(mW)级电量的。
　　5、上位机软件，采用C++的MFC编程，将传感器网络传输来的数据显示保存，并达到检测数据的目的。
　　最后针对健康生活中计步器的应用实例，即利用重力传感器采集到的数据，通过计步算法测量实际步数，并实时测量温湿度情况，从而对系统模块进行了整体测试，显现该模块的实用性，达到整体设计要求。

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第一章 绪论

1.1 背景与意义

1.2 研究现状

1.3 本文的主要内容

第二章 基于ZIGBEE的无线传感器网络

2.1 几种无线传感网络介绍与对比

2.2 ZigBee无线传感器网络的介绍与应用

2.3 ZigBee协议栈的分析与应用

2.4 本章小结

第三章 能量采集以及低功耗的实现

3.1 能量收集技术及实现

3.2 电源管理与低功耗的实现

3.3 本章小结

第四章 系统的硬件电路设计

4.1 主控芯片CC2530外围电路设计

4.2 能量采集芯片BQ25504电路设计

4.3 传感器芯片外围电路设计及应用

4.4 完整的系统电路设计

4.5 本章小结

第五章 芯片通信及软件设计

5.1 CC2530与加速度计ADXL362通信实现

5.2 CC2530与温湿度传感器SHT11通信实现

5.3 终端与协调器之间的通信以及协议栈中实现

5.4 CC2530与PC之间的通信以及上位机PC端的显示界面

5.5 本章小结

第六章 实验分析及计步测试

6.1 实验环境

6.2 实验结果分析

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果