基于物聯(lián)網(wǎng)的智能倉(cāng)儲(chǔ)溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)

1、 圖 4-1 所示。圖2 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖1. 物理層物理層由半雙工的無(wú)線收發(fā)器及其接口組成，主要作用是激活和關(guān)閉射頻收發(fā)器；檢測(cè)信道的能量；顯示收到數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量；空閑信道評(píng)估；選擇信道頻率；數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。2. 媒體訪問(wèn)控制層媒體訪問(wèn)控制（MAC）層建立了一條節(jié)點(diǎn)和與其相鄰的節(jié)點(diǎn)之間可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，共享傳輸媒體，提高通信效率。在協(xié)調(diào)器的MAC層，可以產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，同步網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)；支持ZigBee設(shè)備的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)；支持設(shè)備加密；在信道訪問(wèn)方面，采用CSMA/CA信道退避算法，減少了碰撞概率；確保時(shí)隙分配（GTS）；支持信標(biāo)使能和非信標(biāo)使能兩種數(shù)據(jù)傳輸模式，為兩個(gè)對(duì)等的MAC

2、實(shí)體提供可靠連接。3. 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接，主要功能包括設(shè)備連接和斷開網(wǎng)絡(luò)時(shí)所采用的機(jī)制，以及在幀信息傳輸過(guò)程中所采用的安全性機(jī)制。此外，還包括設(shè)備的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)和轉(zhuǎn)交。并且，網(wǎng)絡(luò)層完成對(duì)一跳(onehop)鄰居設(shè)備的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)結(jié)點(diǎn)信息的存儲(chǔ)。一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)建一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)，為新加入的設(shè)備分配短地址等。并且，網(wǎng)絡(luò)層還提供一些必要的函數(shù)，確保ZigBee的MAC層正常工作，并且為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層要求能夠很好地完成在IEEE 802154標(biāo)準(zhǔn)中MAC子層所定義的功能，同時(shí)，又要為應(yīng)用層提供適當(dāng)?shù)姆?wù)接口。為了與應(yīng)用層進(jìn)行更好的通信，網(wǎng)絡(luò)層中定

3、義了兩種服務(wù)實(shí)體來(lái)實(shí)現(xiàn)必要的功能。這兩個(gè)服務(wù)實(shí)體是數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體(NLDE)和管理服務(wù)實(shí)體(NLME)。網(wǎng)絡(luò)層的NLDE通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)(NLDESAP)來(lái)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，NLME通過(guò)管理服務(wù)實(shí)體服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)(NLMESAP)來(lái)提供管理服務(wù)。NLME可以利用NLDE來(lái)激活它的管理工作，它還具有對(duì)網(wǎng)絡(luò)層信息數(shù)據(jù)庫(kù)(NIB)進(jìn)行維護(hù)的功能。 在這個(gè)圖中直觀地給出了網(wǎng)絡(luò)層所提供的實(shí)體和服務(wù)接口等。 NLDE提供的數(shù)據(jù)服務(wù)允許在處于同一應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間傳輸應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)。NLDE提供的服務(wù)有：產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)和選擇通信路由。選擇通信路由，在通信中，N

4、LDE要發(fā)送一個(gè)NPDU到一個(gè)合適的設(shè)備，這個(gè)設(shè)備可能是通信的終點(diǎn)也可能只是通信鏈路中的一個(gè)點(diǎn)。NLME需提供一個(gè)管理服務(wù)以允許一個(gè)應(yīng)用來(lái)與協(xié)議棧操作進(jìn)行交互。 NLME需要提供以下服務(wù)：配置一個(gè)新的設(shè)備(configuring a new device)。具有充分配置所需操作棧的能力。配置選項(xiàng)包括：ZigBee協(xié)調(diào)器的開始操作，加入一個(gè)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)等。 4. 應(yīng)用層應(yīng)用層包括三部分：應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）和應(yīng)用框架（AF）。應(yīng)用支持子層的任務(wù)是提取網(wǎng)絡(luò)層的信息并將信息發(fā)送到運(yùn)行在節(jié)點(diǎn)上的不同應(yīng)用端點(diǎn)。應(yīng)用支持子層維護(hù)了一個(gè)綁定表，可以定義、增加或移除組信息；完成

