基于物联网的温湿度控制演示系统

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基于物联网温湿度控制装置推荐度：
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实践教学

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兰州理工大学

计算机与通信学院

2014年春季学期

物联网综合应用实践课程设计

题目：基于物联网的温湿度控制演示系统专业班级：姓名：学号：指导教师：成绩：

基于物联网的温湿度采集系统设计

摘要

智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、智能家居-系统设计方案安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。

智能家居系统包含的主要子系统有：家居布线系统、家庭网络系统、智能家居（中央）控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统、背景音乐系统（如TVC平板音响）、家庭影院与多媒体系统、家庭环境控制系统等八大系统。其中，智能家居（中央）控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统是必备系统，家居布线系统、家庭网络系统、背景音乐系统、家庭影院与多媒体系统、家庭环境控制系统为可选系统。

用于智能家居的无线系统需要满足几个特性：低功耗、稳定、易于扩展并网；至于传输速度显然不是此类应用的重点。常用的几种无线技术：ZigBee、Wi-Fi、433M/470M/868M/915M、Bluetooth、Enocean等。物联网智能家居通过家居智能管理系统的设备来实现家庭安全、舒适、信息交互与通信的能力。本文结合了物联网和智能家居的相关技术，将传感器、控制器等设备通过无线技术连接和采集数据信息的处理，实现了使用传感器采集室内温度，光线等数据，在嵌入式终端中进行信息的读取和处理，做出相应的操作。整个过程涉及到基于ZigBee的无线传感网络和GPRS手机通信模块的应用。该设计分为以下几个部分：一、首先分析课题来源与市场需求，然后对整个系统进行了概述；二、对该系统的框架进行介绍；三、对整个系统的软硬件设计进行详细的介绍。

关键词：物联网，智能家居，无线传感网络，GPRS

一前言 ???????????????????????? 3

二系统原理 ...................................................................................................................................... 4 2.1 ZigBee技术综述 ...................................................................................................................... 4 2.2 ZigBee协议分析 ....................................................................................................................... 5

2.1.1 ZgBee特点 ............................................................................................................. 7 2.1.2 ZigBee技术的优势................................................................................................ 7 2.2 无线传感器网络 ................................................................................................................ 8 2.3 GPRS通信模块 ................................................................................................................... 9 三室内温湿度检测系统硬件设计 ................................................................................................ 10

3.1CC2530单片机简介 ........................................................................................................... 10 3.2SH10温湿度传感器简介 ................................................................................................... 11

3.2.1 SHT10基本原理 ..................................................................................................... 12

3.1 系统组成 ................................................................................................................................... 14

3.2 功能需求 .......................................................................................................................... 14 四系统详细设计 ............................................................................................................................ 15 4.1 传感器节点WSN网络模块设计 .............................................................................................. 15

4.2 GPRS通信模块设计 ..................................................................................................... 17 七致谢 ........................................................................................................................................ 22 八参考文献 .................................................................................................................................... 23 附录 .............................................................................................................................................. 24

前言

家居环境是指家庭团聚、休息、学习和家务劳动的环境。家居环境条件的好坏，直接影响着居民的发病率和死亡率。城市居民每天在室内工作、学习和生活的时间占全天时间的90%左右，因此，居室环境与人类健康和儿童生长发育的关系极为密切。随着人们生活水平的提高和科技的发展，家居智能化已成为一种必然趋势而深入千家万户。家居智能化是利用计算机、通信、网络、电力自动化、信息、结构化布线、无线等技术将所有不同的设备应用和综合功能互连于一体的系统。它以住宅为平台，兼备建筑、网络家电、通信、家电设备自动化、远程医疗、家庭办公、娱乐等功能，集系统、结构、服务、管理为一体的安全、便利、舒适、节能、娱乐、高效、环保的居住环境

现代社会努力创造着舒适的环境，空调的出现让人们得到了舒畅的体验。在使用空调时，人们出现了两种心态，有的人怕浪费电，在家里没人的时候把空调关掉，可是回到家时却不得不面对冷冰冰或热烘烘的情况；也有的人为了舒适一直开着空调，长时间地让空调运转既费电又影响使用寿命。进入新世纪，我国人民的物质文化生活水平不断提高，移动通信的飞速发展给人们的生活注入新鲜血液，丰富了人们的生活。众所周知，越来越多的人拥有自己的手机，而我国移动网络的铺建将使我们更好地在移动网络的世界里遨游，如果能够通过手机来远程控制家里的空调，让人们在到家之前把家里的空调打开，当我们迈进家门时，舒适的温度会使我们的心情更加愉悦[1]。

