基于cc2530的环境监测系统.docx

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基于cc2530的环境监测系统

摘要

随着我国国民经济发展和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技术、控制技术、网络技术及信息技术的飞速发展，人们对于学习、生活、办公环境的安全性、舒适性要求日益增长。

单位、企业或学校的大型综合办公楼，一方面需要为工作人员提供一个高度安全、舒适、方便的内部环境，另一方面也需要利用各种现代化科技手段，最大程度的减少能源浪费，提高运行效率，及时发现和排除各种故障。

为了满足这一需求，本文设计了一套基于CC2530的无线办公环境监测系统。

该系统能实时监测办公环境内的温度、湿度、光照情况、以及人体检测，通过这些数据，可以更加合理的进行能源分配，减少浪费。

例如，在炎热的夏天，某些办公室内需要打开空调来降低室温，但25℃左右的温度就已经可以满足人们的需求，如果此时室温过低，既是对电能的浪费，又不宜于人体的健康，通过本系统就可以监测室温，有效的防止这一现象；在下班后，如果忘记关闭办公室的照明灯，根据本系统监测的光照信息，也可以及时发现。

本监测系统由基于CC2530的测量节点、中继节点、主节点和上位机组成。

CC2530是美国TI公司推出的完整的2.4GHz射频片上系统解决方案，它适合于广泛的应用。

CC2530内部集成了一个高性能的射频收发器和一个8051微处理器，有8KB的RAM，32/64/128/256KB闪存，以及其他强大的外部设备功能。

办公室内的测量节点在CC2530的基础上，配备了DB130-10数字温湿度传感器、BH1750FVI数字型光强度传感器集成电路和HC-SR501人体感应模块，通过CC2530内部的8051微处理器控制，实现环境数据的采集，并通过中继节点以无线的形式将数据最终发送给主节点。

用C语言在KeiluVision3环境下开发各节点程序，主节点与上位机连接，并基于MicrosoftVisualBasic6.0平台开发了上位机软件，用于观测环境数据。

实验表明，该系统运行稳定可靠，基本满足了对办公室内各环境参数的监测功能要求。

关键词：

办公环境，CC2530，温湿度，光照强度，人体检测

Abstract

AsChina'snationaleconomicdevelopmentandraisingthelevelofscienceand

technology,especiallycomputertechnology,communicationstechnology,therapiddevelopmentofcontroltechnology,networktechnologyandIT,thegrowingrequirementsoflife,study,officeenvironment,safety,comfort.Large-scaleintegratedunit,enterprise,ortheschooloffice,ontheonehand,theneedforstafftoprovideahighlysecure,comfortable,convenientinternalenvironment,ontheotherhand,needtouseavarietyofmodernscientificandtechnologicalmeans,thegreatestdegreeofreductionofenergywaste,improveoperationalefficient,timelydiscoverandeliminateallkindsoffailure.Tomeetthisdemand,thedesignofficesetbasedontheCC2530wirelessenvironmentalmonitoringsystem.Withintheofficeenvironmentthesystemcanreal-timemonitoringoftemperature,humidity,lightconditions,andpersonnelmonitoring,thesedatacanbemorereasonableenergydistribution,andreducewaste.Forexample,duringthehotsummer,someofficesneedtoturnonairconditioningtoreducetheroomtemperatureabout25℃temperaturetomeettheneedsofpeople,iftheroomtemperatureistoolow,notonlyawasteofelectricity,notappropriateforhumanhealthcanbemonitoredthroughthissystematroomtemperature,effectivetopreventthisphenomenon;inafterwork,ifyouforgettoturnoffofficelights,light

informationaccordingtothemonitoringofthissystem,itcanbeimmediately

identified.ThemonitoringsystembasedonthetheCC2530measurementnode,relaynode,themasternodeandhostcomputer.TheCC2530isTIhasintroducedacomplete2.4GHzRFon-chipsystemsolutions,itissuitableforawiderangeofapplications.CC2530combinedwithafullyintegrated,high-performanceRFtransceiverwithan8051microprocessor,to8KBtheRAM,32/64/128/256KBflash,andothersupportfunctionsandperipherals.MeasurementnodeintheofficeonthebasisoftheCC2530isequippedwithaDB130-10digitaltemperatureandhumiditysensors,digitalopticalintensitysensorintegratedcircuitinBH1750FVIandHC-SR501humanbodysensingmodule8051CC2530internalmicroprocessorcontrol,andenvironmentaldata

