基于STM32與LABVIEW的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計方案

./基于STM32及LABVIEW的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計方案1.1環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究背景和意義在改革開放三十年中,全國經(jīng)濟顯著提高,一夜間出現(xiàn)很多大城市,城市的發(fā)展卻也使得人們賴以生存的環(huán)境遭到污染。近年來,隨著人們生活質(zhì)量水平的提高,我們也越來越重視我們個人的心理健康與身體健康。同時我國為控制大氣環(huán)境污染和保護環(huán)境,政府部門已經(jīng)采取了相關辦法來保護環(huán)境,但是由于監(jiān)測技術上的缺陷和不足,嚴重制約了相關措施的實施進度。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測技術已經(jīng)跟不上社會經(jīng)濟發(fā)展的步伐,所以研究一種實時化、智能化、集成化的監(jiān)測設備迫在眉睫。嵌入式技術是近年發(fā)展很快的熱門技術,其相關的嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在很多領域得到應用,包括醫(yī)療設備、智能電器、軍事工業(yè)、工業(yè)自動化等領域。人們的日常生活也與其息息相關,像手機、數(shù)字電視、電腦、數(shù)碼相機等都是嵌入式技術的典型應用[1]。虛擬儀器LabVIEW是一種將傳統(tǒng)程序語言轉(zhuǎn)化為圖像化積木模式的開發(fā)環(huán)境,同時也是作為終端工具提供給用戶使用。它的應用極為廣泛,工業(yè)界、學術界和實驗室等極為頻繁使用。虛擬儀器具有許多優(yōu)點,它非常方便快捷,能夠加快自己項目的開發(fā)進程,大大提高工作效率[2]。近年來無線通信技術的發(fā)展非常迅猛,使得由微控制器、傳感元件和無線通信網(wǎng)絡組成的無線傳感器通信網(wǎng)絡有了空前的成長。其中ZigBee技術由于其能耗較低、成本較低、速率較低、距離短和雙向無線通信等優(yōu)勢,受到了廣泛關注和應用。其網(wǎng)絡節(jié)點多,能夠極方便進行組網(wǎng),所以ZigBee技術能夠很好的達到信息采集處理要求,因此無線傳感器網(wǎng)絡適合用它構建[3]。目前,GSM網(wǎng)絡的發(fā)展相當成熟,它的覆蓋面積非常廣、信號穩(wěn)定、通信成本相對較低。國外許多通信公司和開發(fā)商對GSM網(wǎng)絡業(yè)務的擴展產(chǎn)生濃厚的興趣,進行大量資金和人力投資,開發(fā)出自己的產(chǎn)品來搶占市場。設計主要利用嵌入式處理技術及傳感器數(shù)據(jù)采集組網(wǎng)技術來實現(xiàn),該方法能夠靈活的構成網(wǎng)絡,并且能夠?qū)崟r監(jiān)測空氣中的溫度、濕度、煙霧。使用Zigbee技術的無線傳輸進行局域網(wǎng)組網(wǎng),并利用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術進行數(shù)據(jù)的存儲和分析,且電腦端LABVIEW編寫的上位機軟件能夠?qū)崟r顯示數(shù)據(jù)。論文設計的基于STM32和LABVIEW環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)相對于工程應用來講,它能夠構成一個監(jiān)測圍非常廣泛的監(jiān)測網(wǎng)絡,并且能夠?qū)崟r存儲處理各個節(jié)點的數(shù)據(jù),此外,設計的節(jié)點構成簡便,通過無線傳輸構成網(wǎng)絡通信,極為可靠并有一定的應用價值,上述都優(yōu)于單點式監(jiān)測儀表與有線監(jiān)測網(wǎng)絡。系統(tǒng)使用CC2530無線單片機作為其硬件的主要構成部分,其構成簡便、功耗低于其他產(chǎn)品；系統(tǒng)采用μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)作為網(wǎng)絡節(jié)點的嵌入式應用程序設計,系統(tǒng)能夠自我組織、擴展性強,系統(tǒng)的研究設計方案是基于無線傳感器網(wǎng)絡的設計理念以及其技術方式,擁有某種程度上的創(chuàng)新性,不管是在理論學術研究方面,還是在實際工程建設方面都具有重要的實際價值和研究意義。1.2環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀隨著環(huán)境污染的產(chǎn)生和程度加深,環(huán)境監(jiān)測技術得以迅速發(fā)展起來。在絕大部分工業(yè)發(fā)達國家,環(huán)境監(jiān)測從開始以一些重大環(huán)境污染事故調(diào)查和環(huán)境污染事故處理以及環(huán)境事故預防為主到上世紀五十年代,發(fā)達國家如美國,一些化工廠的有毒化學品泄漏造成的環(huán)境污染時常發(fā)生,致使用化學方法來檢測污染源中的化學成分和含量成為當時環(huán)境監(jiān)測的主要手段及特征。自從上世紀六十年代末以來,人們慢慢注意到環(huán)境污染的原因雖然以化學成分污染為主,但是同時還受到物理因素,生物因素等因素影響,所以環(huán)境監(jiān)測技術開始慢慢牽涉到物理及生物領域的方法；再者發(fā)達國家的環(huán)境立法已經(jīng)趨于完備,相關環(huán)境法的執(zhí)法越來越嚴格,而對于企業(yè)級別的污染物排放的監(jiān)控越來越受到政府的重視,污染物的監(jiān)測技術以及商業(yè)前景越來越受到重視。上述時期的實際監(jiān)測工作主要是監(jiān)督性質(zhì)的監(jiān)測為主。從上世紀七十年代中期至今,政府和群眾對環(huán)境問題的認識不斷升級和加深,發(fā)達國家如美國,把環(huán)境監(jiān)測技術的研究焦點從污染物的源頭監(jiān)控,向現(xiàn)在的環(huán)境整體品質(zhì)監(jiān)控上來,使環(huán)境監(jiān)測技術設計圍從當初的點監(jiān)測逐漸向面監(jiān)測發(fā)展,開始了有效預防[4]。現(xiàn)今,我國環(huán)境監(jiān)測技術相對來說更加側重城市的環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)級別污染源監(jiān)測、環(huán)境的整體質(zhì)量監(jiān)測,卻在整體生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面并不看重。我國當前的生態(tài)監(jiān)測技術主要限于監(jiān)測能力低下,技術與設備無法更上時代腳步,實際生態(tài)監(jiān)測工作經(jīng)驗很少,生態(tài)系統(tǒng)規(guī)律的整體認知不足,因為上述的原因我國的環(huán)境監(jiān)測停留在污染生態(tài)監(jiān)測階段,在這種情況下必須從實際情況考慮,監(jiān)測指標的選擇也必須考慮到實際條件限制,污染的生態(tài)指標在今后相當長的時間仍然會作為高度優(yōu)先的監(jiān)測指標。在此同時,因為經(jīng)濟的過快發(fā)展對生態(tài)環(huán)境的破壞,造成當前環(huán)境承受力的監(jiān)測數(shù)據(jù)在當下仍然迫切需要,將其例入優(yōu)先監(jiān)測對象是可急不可緩之事。我國處于環(huán)境監(jiān)測技術含量總體偏低環(huán)境下,整體自然生態(tài)環(huán)境的破壞程度和隨之而來的連鎖惡化程度的監(jiān)測與其它國家完善的環(huán)境污染監(jiān)測相比,依舊在一個相對弱很多的地位上。最近幾年以來,我國先后提出了許多監(jiān)測計劃和研究方案,都將重點放在了生態(tài)監(jiān)測方面?，F(xiàn)在,我國圍的生態(tài)監(jiān)測工作主要集中在生態(tài)環(huán)境演化過程方面,生態(tài)污染監(jiān)測在小部分區(qū)域受到一定程度重視,但還是在微觀環(huán)境污染監(jiān)測的疇之。從我國已經(jīng)完成和正在進行的環(huán)境污染監(jiān)測研究來看,對比與其他發(fā)達國家,我國的環(huán)境監(jiān)測技術所使用的技術和手段仍然無法跟上時代的需求。大部分的環(huán)境污染監(jiān)測的實施仍然是研究性質(zhì)偏多,環(huán)境污染監(jiān)測理論里的普通性質(zhì)的污染監(jiān)測工作仍然在起點線上,急需更多開發(fā)人員參加到研究和討論中來。1.3論文主要研究容及結構論文設計的是基于STM32及LabVIEW的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),系統(tǒng)主要研究任務是對環(huán)境參數(shù)的采集、傳輸及處理。