基于物聯(lián)網(wǎng)的溫濕度控制演示系統(tǒng)

*******************實踐教學*******************蘭州理工大學計算機與通信學院2023年春季學期物聯(lián)網(wǎng)綜合應用實踐課程設計題目：基于物聯(lián)網(wǎng)的溫濕度控制演示系統(tǒng)專業(yè)班級：姓名：學號：指導教師：成績：目錄摘要…………………3前言…………………4一、系統(tǒng)分析…………………5二、系統(tǒng)原理………52.1SHT10引腳特性…………………62.2溫濕度傳感器模塊………………72.3無線傳感網(wǎng)絡…………………82.4CC2530串口通信原理…………9三、硬件系統(tǒng)的詳細設計…………93.1無線傳感器通信模塊……………103.2無線傳感根本結構及實現(xiàn)原理………………113.3傳感器節(jié)點WSN網(wǎng)絡模塊設計………………113.4ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡通信標準………………13四、軟件系統(tǒng)設計…………………154.1串口通信設計……………………154.2溫度濕度傳感器模塊設計………164.3GPRS通信模塊設計……………16五、設計總結……………………19參考文獻…………20致謝………………21附錄………………22摘要物聯(lián)網(wǎng)作為朝陽的產(chǎn)業(yè)，被列為國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。溫濕度控制是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網(wǎng)絡通信技術、平安防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設備集成形成智能家居系統(tǒng)的居住環(huán)境?；谖锫?lián)網(wǎng)的無線傳感網(wǎng)絡是多學科的高度交叉，知識的高度集成的前沿熱點研究領域。它通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測,感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡方式傳送到用戶終端無線傳感器網(wǎng)絡的特性決定了其不需要較高的傳輸帶寬，而要求較低的傳輸延時和極低的功率消耗。IEEES02．15．4／ZigBee技術是近年來通信領域中的研究熱點，具有低本錢、低功耗、低速率、低復雜度的特點和高可靠性、組網(wǎng)簡單、靈活等優(yōu)勢，逐漸成為無線傳感器網(wǎng)絡事實上的國際標準。此次課程設計并實現(xiàn)了用無線傳感器網(wǎng)絡構成的分布式溫度濕度監(jiān)控系統(tǒng)。關鍵詞：GPRS、ZIGBEE、串口通信、傳感器網(wǎng)絡前言家居環(huán)境是指家庭團聚、休息、學習和家務勞動的環(huán)境。家居環(huán)境條件的好壞，直接影響著居民的發(fā)病率和死亡率。城市居民每天在室內(nèi)工作、學習和生活的時間占全天時間的90%左右，因此，居室環(huán)境與人類健康和兒童生長發(fā)育的關系極為密切。隨著人們生活水平的提高和科技的開展，家居智能化已成為一種必然趨勢而深入千家萬戶。家居智能化是利用計算機、通信、網(wǎng)絡、電力自動化、信息、結構化布線、無線等技術將所有不同的設備應用和綜合功能互連于一體的系統(tǒng)。它以住宅為平臺，兼?zhèn)浣ㄖ?、網(wǎng)絡家電、通信、家電設備自動化、遠程醫(yī)療、家庭辦公、娛樂等功能，集系統(tǒng)、結構、效勞、管理為一體的平安、便利、舒適、節(jié)能、娛樂、高效、環(huán)保的居住環(huán)境。隨著人們對健康的不斷重視,加強對家居環(huán)境的環(huán)境狀況的實時監(jiān)測與治理，為人們提供一個平安、健康、舒適的生活環(huán)境,已經(jīng)成為十分迫切的市場需求.嵌入式技術的開展，為環(huán)境環(huán)境檢測提供了更進一步的保障?；谖锫?lián)網(wǎng)的環(huán)境信息采集系統(tǒng)包含感知層、傳輸層、應用層三個層面；傳輸層常見的有溫濕度、煙感、一氧化碳、壓力等嵌入式傳感器模塊，傳輸層包括有線通信和無線通信兩局部，應用層包括各種終端。在室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測領域，以嵌入式技術為根底，結合ZigBee技術可以實現(xiàn)、準確、完整、可靠的反響環(huán)境信息，做到實時監(jiān)控。一、系統(tǒng)分析該系統(tǒng)通過具有IIC總線接口的單片全校準字式新型相對溫濕度傳感器SHT10實現(xiàn)對溫濕度的采集，將信號送至ZigBee技術，從節(jié)點采集溫濕度數(shù)據(jù)每隔一定的時間輪流向主節(jié)點發(fā)送，主節(jié)點收到數(shù)據(jù)之后通過串口將各節(jié)點的溫濕度數(shù)據(jù)傳給智能主板。