在互联网已经普及的今天，互联网已经联系起了每一个人，随着各种消费电子的智能化，还有无线传感器的迅速发展，人们想到了是否可以用网络将每一个物体都联系起来，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。这样就形成了一种新的网络，被称为物联网。物联网的核心仍然是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。而从20世纪80年代开始，随着大量采用电子技术的家用电器面世，直到现在，经过了30年的发展，家用电器已经普及，而且具有了很高的智能化。这时人们便开始追寻一种更加智能的家庭管理方式，希望实现安保，防灾，家电一体化控制，这就是智能家居的原型。对于物联网的出现，大大加快了智能家居的发展。在国家大力推动工业化与信息化两化融合的大背景下，物联网将是家居行业乃至更多行业信息化过程中一个比较现实的突破口。一旦物联网大规模普及，无数的物品需要加装更加小巧智能的传感器，用于家居设备的传感器与电子标签及配套的接口装置数量将大大超过目前的手机数量，物联网是下一个超过万亿的行业。

二系统原理

2.1 ZigBee技术综述

ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，根据此协议的规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的一种名叫ZigBee的舞蹈，由于通过持续不断地跳这种舞蹈来实现对新发现的食物或其他信息的传递，换句话说蜜蜂是依靠这样的通信方式来实现了一个通信网络，而每个个体则是网络中的一个节点。这样做的好处是不需要专门的通信蜜蜂，通过信息接力就完成了整个通信，从而实现了蜜蜂的低成本、低数据速率、自组织、低功耗、近距离、低复杂度等的信息传递方式。受蜜蜂的这种特殊的通信方式的启发，ZigBee技术的研究也主要是在低速率、低功耗通信领域进行应用，亦可以低成本地嵌入各种设备中组成庞大的网络。总而言之ZigBee技术就是一种低功耗，低成本的无线网络通信技术

ZigBee 技术主要用于低数据传输速率并且传输距离要求不是很远的各种通信设备之间。ZigBee的名字主要来源于蜜蜂通过跳 ZigZag形状的舞蹈来传递所发现的食物的位置、距离和方向等信息，一只一只的传递下去，此种技术与蜜蜂的这种通信方式相类似。ZigBee联盟则于2001年成立，而在2002年下半年，以及四大半导体公司共同宣布加盟ZigBee技术联盟，以研发名为“ZigBee”的新一代无线通信标准，而在2006年作为中国通信行业龙头的华为公司亦加入了此联盟。截至目前，该联盟大约已有约27家成员企业，所有这些公司都参加了负责开发ZigBee协议物理层和媒体控制层技术标准的工作组。ZigBee联盟负责开发网络层及以上的协议。ZigBee协议则比蓝牙技术、高速率个人区域网或 802.11x无线局域网等技术更简单而实用。ZigBee使用的是波段，采用了跳频技术，这和蓝牙技术相似，可以说是同族兄弟了。但相比之下， ZigBee协议比蓝牙更简单、速率更慢、功率及费用也更低。ZigBee的基本速率是，传输半径可扩大到400米，并可得到更低的功耗和更高的可靠性。此外，单个ZigBee无线模块就可与254个节点互联，若网络中加入路由节点，则网络最大承载量可支持65535个节点设备互联。由于它的低延迟和低功耗性能优越性，所以在支持鼠标、键盘等电脑周边产品和家庭自动化仪器等低速率应用时可以比蓝牙做地更好，人们更希望能在无线玩具、传感器网络、家庭监控、工业监控和安全系统等众多领域拓展ZigBee的应用。

ZigBee网络采用的是无线自组织网络技术，与蜜蜂的通信类似，网络中的各个节点间通信以一跳或多跳的形式自动建立网络。网络节点则以ZigBee协议为基础进行通信，与各种传统无线网络相比，其主要优点有以下几个方面。

(1) 网络稳定性好。其设计的网络自己组织性能使网络各个节点在无需人工干预的情况下自己组网并实现数据传输的任务，当添加或去除网络中某个节点时，其余节点可以自行寻找其他节点替代中转信息，具有较强网络自愈能力。

