******************實踐教學******************蘭州理工大學計算機與通信學院2023年春季學期嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)課程設計題目：嵌入式溫濕度采集系統(tǒng)設計專業(yè)班級：通信工程〔3〕班姓名：學號：指導教師：成績：摘要溫濕度數(shù)據(jù)的采集、傳輸以及處理，在日常生活中有著廣泛的應用，比方智能家居系統(tǒng)，智能交通等，在以后物聯(lián)網(wǎng)中會更加廣泛的應用。此次設計是一種基于CC2530和數(shù)字溫濕度傳感器的溫濕度采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Zigbee無線通信技術(shù)結(jié)合傳感器，通過運用Zigbee協(xié)議架構(gòu)組建無線傳感網(wǎng)絡,實現(xiàn)主從節(jié)點的數(shù)據(jù)采集和傳輸,一點對多點，。并詳細闡述了基于Zigbee協(xié)議棧的中心節(jié)點和終端節(jié)點的協(xié)議傳輸，主要是從Zigbee協(xié)議棧網(wǎng)絡層里AODV路由協(xié)議著手，闡述在網(wǎng)絡層如何通過AODV路由協(xié)議進行節(jié)點間的連接以及數(shù)據(jù)的收發(fā)。關(guān)鍵字：溫濕度數(shù)據(jù)采集CC2530Zigbee協(xié)議棧無線傳感網(wǎng)絡目錄TOC\o"1-4"\h\u7698前言圖6所示。圖6ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖1.物理層物理層由半雙工的無線收發(fā)器及其接口組成，主要作用是激活和關(guān)閉射頻收發(fā)器；檢測信道的能量；顯示收到數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量；空閑信道評估；選擇信道頻率；數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。2.媒體訪問控制層媒體訪問控制〔MAC〕層建立了一條節(jié)點和與其相鄰的節(jié)點之間可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，共享傳輸媒體，提高通信效率。在協(xié)調(diào)器的MAC層，可以產(chǎn)生網(wǎng)絡信標，同步網(wǎng)絡信標；支持ZigBee設備的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)；支持設備加密；在信道訪問方面，采用CSMA/CA信道退避算法，減少了碰撞概率；確保時隙分配〔GTS〕；支持信標使能和非信標使能兩種數(shù)據(jù)傳輸模式，為兩個對等的MAC實體提供可靠連接。3.網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層負責拓撲結(jié)構(gòu)的建立和維護網(wǎng)絡連接，主要功能包括設備連接和斷開網(wǎng)絡時所采用的機制，以及在幀信息傳輸過程中所采用的平安性機制。此外，還包括設備的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護和轉(zhuǎn)交。并且，網(wǎng)絡層完成對一跳(one—hop)鄰居設備的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)結(jié)點信息的存儲。一個ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)立一個新網(wǎng)絡，為新參加的設備分配短地址等。并且，網(wǎng)絡層還提供一些必要的函數(shù)，確保ZigBee的MAC層正常工作，并且為應用層提供適宜的效勞接口。4.應用層應用層包括三局部：應用支持子層〔APS〕、ZigBee設備對象〔ZDO〕和應用框架〔AF〕。應用支持子層的任務是提取網(wǎng)絡層的信息并將信息發(fā)送到運行在節(jié)點上的不同應用端點。應用支持子層維護了一個綁定表，可以定義、增加或移除組信息；完成64位長地址〔IEEE地址〕與16位短地址〔網(wǎng)絡地址〕一對一映射；實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的分割與重組；應用支持子層連接網(wǎng)絡層和應用層，是它們之間的接口。