基于物聯(lián)網(wǎng)的信息采集系統(tǒng)(農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)測)

1、實(shí)踐教學(xué)蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院2014年春季學(xué)期物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用實(shí)踐課程設(shè)計(jì)題目：基于物聯(lián)網(wǎng)的信息采集系統(tǒng)（農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)測）專業(yè)班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：成績：摘要當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)跟現(xiàn)代通信技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展使得ZigBee無線通信技術(shù)日漸成熟，本系統(tǒng)組建了基于ZigBee200PRO協(xié)議的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，采用了新型低功耗傳感器SHT10進(jìn)行溫濕度信息采集，同時(shí)對(duì)終端節(jié)進(jìn)行了進(jìn)一步設(shè)計(jì)，使得終端節(jié)點(diǎn)可以自主發(fā)現(xiàn)和加入網(wǎng)絡(luò)并綁定，隨即將實(shí)時(shí)監(jiān)測到的農(nóng)業(yè)溫室溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)。結(jié)合ZigBee2007/PRO協(xié)議的特點(diǎn)和當(dāng)今市場對(duì)環(huán)境監(jiān)控的要求，設(shè)計(jì)了基于CC2530的ZigBee200PR

2、O協(xié)議的無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，并通過“物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)OURS-IOTV2-2530”對(duì)其中的關(guān)鍵部分進(jìn)行了可行性分析。關(guān)鍵字：ZigBee200PRO,溫濕度監(jiān)控，CC2530目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 第1章前言11.1課題的背景11.2課題的目的及意義11.3國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀21.4本文研究內(nèi)容21.5總體方案設(shè)計(jì)2 HYPERLINK l bookmark10 第2章ZigBee簡介3 HYPERLINK l bookmark12 2.1ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)3 HYPERLINK l bookmark22 2.2ZigBee的主要特點(diǎn)5

3、 HYPERLINK l bookmark24 第3章農(nóng)業(yè)大棚溫濕度檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)7 HYPERLINK l bookmark26 3.1CC2530單片機(jī)簡介7 HYPERLINK l bookmark30 3.2SH10溫濕度傳感器簡介83.3光照強(qiáng)度采集傳感器簡介113.4硬件設(shè)計(jì)總結(jié)11第4章Z-stack協(xié)議?？傮w流程114.1終端傳感器節(jié)點(diǎn)部分軟件設(shè)計(jì)11 HYPERLINK l bookmark36 4.2協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)12 HYPERLINK l bookmark38 第5章應(yīng)用層詳細(xì)軟件設(shè)計(jì)134.1主程序設(shè)計(jì)13 HYPERLINK l bookmark40 4.2L

4、CD模塊顯示模塊設(shè)計(jì)14 HYPERLINK l bookmark42 4.3溫濕度采集模塊設(shè)計(jì)154.4AIN0通道采樣模塊設(shè)計(jì)17 HYPERLINK l bookmark44 第6章總結(jié)與展望17 HYPERLINK l bookmark46 5.1總結(jié)17 HYPERLINK l bookmark48 5.2展望18 HYPERLINK l bookmark50 參考文獻(xiàn)18 HYPERLINK l bookmark52 致謝18 HYPERLINK l bookmark54 附錄-1-第 頁共27頁第 頁共27頁第1章前言1.1課題的背景隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人類要求的提高，環(huán)境條件

5、的溫濕度指標(biāo)已成為許多工作場合的重要參數(shù)，尤其是環(huán)境中的溫濕度，溫度和濕度的變化直接影響著人們的日程生活。溫濕度的過高或過低都會(huì)影響不同事物的變化，所以有必要測量和控制環(huán)境的溫濕度，不同的環(huán)境對(duì)溫濕度的要求各不相同。因此按照各種不同的要求來測量和控制一些信息，是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢。無論是在工業(yè)，農(nóng)業(yè)，軍事及氣象預(yù)報(bào)領(lǐng)域，還是人類生活的環(huán)境中，我們都需要對(duì)溫度和濕度的環(huán)境進(jìn)行測量和控制，尤其是要實(shí)現(xiàn)大環(huán)境中的溫濕度測量和自動(dòng)控制，采用有線網(wǎng)絡(luò)的方案實(shí)現(xiàn)不僅會(huì)帶來高昂的成本問題，而且還存在大量未知因素。因此，研制可靠且使用的溫濕度測量裝置顯得非常重要。通過ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度采集器的無線控

6、制，解決了溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)階段人工采集、效率低下和數(shù)據(jù)采集存在盲區(qū)等問題，可全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控溫農(nóng)業(yè)大棚的空氣溫濕度等信息，實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境采集的無線通訊，所構(gòu)建控制系統(tǒng)具有低功耗、低成本，開發(fā)方便，易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，而且通過手持讀寫器進(jìn)行控制給人們帶來了便利。因?yàn)閆igBee的簡單易用的特點(diǎn)，使得該系統(tǒng)可以進(jìn)一步擴(kuò)展到采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程無線控制。溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)未來的研究應(yīng)側(cè)重于節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性，進(jìn)一步提高基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境采集系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化程度，使之滿足實(shí)際環(huán)境應(yīng)用的需求。1.2課題的目的及意義由于應(yīng)用的場合不同監(jiān)測對(duì)象的不同，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)也是千差萬別。在實(shí)際生活中此類系統(tǒng)有著廣泛的

