1、基于嵌入式的室內環(huán)境信息采集控制演示系統設計摘要： 嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可定制，適用于不同應用場合，對功能，可靠性，成本，體積，功耗有嚴格要求的專用計算機系統。它一般由嵌入式微處理器，外圍硬件設備，嵌入式操作系統，用戶應用程序4個部分組成。用于實現對其他設備的控制，監(jiān)視或管理等功能。本文設計了一種室內環(huán)境溫度信息采集控制系統，它是基于北京奧爾斯電子科技有限公司生產的物聯網創(chuàng)新實驗系統OURSIOTU22530，利用其中的CC2530及幾種相應傳感器模塊采集室內環(huán)境溫濕度電信號，并通過帶有LCD的智能主板顯示出來。文章介紹了該系統的基本原理，系統分析，詳細設計及實

2、現流程圖，并重點介紹了串口數據收集的原理，通過嵌入式設備完成室內環(huán)境信息的采集至網關設備，通過上下位機實現終端嵌入式設備的信息收集及相關設備的控制，并采用ZiBbee無線通信技術結合溫濕度傳感器來實現信息的采集與傳輸的。關鍵字：溫濕度采集，串口通信，ZiBee,傳感器。正文：一、前言在科技不斷發(fā)展的今天，環(huán)境條件的溫濕度指標是成為許多工作場合的重要參數，尤其是室內環(huán)境中的溫濕度，溫度和濕度的變化直接影響著人們的日程生活。溫濕度的過高或過低都會影響室內事物的變化，所以有必要測量和控制室內的溫濕度，不同的室內環(huán)境對溫濕度的要求各不相同。本設計是一種基于CC2530和數字溫濕度傳感器的溫濕度采集系統

3、。即該系統是采用ZigBee無線通信技術結合傳感器，并通過運用ZigBee協議構架組建無線傳感網絡，來實現主從節(jié)點的數據采集和傳輸的，同時，需要在網絡層通過AODV路由協議來進行節(jié)點間的連接以及數據的收發(fā)。總之，基于無線傳感技術的無線網絡傳感器是一種將傳感器、控制器、計算能力、通信能力完美的結合于一身的嵌入式設備。它們跟外界的物理環(huán)境交互，適時地采集信息，并且將采集到的信息通過無線傳感網絡傳送給遠程用戶。無線網絡傳感器一般是由一個低功耗的微控制器(MCU)和若干個存儲器，無線電/光通信裝置、傳感器等組件所集成的，通過傳感器及通信裝置和它們所處的外界物理環(huán)境進行交互。由此而引入的無線傳感網絡更是

4、一種開創(chuàng)了新的應用領域的新興概念和技術，廣泛被應用與醫(yī)療領域、大規(guī)模環(huán)境監(jiān)測、智能建筑、戰(zhàn)場監(jiān)視、智能家居、工業(yè)自動化和大區(qū)域內的目標追蹤等領域。所以說不管是工業(yè)，農業(yè)，軍事及氣象預報領域，還是人類生活的環(huán)境都需要對溫度和濕度的環(huán)境進行測量和控制。因而，研制可靠且使用的溫濕度測量裝置顯得非常重要。尤其是要實現大環(huán)境中的溫濕度測量和自動控制，采用有線網絡的方案難以實現，本文提出采用基于ZigBee 技術的無線溫濕度測量與傳輸的方案，通過無線通信模塊實現溫濕度傳感器和智能主板之間的交互，實現對網絡采集的數據統一管理和分析。該系統具有快速展開，穩(wěn)定可靠，可維護性好的特點。總的來說，我們的工作及生活在

5、無形的改變著，變得更精致更高效更美麗。而這無形中進行著的神奇改變的關鍵莫過于高端的技術嵌入式系統開發(fā)技術及無線技術。二、基本原理 本實驗將使用 CC2530 讀取溫濕度傳感器 SHT10 的溫度和濕度數據，并通過 CC2530 內部的 ADC 得到光照傳感器的數據。最后將采樣到的數據轉換然后在 LCD 上顯示。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，提供全標定的數字輸出。它采用專利的CMOSens技術，確保產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

6、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無縫連接。2.1 SHT10引腳特性SHT10 是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片， 提供全標定的數字輸出。它采用專利的CMOSens 技術，確保產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無縫連接。 SHT10 引腳特性如下： (1)VDD，GND SHT10 的供電電壓為 2.45.5V。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

7、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)門用于數據的讀取。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。數據傳輸期間，在 SCK 時鐘高電平時，DATA 必須保持穩(wěn)定。為避免信號沖突，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：10k）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，

8、來表示數據傳輸的初始化。它包括：當 SCK 時鐘高電平時DATA 翻轉為低電平，緊接著 SCK 變?yōu)榈碗娖剑S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 11/55/21