ZigBee設備對象負責設備的所有管理工作，包括設定該設備在網(wǎng)絡中的角色〔協(xié)調(diào)器、路由器或終端設備〕，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中的設備，確定這些設備能提供的功能，發(fā)起或響應綁定請求，完成設備之間建立平安的關(guān)聯(lián)等。用戶在開發(fā)ZigBee產(chǎn)品時，需要在ZigBee協(xié)議棧的AF上附加應用端點，調(diào)用ZDO功能以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡上的其他設備和效勞，管理綁定、平安和其他網(wǎng)絡設置。ZDO是一個特殊的應用對象，它駐留在每一個ZigBee節(jié)點上，其端點編號固定為0。AF應用框架是應用層與APS層的接口。它負責發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并為接收到的數(shù)據(jù)尋找相應的目的端點。二、系統(tǒng)分析2.1程序流程圖 開始開始系統(tǒng)時鐘初始化讀取溫濕度數(shù)據(jù)顯示溫濕度數(shù)據(jù)LCD初始化圖7軟件流程圖2.2具體步驟1、給智能主板供電〔USB外接電源或2節(jié)干電池〕。2、將一個無線節(jié)點模塊插入到帶LCD的智能主板的相應位置。3、將溫濕度及光電傳感器模塊插入到智能主板的傳感及控制擴展口位置。4、將CC2530仿真器的一端通過USB線〔A型轉(zhuǎn)B型〕連接到PC機，另一端通過10Pin下載線連接到智能主板的CC2530JTAG口〔J203〕。5、將智能主板上電源開關(guān)撥至開位置。按下仿真器上的按鈕，仿真器上的指示燈為綠色時，表示連接成功。6、使用IAR7.51翻開“…\OURS_CC2530LIB\lib10(HumiTempLight)\IAR_files〞下的HumiTempLight.eww文件，下載運行程序。7、觀察LCD上溫度、濕度和光照強度的變化。8、用一個物體擋住光照傳感器的光線，觀察LCD上光照強度數(shù)據(jù)的變化。9、向溫濕度傳感器吹一口氣體，觀察LCD上溫濕度數(shù)據(jù)的變化。三、詳細設計3.1總體軟件結(jié)構(gòu)圖溫濕度采集模塊主要包括無線傳感模塊和數(shù)據(jù)采集模塊,由數(shù)據(jù)采集模塊完成溫濕度的采集。無線傳感模塊無線傳感器網(wǎng)絡在設計目標方面與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡有所區(qū)別，前者是以數(shù)據(jù)為中心的，后者以傳輸數(shù)據(jù)為目的。在無線傳感器網(wǎng)絡中，因為節(jié)點通常運行在人無法接近的惡劣甚至危險的遠程環(huán)境中，所以除了少數(shù)節(jié)點需要移動以外，大局部節(jié)點都是靜止不動的。在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，節(jié)點任意散落，節(jié)點除了需要完成感測特定的對象以外，還需要進行簡單的計算，維持互相之間的網(wǎng)絡連接等功能。并且由于能源的無法替代以及低功耗的多跳通信模式節(jié)，設計無線傳感節(jié)點時，有效的延長網(wǎng)絡的生命周期以及節(jié)點的低功耗成為無線傳感器網(wǎng)絡研究的核心問題。在節(jié)省功耗的同時增加通信的隱蔽性，防止長距離的無線通信易受外界噪聲干擾的影響，也都是在設計傳感器網(wǎng)絡時需要攻克的新難題。圖8無線傳感網(wǎng)通信模塊無線傳感網(wǎng)絡的建立是基于傳感器加無線傳輸模塊的，傳感器采集的數(shù)據(jù)，簡單處理后經(jīng)過無線傳輸模塊傳到效勞器或應用終端。目標、觀測節(jié)點傳感節(jié)點和感知視場是無線傳感器網(wǎng)絡所包括的4個根本實體對象。另外，要完成對整個系統(tǒng)的應用刻畫，還需要對遠程任務管理單元、外部網(wǎng)絡和用戶進行定義。大量傳感節(jié)點隨機部署，單個節(jié)點經(jīng)過初始的通信和協(xié)商，通過自組織方式自行配置，形成一個傳輸信息的單跳鏈接或一系列的無線網(wǎng)絡節(jié)點組成的網(wǎng)絡，協(xié)同形成對目標的感知視場。