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2014“ti杯”全国大学生物联网创新设计应用大赛2014“ti杯”第四届全国大学生物联网创新设计应用大赛作品设计报告室外环境实时监测系统system of outdoor environmental monitoring设计报告参赛学校：安庆师范学院作 者：石冬冬 张超 曹静萍 方明星 指导教师：刘桂江组别：本科组 1目 录摘要.2第1章 绪论.3第2章 系统方案.3 2.1 功能介绍.3 2.2 系统结构.4第3章 无线组网原理及软件设计.5 3.1 无线组网原理.5 3.2 软件设计.63.2.1 主节点主程序设计.73.2.2 从节点主程序设计.7 3.3 点对点组网实现过程.73.3.1 点对点通信定义.73.3.2 点对点发送及接收函数的建立.8第4章 系统硬件.10 4.1 系统硬件平台的搭建.10 4.2 硬件系统方案论证.104.2.1 zigbee芯片的选择.104.2.2 温湿度传感器的选择.114.2.3 气体传感器的选择.124.2.4 lcd显示器的选择.12第5章 特色与创新.14 5.1 特色.14 5.2 创新点.14 5.2.1 产品服务.14 5.2.2 竞争优势.14第6章 应用扩展及市场前景分析.14 6.1 应用扩展.14 6.2 市场前景分析.15参考文献.16附录.17 附录1.17 附录2.18 附录3.19摘要室外环境实时监测系统是一项对室外空气温湿度、有害气体浓度进行实时监测，实现实时反馈和远程控制的研究项目。据研究，现代化的快速发展，致使空气污染越来越严重，各种有害气体成了危害人们健康的最大隐形杀手，故应该加强对人们生存环境（室内及室外）的监测。该监测仪主要适用于小区、工厂、公园等小范围，弥补了智能家居只对室内环境监控的不足，让人们及时了解室外的环境质量，避免潜在危险。 整个监测系统由传感器节点、协调器节点（coordinator）以及监控终端构成。其中传感器节点主要由数据采集、接口、微处理、无线通信和电源五个模块组成，其工作流程是通过传感器模块采集空气中的温湿度和硫化物、氮化物等有害气体的浓度，数据由通用接口传到微处理器模块进行相应的处理，处理后的数据通过 zigbee 无线通信模块传输到各用户家中的终端（显示屏），当环境参数达到设定的阈值且红外模块检测到有人接近该区域时会启动报警，另一方面，人们可通过gsm模块远程控制家中的电器，如关闭窗户，打开排气扇，防止有害气体在屋内聚积，最大程度的减小对人体的伤害。 通过对各种传感器的功能与价格的比较，我们选择了功能强、价格低、适用性强的温湿度传感器dht11、mq135气体传感器和红外热释电，并采用zigbee技术对传感器模块进行自组网，实现无线传感器节点与主节点之间的相互通信，提出无线传感器网络的解决方案。各节点均采用电池供电，使传感器的体积变小，应用起来更加小巧灵活。根据zigbee/ieee802.15.4协议标准，把低功耗、低成本作为主要目标，可在数千个微小的传感器之间实现相互协调通信，而采用zigbee芯片内部集成的低功耗增强型8051微控制器，对传感器的通信和控制可以变得更加灵活。关键词：dht11，mq135，gsm，zigbee，室外环境，实时检测，远程控制第一章 绪论 空气污染（又称为大气污染），按照国际标准化组织(iso)的定义，“空气污染(大气污染)通常是指由于人类活动或自然过程引起某些物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到足够的时间，并因此危害了人体的舒适、健康或环境的现象”。也就是说，某些物质在空气中不正常的增量就产生空气污染。研究证明：当空气污染指数小于100时，人们可正常活动；当空气污染指数达到轻度污染(即100200)时，健康人群可出现刺激症状，心脏病和呼吸系统疾病患者应减少体力消耗和户外活动；当空气污染指数达到200300时，健康人群中普遍出现症状，老年人和心脏病、肺病患者应停留于室内，并减少体力活动;当达到重度污染(即空气污染指数在300以上)时，则健康人也要避免室外活动了。随着社会经济的快速发展，工业化水平的提高，人类活动对环境产生的影响越来越大，尤其是在城市，集中了大量的工厂、车辆和人口。空气质量由于以上原因逐渐恶化。那么，哪些地方在恶化，恶化程度如何，发展趋势如何，专家关心，政府关心，人民更关心。