具體步驟描述:〔1〕給智能主板供電〔USB外接電源或2節(jié)干電池〕；〔2〕將一個無線節(jié)點模塊插入到帶LCD的智能主板的相應位置；〔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展口位置；〔4〕接下來將CC2530仿真器的一端通過USB線〔A型轉B型〕連接到PC機，另一端通過10Pin下載線連接到智能主板的CC2530JTAG口〔J203〕；〔5〕將智能主板上電源開關撥至開位置。按下仿真器上的按鈕，仿真器上的指示燈為綠色時，表示連接成功；〔6〕從北京奧爾斯電子科技生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實驗系統(tǒng)OURS—IOTU2—2530下載HumiTempLight.eww文件，并運行程序；〔7〕接受關于室內(nèi)的溫度、濕度的變化情況,并記錄數(shù)據(jù)；〔8〕將采集的數(shù)據(jù)通過GPRS通信模塊傳送給用戶，將信息及時反響給用戶；二、根本原理 本實驗將使用CC2530讀取室內(nèi)溫度濕度，并將室內(nèi)的溫濕度的綜合信息整合傳送到戶主的通訊設備。由溫濕度傳感器SHT10的溫度和濕度數(shù)據(jù)，并通過CC2530內(nèi)部的ADC得到數(shù)據(jù)，然后將采樣到的數(shù)據(jù)轉換然后在LCD上顯示，最后與互聯(lián)網(wǎng)連接，將所采集的數(shù)據(jù)傳輸給用戶，等待用戶的信息反響。其中對溫濕度的讀取是利用CC2530的I/O〔P1.0和P1.1〕模擬一個類IIC的過程。其中該系統(tǒng)所使用的SHT10是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全標定的數(shù)字輸出。它采用專利的CMOSens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。傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上，與14位的A/D轉換器以及串行接口電路實現(xiàn)無縫連接。2.1SHT10引腳特性SHT10是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全標定的數(shù)字輸出。它采用專利的CMOSens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。傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上，與14位的A/D轉換器以及串行接口電路實現(xiàn)無縫連接。SHT10引腳特性如下：(1)VDD，GNDSHT10的供電電壓為2.4~5.5V。傳感器上電后，要等待11ms以越過“休眠〞狀態(tài)。在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳〔VDD，GND〕之間可增加一個100nF的電容，用以去耦濾波。(2)SCK用于微處理器與SHT10之間的通訊同步。由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，因而不存在最小SCK頻率。(3)DATA三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。DATA在SCK時鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK時鐘高電平時，DATA必須保持穩(wěn)定。為防止信號沖突，微處理器應驅動DATA在低電平。需要一個外部的上拉電阻〔例如：10kΩ〕將信號提拉至高電平。上拉電阻通常已包含在微處理器的I/O電路中。1、向SHT10發(fā)送命令：用一組“啟動傳輸〞時序，來表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?。它包括：當SCK時鐘高電平時DATA翻轉為低電平，緊接著SCK變?yōu)榈碗娖?，隨后是在SCK時鐘高電平時DATA翻轉為高電平。后續(xù)命令包含三個地址位〔目前只支持“000〞〕，和五個命令位。SHT10會以下述方式表示已正確地接收到指令：在第8個SCK時鐘的下降沿之后，將DATA拉為電平〔ACK位〕。在第9個SCK時鐘的下降沿之后，釋放DATA〔恢復高電平〕。2、測量時序(RH和T)：發(fā)布一組測量命令〔‘00000101’表示相對濕度RH，‘00000011’表示溫度T〕后，控制器要等待測量結束。這個過程需要大約11/55/210ms，分別對應8/12/14bit測量。確切的時間隨內(nèi)部晶振速度，最多有±15%變化。SHTxx通過下拉DATA至低電平并進入空閑模式，表示測量的結束?？刂破髟谠俅斡|發(fā)SCK時鐘前，必須等待這個“數(shù)據(jù)備妥〞信號來讀出數(shù)據(jù)。