7、應(yīng)用，農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境檢測系統(tǒng)中溫度和濕度是兩個(gè)重要的顯示和分析指標(biāo)，必須定期抽樣檢查農(nóng)業(yè)環(huán)境溫度和濕度，以便采取相應(yīng)的措施。CC2530是常用的電路板，在智能儀器儀表、工業(yè)檢測控制、機(jī)電一體化等方面取得了令人矚目的成果，用其作為溫濕度檢測控制系統(tǒng)的實(shí)例也很多。使用CC2530電路板能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度全程的自動(dòng)檢測與控制，而且CC2530電路板具有易于學(xué)習(xí)、掌握，性價(jià)比高。使用CC2530電路板設(shè)計(jì)溫濕度檢測控制系統(tǒng)，可以及時(shí)、精確的反映農(nóng)業(yè)大棚的溫度以及濕度的變化。完成諸如升溫到特定溫度、降溫到特定溫度、在溫度上下限范圍內(nèi)保持恒溫等多種控制方式，在濕度控制方面也是如此。ZigBee是一種高可靠的無線

8、數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。DHT10數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。1.3國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀目前國內(nèi)外的溫濕度檢測使用的溫濕度檢測元件種類繁多、應(yīng)用范圍也較廣泛加之大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠性的單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。基于CC2530的溫濕度監(jiān)測控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究已經(jīng)日趨成熟。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)自己的生活環(huán)境越來越嚴(yán)格。特別在大棚中，對(duì)溫濕度要求更為嚴(yán)格?；贑C2530的溫濕度監(jiān)測控制統(tǒng)設(shè)計(jì)，將對(duì)環(huán)境的溫濕度監(jiān)測控制系統(tǒng)做詳細(xì)的設(shè)計(jì)

9、與實(shí)現(xiàn)。采用高性能的控制芯片CC2530，高精度數(shù)字溫濕度傳感器DHT10,方便快捷的ZigBee傳輸。將此系統(tǒng)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)大棚當(dāng)中無疑為生活提供了更加適宜的環(huán)境符合人們的生活環(huán)境要求，具有良好的發(fā)展前景。1.4本文研究內(nèi)容本文設(shè)計(jì)的是基于Zstack的無線溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在ZigBee200PRO協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)及通信。即協(xié)調(diào)器自動(dòng)組網(wǎng)，終端節(jié)點(diǎn)（附帶溫濕度傳感器）自動(dòng)入網(wǎng)，并采集溫濕度數(shù)據(jù)廣播傳輸，協(xié)調(diào)器接收到信息后將溫濕度數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給智能主板顯示。以此實(shí)現(xiàn)基于ZStack協(xié)議棧的溫濕度數(shù)據(jù)的無線透明傳輸。第一章：主要說明溫濕度檢測的意義及本文基本結(jié)構(gòu)；第二章：簡單的介

10、紹了ZigBee，并且引出詳細(xì)設(shè)計(jì)；第三章：詳述本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)；第四章：簡述Z-Stack協(xié)議?？傮w流程；第五章：詳述應(yīng)用層的核心設(shè)計(jì)；第六章：總結(jié)本文研究工作以及在研究方面存在的不足，提出了進(jìn)一步研究的展望。1.5總體方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)使用CC2530讀取溫濕度傳感器SHT10的溫度和濕度數(shù)據(jù)，并通過ADC得到光照傳感器的數(shù)據(jù)。然后將采樣到的數(shù)據(jù)通過RS232串口總線傳輸?shù)街悄苤靼迳厦?，通過液晶屏顯示出來，進(jìn)而設(shè)計(jì)并構(gòu)建系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，完成農(nóng)業(yè)大棚溫濕度信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)有溫濕度信號(hào)采集、顯示、傳輸?shù)裙δ?。本章具體的說明了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的內(nèi)容，通過模塊化的設(shè)計(jì)思想，把一個(gè)復(fù)雜的單

11、片機(jī)系統(tǒng)按照功能劃分成單獨(dú)的電路模型，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后在集成到一起。這種方法對(duì)于設(shè)計(jì)復(fù)雜的單片機(jī)系統(tǒng)很有效，大大提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量。第2章ZigBee簡介ZigBee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。IEEE802.15.4是IEEE針對(duì)低速率無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(low-ratewirelesspersonalareanetworksLR-WPAN)制定的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點(diǎn)目標(biāo)，旨在為個(gè)人或者家庭內(nèi)不同設(shè)備之間低速率無線互連提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)的特征與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有很多相似之處，很多研究機(jī)構(gòu)把它作為無線傳感器網(wǎng)路的通

