基于蓝牙cc2540和WiFi通信技术的云端智能空调加湿器控制系统.docx

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基于蓝牙cc2540和WiFi通信技术的云端智能空调加湿器控制系统

《物联网技术》实验报告

专业

物联网工程

班级

物联网18-1

学号

姓名

指导教师

完成时间

2021.06.19

摘要

随着无线通信系统和片上网络等技术的发展，无线传感器网络已成为21世纪对世界影响最大的技术之一。

在物联网发展的大背景下，无线传感网由于其固有的特性和优点成为了物联网感知物体信息、获取信息来源的首选。

为了实现对多种物联网无线传感网络使用环境的覆盖、

无线传感器网络具有自组织的智能特性，但也面临着扩展性、能效和安全等方面的问题。

无线传感器网络（WSN，WirelessSensorNetworks）是由部署在监测区域内的大量微型传感器节点组成，是采用无线通信的方式形成的一个多跳自组织网络系统，能够通过集成化的微型传感器，协同地实时监测、感知、采集和处理网络覆盖区域中各种感知对象的信息，并对信息资料进行处理，再通过无线通信方式发送，并以自组多跳网络方式传送给信息用户，以此实现数据收集、目标跟踪以及报警监控等各种功能。

在如今的智慧家庭中，无线传感器网络的使用越来越多，特别是智能家居方面，节点中嵌入传感器，实现家庭中数据的实时汇报和上传，云端实现控制家电的开启和关闭。

关键词：

wifi通信、温湿度传感器、云端警报、云端控制、蓝牙通信

Abstract

Withthedevelopmentofwirelesscommunicationsystemandnetworkonchip,wirelesssensornetworkhasbecomeoneofthemostinfluentialtechnologiesinthe21stcentury.

InthecontextofthedevelopmentoftheInternetofthings,wirelesssensornetworkhasbecomethefirstchoicefortheInternetofthingstosenseobjectinformationandobtaininformationsourcesbecauseofitsinherentcharacteristicsandadvantages.InordertoachievethecoverageofavarietyofInternetofthingswirelesssensornetworkenvironment

Wirelesssensornetworkshavethecharacteristicsofself-organizingintelligence,buttheyalsofacetheproblemsofscalability,energyefficiencyandsecurity.Wirelesssensornetworks（WSN）iscomposedofalargenumberofmicrosensornodesdeployedinthemonitoringarea.Itisamultihopself-organizingnetworksystemformedbywirelesscommunication.Itcanmonitor,perceive,collectandprocesstheinformationofvarioussensingobjectsinthenetworkcoverageareainrealtimethroughintegratedmicrosensors,Andtheinformationisprocessed,andthensentbywirelesscommunication,andsenttoinformationusersbyself-organizingmultihopnetwork,soastoachievedatacollection,targettracking,alarmmonitoringandotherfunctions.

Intoday'ssmarthome,moreandmorewirelesssensornetworksareused,especiallyinsmarthome.Sensorsareembeddedinnodestorealizereal-timedatareportinganduploadinginthehome,andthecloudcancontroltheopeningandclosingofhomeappliances.

Keywords:

WiFicommunication,temperatureandhumiditysensor,cloudalarm,cloudcontrol,Bluetoothcommunication

