嵌入式溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計

*****************實踐教學*******************蘭州理工大學計算機與通信學院2014年春季學期嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)課程設(shè)計題目：嵌入式溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計專業(yè)班級：姓名：學號：指導教師：成績：目錄TOC\o"1-4"\h\u396摘要 圖4-1所示。圖2ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖1.物理層物理層由半雙工的無線收發(fā)器及其接口組成，主要作用是激活和關(guān)閉射頻收發(fā)器；檢測信道的能量；顯示收到數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量；空閑信道評估；選擇信道頻率；數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。2.媒體訪問控制層媒體訪問控制（MAC）層建立了一條節(jié)點和與其相鄰的節(jié)點之間可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，共享傳輸媒體，提高通信效率。在協(xié)調(diào)器的MAC層，可以產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標，同步網(wǎng)絡(luò)信標；支持ZigBee設(shè)備的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)；支持設(shè)備加密；在信道訪問方面，采用CSMA/CA信道退避算法，減少了碰撞概率；確保時隙分配（GTS）；支持信標使能和非信標使能兩種數(shù)據(jù)傳輸模式，為兩個對等的MAC實體提供可靠連接。3.網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層負責拓撲結(jié)構(gòu)的建立和維護網(wǎng)絡(luò)連接，主要功能包括設(shè)備連接和斷開網(wǎng)絡(luò)時所采用的機制，以及在幀信息傳輸過程中所采用的安全性機制。此外，還包括設(shè)備的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護和轉(zhuǎn)交。并且，網(wǎng)絡(luò)層完成對一跳(one—hop)鄰居設(shè)備的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)結(jié)點信息的存儲。一個ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)建一個新網(wǎng)絡(luò)，為新加入的設(shè)備分配短地址等。并且，網(wǎng)絡(luò)層還提供一些必要的函數(shù)，確保ZigBee的MAC層正常工作，并且為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層要求能夠很好地完成在IEEE802．15．4標準中MAC子層所定義的功能，同時，又要為應(yīng)用層提供適當?shù)姆?wù)接口。為了與應(yīng)用層進行更好的通信，網(wǎng)絡(luò)層中定義了兩種服務(wù)實體來實現(xiàn)必要的功能。這兩個服務(wù)實體是數(shù)據(jù)服務(wù)實體(NLDE)和管理服務(wù)實體(NLME)。網(wǎng)絡(luò)層的NLDE通過數(shù)據(jù)服務(wù)實體服務(wù)訪問點(NLDE—SAP)來提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，NLME通過管理服務(wù)實體服務(wù)訪問點(NLME—SAP)來提供管理服務(wù)。NLME可以利用NLDE來激活它的管理工作，它還具有對網(wǎng)絡(luò)層信息數(shù)據(jù)庫(NIB)進行維護的功能。在這個圖中直觀地給出了網(wǎng)絡(luò)層所提供的實體和服務(wù)接口等。NLDE提供的數(shù)據(jù)服務(wù)允許在處于同一應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中的兩個或多個設(shè)備之間傳輸應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)。NLDE提供的服務(wù)有：產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)和選擇通信路由。選擇通信路由，在通信中，NLDE要發(fā)送一個NPDU到一個合適的設(shè)備，這個設(shè)備可能是通信的終點也可能只是通信鏈路中的一個點。NLME需提供一個管理服務(wù)以允許一個應(yīng)用來與協(xié)議棧操作進行交互。NLME需要提供以下服務(wù)：①配置一個新的設(shè)備(configuringanewdevice)。具有充分配置所需操作棧的能力。配置選項包括：ZigBee協(xié)調(diào)器的開始操作，加入一個現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)等。4.應(yīng)用層應(yīng)用層包括三部分：應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對象（ZDO）和應(yīng)用框架（AF）。