基于物联网的智能仓储检测系统设计

1、 兰州理工大学课程设计论文 基于物联网的室内环境检测系统设计摘 要仓储作为现代物流和供应链系统的重要节点，已成为物流管理的核心部分和关键环节。随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，人们对物品的数量和种类的需求都在不断增加，这样对仓储系统的要求也日益提高。特别是，仓储内温度、湿度等环境参数对存储物品的质量和寿命有着重要的影响，对仓储环境参数进行实时监控不仅可以保证存储物品的质量，延长产品的存储寿命，还能够增强仓储系统的安全系数，当出现安全隐患的时候能够及时报警。 然而传统的仓储环境监测系统存在布线复杂，可靠性低，管理维护成本低等问题，因而将新的科学技术引入仓储系统中构建信息化、网络化、智能化的

2、仓储环境监控系统具有重要意义。 ZigBee网络作为无线传感器网络的典型代表，具有低能耗、低成本、低速率等特点，它融合了无线通信技术、传感器技术以及嵌入式计算机技术等多学科知识的前沿热点研究领域，能够通过各种微型传感器协同完成对各种环境或检测对象的信息实时监测、感知和采集，并将这些信息传送给用户。ZigBee无线传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一。基于ZigBee无线传感器网络的仓储监控系统充分利用了ZigBee节点能耗小、成本低、安装维护简单等特点，能够实时地对仓储区域内温度、湿度等环境参数进行无线远程采集与管理，同时可有效消除安全隐患，具备了传统仓储管理无法比拟的优势，很好地解决了

3、传统仓储管理中布线复杂、效率低下等问题。关键词：仓储环境监测 无线传感器网络 ZigBee 簇树型拓扑结构 CC2530 目 录摘 要I目 录II第1章 智能仓储监测系统论述11.1 研究背景与意义11.2 智能仓储监测系统的特点2第2章 ZigBee技术综述22.1 基于CC2530的ZIGBEE协议栈22.1.1 Zigbee技术的广阔应用前景22.1.2 低功耗低速率技术特点42.1.3 网络拓扑和路由42.2 Zigbee协议栈整体架构62.3 Zigbee协议栈网络层：82.3.1网络层概述及其实现功能82.3.2网络层中常用路由协议10第3章 智能仓储监测系统方案设计133.1.系

4、统设计133.2 硬件设计133.3软件设计15总 结21参考文献23附 录2433第1章 智能仓储监测系统论述1.1 研究背景与意义随着现代物流业和供应链管理理念的不断发展，仓储管理在物流管理中的重要性日益提高，仓储管理己成为物流管理的核心部分和关键环节。目前我国仓储管理存在自动化程度不高、人工依赖性强等诸多问题，降低了仓储管理的效率。本文设计了一种基于ZigBee无线传感器网络的智能仓储系统，在原有仓储系统的基础上引入ZigBee技术，利用无线传感器节点能耗低、网络容量大、成本低的特点，在仓储区域内让其自组织构成智能测控网络。这样能够有效地解决传统仓储存在的各种问题，同时还能够对温度、湿度

5、等环境参数进行实时监测，从而构建了智能化的仓储环境监测系统。 本文以ZigBee无线传感器网络技术在仓储环境监控系统中的应用为主线，主要完成以下几个方面的工作： （1）首先概述了无线传感器网络及ZigBee技术的基础知识，然后从ZigBee协议架构入手，对物理层、媒介接入控制层、网络层及应用层的规范展开了研究，深入了解ZigBee技术的特性和通信原理。 （2）接着对基于ZigBee无线传感器网络的仓储环境系统中几项关键技术的研究现状进行了分析，主要包括：MAC协议和路由协议，并对其在仓储环境监控这一应用背景下进行了探讨。 （3）然后根据仓储监控系统的实际需要，设计了无线传感器设备的硬件系统。节