檢測數(shù)據(jù)可以先被存儲，這樣控制器可以繼續(xù)執(zhí)行其它任務在需要時再讀出數(shù)據(jù)。接著傳輸2個字節(jié)的測量數(shù)據(jù)和1個字節(jié)的CRC奇偶校驗。uC需要通過下拉DATA為低電平，以確認每個字節(jié)。所有的數(shù)據(jù)從MSB開始，右值有效〔例如：對于12bit數(shù)據(jù)，從第5個SCK時鐘起算作MSB；而對于8bit數(shù)據(jù)，首字節(jié)那么無意義〕。用CRC數(shù)據(jù)確實認位，說明通訊結束。如果不使用CRC-8校驗，控制器可以在測量值LSB后，通過保持確認位ack高電平，來中止通訊。在測量和通訊結束后，SHTxx自動轉入休眠模式。3、通訊復位時序：如果與SHTxx通訊中斷，以下信號時序可以復位串口：當DATA保持高電平時，觸發(fā)SCK時鐘9次或更多。在下一次指令前，發(fā)送一個“傳輸啟動〞時序。這些時序只復位串口，狀態(tài)存放器內(nèi)容仍然保存.2.2溫濕度傳感器模塊溫濕度探頭直接使用IIC接口進行控制，光敏探頭經(jīng)運放處理后輸出電壓信號到AD輸入。IIC接口將同時連接EEPROM以及溫濕度傳感器兩個設備，將采用使用不同的IIC設備地址的方式進行區(qū)分。使用10～12bit的AD采集器進行光敏信號采集，使用專用溫濕度傳感器(IIC接口)進行溫濕度信號采集。一次采樣使用2字節(jié)描述，MSB方式，溫濕度及光電傳感器模塊輸出數(shù)據(jù)結構如下：〔1〕僅采集溫度信息：溫度數(shù)據(jù)高字節(jié)，溫度數(shù)據(jù)低字節(jié)?！?〕僅采集濕度信息：濕度數(shù)據(jù)高字節(jié)，濕度數(shù)據(jù)低字節(jié)?！?〕采集全部信息：溫度數(shù)據(jù)高字節(jié)，溫度數(shù)據(jù)低字節(jié)，濕度數(shù)據(jù)高字節(jié)，濕度數(shù)據(jù)低字節(jié)。〔注意：本指令一次測量，最多只上傳1次采集數(shù)據(jù)，不支持連續(xù)采集數(shù)據(jù)上傳〕。無線傳感器網(wǎng)絡〔WirelessSensorNetwork,簡稱WSN〕就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了無線傳感器網(wǎng)絡的三個要素。隨著微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanismSystem,簡稱MEMS)、片上系統(tǒng)〔SOC，SystemonChip〕、無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速開展,孕育出無線傳感器網(wǎng)絡(WirelessSensorNetworks,WSN)，并以其低功耗、低本錢、分布式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革。無線傳感器網(wǎng)絡就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡。很多人都認為，這項技術的重要性可與因特網(wǎng)相媲美：正如因特網(wǎng)使得計算機能夠訪問各種數(shù)字信息而可以不管其保存在什么地方，傳感器網(wǎng)絡將能擴展人們與現(xiàn)實世界進行遠程交互的能力。它甚至被人稱為一種全新類型的計算機系統(tǒng)，這就是因為它區(qū)別于過去硬件的可到處散布的特點以及集體分析能力。然而從很多方面來說，現(xiàn)在的無線傳感器網(wǎng)絡就如同遠在1970年的因特網(wǎng)，那時因特網(wǎng)僅僅連接了不到200所大學和軍事實驗室，并且研究者還在試驗各種通訊協(xié)議和尋址方案。而現(xiàn)在，大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡只連接了不到100個節(jié)點，更多的節(jié)點以及通訊線路會使其變得十分復雜難纏而無法正常工作。另外一個原因是單個傳感器節(jié)點的價格目前還并不低廉，而且電池壽命在最好的情況下也只能維持幾個月。不過這些問題并不是不可逾越的，一些無線傳感器網(wǎng)絡的產(chǎn)品已經(jīng)上市，并且具備引人入勝的功能的新產(chǎn)品也會在幾年之內(nèi)出現(xiàn)。無線傳感器網(wǎng)絡所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象?；贛EMS的微傳感技術和無線聯(lián)網(wǎng)技術為無線傳感器網(wǎng)絡賦予了廣闊的應用前景。這些潛在的應用領域可以歸納為:軍事、航空、反恐、防爆、救災、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領域。2.4CC2530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)存放器UxCSR以及UART控制存放器UxUCR來控制。