9、0ms，分別對應8/12/14bit 測量。確切的時間隨內部晶振速度，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。控制器在再次觸發(fā) SCK 時鐘前，必須等待這個“數據備妥”信號來讀出數據。檢測數據可以先被存儲，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據。接著傳輸2 個字節(jié)的測量數據和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)。所有的數據從 MSB 開始，右值有效（例如：對于 12bit 數據，從第 5 個SCK 時鐘起算作 MSB； 而對于 8bit 數據， 首字節(jié)則無意義）。用 CRC 數據的確認位，

10、表明通訊結束。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，下列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)寄存器內容仍然保留.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

11、設備地址的方式進行區(qū)分。其電路原理圖如下所示： 圖（1）溫濕度傳感器模塊原理圖使用 1012bit 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據結構如下：（1）僅采集溫度信息 溫度數據高字節(jié)，溫度數據低字節(jié)。 （2）僅采集濕度信息 濕度數據高字節(jié)，濕度數據低字節(jié)。（4）采集全部信息 溫度數據高字節(jié)，溫度數據低字節(jié)，濕度數據高字節(jié)，濕度數據低字節(jié)。 注意：本指令一次測量，最多只上傳 1 次采集數據，不支持連續(xù)采集數據上傳。 2.3 CC2530串口通信原理 UART 接口可以使用

12、 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 來控制。這里的 x 是 USART 的編號，其數值為 0 或者 1。 當 UxCSR.MODE 設置為 1 時，就選擇了 UART 模式。 當 USART 收/發(fā)數據緩沖器、寄存器 UxBUF 寫入數據時，該字節(jié)發(fā)送到輸出引腳 TXDx。UxBUF 寄存器是雙緩沖的。 當字節(jié)傳輸開始時，UxCSR.ACTIVE 位變?yōu)楦唠娖剑斪止?jié)傳送結束時為低。當傳送結束時，UxCSR.TX_BYTE 位設置為 1.當 USART

13、 收/發(fā)數據緩沖寄存器就緒，準備接收新的發(fā)送數據時，就產生了一個中斷請求。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)能夠裝入數據緩沖器。 當 1 寫入 UxCSR.RE 位時，在 UART 上數據接收就開始了。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)就傳入到接收寄存器，UxCSR.RX_BYTE 位設置為 1.該操作完成時，產生接收中斷。同時UxCSR.ACTIVE 變?yōu)榈碗娖健?通過寄存器 UxBUF 提供到的數據字節(jié)。當 UxBUF 讀出時，UxCSR.RX_BYTE 位由硬件

14、清 0。2.4 ZigBee無線傳感器網絡通信標準 ZigBee 技術是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術或無線網絡技術，是一組基于 IEEE 802.15.4 無線標準研制開發(fā)的有關組網、安全和應用軟件方面的通信技術。ZigBee 協議規(guī)范使用了 IEEE 802.15.4 定義的物理層(PHY)和媒體介質訪問層(MAC)，并在此基礎上定義了網絡層(NWK)和應用層(APL)架構。三、系統分析該系統通過具有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)點采集溫濕度數據每隔一定的時間輪流向主節(jié)點發(fā)

15、送，主節(jié)點收到數據之后通過串口將各節(jié)點的溫濕度數據傳給智能主板。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 CC2530 JTAG 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有限公司生產的物聯網創(chuàng)

16、新實驗系統OURSIOTU22530下載HumiTempLight.eww 文件，并運行程序；（7） 觀察 LCD 上溫度、濕度和光照強度的變化；（8） 向溫濕度傳感器吹一口氣體，觀察 LCD 上溫濕度數據的變化；四、詳細設計本設計是基于CC2530的溫濕度數據采集系統設計。因此，其重點是溫濕度數據采集設計的實現，主要可分為二大部分，一是實現無線傳感的硬件模塊；二是實現無線傳感的軟件支持，也就是Zigbee協議框架的編程。實現濕度數據采集的硬件部分主要包括：無線傳感器通信模塊、無線傳感基本結構實現原理、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基于CC2530的溫濕度采集系統

17、節(jié)點模塊設計。實現溫濕度數據采集的軟件部分主要包括：Zigbee協議棧整體構架，Zigbee協議棧網絡層。4.1實現溫濕度數據采集的硬件部分嵌入式溫濕度采集系統的硬件部分可以大體有無線傳感基本結構、無線傳感實現原理、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基于CC2530的溫濕度采集系統節(jié)點模塊設計等組成。其具體內容如下：1、無線傳感器通信模塊無線節(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