6、点采用增强型的8051单片机作为主控制器，CC2530射频芯片作为无线数据收发器，SHT11温湿度传感器来实现对环境参数的采集。 （4）通信系统基于ZigBee协议栈Z-Stack开发，使用IAR EW8051集成开发环境对Z-Stack进行代码编程，为不同角色的节点编写相应的代码，其中包括ZigBee协调器建立网络及运行程序，ZigBee路由器加入网络及运行程序，ZigBee终端设备加入网络及数据采集、收发等，然后借助下载工具SmartRF Flash Programmer将代码下载到ZigBee设备中进行调试，在簇树型网络拓扑结构的基础上实现无线传输数据，并运用在仓储系统中，构成了基于Zi

7、gBee无线传感器网络的仓储环境监控系统。 基于ZigBee无线传感器网络的仓储监控系统充分利用了ZigBee节点能耗小、成本低、安装维护简单等特点，能够实时地对仓储区域内温度、湿度等环境参数进行无线远程采集与管理，同时可有效消除安全隐患，具备了传统仓储管理无法比拟的优势，很好地解决了传统仓储管理中布线复杂、效率低下等问题。1.2 智能仓储监测系统的特点智能仓储监测系统拥有全面、可靠的环境信息采集分析能力。为了实现环境信息监测的精确性、全面性并且方便使用，本文的环境监测系统应具有以下各种特点：(1)多对象监测，环境监测系统需要检测多种环境信息，如：温湿度、光照强度等。这样才能为用户提供全面的环

8、境信息参考。(2)多点监测，需要对同一环境参数在不同地点和不同时间分别进行测量，这是因为环境中各种环境信息不同的时间和空间上分布不具有均匀性，由此实现监测的全面性和高精度性，甚至有时需要对同一环境参数在多点进行测量。(3)系统灵活，当有新的环境参数被要求测量时，系统的可扩展性要求灵活，方便增加节点，以降低成本。第2章 ZigBee技术综述2.1 基于CC2530的ZIGBEE协议栈2.1.1 Zigbee技术的广阔应用前景Zigbee技术的使用与发展很大程度上弥补了无线通信市场上低功耗、低成本、低速率的空缺，Zigbee技术发展成功的关键更多的是因为丰富而便捷的应用，并不是技术本身。随着Zig

9、bee技术的深入发展和应用，越来越多的注意力和研究力量将会转到应用的设计、实现互联互通测试和市场的推广等方面。Zigbee技术的关键点是发展一种易布建、低成本、低功耗的无线网络，其低耗电性将使产品的电池能维持6个月到数年的时间。对Zigbee技术的应用前景预测被非常好。Zigbee在未来的几年里将在工业无线定位、工业控制、消费电子、汽车自动化、家庭网络、楼宇自动化、医用设备控制等多个控制领域具有广泛的应用前景，特别是工业控制和家庭自动化，将成为今后Zigbee芯片的主要应用领域。通常符合下列条件之一的应用，就可以考虑采用Zigbee技术：·网点多：需要数据采集或监控的网点多。

10、3;低传输量：要求传输的数据量不大且要求数据成本低。·可靠性高：要求数据传输可靠性、全性高。·体积小：设备体积很小，体积较大的充电电池或者电源模块不便放置。·电池供电。·覆盖量大：所需检测点监测点多，地形复杂，需要较大的网络覆盖面积。·现有移动网络的覆盖盲区。·遥测、遥控系统：使用现存移动网络进行的低数据量传输。·局部区域移动目标的定位系统：使用GPS效果差、成本高的。根据Zigbee联盟的观点，一般家庭可将Zigbee应用于以下装置：·灯光、窗帘的自动控制以及空调系统的温度控制器。·紧急呼叫器，老年人与

11、行动不便者或者病患的紧急呼叫。·各种电子设备，家用电器的万能遥控器、电脑等的无线键盘、无线鼠标，摇杆、玩具等。·家庭烟雾浓度侦测器。·家具智能型标签。Zigbee无线传感网络是就是Zigbee应用方案的经典应用。无线传感网络是基于IEEE802.15.4技术标准和Zigbee网络协议而设计的无线数据传输网络，该网络主要应用在压力过程控制数据采集、流量过程控制数据采集、温度湿度监控、楼宇自动化、工业控制、数据中心、社区安防、设备监控、环境数据监控、制冷监控、仓库货物监控等方面。适用于蔬菜大棚温度、湿度和土壤酸碱度监控，钢铁冶炼温度控制，煤气抄表等各个领域。这种网络主