這里的x是USART的編號，其數(shù)值為0或者1。當UxCSR.MODE設置為1時，就選擇了UART模式。當USART收/發(fā)數(shù)據(jù)緩沖器、存放器UxBUF寫入數(shù)據(jù)時，該字節(jié)發(fā)送到輸出引腳TXDx。UxBUF存放器是雙緩沖的。當字節(jié)傳輸開始時，UxCSR.ACTIVE位變?yōu)楦唠娖?，而當字?jié)傳送結束時為低。當傳送結束時，UxCSR.TX_BYTE位設置為1.當USART收/發(fā)數(shù)據(jù)緩沖存放器就緒，準備接收新的發(fā)送數(shù)據(jù)時，就產(chǎn)生了一個中斷請求。該中斷在傳送開始之后立刻發(fā)生，因此，當字節(jié)正在發(fā)送時，新的字節(jié)能夠裝入數(shù)據(jù)緩沖器。當1寫入UxCSR.RE位時，在UART上數(shù)據(jù)接收就開始了。然后UART會在輸入引腳TXDx中尋找有效起始位，并且設置UxCSR.ACTIVE位為1.當檢測出有效起始位時，收到的字節(jié)就傳入到接收存放器，UxCSR.RX_BYTE位設置為1.該操作完成時，產(chǎn)生接收中斷。同時UxCSR.ACTIVE變?yōu)榈碗娖健Ｍㄟ^存放器UxBUF提供到的數(shù)據(jù)字節(jié)。當UxBUF讀出時，UxCSR.RX_BYTE位由硬件清0。三、硬件系統(tǒng)的詳細設計 本設計是基于CC2530的智能家居溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計。因此，其重點是溫濕度數(shù)據(jù)采集設計的實現(xiàn)，主要可分為二大局部，一是實現(xiàn)無線傳感的硬件模塊；二是實現(xiàn)無線傳感的軟件支持，也就是Zigbee協(xié)議框架的編程。實現(xiàn)濕度數(shù)據(jù)采集的硬件局部主要包括：無線傳感器通信模塊、無線傳感根本結構實現(xiàn)原理、本設計所使用的試驗箱以及軟件支持、常見的無線傳感模塊以及實現(xiàn)基于CC2530的溫濕度采集系統(tǒng)節(jié)點模塊設計。實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)采集的軟件局部主要包括：Zigbee協(xié)議棧整體構架，Zigbee協(xié)議棧網(wǎng)絡層。圖〔1〕智能家居邏輯圖基于物聯(lián)網(wǎng)溫濕度采集系統(tǒng)的硬件局部可以大體有無線傳感根本結構、無線傳感實現(xiàn)原理、本設計所使用的試驗箱以及軟件支持、常見的無線傳感模塊以及實現(xiàn)基于CC2530的溫濕度采集系統(tǒng)節(jié)點模塊設計等組成。其具體內(nèi)容如下：無線節(jié)點模塊：主要由射頻單片機構成，MCU是TI的CC2530，2.4G載頻棒狀天線。傳感及控制模塊：系列傳感及控制模塊，包括溫度傳感模塊、濕度傳感模塊、繼電器模塊和RS232模塊等，也可以通過總線擴展用戶自己的傳感器及控制器部件。電源板或智能主板：即實現(xiàn)無線節(jié)點模塊與傳感及控制模塊的連接，又實現(xiàn)系統(tǒng)供電，目前主要兩節(jié)電池供電，保存外接電源接口，可以直接由直流電源供電。圖〔2〕無線傳感器節(jié)點結構3.2無線傳感根本結構及實現(xiàn)原理無線傳感器網(wǎng)絡在設計目標方面是以數(shù)據(jù)為中心的，在無線傳感器網(wǎng)絡中，因為節(jié)點通常運行在人無法接近的惡劣甚至危險的遠程環(huán)境中，所以除了少數(shù)節(jié)點也要移動外，大局部節(jié)點是靜止不動的。在被檢測區(qū)域內(nèi)，節(jié)點任意散落，節(jié)點除了需要完成感測特定的對象外，還需要進行簡單的計算，維持互相之間的網(wǎng)絡連接等功能。并且由于能源的無法替代以及低功耗的多跳通信模式，設計無線傳感節(jié)點時，有效的延長網(wǎng)絡的生命周期以及節(jié)點的低功耗成為無線傳感器網(wǎng)絡研究的核心問題，其無線傳感節(jié)點模型如以下圖：圖〔3〕無線傳感節(jié)點模塊無線傳感網(wǎng)絡的建立是基于傳感器加無線傳輸模塊的，傳感器采集的數(shù)據(jù)，簡單處理后經(jīng)過無線傳輸模塊傳到效勞器或應用終端。目標，觀測節(jié)點，傳感節(jié)點和感知視場是無線傳感器網(wǎng)絡所包括的4個根本實體對象。大量傳感節(jié)點隨機部署，單個節(jié)點進過初始的通信和協(xié)議，通過自組織方式自行配置，形成一個傳輸信息的單跳鏈接或一系列無線網(wǎng)絡節(jié)點組成的網(wǎng)絡，協(xié)同形成對目標的感知視場。傳感節(jié)點檢測的目標信號經(jīng)過傳感器本地簡單處理后通過單播或播送以多跳的方式通過鄰近傳感節(jié)點傳輸?shù)接^測節(jié)點。用戶和遠程任務管理單元那么能夠通過衛(wèi)星通信網(wǎng)絡或Inteernet等外部網(wǎng)絡，與觀測節(jié)點進行數(shù)據(jù)信息的交互。