應(yīng)用支持子層的任務(wù)是提取網(wǎng)絡(luò)層的信息并將信息發(fā)送到運行在節(jié)點上的不同應(yīng)用端點。應(yīng)用支持子層維護了一個綁定表，可以定義、增加或移除組信息；完成64位長地址（IEEE地址）與16位短地址（網(wǎng)絡(luò)地址）一對一映射；實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的分割與重組；應(yīng)用支持子層連接網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，是它們之間的接口。這個接口由兩個服務(wù)實體提供：APS數(shù)據(jù)實體（APSDE）和APS管理實體（APSME）。APS數(shù)據(jù)實體為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，它會拆分和重組大于最大荷載量的數(shù)據(jù)包。APS管理實體提供安全服務(wù)，節(jié)點綁定，建立和移除組地址，負責64位IEEE地址與16位網(wǎng)絡(luò)地址的地址映射[4]。ZigBee設(shè)備對象負責設(shè)備的所有管理工作，包括設(shè)定該設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色（協(xié)調(diào)器、路由器或終端設(shè)備），發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，確定這些設(shè)備能提供的功能，發(fā)起或響應(yīng)綁定請求，完成設(shè)備之間建立安全的關(guān)聯(lián)等。用戶在開發(fā)ZigBee產(chǎn)品時，需要在ZigBee協(xié)議棧的AF上附加應(yīng)用端點，調(diào)用ZDO功能以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備和服務(wù)，管理綁定、安全和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。ZDO是一個特殊的應(yīng)用對象，它駐留在每一個ZigBee節(jié)點上，其端點編號固定為0。AF應(yīng)用框架是應(yīng)用層與APS層的接口。它負責發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并為接收到的數(shù)據(jù)尋找相應(yīng)的目的端點。二系統(tǒng)分析2.1程序流程圖 開始開始系統(tǒng)時鐘初始化讀取溫濕度數(shù)據(jù)顯示溫濕度數(shù)據(jù)LCD初始化圖3軟件流程圖2.2具體步驟1、給智能主板供電（USB外接電源或2節(jié)干電池）。2、將一個無線節(jié)點模塊插入到帶LCD的智能主板的相應(yīng)位置。3、將溫濕度及光電傳感器模塊插入到智能主板的傳感及控制擴展口位置。4、將CC2530仿真器的一端通過USB線（A型轉(zhuǎn)B型）連接到PC機，另一端通過10Pin下載線連接到智能主板的CC2530JTAG口（J203）。5、將智能主板上電源開關(guān)撥至開位置。按下仿真器上的按鈕，仿真器上的指示燈為綠色時，表示連接成功。6、使用IAR7.51打開“…\OURS_CC2530LIB\lib10(HumiTempLight)\IAR_files”下的HumiTempLight.eww文件，下載運行程序。7、觀察LCD上溫度、濕度和光照強度的變化。8、用一個物體擋住光照傳感器的光線，觀察LCD上光照強度數(shù)據(jù)的變化。9、向溫濕度傳感器吹一口氣體，觀察LCD上溫濕度數(shù)據(jù)的變化。三詳細設(shè)計3.1總體軟件結(jié)構(gòu)圖溫濕度采集模塊主要包括無線傳感模塊和數(shù)據(jù)采集模塊,由數(shù)據(jù)采集模塊完成溫濕度的采集。無線傳感模塊無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計目標方面與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)有所區(qū)別，前者是以數(shù)據(jù)為中心的，后者以傳輸數(shù)據(jù)為目的。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，因為節(jié)點通常運行在人無法接近的惡劣甚至危險的遠程環(huán)境中，所以除了少數(shù)節(jié)點需要移動以外，大部分節(jié)點都是靜止不動的。在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，節(jié)點任意散落，節(jié)點除了需要完成感測特定的對象以外，還需要進行簡單的計算，維持互相之間的網(wǎng)絡(luò)連接等功能。并且由于能源的無法替代以及低功耗的多跳通信模式節(jié)，設(shè)計無線傳感節(jié)點時，有效的延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期以及節(jié)點的低功耗成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的核心問題。在節(jié)省功耗的同時增加通信的隱蔽性，避免長距離的無線通信易受外界噪聲干擾的影響，也都是在設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)時需要攻克的新難題。