而让人们实时掌握自己所生活、工作、学习、活动的环境质量，不仅可以让人们及时采取措施改变周围环境，还能激发人们对环境保护的积极性。鉴于这一需求，我们设计了“室外空气检测仪”，它是一项对室外空气温湿度、有害气体浓度进行实时监测并实时反馈的检测仪器，适用范围主要有小区、工厂、公园等小范围，弥补了智能家居只对室内监控的不足，为人们的出行带来了一定的方便，让人们及时了解室外的环境质量，并发现潜在危险。第二章 系统方案 2.1功能介绍本产品通过温湿度传感器dht11、mq135气体传感器采集室外环境的温湿度和硫化物、氮化物等有害气体的浓度，数据由通用接口传到微处理器模块进行相应的处理，处理后的数据通过 zigbee 无线通信模块传输到各用户家中的终端（显示屏），当空气数据超标时会启动报警模式。可以对小区、工厂、公园等小范围内的室外空气质量进行实时检测，让人们对自己生活、工作、娱乐场所的空气质量能实时掌握，及时发现发现身边潜在危害并采取措施。 整个监测系统由传感器节点、协调器节点（coordinator）以及监控终端构成。其中传感器节点主要由数据采集、接口、微处理、无线通信和电源五个模块组成，其工作流程是通过传感器模块采集空气中的温湿度和硫化物、氮化物等有害气体的浓度，数据由通用接口传到微处理器模块进行相应的处理，处理后的数据通过 zigbee 无线通信模块传输到各用户家中的终端（显示屏），当环境参数达到设定的阈值时会启动报警模式。利用串口在电脑上显示所得数据 气体传感器采集数据发送至协调器发送至协调器温湿度传感器采集数据 无线组网 终端控制 触发继电器开关 打开报警灯和语音提示系统 图1 功能实现过程2.2系统结构主要由五部分组成：数据采集模块、通用接口模块、微处理模块、无线通信模块、电源模块。系统基本结构如图2所示：图2 系统基本结构在该系统中，传感器节点是整个网络的基本单位，构成室外环境检测仪的的基础支持平台，其节点的主要功能如下：（1）对室外的环境参数进行实时采集和处理；（2）传感器网络节点能够组成自组网，具有无线收发功能，无线模块可以把采集到的传感器数据值发送到协调器节点，再发送到终端，以实现实时监测和报警。第三章 无线组网原理及软件设计3.1 无线组网原理新的网络首先由协调器设备建立，启动时协调器搜索附近其他协调器，如果没有发现协调器，它就通过发送nlme network format ion. confirm原语启动一个新的网络建立过程。当建立网络过程开始后，协调器网络层将首先请求mac层对协议所规定的通道，或由物理层所默认的有效通道进行能量检测扫描设备网络层发送扫描类型参数设置为能量检测扫描mlme_scan. request原语到mac层进行通道能量检测扫描。扫描结果通过mlme_scan. confirm原语返回。当网络层管理实体收到成功的能量检测扫描结果后，将以递增的方式对所测量的能量值进行通道排序，并且抛弃那些能量值超出了可允许能量水平的通道，选择可允许能量水平的通道有待处理。此后网络层管理实体发送mlme_scan. request原语执行主动扫描, 搜索所有的zigbee设备。为了决定用于建立一个新网络的最佳通道，网络层管理实体将检查pan描述符确保所给定的个域网标识符不会与所选择的通道的现有标识符参数产生冲突，如果冲突那么可能从给定的通道中选择另外一个通道。如果找到了适当的通道，则将为这个新网络选择一个pan 标识符。一旦选定了pan标识符，将选择一个等于0x0000的16位网络地址, 并且设置mac层的地址pib属性, 将其设置为该值。分配地址后，将通过mac层发出mlme_start. request原语开始运行新的个域网，nlme network format ion. confirm原语返回网络已经形成的确认。协调器工作流程图如图3：图3 协调器工作流程图通过nlme_permit_joining. request原语允许其他设备与网络连接，该原语允许zigbee协调器或路由器上层设定其mac层连接允许标志，在一定期间内允许其他设备同网络连接。仅仅只有zigbee协调器或路由器才能企图允许设备与网络连接，如果终端节点设备的网络层管理实体收到该原语时，则返回状态为invalid request的nlme_permit_joining. confirm原语，nlme_permit_joining. request原语激发网络层向mac层发送mlme_set. request原语，完成mac层若干属性设置，mac层通过mlme_set. confirm返回结果，网络层nlme_permit_joining. confirm返回设置结果，允许设备同网络连接。