觀測節(jié)點向網(wǎng)絡發(fā)布查詢請求和控制指令，接受傳感節(jié)點返回的目標信息。3.3傳感器節(jié)點WSN網(wǎng)絡模塊設計運算放大器是把采集的信號放大，傳輸?shù)絑igBee無線模塊,運算放大器是延時作用,繼電器是相當一個開關的作用，在這里只要有信號輸出，繼電器就閉合，其余的時間都是斷開的,喇叭有報警的作用,PT2262是無線模塊的芯片，是發(fā)送信號給中心控制器。通過傳感器采集到的數(shù)據(jù)，由ZigBee無線模塊傳輸?shù)焦?jié)點控制器，然后由紅外發(fā)射芯片IR6721C芯片進行家電設備控制信號的發(fā)射，可以完成家庭內(nèi)部控制和GPRS遠程控制；使用通信串口連接無線數(shù)據(jù)傳輸芯片ZigBee網(wǎng)絡模塊,ZigBee網(wǎng)絡模塊是UART接口半雙工無線傳輸模塊。本次試驗采用了加強型的ZigBee無線技術，符合工業(yè)標準應用的無線數(shù)據(jù)通信設備，可實現(xiàn)多設備間的數(shù)據(jù)透明傳輸；通過無線ZigBee進行組網(wǎng)通信，無線功能強大，具備中繼路由和終端設備功能。圖〔4〕網(wǎng)絡模塊硬件結構框圖當通過傳感器采集的數(shù)據(jù)由Zigbee模塊傳送到節(jié)點控制局部，這些信息與室內(nèi)遍布的網(wǎng)絡系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫中存儲、分析并且由網(wǎng)絡傳送給用戶，家庭中的網(wǎng)絡信號覆蓋如圖圖〔5〕家庭中的網(wǎng)絡信號覆蓋圖3.4ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡通信標準無線傳感器技術是目前無線通信領域內(nèi)研究的一個熱點技術，它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理，并通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡以多跳中繼方式將所感知的信息傳送到用戶終端。所謂傳感器網(wǎng)絡是由大量部署在一定區(qū)域內(nèi)的、具有無線通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點通過自組織方式構成的能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務的分布式智能化網(wǎng)絡系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點間距離很短，一般采用多跳(multi-hop)的無線通信方式通信。傳感器網(wǎng)絡可以在獨立的環(huán)境下運行，也可以通過網(wǎng)關連接到互聯(lián)網(wǎng)，使用戶遠程訪問[4]。ZigBee技術譯為紫蜂技術，是一個有關組網(wǎng)、平安和應用軟件方面的新型傳感器網(wǎng)絡，被稱作IEEE802.15.4(ZigBee)技術標準在標準化方面，IEEE802.15.4工作組主要負責制定物理層和MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標準，高層應用、測試和市場推廣等方面的工作將由ZigBee聯(lián)盟負責。其結構簡單、低功耗、低速率、低本錢和可靠性高的雙向無線網(wǎng)絡通信技術，主要適合于自動控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。完整的ZigBee協(xié)議套件由高層應用層、應用會聚層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。其協(xié)議如下圖：應用層會聚層網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)鏈路層LLCMAC物理層物理層分別是2.4GHz物理層和868／915MHz物理層，它們都基于DSSS(DirectSequenceSpreadSpectrum，直接序列擴頻)技術，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術、擴頻碼片長度和傳輸速率。其中2.4GHz波段為全球統(tǒng)一的無需申請的ISM頻段，有助于ZigBee設備的推廣和生產(chǎn)本錢的降低，該頻段的物理層使用了16個信道、250kb/s的傳輸速率。數(shù)據(jù)鏈路層分為邏輯鏈路控制子層(LLC)和介質(zhì)訪問控制子層(MAC)。LLC子層功能包括傳輸可靠性保障、數(shù)據(jù)包的分段與重組、數(shù)據(jù)包的順序傳輸；MAC層通過SSCS(Service—SpecificConvergenceSublayer，業(yè)務相關的會聚子層)協(xié)議能支持多種LLC標準，其功能包括設備間無線鏈路的建立、維護和撤除、確認模式的幀傳送與接收、信道接入控制、幀校驗、預留時隙管理和播送信息管理。