12、要用于无线系统中短距离的连接，提供传感器网络接入，能够满足各种传感器的数据输出和输入控制的命令和信息的需求，实现系统网络化、无线化。这种网络是低速率的无线传感网络，射频传输成本低，各节点只需要很少的能量，低功耗，适用于电池长期工作供电，可实现一点到多点，两点之间的对等通信，快速组网自动配置，自动恢复和高级电源管理，网络中任意个传感器之间可相互协调实现数据通信。2.1.2 低功耗低速率技术特点Zigbee技术是一种应用于各种电子设备之间的无线通信技术，这种通信组网是基于中短距离范围内、低传输速率下的。根据Zigbee技术的本质，它具有下列特性：1、 低功耗 在非工作模式时，Zigbee节点是处于

13、休眠状态的。Zigbee设备休眠激活时延为15ms，搜索时延一般为30ms。由于收发信息低功耗，工作时间短，且采用了休眠模式，使Zigbee节点耗电极少，其电池工作时间可长达6个月到2年左右。同时，由于电池使用时间取决于电池种类、容量和应用场合等很多因素，因此 Zigbee技术在协议上对电池的使用也做了优化；对于某些工作实践和总时间之比小于1%的情况，电池寿命甚至可以超过10年。工作模式下，Zigbee信号的收发时间短，因为传输数据量小，传输速率低；2、高度扩展性通过Network Coordinator的网络最多可达到6500个Zigbee网络节点，再加上Network Coordinato

14、r的可互相连接性，整体Zigbee网络节点数目将十分庞大。但是，就一般来说，一个Zigbee的网络最多包括255个Zigbee网络节点，有一个是Master设备，其余则都是Slave设备。3、可靠性Zigbee技术中为了提高可靠性，在Zigbee介质接入控制层（MAC层）中，采用了talk-when-ready的碰撞机制这是一种完全确定的数据传输机制，在这种传输机制下，当有数据需要传送时，则立刻传送。每个数据包的发送都必须等待对方的确认消息，并进行信息确信回复，如果没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞，将再传一次。这种方法的采用可以提高系统传输的可靠性。同时，Zigbee针针对时延敏感的应用

15、也做了优化，通过时延和休眠状态激活的时延都非常短。也为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。2.1.3 网络拓扑和路由Zigbee每个节点的功能并非相同，因为它是以一个个独立的工作点为依托，通过无线通信组成星状、树桩或网状网络。有半功能设备（RFD）和全功能设备（FFD）之分，负责与所控制的子节点汇聚数据、通信和发布控制，或起到通信路由的作用，称之为全功能设备（FFD）；另外还有一些节点，也就是系统中大部分节点，为子节点，从组网通信上，它只是其中功能的一个子集，并成为半功能设备（RFD）。每个网络都有一个相当于现在有线局域网中的服务器的唯一的协调器，具有对本网络的

16、管理能力。网络中的全功能节点可作为路由器、协调器以及终端节点来使用，而半功能节点只能由终端节点使用。在任何一种网络拓扑结构中，每个独立的网络都有一个唯一的网络号（PAN标识符）。利用PAN标识符，采用16位的短地址码进行网络设备间的通信，并可激活网络设备之间的通信。Zigbee路由和协调器需要对路由表进行维护。Zigbee路由和协调器也可以保存一定数据量得入口，仅仅在路由维护时使用这些入口，或者在耗尽所有其他的路由容量的情况下使用这些入口。路由选择是在网络中的设备相互合作条件下建立路由的一个流程的选择，并且该流程通常与特定的源地址和目的地址相对应。路由选择包括如下流程：1、路由搜索的初始化。2

17、、接受路由请求命令帧。3、接受路由应答命令帧2.2 Zigbee协议栈整体架构图1 ZigBee协议栈整体架构Zigbee协议结构体系Zigbee协议栈由一组子层组成，每一层为其上层提供一定的特定服务：一个数据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供管理、维护等服务。每个服务实体通过一个服务接入点（SAP）为其上层提供服务接口，并且每个服务接入点（SAP）提供了一系列的基本服务指令来实现相应的功能。Zigbee协议栈中包括应以下各个子层：APP（Application Programming）：应用层目录，这是用户创建各种不同工程的区域，在这个目录中包含了应用层的内容和这个项目的主要内容，在协议

