智能超市系统-电子系统课设任务书.doc

第一章 绪论1.1无线网络的研究背景无线传感网络技术是典型的具有交叉学科性质的军民两用的高科技技术，可以广范应用于军事，国家安全，交通管理，灾害预测，医疗卫生，制造业和城市信息化建设等领域。无线传感网络由许许多多功能相同或不同的的无线传感节点组成，每一个传感节点又由数据采集模块（传感器,A/D转换器），数据处理和控制模块（微处理器，存储器），通信模块（无线收发器）和供电模块（电池，DC/AC能量转换器）等组成，近期微机电系统（MEMS）技术的发展为传感器的微型化提供可能，微处理技术的发展促进了传感器的智能化，通过MEMS技术和射频（RF）通信技术的融合促进了无线传感器及其网络的诞生。传统的传感器正逐步实现微型化，智能化，信息化，网络化，正经历着一个从传统传感器到智能传感器再到嵌入式web的内涵不断丰富的发展过程。1.2无线网络的研究现状无线传感器网络是新一代的传感网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用。将会给人们的生活和生产的各个领域带来深远的影响。各国都非常重视无线传感网络的发展，IEEE正在努力推进无线传感网络的应用和发展，波士顿大学还于最近创办了传感器网络协会,期望能促进传感器联网技术开发。美国技术评论杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络也加入其中。在“中国未来20年技术遇见研究”中总共157个技术课题，其中有7项是直接论述传感网络的。2006年初发布的国家长期科学与技术发展规划纲要为信息技术确定了三个前沿方向，其中两个与无线传感器网络的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。可以预计。无线传感网络的广泛应用是一种趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。国际上比较有代表性和影响力的无线传感器网络使用和研发项目有遥控战场传感器系统，网络中心战及灵巧传感器网络，智能尘埃，行为习性监控项目和美国皇家网络等，尤其是最新试验成功的低成本美军“狼群”地面无线传感器网络标识着电子战领域技术的最新突破。俄亥俄州正在开发“沙地直线”无线传感网络系统。这个系统能够散射电子绊网到任何地方，以侦测运动的高金属含量目标。民用方面，美国，日本等国家在对该技术不断研发的基础上在多领域也进行了应用。1.3 无线网络的研究前景微电子技术，计算机技术和无线通信技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微笑体积内能够集成信息采集，数据处理，和无线通信等多种功能。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信等多种方式组成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作和感知，采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器，感知对象和观察者构成了传感网络的三个要素，。如果说Internet构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么，无线传感网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感器网络世界直接感知客观世界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。未来移动通信网络除了以低成本实现数据的传输外，还要求在无专用通信基础设施的场景下，网络具有适应性和生存能力，因此无线传感器网络和自组织网络将因器灵活性而在未来移动通信网络中起重要作用。 无线传感器网络是由分布在给定局部区域内足够多的无线传感器节点构成的一种新型信息获取系统。并且具有一定的计算能力，。各节点之间通过专用的网络协议实现信息的交流，汇集和处理，从而实现给定局部区域内目标的探测，识别，定位和跟踪，随着通信技术，嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力，计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现，由这些微型传感器构成的传感器网络引起了人们的极大关注。