網(wǎng)絡層采用基于adhoc技術的網(wǎng)絡協(xié)議，功能包括拓撲管理、MAC管理、路由管理和平安管理根據(jù)節(jié)點的不同角色，可分為全功能設備(FullFunctionDevice；FFD)與精簡功能設備(ReducedFunctionDevice；RFD)。前者具備控制器(Controller)的功能，能夠提供數(shù)據(jù)交換；后者電路較為簡單且存儲體容量較小，只能傳送數(shù)據(jù)給FFD或從FFD接收數(shù)據(jù)。應用會聚層負責把不同的應用映射到ZigBee網(wǎng)絡層上，包括平安與鑒權、多個業(yè)務數(shù)據(jù)流的會聚、設備發(fā)現(xiàn)和業(yè)務發(fā)現(xiàn)。應用層定義了各種類型的應用業(yè)務是協(xié)議棧的最上層用戶。3.5ZigBee技術的優(yōu)勢1. 低功耗。在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6-24個月，甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比擬，藍牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時。2. 低本錢。通過大幅簡化協(xié)議〔不到藍牙的1/10〕，降低了對通信控制器的要求，按預測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利費。3. 低速率。ZigBee工作在250kbps的通訊速率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應用需求。4. 近距離。傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1-3km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。5. 短時延。ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需30ms，進一步節(jié)省了電能。相比擬，藍牙需要3-10s、WiFi需要3s。6.高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構，由一個主節(jié)點管理假設干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡節(jié)點管理，最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng)。7.高平安。ZigBee提供了三級平安模式，包括無平安設定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標準(AES128)的對稱密碼，以靈活確定其平安屬性。8.免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)療2.4GHz(全球)(ISM)頻段。ZigBee的這些特點使之最適合作為傳感器網(wǎng)絡的標準。四、軟件系統(tǒng)設計圖(7)串口通信流程圖實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的采集的軟件局部主要有ZigBee技術概述，協(xié)議棧整體架構，ZigBee協(xié)議棧網(wǎng)絡層，AODV路由協(xié)議等幾局部組成。而ZigBee協(xié)議層主要包括：網(wǎng)絡層概述，網(wǎng)絡層所實現(xiàn)的功能，網(wǎng)絡層中常用的路由協(xié)議。AODV路由協(xié)議主要包括：協(xié)議概述，協(xié)議的根本原理，AODV路由協(xié)議消息控制幀。以下將是溫濕度采集的軟件局部各局部的集體介紹：圖(8)數(shù)據(jù)采集流程圖4.3GPRS通信模塊設計以ARM6410為總控制核心，通過GPRS進行遠程數(shù)據(jù)的發(fā)送與處理，使用6410串口與GPRS進行數(shù)據(jù)通信，可以將家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)信息發(fā)送給遠離房間的主人，并可以通過主人發(fā)送的控制信息控制房間內(nèi)家電設備。GPRS通信模塊安裝在智能家居控制器中，主要功能為通過GPRS網(wǎng)絡連接到Internet網(wǎng)絡，并主動與監(jiān)控中心建立通信鏈路，進行雙向數(shù)據(jù)通信。此局部采用的是華為MC703的模塊接收和傳送用戶短信息。單片機對收到信息進行解釋同時將處理結果通過ZigBee無線網(wǎng)絡傳給相應節(jié)點到達控制目的，實現(xiàn)外部網(wǎng)絡對室內(nèi)控制。