collection,andthroughtherelaynodetotheformofwirelessdataisfinallysenttothemasternode.DevelopmentofeachnodeprograminClanguageinKeiluVision3environment,themasternodetoconnectwiththehostcomputerandthePCsoftwarebasedonMicrosoftVisualBasic6.0platformtodevelop,fortheobservationofenvironmentaldata.

Theexperimentsshowthatthesystemisstable,reliable,andcanbasicallymeettherequirementsoftheofficeoftheenvironmentalparametersmonitoringfunctions.

Keywords:

Officeenvironment,CC2530,temperatureandhumidity,lightintensity,HumanDetection

第1章绪论

1.1背景和意义

环境监测作为一门科学，是随着环境科学的形成和发展而产生的，在环境分析的基础上发展起来的。

它是运用现代化的科学技术手段测取数据，并把环境数据资料加以运用的科学活动，是用科学的方法监视和监测反映环境质量及其变化趋势的各种数据的过程。

从上世纪70年代开始，人们开始逐渐意识到，环境问题不仅仅是控制排放污染物，保护人类健康的问题，而且还包括人类工作学习环境的质量问题。

面对人们不断提高的对于环境质量的理解和要求，仅仅控制化学污染物已经远远不够了，还要掌握各种因素对人的影响。

不仅要提高自然环境质量，还要在保证节能环保的基础上，提高人们工作学习环境的质量。

现如今社会发展迅速，人们工作压力普遍较大，各种因为工作环境不适而产生的慢性职业损伤疾病日趋严重。

另外，当今世界各种能源紧张，工作场所的能源消耗和浪费成为不可忽视的一部分。

因此，对工作环境的监测成为一种必然，它不仅能保证人们工作的舒适程度，

还可以有效的防止能源浪费，是一项一举多得的工程。

目前，国内市场上对办公环境的检测仪器主要是针对新办公环境的空气质量做全面衡量，并且只是单一仪器测量，没有做到实时监控，也没有组成网络。

例如，上海兴科环保科技有限公司研制的“L2/3”型室内空气检测仪，它是第四代室内空气检测仪器，能同时检测六种室内污染气体，包括甲醛、苯、氨、甲苯、二甲苯和TVOC。

每项气体检测的时间由机械定时器控制和设定，六个气路可以独立、任意控制，在达到设定的时间后，检测仪可自动停止工作，声光报警，现场对各种有害气体浓度进行读数。

因此，设计一种可以实时监测办公室内多种环境信息的无线传感器网络系统便可以满足上述需求。

1.2发展现状

目前，基于无线模块的各种环境监测系统发展迅速，应用于各个行业、各个领域。

在我所查阅的资料中，大多数系统选用的无线模块都是美国TI公司生产的CC2530片上系统解决方案，可见它在同类产品中的优势。

例如：

1.基于CC2530的博物馆状况无线监测系统。

该系统针对的是博物馆内温湿度和空气中各种有害气体，如二氧化硫、氮氧化物的含量，对于博物馆藏品和文物的保存影响问题，这些因素所造成的影响是导致文物损坏的主要因素。

为了有效地解决这一问题，更好的保护文物，应该及时监测博物馆内的环境条件，迅速对异常情况加以处理。

该系统的设计基于CC2530和各种传感器，对博物馆的温湿度和二氧化硫含量进行实时的无线监测，满足了博物馆在保护文物方面对于环境质量的要求。

2.基于CC2530的电流及温度监测系统。

我们的生活中处处都要用电，电力设备的安全稳定运行对人们的日常生活尤为重要。

但是，在实际生产过程中，由于电力设备功率大，又需要长时间工作，过大的电流就可能会导致这些设备的某些接头过热，甚至发生自燃的现象，这就威胁到设备的正常工作和人身安全，造成严重的经济损失。