第一章项目需求分析

1.1项目的需求分析

随着科技的发展，传感器模块的使用越来越普遍，越来越多的家用电器都接入了云端，云端的远程设备控制有很多场景可以使用如：

家居风扇控制、家居环境灯光控制、家居智能电饭煲控制等。

针对于控制节点，其主要的关注点还是要了解控制节点对设备控制是否有效，以及控制结果。

在生活中，智能家居可实现云端收集家庭环境值，和云端控电器。

根据生活需求，家庭中的温湿度和空调以及加湿器有着相关的联系，本项目通过温湿度传感器采集环境相关值，上传到云端，结合云端上传控制继电器模拟控制空调和洗衣机。

根据以上的需求分析，致力于实现温湿度和家庭中空调及加湿器的控制，智能家居系统的主要功能需求为：

1）云端查看环境的温湿度值

2）远程设备对节点发送控制指令，节点实时响应并执行操作。

如控制空调的开启或关闭和加湿器的开启或关闭。

3）远程节点发送查询指令后，节点实时响应并反馈设备状态。

第二章设计与实现

2.1项目的主体架构

家庭温湿度智能控制系统，分为两大主要功能模块（温湿度采集模块，智能家居控制模块）。

每个模块负责不同的功能，如数据采集，控制指令，上传云端的实现。

2.2温湿度功能的设计与实现

1、温湿度预警功能的功能逻辑事件归纳如下：

1）节点每20s循环上报一次温湿度数据到网关。

4）当监测到查询信息时节点能够响应指令并反馈安全信息。

2、家庭温湿度采集硬件框图设计。

温湿度检测使用了外接传感器，外接传感器使用的是DHTU21D，通过IIC总线与CC2540BLE芯片进行通信。

温湿度采集系统硬件结构

3、硬件电路设计。

DHTU21D传感器采用IIC总线，其中SCL连接到CC2540单片机的P0_0端口，SDA连接CC2540单片机的P0_1端口。

温湿度传感器硬件设置

4、温湿度预警功能的流程图

1）首先cc2540连接网关，入网成功后获取温湿度传感器的值；

2）接着把温湿度和预警信息上传到网关。

4）如接收到网关传过来的查询指令，则获取温度值，并把结果回传给网关。

2.3智能家居控制功能的设计与实现

1、空调和加湿器控制的功能逻辑事件归纳如下：

1）节点入网后，每隔20s上行上传一次继电器状态数值。

2）网关对控制节点发送控制指令，节点实时响应并执行操作。

3）网关向控制节点发送查询指令后，节点实时响应并反馈设备状态。

2、空调、加湿器控制系统硬件框图设计如下，CC3200通过IO引脚来控制继电器，从而达到控制空调和加湿器的开启和关闭。

系统硬件结构

3、继电器原理如下图所示。

继电器控制原理图

4、设计空调、加湿器控制系统协议

通过继电器模拟实现空调和加湿器的控制，其中节点和网关采用类josn格式的通信协议（{[参数]=[值],{[参数]=[值],……}），具体如下：

控制协议

5、空调、加湿器控制功能的流程图如下，首先模块通过wifi连接网关，入网成功后，每隔20秒上报一次数据到网关，如收到控制指令，则解析控制的指令值，并根据值控制相应的继电器。

