基于嵌入式的室内环境信息采集系统设计docx.docx

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实践教学

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*********学院

2013年秋季学期

嵌入式系统课程设计

题目：

基于嵌入式的室内环境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：

学号：

指导教师：

成绩：

基于嵌入式的室内环境信息采集控制演示系统设计

摘要

基于嵌入式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。

IEEES02．15．4／ZigBee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：

嵌入式、信息采集、ZIGBEE、串口通信

前言

嵌入式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，功耗有严格要求的专用计算机系统[1]。

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；随着嵌入式技术的发展，为环境环境检测提供了更进一步的保障。

基于嵌入式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、压力等嵌入式传感器模块，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，以嵌入式技术为基础，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。

系统分析及其设计

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、系统方案设计

1、系统设计需求

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GSM／GPRS）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）时间和丢包重传。

2、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IEEE802.15.4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

通过对比以上两种方案开发的难易程度、开发周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[2]，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GSM／GPRS）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。

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PC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

2.2无线节点模块

2.3温湿度采集模块

3、温湿度监测芯片说明

3.1SHT10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[3]，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2.4~5.5V。

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。

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：

10kΩ）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。

3．1.5、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：

10kΩ）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。

3.1.7、测量时序（RH和T）

发布一组测量命令（‘00000101’表示相对湿度RH，‘00000011’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。

SHTxx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，SHTxx自动转入休眠模式。

3.1.8、通讯复位时序

如果与SHTxx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。

通讯复位时序图

4、CC2530说明

4.1、简介

CC2530是用于2.4-GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。

它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。

CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8-KBRAM和许多其它强大的功能。

CC2530有四种不同的闪存版本：

CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。

CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。

运行模式之