所以，实时监测这些设备的电流及温度情况显得尤为重要。

这样不仅可以预防危害的产生，当发生异常情况时，还可以第一时间掌握准确的故障信息，及时处理解除故障。

该系统的设计基于CC2530和各种传感器，对电力设备的电流和温度进行实时的无线监测，保证了电力设备的安全运行。

3.基于CC2530的纺织车间无线传感器网络。

纺织技术在我国有着悠久的历史，随着纺织工业的不断发展，各种新产品也层出不穷，不同产品在生产过程中对于纺织工艺和生产环境的要求越来越高，尤其是温度和湿度的调节。

为了保证产品的质量、生产率和工人的劳动强度，必须保持使纺织车间保持在一定的温度和湿度的条件下。

该系统的设计基于CC2530和温湿度传感器模块，由上位机观测数据，通过模糊控制算法由控制模块准确控制纺织车间内的温湿度，保证了纺织产品的质量。

1.3系统功能

本文设计的办公环境监测系统，能实时监测办公楼内各个办公室的温度、湿度、光照情况、以及人员监测，并将监测数据以无线形式传送到上位机所在的总监控室内。

通过这些数据，可以更加合理的进行能源分配，减少浪费。

例如，在炎热的夏天，某些办公室内需要打开空调来降低室温，但25℃左右的温度就已经可以满足人们的需求，如果此时室温过低，既是对电能的浪费，又不宜于人体的健康，通过本系统就可以监测室温，有效的防止这一现象；或者在夜晚下班后，人员都已经离开的情况下，如果忘记关闭办公室的照明灯，根据本系统监测的光照信息，就可以及时发现这一情况。

1.4本文结构和各章内容

本文的结构和各章内容如下：

第二章是系统总体设计，包括本系统重要组成部分CC2530的介绍、节点类型的确定和系统网络结构的设计。

第三章是节点硬件设计，包括测量节点中各个传感器的介绍、各类型节点的硬件实物。

第四章是软件设计，包括各节点程序介绍，以及上位机软件介绍。

第五章是系统调试和检测数据。

第六章是总结与展望。

第2章系统总体设计

2.1CC2530

CC2530是本系统的核心元件，它是美国TI公司推出的完整的2.4GHz射频片上系统解决方案。

CC2530内部集成了一个高性能的射频收发器和一个8051微处理器，有8KB的RAM，32/64/128/256KB闪存，以及其他强大的外部设备功能。

CC2530的外观如图2.1所示。

2.1.1CPU和内存

CC2530内部使用的是一个单周期的8051兼容内核CPU，该内核使用的是标准的8051指令集。

因为每个指令周期是1个时钟，而标准的8051每个指令周期是12个时钟，并且增强型的8051内核消除了总线状态的浪费，因此它执行指令的速度要比标准的8051更快。

CC2530有三个不同的存储器访问总线，分别是SFR、DATA和CODE/XDATA。

8KBRAM映射到DATA存储空间和XDATA存储空间的一部分，8KBRAM是一个超低功耗的RAM，当CC2530的数字部分掉电进入低功耗供电模式时，仍能够保存其中的内容。

