基于物联网的信息采集系统(室内温湿度检测)-(2).doc
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1、 物联网综合应用系统课程设计*实践教学* *计算机与通信学院2014年春季学期物联网综合应用实践课程设计题目:基于物联网的信息采集系统(室内温湿度检测)专业班级:姓名:学号:指导教师:成绩:目录摘要3前言4一、基本原理:5二、系统方案设计61、系统分析62、系统方案设计63、系统方案选择7三总体设计83。1SHT10引脚特性83.2温湿度传感器模块103。3CC2530串口通信原理113.4ZigBee无线传感器网络通信标准12四、详细设计134。1实现温湿度数据采集的硬件部分134。2实现温湿度采集的软件部分164。3总体结构流程18五、系统测试26总结27致谢30基于物联网的室内环境信息采
2、集系统设计摘要 基于物联网的无线传感网络是多学科的高度交叉,知识的高度集成的前沿热点研究领域.它通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测,感知和采集各种环境或监测对象的信息,这些信息通过无线方式被发送,并以自组多跳的网络方式传送到用户终端无线传感器网络的特性决定了其不需要较高的传输带宽,而要求较低的传输延时和极低的功率消耗。IEEES02154ZigBee技术是近年来通信领域中的研究热点,具有低成本、低功耗、低速率、低复杂度的特点和高可靠性、组网简单、灵活等优势,逐渐成为无线传感器网络事实上的国际标准。此次课设设计并实现了用无线传感器网络构成的分布式温度湿度监控系统。关键词:物联网、信息采集、
3、ZIGBEE、串口通信前言 在科技不断发展的今天,环境条件的温湿度指标是成为许多工作场合的重要参数,尤其是室内环境中的温湿度,温度和湿度的变化直接影响着人们的日程生活。温湿度的过高或过低都会影响室内事物的变化,所以有必要测量和控制室内的温湿度,不同的室内环境对温湿度的要求各不相同. 本设计是一种基于CC2530和数字温湿度传感器的温湿度采集系统。即该系统是采用ZigBee无线通信技术结合传感器,并通过运用ZigBee协议构架组建无线传感网络,来实现主从节点的数据采集和传输的,同时,需要在网络层通过AODV路由协议来进行节点间的连接以及数据的收发.总之,基于无线传感技术的无线网络传感器是一种将传
4、感器、控制器、计算能力、通信能力完美的结合于一身的嵌入式设备。它们跟外界的物理环境交互,适时地采集信息,并且将采集到的信息通过无线传感网络传送给远程用户。无线网络传感器一般是由一个低功耗的微控制器(MCU)和若干个存储器,无线电/光通信装置、传感器等组件所集成的,通过传感器及通信装置和它们所处的外界物理环境进行交互.由此而引入的无线传感网络更是一种开创了新的应用领域的新兴概念和技术,广泛被应用与医疗领域、大规模环境监测、智能建筑、战场监视、智能家居、工业自动化和大区域内的目标追踪等领域。所以说不管是工业,农业,军事及气象预报领域,还是人类生活的环境都需要对温度和湿度的环境进行测量和控制。因而,
5、研制可靠且使用的温湿度测量装置显得非常重要。尤其是要实现大环境中的温湿度测量和自动控制,采用有线网络的方案难以实现,本文提出采用基于ZigBee技术的无线温湿度测量与传输的方案,通过无线通信模块实现温湿度传感器和智能主板之间的交互,实现对网络采集的数据统一管理和分析。该系统具有快速展开,稳定可靠,可维护性好的特点.总的来说,我们的工作及生活在无形的改变着,变得更精致更高效更美丽。一、基本原理:温度传感器将被测点的温度采集后输出的模拟信号逐步送往放大电路、低通滤波器以及 A/D 转换器(即信号调理电路),然后再单片机的控制下将 A/D 转换器输出的数字信号传送到无线收发芯片中,并通过芯片的调制处
6、理后由芯片内部的天线发送到上位机机监测软件上,在上位机模块上,发来的数据由单片机控制的无线收发芯片接收并解调,最后通过接口芯片发送到 PC 机中进行显示和处理。温度传感器被用在终端节点上,当上电后,温度传感器就是能够获取环境中某个地方温度的敏感元器件,它可以将环境中的温度或者是与温度相关的参量信息转换成电信号,我们可以根据这些电信号的强弱来识别被测点在环境中的温度数据.二、系统方案设计1、系统分析 湿度传感器和温度传感器采集到数据后,通过给RS232串口增加无线传输功能,替代设备电缆线进行无线传输,无线温度采集系统改变了传统有线的数据采集系统搭建布线困难,监测区域受限等诸多不足。要求设计的短距
7、离无线通信系统具有功耗少,性价比高,系统维护快捷方便,而且通过在传感器模块上添加 FLASH 存储设备,使得数据采集工作能够摆脱对监测过程网络辐射范围的限制,可应用到许多的场合更好的改善采集工作的便捷行。通过与其他通信技术(如 GSMGPRS)的无缝接合,能够实现采集数据的远程传输,满足对数据采集区域的远程监控串口传输设计为双向全双工,无硬件流控制,强制允许OTA(多条)时间和丢包重传.2、系统方案设计方案一:飞思卡尔公司(Freescale)的 MC13193 芯片搭载了满足 IEEE 802.15.4 标准的射频信号传输与接收的调制解调设备.这类功能完善的双向 2。4GHz 频段的收发设备