如收到查询指令，则返回马上回传各个继电器的状态。

空调、加湿器控制流程图

第三章：

软件平台

一、IARFor8051

软件开发环境，用于开发编写节点的程序，和节点的程序调试等。

图3.1

二、SmartRFProgram

刷机工具，把程序烧录到蓝牙模块中。

图3.2

三、ccsuniflash

用于把程序下载到wifi模块中。

四、xLabTools串口调试工具

图3.4

五、ZCloudTools工具：

1）当ZigBee设备组网成功，并且正确设置智能网关将数据连接到云端，此时可以通过ZCloudTools

工具抓取和调试应用层数据。

（ZCloudTools包含android和windows两个版本）

2）ZCloudTools可查看网络拓扑图，了解设备组网状态。

3）ZCloudTools可查看网络数据包，并支持下行发送控制命令：

图3.5

第四章：

硬件平台

一、xLab硬件平台

xLab未来实验平台是《物联网短距离无线通信技术》课程的推荐实验平台，主要由感知层单元、传感网单元、智能网关单元构成。

实验平台

二、硬件单元

1、采集类传感器包括：

温湿度、光强、空气质量、气压高度、三轴（○4）、距离、继电器、语音识别、传感器端子。

采集类传感器

2、控制类传感器包括：

风扇、步进电机、蜂鸣器、LED、RGB、继电器、传感器端子、功能跳线。

控制类传感器

3、传感网单元：

ZXBeeLiteB经典型无线节点采用无线模组作为MCU主控，板载信号指示灯：

电源、电池、网络、数据，两路功能按键，板载集成锂电池接口，集成电源管理芯片，支持电池的充电管理和电量测量；板载USB串口，Ti仿真器接口，ARM仿真器接口。

蓝牙模块

3、智能网关单元：

Cortex-A9/Cortex-A53Android智能网关（三星S5P4418/S5P6818处理器），外设：

3G/4G、GPS/BDS、WiFi、蓝牙、摄像头、NFC…。

网关模块

三、本次使用到的模块

第五章云端平台的使用

1、网关连接云端

1、网关的功能逻辑事件归纳如下：

1）网关中开启蓝牙和wifi热点，其他节点可通过蓝牙或wifi的方式连接到该网关中。

2）网关连接网络，网关可以连接到网络，实现云端和网关的交互。

3）网关实现数据的上云，网关接收各个节点的数据，并实现数据转发到云端。

4）云端数据的转发，把云端发送到网关的数据，按地址分发到相应的节点。

2、网关连接网络的实现

1）在电脑端接入无线网卡，实现电脑端的上网。

2）在电脑端设置，无线网络共享到以太网，实现以太网和无线网卡的网络共享。

3）通过网线，把电脑端的以太网接口和网关的以太网接口进行连接，连接如下图。

4）验证网关是否可以接入以太网，在网关中成功打开XX的网页，如图1

图5.1

3、配置wifi热点和蓝牙，如图2

图5.2

4、网关连接云端，在网关中开启远程连接，如图3。

图5.3

5、登录智云物联应用网站。

并实现注册。

6、登录进入到应用项目后台，可对应用项目进行配置（图5.5）。

7、新添加一个控制设备（图5.6）：

图5.6

8、对执行设备进行控制（图5.7）：

图5.7

第六章成果照片

1、采集类连接图

图6.1

2、控制类连接图

图6.2

3、整体连接图

图6.3

4、配置网关连接采集类传感器和控制类传感器

图6.4

5、网关中查看连接的拓扑图。

图6.5

6、云端接收到的数据（温湿度值和家居电器状态）。

图6.6

7、查询温湿度信息。

图6.7

8、云端发送控制指令（图6.8.1），开启加湿器图（6.8.2）。

图6.8.1

图6.8.2

9、云端发送控制指令（图6.9.1），开启空调（图6.9.2）。

图6.9.1

图6.9.2

10、云端发送控制执行（图10.1.1），开启空调和加湿器（图10.1.2）

图10.1.1

图10.1.2

第七章小结

在本次实训中，遇到了许多问题，例如：

同时打开IAR和FlashPromgrammer工具时，FlashPromgrammer工具烧录程序会出现错误，后从实验手册中发现，IAR处于调试状态时，仿真器处于占用状态，此时使用FlashPromgrammer工具烧写程序时会出错，需要先将IAR从调试状态停止后才能使用。

连接蓝牙时不知道，连接一直失败，在分析了实验手册后，通过pc的串口连接到蓝牙模块，实现查询模块的地址，然后在网关中匹配相应的地址，并刷新等待，最终解决问题。

在使用wifi模块时，程序中修改了相应接入点名称等但无法连接，最终采用和蓝牙一样的解决方法，通过上位机的设置，实现配置。

网关接入互联网的实现过程中，由于wifi模块需要接入点，但网关的热点和wifi不可同时开启，故需要外接网络，在本次实验中，通过和小组成员一起探讨接入问题，最终在大胆的尝试后，通过pc端作为桥接，实现两个网卡间的网络共享，从而实现了接入互联网。

在本次实验中，我学会了蓝牙和wifi模块的基本使用，通过实训的过程，也了解了其中传感器和主控间的通信方式，iic协议的原理等。

代码运行过程中的逻辑关系以及调试等都有了更加深刻的认知。

在本次实训中收获颇多。