圖4無線傳感器節(jié)點模型無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立是基于傳感器加無線傳輸模塊的，傳感器采集的數(shù)據(jù)，簡單處理后經(jīng)過無線傳輸模塊傳到服務(wù)器或應(yīng)用終端。目標、觀測節(jié)點傳感節(jié)點和感知視場是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所包括的4個基本實體對象。另外，要完成對整個系統(tǒng)的應(yīng)用刻畫，還需要對遠程任務(wù)管理單元、外部網(wǎng)絡(luò)和用戶進行定義。大量傳感節(jié)點隨機部署，單個節(jié)點經(jīng)過初始的通信和協(xié)商，通過自組織方式自行配置，形成一個傳輸信息的單跳鏈接或一系列的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同形成對目標的感知視場。傳感節(jié)點檢測的目標信號經(jīng)過傳感器本地簡單處理后通過單播或廣播以多跳的方式通過鄰近傳感節(jié)點傳輸?shù)接^測節(jié)點。用戶和遠程任務(wù)管理單元則能夠通過衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)或Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，與觀測節(jié)點進行數(shù)據(jù)信息的交互。觀測節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布查詢請求和控制指令，接收傳感節(jié)點返回的目標信息。圖5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)無線傳輸模塊可以實現(xiàn)短距離（小于300米）的信號傳輸。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)不同需求選擇傳感器，如電壓電流、功耗、溫濕度、液面、震動、壓力等等。2.數(shù)據(jù)采集模塊溫濕度探頭直接使用IIC接口進行控制。其電路原理圖如下所示：圖6數(shù)據(jù)采集模塊電路圖本實驗將使用CC2530讀取溫濕度傳感器SHT10的溫度和濕度數(shù)據(jù)，并將采樣到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換然后再LCD顯示。其中對溫濕度的讀取是利用CC2530的I/O（P1.0和P1.1）模擬一個類IIC得過程。3.2硬件模塊設(shè)計傳感器節(jié)點由數(shù)據(jù)處理發(fā)送模塊，溫度傳感器，濕度傳感器和供電般構(gòu)成。數(shù)據(jù)處理模塊是由CC2530構(gòu)成，溫濕度采集采用溫濕度傳感器SHT10。其結(jié)構(gòu)圖如溫度采溫度采集模塊濕度采集模塊數(shù)據(jù)處理模塊電源模塊電源模塊圖7硬件結(jié)構(gòu)圖3.3編碼voidmain(){intwendu;intshidu;chars[16];UINT8adc0_value[2];floatshuzi=0;SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRYSTAL);//設(shè)置系統(tǒng)時鐘源為32MHz晶體振蕩器GUI_Init();//GUI初始化GUI_SetColor(1,0);//顯示色為亮點，背景色為暗點GUI_PutString5_7(25,6,"OURS-CC2530");//顯示OURS-CC2530GUI_PutString5_7(10,22,"Temp:");GUI_PutString5_7(10,35,"Humi:");GUI_PutString5_7(10,48,"Light:");LCM_Refresh();while(1){th_read(&tem,&hum);//從采集模塊讀取溫度和濕度的數(shù)據(jù)sprintf(s,(char*)"%d%dC",((INT16)((int)tempera/10)),((INT16)((int)tempera%10)));//將采集的溫度結(jié)果轉(zhuǎn)換為字符串格式GUI_PutString5_7(48,22,(char*)s);//顯示采集的溫濕度的結(jié)果LCM_Refresh();sprintf(s,(char*)"%d%d%%",((INT16)((int)humidity/10)),((INT16)((int)humidity%10)));//將采集的濕度結(jié)果轉(zhuǎn)換為字符串的格式GUI_PutString5_7(48,35,(char*)s);//顯示采集結(jié)果LCM_Refresh();四總結(jié)本次為期兩周的課程設(shè)計中，主要目的是設(shè)計一個基于CC2530的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個采用CC2530無線單片機進行溫濕度的數(shù)據(jù)采集，并且結(jié)合Zigbee協(xié)議架構(gòu)進行編程的設(shè)計，主要是基于CC2530的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊的設(shè)計，并在IAR集成環(huán)境開發(fā)環(huán)境中進行基于Zigbee架構(gòu)的編程，節(jié)點模塊的調(diào)試，最后，實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。。