18、。 電源板或智能主板：即實現無線節(jié)點模塊與傳感及控制模塊的連接，又實現系統供電，目前主要兩節(jié)電池供電，保留外接電源接口，可以直接由直流電源供電。 圖（2）無線傳感器節(jié)點結構2、無線傳感基本結構及實現原理無線傳感器網絡在設計目標方面是以數據為中心的，在無線傳感器網絡中，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，所以除了少數節(jié)點也要移動外，大部分節(jié)點是靜止不動的。在被檢測區(qū)域內，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，有效的延長網絡的生命周期以及節(jié)點的低功耗

19、成為無線傳感器網絡研究的核心問題，其無線傳感節(jié)點模型如下圖： 圖（3）無線傳感節(jié)點模型無線傳感網絡的建立是基于傳感器加無線傳輸模塊的，傳感器采集的數據，簡單處理后經過無線傳輸模塊傳到服務器或應用終端。目標，觀測節(jié)點，傳感節(jié)點和感知視場是無線傳感器網絡所包括的4個基本實體對象。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絡節(jié)點組成的網絡，協同形成對目標的感知視場。傳感節(jié)點檢測的目標信號經過傳感器本地簡單處理后通過單播或廣播以多跳的方式通過鄰近傳感節(jié)點傳輸到觀測節(jié)點。用戶和遠程任務管理單元則能夠通過衛(wèi)星通信網絡或Inteern

20、et等外部網絡，與觀測節(jié)點進行數據信息的交互。觀測節(jié)點向網絡發(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、使用的試驗箱以及軟件支持物聯網創(chuàng)新試驗系統IOV-T-2530采用系列傳感器模塊和無線節(jié)點模塊組成無線傳感網，擴展嵌入式網關實現廣域訪問，可實現多種物聯網構架，完成物聯網相關的各種傳感器的信息采集、無線信號收發(fā)、Zigbee網絡通訊，組件控制全過程。該工具提供了無線傳感網通信模塊，基本的傳感器及控制器模塊、嵌入式網關、計算機服務器參考軟件等。4、實現溫濕度采集系統節(jié)點模塊設計實驗系統包含4個無線傳感網通信節(jié)點和一個無線網絡協調器，其中具體情況如下：無線節(jié)點模塊：主要有射頻單片機構

21、成，MCU是TI的CC2530，2.4G載頻，棒狀天線。傳感器及控制模塊：包括溫濕度傳感器模塊，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部件。電源板或智能主板：即實現無線節(jié)點模塊與傳感器及控制模塊的連接，又實現系統供電。其整體框圖模塊如下：圖（4）溫濕度采集模塊4.2實現溫濕度采集的軟件部分實現溫濕度數據的采集的軟件部分主要有Zig Bee 技術概述，協議棧整體架構，Zig Bee協議棧網絡層，AODV路由協議等幾部分組成。而Zig Bee協議層主要包括：網絡層概述，網絡層所實現的功能，網絡層中常用的路由協議。AODV路由協議主要包括：協議概述，協議的基本原理，A

22、ODV路由協議消息控制幀。以下將是溫濕度采集的軟件部分各部分的集體介紹：1、Zig Bee 技術概述Zig Bee技術的使用與發(fā)展很大程度上彌補了無線通信市場上低功耗，低成本，低速率的空缺。同時隨著ZigBee技術的深入發(fā)展和應用，越來越多的注意力和研究力量將會轉到應用的設計，實現互聯互通測試和市場的推廣等方面。ZigBee技術的關鍵是發(fā)展是一種易布建，低成本，低功耗的無線網絡。ZigBee技術的應用前景非常好。Zig Bee在未來的幾十年里將在工業(yè)無線定位，工業(yè)控制，消費電子，汽車自動化，家庭網絡，醫(yī)用設備控制等多個控制領域具有廣泛的應用，特別是工業(yè)控制和家庭自動化，將會成為今后ZigBee

23、芯片的主要領域。通常符合以下條件之一的應用，都可以采用此技術。（1） 網絡多：需要數據采集或監(jiān)控的網絡多。（2） 低傳輸量：要求傳輸的數據量不大且要求數據成本低。（3） 可靠性高：要求數據傳輸可靠性，安全性高。（4） 體積小：設備體積很小，體積較大的充電電池或者電源模塊不方便放置（5） 電池供電。（6） 覆蓋量大：所需檢測點多，地形復雜，需要較大的網絡覆蓋面積。（7） 現有移動網絡的覆蓋盲區(qū)。（8） 遙測，遙控系統：使用先從移動網絡進行的地數據量傳輸。（9） 局部區(qū)域移動口標的定位系統：使用GPS效果差，成本高ZigBee無線傳感網是基于IEEE802.15.4技術標準和ZigBee網絡協議而