3.2软件设计3.2.1主节点主程序设计在无线传感器网络平台中，每个网络节点都必须承担发送、接收数据，而主节点还要承担将接收到的数据上传至上位机的功能。程序流程图如图4所示。开始mcu、无线模块初始化传感器采集数据无线模块是否为发送数据模式？ny配置fifo、启动无线模块接收数据配置fifo、启动无线模块发送数据判断节点号n是否发送完？数据送上位机显示y图4 主节点主程序流程图3.2.2从节点主程序设计从节点主要承担的任务是：完成采集当前外部的温湿度，将采集回来的温湿度量通过无线模块发送出去，当外部有其他从节点温湿度量要进入该从节点时，还要进行数据的接收。从节点主程序流程图如图5所示。开始mcu初始化，无线模块初始化传感器采集数据n无线模块是否为发送数据模式？y配置fifo、启动无线模块配置fifo、启动无线模块发送数据接收数据n是否接收完？n是否发送完？yy判别节点号存入对应数据区图5 从节点主程序流程图3.3点对点实现过程3.3.1点对点通信定义添加代码实现点对点通信的定义和初始化：afaddrtype_t point_to_point_dstaddr;/点对点通信定义point_to_point_dstaddr.addrmode=(adaddrmode_t)addr16bit;point_to_point_dstaddr.endpoint=sampleapp_endpoint;point_to_point dstaddr.addr.shortaddr=0x0000; /点对点通信的初始化继续添加自己的点对点发送函数，代码如下：void sampleapp_sendpointtopointmessage( void )uint8 data10=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9;if ( af_datarequest( &point_to_point_dstaddr,&sampleapp_epdesc,sampleapp_point_to_point_clusterid,10,data,&sampleapp_transid,af_discv_route,af_default_radius ) = afstatus_success )else/ error occurred in request to send.3.3.2点对点发送及接收函数的建立我们建立的点对点发送函数 sampleapp_sendpointtopointmessage();这样就能实现周期性点播发送数据了。如图6所示：图6 建立的点对点发送函数在接收方面，我们进行如下修改：接收 id 我们在原来基础上改成我们刚定义的sampleapp_point_to_point_clusterid。如图7所示：图7 建立的点对点接收函数由于协调器不允许给自己点播，故周期性点播初始化时协调器不能初始化。如图8所示：图8 协调器不能初始化 最后，在 sampleapp.c 函数声明里加入：void sampleapp_sendpointtopointmessage(void); /点对点通讯发送函数定义否则编译将报错。如此，便可成功地进行点对点的数据传输。具体代码见附录1。第四章 系统硬件 4.1系统硬件平台的搭建对于传感器网络节点上挂的传感器实时采集的信息，采用ti公司生产的zigbee芯片及内部集成的增强型8051微控制器对其进行控制，实现例如温湿度等信息的实时检测，采用温湿度传感器挂接到每个网络节点上来实现对空间中各个环境区域的检测，zigbee芯片的功耗做到尽可能低，每个节点采用电池供电，主节点上采用lcd或上传至上位机实时显示并实现对每个节点的控制，实现报警功能等。结合以上几点，每个网络节点的结构如图9所示。传感器zigbee芯片内部集成射频模块zigbee芯片内部集成增强型8051单片机lcd显示模块电源模块图9 网络节点的结构4.2硬件系统方案论证4.2.1 zigbee芯片的选择cc2530 是用于2.4-ghzieee 802.15.4、zigbee和rf4ce应用的一个真正的片上系统（soc）解决方案。它能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点。