基于wifi的無線測溫系統(tǒng)

1、 目錄1 概述41.1 選題背景41.2 選題研究的目的和意義42系統(tǒng)整體介紹63 系統(tǒng)的硬件設計63.1傳感器AM2301溫度傳感器63.2 ZigBee協(xié)議73.2.1 ZigBee概述73.2.2 ZigBee網(wǎng)絡基礎103.2.3工作模式103.2.4 ZigBee 無線組網(wǎng)及數(shù)據(jù)通信10 3.3 WiFiMOD模塊 3.4 CC2530芯片113.3.1 CC2530概述113.3.2 CC2530 芯片的主要特點12 3.5 MC9S12XS128單片機的介紹12 3.6 移動終端154 主程序的設計154.1.系統(tǒng)測試164.1.1系統(tǒng)測試步驟164.1.2 系統(tǒng)的硬件測試、協(xié)議

2、棧的測試、液晶的測試164.1.3系統(tǒng)測試結(jié)果分析175 總結(jié)17參考文獻18致 謝191 概述1.1 選題背景溫度是工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見的和最基本的參數(shù)之一，在生產(chǎn)過程中常需對溫度進行檢測和監(jiān)控，采用微型機進行溫度檢測、數(shù)字顯示、信息存儲及實時控制，對于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等都有重要的作用。伴隨工業(yè)科技、農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，溫度測量需求越來越多，也越來越重要。但是在一些特定環(huán)境溫度監(jiān)測環(huán)境范圍大,測點距離遠,布線很不方便。這時就要采用無線方式對溫度數(shù)據(jù)進行采集。1.2 選題研究的目的和意義無線網(wǎng)絡技術按照傳輸范圍來劃分，可分為無線廣域網(wǎng)、無線城域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)和無線個人域網(wǎng)。無線個人

3、域網(wǎng)即短距離無線網(wǎng)絡，典型的短距離無線傳輸技術有：藍牙（Bluetooth）、ZigBee、WiFi等。在工業(yè)控制、家庭自動化和遙測遙感領域，藍牙（Bluetooth）雖然成本較低，成熟度高，但是傳輸距離有限，僅為10米，可以參與組網(wǎng)的節(jié)點少。WiFi雖然傳輸速度較快，傳輸距離達到100米，但是其價格偏高，功耗較大，組網(wǎng)能力較差。相比之下ZigBee技術具有低成本、低功耗、近距離、短時延、高容量、高安全及免執(zhí)照頻段等優(yōu)勢，廣泛應用于智能家庭、工業(yè)控制、自動抄表、醫(yī)療監(jiān)護、傳感器網(wǎng)絡應用和電信應用等領域。2系統(tǒng)整體介紹本設計所實現(xiàn)的無線溫度采集系統(tǒng)以單片機為核心，通過溫度傳感器、單片機、Zigb

4、ee無線模塊，WiFi模塊，完成對溫度的采集與顯示。首先利用溫度采集系統(tǒng)完成溫度的采集，然后利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊完成了I/O口數(shù)據(jù)與串口數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，再通過無線發(fā)送與接收模塊完成數(shù)據(jù)的無線發(fā)、收，最終通過溫度顯示模塊完成了顯示溫度傳感器所采集的溫度值。系統(tǒng)框圖如下所示：3 系統(tǒng)的硬件設計。傳感器AM2301溫度傳感器相對濕度和溫度測量全部校準，數(shù)字輸出卓越的長期穩(wěn)定性無需額外部件超長的信號傳輸距離超低能耗4 引腳安裝AM2301產(chǎn)品概述AM2301數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。

5、傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個AM2301傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校完全互換準系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則。產(chǎn)品為 4 針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。1、傳感器性能說明參數(shù)條件MinTypMax單位濕度分辨率0.1%RH16Bit