5、64位長(zhǎng)地址（IEEE地址）與16位短地址（網(wǎng)絡(luò)地址）一對(duì)一映射；實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的分割與重組；應(yīng)用支持子層連接網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，是它們之間的接口。這個(gè)接口由兩個(gè)服務(wù)實(shí)體提供：APS數(shù)據(jù)實(shí)體（APSDE）和APS管理實(shí)體（APSME）。APS數(shù)據(jù)實(shí)體為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，它會(huì)拆分和重組大于最大荷載量的數(shù)據(jù)包。APS管理實(shí)體提供安全服務(wù)，節(jié)點(diǎn)綁定，建立和移除組地址，負(fù)責(zé)64位IEEE地址與16位網(wǎng)絡(luò)地址的地址映射4。ZigBee設(shè)備對(duì)象負(fù)責(zé)設(shè)備的所有管理工作，包括設(shè)定該設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色（協(xié)調(diào)器、路由器或終端設(shè)備），發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，確定這些設(shè)備能提供的功能，發(fā)起或響應(yīng)綁定請(qǐng)求，完成設(shè)備之間

6、建立安全的關(guān)聯(lián)等。用戶在開發(fā)ZigBee產(chǎn)品時(shí)，需要在ZigBee協(xié)議棧的AF上附加應(yīng)用端點(diǎn)，調(diào)用ZDO功能以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備和服務(wù)，管理綁定、安全和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。ZDO是一個(gè)特殊的應(yīng)用對(duì)象，它駐留在每一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)上，其端點(diǎn)編號(hào)固定為0。AF應(yīng)用框架是應(yīng)用層與APS層的接口。它負(fù)責(zé)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并為接收到的數(shù)據(jù)尋找相應(yīng)的目的端點(diǎn)。1.2.3 CC2530串口通信原理UART 接口可以使用 2 線或者含有引腳 RXD、TXD、可選 RTS 和 CTS 的 4 線。UART 操作由 USART 控制和狀態(tài)寄存器 UxCSR 以及 UART 控制寄存器 UxUCR 來(lái)控制。這里的 x

7、是 USART 的編號(hào)，其數(shù)值為 0 或者 1。當(dāng) UxCSR.MODE 設(shè)置為 1 時(shí)，就選擇了 UART 模式。當(dāng) USART 收/發(fā)數(shù)據(jù)緩沖器、寄存器 UxBUF 寫入數(shù)據(jù)時(shí)，該字節(jié)發(fā)送到輸出引腳 TXDx。UxBUF 寄存器是雙緩沖的。當(dāng)字節(jié)傳輸開始時(shí)，UxCSR.ACTIVE 位變?yōu)楦唠娖剑?dāng)字節(jié)傳送結(jié)束時(shí)為低。當(dāng)傳送結(jié)束時(shí)，UxCSR.TX_BYTE 位設(shè)置為 1.當(dāng) USART 收/發(fā)數(shù)據(jù)緩沖寄存器就緒，準(zhǔn)備接收新的發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，就產(chǎn)生了一個(gè)中斷請(qǐng)求。該中斷在傳送開始之后立刻發(fā)生，因此，當(dāng)字節(jié)正在發(fā)送時(shí)，新的字節(jié)能夠裝入數(shù)據(jù)緩沖器。當(dāng) 1 寫入 UxCSR.RE 位時(shí)，在 UAR