12、信標(biāo)準(zhǔn)。因此ZigBee主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。2.1ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)ZigBee協(xié)議棧建立在IEEE802.154的PHY層和MAC子層規(guī)范之上。它實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)層(networklayer,NWK)和應(yīng)用層(applicationlayer,APL)。在應(yīng)用層內(nèi)提供了應(yīng)用支持子層(applicationsupportsublayer,APS)和ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZigBeeDeviceObject,ZDO)。應(yīng)用框架中則加入了用戶自定義的應(yīng)用對(duì)象ZigBee的體系結(jié)構(gòu)由稱為層的各模塊組成。每一層為其上層提供特定的服務(wù)：即由數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；

13、管理實(shí)體提供所有的其他管理服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過相應(yīng)的服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)為其上層提供一個(gè)接口，每個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)通過服務(wù)原語來完成所對(duì)應(yīng)的功能。ZigBee協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)如下圖所示：21）睹理應(yīng)用對(duì)象應(yīng)用層（APLJ應(yīng)用支持子層（APS）網(wǎng)絡(luò)層（NWK）安全服務(wù)提供層（SSF）介質(zhì)訪問控制層（MAG）物理層(PHY)2450MHzPHY層-868/915MHZ物理層（PHY）物理層定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層內(nèi)容主要有：1）ZigBee的激活；2）當(dāng)前信道的能量檢測；3）接收鏈路服務(wù)質(zhì)量信息；4）ZigBee信道接入方式；5）信道頻率選擇；

14、6）數(shù)據(jù)傳輸和接收。介質(zhì)接入控制子層（MAC）MAC層負(fù)責(zé)處理所有的物理無線信道訪問，并產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信號(hào)、同步信號(hào)；支持PAN連接和分離，提供兩個(gè)對(duì)等MAC實(shí)體之間可靠的鏈路。MAC層的主要功能有：1）網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生信標(biāo)；2）與信標(biāo)同步；3）支持PAN（個(gè)域網(wǎng)）鏈路的建立和斷開；4）為設(shè)備的安全性提供支持；5）信道接入方式采用免沖突載波檢測多址接入（CSMA-CA）機(jī)制；6）處理和維護(hù)保護(hù)時(shí)隙（GTS）機(jī)制；7）在兩個(gè)對(duì)等的MAC實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的通信鏈路。網(wǎng)絡(luò)層（NWK）ZigBee協(xié)議棧的核心部分在網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)加入或離開網(wǎng)絡(luò)接收或拋棄其他節(jié)點(diǎn)、路由查找及傳送等功能。網(wǎng)絡(luò)層功能

15、有1）網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)；2）網(wǎng)絡(luò)形成；3）允許設(shè)備連接；4）路由初始化；5）設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)連接；6）直接將設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)連接；7）斷開網(wǎng)絡(luò)連接;8）重復(fù)復(fù)位設(shè)備；9）接收機(jī)同步；10）信息庫維護(hù)；應(yīng)用層（APL）ZigBee應(yīng)用層框架包括應(yīng)用支持層（APS）、ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）和制造商所定義的應(yīng)用對(duì)象。應(yīng)用支持層的功能包括：維持綁定表、在綁定的設(shè)備之間傳送消息。ZigBee設(shè)備對(duì)象第4頁共27頁的功能包括:定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色(如ZigBee協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備)，發(fā)起和響應(yīng)綁定請(qǐng)求，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全機(jī)制。ZigBee設(shè)備對(duì)象還負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，并且決定向他們提供何種應(yīng)用服務(wù)oZigBee

16、應(yīng)用層除了提供一些必要函數(shù)以及為網(wǎng)絡(luò)層提供合適的服務(wù)接口外，一個(gè)重要的功能是應(yīng)用者可在這層定義自己的應(yīng)用對(duì)象。應(yīng)用程序框架(AF)運(yùn)行在ZigBee協(xié)議棧上的應(yīng)用程序?qū)嶋H上就是廠商自定義的應(yīng)用對(duì)象，并且遵循規(guī)范(profile)運(yùn)行在端點(diǎn)1240上。在ZigBee應(yīng)用中，提供鍵值對(duì)(KVP)或報(bào)文(MSG)2種標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)類型。ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)的功能包括負(fù)責(zé)定義網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的角色，如：協(xié)調(diào)器或者終端設(shè)備，還包括對(duì)綁定請(qǐng)求的初始化或者響應(yīng)，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全聯(lián)系等。實(shí)現(xiàn)這些功能,ZDO使用APS層的APSDE-SAP和網(wǎng)絡(luò)層的NLME-SAP。ZDO是特

