沈坤花_基于Arduino和ZigBee的数据采集与表示_工程实践报告

1、 河北大学软件学院工程硕士研究生工程实践报告题 目_基于Arduino和ZigBee的数据采集与表示_学 号_G2010225120 _姓 名_沈 坤 花_指导教师_何 坚_2011年 9 月 17 日河北大学软件学院工程硕士研究生工程实践报告成绩评定书工程实践报告题目：基于Arduino和ZigBee的数据采集与表示校内指导教师意见：（包括选题、具体工作、技术分析、存在的问题以及市场实际应用情况等方面）成 绩： 指导教师（签字）： 20 年 月 日注：成绩以优、良、中、及格、不及格计。目录1 需求分析阶段41.1 编写目的41.2 功能分析41.3 数据分析41.4 模块设计52 系统设计阶

2、段62.1 编写目的62.2 总体设计62.2.1 实现目标62.2.2 系统功能需求62.2.3 系统实现框架72.2.4 运行环境72.3 协议设计82.3.1 基于ZigBee的数据传输协议82.3.2 基于ZigBee的数据传输帧结构82.4 API模式设计92.5 系统功能模块设计102.5.1 系统结构图102.5.2 功能模型102.5.3 静态结构142.5.4 动态模型153总结181 需求分析阶段1.1 编写目的本阶段主要分析项目的实施方向，确定实验环境。主要完成对生活环境状态的感知，采集相关数据，并分析实验结果。1.2 功能分析采集数据：周围环境感知，通过传感器感知环境的

3、温湿度、光线等参数值。发送数据包：将采集到的数据打包，然后通过ZigBee无线发送。接收数据包：接收端模块通过ZigBee接收模块接收数据包。生成XML文件：将数据包转化成以XML格式存储的数据文件。存储文件：将XML文件写入SD卡中。1.3 数据分析表1.1 board开发板分配id（board_id）Arduino MEGA001Arduino Duemilanove002表1.2 typetype_idtype1温度2湿度3光线4磁力表1.3 sensorsensor分配id（ss_id）board_idtype_idscale温湿度100010011温湿度100020012%光线100

4、030013磁力传感器100040014表1.4 映射关系表sensor_iddata1data2data30010001温度0010002湿度0010003亮度0010004xyz表1.5 xml_datadatesensor_iddata1data2data32011/6/12/12:30:30001000130°2011/6/12/12:30:30001000240%2011/6/12/12:30:300010003502011/6/12/12:30:300010004xyz2011/6/12/12:30:40001000140°以上各表的关系如下图所示：图1.1 流

5、程图1.4 模块设计详细见2.5。2 系统设计阶段2.1 编写目的该阶段主要对系统进行详细设计，进一步分析数据。系统主要分为数据采集和数据汇聚两大模块。其中，数据采集包括周围环境感知，参数值的采集，数据打包和数据发送功能；数据汇聚主要包括数据接收和数据存储功能。2.2 总体设计2.2.1 实现目标具体实现目标：（1）感知周围环境状态，采集数据。（2）感知人体健康状况，采集数据。（3）将采集到的数据汇总。（4）对数据进行融合、分析。（5）以数据网关的形式将分析结果展现出来。2.2.2 系统功能需求具体功能需求：1）环境状态感知：（1）用温湿度传感器、光线传感器等感知周围环境状态，定时采集数据。（

6、2）将采集到的数据通过ZigBee 模块A发送到ZigBee 模块B。（3）ZigBee 模块B接收到数据后，对数据进行处理。（4）将处理结果存储以XML文件形式存储在SD卡中或存储在PC的DB中。（5）通过数据应用网关分析查看结果。2）健康状况感知（1）感知人的脉搏、心率等人体健康参数，采集数据。（2）将采集到的数据通过蓝牙、WIFI等发送到数据中心进行汇总。（3）对数据进行融合、分析。（4）通过数据应用网关分析查看结果。2.2.3 系统实现框架图2.1 系统框架图2.2.4 运行环境系统平台包括硬件平台和软件开发平台。（1）硬件平台表2.1 硬件设备设备名称数量PC机1台Arduino D

7、uemilanove1块Arduino Mega1块Arduino Xbee2块Xbee Series 22块USB 2.0 Cable2根SD存储卡1块温湿度传感器若干光线传感器若干磁力传感器若干（2）软件平台Windows XP；Arduino 实验环境：arduino-0022版；X-CTU。2.3 协议设计2.3.1 基于ZigBee的数据传输协议（1）数据类型表表2.2 数据类型表数据类型字节数Data_typeint41float42double83char4string5（2）数据传输协议：发送端：每发送一段数据均包括sensor_id和若干个“data_type:data”，他

8、们之间用“:”隔开，表示如下：sensor_id(7Bytes):data_type(1Byte):data:data_type(1Byte):data:data_type(1Byte):data。“data_type:data”的个数由sensor_id 决定，即该sensor 一次读取数据的个数。data 的数据类型又由data_type决定，其映射关系如表1所示。data_type 不同data占的字节数不同，所以在接收端数据包处理时需要注意。例如：发送端发送的数据0010001:2:20.5 0010002:2:50:2:100。图2.2 数据包图2.3.2 基于ZigBee的数据传输

9、帧结构根据ZigBee 传输协议，把数据采集端和接收端设置成不同的模式。（1）数据采集端： 把ZigBee 设置成ZNET 2.5 COORDINATOR API。（2）数据接收端： 把ZigBee 设置成ZNET 2.5 ROUTER/END DEVICE API。其请求帧结构模式如图1-3 至图1-5 所示。（1）发送端请求帧结构图2.3 TX请求帧图（2）发送端状态帧结构图2.4 TX状态帧图（3）接收端状态帧结构图2.5 RX状态帧图2.4 API模式设计（1）采集端设计X-CTU > Modem Configuration > ReadModem XBEE > XB