8、T 上數(shù)據(jù)接收就開始了。然后 UART 會(huì)在輸入引腳 TXDx中尋找有效起始位，并且設(shè)置 UxCSR.ACTIVE 位為 1.當(dāng)檢測(cè)出有效起始位時(shí)，收到的字節(jié)就傳入到接收寄存器，UxCSR.RX_BYTE 位設(shè)置為 1.該操作完成時(shí)，產(chǎn)生接收中斷。同時(shí)UxCSR.ACTIVE 變?yōu)榈碗娖?。通過(guò)寄存器 UxBUF 提供到的數(shù)據(jù)字節(jié)。當(dāng) UxBUF 讀出時(shí)，UxCSR.RX_BYTE 位由硬件清 0。二 系統(tǒng)分析 該系統(tǒng)通過(guò)具有IIC總線接口的單片全校準(zhǔn)字式新型相對(duì)溫濕度傳感器SHT10實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的采集，將信號(hào)送至ZigBee技術(shù)，從節(jié)點(diǎn)采集溫濕度數(shù)據(jù)每隔一定的時(shí)間輪流向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送，主節(jié)點(diǎn)收到數(shù)

9、據(jù)之后通過(guò)串口將各節(jié)點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)傳給智能主板。2.1程序流程圖開始開始系統(tǒng)時(shí)鐘初始化讀取溫濕度數(shù)據(jù)顯示溫濕度數(shù)據(jù)LCD初始化 圖3 軟件流程圖 2.2具體步驟 1、給智能主板供電（USB外接電源或2節(jié)干電池） 。 2、將一個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊插入到帶LCD的智能主板的相應(yīng)位置。 3、將溫濕度及光電傳感器模塊插入到智能主板的傳感及控制擴(kuò)展口位置。 4、將CC2530仿真器的一端通過(guò)USB線（A型轉(zhuǎn)B型）連接到 PC 機(jī)，另一端通過(guò)10Pin下載線連接到智能主板的CC2530 JTAG口（J203） 。 5、將智能主板上電源開關(guān)撥至開位置。按下仿真器上的按鈕，仿真器上的指示燈為綠色時(shí)，表示連接成功。

10、6、使用IAR7.51打開“OURS_CC2530LIBlib10(HumiTempLight) IAR_files”下的 HumiTempLight.eww文件，下載運(yùn)行程序。 7、觀察LCD上溫度、濕度和光照強(qiáng)度的變化。 8、用一個(gè)物體擋住光照傳感器的光線，觀察LCD上光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)的變化。 9、向溫濕度傳感器吹一口氣體，觀察LCD上溫濕度數(shù)據(jù)的變化。 三 詳細(xì)設(shè)計(jì)3.1 總體結(jié)構(gòu)構(gòu)成 溫濕度采集模塊主要有無(wú)線模塊和數(shù)據(jù)采集模塊,由數(shù)據(jù)采集模塊完成溫濕度的采集。溫濕度及光照傳感器采集數(shù)據(jù)，并把采集的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到CORTEX A8DB開發(fā)板上。在CORTEX A8DB開發(fā)板上通過(guò)軟件將采

11、集到的光、濕度、溫度值通過(guò)曲線描述出來(lái)。3.1.1無(wú)線傳感模塊 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)目標(biāo)方面與傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有所區(qū)別，前者是以數(shù)據(jù)為中心的，后者以傳輸數(shù)據(jù)為目的。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)通常運(yùn)行在人無(wú)法接近的惡劣甚至危險(xiǎn)的遠(yuǎn)程環(huán)境中，所以除了少數(shù)節(jié)點(diǎn)需要移動(dòng)以外，大部分節(jié)點(diǎn)都是靜止不動(dòng)的。在被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)任意散落，節(jié)點(diǎn)除了需要完成感測(cè)特定的對(duì)象以外，還需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算，維持互相之間的網(wǎng)絡(luò)連接等功能。并且由于能源的無(wú)法替代以及低功耗的多跳通信模式節(jié)，設(shè)計(jì)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)時(shí)，有效的延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期以及節(jié)點(diǎn)的低功耗成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的核心問(wèn)題。在節(jié)省功耗的同時(shí)增加通信的隱蔽性，避免長(zhǎng)距離