GPRS通信模塊設計采用了內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的G24GPRSOEM。該模塊尺寸小，功耗低，便于集成。GPRS通信終端收發(fā)模塊主要由G24模塊、天線、SIM卡、相關的電平轉換電路和RS232串口組成。其供電電壓為5V,可采用USB端口供電；通過RS232串行口與智能家居控制器ARM進行通信。單片機與GSM模塊采用串行異步通信接口，由于單片機與GSM模塊工作電平不一致，二者之間要用電平轉換電路連接。GSM模塊通過I2C總線擴展了一個E2PROM存儲器芯片AT24C64，其主要作用是存儲發(fā)送的短消息。該芯片能夠反復擦/寫，能夠持久保存數(shù)據(jù)，而且斷電信息也不會喪失，這些特性正是存儲數(shù)據(jù)所必需的。在單片機通過I2C總線擴展了一個Flash存儲器，系統(tǒng)選用Am29F016D作為閃存(Flash)，單片存儲容量為2M字節(jié)，16位數(shù)據(jù)寬度，用于存放顯字庫信息?，F(xiàn)在市場上大多數(shù)均支持GSM07.05規(guī)定的AT指令集。該指令集是ETSI〔歐洲通信技術委員會〕發(fā)布的，其中包含了對SMS的控制。利用GSM的串行接口，單片機向發(fā)送一系列的AT命令，就能到達控制GSM模塊接收SMS的目的。必須注意的是，用單片機實現(xiàn)時，編程必須注意它接收到的響應都是字符的ASCII碼。收發(fā)模塊采用AT指令操作，通過RS232串行口進行數(shù)據(jù)通信[12]。AT命令使計算機或終端與調(diào)制解調(diào)器通訊?？梢园凑兆约旱男枰O置您的調(diào)制解調(diào)器，AT指令的所有命令行必須由ASCII字符“AT〞開始并由<Enter>結束。在輸入一條命令期間，可以用退格鍵(backspace)改正除"AT"以外的錯誤。假設命令行中任一處出現(xiàn)語法錯誤，本行其后的內(nèi)容將被忽略，并返回ERROR。大數(shù)帶有超出正常范圍的參數(shù)的命令將不被接收并返回ERROR。圖〔9〕常見的AT常用指令這局部程序是單片機從GPRS模塊讀取信息。當控制端發(fā)來命令時，立即響應，并將控制端的SIM卡號和短信內(nèi)容都通過串口傳到SystemBuf數(shù)組中，單片機可以從此數(shù)組讀到命令。圖〔10〕GPRS協(xié)議系統(tǒng)的每個指令都可以同過嵌入式的指令方式，存儲在單片機的存儲芯片中，當無線手持設備遠程發(fā)送信息指令時，單片機芯片進行信息的讀取，分析，處理，做出如指令需求的所相應的操作。這樣我們便可以在串口中將獲得的數(shù)據(jù)發(fā)送出去,空調(diào)翻開。整個數(shù)據(jù)處理都是要經(jīng)過中心控制器的讀取，分析，發(fā)送指令。五、設計總結在無線傳輸技術種類多樣，各有優(yōu)勢。ZigBee作為一種新出現(xiàn)的無線通信技術，以其協(xié)議簡單、本錢低、功耗小、組網(wǎng)容易等特點，在家用系統(tǒng)控制、樓宇自動化、工業(yè)監(jiān)控領域具有廣闊的市場空間，本文主要以ZigBee為主要的無線通信，這在家居行業(yè)的技術開展和應用方面的研究具有前沿性和實用性。經(jīng)過此次為期六周的嵌物聯(lián)網(wǎng)原理及應用的課程設計，我們根本完成了《基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)環(huán)境信息采集及控制系統(tǒng)設計》，的要求.這次課設我對以下的內(nèi)容進行了綜合的操作：1、熟悉了物聯(lián)網(wǎng)實驗箱及各種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能室內(nèi)信息采集終端設備〔溫濕度、煙感、壓力等傳感器嵌入式設備〕以及信息發(fā)送過程；2、掌握C了語言的串口數(shù)據(jù)收集的原理及應用；3、了解了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居〔室內(nèi)信息采集及發(fā)送〕的一般過程；4、完成了課設任務書的書寫。課程設計是一個將理論運用于實踐的過程，是將所學知識進行升華的過程。在此過程中不僅培養(yǎng)了我們獨立思考、動手操作的能力，更重要的是，在實驗課上，我們學會了很多學習的方法。而這是日后最實用的，真的是受益匪淺。要面對社會的挑戰(zhàn)，只有不斷的學習、實踐，再學習、再實踐。這對于我們的將來也有很大的幫助。以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂，找尋有趣的事情，發(fā)現(xiàn)其中珍貴的事情。實驗過程中，也對團隊精神的進行了考察，讓我們在合作起來更加默契，在成功后一起體會喜悅的心情。但是由于時間和資源有限，這里并沒有將自己所有的想法都付諸實踐。而且，由于知識水平所限，在系統(tǒng)設計當中也必然存在著很多漏洞和缺乏。不過，我始終覺得這是一個很好的工程，很具有實際意義，如果有可能，我會繼續(xù)將它完善，做得更好。