cc2530结合了领先的rf 收发器的优良性能，内部集成了业界标准的增强型8051 cpu，8-kb ram 和许多其它强大的功能。cc2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间较短，进一步确保了低能源消耗。cc2530f256结合了德州仪器的业界领先的黄金单元zigbee协议栈（z-stack），提供了一个强大和完整的zigbee 解决方案。图10是cc2530 的方框图，图中模块大致可以分为三类：cpu 和内存相关的模块；外设、时钟和电源管理相关的模块，以及无线电相关的模块，图11是它的引脚封装图。图10 cc2530的方框图图11 cc2530引脚封装图4.2.2温湿度传感器的选择温湿度传感器采用dht11，dht11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个 ntc 测温元件，并与一个高性能 8 位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个 dht11 传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在 otp 内存中，传感器在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达 20 米以上，使其成为各类应用的最佳选择。4.2.3 气体传感器的选择气体传感器采用mq135。mq135所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(sno2)。当传感器所处环境中存在污染气体时，传感器的电导率随空气中污染气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。 mq135气体传感器对氨气、硫化物、苯系蒸汽的灵敏度高，对烟雾和其它有害气体的监测也很理想。这种传感器可检测多种有害气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。mq135各项技术指标如表1所示：表1 mq135技术指标产品型号mq135产品类型半导体气敏元件标准封装胶木（黑胶木）检测气体氨气、硫化物、苯系蒸汽检测浓度10-1000ppm（氨气、甲苯、氢气）标准电路条件回路电压vc24vdc加热电压vh5.0v0.2v acordc负载电阻rl可调加热电阻rh313（室温）标准测试条件下气敏元件特性加热功耗ph900mw敏感体表面电阻rs2k-20k（in 100ppm nh3）灵敏度srs（in air）/rs（100ppmnh3）5浓度斜率a0.6()标准测试条件温度、湿度202；65%5%rh标准测试电路vc: 5.0v0.1v;vh: 5.0v0.1v预热时间不少于48小时4.2.4 lcd显示器的选择lcd显示器采用fyd12864-0402b，它是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点阵汉字，和128个16*8点阵ascii字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字。也可完成图形显示。低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。fyd12864-0402b的外观、方框图及接口说明分别见图12、图13、表2。图12 fyd12864-0402b外观图13 lcd显示系统结构图 表2 模块接口说明管脚号名称level功能1vss0v电源地2vdd+5v电源正（3.0v5.5v）3vo-对比度（亮度）调整4csh/l模组片选端，高电平有效5sidh/l串行数据输入端6clkh/l串行同步时钟：上升沿时读取sid数据15psbll:串口方式（见注释1）17/reseth/l复位端，低电平有效（见注释2）19avdd背光源电压+5v（见注释3）20kvss背光源负端0v（见注释3）*注释1：如在实际应用中仅使用串口通讯模式，可将psb接固定低电平，也可以将模块上的j8和“gnd”用焊锡短接。*注释2：模块内部接有上电复位电路，因此在不需要经常复位的场合可将该端悬空。 *注释3：如背光和模块共用一个电源，可以将模块上的ja、jk用焊锡短接。