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1、兰 州 理 工 大 学计算机与通信学院20#春季学期 物联网综合应用实践 课程设计题 目：基于物联网的温湿度信息采集系统设计专业_学 号：指导 成 绩：基于物联网的温湿度信息采集系统设计摘要基于物联网的无线传感网络是多学科的高度交叉,知识的高度集成的前沿热点研究领域.它通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测,感知和采集各种环境或监测对象的信息,这些信息通过无线方式被发送,并以自组多跳的网络方式传送到用户终端无线传感器网络的特性决定了其不需要较高的传输带宽,而要求较低的传输延时和极低的功率消耗.IEEES02154ZigBee技术是近年来通信领域中的研究热点,具有低成本、低功耗、低速率、低复杂
2、度的特点和高可靠性、组网简单、灵活等优势,逐渐成为无线传感器网络事实上的国际标准.此次课设设计并实现了用无线传感器网络构成的分布式温度湿度监控系统.关键词：物联网、信息采集、SHT10、串口通信正文：4一、前言4二、基本原理52.1 SHT10引脚特性52.2 温湿度传感器模块82.3 CC2530串口通信原理92.4 Zig Bee 简介10三、系统分析16四、详细设计184.1硬件设计184.2 软件设计214.3 设计结构图214.4 代码22总结33参考文献34正文：一、前言物联网系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可定制,适用于不同应用场合,对功能,可靠性,成本,体积,功耗
3、有严格要求的专用计算机系统.随着生活水平的提高和科学技术发展的需求,人类对环境信息的感知上有了更高的要求,在某些特殊工业生产领域和室内存储场合对环境要求显得特别苛刻；随着物联网技术的发展,为环境环境检测提供了更进一步的保障.基于物联网的环境信息采集系统包含感知层、传输层、应用层三个层面；传输层常见的有温湿度、烟感、一氧化碳、压力等物联网传感器模块,传输层包括有线通信和无线通信两部分,应用层包括各种终端.在室内环境监测领域,以物联网技术为基础,结合ZigBee技术可以实现、准确、完整、可靠的反应环境信息,做到实时监控.基本原理：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ZigB
4、ee功能,替代设备电缆线进行无线传输,串口传输设计为双向全双工,无硬件流控制,强制允许OTA时间和丢包重传.本次课设采用的senser节点中烧写EndDeviceEB程序,在协调器中烧写CoordinatorEB程序.在设备绑定时先启动协调器绑定,后启动终端节点绑定,按键SW1用于设备之间绑定,SW2用于启动匹配描述符请求.二、基本原理 本实验将使用 CC2530 读取温湿度传感器 SHT10 的温度和湿度数据,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/OP1.0 和 P1.1模拟一个类 IIC 的过程.其中该系统所使用的SHT10是一款高度
5、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转换器以与串行接口电路实现无缝连接.2.1 SHT10引脚特性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 转换器以与串行接口电路实现无缝连接. SHT10 引脚特
6、性如下： 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. 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. 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
7、高电平.上拉电阻通常已包含在微处理器的 I/O 电路中. 1、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. 2、测量时序： 发布一组测量命令00000101表示相对湿度 RH,000000
8、11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.SHT# 通过下拉 DATA 至低电平并进入空闲模式,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.uC 需要通过下拉DATA 为低电平,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
9、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.在测量和通讯结束后,SHT# 自动转入休眠模式. 3、通讯复位时序：如果与 SHT# 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.2.2 温湿度传感器模块 温湿度探头直接使用 IIC 接口进行控制,光敏探头经运放处理后输出电压信号到 AD 输入.IIC 接口将同时连接 EEPR
10、OM 以与温湿度传感器两个设备,将采用使用不同的 IIC设备地址的方式进行区分.其电路原理图如下所示： 温湿度传感器模块原理图使用 1012bit 的 AD 采集器进行光敏信号采集,使用专用温湿度传感器进行温湿度信号采集.一次采样使用 2 字节描述,MSB 方式,温湿度与光电传感器模块输出数据结构如下：1仅采集温度信息 温度数据高字节,温度数据低字节. 2仅采集湿度信息 湿度数据高字节,湿度数据低字节.4采集全部信息 温度数据高字节,温度数据低字节,湿度数据高字节,湿度数据低字节. 注意：本指令一次测量,最多只上传 1 次采集数据,不支持连续采集数据上传. 2.3 CC2530串口通信原理UA
11、RT 接口可以使用 2 线或者含有引脚 RXD、TXD、可选 RTS 和 CTS 的 4 线. UART 操作由 USART 控制和状态寄存器 UxCSR 以与 UART 控制寄存器 UxUCR 来控制.这里的 x 是 USART 的编号,其数值为 0 或者 1. 当 UxCSR.MODE 设置为 1 时,就选择了 UART 模式. 当 USART 收/发数据缓冲器、寄存器 UxBUF 写入数据时,该字节发送到输出引脚 TXDx.UxBUF 寄存器是双缓冲的. 当字节传输开始时,UxCSR.ACTIVE 位变为高电平,而当字节传送结束时为低.当传送结束时,UxCSR.TX_BYTE 位设置为
12、1.当 USART 收/发数据缓冲寄存器就绪,准备接收新的发送数据时,就产生了一个中断请求.该中断在传送开始之后立刻发生,因此,当字节正在发送时,新的字节能够装入数据缓冲器. 当 1 写入 UxCSR.RE 位时,在 UART 上数据接收就开始了.然后 UART 会在输入引脚 TXDx中寻找有效起始位,并且设置 UxCSR.ACTIVE 位为 1.当检测出有效起始位时,收到的字节就传入到接收寄存器,UxCSR.RX_BYTE 位设置为 1.该操作完成时,产生接收中断.同时UxCSR.ACTIVE 变为低电平. 通过寄存器 UxBUF 提供到的数据字节.当 UxBUF 读出时,UxCSR.RX_
13、BYTE 位由硬件清 0.2.4 Zig Bee 简介1 Zig Bee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.同时随着ZigBee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技术的关键是发展是一种易布建,低成本,低功耗的无线网络.ZigBee技术的应用前景非常好.Zig Bee在未来的几十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,医用设备控制等多个控制领域具有广泛的应用,特别是工业控制和家庭自动化,将会成为今后ZigBee芯片的主要领域.通常符合以下条件之一的应用
14、,都可以采用此技术.（1） 网络多：需要数据采集或监控的网络多.（2） 低传输量：要求传输的数据量不大且要求数据成本低.（3） 可靠性高：要求数据传输可靠性,安全性高.（4） 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方便放置（5） 电池供电.（6） 覆盖量大：所需检测点多,地形复杂,需要较大的网络覆盖面积.（7） 现有移动网络的覆盖盲区.（8） 遥测,遥控系统：使用先从移动网络进行的地数据量传输.（9） 局部区域移动口标的定位系统：使用GPS效果差,成本高.2 ZigBee协议标准 ZigBee协议标准采用分层结构,每一层为上层提供一系列特殊的服务：数据实体提供数据传输服务；管理
15、实体则提供所有其他的服务.所有的服务实体都通过服务接人点SAP为上层提供接口,每个SAP都支持一定数量的服务原语来实现所需的功能.ZigBee标准的分层架构是在OSI七层模型的基础上根据市场和应用的实际需要定义的.其中IEEE 8021542003标准定义了底层协议：物理层和媒体访问控制层.ZigBee 联盟在此基础上定义了网络层,应用层架构.在应用层内提供了应用支持子层和 ZigBee设备对象.应用框架中则加入了用户自定义的应用对象. ZigBee的网络层采用基于Ad Hoc的路由协议,除了具有通用的网络层功能外,还应该与底层的IEEE 802154标准一样功耗小,同时要实现网络的自组织和自维护,以最大限度方便消费者使用,降低网络的维护成本.应用