在論文的開篇部分,在純理論的角度上簡述了ZigBee和GSM這兩種經(jīng)典的無線傳輸技術,并對它們之間相對的特點及各自的優(yōu)勢做了一個介紹。然后根據(jù)系統(tǒng)的整體功能分析提出了環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的整個方案結構。接下來具體介紹了硬件設計部分,如傳感器選項及電路設計。再根據(jù)總體結構,構建了嵌入式開發(fā)環(huán)境,對數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、控制模塊及LabVIEW編寫的上位機軟件部分進行了設計介紹。系統(tǒng)實現(xiàn)了對μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的移植,和監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線傳輸、處理、實時顯示等功能。論文主要分為六部分,各部分容如下：第一部分：緒論,大體上介紹本篇畢業(yè)論文所涉及的環(huán)境污染監(jiān)測技術的研究背景及其研究意義,同時還介紹我國與國際環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)狀的對比和本次畢業(yè)論文主要研究容和結構。第二部分：系統(tǒng)方案分析和關鍵技術介紹,介紹和分析了虛擬儀器、ZigBee技術、GSM技術的優(yōu)勢,確定出總體設計方案。第三部分：系統(tǒng)硬件電路設計,介紹了系統(tǒng)所需的傳感器、控制器及采集器的硬件選型。然后詳細介紹了各個模塊的硬件電路設計。第四部分：系統(tǒng)軟件設計,軟件部分分為ZigBee數(shù)據(jù)傳輸軟件設計,GSM軟件設計,STM32軟件部分設計,LabVIEW上位機軟件設計。第五部分：系統(tǒng)測試分析,對ZigBee傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包抓包實驗分析,及串口數(shù)據(jù)實驗分析等。第六部分：總結與展望,對已經(jīng)實現(xiàn)了的預期指標進行總結與分析,對以后的發(fā)展進行闡述。系統(tǒng)方案分析與關鍵技術介紹傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測技術已經(jīng)難以跟上時代的發(fā)展的腳步,論文在基于傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測方案的基礎上進行創(chuàng)新,提出了無線傳感網(wǎng)絡和LabVIEW監(jiān)測控制技術,根據(jù)實際要求給出了系統(tǒng)預期達到的功能要求。并對涉及的LabVIEW、ZigBee、GSM技術進行了介紹。2.1系統(tǒng)的功能分析與設計本課題研究的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要功能是對多個監(jiān)測區(qū)域的有毒氣體、濕度、溫度進行連續(xù)實時監(jiān)測,構建出無線傳感器網(wǎng)絡。設計以STM32微控制器為平臺,采用CC2530控制溫濕度傳感器DHT11及煙霧傳感器MQ-2對室溫濕度和危險氣體進行采集。通過ZigBee無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送給微控制器,STM32微控制器處理數(shù)據(jù)后,由自帶液晶屏顯示。同時微控制器通過RS232將數(shù)據(jù)傳輸給PC端,由LABVIEW編寫的上位機實時顯示有關數(shù)據(jù)。當室溫度達到預警值或有危險氣體時,系統(tǒng)將會自動警報并將警報信息通過GSM網(wǎng)絡傳輸給客戶手機。從而實現(xiàn)對室環(huán)境的監(jiān)測及報警功能。環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)框圖系統(tǒng)主要預期功能如下：<1>.環(huán)境參數(shù)能過實時測量,測量溫度圍在0℃~100℃,濕度圍在濕度20-90%RH,靈敏地檢測危險氣體。<2>.ZigBee無線網(wǎng)絡在100平米穩(wěn)定工作,且穿透力強。<3>.上位機的編寫由LabVIEW完成,軟件性能良好且穩(wěn)定。<4>.環(huán)境溫度異?；蛴形ｋU氣體時,立即警報且手機能及時收到報警信息。<5>.ZigBee采集傳輸節(jié)點能耗小,從而節(jié)約功耗,延長節(jié)點的工作能力。2.2LabVIEW介紹LabVIEW,英文全稱是LaboratoryVirtualInstrumentationEngineeringWorkbench,是由美國NI公司所開發(fā)基于圖形化語言編程的程序編譯平臺,LabVIEW早期的方針是為了實現(xiàn)儀器自動化控制所研發(fā)設計的,然后在時代的變化及進步過程中慢慢成為了一種成熟且獨立的高級圖形化編程語言。圖形化編程語言使用者在通過流程圖構思整體設計思路的同間也完成了目標程序的撰寫,這種模式的程序語言使用的"數(shù)據(jù)流"這種新型概念完全超越了傳統(tǒng)的程序語言思維模式[5]。實驗室虛擬儀器工程平臺是一種與傳統(tǒng)編程語言不同的圖形化的編程語言,在工業(yè)、學術界以及研究實驗室都被重視的泛用編程語言,一般被運用于標準的數(shù)據(jù)采集以及儀器自動化控制。它是一種使用圍廣泛且使用方便的編程語言,使用它能夠快捷地創(chuàng)建實驗或研究所需的虛擬儀器,它所特有的圖形化編程界面改變了整個編程及使用的過程體驗,你會覺得編程變得生動有趣起來。實驗室虛擬儀器工程平臺設計之初的目的為測試及測量出各種數(shù)據(jù)而生,因而測量領域也就是現(xiàn)實驗室虛擬儀器工程平臺最有優(yōu)勢的實際應用領域。在經(jīng)過實驗室虛擬儀器工程平臺從誕生至今的發(fā)展,實驗室虛擬儀器工程平臺廣泛應用于測試測量領域。所以現(xiàn)今最主流的測試測量儀器、數(shù)據(jù)采集設備都是基于實驗室虛擬儀器工程平臺編寫的驅(qū)動程序,在實驗室虛擬儀器工程平臺下硬件設備的控制不再是問題。與此同時,LabVIEW工具包涉及圍也十分廣泛,使用者可以在里面找到研究設計需要的各種屬于測試測量領域的程序。這些工具包括了所有一般性功能,使用者在工具包所包含的程序庫的基礎上進行二次程序開發(fā)就會便捷很多。在某些情況下只需改動幾個小函數(shù)包,就可以用其自帶的工具包完成一個相對完善的測量控制領域的實際控制測量程序的編寫。2.3ZigBee技術2.3.1ZigBee技術概述ZigBee是一種通訊準則,該通信協(xié)議定義了一系列基于近距離、低傳輸速率的無線通信準則。基于ZigBee協(xié)議的無線網(wǎng)絡使用工作頻段為868MHz、915MHz和2.5GHz,其無線網(wǎng)絡的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為250比特率[6]。其無線網(wǎng)絡在較小的能量情況下便能在子傳感器之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸和交換。總而言之,ZigBee協(xié)議技術的特征主要有可靠性高、成本較低、能耗較低、數(shù)據(jù)傳輸速率較高、安全性能高。主要應用于遠程控制、自動監(jiān)測和嵌入式系統(tǒng)等領域。2.3.2ZigBee網(wǎng)絡協(xié)議在設計軟件的網(wǎng)絡架構時,一般采用的是分層思想,不同的層具有完全不相關的功能,相鄰的層之間才有數(shù)據(jù)交換。例如,以太網(wǎng)的模型是為OSI七層參考模型是按照分層方法設計。ZigBee網(wǎng)絡協(xié)議也是在開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型的基礎上,結合了一般無線網(wǎng)絡的工作特點,采用系統(tǒng)功能分層的思想所設計的。其中IEEE802.15.4協(xié)議標準定義了最下面兩層,也就是是物理層<MAC>和介質(zhì)訪問控制層<PHY>,ZigBee協(xié)議聯(lián)盟定義了上面兩層即網(wǎng)絡層<NWK>和應用層<APL>。而上述的應用層包括了應用程序支持子層<APS>、ZigBee協(xié)議設備對象<ZDO>和用戶自定義的應用對象[7]。ZigBee協(xié)議無線網(wǎng)絡分層圖如圖2所示。圖2ZigBee無線網(wǎng)絡分層圖〔1物理層。該層主要是對數(shù)據(jù)進行調(diào)制發(fā)送和接收的設計,工作信道頻率的選擇。物理層考慮的目的是設計出成本較低、功耗較低、體積較小的傳感器節(jié)點。在物理層中定義了16個物理無線通道和介質(zhì)訪問控制層的接口,同時提供數(shù)據(jù)服務<PLDS>和管理服務<PLMS>?！?介質(zhì)訪問控制層。該層掌控著數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)幀節(jié)檢測、通信道路復用、控制差錯,來確保整個網(wǎng)絡中各個節(jié)點的通信和?！?網(wǎng)絡層。該層主要功能有：初始化網(wǎng)絡；網(wǎng)絡的連接與斷開；路由的發(fā)現(xiàn)與選擇；數(shù)據(jù)發(fā)送以及數(shù)據(jù)接收；廣播通信；提供與應用層通信的連接接口等?！?應用層。該層主要部分為應用程序支持子層<APS>、ZigBee協(xié)議設備對象<ZDO>和用戶自定義的應用程序。在該層中包含了時間的同步和節(jié)點的定位。其中時間同步服務是為協(xié)調(diào)工作的節(jié)點同步本地時鐘；節(jié)點定位服務是基于其他已知的節(jié)點的位置來確定別的節(jié)點位置,從而為系統(tǒng)建立特定的相關的空間關系。2.3.3ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構ZigBee協(xié)議標準定義了3種網(wǎng)絡拓撲結構：星狀網(wǎng)絡拓撲結構、樹狀網(wǎng)絡拓撲結構、網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構。節(jié)點之間的通信通過每個設備的唯一地址和接入點進行,在通信構建好后,所有節(jié)點設備會自動分配一個相對IP的16位短地址。其中節(jié)點的64位MAC地址為絕對地址。其拓撲結構如圖3所示。圖3ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構圖〔1星狀網(wǎng)絡拓撲結構星狀網(wǎng)絡拓撲為單跳系統(tǒng),也是最簡單的結構,其并沒有用到ZigBee協(xié)議棧。星狀網(wǎng)絡拓撲結構的通信限制于在終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點間之間,也就是說每個終端節(jié)點或路由節(jié)點只能和協(xié)調(diào)器節(jié)點間進行信息交流。且節(jié)點間只有一個路徑可選,過于簡單?！?樹狀網(wǎng)絡拓撲結構樹狀網(wǎng)絡拓撲的組成是由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和多個路由及終端節(jié)點,節(jié)點彼此間的通信關系是基于子節(jié)點和父節(jié)點。當需要進行信息交流時,該拓撲結構只能通過離自己最近的協(xié)調(diào)器節(jié)點傳輸?shù)狡渌?jié)點。故該結構進行數(shù)據(jù)傳輸時,只有一個路由路徑選擇。〔3網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲是一個多跳系統(tǒng),節(jié)點可以作為路由或是終端節(jié)點,其每個節(jié)點都有中繼功能。數(shù)據(jù)在交流過程中就可以經(jīng)過多個路由節(jié)點進行中繼,解決了樹狀網(wǎng)絡的缺陷。該路由網(wǎng)絡能夠自己創(chuàng)建和升級,使得其擁有很強的自我組織和修復能力。2.4GSM技術全球移動通訊系統(tǒng)的英文簡稱為GSM,被人們常稱為"全球通",該移動通信技術標準最初是由歐洲定制,其開發(fā)遵旨是建立一個統(tǒng)一的移動通信網(wǎng)絡標準,有利于全球化,讓手機用戶可以在世界各地進行信息交流。上世紀末,我國開始采用該移動通信標準,進一步加快了移動通信技術的發(fā)展[8]。GSM900及GSM1800構成了我國現(xiàn)有的兩大全球通網(wǎng)絡,其主要為蜂窩網(wǎng)絡,整個網(wǎng)絡運行在各個不同的無線網(wǎng)絡上。當用戶使用進行網(wǎng)絡連接時,會自動搜索并連接到距離近的單元區(qū)域網(wǎng)絡。整個GSM網(wǎng)絡根據(jù)天線、增益、中繼和傳輸條件,傳輸圍可以達到數(shù)十公里。如果通信服務商建的基站足夠多,基本可以實現(xiàn)信號的全區(qū)域覆蓋。GSM系統(tǒng)的幾項重要特點如下：安全性能強、系統(tǒng)容量大、通信質(zhì)量可靠、信號傳輸穩(wěn)定性強、誤碼率低、覆蓋圍廣、系統(tǒng)功耗低。2.5本章小結本章開始主要確定了系統(tǒng)的總體功能需求,給出了預期的結果及要求。然后介紹了上位機編程軟件LabVIEW,組網(wǎng)通信技術ZigBee技術,GSM技術。分析了各自的相關理論和特點。為今后進一步探究打下了基礎。系統(tǒng)硬件設計對于一個系統(tǒng)而言,硬件的設計是不可或缺的。本章開始對系統(tǒng)的總體硬件設計進行了介紹,接著將系統(tǒng)硬件分為數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分、數(shù)據(jù)接收控制部分,分別闡述了各部分的傳感器及芯片選型和電路設計方法。3.1系統(tǒng)總體硬件設計系統(tǒng)硬件根據(jù)模塊化設計思想主要分為兩部分：數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分、數(shù)據(jù)接收控制部分。系統(tǒng)硬件總體框圖如圖4所示。圖4系統(tǒng)硬件總體框圖3.2數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分硬件設計數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分由傳感器的選型、ZigBee模塊設計組成。傳感器模塊主要包括溫濕度傳感器和有毒氣體檢測傳感器。其中ZigBee模塊負責了傳感器數(shù)據(jù)的采集及處理和數(shù)據(jù)的無線組網(wǎng)傳輸。該部分采集模塊分布在各個監(jiān)測區(qū)域,通過組成無線傳感器網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點。3.2.1ZigBee模塊選型與設計隨著ZigBee技術的誕生,各個大型公司都制作工作計劃試圖將該技術融入到自家產(chǎn)品和芯片中,來搶占市場。其中美國的儀器公司,率先推出了第一款基于2.4GHzIEEE802.15.4ZigBee的片上系統(tǒng)CC2530芯片。CC2530集成了世界先進的RF收發(fā)器和加強工業(yè)標準的8051核。TI公司為客戶免費提供了完全兼容IEEE802.15.4協(xié)議規(guī)和ZigBee協(xié)議規(guī)的開源協(xié)議棧,以及豐富的開發(fā)調(diào)試工具[9]。故本課題將CC2530單片機作為ZigBee技術開發(fā)平臺。CC2530集成了控制功能和射頻收發(fā)功能,擁有著超低功耗、較強的抗干擾抗噪聲能力、信號傳輸穩(wěn)定等射頻性能,以及性能高、功耗低且具有代碼提前處理功能的8051微控制器核。同時CC2530擁有著大量功能強大的外部設備,如5個強大的DMA通道、IR發(fā)生電路、3個通用定時器〔1個16位,2個8位、具有捕獲功能的睡眠定時器、電能監(jiān)測器和溫度測量傳感器、可輸入8路且可進行配置的12位ADC、看門狗定時器、2個USART、21個通用I/O口、AES安全協(xié)處理器等。在CPU處于空置情況下,只耗24mA的微小電流,非常適用于低功耗的產(chǎn)品。其具有如下主要特點：通信距離遠。空曠情況下距離達到300m,障礙物下達到100m；具有待機低功耗和休眠模式；硬件支持CSMA/CA；較寬的工作電壓圍。DC2V-3.6V；可以達到4.5dBm輸出功率；只需極少外接元件；支持硬件調(diào)試。CC2530外圍電路圖如圖5所示。圖5CC2530外圍電路圖CC2530具有寬電壓輸入,數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分設計的是3.3V電壓輸入,滿足工作要求。該模塊電源設計,采用REG1117-3.3芯片將外供電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的3.3V輸出。故可選擇USB供電,板子后面有電池座,也可選擇用四節(jié)5號電池供電。采集模塊電源設計圖如圖6所示。圖6采集模塊電源設計圖3.2.2傳感器選型通過固定規(guī)律轉(zhuǎn)換輸出成可用信號且能夠查知被測參數(shù)的電子元器件,被認為是傳感器。傳感器的產(chǎn)生與開發(fā),使身邊事物更加靈活起來。在世界進入信息時代,生活和工業(yè)上傳感器通常用來獲取有關參數(shù)的重要手段。數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊用到的傳感器有DHT11溫濕度傳感器、MQ-2有毒氣體檢測傳感器,可以有效快速地檢測環(huán)境參數(shù)中的溫度、濕度、有毒氣體?！?溫濕度傳感器DHT11溫濕度傳感器是將溫度和濕度測量集于一體及含有已校準數(shù)字輸出的復合傳感器。它由一個測量溫元件和一個電阻模式的感濕元件組成,其部鑲嵌了一個8位的高性能微處理器。