12、的無(wú)線通信易受外界噪聲干擾的影響，也都是在設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要攻克的新難題。圖4 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)模型無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立是基于傳感器加無(wú)線傳輸模塊的，傳感器采集的數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單處理后經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸模塊傳到服務(wù)器或應(yīng)用終端。目標(biāo)、觀測(cè)節(jié)點(diǎn)傳感節(jié)點(diǎn)和感知視場(chǎng)是 HYPERLINK /product/searchfile/19195.html t _blank 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所包括的4個(gè)基本實(shí)體對(duì)象。另外，要完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用刻畫，還需要對(duì)遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元、外部網(wǎng)絡(luò)和用戶進(jìn)行定義。大量傳感節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，單個(gè)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)初始的通信和協(xié)商，通過(guò)自組織方式自行配置，形成一個(gè)傳輸信息的單跳鏈接或一系列的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組

13、成的網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同形成對(duì)目標(biāo)的感知視場(chǎng)。傳感節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的目標(biāo)信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器本地簡(jiǎn)單處理后通過(guò)單播或廣播以多跳的方式通過(guò)鄰近傳感節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)接^測(cè)節(jié)點(diǎn)。用戶和遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元?jiǎng)t能夠通過(guò) HYPERLINK /info/2922.html t _blank 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)或In HYPERLINK /product/searchfile/10366.html t _blank ternet等外部網(wǎng)絡(luò)，與觀測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交互。觀測(cè)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布查詢請(qǐng)求和控制指令，接收傳感節(jié)點(diǎn)返回的目標(biāo)信息。圖5 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)無(wú)線傳輸模塊可以實(shí)現(xiàn)短距離（小于300米）的信號(hào)傳輸。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)不同需求

14、選擇傳感器，如電壓電流、功耗、溫濕度、液面、震動(dòng)、壓力等等。3.1.2溫濕度探頭直接使用IIC接口進(jìn)行控制。其電路原理圖如下所示： 圖6 數(shù)據(jù)采集模塊電路圖本實(shí)驗(yàn)將使用CC2530 讀取溫濕度傳感器SHT10的溫度和濕度數(shù)據(jù)，并將采樣到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換然后再LCD顯示。其中對(duì)溫濕度的讀取是利用CC2530的I/O（P1.0和P1.1）模擬一個(gè)類IIC得過(guò)程。 3.2硬件模塊設(shè)計(jì) 傳感器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)處理發(fā)送模塊，溫度傳感器，濕度傳感器和供電般構(gòu)成。數(shù)據(jù)處理模塊是由CC2530構(gòu)成，溫濕度采集采用溫濕度傳感器SHT10。其結(jié)構(gòu)圖如 溫度采溫度采集模塊濕度采集模塊數(shù)據(jù)處理模塊 電源模塊 電源模塊 圖7 硬件

15、結(jié)構(gòu)圖3.3總體結(jié)構(gòu)軟件設(shè)計(jì)3.3.1程序流程圖及核心代碼：* 函數(shù)名稱：initUART* 功能描述：CC2530 串口初始化*/void initUART(void)PERCFG = 0 x00; /位置 1 P0 口P0SEL = 0 x3c; /P0用作串口U0CSR |= 0 x80; /UART方式U0GCR |= 11; /baud_e = 11;U0BAUD |= 216; /波特率設(shè)為 115200UTX0IF = 1;U0CSR |= 0X40; /允許接收IEN0 |= 0 x84; /uart0接收中斷/* 函數(shù)名稱：UartTX_Send_String* 功能描述：串

16、口發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)* 參 數(shù)：*Data 發(fā)送數(shù)據(jù)指針* len 發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度* 返 回 值：無(wú)*/void UartTX_Send_String(UINT8 *Data,int len)int j;for(j=0;jlen;j+)U0DBUF = *Data+;while(UTX0IF = 0);UTX0IF = 0;/* 函數(shù)名稱：HAL_ISR_FUNCTION* 功能描述：串口接收數(shù)據(jù)中斷函數(shù)* 參 數(shù)：halUart0RxIsr 中斷名稱* URX0_VECTOR 中斷向量* 返 回 值：無(wú)*/HAL_ISR_FUNCTION( halUart0RxIsr, URX0_VECTOR )