无线自组织网络是一种没有预定技术设施支撑的自组织可重构的多级无线网络。在该网络中，网络拓扑，信道的环境，业务的模式随节点的移动而动态改变。无线自组织网络可以快速地为名用和军事应用建立通信平台。第二章 无线传感器网络的比较分析无线传感器网络（Wireless Sensor Network， WSN)是无线技术领域最新的，最流行的应用。正 是由于最新，所以现在还没有统一的标准，目前全球 有许多研究机构和组织在进行技术与规格的开没， 提出了不同的技术标准。他们是ZigBee、Z-wave ， Bluetooth ，Wibree ，6I0WPAN 等，这些 技术标准以ZigBee、Z-wave最成熟,基本形成 两大阵营。本文即对此两家标准进行全面比较分析。2.1 ZigBee技术简介ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，也称无线传感器网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。2.2 ZigBee的发展ZigBee标准创建于九十年代，当时作为Wi-Fi和蓝牙之外的另一个选择用于某些场合。IEEE802.15.4标准在2003年完成并在2006年得到升级。ZigBee联盟成立于2004年，目的是维护该标准，同时继续开发并提供互操作性测试。作为无线网状网络技术，ZigBee可以用于直接通信，但大多数应用基于星形或树状拓扑网状网络。主节点控制其他的连接点，如果某个节点不能和另一节点通信，这两个节点就会作为中继器与通信范围内的其他的节点相连。ZigBee可支持6.5万个节点。ZigBee设备运行于免费的工业、科学和医疗（ISM）频段。最受欢迎的配置都在2.4GHz频带，而ZigBee定义了16个5MHz的运行频段。最高数据率为250kbits/s,使用交错正交相移键控（OQPSK）。2.3 Z-Wave技术简介Z-Wave是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术。工作频带为908.42MHz(美国)868.42MHz(欧洲)，采用FSK(BFSK/GFSK)调制方式，数据传输速率为9.6 kbps，信号的有效覆盖范围在室内是30m，室外可超过100m，适合于窄带宽应用场合。随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加，相对于现有的各种无线通信技术，Z-Wave技术将是最低功耗和最低成本的技术，有力地推动着低速率无线个人区域网。2.4 Z-Wave的发展前景通过Z-Wave技术构建的无线网络，不仅可以通过本网络设备实现对家电的遥控，甚至可以通过Internet网络对Z-Wave网络中的设备进行控制。在2011年美国ces展，wintop都已经推出基于互联网远程控制的产品，如远程监控，远程照明控制等，且该技术已经成熟，主要是一个市场开拓及消费群体的培育还需要一段时间。随着Z-Wave联盟的不断进扩大，该技术的应用也将不仅仅局限于智能家居方面，在酒店控制系统，工业自动化，农业自动化等多个领域，都将发现Z-Wave无线网络的身影。2.5ZigBee和Z-Wave的比较分析ZigBee和Z-Wave短距离无线技术都用于远程监控和控制，但两种技术的规格和应用却不同。在美国应用越来越广泛的家庭局域网（home-area network, HAN）中，两种技术都是理想选择。本文将对比这两种广泛使用的无线技术 2.5.1 工作频率与传输速率比较 对传输速率进行比较，ZigBee工作在20至250kbps的较低速率，分别提供250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率，可满足低速率传输数据的应用需求。其中2.4GHz是一个全球通用的ISM频率。Z-Wave的主要工作频段有两个，一个是868.42MHz(欧洲)，另一个则是908.42MHz(美国)。而Z-Wave的传输速率更低，只有40kbps。实际上监控和控制应用等并不需要太高的传输速率，所以Z-Wave已足以应对家庭市场的需要。不过ZigBee的更高数据速率有助于进一步改善应用，特别是电池供电方案中的功耗问题。2.5.2 传输距离比较ZigBee的传输距离大致在0300米,其中2.4GHz的传输距离只有10 m左右。915 MHZ的传 输距离为30 -75 m,868 MHz的传镝距离为 300m。而Z-Wave的传输距离为室内大于30m，室 外大于100 m。但上述只是二者单段传输距离的理 论值，实际的传输距离还必须要根据发射功率的大 小、位用模式以及中继节点的使用清况而定。2.5.3 设计成本与功耗对比Z-Wave始终专注于家庭控制应用市场，在这一点上，它比ZigBee的应用领域更加明确，结构也更简单。ZigBee技术最初是定位于建筑自动化及工业控制应用，近年来才开始进军家用市场。由于ZigBee面向的是多种应用，这意味着包含更多的协议，需要占用更多的内存，所以成本可能要更高一些。 这两种技术在功耗方面均有不俗表现，低耗电待机模式下，ZigBee系统用两节普通5号干电池可支持1个节点工作6至24个月，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。而Z-Wave的轻量级协议和简单结构有助于保持更低的功耗，其单芯片解决方案可以为电池驱动设备，如：温度调节器和传感器提供先进的省电模式。2.5.4 传输结构与安全性分析Z-Wave可支持网状网络拓扑，其多点对多点的连接方式可提供更高的可靠性以及更大的覆盖范围。该技术中集成的动态路由机制实现了虚拟的无限制信号传输范围，每个Z-Wave设备都可以将信号从一个设备重传至另一个，从而保证高度可靠的传输覆盖整个家庭范围。 ZigBee更可支持网状、星型和簇状网络拓扑。ZigBee的传输范围一般在10100m之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定。当然，这一数字指的是相邻节点间的距离，如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离还可以更远。并且，如果某个节点传送失败，信息仍能够通过网络中的其它路径被传送出去，提高了通信的可靠性。 无线通信还有一个困扰所有用户的问题，这就是数据安全性。ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。目前的Z-Wave产品尚未提供此类功能。2.5.5 ZigBee技术开放性和互通性优势明显在通信领域，技术开放性和互通性无疑是一个非常重要的衡量指标。ZigBee技术凭借与IEEE 802.15.4小组的成功合作，将极有可能在今后的发展和推广中占据有利地位。这样，在商用化的过程中，不同厂商生产的ZigBee产品可以依据同一个标准方便地实现互联互通，从而缩短产品的上市时间。表1：ZigBee于Z-Wave的综合比较ZigBee和Z-Wave的标准及应用技术频段调制方式数据速率范围应用ZigBee2.42.843G250kbits/s10300米家庭自动化智能电网远程控制Z-Wave908.42MHz9.6/50Kbits/s30100米家庭自动化安全2.5.6 比较总结ZigBee和Z-Wave的目标应用一致。其中ZigBee的通用性远超Z-Wave,几乎可以配置并实现任何短距离无线功能，应用规范也可以大大缩短普通应用的开发时间。另一方面，ZigBee的协议更复杂，开发时间也更长。Z-Wave采用更简单的协议，开发更快也更简单。ZigBee使用应用广泛的2.4GHz ISM频段，因此必须与Wi-Fi、蓝牙和其它无线标准共享频段，会产生干扰。大多数ZigBee设备都有有助于缓解干扰的共存功能，但潜在的2.4GHz干扰比Z-Wave所处的908.42MHz通道更大。第三章 ZigBee模块3.1 ZigBee 的应用智能家庭：家里可能都有很多电器和电子设备，如电灯、电视机、冰箱、洗衣机、电脑、空调等等，可能还有烟雾感应、报警器和摄像头等设备，以前我们最多可能就做到点对点的控制，但如果使用了无线ZigBee技术，可以把这些电子电器设备都联系起来，组成一个网络，甚至可以通过网关连接到Internet，这样用户就可以方便的在任何地方监控自己家里的情况，并且省却了在家里布线的烦恼。传感器网络应用：传感器网络也是最近的一个研究热点，像货物跟踪、建筑物监测、环境保护等方面都有很好的应用前景。传感器网络要求节点低成本、低功耗，并且能够自动组网、易于维护、可靠性高。ZigBee在组网和低功耗方面的优势使得它成为传感器网络应用的一个很好的技术选择。工业控制：工厂环境当中有大量的传感器和控制器，可以利用无线ZigBee技术把它们连接成一个网络进行监控，加强作业管理，降低成本。医疗监护：电子医疗监护是最近的一个研究热点。在人体身上安装很多传感器，如测量脉搏、血压，监测健康状况，还有在人体周围环境放置一些监视器和报警器，如在病房环境，这样可以随时对人的身体状况进行监测，一旦发生问题，可以及时做出反应，比如通知医院的值班人员。这些传感器、监视器和报警器，可以通过无线ZigBee技术组成一个监测的网络，由于是无线技术，传感器之间不需要有线连接，被监护的人也可以比较自由的行动，非常方便。3.2ZigBee 物联网网络的建立 图1 ZigBee模块 图2 常见ZigBee开发板3.2.1 ZigBee模块的组网ZigBee网络通常由三种节点构成：Coordinator：用来创建一个ZigBee网络，并为最初加入网络的节点分配地址，每个ZigBee网络需要且只需要一个Coordinator。Router：也称为ZigBee全功能节点，可以转发数据，起到路由的作用，也可以收发数据，当成一个数据节点，还能保持网络，为后加入的节点分配地址。End Device：终端节点，通常定义为电池供电的低功耗设备，通常只周期性发送数据，不接收数据。3.2.2 网络的搭建设计好节点硬件电路，把每个节点设置好ZigBee 模块信息，这样就建立了一个点对点的物联网硬件网络，具体如图3 所示。如果把其中一个节点n 的发送模式定义为“广播模式”，其它节点的目的网络地址都为节点n 的本地网络地址，就可把点对点物联网硬件网络变成点对多点的物联网硬件网络，具体如图 4所示。图3 点对点网络 图4 点对多点网络图5 ZigBee网络拓扑结构3.2.3 ZigBee硬件开发平台 CC2530芯片介绍:CC2530 整合了业界领先的2.4GHZ IEEE802.15.4/ zigbee RF收发机CC2520以及工业标准的增强性8051 mcu的卓越性能，还包括了8kB的sram，大容量flash以及许多其他的强大特性。CC2530芯片系统保持了CC2520所包含的作射频性能，包括了超低功耗、高灵敏度，出众的抗噪声及抗干扰性能，所集成的mcu为强大的8位，单周期8051微控制器核心（其典型性能可达到标准的8倍）。另外，CC2530还包括了许多强大的外设资源，如dma、定时/计数器、看门狗定时器（watchdog timer）,aes-128协处理器，8-14位adc，usart，睡眠定时器，上电复位电路，掉电检测电路以及21个可编程I/O引脚2。CC2530芯片具有如下特性： 高性能和低功耗的8051微控制器核集成符合IEEE 802.15.4标准的2.4GHZ的RF无线电收发机优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性在休眠模式时仅0.9UA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统， 在待机模式时少于0.6UA的流耗，外部中断能唤醒系统。 硬件支持CSMA/CA功能。较宽的电压范围（2.0-3.6v）数字化RSSI/LQI支持和强大的DMA功能具有电池检测和温度感测功能集成了14位的模 /数转换的adc集成AES安全协处理器带有2个强大支持机组协议的USART，以及一个符合IEEE802.15.4规范的MAC 计时器，一个常规的16位计时器和2个8位计时器；强大和灵活的开发工具图6 CC2530管脚图第四章 小容量物联网的设计 -小型智能超市系统设计4.1智能超市购物系统随者人们消费水平的提高，大型超市购物越来越受到人们的青睐，可足每逢周末，超市收银台前长长的队伍对 人们购物的心情和超市的效益产生极大的影响，而且有 时想买一样东两，却苦苦找不到地方。针对超市购物的上述不便.人们研究出一种智能超市购物车，它不仅能很快 指出想要购买商品的位置和具体信息，引导人们很快找到 商品,同时智能购物车还具有自动结账、查询等功能，大人 节省了购物的时问，使人们的购物轻松而愉快。4.2系统总体方案设计本系统采用ATmegal28单片机为主控芯片,通过电子扫描枪将商品的条形码识別后传给ATmegal28单片机，单片机把收到的条形码信息通过串口传输给ZigBee模块,ZigBee无线传输模块将条形码信息传给PC机,PC机连接者ZigBee通过模块负责商品信息的实时传输，在接收到条形码信息后迅速通过数据库查询商品信息，同时将查询的位息发送给ATmegal28单片机.ATmegal128单 片机在接收到PC机发来的商品信息后通过其另一个串口控制触摸屏提示商品信息和消费总价。同时可以通过触摸屏查询商品打折信息和商品的以体位置。系统总体框如图7所示。条形码识别PC机触摸屏控制ATmegal28单片机ZigBee无线模块ZigBee无线模块 图7 系统总体框图4.3硬件电路设计与应用系统硬件电路设计与应用主要包括串口通信电路设计，ZigBee无线通信模块应用设计，串口显示终端应用条形码扫描电路设计和红外定位电路设计。4.3.1.串口通信电路设计 ATmegal28单片机是美国Atmel公司生产的髙性能、低功耗8位单片机，具有先进的RISC结构。128单片机具有两个可编程的串行USART,可以方便 地在显示终端和无线传输模块之间传输数据。 1149.1标准的JTAG接口,遵循JTAG标准的边界扫描功 能，通过JTAG接口可以实现在线仿真调试和程序下载本文主要是通过ATme128单片机的两个串口分别控制ZigBee无线模块和触摸屏。单片机和PC机通信时，由于单片机输人输出电平是TTL电平，PC机配置的是RS-232标准接口，两者的电器规则不同,要想进行通信必须要通过电平转换,通常采用MAX232电平转换芯片进行转换，电路连接电路图如图9所示。图8 ATmegal28管脚图图9 串口电路转换电路设计4.3.2 ZigBee无线通信模块应用本系统只需要PC机和各个ZigBee模块之间通信,所以选择点对点数据传输,点对点传输适合于ZigBee网络内任何两点之间的数据传输;数据透明传输 的接收方知道数据来来源的地址(增加最后2 byte);数据包 长度最大36 byte(数据区长度32 byte);如在一个网络中 从301A节点发送数据到51 2B节点，应当发送FD 0A 51 2B 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10，其中FD是点对点数据 传输指令0A是数据长度,512B是目标地址,地址512B收到的数据为发送数据和源地址。ZigBee标准规定可以在一个单一网络中容纳65535个节点,完全可以满足大型超市的购物笛求,由于ZigBee 网络采用了 CSMA/CA机制(带有冲突避免的载波侦听多 路访问技术）。确保了多点发送，利用ACK信号尽量避免发生数据冲突使系统更加稳定可靠。4.3.3 串口智能显示终端应用单片机通过串口和触摸屏进行通信,迪文智能显示 终端采用的是四线电阻式触摸屏,触摸按键就是在屏幕上 显示一个按钮的图标，当用户点击该图标时,该显示终端 会通过串口向单片机发送一串十六进制数,其中包含 触換的位置坐标，当单片机收 到其坐标后按预设的功能做出相应的操作。触摸屏所需图片也是通过此软件进行下载和配 发。4.3.4 条形码扫描电路设计条形码的信息通过电子扫描枪扫描后通过PS2口将倍息输入到单片机，单片机通过外部中断程序接收到通信 断码后将其转换成十进制数并将转换后的数通过ZigBee模块发送到PC机. 4.3.5 定位方案设计木文所采用的ZigBee尤线模块使用的是CC2530芯 片,由于其强大的数据传输和冲突避免能力，其定位相对 复杂。针对本系统应用的特点，采用的是红外线室内 定位技术，其定位原理是:红外线发射器发射调制的红外 射线,通过安装在室内的光学传感器接收进行定位，在本 系统中,在超布货架上每隔3 m放置一个红外发射器,每 个红外发射器有固定的标识ID,在智能购物车上和红外 发射器同等高度安装有红外接收器，根据接收的红外编码 不同可确定消费者的具体位置及其相关信息。红外发射可采用低功耗 的通用编码芯片PT2262，PT2262可发出一个完整的编码信信包括地址码、数据码、同步3部分.本系统采用的是与PT2262配套的PT2272芯片进行硬件解码,其相关原理图如图10、图11所示。图10 PT2262编码电路 图11 PT2272解码电路设计4.4软件设计1.主程序流程本系统的软件设计主要包括中单片片机串通口通信程序、外 部中断接收扫描数据程序、迪文串口显示终端控制程序和 PC机数据库程序设计。主程序主要完成系统变量的初始化，通过电子扫描 枪扫描条形码数据并通过ZigBee无线数传模块与PC机 建立通信，返回的信息在液晶显示终端显示。