參考文獻李俊斌，胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信網(wǎng)絡的應用設計,程瑞龍.嵌入式實時操作系統(tǒng)在基站環(huán)境采集系統(tǒng)中的應用.科技信息(學術研究)，2023年23期宋俊德，戰(zhàn)曉蘇，無線通信與網(wǎng)絡[M].國防工業(yè)出版社.2023,13-14劉舉平.基于GSM技術的智能家居遠程控制器設計[J].微型計算機.2023，5姚萬華.關于物聯(lián)網(wǎng)的概念及根本內(nèi)涵[M].中國信息界，2023,67-68致謝此次課設是對之前所有所學物聯(lián)網(wǎng)知識的一次具體的運用，是對所學知識的一次總結和升華。課設的順利完成離不開老師的悉心指導和同學的幫助鼓勵。在此感謝我的代課和指導老師馬維俊老師，在平時的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)知識學習中馬老師給了我莫們大的幫助，課設中馬老師對于完成室內(nèi)信息的采集給了我們指導性的意見，對于所遇到的問題給予了詳細的解答，表達出了嚴謹求實的態(tài)度，值得我們學習。感謝我的同學，在搜集資料的過程中給與我實實在在的幫助，讓我能夠有充足的資源和信息，為課程設計的實施過程開辟了良好的空間。在遇到一些類似的問題時，可以相互討論和交流經(jīng)驗，起到了很好的促進作用。在設計的過程中給與的關心和鼓勵，給了我莫大的動力。此次設計也讓我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及時請教或上網(wǎng)查詢，只要認真鉆研，動腦思考，動手實踐，就沒有弄不懂的知識，收獲頗豐.在此,感謝馬維軍老師的授課與耐心指導，感謝所有幫助我完成基于物聯(lián)網(wǎng)綜合運用設計論文的老師和同學們。附錄一串口通信的核心代碼:代碼清單：/***************************************************************/*函數(shù)名稱：initUART*功能描述：CC2530串口初始化/****************************************************************/voidinitUART(void){PERCFG=0x00;//位置1P0口P0SEL=0x3c;//P0用作串口U0CSR|=0x80;//UART方式U0GCR|=11;//baud_e=11;U0BAUD|=216;//波特率設為115200UTX0IF=1;U0CSR|=0X40;//允許接收IEN0|=0x84;//uart0接收中斷}/***************************************************************/*函數(shù)名稱：UartTX_Send_String*功能描述：串口發(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)長度*返回值：無/****************************************************************/voidUartTX_Send_String(UINT8*Data,intlen){intj;for(j=0;j<len;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/****************************************************************/HAL_ISR_FUNCTION(halUart0RxIsr,URX0_VECTOR){UINT8temp;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ourselec字符串，當串口接收到數(shù)據(jù)后，再通過串口*回發(fā)出去。/****************************************************************/voidmain(){UINT8*uartch="ourselec";UINT8temp=0;SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRYSTAL);//設置主時鐘為32M晶振initUART();//初始化串口while(1){halWait(200);halWait(200);if(count)//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;}}}}附錄二溫濕度采集系統(tǒng)的程序：voidmain(){inttempera;inthumidity;chars[16];UINT8adc0_value[2];floatnum=0;SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRYSTAL);