基于物聯(lián)網(wǎng)的智能倉(cāng)儲(chǔ)溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)方案

.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(wú)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(cè)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(píng)估；選擇信道頻率；數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。2.媒體訪問(wèn)控制層媒體訪問(wèn)控制〔MAC層建立了一條節(jié)點(diǎn)和與其相鄰的節(jié)點(diǎn)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(biāo),同步網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)；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(wèn)方面,采用CSMA/CA信道退避算法,減少了碰撞概率；確保時(shí)隙分配〔GTS；支持信標(biāo)使能和非信標(biāo)使能兩種數(shù)據(jù)傳輸模式,為兩個(gè)對(duì)等的MAC實(shí)體提供可靠連接。3.網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接,主要功能包括設(shè)備連接和斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)時(shí)所采用的機(jī)制,以及在幀信息傳輸過(guò)程中所采用的安全性機(jī)制。此外,還包括設(shè)備的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)和轉(zhuǎn)交。并且,網(wǎng)絡(luò)層完成對(duì)一跳<one—hop>鄰居設(shè)備的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)結(jié)點(diǎn)信息的存儲(chǔ)。一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)建一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)中MAC子層所定義的功能,同時(shí),又要為應(yīng)用層提供適當(dāng)?shù)姆?wù)接口。為了與應(yīng)用層進(jìn)行更好的通信,網(wǎng)絡(luò)層中定義了兩種服務(wù)實(shí)體來(lái)實(shí)現(xiàn)必要的功能。這兩個(gè)服務(wù)實(shí)體是數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體<NLDE>和管理服務(wù)實(shí)體<NLME>。網(wǎng)絡(luò)層的NLDE通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)<NLDE—SAP>來(lái)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù),NLME通過(guò)管理服務(wù)實(shí)體服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)<NLME—SAP>來(lái)提供管理服務(wù)。NLME可以利用NLDE來(lái)激活它的管理工作,它還具有對(duì)網(wǎng)絡(luò)層信息數(shù)據(jù)庫(kù)<NIB>進(jìn)行維護(hù)的功能。在這個(gè)圖中直觀地給出了網(wǎng)絡(luò)層所提供的實(shí)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(gè)或多個(gè)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(gè)NPDU到一個(gè)合適的設(shè)備,這個(gè)設(shè)備可能是通信的終點(diǎn)也可能只是通信鏈路中的一個(gè)點(diǎn)。NLME需提供一個(gè)管理服務(wù)以允許一個(gè)應(yīng)用來(lái)與協(xié)議棧操作進(jìn)行交互。NLME需要提供以下服務(wù)：①配置一個(gè)新的設(shè)備<configuringanewdevice>。具有充分配置所需操作棧的能力。配置選項(xiàng)包括：ZigBee協(xié)調(diào)器的開(kāi)始操作,加入一個(gè)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(duì)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(yùn)行在節(jié)點(diǎn)上的不同應(yīng)用端點(diǎn)。應(yīng)用支持子層維護(hù)了一個(gè)綁定表,可以定義、增加或移除組信息；完成64位長(zhǎng)地址〔IEEE地址與16位短地址〔網(wǎng)絡(luò)地址一對(duì)一映射；實(shí)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(gè)接口由兩個(gè)服務(wù)實(shí)體提供：APS數(shù)據(jù)實(shí)體〔APSDE和APS管理實(shí)體〔APSME。APS數(shù)據(jù)實(shí)體為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù),它會(huì)拆分和重組大于最大荷載量的數(shù)據(jù)包。APS管理實(shí)體提供安全服務(wù),節(jié)點(diǎn)綁定,建立和移除組地址,負(fù)責(zé)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(duì)象負(fù)責(zé)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(qǐng)求,完成設(shè)備之間建立安全的關(guān)聯(lián)等。用戶(hù)在開(kāi)發(fā)ZigBee產(chǎn)品時(shí),需要在ZigBee協(xié)議棧的AF上附加應(yīng)用端點(diǎn),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(gè)特殊的應(yīng)用對(duì)象,它駐留在每一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)上,其端點(diǎn)編號(hào)固定為0。AF應(yīng)用框架是應(yīng)用層與APS層的接口。它負(fù)責(zé)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(diǎn)。CC2530串口通信原理UART接口可以使用2線或者含有引腳RXD、TXD、可選RTS和CTS的4線。UART操作由USART控制和狀態(tài)寄存器UxCSR以及UART控制寄存器UxUCR來(lái)控制。這里的x是USART的編號(hào),其數(shù)值為0或者1。當(dāng)UxCSR.MODE設(shè)置為1時(shí),就選擇了UART模式。當(dāng)USART收/發(fā)數(shù)據(jù)緩沖器、寄存器UxBUF寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí),該字節(jié)發(fā)送到輸出引腳TXDx。UxBUF寄存器是雙緩沖的。當(dāng)字節(jié)傳輸開(kāi)始時(shí),UxCSR.ACTIVE位變?yōu)楦唠娖?而當(dāng)字節(jié)傳送結(jié)束時(shí)為低。當(dāng)傳送結(jié)束時(shí),UxCSR.TX_BYTE位設(shè)置為1.當(dāng)USART收/發(fā)數(shù)據(jù)緩沖寄存器就緒,準(zhǔn)備接收新的發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),就產(chǎn)生了一個(gè)中斷請(qǐng)求。該中斷在傳送開(kāi)始之后立刻發(fā)生,因此,當(dāng)字節(jié)正在發(fā)送時(shí),新的字節(jié)能夠裝入數(shù)據(jù)緩沖器。當(dāng)1寫(xiě)入U(xiǎn)xCSR.RE位時(shí),在UART上數(shù)據(jù)接收就開(kāi)始了。然后UART會(huì)在輸入引腳TXDx中尋找有效起始位,并且設(shè)置UxCSR.ACTIVE位為1.當(dāng)檢測(cè)出有效起始位時(shí),收到的字節(jié)就傳入到接收寄存器,UxCSR.RX_BYTE位設(shè)置為1.該操作完成時(shí),產(chǎn)生接收中斷。同時(shí)UxCSR.ACTIVE變?yōu)榈碗娖?。通過(guò)寄存器UxBUF提供到的數(shù)據(jù)字節(jié)。當(dāng)UxBUF讀出時(shí),UxCSR.RX_BYTE位由硬件清0。二系統(tǒng)分析該系統(tǒng)通過(guò)具有IIC總線接口的單片全校準(zhǔn)字式新型相對(duì)溫濕度傳感器SHT10實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的采集,將信號(hào)送至ZigBee技術(shù),從節(jié)點(diǎn)采集溫濕度數(shù)據(jù)每隔一定的時(shí)間輪流向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送,主節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)之后通過(guò)串口將各節(jié)點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)傳給智能主板。2.1程序流程圖開(kāi)始開(kāi)始系統(tǒng)時(shí)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(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)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(kuò)展口位置。4、將CC2530仿真器的一端通過(guò)USB線〔A型轉(zhuǎn)B型連接到PC機(jī),另一端通過(guò)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(kāi)關(guān)撥至開(kāi)位置。按下仿真器上的按鈕,仿真器上的指示燈為綠色時(shí),表示連接成功。6、使用IAR7.51打開(kāi)"…\OURS_CC2530LIB\lib10<HumiTempLight>\IAR_files"下的HumiTempLight.eww文件,下載運(yùn)行程序。7、觀察LCD上溫度、濕度和光照強(qiáng)度的變化。8、用一個(gè)物體擋住光照傳感器的光線,觀察LCD上光照強(qiáng)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(xì)設(shè)計(jì)3.1總體結(jié)構(gòu)構(gòu)成溫濕度采集模塊主要有無(wú)線模塊和數(shù)據(jù)采集模塊,由數(shù)據(jù)采集模塊完成溫濕度的采集。溫濕度及光照傳感器采集數(shù)據(jù),并把采集的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到CORTEXA8DB開(kāi)發(fā)板上。在CORTEXA8DB開(kāi)發(fā)板上通過(guò)軟件將采集到的光、濕度、溫度值通過(guò)曲線描述出來(lái)。無(wú)線傳感模塊無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)目標(biāo)方面與傳統(tǒng)的無(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,因?yàn)楣?jié)點(diǎn)通常運(yùn)行在人無(wú)法接近的惡劣甚至危險(xiǎn)的遠(yuǎn)程環(huán)境中,所以除了少數(shù)節(jié)點(diǎn)需要移動(dòng)以外,大部分節(jié)點(diǎn)都是靜止不動(dòng)的。在被監(jiān)測(cè)區(qū)域,節(jié)點(diǎn)任意散落,節(jié)點(diǎn)除了需要完成感測(cè)特定的對(duì)象以外,還需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)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(wú)法替代以及低功耗的多跳通信模式節(jié),設(shè)計(jì)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)時(shí),有效的延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期以及節(jié)點(diǎn)的低功耗成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的核心問(wèn)題。在節(jié)省功耗的同時(shí)增加通信的隱蔽性,避免長(zhǎng)距離的無(wú)線通信易受外界噪聲干擾的影響,也都是在設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要攻克的新難題。圖4無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)模型無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立是基于傳感器加無(wú)線傳輸模塊的,傳感器采集的數(shù)據(jù),簡(jiǎn)單處理后經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸模塊傳到服務(wù)器或應(yīng)用終端。目標(biāo)、觀測(cè)節(jié)點(diǎn)傳感節(jié)點(diǎn)和感知視場(chǎng)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所包括的4個(gè)基本實(shí)體對(duì)象。另外,要完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用刻畫(huà),還需要對(duì)遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元、外部網(wǎng)絡(luò)和用戶(hù)進(jìn)行定義。大量傳感節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署,單個(gè)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)初始的通信和協(xié)商,通過(guò)自組織方式自行配置,形成一個(gè)傳輸信息的單跳或一系列的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò),協(xié)同形成對(duì)目標(biāo)的感知視場(chǎng)。傳感節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的目標(biāo)信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器本地簡(jiǎn)單處理后通過(guò)單播或廣播以多跳的方式通過(guò)鄰近傳感節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)接^測(cè)節(jié)點(diǎn)。用戶(hù)和遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元?jiǎng)t能夠通過(guò)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)或Internet等外部網(wǎng)絡(luò),與觀測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交互。觀測(cè)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布查詢(xún)請(qǐng)求和控制指令,接收傳感節(jié)點(diǎn)返回的目標(biāo)信息。