18、栈里面一般是以操作系统的任务实现的。HAL（Hardware (H/W) Abstraction Layer）：硬件层目录，包含有与硬件相关的配置和驱动及操作函数。ZigBee硬件层通过射频固件和射频硬件提供了一个从MAC层以硬件层无线信道的接口。在硬件层中，包含一个硬件层管理实体（PLME），该实体通过调用硬件层的管理功能函数，为硬件层管理服务提供其接口，同时，还负责维护由硬件层所管理的目标数据库，该数据库包含有硬件层个域网络的基本信息。图2 物理层结构模型MAC：介质接入控制子层，包含了MAC 层的参数配置文件及其MAC 的LIB 库的函数接口文件。实现的功能有：1、能产生网络信标。2、支

19、持PAN的连接和断开连接。3、同信标保持同步。4、在对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。5、处理和维护GTS机制。6、信道接入采用CSMA-CA接入机制。7、支持设备的安全性。介质访问控制层(MAC)帧被称为MAC协议数据单元(MPDU)，其长度不超过127个字节。它具有四种不同的帧形式，即信标帧、数据帧、确认帧和命令帧。MT（Monitor Test）：实现通过串口可控各层，与各层进行直接交互。NWK（ZigBee Network Layer）：网络层目录，含网络层配置参数文件及网络层库的函数接口文件，APS 层库的函数接口。OSAL（Operating System (OS) Ab

20、straction Layer）：协议栈的操作系统。Profile：AF（Application work） 层目录，包含AF 层处理函数文件。Security：安全层目录，安全层处理函数，比如加密函数等。Services：地址处理函数目录，包括着地址模式的定义及地址处理函数。Tools：工程配置目录，包括空间划分及ZStack 相关配置信息。ZDO（ZigBee Device Objects）：ZDO 目录。ZMac： MAC 层目录，包括MAC 层参数配置及MAC 层LIB 库函数回调处理函数。ZMain：主函数目录，包括入口函数及硬件配置文件。Output：输出文件目录，这个EW8051

21、 IDE 自动生成的。2.3 Zigbee协议栈网络层：2.3.1网络层概述及其实现功能ZigBee网络层必须提供功能，其的主要就是提供一些必要的函数，以保证IEEE 802.15.4-2003ZigBee协议栈的MAC层能够正确操作，正常工作，并且为应用层提供一个合适的服务接口。为了和应用层通信，必须向其提供接口，网络层的概念包括了两个必要的功能服务实体，提供必要的功能。它们分别为数据服务实体（NLDE）和管理服务实体（NLME）。网络层数据实体（NLDE）通过网络层相关的数据库服务接入点（NLDE-SAP）提供数据传输服务，网络层管理实体（NLME）通过网络层相关的管理库服务接入点（NLM

22、E-SAP）提供网络管理服务，网络层管理实体利用网络层数据实体来获得一些网络管理任务，并完成一些网络的管理工作。并且，网络层管理实体还维护一个管理对象的数据库，叫做网络信息库（NIB），网络层管理实体完成对网络信息库（NIB）的维护和管理。1、网络层数据实体（NLME）网络层数据实体提供一个数据服务，同一个网络中，即在同一个内部个域网中的两个或者更多的设备之间传送数据时，允许一个应用程序将按照应用协议数据单元（APDU）的格式进行传送数据。网络层数据实体提供如下服务： 生成网络级别的协议数据单元（网络层协议数据单元）PDU（NPDU）：网络层数据实体（NLME）通过增加一个适当的协议