24、設計的無線傳輸數據網絡，該網絡主要應用在壓力過程控制數據采集，流量過程數據采集，溫濕度監(jiān)控，工業(yè)控制，數據中心，社區(qū)安防，設備監(jiān)控，環(huán)境數據監(jiān)控，制冷監(jiān)控，倉庫貨物監(jiān)控等方面。使用與蔬菜大棚溫度，濕度和土壤酸堿度的監(jiān)控，鋼鐵冶煉溫度控制，煤氣抄表等各個領域。這種網絡主要用于無線系統中短距離的鏈接，提供傳感網絡接入，能夠滿足各種傳感器的數據輸出和輸入控制的命令和信息的需求，實現系統網絡化，無線化。ZigBee技術是一種應用與各種電子設備之間的無線通信技術，這種通信網絡是基于中短距離范圍內，低傳輸速率下的，根據ZigBee技術的本質，它具有下列特性：低功耗高速擴展，可靠性等。2、ZigBee協議棧

25、網絡層ZigBee協議棧網絡層必須提供一定的功能，其主要是提供一些必要的函數，以保證IEEEE 802.15.4_2003ZigBee協議棧的MAC層能夠正確操作，正常工作，并且為應用層提供一個合適的服務接口。為了和應用層通信，必須向其提供接口，網絡層的概念包括了兩個必要的功能服務實體。她們分別為數據服務和管理服務實體。網絡層數據實體通過網絡層相關的數據庫服務接網絡層入點提供絡層網絡管理服務，網絡層管理實體利用網絡層數據實體來獲得一些網絡管理任務，并完成一些網絡的管理工作。并且網絡層的管理實體還維護一個管理對象的數據庫，叫做網絡信息庫，網絡層管理實體完成對網絡信息庫的維護和管理。4.3總體結構

26、軟件圖1、串口通信設計程序流程圖及核心代碼：代碼清單：/* * 函數名稱：initUART * 功能描述：CC2530 串口初始化 */ void initUART(void) PERCFG = 0x00; /位置 1 P0 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 115200 UTX0IF = 1; U0CSR |= 0X40; /允許接收 IEN0 |= 0x84; /uart0接收中斷 /* * 函數名稱：UartTX_Send_Stri

27、ng * * 功能描述：串口發(fā)送數據函數 * * 參 數：*Data - 發(fā)送數據指針 * len - 發(fā)送的數據長度 * * 返 回 值：無 */ void UartTX_Send_String(UINT8 *Data,int len) int j; for(j=0;jnum = (adc0_value1*256+adc0_value0)*3.3/8192; /有一位符號位,取213; num /= 4; num=num*913; /轉換為 Lx sprintf(s, (char*)%d%d%d%d lx, (INT16)(int)num/1000), (INT16)(int)num%100

28、0/100),(INT16)(int)num%100/10),(INT16)(int)num%10); /將光照結果轉換為字符串 GUI_PutString5_7(48,48,(char *)s); /顯示結果 LCM_Refresh(); ; 五、結論總結 在本次嵌入式系統開發(fā)技術課程設計中，主要目的是設計一個基于CC2530的溫濕度數據采集系統。該系統是一個采用CC2530無線單片機進行溫濕度的數據采集，并結合ZigBee協議架構進行編程的設計，主要使用C51實現基于CC2530的溫濕度數據采集系統模塊的設計，并在IAR集成環(huán)境中進行基于ZigBee 架構的編程，節(jié)點模塊的調試，最后，實現

29、無線傳感網絡的構建。 在這次的課設之前對于Zigbee協議，串口通信，CC2530這些概念知識聽說過，就覺得有這樣一個概念，不知道具體是什么。在這次的課設過程我學會了當有不懂得問題出現時首先自己主動的找資料，不斷地研究或多或少知道了很多。在這次的嵌入式系統開發(fā)設計課程設計中我們收獲了不少。我們不僅學習了如何使用CC2530讀取溫濕度傳感器SHT10的溫度數據，甚至也了解了一些無線傳感器的知識。總之，我覺得本次的訓練讓我了解了課本上不曾提到的知識。因此，這次課程設計的訓練對將來從事這方面的工作的同學尤為重要，這等于讓我們提前對這方面的知識有了進一步的認識。當然，在這次訓練過程中也遇到了很多實際問題，不過在老師的進一步講解之后，我們逐步認識和理解了其中的關鍵，而且又對所學的理論知識有了升華。雖然還有許多不懂的知識點，我想在以后的學習過程中要不斷的主動去學知識，不斷地累計知識。遇到問題要有自己的想法，還要和老師同學去交流。 在這次的課設中讓我明白了獨立思考的重要性，我們要學會自己