17、殊的應(yīng)用對(duì)象，它在端點(diǎn)(entire)O上實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)程設(shè)備通過ZDO請(qǐng)求描述符信息，接收到這些請(qǐng)求時(shí)，ZDO會(huì)調(diào)用配置對(duì)象獲取相應(yīng)描述符值。2.2ZigBee的主要特點(diǎn)工作頻段和數(shù)據(jù)速率IEEE802.15.4工作在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，它定義了兩種物理層，即2.4GHz頻段和868/915MHz頻段物理層。免許可證的2.4GHzISM頻段全世界都有，而868MHz和915MHz的ISM頻段分別只在歐洲和北美有。2.4GHz的物理層通過采用高階調(diào)制技術(shù)有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時(shí)延和更短的工作周期，從而更加省電。由于868MHz和915MHz這兩個(gè)頻段上無線信號(hào)傳播損耗較小，因此可

18、以降低對(duì)接收機(jī)靈敏度的要求，獲得較遠(yuǎn)的有效通信距離，從而可以用較少的設(shè)備覆蓋給定的區(qū)域?，F(xiàn)在市場上應(yīng)用大多數(shù)是2.4GHz頻段。支持簡單器件ZigBee低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)使它非常適宜支持簡單器件。在IEEE802.154中定義了14個(gè)物理層基本參數(shù)和35個(gè)媒體接入控制層基本參數(shù)，總共為49個(gè)，僅為藍(lán)牙的1/3o這使它非常適用于存儲(chǔ)能力和計(jì)算能力有限的簡單器件。在IEEE802.15.4中定義了兩種器件：全功能器件(FFD)和簡化功能器件(RFD)。對(duì)全功能器件，要求它支持所有的49個(gè)基本參數(shù)。而對(duì)簡化功能器件，在最小配置時(shí)只要求它支持38個(gè)基本參數(shù)。一個(gè)全功能器件可以與簡化功能器

19、件和其他全功能器件通話，可以按三種方式工作，第5頁共27頁第 頁共27頁第 頁共27頁即用做個(gè)人域網(wǎng)協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器或器件。而簡化功能器件只能與全功能器件通話，僅用于非常簡單的應(yīng)用。信標(biāo)方式和超幀結(jié)構(gòu)IEEE802.154網(wǎng)可以工作于信標(biāo)使能方式或非信標(biāo)使能方式。在信標(biāo)使能方式中，協(xié)調(diào)器定期廣播信標(biāo)，以達(dá)到相關(guān)器件同步及其他目的。在非信標(biāo)使能方式中，協(xié)調(diào)器不定期地廣播信標(biāo)，而是在器件請(qǐng)求信標(biāo)時(shí)向它單播信標(biāo)。在信標(biāo)使能方式中使用超幀結(jié)構(gòu)，超幀結(jié)構(gòu)的格式由協(xié)調(diào)器來定義，一般包括工作部分和任選的不工作部分。數(shù)據(jù)傳輸和低功耗在IEEE802154中，有三種不同的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移：從器件到協(xié)調(diào)器；從協(xié)調(diào)器到器件；

20、在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中從一方到另一方。為了突出低功耗的特點(diǎn)，把數(shù)據(jù)傳輸一般分為直接數(shù)據(jù)傳輸、間接數(shù)據(jù)傳輸、有保證時(shí)隙(GTS)數(shù)據(jù)傳輸三種方式。同時(shí)低功耗是IEEE802.15.4最重要的特點(diǎn)。在IEEE802.15.4的數(shù)據(jù)傳輸過程中引入了幾種延長器件電池壽命或節(jié)省功率的機(jī)制多數(shù)是基于信標(biāo)使能的方式，主要是限制器件或協(xié)調(diào)器之收發(fā)信機(jī)的開通時(shí)間，或者在無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)使它們處于休眠狀態(tài)。安全性安全性是IEEE802.15.4的另一個(gè)重要問題。為了提供靈活性和支持簡單器件，IEEE802.15.4在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級(jí)安全性。第一級(jí)實(shí)際是無安全性方式，對(duì)于某種應(yīng)用，如果安全性并不重要或者上層已經(jīng)提供足夠的安全

21、保護(hù)，器件就可以選擇這種方式來轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。對(duì)于第二級(jí)安全性，器件可以使用接人控制清單ACL)來防止非法器件獲取數(shù)據(jù)，在這一級(jí)不采取加密措施。第三級(jí)安全性在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中采用屬于高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)的對(duì)稱密碼。AES可以用來保護(hù)數(shù)據(jù)凈荷和防止攻擊者冒充合法器件，但它不能防止攻擊者在通信雙方交換密鑰時(shí)通過竊聽來截取對(duì)稱密鑰。為了防止這種攻擊，可以采用公鑰加密。自配置IEEE802.15.4在媒體接人控制層中加入了關(guān)聯(lián)和分離功能，以達(dá)到支持自配置的目的。自配置不僅能自動(dòng)建立起一個(gè)星形網(wǎng)，而且還允許創(chuàng)建自配置的對(duì)等網(wǎng)。在關(guān)聯(lián)過程中可以實(shí)現(xiàn)各種配置，例如為個(gè)人域網(wǎng)選擇信道和識(shí)別符(ID),為器件指配16位短