23、头，从应用支持子层的协议数据单元PDU中生成网络层的协议数据单元（NPDU）。 指定拓扑传输路由：网络层数据实体能够发送一个网络层的协议数据单元到一个合适的设备，该设备可以是最终的目的通信设备，也可能是通信链路中到最终目的节点的下一个节点。2、 网络层管理实体网络层管理实体提供网络管理服务，允许一个应用程序与堆栈相互作用。并且网络层管理实体还维护一个叫做网络信息库（NIB）的管理对象的数据库。网络层管理实体应该提供如下服务： 配置一个新的设备：为所需的操作充分配置协议栈的功能。为保证设备正常工作的需要，满足配置的需要，设备应该具有足够堆栈。配置选项中包括对一个ZigBee协

24、调器的操作，或加入一个已存在的网络。 开始一个网络：建立一个新的网络功能，使之具有建立一个新网络的能力。 加入、重新加入和离开一个网络：实现加入、重新加入和离开一个网络的功能，以及为一个ZigBee协调器或者ZigBee路由器请求一个设备离开网络的能力。具有连接或者断开一个网络的能力。 寻址：ZigBee协调器和ZigBee路由器具有为新加入网络的设备分配地址的能力。 邻居设备发现：具有发现、记录和汇报有关单跳邻居设备信息的能力。 路由发现：具有发现和记录有效地传送信息的网络路由能力，即信息可以有效的传达。 收控制：具有控制设备接收机

25、接收状态的能力，即控制何时接收者是激活的，以及接收激活时间的长短，从而使MAC层的同步或者直接接收等。 路由：具有使用不同路由机制的能力。有单播、多播、广播等，使得路由能够在网络中高效率的交换数据。3、网络层服务规范网络层通过两种服务访问点（SPA）提供相应的两种服务，它们分别是网络层数据服务（NLDE）和网络层管理服务（NLME）。网络层数据服务通过网络层数据实体服务接入点接入，网络层管理服务通过网络层管理实体服务接入点接入。这两种分别服务通过MCPS-SAP和MLME-SAP接口为MAC层提供接口。这些接口之外，在NLDE-SAP和NLME-SAP之间有一个隐藏的借口，允许NLME使用网络

26、层的数据服务。NWK层的组件以及接口如下图所示：图3 网络层参考模型2.3.2网络层中常用路由协议在移动Ad hoc网络中，随着节点移动，网络拓扑结构在不断变化。如何迅速准确地选择网络路由的问题，是移动Ad hoc网络的一个重要核心的问题。常规的距离向量算法DVA和链路状态算法LSA，不能满足Ad Hoc网络中的动态变化的网络拓扑结构；单向信道的存在；有限的无线传输带宽；无线移动终端的局限性等特点。因此，自20世纪70年代美军DARPA资助的分组无线网络项目开展以来，国内外的许多研究人员从不同的角度提出了一系列的移动Ad hoc网络路由协议。这些协议必须处理好移动Ad hoc网络的以上特点。根

27、据发现路由的驱动模式的不同，可将这些路由协议分为表驱动路由协议和按需路由协议。如图所示：表驱动路由协议又称为主动式（或先应式）的路由协议（Proactive Protocols）。是一种基于表格的路由协议。该路由协议试图维护网络中各个节点到其余所有节点的最新路由信息，所有路由信息都保持一致。这个路由协议中，每个节点都维护一张或多张表格，这些表格中包含到达网络中所有其他节点的路由信息表。当检测到网络拓扑结构有变化发生时，节点在网络中发送更新消息。收到更新消息的节点便更新自己的表格，以维护路由信息的一致、及时、准确。拓扑更新消息在网络中传播的方式和需要存储的表的类型决定了不同的表驱动路由协议的区别

28、。表驱动路由协议根据变化更新路由表，不断的检测网络拓扑和链路质量的变化，所以路由表可以准确地反映网络的拓扑结构。只要源节点发送报文，就能够立即取得到达目的节点的路由。目前常见的有C.E,Perkins在1994年提出的DSDV路由协议、CGSR路由协议以及WRP路由协议等。DSDV路由协议是一种无环路距离向路由协议，它是传统的Bellman Ford路由协议的改进。在DSDV中，每个移动节点都需要维护一个路由表，路由表表项其中包括目的节点、跳数和目的地序号，其中目的节点分配目的地序号，主要用于判别路由是否过时，并且能够防止路由环路的产生。每个节点必须周期性的与邻节点交换路由信息，也可以根据路由