32/64/128/256KB闪存块为设备提供了内电路可编程的非易失性程序存储器，它映射到CODE和DATA存储空间。

非易失性存储器除了可以保存程序代码和常量，还允许应用程序保存必须保留的数据。

这样，即使在设备重新启动后，也可以继续使用这些数据。

2.1.2外部设备

CC2530有着功能丰富的外部设备供使用者开发应用。

其中，应用最为广泛的是I/O端口、定时器和串行通信接口USART。

CC2530有21个数字输入/输出引脚，每一个端口都是多功能的，既可以配置为通用数字I/O端口，也可以连接到定时器或USART等其他外设。

这些I/O口的用途可以通过一系列寄存器配置，由用户软件加以实现。

如果在程序中一个端口要具备多种功能，在使用前要先设定各个功能的优先级。

21个I/O引脚也都可以用作外部中断源输入口。

CC2530一共有4个定时器，定时器1是一个16位定时器，具有定时器、计数器、PWM功能。

定时器2也是一个16位定时器，它是专门为802.15.4MAC层提供一般的计时功能。

定时器3和4是两个8位的定时器，同样具有定时器、计数器、PWM功能。

CC2530的定时器有三种工作模式，第一种是自由运行模式。

如图2.2所示，在自由运行模式下，计数器从0x0000开始计数，每个时钟边沿增加1，当计数器达到0xFFFF时，可以设置溢出标志位，如果需要，还可以产生一个中断请求。

然后计数器重新载入0x0000，继续递增计数，如此往复。

定时器的第二种工作模式是模模式。

在模模式中，可以设置一个溢出值，当计数器达到溢出值时，计数器将复位到0x0000并继续递增。

如果定时器开始于溢出值以上的一个值，当达到最终计数值0xFFFF时，可以设置溢出标志位，如果需要，还可以产生一个中断请求。

模模式可以用于周期不是0xFFFF的应用程序。

模模式如图2.3所示。

第三种是正计数/倒计数模式，如图2.4。

在该模式中，计数器反复从0x0000开始，当达到预先设定的溢出值时，计数器将倒计数直到0x0000。

这个定时器用于周期必须是对称输出的应用程序。

在正计数/倒计数模式达到最终计数值时，可以设置溢出标志位，如果需要，还可以产生一个中断请求。

CC2530有两个串行通信接口USART0和USART1，它们能够分别运行于异步UART模式或者同步SPI模式。

两个USART具有同样的功能。

2.1.3无线电模块

CC2530提供了一个兼容IEEE802.15.4协议的无线收发器，RF内核控制模拟无线电模块。

另外，它还提供了一个MCU和无线设备之间的接口，这可以发出命令、读取状态、自动操作和确定无线设备事件的顺序。

CC2530是通过寄存器TXFIFO和RXFIFO来实现数据收发的。

发送数据时，向TXFIFO中写入数据，无线电模块自动添加PHY层同步头和FCS，通过选通命令STXON或STXONCCA发送数据；数据接收完成时，产生RXPKTDONE中断，在中断服务程序中读取RXFIFO即可。

CC2530每次发送或接收的数据包帧格式如图2.5所示。

其中，帧控制域占一个字节，其中包含帧类型和是否反馈确认帧；帧序号唯一标识各个帧，用于确认帧和数据帧或命令帧的匹配；源地址和目标地址分别用两个字节表示；帧校验在数据包的最后，占两个字节。

由于IEEE802.15.4规范中定义了物理服务数据单元的最大长度为127字节，而其中的8字节已经被使用，因此有效负载的字节长度为1～119字节。

2.2节点类型

根据本系统的设计功能，总共需要三种节点类型：

1.测量节点，由CC2530和温湿度传感器、光照传感器、人体感应传感器组成。

测量节点位于各个被测的办公室内，采集环境信息，并将数据以无线形式发送出去。

2.中继节点，起中继作用。

由于CC2530的穿墙能力较弱和传输距离的限制，需要在办公楼的走廊、楼梯间等位置放置中继节点。

中继节点只需将收到的数据再发送出去，传给距离测量节点更远的其他中继节点或主节点。

3.主节点，所有房间的环境信息以直接或间接的方式，最终都汇聚到主节点。

主节点与上位机连接，通过上位机观测收到的环境数据。

2.3网络结构

本系统的网络结构如图2.6所示。

第3章节点硬件设计

3.1测量节点

3.1.1温湿度传感器

本系统测量节点的功能包括测量办公环境内的温湿度、光照强度以及人员监测。

其中，温湿度传感器选择的是DB130-10数字温湿度传感器，它是数字温湿度传感器系列中电缆型的传感器。

实物外观如图3.1所示。

传感器把传感元件和信号处理集成起来，输出全标定的数字信号。

DB130-10采用世界先进的进口SHT10温湿度传感器为核心部件，以确保传感器具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