在基于Zigbee無線傳感器節(jié)點模塊上，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集，處理以及傳輸?shù)裙δ?。本設(shè)計可以實現(xiàn)在谷倉內(nèi)的溫濕度檢測，工廠廠房內(nèi)不同區(qū)域的溫濕度控制以及大面積的溫室培養(yǎng)等功能。本次課程設(shè)計的完成，讓我結(jié)道，在以后的工作中，還可以繼續(xù)從以下幾個方面著手，進行研究和改進：1、減少節(jié)點的能量消耗。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點失效，不會導致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓，減少節(jié)點的能量消耗是不可避免要面對的問題之一。2、減少路由發(fā)現(xiàn)過程中的開銷。這其實也是減少節(jié)點的能量消耗的一種措施，盡量減少在路由發(fā)現(xiàn)過程中所損失的能量。3、路由選擇。路由優(yōu)化選擇可以盡量避免不必要的路由請求的廣播以及信息傳輸，做到這一點不僅可以提高效率，也可以在減少能量消耗方面做出貢獻。五參考文獻[1]孫利民《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》.清華大學出版社.2005.[2]張拓.無線多點溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計.武漢：武漢理工大學，2009.[3]陳旭.基于zigbee的可移動溫度采集系統(tǒng).武漢：武漢科技大學，2009[3]雷純《基于ZigBee的多點溫度采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)》.自動化技術(shù)與應(yīng)用.2010，29（2）43～47.[5]王翠茹《基于ZigBee技術(shù)的溫度采集傳輸系統(tǒng)》.儀表技術(shù)與傳感器.2008.No.7.103～105.[6]景軍鋒《基于ZigBee技術(shù)的無線溫度采集系統(tǒng)》.微型機與應(yīng)用.2009.No.23.33～35.[7]《Zigbee協(xié)議棧中文說明》.[8]《IAR使用指南》.周立功單片機有限公司.[9]《Zigbee技術(shù)實用手冊》.西安達泰電子.[10]《IAR安裝與使用》.成都無線龍通訊科技有限公司.六致謝這次課程設(shè)計，給我留下了很深的印象。雖然只是短暫的兩周，但在這期間，卻讓我受益匪淺。通過這次課程設(shè)計，使我對嵌入式系統(tǒng)有了全面的認識，對課本的知識又有了深刻的理解，在之前嵌入式系統(tǒng)的學習以及完成課后的作業(yè)的過程中，對其有了一些基礎(chǔ)的了解和認識。本次經(jīng)過兩周的課程設(shè)計，讓我對嵌入式系統(tǒng)有了更深的理解，我把課上的理論知識運用到實際中去，讓我更近一步地鞏固了課堂上所學的理論知識，并能很好地理解與掌握嵌入式系統(tǒng)中的基本概念、基本原理、基本分析方法?？偟膩碚f，通過這次課程設(shè)計使我了解了嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計原理，設(shè)計步驟等方面有了了解。提高了分析和實踐能力。同時我相信，進一步加強對嵌入式系統(tǒng)的學習與研究對我今后的學習將會起到很大的幫助！在此要特別感謝我的指導老師的指導與督促，同時感謝他的諒解與包容。求學歷程是艱苦的，但又是快樂的。本文參考了大量的文獻資料，在此，向各學術(shù)界的前輩們致敬！附錄Zigbee協(xié)議棧中縮略語和簡稱：AIB應(yīng)用支持層的信息庫AF應(yīng)用框架APDU應(yīng)用支持子層協(xié)議數(shù)據(jù)單元APL應(yīng)用層APS應(yīng)用支持子層APSDE應(yīng)用支持子層數(shù)據(jù)實體APSDE-SAP應(yīng)用支持子層數(shù)據(jù)實體-服務(wù)接入點APSME應(yīng)用支持子層管理實體APSME-SAP應(yīng)用支持子層管理實體—服務(wù)接入點ASDUAPS服務(wù)數(shù)據(jù)單元BRT廣播重試計時器BTR廣播事務(wù)記錄BTT廣播事件務(wù)表CCM*CBC-MAC模式增強計數(shù)器選項CSMA-CA載波偵聽多路訪問——沖突檢測EPID擴展PANIDFFD全功能設(shè)備GTS同步時隙HDR頭NIB信息庫LQI鏈路質(zhì)量指標LR-WPAN低速率無線個人區(qū)域網(wǎng)MAC媒體訪問控制MCPS-SAP媒體訪問控制公用部分子層—服務(wù)接入點MIC消息完整性代碼MLME-SAP媒體訪問控制子層管理實體—服務(wù)接入點MSC消息序列圖MSDU介質(zhì)訪問控制子層服務(wù)數(shù)據(jù)單元MSG信息服務(wù)類型NBDT網(wǎng)絡(luò)廣播傳送時間NHLE上層實體NIB網(wǎng)絡(luò)層信息庫NLDE網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體NLDE-SAP網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)實體—服務(wù)接入點NLME網(wǎng)絡(luò)層管理實體NLME-SAP網(wǎng)絡(luò)層管理實體—服務(wù)接入點NPDU網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元NSDU