22、地址，設(shè)定電池壽命延長選項(xiàng)等。第3章農(nóng)業(yè)大棚溫濕度檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1CC2530單片機(jī)簡介隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)因具有集成度高、體積小、速度快、價(jià)格低等特點(diǎn)而在許多領(lǐng)域如過程控制、數(shù)據(jù)采集、機(jī)電一體化、智能化儀表、家用電器以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面得到廣泛應(yīng)用，從而使這些領(lǐng)域的技術(shù)水平、自動(dòng)化程度大大提高。根據(jù)上述幾方面及本課題的實(shí)際情況，單片機(jī)型號(hào)的選擇主要從以下兩點(diǎn)考慮：一是要有較強(qiáng)的抗干擾能力。由于一般農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境較自然環(huán)境而言，比較單一，因此對(duì)單片機(jī)的要求比較簡單。二是要有較高的性價(jià)比。由于MCS-51系列在我國使用最廣且該系列的資料和能夠兼容的外圍芯片也比較多，故本系統(tǒng)采用CC25

23、30作為本系統(tǒng)的核心部件。ECOSO尊Ed3d500LdnouclGMDGNDGMDGNDP1.5PWP1_3P1_2Pl_1DVDD2RBIASWOD4W/DD2RF_hlRF_fAVDD3K0SC_Q2KOSC_Q1AVDQ5*feCC2530是用于2.4GHz,IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU,系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KBRAM和許多其它強(qiáng)大的功能。擁有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/

24、256,分別具有32/64/128/256KB的閃存CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短進(jìn)一步確保了低能源消耗。它有三個(gè)不同的存儲(chǔ)器訪問總線（SFR、DATA和CODE/XDATA）,以單周期訪問SFR、DATA和主SRAM。CC2530的中斷控制器提供了18個(gè)中斷源，分為六個(gè)中斷組，每組與四個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)相關(guān)。當(dāng)設(shè)備從空閑模式回到活動(dòng)模式，也會(huì)發(fā)出一個(gè)中斷服務(wù)請(qǐng)求。一些中斷還可以從睡眠模式喚醒設(shè)備。內(nèi)存仲裁器位于系統(tǒng)中心，因?yàn)樗ㄟ^SFR總線，把CPU和DMA控制器和物理存儲(chǔ)器和所有外設(shè)連接在一起。內(nèi)存仲裁器有四個(gè)存取訪問點(diǎn)，訪問每一個(gè)可以

25、映射到三個(gè)物理存儲(chǔ)器之一：一個(gè)8-KBSRAM、一個(gè)閃存存儲(chǔ)器和一個(gè)XREG/SFR寄存器。它負(fù)責(zé)執(zhí)行仲裁，并確定同時(shí)到同一個(gè)物理存儲(chǔ)器的內(nèi)存訪問的順序。數(shù)字內(nèi)核和外設(shè)由一個(gè)1.8-V低差穩(wěn)壓器供電，同時(shí)它具有電源管理功能，可以實(shí)現(xiàn)使用不同供電模式的長電池壽命的低功耗應(yīng)用運(yùn)行。CC2530包括許多不同的外設(shè)，允許應(yīng)用程序設(shè)計(jì)者開發(fā)先進(jìn)的應(yīng)用。3.2SH10溫濕度傳感器簡介SHT10是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全標(biāo)定的數(shù)字輸出。它采用專利的CMOSens技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容性聚合體測濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上

26、，與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無縫連接。因此，該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、極高的性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進(jìn)行標(biāo)定，以鏡面冷凝式濕度計(jì)為參照。校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，在標(biāo)定的過程中使用。兩線制的串行接口與內(nèi)部的電壓調(diào)整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡單。微小的體積、極低的功耗，使其成為各類應(yīng)用的首選。產(chǎn)品提供表面貼片LCC或4針單排引腳封裝，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。1.高度集成，將溫度感測、濕度感測、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上；2提供二線數(shù)字串行接口SCK和DATA接口簡單，支持CRC傳輸校驗(yàn)傳

27、輸可靠性高；3測量精度可編程調(diào)節(jié)，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器（分辨率為812位，可以通過對(duì)芯片內(nèi)部寄存器編程來選擇）；4測量精確度高，由于同時(shí)集成溫濕度傳感器，可以提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能；封裝尺寸超?。?.62mmX5.08mmX2.5mm）重量僅為100毫克，測量和通信結(jié)束后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入低功耗模式；SHT10采用表面貼裝LCC（無鉛芯片載體）包裝方式。液晶聚合物環(huán)氧包覆外殼，標(biāo)準(zhǔn)0.8mmFR4襯底。不含鉛、鉻、汞。高可靠性，采用CMOSens工藝，測量時(shí)可將感測頭完全浸于水中3.2.1SHT10基本原理VCC-5VJ2_3/AD0J2_7/I2CSCLJ2_a!TXDJ2_H1

28、CTSI1ll徑215/LOWPCWER15xxJ21717CC-5V，dAHJ2_4/AD1IJ28I2GSPAJ21O/RXDJ2_16/INTJ220/dRESETj2_30.friRESETCOM2DSHT10內(nèi)部連線圖SHT10引腳的功能如下：腳1和4：信號(hào)地和電源，工作電壓范圍是2.45.5V；腳2和3：二線串行數(shù)字接口，DATA數(shù)據(jù)線，SCK為時(shí)鐘線；腳58：未連接。引腳結(jié)構(gòu)如下圖所示:U5VCC-3.3VJ2_8/I2C_SPAJ2和2CTCL丄234GND8DATA7SCK6VDD58765SHT1xSHT10的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理：溫濕度傳感器SHT10將溫度感測、濕度感測、

29、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示第 頁共27頁第 頁共27頁第 頁共27頁校蜃存儲(chǔ)眾數(shù)字2-接口&CRC發(fā)生麗uDt?毎-dE95%RH)環(huán)境中，加熱傳感器可預(yù)防傳感器結(jié)露，同時(shí)縮短響應(yīng)時(shí)間，提高精度。加熱后SHT10溫度升高、相對(duì)濕度降低，較加熱前，測量值會(huì)略有差異。微處理器是通過二線串行數(shù)字接口與SHT10進(jìn)行通信的。通信協(xié)議與通用的I2C總線協(xié)議是不兼容的，因此需要用通用微處理器I/O口模擬該通信時(shí)序。微處理器對(duì)SHT11的控制是通過5個(gè)5位命令代碼來實(shí)現(xiàn)的，命令代碼的含義如下表所示：SHT10控制命令代碼命令代碼000110010100111111

30、10其他含義測量溫度測量濕度讀內(nèi)部狀態(tài)寄存器復(fù)位命令，使內(nèi)部狀態(tài)寄存器恢復(fù)默認(rèn)值，下一次命令前至少等11ms保留3.3光照強(qiáng)度采集傳感器簡介本系統(tǒng)光照采集主要是通過用CC2530內(nèi)部的ADC來得到OURS-CC2530開發(fā)板上的光照傳感器輸出電壓。傳感器輸出電壓，連接到CC2530的AIN0。3.4硬件設(shè)計(jì)總結(jié)本系統(tǒng)溫濕度檢測部分選用了優(yōu)異的數(shù)字式溫濕度傳感器SHT10和CC2530模塊來搭建，終端傳感器節(jié)點(diǎn)硬件部分主要采用電源供電的方式，SHT10的2、3端口分別與CC2530ZigBee模塊的P2_8口和P2_7口連接，SHT10與CC2530之間通過I2C總線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而協(xié)調(diào)器節(jié)

31、點(diǎn)硬件部分主要使用了RS232串口電路域計(jì)算機(jī)通信，為提高測量的準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)在信號(hào)轉(zhuǎn)換的時(shí)候進(jìn)行分現(xiàn)行補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償來獲得精確的數(shù)據(jù)，在收到CRC8是確認(rèn)位后，通過保持ACK高電平來結(jié)束通訊并且自動(dòng)地進(jìn)入休眠模式。硬件流程圖如下所示：第4章Z-stack協(xié)議?？傮w流程4.1終端傳感器節(jié)點(diǎn)部分軟件設(shè)計(jì)終端傳感器節(jié)點(diǎn)開始工作后，先進(jìn)行初始化工作，分別對(duì)硬件還有協(xié)議棧進(jìn)行初始化初始化后立即搜索附近存在的無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)并發(fā)出加入請(qǐng)求，在成功加入該無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)之后進(jìn)入休眠模式等待條件中斷的產(chǎn)生，若中斷產(chǎn)生則對(duì)中斷做出判別接著做出相應(yīng)的響應(yīng)動(dòng)作?？傮w流程如下圖所示：4.2協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

32、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)同終端傳感器節(jié)點(diǎn)有點(diǎn)類似，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電后首先對(duì)硬件還有協(xié)議棧進(jìn)行初始化。初始化完成之后進(jìn)行信道搜索和并對(duì)搜索到的空閑信道進(jìn)行評(píng)估，選擇最優(yōu)信道建立ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)組建成功后檢查是否收到其他節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求或控制中心的測量命令，并對(duì)這兩種情況作出相應(yīng)的響應(yīng)動(dòng)作，而在此過程中要檢查網(wǎng)絡(luò)的地址空間是否已滿，如果地址空間已經(jīng)滿了，就轉(zhuǎn)到加入網(wǎng)絡(luò)失敗。一旦協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收到從控制中心發(fā)出的采集溫濕度數(shù)據(jù)的命令時(shí)，馬上把從終端節(jié)點(diǎn)接收的溫濕度數(shù)據(jù)信息發(fā)送給控制中心?？傮w流程如下圖所示：第5章應(yīng)用層詳細(xì)軟件設(shè)計(jì)4.1主程序設(shè)計(jì)按照本系統(tǒng)的要求，完成溫濕度的采集并且顯示到LCD,因此本程序

33、首先進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化，設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘源為32MHz晶體振蕩器，緊接著進(jìn)行LCD的初始化以及初始字符的輸出操作。當(dāng)完成上述模塊時(shí)，接下來的就進(jìn)入整個(gè)程序的核心部分，采集溫濕度，并且將采集到的數(shù)據(jù)顯示為ASCII碼，然后循環(huán)往復(fù)。4.2LCD模塊顯示模塊設(shè)計(jì)LCD模塊主要完成對(duì)采集到的數(shù)據(jù)顯示輸出的功能，因此本模塊主要完成對(duì)LCD的初始化。首先主要完成GUI的初始化，即LCM(SO12864FPD-13ASBE(3S)初始化，清屏，將顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容刷新到LCM12864的操作；接下來設(shè)置顯示色及背景色，用于ASCII字符顯示及英文字符顯示。最后完成輸出顯示5*7字體ASCII碼字符串(沒有自動(dòng)

34、換行功能)的功能，即將”O(jiān)URS-CC2530:”,”Temp”Humi:”,”Light:”幾個(gè)字符顯示到LCD上。此階段即完成了LCD模塊的初始化操作，為后面顯示溫濕度數(shù)據(jù)做好鋪墊。4.3溫濕度采集模塊設(shè)計(jì)溫濕度采集模塊是本次整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要完成溫濕度采集及顯示的工作。首先啟動(dòng)傳輸，即對(duì)SDA與SCL兩根總線進(jìn)行時(shí)序設(shè)置，使其滿足SHT10的傳輸調(diào)劑，這樣就可以讀取溫濕度傳感器SHT10中數(shù)據(jù)，并進(jìn)行簡單的校驗(yàn)，接下來進(jìn)行是否接受到數(shù)據(jù)進(jìn)行一次判斷，如果讀取成功，那么開始計(jì)算數(shù)據(jù)，如果沒有讀取成功，則通信復(fù)位。最后一步則將溫濕度結(jié)果顯示為字符串然后顯示出最后結(jié)果，這樣就完成了溫濕度采集

35、的整個(gè)流程。4.4AIN0通道采樣模塊設(shè)計(jì)本模塊主要完成光照的采集及其顯示功能，首先對(duì)AINO進(jìn)行初始化，配置ADCCON3寄存器以便在ADCC0N1.STSEL=11（復(fù)位默認(rèn)值）且ADCC0N1.ST=1時(shí)進(jìn)行單一轉(zhuǎn)換，參考電壓為AVDD_SOC引腳上的電壓，同時(shí)確定抽取率為512。第6章總結(jié)與展望5.1總結(jié)因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的體積很小，因此整個(gè)系統(tǒng)只需要部署一次，這樣可以大量節(jié)省人力物力，將更多的精力放在管理方面。2基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)的智能溫濕度采集系統(tǒng)，可全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控農(nóng)業(yè)大棚空氣溫度和濕度信息，具有實(shí)時(shí)性高、低功耗、有效范圍大、成本低、可靠性高等特點(diǎn)。3.因?yàn)榛赯-Stack協(xié)議

36、棧設(shè)計(jì)，因此大大簡化了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，更加貼近模塊化設(shè)計(jì)，開發(fā)變得更加容易。5.2展望1.本系統(tǒng)可以進(jìn)一步開發(fā)成多機(jī)監(jiān)控模式，這就能同時(shí)監(jiān)測多種環(huán)境下的溫濕度，并且通過串行通信傳到上位機(jī)進(jìn)行綜合處理。可通過網(wǎng)絡(luò)與其他家電相聯(lián)系，將把家庭中原來孤立、各不相關(guān)的設(shè)備統(tǒng)一起來，使過去只出現(xiàn)在科幻中的很多情景成為可能！3由于基于Z-Stack協(xié)議棧設(shè)計(jì)，因此本系統(tǒng)還可以基于Z-Stack協(xié)議棧進(jìn)一步的完善其功能，使之在功能更加完善，具有更強(qiáng)的實(shí)用性。參考文獻(xiàn)李文仲，段朝玉著.ZigBee200PRO協(xié)議棧實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐.北京航空航天大學(xué)出版社,2009.3石志國等著.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用.北京交通大學(xué)出版

37、社,2012.9吳大鵬等著.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用.電子工業(yè)出版社,2012.6吳洪貴，孫玉娣等著.物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā).東軟電子出版社,2012.11付蔚著，家居物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)與實(shí)踐.北京大學(xué)出版社,2013.8熊茂華，熊昕著.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用開發(fā).西安電子科技大學(xué)出版社,2012.118北京奧爾斯電子科技有限公司.物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)套件實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書2012.11郭文川基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)J.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010,4110漢華峰基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的問世環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009,25侯佳佳.基于ZigBee的問世WSN監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究D.鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)陳

