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1、嵌入式系统课程设计1* 实践教学实践教学*兰州理工大学兰州理工大学计算机与通信学院2013 年秋季学期嵌入式系统课程设计嵌入式系统课程设计题 目：基于嵌入式的室内温度信息采集控制演示系统设计专业班级：计算机科学与技术（物联网工程方向） 姓 名： 俞树乾 学 号： 指导教师： 马维俊 成 绩： 嵌入式系统课程设计2目录目录一摘要.3二前言.4三.系统分析及其设计.5 二、系统方案设计.5三、总体设计.8四、系统测试.32总结.32参考文献.33致谢.33嵌入式系统课程设计3基于嵌入式的室内环境信息采集控制演示系统设计基于嵌入式的室内环境信息采集控制演示系统设计摘要摘要摘 要： 针对我国北方冬季供
2、暖系统的特点及存在的不足，设计了基于嵌入式系统的 ARM-Linux 平台及模糊控制技术的室内智能温度控制系统。采用 DS18B20 及 ZigBee 无线组网技术完成了多点温度采集，采用模糊控制技术实现了室内温度的精确控制，并建立了QT 用户界面，优化了人机交互环境，采用 GPRS 技术实现了系统的远程控制，给用户带来很大方便。系统的实现将对减少热能浪费及提高人们生活质量起着重要作用。在大力提倡节能减排以及追求高质量生活的今天，冬季供暖系统存在的不足日益显现出来。我国北方城市大部分采用集中供暖，在整个供暖期内，无论室内有人与无人，系统全天连续供暖；系统热能的输送是不变的，不能根据室内外温度的
3、变化以及个人对室温的不同要求做出相应的调整。这就造成了热能的严重浪费以及供暖不人性化等问题。本文设计实现了一种基于嵌入式系统 ARM-Linux 平台的室内智能温度控制系统，通过实时检测室内外温度的变化，合理调节室内温度，降低了热能消耗，提高了人们的生活质量。关键词关键词：嵌入式、信息采集、ZIGBEE、串口通信嵌入式系统课程设计4前言前言随着 3C 融合进程和我国传统产业结构升级的加速，人们对设备越来越高的应用需要已经无法满足当前和未来高性能的应用与发展需求。显然，嵌入式系统的软、硬件技术和开发手段，正日益受到重视，成为各领域技术创新的重要基础。目前，嵌入式系统是近年来发展很快的计算机方面的
4、学科方向，并迅速渗透到控制、自动化、仪器仪表等学科。嵌入式方向包括了软硬件协同设计、嵌入式体系结构、实时操作系统、嵌入式产品设计等方面的知识，大于当代大学生，更需要掌握嵌入式系统设计的典型开发工具和开发核心技术。对于嵌入式市场的发展来说，中国市场的意义更加重大。中国市场对于嵌入式互联网这场革命来说非常关键。勃勃的生机，很好的产业互动，良好的协作精神，中国现在正在形成-个健康的嵌入式的发展模式和转型模式。中国可能是-个引发点，嵌入式市场先在中国蓬勃发展，然后辐射到全球其他地区。嵌入式系统课程设计5系统分析及其设计系统分析及其设计一、基本原理：一、基本原理：温度传感器将被测点的温度采集后输出的模拟
5、信号逐步送往放大电路、低通滤波器以及 A/D 转换器（即信号调理电路） ，然后再单片机的控制下将 A/D 转换器输出的数字信号传送到无线收发芯片中，并通过芯片的调制处理后由芯片内部的天线发送到上位机机监测软件上，在上位机模块上，发来的数据由单片机控制的无线收发芯片接收并解调，最后通过接口芯片发送到 PC 机中进行显示和处理。温度传感器被用在终端节点上，当上电后，温度传感器就是能够获取环境中某个地方温度的敏感元器件，它可以将环境中的温度或者是与温度相关的参量信息转换成电信号，我们可以根据这些电信号的强弱来识别被测点在环境中的温度数据。二、二、 系统方案设计系统方案设计1、系统设计需求系统设计需求
6、湿度传感器和温度传感器采集到数据后，通过给 RS232 串口增加无线传输功能，替代设备电缆线进行无线传输, 无线温度采集系统改变了传统有线的数据采集系统搭建布线困难，监测区域受限等诸多不足。要求设计的短距离无线通信系统具有功耗少，性价比高，系统维护快捷方便，而且通过在传感器模块上添加 FLASH 存储设备，使得数据采集工作能够摆脱对监测过程网络辐射范围的限制，可应嵌入式系统课程设计6用到许多的场合更好的改善采集工作的便捷行。通过与其他通信技术(如 GSMGPRS)的无缝接合，能够实现采集数据的远程传输，满足对数据采集区域的远程监控串口传输设计为双向全双工，无硬件流控制，强制允许 OTA(多条)
7、时间和丢包重传。2、系统方案设计、系统方案设计方案一：飞思卡尔公司(Freescale)的 MC13193 芯片搭载了满足 IEEE 802.15.4 标准的射频信号传输与接收的调制解调设备。这类功能完善的双向 2.4GHz 频段的收发设备能够融合到 ZigBee 技术之中。MC13193 包含低噪放大器，10mW 的功率增强器，压控振荡器，电源供应调节模块，所有频段编码和解码模块，包括可以转换和控制数据的发送与接收串行外围接口(SPI)中断请求输出。采用 O-QPSK 的调制方式，最大传输速率为 250kb/s。搭配高性能的微处理器一起使用，MC13193 可以提供低成本且高效率的短距离数据