圖5無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)無(wú)線傳輸模塊可以實(shí)現(xiàn)短距離〔小于300米的信號(hào)傳輸。在實(shí)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(dòng)、壓力等等。3.1.2溫濕度探頭直接使用IIC接口進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(duì)溫濕度的讀取是利用CC2530的I/O〔P1.0和P1.1模擬一個(gè)類(lèi)IIC得過(guò)程。3.2硬件模塊設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)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總體結(jié)構(gòu)軟件設(shè)計(jì)3.3.1程序流程圖及核心代碼：*函數(shù)名稱(chēng)：initUART*功能描述：CC2530串口初始化**************************************************************************************************/voidinitUART<void>{PERCFG=0x00;//位置1P0口P0SEL=0x3c;//P0用作串口U0CSR|=0x80;//UART方式U0GCR|=11;//baud_e=11;U0BAUD|=216;//波特率設(shè)為115200UTX0IF=1;U0CSR|=0X40;//允許接收IEN0|=0x84;//uart0接收中斷}/***************************************************************************************************函數(shù)名稱(chēng)：UartTX_Send_String**功能描述：串口發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)**參數(shù)：*Data發(fā)送數(shù)據(jù)指針*len發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度**返回值：無(wú)**************************************************************************************************/voidUartTX_Send_String<UINT8*Data,intlen>{intj;for<j=0;j<len;j++>{U0DBUF=*Data++;while<UTX0IF==0>;UTX0IF=0;}}/***************************************************************************************************函數(shù)名稱(chēng)：HAL_ISR_FUNCTION**功能描述：串口接收數(shù)據(jù)中斷函數(shù)**參數(shù)：halUart0RxIsr中斷名稱(chēng)*URX0_VECTOR中斷向量**返回值：無(wú)**************************************************************************************************/HAL_ISR_FUNCTION<halUart0RxIsr,URX0_VECTOR>{UINT8temp;URX0IF=0;temp=U0DBUF;*<str+count>=temp;count++;}/***************************************************************************************************函數(shù)名稱(chēng)：main*功能描述：串口間歇發(fā)送.ourselec.字符串,當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù)后,再通過(guò)串口*回發(fā)出去。**************************************************************************************************/voidmain<>{UINT8*uartch=".ourselec.";UINT8temp=0;SET_MAIN_CLOCK_SOURCE<CRYSTAL>;//設(shè)置主時(shí)鐘為32M晶振initUART<>;//初始化串口while<1>{UartTX_Send_String<uartch,17>;//發(fā)送.ourselec.halWait<200>;halWait<200>;if<count>//判斷串口是否接收到數(shù)據(jù){temp=count;//保存接收的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度halWait<50>;//等待數(shù)據(jù)接收完成if<temp==count>//判斷數(shù)據(jù)是否接收完成{UartTX_Send_String<str,count>;//回發(fā)接收到的數(shù)據(jù)str=0;count=0;}}}}3.3.2開(kāi)始開(kāi)始系統(tǒng)時(shí)鐘初始化讀取溫濕度數(shù)據(jù)顯示溫濕度數(shù)據(jù)LCD初始化程序流程圖及核心代碼：voidmain<>{intwendu;intshidu;chars[16];UINT8adc0_value[2];floatshuzi=0;SET_MAIN_CLOCK_SOURCE<CRYSTAL>;//設(shè)置系統(tǒng)時(shí)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(diǎn),背景色為暗點(diǎn)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(jì)中,主要目的是設(shè)計(jì)一個(gè)基于CC2530的智能倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個(gè)采用CC2530無(wú)線單片機(jī)進(jìn)行溫濕度的數(shù)據(jù)采集,并且結(jié)合Zigbee協(xié)議架構(gòu)進(jìn)行編程的設(shè)計(jì),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(jì),并在IAR集成環(huán)境開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行基于Zigbee架構(gòu)的編程,節(jié)點(diǎn)模塊的調(diào)試,最后,實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。在基于Zigbee無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)模塊上,可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集,處理以及傳輸?shù)裙δ?。本次課程設(shè)計(jì)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(gè)方面著手,進(jìn)行研究和改進(jìn)：1、減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗。在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)失效,不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓,減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗是不可避免要面對(duì)的問(wèn)題之一。2、減少路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中的開(kāi)銷(xiāo)。這其