29、表的改变来触发路由更新。CGSR路由协议与DSDV类似，但是CGSR并不是一个大的平面网络。CGSR分配指定了网关节点簇首节点和，其中网关节点是两个簇之间的节点，簇首节点用来控制一组节点和网关节点。其中每个节点都必须有其簇成员的路由表。因为，当一个节点要发送分组时，这个分组首先到达这个发送节点的簇首节点，然后簇首节点把该分组通过网关节点转发给另外一个簇首节点，不断重复这个过程直到分组到达目的节点。WRP路由协议是另一种表驱动路由协议，在网络的节点中保存路由信息。每个节点都在路由表中保存有如下信息：距离、路由、链路开销和重传消息的列表。重传消息的列表记录关于重传计数器、消息序列号、每一个邻节点正

30、确应答所需的标识以及更新消息的更新列表等信息。WRP的优点就是当一个节点试图执行路径计划算法时，可以通过目的节点的上游节点所保存的信息和邻节点所保存的信息来限制算法，使得算法收敛得更快并避免路由当中的环路。由于WRP需要保存4个路由表，所以比大多数的协议需要更大的内存。WRP还依赖于周期性的Hello消息，这也要占用带宽。这类路由协议通常是通过修改常规的Internet路由协议以适应移动Ad hoc网络环境，通过引入序列号机制解决了“路由环路”和“计数到无穷”的问题；通过采用“时问驱动”和“事件驱动”机制更新路由信息，尽量减少路由等控制信息对无线信道的占用，以提高系统效率。在主动式路由协议中，

31、由于每个节点需要实时地维护路由信息，这样在网络规模较大、拓扑变化较快的环境中，大量的拓扑更新消息会占用过多的信道资源，使得系统效率下降。为此，1996年卡耐基梅隆大学的David B.Johnson在DSR协议中提出了一种新的路由选择原则：按需路由协议。按需路由协议又称为反应式路由协议（Reactive Protocols）。与主动式路由协议相比，它是一种被动式的路由协议。在这类协议中，节点平时并不实时地维护网络路由，只有在节点有数据需要发送时，从激活路由发现机制寻找到达目的地的路由。路山发现过程如图所示。当节点1有数据要向节点8发送且无路由时，节点1启动路由发现过程：1节点1向邻居节点（节点

32、2、3、4）发送路由请求消息；2中间节点转发路由请求消息直至目的节点8；3目的节点选择合适的路由返回路由响应消息，该消息中携带了从节点1到节点8的完整路由。图4按需路由协议的路由发现过程根据国际上目前研究的结果可知，在各种不同的情况下比较时，基于按需方式的路由算法要比基于表驱动方式的路由算法在性能上有着明显的优势。另外，在负载较重的情况下，按需式的路由协议中AODV协议的性能最为理想。第3章 智能仓储监测系统方案设计3.1.系统设计 本系统是由无线传感器节点、若干个具有路由功能的无线节点和网络协调器组成的网络无线网络。采用ZigBee协议实现设备之间的无线通信，网络拓扑结构图如图所示，传感器节

33、点负责现场温湿度数据的采集，奖采集到的数据发送给各个路由器节点，路由器节点根据路由算法选择最佳的通信路径，通过其他的FFD节点以多跳的方式把数据传送给协调器，协调器通过串口RS232和PC机相连，用来收集整个网络中的数据，并能向传感器节点发送命令和参数设置，实现与终端设备节点的通信。监控人员无须到达仓库现场，在监控室通过电脑就可以对仓库的温湿度进行检测。图5 传感器网络拓扑3.2 硬件设计无线传感器节点由数据采集、数据处理、无线通信和能量供应四个模块组成,节点结构如图3所示。数据采集模块由数字传感器或者或模拟传感器加A/D转换器组成,负责区域内的温湿度信息采集和数据转换 数据处理模块

