嵌入式系统开发技术课程设计-嵌入式温湿度采集系统设计.doc

* 实践教学*兰州理工大学计算机与通信学院2014年春季学期嵌入式系统开发技术课程设计题 目：嵌入式温湿度采集系统设计 专业班级： 通信工程（3）班 姓 名： 学 号： 指导教师： 成 绩： I摘要 温湿度数据的采集、传输以及处理，在日常生活中有着广泛的应用，比如智能家居系统，智能交通等，在以后物联网中会更加广泛的应用。此次设计是一种基于CC2530和数字温湿度传感器的温湿度采集系统。该系统采用Zigbee无线通信技术结合传感器，通过运用Zigbee协议架构组建无线传感网络,实现主从节点的数据采集和传输,一点对多点，。并详细阐述了基于Zigbee协议栈的中心节点和终端节点的协议传输，主要是从Zigbee协议栈网络层里AODV路由协议着手，阐述在网络层如何通过AODV路由协议进行节点间的连接以及数据的收发。关键字：温湿度数据采集 CC2530 Zigbee协议栈无线传感网络目录前言1一、基本原理 2 1.1 无线传感器的基本结构和工作原理21.2 温湿度数据的采集31.3硬件方面31.3.1芯片SHT10介绍31.3.2 CC2530介绍4 1.4嵌入式网关7 1.5zigbee协议简介8二、系统设计 102.1程序流程图.102.2具体步骤.10三、详细设计113.1总体软件结构图113.2硬件模块设计.14四、总 结.17五、参考文献18六、致 谢19七、附 录. 2021 前言伴随着时代的进步，人们充分认识到了科技的力量。无线传感网络，它是由大量节点组成的，是面向任务的分布式网络，综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信、分布式信息处理等多领域的技术，通过各类微型无线传感器对目标信息进行实时监测，实时采集，并且由嵌入式微处理器对所采集到的信息进行处理，并通过无线通信网络将处理后的信息传送至远程用户端，然后通过相应的规则进行各种应用分析。无线网络传感器是一种将传感器、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，实时的采集信息，并且将收集到的信息通过无线传感器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、动臂机构、以及通信装置和它们所处的外界物理环境进行交互。一般说来，独立的传感器功能是非常有限的，但是如果将他们大量地分布到所需要检测的物理环境中，并组成一个无线传感网络，加上性能良好的软件系统平台，就能够完成强大的状态监测、实时跟踪、环境监测等功能。随着微机系统和高集成低功耗数字设备的发展，小体积、低成本、低功耗的传感器节点将得以实现。 一、基本原理湿度采集温度采集 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。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。对光照的采集使用内部的AIN0通道。A/D转换LED显示图1 CC2530工作原理本次设计的选用了传感器SHT10完成对室内温度和湿度的实时采集，通过芯片CC2530将采集的信息进行转换，将模拟信号转换为数字信号，然后在显示器上显示。1.1 无线传感器的基本结构和工作原理 一个典型的无线传感器网络节点包括数据采集模块、数据采集模块、数据处理模块、数据收发模块和电源模块，其节点结构框图如图所示。 采集单元 处理单元 通信单元无线收发模块处理器传感器 模数转换存储器电源单元图2 无线传感器节点模型 无线传感网络的建立是基于传感器加无线传输模块的，传感器采集的数据，简单处理后经过无线传输模块传到服务器或应用终端。目标、观测节点传感节点和感知视场是无线传感器网络所包括的4个基本实体对象。另外，要完成对整个系统的应用刻画，还需要对远程任务管理单元、外部网络和用户进行定义。大量传感节点随机部署，单个节点经过初始的通信和协商，通过自组织方式自行配置，形成一个传输信息的单跳链接或一系列的无线网络节点组成的网络，协同形成对目标的感知视场。传感节点检测的目标信号经过传感器本地简单处理后通过单播或广播以多跳的方式通过邻近传感节点传输到观测节点。用户和远程任务管理单元则能够通过卫星通信网络或Internet等外部网络，与观测节点进行数据信息的交互。1.2 温湿度数据的采集湿度测量传感器常见的几个测量方法：动态法（双压法、双温法、分流法），静态法（饱和盐法、硫酸法），露点法，干湿球法和形形色色的电子式传感器法。