38、詳.基于ZigBee協(xié)議的問世環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)J.自動(dòng)化與儀表，2007,22楊瑋基于ZigBee技術(shù)的問世無線智能控制終端開發(fā)J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010,26章偉聰，俞新武，李忠成基于CC2530及ZigBee協(xié)議棧設(shè)計(jì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)J.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2011.20李志方，鐘洪聲.CC2530的分布式無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（9）：40-42致謝感謝馬維俊老師的授課與耐心指導(dǎo)，感謝所有幫助我完成嵌入式程序設(shè)計(jì)論文的老師和同學(xué)們。在這次課程設(shè)計(jì)中老師給了我很大的幫助，幫我解答疑難問題，給我提供資料，給我提供查閱資料的信息，引導(dǎo)我該如何去思考問題，教會(huì)我

39、解決問題的方法。同時(shí)又鼓勵(lì)我自己學(xué)習(xí)，老師給我的不僅是知識(shí)，是幫助，更是學(xué)習(xí)的信心和智慧,在這里衷心感謝老師的耐心細(xì)心和一絲不茍的幫助。同時(shí)也感謝和我一起做課設(shè)的同學(xué),這是我們共同努力的結(jié)果，衷心的感謝大家對(duì)我的幫助和支持。這次課程設(shè)計(jì)讓我受益匪淺！- - -附錄/ZMain.c#includeOSAL.h#includehal_lcd.hintmain(void)osal_int_disable(INTS_ALL);HalDriverInit();/關(guān)閉所有中斷EA=0初始化芯片各個(gè)硬件模塊（包括LCD）osal_init_system();osal_int_enable(INTS_ALL)

40、;zmain_dev_info();osal_start_system();/初始化操作系統(tǒng)/使能全部中斷在液晶上顯示設(shè)備IEEE信息/NoReturnfromhere/OSAL.c/任務(wù)初始化uint8voidosalInitTasks(void)uint8taskID=0;tasksEvents=(uint16*)osal_mem_alloc(sizeof(uint16)*tasksCnt);osal_memset(tasksEvents,0,(sizeof(uint16)*tasksCnt);macTaskInit(taskID+);nwk_init(taskID+);Hal_Init(

41、taskID+);#ifdefined(MT_TASK)MT_TaskInit(taskID+);#endifAPS_Init(taskID+);#ifdefined(ZIGBEE_FRAGMENTATION)APSF_Init(taskID+);#endifZDApp_Init(taskID+);#ifdefined(ZIGBEE_FREQ_AGILITY)|defined(ZIGBEE_PANID_CONFLICT)ZDNwkMgr_Init(taskID+);#endifSampleApp_Init(taskID);*osal_msg_receive(uint8task_id)osal_

42、msg_hdr_t*listHdr;osal_msg_hdr_t*foundHdr=NULL;while(listHdr!=NULL)if(listHdr-1)-dest_id=task_id)if(foundHdr=NULL)foundHdr=listHdr;elsebreak;if(foundHdr=NULL)prevHdr=listHdr;listHdr=OSAL_MSG_NEXT(listHdr);(foundHdr!=NULL)osal_msg_extract(&osal_qHead,foundHdr,prevHdr);HAL_EXIT_CRITICAL_SECTION(intSta

43、te);return(uint8*)foundHdr);/sapi.c/應(yīng)用層任務(wù)事件處理函數(shù)UINT16SAPI_ProcessEvent(bytetask_id,UINT16events)osal_event_hdr_t*pMsg;afIncomingMSGPacket_t*pMSGpkt;afDataConfirm_t*pDataConfirm;if(events&SYS_EVENT_MSG)/系統(tǒng)消息事件pMsg=(osal_event_hdr_t*)osal_msg_receive(task_id);/獲取處理信息類型while(pMsg)switch(pMsg-event)#if(

44、SAPI_CB_FUNC)zb_HandleOsalEvent(ZB_ENTRY_EVENT);/提示用戶設(shè)備已經(jīng)啟動(dòng)，進(jìn)入建立網(wǎng)絡(luò)#endifzb_ReadConfiguration(ZCD_NV_STARTUP_OPTION,sizeof(uint8),&startoptions);/獲取網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)狀態(tài)if(startoptions&ZCD_STARTOPT_AUTO_START)/如果是自動(dòng)啟動(dòng)模式zb_StartRequest();/啟動(dòng)設(shè)備開始組網(wǎng)，建立/加入網(wǎng)絡(luò)else/HalLedBlink(HAL_LED_2,0,50,500);/閃爍指示燈return(eventsAZB_ENTRY_EVENT);if(events&(ZB