10、24-B Function Set > ZNET 2.5 COORDINATOR APIVersion > 1147Networking > ID - PAN ID > 1AAA （0 0XFFFF 之间）> WriteSerial Interfacing > AP - AP Enable > 2 > Write注意： AP有3个模式： AP=0，指API模式不可用； AP=1，指API模式可用； AP=2，指API模式可用(w/escaped control characters)，一般选择该模式。（2）接收端设计X-CTU > Mode

11、m Configuration > ReadModem XBEE > XB24-B Function Set > ZNET 2.5 ROUTER/END DEVICE APIVersion > 1347Networking > ID - PAN ID > 1AAA （0 0XFFFF 之间）> WriteSerial Interfacing > AP - AP Enable > 2 > Write2.5 系统功能模块设计2.5.1 系统结构图图2.6 系统结构图2.5.2 功能模型2.5.2.1 数据采集域1）数据采集域的用例图图2.

12、7 数据采集域用例图数据采集域的用例分析如下：（1）环境状态感知功能：感知当前的周围环境状况。前置条件：初始化数据采集端模块。后置条件：感知周围环境各参数值。场景描述：数据采集端模块上电后，开始初始化，然后感知周围环境的参数值，采集对应数据。 （2）健康状况感知功能：感知人的身体健康状况参数。前置条件：初始化数据采集端模块。后置条件：感知人的身体健康状况参数值。场景描述：数据采集端模块上电后开始初始化，然后感知人的身体健康状况参数，采集对应数据。（3）数据汇聚功能：将感知得到的数据汇聚在一起，存储于数据应用网关。前置条件：数据感知模块感知相应的参数值。后置条件：生成数据应用网关。场景描述：参数

13、感知模块把感知到的数据储存于数据应用网关，并分析汇总。（4）温度感知功能：感知当前的温度。前置条件：初始化温度传感器。后置条件：生成符合协议要求的数据格式。场景描述：温度传感器初始化之后，采集当前的温度，并生成符合数据协议要求的数据包，然后再通过ZigBee无线传输协议发送出去。（5）湿度感知 功能：感知当前的湿度值。前置条件：初始化湿度传感器。后置条件：生成符合协议要求的数据格式。场景描述：湿度传感器初始化之后，采集当前的湿度，并生成符合数据协议要求的数据包，然后再通过ZigBee无线传输协议发送出去。（6）光线感知 功能：感知当前光线强度。前置条件：初始化光线传感器。后置条件：生成符合协议

14、要求的数据格式。场景描述：光线传感器初始化之后，采集当前的光线强度，并生成符合数据协议要求的数据包，然后再通过ZigBee无线传输协议发送出去。2）环境状态感知用例的对象包括：Sensor 、DataProcessSys 和DataCenter ，其中DataCenter 来源于数据汇聚域。如图2-3 所示。图2.8 环境状况感知对象图3）环境状态感知顺序图图2.9 环境状况感知顺序图2.5.2.2 数据汇聚域1）数据汇聚域用例图图2.10 数据汇聚域用例图数据汇聚域的用例分析如下：（1）数据汇聚功能： 把采集到的数据汇聚在一起。前置条件： 初始化数据汇聚中心DataCenter。后置条件：

15、将数据汇聚在一起、分析数据。场景描述： ZigBee 接收端模块接收到数据后，汇聚于DataCenter ，对数据进行转化分析。（2）接收数据功能： 接收ZigBee 采集端模块发送过来的数据包。前置条件： 初始化ZigBee 接收端模块。后置条件： 将数据包进行转化分析。场景描述： 初始化ZigBee 接收端模块，接收ZigBee 采集端模块发送过来的数据包，然后将数据包转化为XML 文件。（3）保存数据功能： 将XML 数据文件保存于SD卡中。前置条件： 生成XML 数据文件。后置条件： SD 卡存储文件成功。场景描述： 将生成的XML 数据文件写入SD 卡，并提示存储成功。2）数据汇聚用

16、例的对象包括：DataCenter 和SD ，如图2-6 所示。图2.11 数据汇聚对象图3）数据汇聚顺序图图2.12 数据汇聚顺序图2.5.3 静态结构2.5.3.1 系统静态结构本系统由数据采集类包和数据汇聚类包构成，如图2-8 所示。其中，数据采集类包由传感器类Sensor和数据处理系统类DataProcessSys构成，如图2-9 所示；数据汇聚域由数据中心类DataCenter 和SD类构成，如图2-10 所示。数据采集类包：通过传感器感知周围环境状态，采集数据，由DataProcessSys类将感知得到的数据打包成数据包。数据汇聚类包：接收从数据采集类包发送过来的数据包，并将数据包转化为XML 格式数据汇聚于XML文件中，并存储于SD卡。图2.13 系统包图2.5.3.2 数据采集类图2.14 数据采集类2.5.3.3 数据汇聚类图2.15 数据汇聚类2.5.4 动态模型2.5.4.1 环境状态感知交互图（1）环境状态感知时序图图2.16 环境状态感知时序图（2）环境状态感知协作图图2.17 环境状态感知协作图2.5.4.2 数据汇聚交互图（1）数据汇聚时序图图2.18 数据汇聚时序图（2）数据汇聚协作图图2.19 数据汇聚协作图3总结几个月的工程实践接近尾声，我从中学到了很多东西。从项目需求分析，到系统设计，