6、重復性±1%RH精度25±3%RH050±5%RH互換性可完全互換采樣周期12S響應時間1/e(63%)25，1m/s 空氣2S遲滯±0.3%RH長期穩(wěn)定性典型值±1%RH/yr溫度分辨率0.116Bit重復性±0.5精度±1量程范圍-4080響應時間1/e(63%)620S2、 采樣周期不得低于最小值，否則會引起錯誤3、 接口說明 建議連接線長度短于20米時用5K上拉電阻,大于20米時根據(jù)實際情況使用合適的上拉電阻3、電源引腳AM2301的供電電壓為5V。傳感器上電后，要等待 1s 以越過不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無需發(fā)送任何指令

7、。電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個100nF 的電容，用以去耦濾波。4、單總線接口 DATA 用于微處理器與 AM2301之間的通訊和同步,采用單總線數(shù)據(jù)格式,一次通訊時間5ms左右 ,具體格式在下面說明,當前數(shù)據(jù)傳輸為40bit,高位先出。數(shù)據(jù)格式: 40bit數(shù)據(jù)=16bit濕度數(shù)據(jù)+16bit溫度數(shù)據(jù)+8bit校驗和例子： 接收40bit數(shù)據(jù)如下： 0000 0010 1000 1100 0000 0001 0101 1111 1110 1110 濕度數(shù)據(jù) 溫度數(shù)據(jù) 校驗和 濕度高8位+濕度低8位+溫度高8位+溫度低8位=的末8位=校驗和 例如：0000 0010+1000 11

8、00+0000 0001+0101 1111=1110 1110 濕度=65.2RH 溫度=35.1 當溫度低于0時溫度數(shù)據(jù)的最高位置1。 例如：-10.1表示為1000 0000 0110 0101 用戶主機（MCU）發(fā)送一次開始信號后,AM2301從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式,等待主機開始信號結(jié)束后,AM2301發(fā)送響應信號,送出40bit的數(shù)據(jù),并觸發(fā)一次信號采集。（注：主機從AM2301讀取的溫濕度數(shù)據(jù)總是前一次的測量值，如兩次測量間隔時間很長，請連續(xù)讀兩次以獲得實時的溫濕度值）圖1 空閑時總線為高電平，通訊開始時主機(MCU)拉低總線500us后釋放總線，延時20-40us后主機開始檢

9、測從機（AM2301）的響應信號。 從機的響應信號是一個80us左右的低電平，隨后從機在拉高總線80us左右代表即將進入數(shù)據(jù)傳送。 圖2 高電平后就是數(shù)據(jù)位，每1bit數(shù)據(jù)都是由一個低電平時隙和一個高電平組成。低電平時隙就是一個50us左右的低電平，它代表數(shù)據(jù)位的起始，其后的高電平的長度決定數(shù)據(jù)位所代表的數(shù)值，較長的高電平代表1，較短的高電平代表0。共40bit數(shù)據(jù)，當最后一Bit數(shù)據(jù)傳送完畢后，從機將再次拉低總線50us左右，隨后釋放總線，由上拉電阻拉高。數(shù)字1信號表示方法如圖4所示 圖4數(shù)字0信號表示方法.如圖5所示 圖55、 測量分辨率測量分辨率分別為 16bit（溫度）、16bit（濕

10、度）。6、電氣特性VDD=5V，T = 25，除非特殊標注參數(shù)條件mintypmax單位供電 DC3.3-5.5VV供電電流測量1.31.52.1mA待機0.91.11.3mA采樣周期秒12次注:采樣周期間隔不得低于1.7秒鐘（建議2秒）。7、應用信息7.1工作與貯存條件超出建議的工作范圍可能導致高達3%RH的臨時性漂移信號。返回正常工作條后，傳感器會緩慢地向校準狀態(tài)恢復。要加速恢復進程/可參閱7.3小節(jié)的“恢復處理”。在非正常工作條件下長時間使用會加速產(chǎn)品的老化過程。7.2暴露在化學物質(zhì)中電容式濕度傳感器的感濕層會受到化學蒸汽的干擾，化學物質(zhì)在感應層中的擴散可能導致測量值漂移和靈敏度下降。在