8、传输解决方案。MC13193 和 MCU 两者采用串行外围接口(SPI)连接，因此可以保证飞思卡尔庞大产品系列中的任意一款 MCU 都能与之匹配使用。方案二：选择 TI 公司的 2.4GHz 片上系统解决方案CC2530，CC2530 是用于 IEEES02.15.4、Zigbee 和 RF4CE 应用的一个片上系统解决方案，它能以较低的总成本建立强大的网嵌入式系统课程设计7络节点。CC2530 结合了先进的 RF 收发器性能，业界标准的增强型 8051 内核，使操作更容易，具备不同的运行模式，尤其适用于低功耗的系统需求。3、系统方案选择、系统方案选择通过对比以上两种方案开发的难易程度、开发周
9、期和现有的实验环境我们选择方案二。无线温度采集系统改变了传统有线的数据采集系统搭建布线困难，监测区域受限等诸多不足。ZigBee 这种新兴的短距离无线通信系统具有功耗少，性价比高，系统维护快捷方便，而且通过在传感器模块上添加 FLASH 存储设备，使得数据采集工作能够摆脱对监测过程网络辐射范围的限制，可应用到许多的场合更好的改善采集工作的便捷行。通过与其他通信技术(如 GSMGPRS)的无缝接合，能够实现采集数据的远程传输，满足对数据采集区域的远程监控。一般以 ZigBee 技术为核心的无线温度采集系统的工作过程为：协调器节点首先应搭建网络，等待各自终端采集节点的入网请求；终端节点经过验证加入
10、网络后，把温度传感器采集到的数据通过无线网络上传传输给协调器节点；协调器节点接收到数据包后，进行数据包解析，并通过串口将温度信息以及子节点地址等有效信息存储并显示在监控界面上。嵌入式系统课程设计8三、总体设计三、总体设计无线传感器温度测量系统主要由单个 ZigBee 协调器、单部 PC 机和放置在各处的温度采集节点ZigBee 终端设备组成。ZigBee 协调器与各个终端节点形成了一个 ZigBee 星型网络。整个无线温度采集系统的拓扑结构图如图 1 所示。各处的温度采集节点ZigBee 终端设备组成。CC2530 芯片的有效通信半径为 100m 时，终端节点可以安置在以协调器为中心 100m
11、 半径范围内。终端数据采集节点的结构较为简化，仅由一个 CC2530 模块，Flash 存储，2 节 1.5V 电池和温度传感器组成，各个终端节点被初始化为无信标网络中的终端设备。终端设备上电复位后，便启动搜索指定信道上的 ZigBee 协调器，并发送连接请求，终端设备在成功入网后，将被赋予一个 16 位短地址，在以后网络中的通信都以这个 16 位的短地址作为节点的标识；启动休眠定时器，间隔 10 秒钟唤醒一次，醒来后使用一种简单的非时隙 CSMA- CA，通过竞争机制取得信道使用权，自己向协调器节点发送请求数据。利用模块上的温度传感器模块检测环境温度，并上传给协调器节点，然后立即再次进入休眠
12、状态，最大限度地减少能耗，延长终端节点电源续航时间，同时也可以延伸采集范围，即利用 ZigBe 网络的自组织性我们可以携带轻巧的终端数据采集节点到实际测量区域完成数据采集工作，如果超出了无线网络可以支持的传输范围，那可以将数据暂时存储在 Flash 存储器中。网络中的协调器节点负责搜集各温度采集节点的信息，并将信息快速的通过 RS232 串口按事先定义好的格式上传 嵌入式系统课程设计9PC 机，随即解析并显示出来。1、总体设计框图如下：图 1 无线温湿度采集系统框图2、硬件设计实物图如下：2.1CC2530 邮票孔节点模块嵌入式系统课程设计102.2 无线节点模块2.3 温湿度采集模块嵌入式系
13、统课程设计113、温湿度监测芯片说明 3.1 SHT10 说明SHT10 是一款高度集成的温度湿度传感器芯片，提供全标定的数字输出。它采用专利的 COMSens 技术，确保了传感器具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个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进行连接。SH10 引脚特性如下：3.1.1、 电源引脚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。电源引脚嵌入式系统课程设计12（VDD，GND）之间可增加一个 100nF
14、的电容，用以去耦滤波。3.1.2、串行接口(两线双向) SHT10 的串行接口，在传感器信号的读取及电源损耗方面，都做了优化处理；但与 I2C 接口不兼容.3.1.3、串行时钟输入(SCK) SCK 用于微处理器与 SHTxx 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。3.1.4、串行数据(DATA) 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（参见图 2） 。上拉电阻通常已包含在微处理器的 I/O 电路中。31.5、串行时钟输入(SCK) SCK 用于微处理器与 SHTxx 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。3.1.6、串行数据(DATA) DATA 三态