傳感節(jié)點檢測的目標信號經(jīng)過傳感器本地簡單處理后通過單播或播送以多跳的方式通過鄰近傳感節(jié)點傳輸?shù)接^測節(jié)點。用戶和遠程任務管理單元那么能夠通過衛(wèi)星通信網(wǎng)絡或Internet等外部網(wǎng)絡，與觀測節(jié)點進行數(shù)據(jù)信息的交互。觀測節(jié)點向網(wǎng)絡發(fā)布查詢請求和控制指令，接收傳感節(jié)點返回的目標信息。圖9無線傳感器網(wǎng)絡通信體系無線傳輸模塊可以實現(xiàn)短距離〔小于300米〕的信號傳輸。在實際應用中，需要根據(jù)不同需求選擇傳感器，如電壓電流、功耗、溫濕度、液面、震動、壓力等等。2.數(shù)據(jù)采集模塊溫濕度探頭直接使用IIC接口進行控制。其電路原理圖如下所示：圖10數(shù)據(jù)采集模塊電路圖本實驗將使用CC2530讀取溫濕度傳感器SHT10的溫度和濕度數(shù)據(jù)，并將采樣到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換然后再LCD顯示。其中對溫濕度的讀取是利用CC2530的I/O〔P1.0和P1.1〕模擬一個類IIC得過程。數(shù)據(jù)采集實驗設備連接給智能主板供電〔USB外接電源或兩節(jié)電池〕 將一個無線節(jié)點模塊插入到LCD智能主板的位置，將溫濕度傳感器插入到智能主板的傳輸及控制拓展口位置用23,78交叉串口線連接智能主板的串口和嵌入式網(wǎng)關(guān)的串口，然后翻開電源。如圖11所示：圖11數(shù)據(jù)采集實驗設備連接圖在WSNClient的程序界面上可以看到如以下圖所示的曲線，對光，溫度，濕度三個參數(shù)可以進行選擇。如圖12所示：圖12WSNClient程序界面圖〔1〕選擇濕度傳感器，會發(fā)現(xiàn)曲線發(fā)生變化。如圖13所示：圖13濕度傳感器曲線圖選擇溫度傳感器，會發(fā)現(xiàn)曲線發(fā)生變化。如圖14所示：圖14溫度傳感器曲線圖3.2硬件模塊設計傳感器節(jié)點由數(shù)據(jù)處理發(fā)送模塊，溫度傳感器，濕度傳感器和供電般構(gòu)成。數(shù)據(jù)處理模塊是由CC2530構(gòu)成，溫濕度采集采用溫濕度傳感器SHT10。其結(jié)構(gòu)圖如圖15所示。數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)處理模塊溫度采集模塊濕度采集模塊電源模塊圖15硬件結(jié)構(gòu)圖無線傳感網(wǎng)通信模塊無線節(jié)點模塊：主要由射頻單片機構(gòu)成，MCU是TI的CC2530，2.4G載頻，棒狀天線傳感及控制模塊：系列傳感及控制模塊，包括溫度傳感模塊、濕度傳感模塊、繼電器模塊和RS232模塊等，也可以通過總線擴展用戶自己的傳感器及控制器部件。電源板或智能主板：即實現(xiàn)無線節(jié)點模塊與傳感及控制模塊的連接，又實現(xiàn)系統(tǒng)供電，目前主要兩節(jié)電池供電，保存外接電源接口，可以直接由直流電源供電。無線網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器、無線傳感網(wǎng)通信節(jié)點和無線節(jié)點模塊實物如圖16、圖17和圖18所示：圖16無線網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器圖17無線傳感網(wǎng)通信節(jié)點圖18無線節(jié)點模塊四、總結(jié)本次為期兩周的課程設計中，主要目的是設計一個基于CC2530的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個采用CC2530無線單片機進行溫濕度的數(shù)據(jù)采集，并且結(jié)合Zigbee協(xié)議架構(gòu)進行編程的設計，主要是基于CC2530的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊的設計，并在IAR集成環(huán)境開發(fā)環(huán)境中進行基于Zigbee架構(gòu)的編程，節(jié)點模塊的調(diào)試，最后，實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡的構(gòu)建。。在基于Zigbee無線傳感器節(jié)點模塊上，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集，處理以及傳輸?shù)裙δ堋１驹O計可以實現(xiàn)在谷倉內(nèi)的溫濕度檢測，工廠廠房內(nèi)不同區(qū)域的溫濕度控制以及大面積的溫室培養(yǎng)等功能。本次課程設計的完成，讓我結(jié)道，在以后的工作中，還可以繼續(xù)從以下幾個方面著手，進行研究和改良：1、減少節(jié)點的能量消耗。在無線傳感網(wǎng)絡中某個節(jié)點失效，不會導致整個網(wǎng)絡癱瘓，減少節(jié)點的能量消耗是不可防止要面對的問題之一。2、減少路由發(fā)現(xiàn)過程中的開銷。這其實也是減少節(jié)點的能量消耗的一種措施，盡量減少在路由發(fā)現(xiàn)過程中所損失的能量。3、路由選擇。路由優(yōu)化選擇可以盡量防止不必要的路由請求的播送以及信息傳輸，做到這一點不僅可以提高效率，也可以在減少能量消耗方面做出奉獻。五、致謝這次課程設計，給我留下了很深的印象。雖然只是短暫的兩周，但在這期間，卻讓我受益匪淺。通過這次課程設計，使我對嵌入式系統(tǒng)有了全面的認識，對課本的知識又有了深刻的理解，在之前嵌入式系統(tǒng)的學習以及完成課后的作業(yè)的過程中，對其有了一些根底的了解和認識。本次經(jīng)過兩周的課程設計，讓我對嵌入式系統(tǒng)有了更深的理解，我把課上的理論知識運用到實際中去，讓我更近一步地穩(wěn)固了課堂上所學的理論知識，并能很好地理解與掌握嵌入式系統(tǒng)中的根本概念、根本原理、根本分析方法。在課設中，最常說的就是CC2530的Zigbee協(xié)議棧，以及如何來實現(xiàn)程序的調(diào)試，通過一次次的調(diào)試明白了很多實際中需要注意的操作等問題。在通過老師和同學的幫助下，我們完成了這樣的操作，這讓我再次感受到，在設計過程中，就是不斷發(fā)現(xiàn)問題，不斷糾正錯誤，不斷提高的過程，和大家在一起通過討論得出答案，這個過程給我們帶來的收獲。總的來說，通過這次課程設計使我了解了嵌入式系統(tǒng)的設計原理，設計步驟等方面有了了解。提高了分析和實踐能力。同時我相信，進一步加強對嵌入式系統(tǒng)的學習與研究對我今后的學習將會起到很大的幫助！在此要特別感謝我的指導老師的指導與催促，同時感謝他的諒解與包容。求學歷程是艱苦的，但又是快樂的。本文參考了大量的文獻資料，在此，向各學術(shù)界的前輩們致敬！六、參考文獻[1]孫利民《無線傳感器網(wǎng)絡》.清華大學出版社.2005.[2]張拓.無線多點溫度采集系統(tǒng)的設計.武漢：武漢理工大學，2023.[3]陳旭.基于zigbee的可移動溫度采集系統(tǒng).武漢：武漢科技大學，2023[3]雷純《基于ZigBee的多點溫度采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn)》.自動化技術(shù)與應用.2023，29〔2〕43～47.[5]王翠茹《基于ZigBee技術(shù)的溫度采集傳輸系統(tǒng)》.儀表技術(shù)與傳感器.2023.No.7.103～105.[6]景軍鋒《基于ZigBee技術(shù)的無線溫度采集系統(tǒng)》.微型機與應用.2023.No.23.33～35.[7]《Zigbee協(xié)議棧中文說明》.[8]《IAR使用指南》.周立功單片機.[9]《Zigbee技術(shù)實用手冊》.西安達泰電子.[10]《IAR安裝與使用》.成都無線龍通訊科技.七、附錄核心程序代碼void

main()

{

int

tempera;//定義溫度變量inthumidity;//定義適度變量char

s[16];

UINT8

adc0_value[2];float

num

=

0;

SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRYSTAL);//設置系統(tǒng)時鐘源為32MHz晶體振蕩器GUI_Init();//GUI初始化GUI_SetColor(1,0);//顯示色為亮點，背景色為暗點GUI_PutString5_7(25,6,"OURS-CC2530");//顯示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);//讀取溫度和濕度spr