11、一個純凈的環(huán)境中，污染物質(zhì)會緩慢地釋放出去。下文所述的恢復處理將加速實現(xiàn)這一過程。高濃度的化學污染會導致傳感器感應層的徹底損壞。7.3恢復處理置于極限工作條件下或化學蒸汽中的傳感器，通過如下處理程序，可使其恢復到校準時的狀態(tài)。在50-60和< 10%RH的濕度條件下保持2 小時（烘干）；隨后在20-30和>70%RH的濕度條件下保持 5小時以上。7.4溫度影響氣體的相對濕度，在很大程度上依賴于溫度。因此在測量濕度時，應盡可能保證濕度傳感器在同一溫度下工作。如果與釋放熱量的電子元件共用一個印刷線路板，在安裝時應盡可能將AM2301遠離發(fā)熱電子元件，并安裝在熱源下方，同時保持外殼的良好

12、通風。7.5光線長時間暴露在太陽光下或強烈的紫外線輻射中，會使性能降低。7.6配線注意事項DATA信號線材質(zhì)量會影響通訊距離和通訊質(zhì)量,推薦使用高質(zhì)量屏蔽線。8、封裝信息9、 AM2301引腳說明Pin名稱注釋1VDD供電 3.3-5.5VDC2DATA串行數(shù)據(jù)，單總線3GND接地，電源負極4NC空腳，請懸空（不要接Vcc或Gnd）3.2 ZigBee協(xié)議3.2.1 ZigBee概述ZigBee一詞來源于蜜蜂賴以生存的通信方式Zigzag形狀的舞蹈，是一種低成本、低功耗的近距離無線組網(wǎng)通信技術。ZigBee協(xié)議是基于IEEE 802.15.4標準的，由IEEE 802.15.4和ZigBee聯(lián)

13、盟共同制定。IEEE 802.15.4工作組制定ZigBee協(xié)議的物理層（PHY）和媒體訪問控制層（ MAC層）協(xié)議。ZigBee聯(lián)盟成立用于2002年，定義了ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡層（NWK）、應用層（APL）和安全服務規(guī)范。協(xié)議棧結(jié)構如圖3-2。應用層（含應用接口層）用戶安全層 ZigBee聯(lián)盟 網(wǎng)絡層MAC層IEEE 802.15.4 物理層圖3-2 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構ZigBee協(xié)議由物理層(PHY)、介質(zhì)訪問控制子層(MAC)、網(wǎng)絡層(NWK)，應用層(APL)及安全服務提供層(SSP)五塊內(nèi)容組成。其中PHY層和MAC層標準由IEEE 802.15.4標準定義，MAC層之上的N

14、WK層，APL層及SSP層，由ZigBee聯(lián)盟的ZigBee標準定義。APL層由應用支持層(APS)，應用框架(AF)以及ZigBee設備對象(ZDO)及ZDO管理平臺組成。PHY層定義了無線射頻應該具備的特征，提供了868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz和2400MHz-24835MHz三種不同的頻段，分別支持20kbps、40kbps和250kbps的傳輸速率，1個、10個以及16個不同的信道。ZigBee的傳輸距離與輸出功率和環(huán)境參數(shù)有關，一般為10100米之間。PHY層提供兩種服務：PHY層數(shù)據(jù)服務和PHY層管理服務，PHY層數(shù)據(jù)服務是通過無線信道發(fā)送和接收物理層協(xié)

