嵌入式温湿度采集系统设计课程设计

图6所示。图6ZigBee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(one—hop)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CC2530JTAG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_CC2530LIB\lib10(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12WSNClient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的帮助！在此要特别感谢我的指导老师的指导与督促，同时感谢他的谅解与包容。求学历程是艰苦的，但又是快乐的。本文参考了大量的文献资料，在此，向各学术界的前辈们致敬！六、参考文献[1]孙利民《无线传感器网络》.清华大学出版社.2005.[2]张拓.无线多点温度采集系统的设计.武汉：武汉理工大学，2009.[3]陈旭.基于zigbee的可移动温度采集系统.武汉：武汉科技大学，2009[3]雷纯《基于ZigBee的多点温度采集系统设计与实现》.自动化技术与应用.2010，29（2）43～47.[5]王翠茹《基于ZigBee技术的温度采集传输系统》.仪表技术与传感器.2008.No.7.103～105.[6]景军锋《基于ZigBee技术的无线温度采集系统》.微型机与应用.2009.No.23.33～35.[7]《Zigbee协议栈中文说明》.[8]《IAR使用指南》.周立功单片机有限公司.[9]《Zigbee技术实用手册》.西安达泰电子.[10]《IAR安装与使用》.成都无线龙通讯科技有限公司.七、附录核心程序代码

void

main()

{

int

tempera;

//

定义温度变量

int

humidity;

//定义适度变量

char

s[16];

UINT8

adc0_value[2];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_SetColor(1,0);

//

显示色为亮点，背景色为暗点GUI_PutString5_7(25,6,"OURS-CC2530");

//显示

OURS-CC2530

GUI_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*)"%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();

基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用基于ATmega16单片机的流量控制器的开发基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发锅炉的单片机控制系统HYPERLINK"