8、能够融合到 ZigBee 技术之中.MC13193 包含低噪放大器,10mW 的功率增强器,压控振荡器,电源供应调节模块,所有频段编码和解码模块,包括可以转换和控制数据的发送与接收串行外围接口(SPI)中断请求输出。采用 OQPSK 的调制方式,最大传输速率为 250kb/s。搭配高性能的微处理器一起使用,MC13193可以提供低成本且高效率的短距离数据传输解决方案。MC13193 和 MCU 两者采用串行外围接口(SPI)连接,因此可以保证飞思卡尔庞大产品系列中的任意一款MCU 都能与之匹配使用。方案二:选择TI公司的2。4GHz片上系统解决方案CC2530,CC2530是用于IEEES02
9、。15。4、Zigbee和RF4CE应用的一个片上系统解决方案,它能以较低的总成本建立强大的网络节点.CC2530结合了先进的RF收发器性能,业界标准的增强型8051内核,使操作更容易,具备不同的运行模式,尤其适用于低功耗的系统需求.3、系统方案选择通过对比以上两种方案开发的难易程度、开发周期和现有的实验环境我们选择方案二。无线温度采集系统改变了传统有线的数据采集系统搭建布线困难,监测区域受限等诸多不足。ZigBee这种新兴的短距离无线通信系统具有功耗少,性价比高,系统维护快捷方便,而且通过在传感器模块上添加 FLASH 存储设备,使得数据采集工作能够摆脱对监测过程网络辐射范围的限制2,可应用
10、到许多的场合更好的改善采集工作的便捷行。通过与其他通信技术(如 GSMGPRS)的无缝接合,能够实现采集数据的远程传输,满足对数据采集区域的远程监控。一般以 ZigBee 技术为核心的无线温度采集系统的工作过程为:协调器节点首先应搭建网络,等待各自终端采集节点的入网请求;终端节点经过验证加入网络后,把温度传感器采集到的数据通过无线网络上传传输给协调器节点;协调器节点接收到数据包后,进行数据包解析,并通过串口将温度信息以及子节点地址等有效信息存储并显示在监控界面上。三 总体设计 本实验将使用CC2530读取温湿度传感器SHT10的温度和湿度数据,并通过CC2530内部的ADC得到光照传感器的数据
11、。最后将采样到的数据转换然后在LCD上显示。其中对温湿度的读取是利用CC2530的I/O(P1.0和P1。1)模拟一个类IIC的过程。其中该系统所使用的SHT10是一款高度集成的温湿度传感器芯片,提供全标定的数字输出。它采用专利的CMOSens技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件,并在同一芯片上,与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接.3。1SHT10引脚特性 SHT10是一款高度集成的温湿度传感器芯片,提供全标定的数字输出。它采用专利的CMOSens技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
12、传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件,并在同一芯片上,与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接.SHT10引脚特性如下:(1)VDD,GNDSHT10的供电电压为2.45。5V.传感器上电后,要等待11ms以越过“休眠”状态。在此期间无需发送任何指令.电源引脚(VDD,GND)之间可增加一个100nF的电容,用以去耦滤波.(2)SCK用于微处理器与SHT10之间的通讯同步。由于接口包含了完全静态逻辑,因而不存在最小SCK频率。(3)DATA三态门用于数据的读取。DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态,并仅在SCK时钟上升沿有效.数据传输期间,在SCK时
13、钟高电平时,DATA必须保持稳定。为避免信号冲突,微处理器应驱动DATA在低电平。需要一个外部的上拉电阻(例如:10k)将信号提拉至高电平.上拉电阻通常已包含在微处理器的I/O电路中。1、向SHT10发送命令:用一组“启动传输”时序,来表示数据传输的初始化。它包括:当SCK时钟高电平时DATA翻转为低电平,紧接着SCK变为低电平,随后是在SCK时钟高电平时DATA翻转为高电平。后续命令包含三个地址位(目前只支持“000),和五个命令位.SHT10会以下述方式表示已正确地接收到指令:在第8个SCK时钟的下降沿之后,将DATA拉为电平(ACK位).在第9个SCK时钟的下降沿之后,释放DATA(恢复
14、高电平)。2、测量时序(RH和T):发布一组测量命令(00000101表示相对湿度RH,00000011表示温度T)后,控制器要等待测量结束。这个过程需要大约11/55/210ms,分别对应8/12/14bit测量。确切的时间随内部晶振速度,最多有15变化。SHTxx通过下拉DATA至低电平并进入空闲模式,表示测量的结束.控制器在再次触发SCK时钟前,必须等待这个“数据备妥信号来读出数据。检测数据可以先被存储,这样控制器可以继续执行其它任务在需要时再读出数据。接着传输2个字节的测量数据和1个字节的CRC奇偶校验。uC需要通过下拉DATA为低电平,以确认每个字节。所有的数据从MSB开始,右值有效
15、(例如:对于12bit数据,从第5个SCK时钟起算作MSB;而对于8bit数据,首字节则无意义)。用CRC数据的确认位,表明通讯结束.如果不使用CRC8校验,控制器可以在测量值LSB后,通过保持确认位ack高电平,来中止通讯。在测量和通讯结束后,SHTxx自动转入休眠模式。3、通讯复位时序:如果与SHTxx通讯中断,下列信号时序可以复位串口:当DATA保持高电平时,触发SCK时钟9次或更多。在下一次指令前,发送一个“传输启动”时序。这些时序只复位串口,状态寄存器内容仍然保留.3.2温湿度传感器模块 温湿度探头直接使用IIC接口进行控制,光敏探头经运放处理后输出电压信号到AD输入。IIC接口将同
16、时连接EEPROM以及温湿度传感器两个设备,将采用使用不同的IIC设备地址的方式进行区分。其电路原理图如下所示: 图(1)温湿度传感器模块原理图使用1012bit的AD采集器进行光敏信号采集,使用专用温湿度传感器(IIC接口)进行温湿度信号采集。一次采样使用2字节描述,MSB方式,温湿度及光电传感器模块输出数据结构如下:仅采集温度信息温度数据高字节,温度数据低字节.仅采集湿度信息湿度数据高字节,湿度数据低字节。采集全部信息温度数据高字节,温度数据低字节,湿度数据高字节,湿度数据低字节。注意:本指令一次测量,最多只上传1次采集数据,不支持连续采集数据上传。3。3CC2530串口通信原理UART接
17、口可以使用2线或者含有引脚RXD、TXD、可选RTS和CTS的4线。UART操作由USART控制和状态寄存器UxCSR以及UART控制寄存器UxUCR来控制。这里的x是USART的编号,其数值为0或者1.当UxCSR.MODE设置为1时,就选择了UART模式。当USART收/发数据缓冲器、寄存器UxBUF写入数据时,该字节发送到输出引脚TXDx。UxBUF寄存器是双缓冲的.当字节传输开始时,UxCSR。ACTIVE位变为高电平,而当字节传送结束时为低。当传送结束时,UxCSR。TX_BYTE位设置为1.当USART收/发数据缓冲寄存器就绪,准备接收新的发送数据时,就产生了一个中断请求。该中断在
18、传送开始之后立刻发生,因此,当字节正在发送时,新的字节能够装入数据缓冲器。当1写入UxCSR.RE位时,在UART上数据接收就开始了。然后UART会在输入引脚TXDx中寻找有效起始位,并且设置UxCSR.ACTIVE位为1.当检测出有效起始位时,收到的字节就传入到接收寄存器,UxCSR.RX_BYTE位设置为1。该操作完成时,产生接收中断.同时UxCSR。ACTIVE变为低电平.通过寄存器UxBUF提供到的数据字节。当UxBUF读出时,UxCSR。RX_BYTE位由硬件清0。3.4ZigBee无线传感器网络通信标准 ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通
19、信技术或无线网络技术,是一组基于IEEE802。15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术.ZigBee协议规范使用了IEEE802。15。4定义的物理层(PHY)和媒体介质访问层(MAC),并在此基础上定义了网络层(NWK)和应用层(APL)架构。四、详细设计 本设计是基于CC2530的温湿度数据采集系统设计。因此,其重点是温湿度数据采集设计的实现,主要可分为二大部分,一是实现无线传感的硬件模块;二是实现无线传感的软件支持,也就是Zigbee协议框架的编程.实现湿度数据采集的硬件部分主要包括:无线传感器通信模块、无线传感基本结构实现原理、本设计所使用的试验箱以及软件支持
20、、常见的无线传感模块以及实现基于CC2530的温湿度采集系统节点模块设计。 实现温湿度数据采集的软件部分主要包括:Zigbee协议栈整体构架,Zigbee协议栈网络层。4。1实现温湿度数据采集的硬件部分 物联网温湿度采集系统的硬件部分可以大体有无线传感基本结构、无线传感实现原理、本设计所使用的试验箱以及软件支持、常见的无线传感模块以及实现基于CC2530的温湿度采集系统节点模块设计等组成。其具体内容如下:1、无线传感器通信模块无线节点模块:主要由射频单片机构成,MCU是TI的CC2530,2。4G载频,棒状天线.传感及控制模块:系列传感及控制模块,包括温度传感模块、湿度传感模块、继电器模块和R
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