双压法、双温法是基于热力学P、V、T平衡原理，平衡时间较长，分流法是基于绝对湿气和绝对干空气的精确混合，其测量精度可达2%RH -1.5%RH。静态法中的饱和盐法，是湿度测量中最常见的方法，简单易行。但饱和盐法对液、气两相的平衡要求很严，对环境温度的稳定要求较高。用起来要求等很长时间去平衡，低湿点要求更长。特别在室内湿度和瓶内湿度差值较大时，每次开启都需要平衡68小时。露点法是测量湿空气达到饱和时的温度，是热力学的直接结果，准确度高，测量范围宽。计量用的精密露点仪准确度可达0.2甚至更高。但用现代光电原理的冷镜式露点仪价格昂贵，常和标准湿度发生器配套使用。干湿球法是一种间接方法，它用干湿球方程换算出湿度值，而此方程是有条件的：即在湿球附近的风速必需达到2.5m/s以上。普通用的干湿球温度计将此条件简化了，所以其准确度只有57%RH,明显低于电子湿度传感器。1.3硬件方面1.3.1芯片SHT10介绍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。SHT10 引脚特性如下：1. VDD，GND SHT10 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。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 拉为低电平（ACK位）。在第 9 个 SCK 时钟的下降沿之后，释放 DATA（恢复高电平）。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。用 CRC 数据的确认位，表明通讯结束。如果不使用 CRC-8 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。 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。 1.3.2 CC2530介绍CC2530 是基于2.4-GHz IEEE802.15.4、ZigBee 和RF4CE 上的一个片上系统解决方案。其特点是以极低的总材料成本建立较为强大的网络节点。CC2530 芯片结合了RF 收发器，增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其他模块的强大的功能。如今CC2530 主要有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB 的闪存。其具有多种运行模式，使得它能满足超低功耗系统的要求。同时CC2530运行模式之间的转换时间很短，使其进一步降低能源消耗。 CC2530芯片使用直接正交上变频发送数据。基带信号的同相分量和正交分量由DAC转换成模拟信号，经过低通滤波，变频到所设定的信道上。当需要发送数据时，先将要发送的数据写入128B的发送缓存中，包头是通过硬件产生的。最后经过低通滤波器和上变频的混频后，将射频信号被调制到2.4GHz，后经天线发送出去。CC2530有两个端口分别为TX/RX，RF端口不需要外部的收发开关，芯片内部已集成了收发开关。CC2530的存储器ST-M25PE16是4线的SPI通信模式的FLASH，可以整块擦除，最大可以存储2M个字节。工作电压为2.7v到3.6v。CC2530温度传感器模块反向F型天线采用TI公司公布的2.4GHz倒F型天线设计。天线的最大增益为3.3dB，天线面积为25.77.5mm。该天线完全能够满足CC2530工作频段的要求（CC2530工作频段为2.400GHz2.480GHz）。 图3 CC2530芯片引脚CC2530芯片引脚功能AVDD1 28 电源（模拟） 2-V3.6-V 模拟电源连接AVDD2 27 电源（模拟） 2-V3.6-V 模拟电源连接AVDD3 24 电源（模拟） 2-V3.6-V 模拟电源连接AVDD4 29 电源（模拟） 2-V3.6-V 模拟电源连接AVDD5 21 电源（模拟） 2-V3.6-V 模拟电源连接AVDD6 31 电源（模拟） 2-V3.6-V 模拟电源连接DCOUPL 40 电源（数字） 1.8V 数字电源去耦。不使用外部电路供应。DVDD1 39 电源（数字） 2-V3.6-V 数字电源连接DVDD2 10 电源（数字） 2-V3.6-V 数字电源连接GND - 接地 接地衬垫必须连接到一个坚固的接地面。GND 1，2，3，4 未使用的连接到GNDP0_0 19 数字I/O 端口0.0P0_1 18 数字I/O 端口0.1P0_2 17 数字I/O 端口0.2P0_3 16 数字I/O 端口0.3P0_4 15 数字I/O 端口0.4P0_5 14 数字I/O 端口0.5P0_6 13 数字I/O 端口0.6P0_7 12 数字I/O 端口0.7P1_0 11 数字I/O 端口1.0-20-mA 驱动能力P1_1 9 数字I/O 端口1.1-20-mA 驱动能力P1_2 8 数字I/O 端口1.2P1_3 7 数字I/O 端口1.3P1_4 6 数字I/O 端口1.4P1_5 5 数字I/O 端口1.5P1_6 38 数字I/O 端口1.6P1_7 37 数字I/O 端口1.7P2_0 36 数字I/O 端口2.0P2_1 35 数字I/O 端口2.1P2_2 34 数字I/O 端口2.2P2_3 33 数字I/O 模拟端口2.3/32.768 kHz XOSCP2_4 32 数字I/O 模拟端口2.4/32.768 kHz XOSCRBIAS 30 模拟I/O 参考电流的外部精密偏置电阻RESET_N 20 数字输入 复位，活动到低电平RF_N 26 RF I/O RX 期间负RF 输入信号到LNARF_P 25 RF I/O RX 期间正RF 输入信号到LNAXOSC_Q1 22 模拟I/O 32-MHz 晶振引脚1或外部时钟输入XOSC_Q2 23 模拟I/O 32-MHz 晶振引脚21.4嵌入式网关 作为物联网创新实验系统IOV-T-2530中的嵌入式网关，CORTEX A8DB开发板采用TI公司 新一代移动应用处理器-OMAP3530，该处理器在单一的芯片上集成了600-MHz ARM Cortex-A8 Core、412-MHz TMS320C64x+ DSP Core、图形引擎、视频加速器以及丰富的多媒体外设。 Cortex-A8 内核基于ARMv7指令架构，是ARM公司有史以来性能最强劲的一款处理器，适用 于复杂操作系统及用户应用，运行速度可以达600MHz至1GHz，功耗在300mW 以下，而性 能却高达2000MIPS 。Cortex-A8处理器复杂的流水线架构基于双对称的，顺序发射的，13级 流水线，带有先进的动态分支预测，可实现2.0 DMIPS/MHz 。10级NEON媒体流水线，专用 的L2缓存，带有可编程的等待状态 ，支持多项与L3存储器之间的未完成事务，以充分利用 CPU 。 CORTEX A8DB开发板采用核心板外加底板的模式，提供了7寸TFT 24位液晶触摸屏， 接口资源丰富，扩展了通用的存储器、通讯接口。在很小的体积下构成了高性能、低功耗的 嵌入式最小系统，成为下一代智能手机、GPS系统、媒体播放器以及全新便携式设备等嵌入 式应用的最佳选择。 图4 嵌入式网关（CORTEX A8DB开发板）图5 核心板1.5 zigbee协议简介 zigbee协议栈结构ZigBee协议栈定义了四层，分别是物理层、媒体访问控制层、网络层、应用层。物理层和媒体访问控制层由IEEE802.15.4-2003定义，上层的网络层和应用层由Zigbee联盟定义。应用层分别包括ZDO（Zigbee设备对象），APS（应用支持子层）和AF（应用框架）组成。Zigbee协议栈每一层负责完成所规定的任务，并且向上层提供服务，各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务。 ZigBee协议栈结构如图6 ZigBee协议栈结构图所示。图6 ZigBee协议栈结构图1. 物理层物理层由半双工的无线收发器及其接口组成，主要作用是激活和关闭射频收发器；检测信道的能量；显示收到数据包的链路质量；空闲信道评估；选择信道频率；数据的接受和发送。2. 媒体访问控制层媒体访问控制（MAC）层建立了一条节点和与其相邻的节点之间可靠的数据传输链路，共享传输媒体，提高通信效率。在协调器的MAC层，可以产生网络信标，同步网络信标；支持ZigBee设备的关联和取消关联；支持设备加密；在信道访问方面，采用CSMA/CA信道退避算法，减少了碰撞概率；确保时隙分配（GTS）；支持信标使能和非信标使能两种数据传输模式，为两个对等的MAC实体提供可靠连接。3. 网络层 网络层负责拓扑结构的建立和维护网络连接，主要功能包括设备连接和断开网络时所采用的机制，以及在帧信息传输过程中所采用的安全性机制。此外，还包括设备的路由发现和路由维护和转交。并且，网络层完成对一跳(onehop)邻居设备的发现和相关结点信息的存储。一个ZigBee协调器创建一个新网络，为新加入的设备分配短地址等。并且，网络层还提供一些必要的函数，确保ZigBee的MAC层正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口。4. 应用层应用层包括三部分：应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和应用框架（AF）。应用支持子层的任务是提取网络层的信息并将信息发送到运行在节点上的不同应用端点。应用支持子层维护了一个绑定表，可以定义、增加或移除组信息；完成64位长地址（IEEE地址）与16位短地址（网络地址）一对一映射；实现传输数据的分割与重组；应用支持子层连接网络层和应用层，是它们之间的接口。ZigBee设备对象负责设备的所有管理工作，包括设定该设备在网络中的角色（协调器、路由器或终端设备），发现网络中的设备，确定这些设备能提供的功能，发起或响应绑定请求，完成设备之间建立安全的关联等。用户在开发ZigBee产品时，需要在ZigBee协议栈的AF上附加应用端点，调用ZDO功能以发现网络上的其他设备和服务，管理绑定、安全和其他网络设置。ZDO是一个特殊的应用对象，它驻留在每一个ZigBee节点上，其端点编号固定为0。AF应用框架是应用层与APS层的接口。它负责发送和接收数据，并为接收到的数据寻找相应的目的端点。二、系统分析2.1程序流程图开始系统时钟初始化读取温湿度数据显示温湿度数据LCD初始化 图7 软件流程图2.2具体步骤 1、给智能主板供电（USB外接电源或2节干电池） 。 2、将一个无线节点模块插入到带LCD的智能主板的相应位置。 3、将温湿度及光电传感器模块插入到智能主板的传感及控制扩展口位置。 4、将CC2530仿真器的一端通过USB线（A型转B型）连接到 PC 机，另一端通过10Pin下载线连接到智能主板的CC2530 JTAG口（J203） 。 5、将智能主板上电源开关拨至开位置。按下仿真器上的按钮，仿真器上的指示灯为绿色时，表示连接成功。 6、使用IAR7.51打开“OURS_CC2530LIBlib10(HumiTempLight) IAR_files”下的 HumiTempLight.eww文件，下载运行程序。 7、观察LCD上温度、湿度和光照强度的变化。 8、用一个物体挡住光照传感器的光线，观察LCD上光照强度数据的变化。 9、向温湿度传感器吹一口气体，观察LCD上温湿度数据的变化。三、详细设计3.1 总体软件结构图 温湿度采集模块主要包括无线传感模块和数据采集模块,由数据采集模块完成温湿度的采集。无线传感模块无线传感器网络在设计目标方面与传统的无线网络有所区别，前者是以数据为中心的，后者以传输数据为目的。在无线传感器网络中，因为节点通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，所以除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止不动的。在被监测区域内，节点任意散落，节点除了需要完成感测特定的对象以外，还需要进行简单的计算，维持互相之间的网络连接等功能。并且由于能源的无法替代以及低功耗的多跳通信模式节，设计无线传感节点时，有效的延长网络的生命周期以及节点的低功耗成为无线传感器网络研究的核心问题。在节省功耗的同时增加通信的隐蔽性，避免长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响，也都是在设计传感器网络时需要攻克的新难题。图8 无线传感网通信模块 无线传感网络的建立是基于传感器加无线传输模块的，传感器采集的数据，简单处理后经过无线传输模块传到服务器或应用终端。目标、观测节点传感节点和感知视场是无线传感器网络所包括的4个基本实体对象。另外，要完成对整个系统的应用刻画，还需要对远程任务管理单元、外部网络和用户进行定义。大量传感节点随机部署，单个节点经过初始的通信和协商，通过自组织方式自行配置，形成一个传输信息的单跳链接或一系列的无线网络节点组成的网络，协同形成对目标的感知视场。传感节点检测的目标信号经过传感器本地简单处理后通过单播或广播以多跳的方式通过邻近传感节点传输到观测节点。用户和远程任务管理单元则能够通过卫星通信网络或Internet等外部网络，与观测节点进行数据信息的交互。观测节点向网络发布查询请求和控制指令，接收传感节点返回的目标信息。图9 无线传感器网络通信体系 无线传输模块可以实现短距离（小于300米）的信号传输。在实际应用中，需要根据不同需求选择传感器，如电压电流、功耗、温湿度、液面、震动、压力等等。2.数据采集模块温湿度探头直接使用IIC接口进行控制。其电路原理图如下所示：图10 数据采集模块电路图本实验将使用CC2530 读取温湿度传感器SHT10的温度和湿度数据，并将采样到的数据转换然后再LCD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得过程。数据采集实验设备连接 给智能主板供电（USB外接电源或两节电池）将一个无线节点模块插入到LCD智能主板的位置，将温湿度传感器插入到智能主板的传输及控制拓展口位置用23,78交叉串口线连接智能主板的串口和嵌入式网关的串口，然后打开电源。如图11所示：图11 数据采集实验设备连接图 在WSNClient的程序界面上可以看到如下图所示的曲线，对光，温度，湿度三个参数可以进行选择。如图12所示：图12 WSNClient程序界面图（1）选择湿度传感器，会发现曲线发生变化。如图13所示：图13 湿度传感器曲线图（2） 选择温度传感器，会发现曲线发生变化。如图14所示：图14 温度传感器曲线图3.2硬件模块设计 传感器节点由数据处理发送模块，温度传感器，湿度传感器和供电般构成。数据处理模块是由CC2530构成，温湿度采集采用温湿度传感器SHT10。其结构图如图15所示。 数据处理模块温度采集模块湿度采集模块 电源模块 图15 硬件结构图3.2.1无线传感网通信模块 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 RS232 模块等，也可以通过总线扩展用户自己的传感器及控制器部件。 电源板或智能主板：即实现无线节点模块与传感及控制模块的连接，又实现系统供电，目前主要两节电池供电，保留外接电源接口，可以直接由直流电源供电。 无线网络协调器、无线传感网通信节点和无线节点模块实物如图16 、图17 和图18所示：图16 无线网络协调器 图17 无线传感网通信节点图18 无线节点模块 四、总结本次为期两周的课程设计中，主要目的是设计一个基于CC2530的温湿度数据采集系统。该系统是一个采用CC2530无线单片机进行温湿度的数据采集，并且结合Zigbee协议架构进行编程的设计，主要是基于CC2530的温湿度数据采集系统模块的设计，并在IAR集成环境开发环境中进行基于Zigbee架构的编程，节点模块的调试，最后，实现无线传感网络的构建。在基于Zigbee无线传感器节点模块上，可以实现数据的实时采集，处理以及传输等功能。本设计可以实现在谷仓内的温湿度检测，工厂厂房内不同区域的温湿度控制以及大面积的温室培养等功能。本次课程设计的完成，让我结道，在以后的工作中，还可以继续从以下几个方面着手，进行研究和改进：1、减少节点的能量消耗。在无线传感网络中某个节点失效，不会导致整个网络瘫痪，减少节点的能量消耗是不可避免要面对的问题之一。2、减少路由发现过程中的开销。这其实也是减少节点的能量消耗的一种措施，尽量减少在路由发现过程中所损失的能量。3、路由选择。路由优化选择可以尽量避免不必要的路由请求的广播以及信息传输，做到这一点不仅可以提高效率，也可以在减少能量消耗方面做出贡献。五、致谢 这次课程设计，给我留下了很深的印象。虽然只是短暂的两周，但在这期间，却让我受益匪浅。通过这次课程设计，使我对嵌入式系统有了全面的认识，对课本的知识又有了深刻的理解，在之前嵌入式系统的学习以及完成课后的作业的过程中，对其有了一些基础的了解和认识。本次经过两周的课程设计，让我对嵌入式系统有了更深的理解，我把课上的理论知识运用到实际中去，让我更近一步地巩固了课堂上所学的理论知识，并能很好地理解与掌握嵌入式系统中的基本概念、基本原理、基本分析方法。在课设中，最常说的就是CC2530的Zigbee协议栈，以及如何来实现程序的调试，通过一次次的调试明白了很多实际中需要注意的操作等问题。在通过老师和同学的帮助下，我们完成了这样的操作，这让我再次感受到，在设计过程中，就是不断发现问题，不断纠正错误，不断提高的过程，和大家在一起通过讨论得出答案，这个过程给我们带来的收获。总的来说，通过这次课程设计使我了解了嵌入式系统的设计原理，设计步骤等方面有了了解。提高了分析和实践能力。同时我相信，进一步加强对嵌入式系统的学习与研究对我今后的学习将会起到很大