17、UINT8 temp;URX0IF = 0;temp = U0DBUF;*(str + count) = temp;count+;/* 函數(shù)名稱：main* 功能描述：串口間歇發(fā)送 字符串，當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù)后，再通過(guò)串口* 回發(fā)出去。*/void main()UINT8 *uartch = ;UINT8 temp = 0;SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRYSTAL); /設(shè)置主時(shí)鐘為 32M 晶振initUART(); /初始化串口while(1)UartTX_Send_String(uartch,17); /發(fā)送 halWait(200);halWait(200);if(co

18、unt) /判斷串口是否接收到數(shù)據(jù)temp = count; /保存接收的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度halWait(50); /等待數(shù)據(jù)接收完成if(temp =count) /判斷數(shù)據(jù)是否接收完成UartTX_Send_String(str,count); /回發(fā)接收到的數(shù)據(jù) str = 0;count = 0;3.3.2開始開始系統(tǒng)時(shí)鐘初始化讀取溫濕度數(shù)據(jù)顯示溫濕度數(shù)據(jù)LCD初始化程序流程圖及核心代碼：void main() int wendu; int shidu; char s16; UINT8 adc0_value2; float shuzi = 0;SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRY

19、STAL); / 設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘源為 32MHz 晶體振蕩器GUI_Init(); / GUI 初始化GUI_SetColor(1,0); / 顯示色為亮點(diǎn)，背景色為暗點(diǎn)GUI_PutString5_7(25,6,OURS-CC2530); /顯示 OURS-CC2530GUI_PutString5_7(10,22,Temp:);GUI_PutString5_7(10,35,Humi:);GUI_PutString5_7(10,48,Light:);LCM_Refresh();while(1) th_read(&tem,&hum); /從采集模塊讀取溫度和濕度的數(shù)據(jù) sprintf(s, (ch

20、ar*)%d%d C, (INT16)(int)tempera / 10),(INT16)(int)tempera % 10); /將采集的溫度結(jié)果轉(zhuǎn)換為字符串格式 GUI_PutString5_7(48,22,(char *)s); /顯示采集的溫濕度的結(jié)果 LCM_Refresh(); sprintf(s,(char*)%d%d %,(INT16)(int)humidity / 10),(INT16)(int)humidity % 10); /將采集的濕度結(jié)果轉(zhuǎn)換為字符串的格式 GUI_PutString5_7(48,35,(char *)s); /顯示采集結(jié)果 LCM_Refresh()

21、四 總結(jié)本次為期兩周的課程設(shè)計(jì)中，主要目的是設(shè)計(jì)一個(gè)基于CC2530的智能倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個(gè)采用CC2530無(wú)線單片機(jī)進(jìn)行溫濕度的數(shù)據(jù)采集，并且結(jié)合Zigbee協(xié)議架構(gòu)進(jìn)行編程的設(shè)計(jì)，主要是基于CC2530的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)，并在IAR集成環(huán)境開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行基于Zigbee架構(gòu)的編程，節(jié)點(diǎn)模塊的調(diào)試，最后，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。在基于Zigbee無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)模塊上，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，處理以及傳輸?shù)裙δ堋?本次課程設(shè)計(jì)的完成，讓我結(jié)道，在以后的工作中，還可以繼續(xù)從以下幾個(gè)方面著手，進(jìn)行研究和改進(jìn)：1、減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗。在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)失效，不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓，減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗是不可避免要面對(duì)的問(wèn)題之一。2、減少路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中的開銷。這其實(shí)也是減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗的一種措施，盡量減少在路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中所損失的能量。3、路由選擇。路由優(yōu)化選擇可以盡量避免不必要的路由請(qǐng)求的廣播以及信息傳輸，做到這一點(diǎn)不僅可以提高效率，也可以在減少能量消