第五章 特色与创新点 5.1特色（1）可以自发地对室外的环境参数如空气的温湿度和有效气体浓度进行实时采集和处理；（2）传感器网络节点能够组成自组网，具有无线收发功能，无线模块可以把采集到的传感器数据值发送到coordinator节点，再发送到终端，以实现实时监测和报警。5.2创新点5.2.1产品服务（1） 对室外小范围（如小区）的空气中有害气体及温湿度进行实时检测；（2） 对采集的数据进行实时反馈，并当其超过安全值启动报警模式； （3）既能让人们有充分的时间进行预防，又能增强人们的环保意识，采取有效措施，控制环境的污染。5.2.2竞争优势（1）自主研发的技术；（2）各传感器与控制节点无线连接，无须布线；（3）系统模块化设计，可以灵活配置系统。第六章 应用扩展及市场前景分析6.1应用扩展（1）基于点播组网方式的原理，适当扩大组网规模，采用组播或广播进行组网。（2）zigbee协议栈的休眠机制仅适用于星型网络。如何使休眠机制在多跳mesh网络中得到实现还需要进一步的理论研究。（3）tr4mrn路由协议维护的动态路径在无线传感器网络传输速度较快的情况下具有一定的失效率。因此，tr4mrn在路径失效率的解决方法上仍有待改进。（4）本设计所利用的协议栈是一个无安全模块的zigbee协议栈，它是由产品公司在出售时为用户设置的最基本的协议栈，在未来的工作中可以考虑加入安全模块来提高协议栈的安全性。6.2市场前景分析目前，空气污染越来越严重，人们实时掌握自身生活、工作的小范围环境的空气质量及变化显得愈加重要，通过对空气有害气体成分的了解，既能让人们有充分的时间进行预防，又能增强人们的环保意识，采取有效措施，控制环境的污染，而室外环境监测仪能够满足这一需求。本产品采用的均是低功耗、低成本且精密程度较高的芯片，产品的可操作性强，维护周期长，实现简单，能够广泛应用于人们各种活动场所。参考文献1 王殊. 无线传感器网络的理论及应用m. 北京：北京航空航天大学出版社，2008.2 齐楠，等. 基于zigbee技术的智能家庭无线传感器网络的设计j.机电工程，2009，24（2）：20-22.3 于海斌，等. 智能无线传感器网络系统m. 北京：科学出版社，2010.4 李建中，等. 传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展j，北京：电子工程，2009，41（1）.5 任丰原，等. 无线传感器网络j. 北京：软件学报，vol.14no. 7，vol.14no.7，1282-1291，2009.6 孙茂一，等. zigbee技术在无线传感器网络中的应用j. 北京：现代电子技术，2009.7 杜晓明，等. 无线传感器网络研究现状与应用j. 北京：北京工商大学学2011,26(1)：41-43.8 孙亭，等. 无线传感器网络技术发展现状j.电子技术应用，2010（6）.9 李建中，等. 无线传感器网络的研究进展j.计算机研究与发展，2008，45（1）.10 史永斌，等.无线传感器网络技术研究现状j. 国外电子测量技术，2008，24（11）.11 余向阳. 无线传感器网络研究综述j. 单片机与嵌入式应用系统，2008（8）.12 李善仓，等. 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dht11(); /获取温湿度p0dir |= 0x40; /io 口需要重新配置 /*温湿度的 asc 码转换*/temp0=wendu_shi+0x30;temp1=wendu_ge+0x30;humidity0=shidu_shi+0x30;humidity1=shidu_ge+0x30; /*信息通过串口打印*/uart_send_string(temp1,5);uart_send_string(temp,2);uart_send_string(n,1);uart_send_string(humidity1,9);uart_send_string(humidity,2);uart_send_string(n,1);delay_ms(2000); /延时，使周期性 2s 读取 1 次 21附录2 有害气体检测代码 #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char /定义控制 led 灯的端口 #define led1 p1_0 /