15、議數(shù)據(jù)單元(PPDU)，PHY層的特性是激活和關閉無線收發(fā)器、能量檢測、鏈路質(zhì)量指示、空閑信道評估、通過物理媒介接收和發(fā)送分組數(shù)據(jù)。MAC層使用CSMA-CA沖突避免機制對無線信道訪問進行控制，負責物理相鄰設備問的可靠鏈接，支持關聯(lián)(Association)和退出關聯(lián)(Disassociation)以及MAC層安全。MAC層提供兩種服務：MAC層數(shù)據(jù)服務和MAC層管理服務，MAC層數(shù)據(jù)服務通過物理層數(shù)據(jù)服務發(fā)送和接收MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU)。MAC層的主要功能是：進行信標管理、信道接入、保證時隙(GTS)管理、幀確認應答幀傳送、連接和斷開連接。NWK層提供網(wǎng)絡節(jié)點地址分配，組網(wǎng)管理，消

16、息路由，路徑發(fā)現(xiàn)及維護等功能。NWK層主要是為了確保正確地操作IEEE 802.15.42003MAC子層和為應用層提供服務接口。NWK層從概念上包括兩個服務實體：數(shù)據(jù)服務實體和管理服務實體。NWK層的責任主要包括加入和離開一個網(wǎng)絡用到的機制、應用幀安全機制和他們的目的地路由幀機制，ZigBee協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡層還負責建立一個新的網(wǎng)絡。ZigBee應用層包括應用支持子層(APS子層)、應用框架(AF)和ZigBee設備對象(ZDO)。APS子層負責建立和維護綁定表，綁定表主要根據(jù)設備之間的服務和他們的需求使設備相互配對。ZigBee的應用框架(AF)為各個用戶自定義的應用對象提供了模板式的活動空間

17、，并提供了鍵值對(KVP)服務和報文(MSG)服務供應用對象的數(shù)據(jù)傳輸使用。一個設備允許最多240個用戶自定義應用對象，分別指定在端點l至端點240上。ZDO可以看成是指配到端點O上的一個特殊的應用對象，被所有ZigBee設備包含，是所有用戶自定義的應用對象調(diào)用的一個功能集，包括網(wǎng)絡角色管理，綁定管理，安全管理等。ZDO負責定義設備在網(wǎng)絡中的角色(例如是ZigBee協(xié)調(diào)器或者ZigBee終端設備)、發(fā)現(xiàn)設備和決定他們提供哪種應用服務，發(fā)現(xiàn)或響應綁定請求，在網(wǎng)絡設備之間建立可靠的關聯(lián)。安全服務提供者SSP(Security Service Provider)向NWK層和APS層提供安全服務。Zi

18、gBee協(xié)議層與層之間是通過原語進行信息的交換和應答的。大多數(shù)層都向上層提供數(shù)據(jù)和管理兩種服務接口，數(shù)據(jù)SAP(Service Access Point)和管理SAP(Service Access Point)。數(shù)據(jù)服務接口的目標是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務，管理服務接口的目標是向上層提供訪問內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機制。3.2.2 ZigBee網(wǎng)絡基礎ZigBee網(wǎng)絡基礎主要包括設備類型，拓撲結(jié)構和路由方式三方面的內(nèi)容，ZigBee標準規(guī)定的網(wǎng)絡節(jié)點分為協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器(Router)和終端節(jié)點（End Device）。節(jié)點類型是網(wǎng)絡層的概念，反映了網(wǎng)絡的拓撲形

19、式。ZigBee網(wǎng)絡具有三種拓撲形式：星型拓撲、樹型拓撲、網(wǎng)狀拓撲。3.2.3工作模式ZigBee網(wǎng)絡的工作模式可以分為信標(Beacon)模式和非信標(Non-beacon)模式兩種。信標模式可以實現(xiàn)網(wǎng)絡中所有設備的同步工作和同步休眠，以達到最大限度地節(jié)省功耗，而非信標模式只允許ZE進行周期性休眠，協(xié)調(diào)器和所有路由器設備長期處于工作狀態(tài)。在信標模式下，協(xié)調(diào)器負責以一定的間隔時間(一般在15ms-4mins之間)向網(wǎng)絡廣播信標幀，兩個信標幀發(fā)送間隔之間有16個相同的時槽，這些時槽分為網(wǎng)絡休眠區(qū)和網(wǎng)絡活動區(qū)兩個部分，消息只能在網(wǎng)絡活動區(qū)的各個時槽內(nèi)發(fā)送。非信標模式下，ZigBee標準采用父節(jié)點為