传感器内部包括一个电容式聚合体测湿敏感元件和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转换器以及串行接口电路实现无缝连接。

因此，该传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、高防护等级、高性价比等优点。

传感器的湿度测量范围为0～100%RH，精度为±4.5%RH；温度测量范围为-10～80℃，精度为±0.5℃（在25℃）。

传感器有四根引线，分别是电源线（Vdd）、地线（GND）、数据线（DATA）、时钟线（SCK）。

与CC2530的接口电路如图3.2所示。

传感器的通讯时序为：

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。

要测量温湿度前，CC2530首先要用一组“启动传输”时序，来表示数据传输的初始化。

它包括：

初始状态SCK和DATA都为高电平，SCK保持高电平不变，DATA翻转为低电平，然后SCK也翻转为低电平，随后在SCK变为高电平时DATA也翻转为高电平。

后续传输一个8位的命令，命令的前三位是地址位（目前只支持000），后五位是实际的命令位。

其中，测量温度的命令为“00011”，测量湿度的命令为“00101”。

传感器正确地接收到指令后，会以下述方式表示：

在第8个SCK时钟的下降沿之后，将DATA下拉为低电平（ACK位），在第9个SCK时钟的下降沿之后，释放DATA（恢复高电平）。

CC2530检测到这个信号后，需等待DB130-10再发送一个测量完毕的信号。

当测量结束时，传感器会下拉DATA至低电平，并进入空闲模式。

CC2530在再次触发SCK时钟前，必须等待这个“测量结束”的信号，然后再读出数据。

读取数据时，传感器会先发送2个字节的测量数据，再发送1个字节的CRC奇偶校验。

CC2530收到每个字节后，都需要下拉DATA至低电平，以此来确认正确的接收。

所有数据从高有效位开始传输。

在测量和数据读取结束后，传感器自动转入休眠模式。

测量数据需要通过如下公式进行转换：

Temperature=−39.66+0.01×SOT

RH=-4+0.0405×SORH−2.8×106×SO2

式中，SOT和SORH分别为传感器测得的温度和湿度数值，通过转换，可以

得到实际的摄氏温度和相对湿度。

3.1.2光照强度传感器

首先，介绍一下光照强度的概念以及衡量光照强度的单位。

光照强度指的是光照的强弱，以单位面积上所接受可见光的能量来量度，单位勒克斯（Lux或Lx）。

被光均匀照射的物体，在1平方米面积上所得的光通量是1流明时，它的照度是1勒克斯。

流明是光通量的单位。

发光强度为1烛光的点光源，在单位立体角（1球面度）内发出的光通量为“1流明”。

烛光的概念最早是英国人发明的，当时英国人以一磅的白蜡制造出一尺长的蜡烛所燃放出来的光来定义烛光单位。

夏季在阳光直接照射下，光照强度可达6万～10万lx，没有太阳的室外为0.1万～1万lx，日落时的光照强度为300～400lx，夏天明朗的室内为100～550lx，室内日光灯照度为30～50lx，夜里在明亮的月光下光照强度为0.3～0.03lx，阴暗的夜晚光照强度为0.003～0.0007lx。

本系统选择的传感器型号是BH1750FVI，它是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。

传感器的光强度测量范围为1～65535lx。

实物外观如图3.3所示。

它具有如下特点：

1.接近视觉灵敏度的光谱灵敏度特性；

2.输出对应亮度的数字值；

3.对应广泛的输入光范围；

4.通过降低功率功能，实现低电流化；

5.通过50Hz/60Hz除光噪音功能实现稳定的测定；

6.无需其他外部件；

7.光源依赖性弱（白炽灯，荧光灯，卤素灯，白光LED，日光灯）；

8.受红外线影响很小。

传感器有五个引脚，分别是：

电源（VCC）、地（GN）、设备地址引脚（DVI）、时钟引脚（SCL）、数据引脚（SDA）。

DVI接电源或接地决定了不同的设备地址（接电源时