該傳感器擁有基于高性能溫濕度的傳感技術和數(shù)字化的采集技術,從而整個模塊的安全和穩(wěn)定性能有著較大提升。在模塊出廠前都會在特點的實驗室進行參數(shù)校驗,同時以程序形式存儲該校驗系數(shù)到OTP中。傳感器數(shù)據(jù)傳輸方式采用單線形式串行接口,從而使得與控制器通信變得更快捷簡單。DHT11接口電路圖如圖7所示。圖7DHT11接口電路圖〔2有毒氣體檢測傳感器對于有毒氣體的檢測,系統(tǒng)使用的是MQ-2有毒氣體檢測傳感器。MQ-2有毒氣體檢測傳感器將二氧化錳作為氣敏材料,由于該材料的電導率比較低使得傳感器靈敏度有較大提升。如果傳感器檢測到有毒氣體時,其氣敏材料的電導率會變化,規(guī)律隨著濃度的增高成正比,所以可以利用外部模擬電路將該規(guī)律轉(zhuǎn)化成相應的模擬信號或數(shù)字信號。經(jīng)過實驗,該傳感器可以檢測多種有毒氣體或是可燃氣體如天然氣、氫氣等。MQ-2外圍電路較簡單,將其采集到的信號經(jīng)過LM358進行放大后輸出,此時得到的是模擬性質(zhì)信號。電阻VR1提供分壓,與另一路采集電壓進行比較,從而實現(xiàn)靈敏度可調(diào),輸出數(shù)字性質(zhì)信號。MQ-2外圍電路圖如圖8所示。圖8MQ-2外圍電路圖3.3數(shù)據(jù)接收控制部分硬件設計數(shù)據(jù)接收控制部分硬件電路設計包含ARM控制芯片選型及外圍電路設計、GSM電路設計。該部分完成的功能有,接收終端節(jié)點發(fā)來的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù),進行數(shù)據(jù)處理然后在控制器的顯示屏上顯示,如果設置了GSM報警功能,若達到報警要求,將會以短信的形式發(fā)送到手機終端達到報警效果。此外控制器將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送的上位機進行實時監(jiān)測顯示。3.3.1嵌入式微處理器選型嵌入式型微處理器是指在一塊較小的電路板上嵌入一塊具有特定功能的微處理器芯片,且芯片外圍電路只與嵌入的相關功能有關,從而使得整個電路板的能耗與體積進一步縮小。近年來,嵌入式處理器的制造工藝和技術越來越成熟,許多的大企業(yè)推出了自己的嵌入式微處理器芯片來瘋狂搶占市場。其中意法半導體<STMicroelectronics>推出的STM32系列是專門為要求性能要高、功耗要低、成本要低的嵌入式應用而設計的ARM核。該系列產(chǎn)品占據(jù)了市場大部分份額。其中按性能分成了兩個大類：STM32F103增強型系列和STM32F101基本型系列。根據(jù)系統(tǒng)的方案分析和功能考慮,系統(tǒng)選擇STM32F103VET6作為主控制芯片。該芯片集成了嵌入式FLASH和SRAM存儲器的ARMCortex-M3核[10],可以兼容所有的ARM軟件工具,其32位精簡指令集的處理器使代碼編寫更加高效。STM32F103VET6擁有著512KB大容量FLASH、64KB的嵌入式SRAM、頻率高達72MHz的100腳芯片。其擁有如下主要特點：3種低功耗模式。休眠、停止、待機模式；可以進行串行調(diào)試<SWD>以及JTAG在線調(diào)試；12位的A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、12通道DMA、SPI、IIC、USART；多達11個定時器；電源管理及電壓調(diào)節(jié)功能；嵌套矢量中斷控制器〔NVIC；寬電壓輸入2.0V-3.0V。3.3.2控制器電源電路設計數(shù)據(jù)接收控制部分的電源接入是采用USB供電,電壓為5V。液晶屏需要5V供電,控制芯片及其他芯片電壓需求為3.3V。故需將5V轉(zhuǎn)換成3.3V。該部分采用AMS1117-3.3電壓調(diào)整芯片。另外電源也可采用電池供電?？刂破麟娫措娐穲D如圖9所示：圖9控制器電源電路圖3.3.3晶振和復位電路設計該部分電路設計為系統(tǒng)控制芯片提供了2個時鐘源,一個為23.768kHz低速時鐘源,另一個為8MHz的高速時鐘源。模塊復位電路設計為上電和按鈕復位。其電源復位作用于RESET管腳,在復位過程中始終保持低電平。晶振和復位電路圖如圖10所示。圖10晶振和復位電路圖下載電路設計由于大部分ARM處理器都是采用JTAG協(xié)議,故系統(tǒng)采用JTAG下載模式。JTAG模式,可以用來對芯片進行調(diào)試、仿真。電路上采用20腳的標準JTAG接口座,如圖11所示。圖11JTAG接口電路圖3.3.5串口通訊電路設計系統(tǒng)串口通訊采用USB連線,故需進行USB轉(zhuǎn)UART電路設計。系統(tǒng)采用CH340數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片,該芯片集成了USB收發(fā)器,無需外部時鐘,片上電復位,支持USB2.0協(xié)議。無需外部電阻,外圍電路設計簡單,如圖12所示。圖12USB轉(zhuǎn)UART電路圖3.3.6SD卡電路設計根據(jù)系統(tǒng)功能要求以及STM芯片集成了SPI,故采用SPI模式。SPI占用的I/O口相對較少,利于硬件電路的設計。SD卡引腳功能介紹如表1所示。SD卡接口電路如圖13所示。表1SD卡引腳功能圖針腳4位SD模式1位SD模式SPI模式名稱描述名稱描述名稱描述1CD/DAT3卡監(jiān)測/數(shù)據(jù)位3CD卡監(jiān)測CS芯片選擇2CMD命令/回復CMD命令/回復DI數(shù)據(jù)輸入3VSS1地VSS1地VSS1地4VCC電源VCC電源VCC電源5CLK時鐘CLK時鐘CLK時鐘6VSS2地VSS2地VSS2地7DAT0數(shù)據(jù)位0DAT數(shù)據(jù)位DO數(shù)據(jù)輸出8DAT0數(shù)據(jù)位1RSV保留RSV保留9DAT0數(shù)據(jù)位2RSV保留RSV保留圖13SD接口電路圖3.3.7LCD顯示電路設計LCD由于能耗較低和體積較小成為當前流行的液晶顯示器,用戶可以使用其作為信息交流和人機交互的平臺,所以成為了目前主要電子產(chǎn)品的顯示器件。由于STM32里面設計集成常用的LCD及觸摸屏的控制端口,故在設計LCD電路板的同時要將相關的驅(qū)動電路設計進去,系統(tǒng)使用的STM32芯片利用驅(qū)動芯片來控制液晶屏和觸摸屏。系統(tǒng)使用的是3.2寸液晶屏,選擇ITI9314芯片控制液晶屏,利用TSC2046芯片控制觸摸屏。液晶屏最主要部位是位于中間的GRAM<GraphicsRAM>,可以理解為顯存。液晶面板的一個像素點都對應著GRAM中每個存儲單元。在其他模塊的作用下使存儲在GRAM的數(shù)據(jù)能夠控制像素點,讓像素點排列組合成各種特定的圖像。對于ILI9341來說,芯片的工作模式是通過控制信號和引腳的配置來完成。微控制器與ILI9341的通信兼容SPI或8080接口模式,可以訪問ILI9341的部存儲和控制資源。該LCD液晶屏是不能自己發(fā)光的,其實通過LED控制器控制背光使屏幕亮起來。LCD電路圖如圖14所示。圖14LCD電路圖3.3.8GSM電路設計在系統(tǒng)中,該GSM模塊的主要功能是實現(xiàn)了信息的遠程傳輸。當測得的環(huán)境參數(shù)達到設定的報警值時,若設置了GSM報警功能,系統(tǒng)會發(fā)送相應報警信息到客戶的移動終端上。根據(jù)系統(tǒng)功能要求選擇了SIM900A模塊。SIM900A是由SIMCOM公司推出的GPRS通訊模塊,該模塊集成了GSM和GPRS通訊功能。其性能穩(wěn)定,外觀精巧,性價比高。SIM900A采用工業(yè)標準接口,工作頻率為900兆赫茲或1800兆赫茲,模塊整體的能耗較低,數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠性較高。在系統(tǒng)中,根據(jù)系統(tǒng)功能要求,只用到GSM功能,此功能性能更加穩(wěn)定。SIM900A與STM32控制器之間通過串口進行數(shù)據(jù)傳輸,STM32通過AT指令控制SIM900A的狀態(tài)檢查和信息發(fā)送[11]。電源電路設計SIM900A的電源接口采用的是常用的圓孔電源控座,該座支持寬電壓輸入,方便了外部電源接入。電源降壓芯片采用的是MPS公司的MP2303,可以高效的進行同步降壓。電源電路設計具有防反接保護,提高模塊整體供電的安全性。電源電路圖如15所示。圖中VCC_IN為外部電壓輸入,VCC_INX是VCC_IN的連接引腳。圖15SIM900A電源電路圖SIM卡電路設計SIM卡即通常指的手機卡,在SIM900A模塊中其接口電路設計較為簡單,為了防止靜電干擾,采用了SEMI公司的SMF05C芯片進行靜電防護。SIM卡電路如圖16所示。圖16SIM卡接口電路圖此外該模塊的串口通訊部分與STM32控制器的串口通訊電路一致,模塊的天線使用外接天線,可以有效提高SIM900A的通信質(zhì)量。3.3.9本章小結本章主要介紹了系統(tǒng)的硬件設計,按照功能分類成,數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分和數(shù)據(jù)接收控制部分,并詳細介紹了這兩部分的電路設計原理和功能。其中涉及無線通訊的ZigBee和GSM模塊,需考慮抗干擾性。系統(tǒng)軟件設計根據(jù)系統(tǒng)功能要求,將軟件部分按模塊化設計,分為數(shù)據(jù)采集傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理顯示模塊和上位軟件設計模塊。本章將對這三部分進行詳細介紹。4.1數(shù)據(jù)采集傳輸模塊軟件設計該模塊的軟件設計主要是基于ZigBee協(xié)議棧來開發(fā),分為傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理打包、ZigBee網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸。傳感器數(shù)據(jù)是由DHT11和MQ-2采集的溫度、濕度、煙霧報警信息組成。首先三個ZigBee節(jié)點的傳感器采集數(shù)據(jù),然后由CC2530將數(shù)據(jù)打包進行無線發(fā)送接收,最后由兩個協(xié)調(diào)器進行接收通過串口發(fā)送給STM32和PC機進行處理顯示。根據(jù)系統(tǒng)功能要求,定義了系統(tǒng)的通信協(xié)議,以便與控制器進行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采集傳輸模塊軟件總體框圖如圖17所示。圖17數(shù)據(jù)采集傳輸軟件總體框圖4.1.1系統(tǒng)通信協(xié)議設計現(xiàn)實生活中無線數(shù)據(jù)的傳輸過程,往往由于傳輸距離、外界電磁干擾等因素,造成數(shù)據(jù)丟包等現(xiàn)象。系統(tǒng)擁有特點的通信協(xié)議,使得系統(tǒng)通信的的安全性和可靠性進一步加強。制定協(xié)議時,一般要滿足數(shù)據(jù)包要有、約定好數(shù)據(jù)長度、對數(shù)據(jù)進行自動校驗、數(shù)據(jù)盡可能短。該協(xié)議用于對終端查詢、控制以及終端的數(shù)據(jù)響應。系統(tǒng)通信協(xié)議如表2所示。表2系統(tǒng)通信協(xié)議長度縮寫說明2字節(jié)SD以"$"開頭,十六進制為0x24,0x40終端地址2字節(jié)ADDR終端的地址功能碼1字節(jié)FC命令碼數(shù)據(jù)長度1字節(jié)LEN后面帶的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù),沒有數(shù)據(jù)長度為0數(shù)據(jù)容n字節(jié)DATA-校驗碼1字節(jié)XOR從終端地址開始,到數(shù)據(jù)容的異或和包尾2字節(jié)ED以‘\r\n’結尾,十六進制為0x0d,0x0a系統(tǒng)主要傳遞的傳感器參數(shù)有DHT11及MQ-2所采集的數(shù)據(jù),所以規(guī)定了這兩種參數(shù)的傳遞格式,如表3所示。表3傳感器數(shù)據(jù)傳輸格式DHT11MQ-2功能碼0x010x02數(shù)據(jù)長度52數(shù)據(jù)容一字節(jié)0:失敗1：成功0:失敗1：成功二字節(jié),溫度二字節(jié),濕度0:滅1：有煙校驗碼待計算待計算4.1.2ZigBee節(jié)點程序設計ZigBee節(jié)點程序分為協(xié)調(diào)器節(jié)點程序和終端節(jié)點程序,其中終端節(jié)點程序包含DHT11和MQ-2驅(qū)動程序。兩節(jié)點程序都是基于ZigBee2007協(xié)議棧開發(fā)。有了ZigBee協(xié)議棧,只需要關注所發(fā)的數(shù)據(jù),可以少考慮ZigBee協(xié)議的具體實現(xiàn)細節(jié)?！惨唤K端節(jié)點程序設計DHT11數(shù)據(jù)發(fā)送程序：staticvoidSerialApp_SendData_DHT11<>{uint8SendBuf[20]={0};DHT11<>;SendBuf[0]='$';SendBuf[1]='';SendBuf[2]=HI_UINT16<EndDeviceID>;SendBuf[3]=LO_UINT16<EndDeviceID>;SendBuf[4]=ZIGBEE_FUN_CODE_CHECK_TEMP_HUM;SendBuf[5]=5;SendBuf[6]=1;SendBuf[7]=0;SendBuf[8]=wendu;SendBuf[9]=0;SendBuf[10]=shidu;SendBuf[11]=XorCheckSum<&SendBuf[2],9>;SendBuf[12]='\r';SendBuf[13]='\n';}MQ-2主要傳輸?shù)氖菙?shù)字信號,所以可以給CC2530的IO口一個高低電平就是反映外界情況。我們需要做的就是對CC2530相應IO口的檢測。MQ-2數(shù)據(jù)發(fā)送程序：staticvoidSerialApp_SendData_MQ2<>{uint8SendBuf[20]={0};SendBuf[0]='$';SendBuf[1]='';SendBuf[2]=HI_UINT16<EndDeviceID>;SendBuf[3]=LO_UINT16<EndDeviceID>;SendBuf[4]=ZIGBEE_FUN_CODE_CHECK_Smoke;SendBuf[5]=2;SendBuf[6]=1;SendBuf[7]=GetGas<>>0?true:false;SendBuf[8]=XorCheckSum<&SendBuf[2],6>;SendBuf[9]='\r';SendBuf[10]='\n';}終端節(jié)點上電后,會初始化系統(tǒng)硬件,再查詢是否組建了無線傳感器網(wǎng)絡,如果有ZigBee無線網(wǎng)絡將自動加入,然后處理傳感器采集的數(shù)據(jù)進行打包,再發(fā)送到協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點流程圖如圖18所示。圖18終端節(jié)點流程圖終端節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送部分程序：if<events&SERIALAPP_SEND_PERIODIC_EVT>{SerialApp_SendPeriodicMessage<>;osal_start_timerEx<SerialApp_TaskID,SERIALAPP_SEND_PERIODIC_EV,<SERIALAPP_SEND_PERIODIC_TIMEOUT+<osal_rand<>&0x00FF>>>;return<events^SERIALAPP_SEND_PERIODIC_EVT>;}if<events&SERIALAPP_SEND_EVT>{SerialApp_Send<>;return<events^SERIALAPP_SEND_EVT>;}if<events&SERIALAPP_RESP_EVT>{SerialApp_Resp<>;return<events^SERIALAPP_RESP_EVT>;}〔二協(xié)調(diào)器程序設計協(xié)調(diào)器負責接收終端節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù),通過串口傳輸給STM32控制器。協(xié)調(diào)器上電后,會按照編譯時給定的參數(shù),選擇合適的信道、合適的網(wǎng)絡號,從而建立ZigBee無線網(wǎng)絡。協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后,協(xié)議棧會自動將數(shù)據(jù)封裝成一個消息,然后消息會自動加入隊列,其中任何消息都有其個人的消息ID[12]。所以只需要到消息隊列中接收消息,然后從其中取得所需要的數(shù)據(jù)即可,其他的工作由ZigBee協(xié)議棧自動完成。程序主要用到協(xié)議棧的接收函數(shù),流程圖如圖19所示。圖19協(xié)調(diào)器軟件流程圖程序主要用到了協(xié)議棧的接收函數(shù)：SerialApp_ProcessMSGCmd<afIncomingMSGPacket_t*pkt>接收函數(shù)部分程序：if<afDataLen>=9&&afRxData[0]=='$'&&afRxData[1]==''&&afRxData[afDataLen-2]=='\r'&&afRxData[afDataLen-1]=='\n'> { uint16addr=<afRxData[2]<<8>|afRxData[3]; uint8fc=afRxData[4]; uint8data_len=afRxData[5]; uint8xor=0; xor=XorCheckSum<&afRxData[2],afDataLen-5>; if<afRxData[afDataLen-3]==xor> { parseRfData<afRxData,afDataLen>; } }4.2數(shù)據(jù)處理顯示模塊軟件設計該部分為系統(tǒng)核心模塊,負責接收終端節(jié)點數(shù)據(jù),STM32處理數(shù)據(jù)后在液晶上進行實時顯示,同時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機上進行顯示。而且負責GSM報警功能。該部分軟件可分為底層程序設計、任務程序設計和應用程序設計。硬件驅(qū)動程序主要分為串口驅(qū)動、液晶觸摸屏驅(qū)動、SD卡驅(qū)動、DMA驅(qū)動、SIM900A驅(qū)動等。這里主要介紹總體任務程序、SIM900A驅(qū)動,其他子程序詳見附錄。數(shù)據(jù)處理顯示模塊流程圖如圖20所示。圖20數(shù)據(jù)處理顯示模塊流程圖4.2.1總體任務程序設計數(shù)據(jù)處理顯示部分程序是基于狀態(tài)機模型設計的[13]。整體分為觸摸屏任務、顯示任務、節(jié)點設置任務、報警任務、數(shù)據(jù)接收處理任務、DMA數(shù)據(jù)傳輸任務、事件處理等[14]。事件處理函數(shù)代碼：voideven_process<void>{switch<Interface> { caseWelcome://歡迎界面 Lcd_show_bmp<0,0,"/fm.bmp">; break; caseSet_temp://設置界面 Lcd_show_bmp<0,0,"/sz.bmp">; while<Interface==Set_temp>//等待設置完成 {Set_eventProcess<>;//設置事件處理函數(shù) } break; caseMonitor://監(jiān)測界面 Lcd_show_bmp<0,0,"/jc.bmp">;Lcd_GramScan<1>; while<1> {data_chuli<>;//數(shù)據(jù)處理 if<Interface==Set_temp> break; } Break； default: break; }}觸摸屏函數(shù)代碼：voidtouch_process<void>{if<touch_flag==1> { switch<Interface> { caseWelcome://歡迎界面處觸摸屏幕進入設置界面 if<Get_touch_point<&display,Read_2046_2<>,&touch_para>!=DISABLE> {if<<display.y>=213&&display.y<=237>&&<display.x>=262&&display.x<=298>> Interface=Set_temp; } break; caseSet_temp://設置界面按鍵處理 Set_getEvent<>;//設置界面獲取觸摸坐標及處理 break; caseMonitor://監(jiān)測界面按鍵處理 if<Get_touch_point<&display,Read_2046_2<>,&touch_para>!=DISABLE> {if<<display.y>=210&&display.y<=230>&&<display.x>=1&&display.x<=13>> Interface=Set_temp; } break; default: break;}}}4.2.2GSM程序設計STM32控制器是通過串口與SIM900A進行數(shù)據(jù)傳輸,其主要是利用AT指令集對SIM900A進行控制功能。系統(tǒng)主要使用其短信發(fā)射功能。報警功能的短信發(fā)送采用的是TEXT模式[15],有關的詳細AT指令步驟如下：發(fā)送：AT<回車>返回：AT<回車>OK發(fā)送：AT+CMGF=1<回車>返回：AT+CMGF=1<回車>OK發(fā)送：AT+CSCA=+27<回車>返回：AT+CSCA=+27<回車>OK發(fā)送：AT+CMGS=<回車>返回：AT+CMGS=<回車>>發(fā)送：英文或是數(shù)字返回：英文或是數(shù)字發(fā)送：1A<十六進制發(fā)送><回車>短信發(fā)送函數(shù)代碼：voidsim900a_sms<char*num,char*smstext>{charucsbuff[160]; charend[2]={0x1A,0x00};SIM900A_CLEAN_RX<>;if<IsASSIC<smstext>==SIM900A_TRUE>{sim900a_tx_printf<"AT+CSCS=\"GSM\"\r">;SIM900A_DELAY<100>;sim900a_tx_printf<"AT+CMGF=1\r">;SIM900A_DELAY<100>;sim900a_tx_printf<"AT+CMGS=\"%s\"\r",num>;SIM900A_DELAY<100>;sim900a_tx_printf<"%s",smstext>;}sim900a_tx_printf<"%s",end>;}4.3LabVIEW上位機軟件設計LabVIEW上位機程序分為前面板設計和程序框圖設計,前面板設計就是進行人機交互界面設計,系統(tǒng)將前面板界面設計分為歡迎界面、監(jiān)測主界面、設置界面和回放界面。程序框圖設計分模塊為串口通信部分、數(shù)據(jù)處理部分、實時顯示部分等[16]。上位機軟件流程如圖21所示。串口通信部分,有波特率設置,串口號選擇,數(shù)據(jù)位選擇。根據(jù)識別串口后且打開按鈕為真時,才能進入數(shù)據(jù)處理顯示部分。串口通信程序如圖22所示。數(shù)據(jù)處理部分,采用公式節(jié)點,只需將處理程序的C程序?qū)懭爰纯?。?shù)據(jù)程序如圖23所示。顯示部分,使用波形圖標控件、滑動桿控件,將數(shù)據(jù)處理部分傳過來的數(shù)據(jù)進行捆綁顯示。顯示程序如圖24所示。前面板歡迎界面如圖25所示。前面板監(jiān)測界面如圖26所示。前面板設置界面如圖27所示。圖21上位機軟件流程圖圖22上位機串口通信程序圖圖23上位機數(shù)據(jù)處理程序圖圖24上位機顯示程序圖圖25上位機歡迎界面圖圖26上位機監(jiān)測界面圖圖27上位機設置界面圖4.4本章總結本章主要完成了對系統(tǒng)軟件的設計,系統(tǒng)軟件分為數(shù)據(jù)采集傳輸部分、數(shù)據(jù)接收處理部分、LabVIEW上位機軟件部分。給出了各部分的設計流程框圖,并給出了重要部分的代碼介紹。系統(tǒng)測試分析系統(tǒng)測試是整個設計的重要組成部分,首先為了測試組網(wǎng)是否成功,進行了ZigBee數(shù)據(jù)包抓包實驗分析。串口接收數(shù)據(jù)包實驗可以分析出網(wǎng)絡間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否正確?？刂破鲾?shù)據(jù)接收實驗分析了控制器端是否正確接收數(shù)據(jù)并進行了處理。上位機數(shù)據(jù)接收實驗分析了系統(tǒng)與上位機的數(shù)據(jù)通信和處理是否正確。5.1ZigBee數(shù)據(jù)包抓包實驗分析數(shù)據(jù)包抓包實驗采用的是TexasInstrumentsPacketSniffer軟件〔ZigBee無線網(wǎng)絡分析儀[17]。ZigBee協(xié)議棧是采用分層結構實現(xiàn)的,所以數(shù)據(jù)包顯示時也是不同層使用不同的顏色。系統(tǒng)ZigBee數(shù)據(jù)包抓包圖如圖28所示。圖28系統(tǒng)ZigBee數(shù)據(jù)包抓包圖有上圖可以分析出,剛開始是終端節(jié)點發(fā)送信標<Beacon>請求,接著協(xié)調(diào)器已經(jīng)建立ZigBee無線網(wǎng)絡且網(wǎng)絡地址<SourceAddress>為0x0000,然互終端節(jié)點發(fā)送加入網(wǎng)絡申請,協(xié)調(diào)器對終端節(jié)點的加入網(wǎng)絡請求作出應答,最后終端節(jié)點收到協(xié)調(diào)器的應答后,發(fā)送數(shù)據(jù)請求,請求協(xié)調(diào)器分配網(wǎng)絡地址。從圖28可看出終端節(jié)點的IEEE地址為0x81FCC23CED6E1789。從而可以得出ZigBee無線網(wǎng)絡組建實驗室成功的。5.2串口接收數(shù)據(jù)包實驗分析串口接收數(shù)據(jù)包實驗模擬了STM32控制器的串口接收ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)檢驗過程。在論文第四章提到的系統(tǒng)自定義協(xié)議中,規(guī)定了特點的數(shù)據(jù)幀格式,主要由、端口地址、功能碼、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)、校驗碼和包尾組成。在本實驗中,使用了串口調(diào)試軟件,波特率設置為115200,1位停止位,8位數(shù)據(jù)位,無奇偶校驗。所得到的實驗結果如圖29所示。圖29串口接收數(shù)據(jù)圖由圖29可以看出,數(shù)據(jù)接收是以十六進制顯示,為2440,節(jié)點地址為兩字節(jié),一共有0001、0002、0003三個終端節(jié)點。功能碼有09、02分別表示DHT11、MQ-2傳感器,接著是數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)、校驗位,包尾為0D0A。所以該實驗數(shù)據(jù)傳輸是成功的。5.3控制器數(shù)據(jù)接收實驗分析控制器數(shù)據(jù)是由協(xié)調(diào)器將收到的節(jié)點數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給SIM32控制器,控制器將數(shù)據(jù)處理后由液晶屏顯示。如果未接收到數(shù)據(jù),是不會顯示數(shù)據(jù)。連接好節(jié)點和控制器得到的實驗結果如圖30所示。圖30控制器接收數(shù)據(jù)圖實驗時,設置的溫度報警上限為20攝氏度,濕度報警上限為50個百分比,由圖30可以看出,三個節(jié)點的傳感器數(shù)據(jù)都成功接收并處理顯示。三個節(jié)點所測溫度都超過了警報值,亮起了紅燈,而濕度沒有超過了百分之五十,亮起了綠燈。所得的實驗現(xiàn)象和理論得出的一致。5.4上位機數(shù)據(jù)接收實驗分析上位機數(shù)據(jù)也是通過串口傳輸獲得,所以當上位機打開后,首先進行串口參數(shù)設置,再進行連接。連接好后,點擊采集按鈕,將進行自動數(shù)據(jù)采集然后處理顯示。顯示由兩部分組成,圖表顯示、數(shù)值指示燈顯示。在采集的過程中除了可以停止采集,無法進行其他操作。停止采集后,可以進行歷史數(shù)據(jù)查詢,報警值設置等操作。硬件連接好后,所得實驗結果如圖31所示。圖31上位機接收數(shù)據(jù)圖由圖31可以看出,當串口連接好后,串口設置界面變成灰色表示無法再進行操作。在采集的過程中,界面底部的選項按鈕變成灰色,也無法進行操作。三個節(jié)點都顯示已連接上,且接收到了數(shù)據(jù),通過外部條件使參數(shù)變化時,由圖表可以看出變化的趨勢。上述實驗現(xiàn)象結構都滿足設計要求。5.5本章總結本章主要將系統(tǒng)的測試分為ZigBee數(shù)據(jù)包抓包測試、串口數(shù)據(jù)接收測試、控制器數(shù)據(jù)接收測試和上位機數(shù)據(jù)接收測試,根據(jù)要求完成了相關測試,并對結構進行了分析。所以實驗結果顯示滿足設計要求。結束語本篇論文設計了一個基于STM32和LabVIEW的環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng),完成了對環(huán)境參數(shù)的實時測量。今年來人們對日常環(huán)境污染更加重視,環(huán)境的質(zhì)量關乎著人們的健康,課題研究成果將為人們對環(huán)境的監(jiān)測起到重要作用。系統(tǒng)主要對環(huán)境中的溫度、濕度和有毒氣體進行實時監(jiān)測,并有危險報警功能?？偟膩碚f,主要研究成果如下：=1\*GB2⑴針對功能要求,設計出了系統(tǒng)的通信協(xié)議,經(jīng)過多次測試證明了協(xié)議的科學性和合理性。=2\*GB2⑵完成了控制器程序的設計。=3\*GB2⑶完成了環(huán)境參數(shù)的實時采集并進行顯示,且對超過的警戒值得情況下,系統(tǒng)能夠通過GSM網(wǎng)絡告知用戶。=4\*GB2⑷使用LabVIEW編寫了系統(tǒng)上位機,通過實驗證明了上位機實時性、穩(wěn)定性和界面友好性滿足了設計要求。盡管課題完成了系統(tǒng)預期的基本功能要求,但由于研究時間和條件的限制,系統(tǒng)設計上還存在很多不足,并不能完全滿足實際的工程應用。以后對系統(tǒng)的進一步研究,將會從以下幾個方面進行：=1\*GB2⑴實現(xiàn)大量傳感器節(jié)點的組網(wǎng)工作,研究設計出自己的節(jié)點,使其無線發(fā)射距離能夠進一步延長。=2\*GB2⑵將會進一步增加對一氧化碳、霧霾等環(huán)節(jié)參數(shù)的測量功能,使測量功能更加全面。=3\*GB2⑶增加移動終端APP功能,使客戶手機能夠隨時查看監(jiān)測信息。=4\*GB2⑷進一步增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。參考文獻大波.嵌入式系統(tǒng)原理設計與應用[M].：機械工業(yè),2005.10~15ZhangDabo.Principleofembeddedsystemdesignandapplication[M].Beijing:Mechanicalindustrypress,2005.10~15<inChinese>江全.LabVIEW虛擬儀器從入門到測控應用[M].：電子工業(yè),2013.15~20LiJiangquan.Virtualinstrumentfromentrytothemeasurementandcontrolapplications[M].Beijing:Electronicindustrypress,2013.15~20<inChinese>忠兵.基于ZigBee技術的土壤溫度無線檢測系統(tǒng)研究[J].農(nóng)機化研究,2013,2:6~9XieZhongbin.ThesoiltemperaturewirelessdetectionsystembasedonZigBeetechnologyresearch[J].Agriculturalmechanizationresearch,2013,2:6~9<inChinese>熊攀.基于ZigBee技術的糧庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術,2014,2:3~5XiongPan.ThegraindepotenvironmentalmonitoringsystembasedonZigBeetechnologydesign[J].TheInternetofthingstechnology,2014,2:3~5<inChinese>馬憲民.虛擬儀器技術在石油測試設備中的應用[J].測井技術,2004,4:3~7MaXianmin.Virtualinstrumenttechnologyapplicationinoiltestequipment[J].2004,4:3~7<inChinese>鵬.基于無線網(wǎng)絡的糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].商場現(xiàn)代化,2013,28:13~15ZhangPeng.Thegranaryenvironmentmonitoringsystembasedonwirelessnetwork[J].Modernshoppingmall,2013,28:13~15<inChinese>肖天成.無線通信技術在遠程測量系統(tǒng)中的應用[D].華中科技大學,2012XiaoTiancheng.Wirelesscommunicationtechnologyintheapplicationoftheremotemeasurementsystem[D].Huazhonguniversityofscienceandtechnology,2012<inChinese>歐亞軍.基于ZigBee技術的智能家居系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].大學,2013OuYajun.BasedonthetechnologyofZigBeesmarthomesystemdesignandimplementation[D].Hunanuniversity,2012<inChinese>金帥.基于ZigBee的無線自組網(wǎng)研究[D].航空大學,2011JinShuai.BasedontheZigBeewirelessad-hocnetworkresearch[D].Nanchangaviationuniversity,2011<inChinese>雷曉明.基于物聯(lián)網(wǎng)的無線消防系統(tǒng)的研究與應用[D].華北電力大學,2013LeiXiaoming.WirelessfirecontrolsystembasedonInternetofthingsintheresearchandapplication[D].NorthChinaelectricpoweruniversity,2013<inChinese>譚玉波.基于短消息通信的車輛監(jiān)控系統(tǒng)終端[J].電子產(chǎn)品世界,2013,12:10~12TanYubo.Thevehiclemonitoringsystembasedonshortmessagecommunicationterminal[J].Electronicsworld,2013,12:10~12<inChinese>王小強.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡設計與實現(xiàn)[M].:化學工業(yè),2012．76~80WangXiaoqiang.ZigBeewirelesssensornetworkdesignandimplementation[M].Beijing:Chemicalindustrypress,2012．76~80<inChinese>文琛.基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[D].理工大學,2014LiWenchen.Thewirelessenvironmentmonitoringsystembasedonmulti-sensordatafusion[D].Nanjinguniversityofscienceandtechnology,2014<inChinese>杜元生.基于無線傳感器網(wǎng)絡的室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].航空航天大學,2013DuYuansheng.Indoorenvironmentmonitoringsystembasedonwirelesssensornetworkdesignandimplementation[D].Nanjinguniversityofaeronauticsandastronautics,2013<inChinese>周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎教程[M].：航空航天大學,2008.30~40ZhouLigong.TheARMembeddedsystembasedtutorial[M].Beijing:Beijinguniversityofaeronauticsandastronauticspress,2008．30~40<inChinese>[16]雷振山.LabVIEW高級編程與虛擬儀器工程應用[M].：中國鐵道,2013.43~50LeiZhenshan.LabVIEWhigh-levelprogrammingandvirtualinstrumentengineeringapplications[M].Beijing:Chinarailwaypublishinghouse,2013.43~50<inChinese>RumelhartDE.Learningrepresentationsbyback-propagatingerrors[J].Nature,2012,323<9>：533-536.R.S.Kawitkar,P.K.Shevgaonkar.DesignofSmartAntennaTestbedPrototype[J],IEEE,2013：299-301.LIHAO.WirelessNetworkTechnologyBasedonZigbeeandItsApplication[J]．InformationTechnology,2008,<1>：12-14．REFERENCESWheelerAndrew．CommercialapplicationsofwirelesssensorNetworksusingZigbee[J]．IEEECommunicationsMagazine,2007：70-77．IFAKYILDIZ,SUW,SANKARASUBRAMANIAMY,etal.Wirelesssensornetwork:asurvey[J].ComputerNetworks,2002,38<04>:393-422.PottieGJ,KaiserWJ.Wirelessintergratednetworksensors[J].CornrnunicationoftheACM2000,43<5>:51-58致在論文即將完成之際,首先衷心感我的指導老師肖冬瑞,在大學的四年學習期間,肖老師對工作的盡職和對學生的無私關愛精神深深的影響了我今后的學習和工作。讓我明白了無論是在工作還是生活上,選擇之前要及其慎重,選擇之后要全力以赴。對肖老師的教誨,我都會銘記在心,在這表示深深的感。另外在這還要感3103創(chuàng)新實驗室的王韌、王小虎等老師,感他們對我大學四年的教誨和幫助。同時還要感3103創(chuàng)新實驗室一起奮斗的朋友、學弟們,他們對我的學習提供了很大的幫助。讓我的大學生活更加精彩。感我的父母和親人,是他們的辛苦換來我的大學四年,是他們的汗水換來我的今天。讓我順利完成自己的學業(yè)。最后,再次衷心的感大學四年在學習、生活上幫助和關心過我的同學、老師、朋友們。附錄STM32控制程序：/********************************************************程序名：下位機主控程序*作者：曉康*版本：V1.0*時間：2015-5-14*說明：下位機初定版,主要完成數(shù)據(jù)的采集和處理顯示功能*******************************************************/#include"stm32f10x.h"#include"bsp_usart1.h"#include"bsp_usart2.h"#include"usart3.h"#include"bsp_ili9341_lcd.h"#include"bsp_sdfs_app.h"#include"bsp_bmp.h"#include"bsp_SysTick.h"#include"bsp_touch.h"#include"bsp_spi_flash.h"#include"even_process.h"#include"data_dma.h"#include"sim900a.h"#include<string.h>externuint8_tuart_buf[60];intmain<void>{ uint8_tk; LCD_Init<>; LCD_Clear<0,0,240,320,BLACK>; Sd_fs_init<>; USART1_Config<>; USART2_Config<>; USART3_Config<>; USART2_DMA_RxConfig<<uint32_t>uart_buf,60>; SysTick_Init<>; SPI_FLASH_Init<>; Touch_Init<>; #if1 SPI_FLASH_BufferRead<&cal_flag,0,1>; if<cal_flag==0x55> { SPI_FLASH_BufferRead<<void*>cal_p,1,sizeof<cal_p>>; SPI_FLASH_CS_HIGH<>; for<k=0;k<6;k++> printf<"\r\nrx=%LF\r\n",cal_p[k]>; } else { /*等待觸摸屏校正完畢*/ while<Touch_Calibrate<>!=0>; } #elif0 /*等待觸摸屏校正完畢*/ while<Touch_Calibrate<>!=0>; #endif while<1> { even_process<>; }}/***************************************************************程序名：事件處理程序*作者：曉康*版本：V1.0*時間：2015-5-14*說明：基于狀態(tài)機模型設計**************************************************************/#include"even_process.h"#include"bsp_ili9341_lcd.h"#include"bsp_touch.h"#include"bsp_usart1.h"#include"bsp_bmp.h"#include"data_dma.h"#include<stdio.h>#include"sim900a.h"INTERFACEInterface=Welcome;//初始化界面為歡迎界面EVENTevent=E_NULL;//初始化事件為空事件BUTTON_STATEP1_TempS=S_OFF;//節(jié)點1溫度上限按鈕狀態(tài)初始化為關BUTTON_STATEP1_TempX=S_OFF;BUTTON_STATEP2_TempS=S_OFF;BUTTON_STATEP2_TempX=S_OFF;BUTTON_STATEP3_TempS=S_OFF;BUTTON_STATEP3_TempX=S_OFF;BUTTON_STATEGSM_S=S_OFF;BUTTON_STATENumber_key=S_OFF;//數(shù)據(jù)輸入狀態(tài)初始化關DATAdata=D_NULL;uint8_ttime=0;//用于控制數(shù)字輸入的位數(shù)uint8_ti=0;//用于GSM初始化成功與否判斷Alarm_datap1Alarm_data;//報警值結構體存儲Alarm_datap2Alarm_data;Alarm_datap3Alarm_data;voideven_process<void>{ switch<Interface> { caseWelcome://歡迎界面 Lcd_show_bmp<0,0,"/fm.bmp">; break; caseSet_temp://設置界面 Lcd_show_bmp<0,0,"/sz.bmp">; while<Interface==Set_temp>//等待設置完成 {Set_eventProcess<>;//設置事件處理函數(shù) }