34、由微控制器组成,负责控制整个传感器节点的操作和数据存储;无线通信模块由无线收发器组成,负责与其他传感器节点进行通信,能量供应模块为系统其他的三个部分提供能量。传感器节点由温湿度传感器SHT10检测得到温湿度信息,并转化为数字信号,传输至CC2530,由CC2530负责对信号进行处理发送。节点电源部分使用两节AA电池,通过一个电压转换芯片MCP1259将电压转化成3.3V。为了使系统工作时间持续长,节点通常在闲置时快速进入休眠模式,其外设模块进入休眠状态,或者电源管理部分不对这些外设模块供电。协调器节点负责数据的收发和处理,主要由CC2530和一些外围器件构成,采用USB供电或者是交流电供电。

35、图6 传感器节点结构图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

36、 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

37、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

38、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。 需要通过下拉 DATA 为低电平，uC以确认每个字节。所有的数据从 MSB 开始，右值有效（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 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

39、。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。3.3软件设计ZigBee无线通讯协议终端节点的软件主要实现以下功能：(1)数据采集功能：采集各个传感器的输出信号并进行数据分析存储。(2)数据显示功能：能够在LCD上将采集处理后的传感器数据实时显示。每个不同类型的传感器构成一个单独的节点，液晶显示当前环境下温度()、湿度(RH)和烟雾强弱。(3)数据传输功能：采用标准的MODB

40、US协议通过上位机修改系统参数。(4)与无线模块通讯：单片机将要发送的数据以特定的波特率通过串口送到无线模块发送12。ZigBee无线通讯协议程序流程图如图7所示。图7 ZigBee无线通讯协议程序流程主程序程序流程图： 图8主程序程序流程图2.2.4 核心程序代码：void main() int tempera; int humidity; char s16; UINT8 adc0_value2; float num = 0;SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRYSTAL); / 设置系统时钟源为 32MHz 晶体振荡器GUI_Init(); / GUI 初始化GUI_SetCo

41、lor(1,0); / 显示色为亮点，背景色为暗点GUI_PutString5_7(25,6,"OURS-CC2530"); /显示 OURS-CC2530GUI_PutString5_7(10,22,"Temp:");GUI_PutString5_7(10,35,"Humi:");GUI_PutString5_7(10,48,"Light:");LCM_Refresh();while(1) th_read(&tempera,&humidity); /读取温度和湿度 sprintf(s, (char

42、*)"%d%d C", (INT16)(int)tempera / 10),(INT16)(int)tempera % 10); /将温度结果转换为字符串 GUI_PutString5_7(48,22,(char *)s); /显示结果 LCM_Refresh(); sprintf(s,(char*)"%d%d %",(INT16)(int)humidity / 10),(INT16)(int)humidity % 10); /将湿度结果转换为字符串 GUI_PutString5_7(48,35,(char *)s); /显示结果 LCM_Refresh

43、();3.4 本设计所使用的实验箱以及软件支持3.4.1所使用的试验箱概述物联网创新实验系统IOV-T-2530采用系列传感器模块和无线节点模块组成无线传感网，扩展嵌入式网关实现广域访问，可实现多种物联网构架，完成物联网相关的各种传感器的信息采集、无线信号收发、Zigbee网络通讯、组件控制全过程。该工具箱提供了无线传感网通信模块、基本的传感器及控制器模块、嵌入式网关、计算机服务器参考软件等，实验系统形式如下图：3.4.2实现基于CC2530的温湿度采集系统节点模块设计实验系统包含4个无线传感网通信节点和一个无线网络协调器，其结构如下：无线节点模块：主要有射频单片机构成，MCU是TI的CC25

44、30,2.4G载频，棒状天线。传感器及控制模块：系列传感器模块，包括温湿度传感模块、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，目前主要有两节电池供电，保留外接电源接口，可以直接有直流电供电。节点图如下：总 结ZigBee无线传感器网络是基于ZigBee协议的无线传感器网络，是ZigBee协议与传感技术的结合，是应用性非常强的技术，它具有耗资小、安装方便、维护和更新费用低等优势，非常适合于对布线困难、人员不能到达的区域和一些临时场合的状况进行远程监控，如大型建筑的健康状态监控、空间探索

45、、灾害预测等，它在当前我国环境监测系统中有着巨大的应用潜力的。目前市场上的近距离无线通信技术有很多种，如无线局域网WiFi、蓝牙、IrDA、UWB、RF等。经过市场调研，发现ZigBee无线通信技术在在无线传感网络中占有广泛的市场，具有低功耗、数据传输可靠、网络容量大、兼容性强、安全性高、成本低等特点。本设计采用了ZigBee技术实现无线网络的搭建。经过反复的测试，我们研制的无线网络节点通信平台已经可以稳定的运行，并且有较好的可靠性和扩展性。本次设计主要涉及到硬件设计和ZigBee协议编程两方面的内容。通过该设计，使得自己在学业上受益匪浅，它不仅要求我灵活应用以前所学的知识，也要求自己在工作中

46、不断学习和接受新知识，极大的锻炼了自己独立研发的能力，为今后的工作开创了新的前景。致 谢经过数周的努力，我们终于完成了这次的课程设计。这次课设主要是设计基于物联网的数据采集系统，尽管在这次课程设计中我们遇到了了很多的问题，但是在指导老地师耐心的指导下，我们反反复复的实验，失败了很多次，从中汲取经验，直到问题迎刃而解。论文能够得以顺利完成，首先要感谢我的学院给我提供良好的学习环境和实验条件。饮其流时思其源。成吾学士念吾师。在课程设计完成的时刻，我谨向这次课程设计的指导老师表示诚挚的谢意和崇高的敬意。大学之大，不在大楼，而在大师。大师们才高八斗，学富五车，授我以专业知识；大师们高屋建瓴，宁静致远，

47、予我以严谨之逻辑；大师们博闻多识，学高身正，释我以学者之楷模。最后我要感谢陪我一起做课设的同学们，谢谢你们在做课设期间对我耐心诚恳的帮助，这是我大学生涯中一段美好的，难忘的时光。参考文献1 李文仲，段朝玉著.ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践. 北京航空航天大学出版社,2009.32 石志国等著. 物联网技术与应用. 北京交通大学出版社, 2012.93 吴大鹏等著. 物联网技术与应用. 电子工业出版社, 2012.64 吴洪贵，孙玉娣等著. 物联网应用系统开发. 东软电子出版社, 2012.115 付蔚著，家居物联网技术开发与实践.北京大学出版社,2013.86 熊茂华，熊昕著.

48、物联网技术与应用开发. 西安电子科技大学出版社, 2012.117 北京奥尔斯电子科技有限公司.物联网创新实验套件实验指导书 2012.11 5 8Jane KHart， Kirk MartinezEnvironmental Sensor Networks：A revolution in the earth system science7EarthScience Reviews，2006附 录附件：系统程序#include "hal.h"#include "LCD.h"#include "stdio.h"#define noACK 0

49、#define ACK 1#define STATUS_REG_W 0x06#define STATUS_REG_R 0x07#define MEASURE_TEMP 0x03#define MEASURE_HUMI 0x05#define RESET 0x1e#define SCL P1_0 /SHT10时钟#define SDA P1_1 /SHT10数据线unsigned char d1,d2,d3,d4,d5,d6,d7;void Wait(unsigned int ms);void QWait(void) ;char s_write_byte(unsigned char value)

50、;char s_read_byte(unsigned char ack);void s_transstart(void);void s_connectionreset(void);char s_measure( unsigned char *p_checksum, unsigned char mode);void initIO(void);/* * 函数名称：Wait * * 功能描述：延时函数（不精确延时） * * 参 数：ms - 延时时间 * * 返 回 值：无 */void Wait(unsigned int ms) unsigned char g,k; while(ms) for(g

51、=0;g<=167;g+) for(k=0;k<=48;k+); ms-; /* * 函数名称：QWait * * 功能描述：延时函数（大约1us的延时） * * 参 数：无 * * 返 回 值：无 */void QWait() asm("NOP");asm("NOP"); asm("NOP");asm("NOP"); asm("NOP");asm("NOP"); asm("NOP");asm("NOP"); asm("NOP");asm("NOP"); asm("NOP");/* * 函数名称：initIO * * 功能描述：SHT10串行通信IO初始化 * * 参 数：无 * * 返 回 值：无 */void initIO(void) IO_DIR_PORT_PIN(1,