20、子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)，終端節(jié)點主動向其父節(jié)點提取數(shù)據(jù)的機制，實現(xiàn)終端節(jié)點的周期性(周期可設置)休眠。網(wǎng)絡中所有的父節(jié)點需要為自己的子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)幀，所有子節(jié)點的大多數(shù)時間都處于休眠狀態(tài)，周期性的醒來與父節(jié)點握手以確認自己仍處于網(wǎng)絡中，并向父節(jié)點提取數(shù)據(jù)，其從休眠模式轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)傳輸模式一般只需要15ms。3.2.4 ZigBee 無線組網(wǎng)及數(shù)據(jù)通信ZigBee通信協(xié)議采用分層結(jié)構,節(jié)點通過在不同層上的特定服務來完成所要執(zhí)行的各種任務。本系統(tǒng)采用TI 提供的ZigBee2006 協(xié)議棧Z-Stack,在IEEE 802.15.4 標準物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)基礎上增加了網(wǎng)絡層、應用層和安

21、全服務規(guī)范,是一種較好的無線傳感網(wǎng)絡組建方案。ZigBee 設備類型按網(wǎng)絡功能分為三種:協(xié)調(diào)器、路由器、終端。由于本系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構,所以只存在協(xié)調(diào)器和終端兩種設備。本系統(tǒng)中主節(jié)點被初始化為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器包含所有的網(wǎng)絡消息, 存儲容量最大、計算能力最強。它的功能是發(fā)送網(wǎng)絡信標、建立網(wǎng)絡、管理網(wǎng)絡節(jié)點、存儲網(wǎng)絡節(jié)點信息、收發(fā)信息。從節(jié)點被初始化為無信標網(wǎng)絡中的終端設備。上電復位后,即開始搜索指定信道上的網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器,并發(fā)出連接請求。建立連接成功后,數(shù)據(jù)從括從節(jié)點編號,CC2530的I/O口編號以及此溫度傳感器的編號,后2個字節(jié)為溫度采集數(shù)據(jù)。主節(jié)點收到數(shù)據(jù)包后, 對數(shù)據(jù)進行分析處理,

22、把從節(jié)點上的溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集值進行轉(zhuǎn)換,得到實際的溫度值,然后發(fā)送給上溫度顯示部分。3.2.5 zigbee無線發(fā)送模塊 Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術，ZigBee節(jié)點所屬類別主要分三種，分別是協(xié)調(diào)器(Coodinator)、路由器(Router)、終端(End Device)。統(tǒng)一網(wǎng)絡中至少需要一個協(xié)調(diào)器，也只能有1個協(xié)調(diào)器，負責各個節(jié)點16位地址分配（自動分配）。理論上可以連上65536個節(jié)點，可以實行多方組網(wǎng)。3.3CC2530芯片3.3.1 CC2530概述CC2530是一顆真正的系統(tǒng)芯片

23、(SoC)CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎的2.4GHzISM波段應用，及對低成本，低功耗的要求。它結(jié)合一個高性能2.4GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器。 圖3-3 CC2530引腳排列圖CC2530包括了1個高性能的2.4 GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發(fā)器核心和1個8051控制器，它具有32/64/128 kB可選擇的編程閃存和8kB的RAM，還包括ADC、定時器、睡眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路和21個可編程I/O引腳，這樣很容易實現(xiàn)通信模塊的小型化。CC2530是一款功耗相當?shù)偷膯纹瑱C，功耗模式3下電流消耗僅0.2A，在32 k晶體時鐘下運行，