(2)成本低。由于ZigBee联盟已经有二十多家，他们的研发实力都很强，好多公司均已在2003年正式推出自己的ZigBee芯片，竞争较大，近年来应用于主机端的芯片成本将会比蓝牙等模块更具价格上的优势。

(3)功耗低。它的超低功耗也使得在应用中两节普通AAA干电池即可使用6个月至2年的时间，这也是ZigBee的最大的一个优势。

(4)网络容量大。每个ZigBee设备可以与另外254台节点设备相连接，而加入路由节点的ZigBee网络最多可容纳多达65000多个节点的网络。

(5) 数据传输速率低。只有10kb/s—250kb/s，符合本设计需求。 (6)工作频段灵活。使用的频段中2.4GHz全世界通用，欧洲使用868MHz，美国则使用915MHz

频段，但这些均是免申请频段，可以直接使用。

(7)网络延迟时间短。活动设备信道接入延时和休眠激活延时均仅为15ms，而搜索设备延时时间达到30ms。

根据ZigBee联盟所设定的技术标准，按功能分其网络设备划分为三种：ZigBee协调器，ZigBee路由器，ZigBee终端设备。他们的功能分别如下。

（1）ZigBee协调器：它是个全功能的设备，包含所有的网络功能，是3种设备中功能最全面亦最复杂的一种，特点是计算能力强、存储量大。它的作用是发送网络信标、建立并且管理一个网络及网络节点、存储节点信息并且不断地接收下级节点所发来的信息。

（2）ZigBee路由器：它也是全功能设备在加入网络后，协调器就会分配给它一定量的十六位地址空间，再由其分别分配给下级节点使用，方便每个节点接入或离开网络，具有数据转发及路由之功能。

（3）ZigBee终端设备：其一般的简化的功能设备。只能自己的与上一级如协调器或路由器之间通信，包括获取网络地址等。在ZigBee协议规范中，组网时有三种网络拓扑结构可供选择：星型结构，网状结构和簇树型结构，图2.1所示。

图1 ZigBee网络拓扑结构图

在星状结构中无论是路由器或终端设备都是直接与协调器进行通信，在ZigBee协调器则负责运作与维护着整个网络；在簇状和网状网络结构中，协调器负责初始化和建立网络的操作，而路由器则对网络进行扩展，终端设备的信息由路由器进行转发,只不过在簇状结构中终端间的信息交换只能通过一级级向上传递到协调器，再由协调器将信息分发下去。

2.2 ZigBee协议分析

ZigBee联盟在IEEE802.15.4协议基础之上，规定了ZigBee协议的网络层与应用层协议规范。下面就网络层与应用层作简要介绍。

ZigBee网络层的主要功能就是确保正常工作，同时定义了一些必须的函数，并且为应用层提供适合的服务接口。网络层提供了两个必须的功能服务实体来向应用层提供服务接口，它们分别是管理服务实体和数据服务实体。

应用层主要由用户根据具体的应用进行自我开发，用以维持节点的各种功能，发现此节点工作空间范围内其他节点的工作，再根据服务的需求为各个不同的节点提供通信服务。ZigBee应用层有三个不同的部分分别是：应用支持子层、ZigBee设备对象和制造商定义的应用对象。

无线传感器技术是目前无线通信领域内研究的一个热点技术，它综合了传感器技

术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知的信息传送到用户终端。

所谓传感器网络是由大量部署在一定区域内的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统。传感器网络的节点间距离很短，一般采用多跳(multi-hop)的无线通信方式通信。传感器网络可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到互联网，使用户远程访问[4]。

ZigBee技术译为紫蜂技术，是一个有关组网、安全和应用软件方面的新型传感器网络，被称作IEEE802.15.4 (ZigBee) 技术标准在标准化方面，IEEE802.15.4工作组主要负责制定物理层和MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准，高层应用、测试和市场推广等方面的工作将由ZigBee联盟负责。其结构简单、低功耗、低速率、低成本和可靠性高的双向无线网络通信技术，主要适合于自动控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。完整的ZigBee协议套件由高层应用层、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。其协议如图2-1所示：

应用层汇聚层网络层数据链路层物理层图2-1 IEEE802.15.4协议架构

LLC MAC 物理层分别是2.4GHz物理层和868／915MHz物理层，它们都基于DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频)技术，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。其中2.4GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段，有助于ZigBee设备的推广和生产成本的降低，该频段的物理层使用了16个信道、250kb/s的传输速率。

数据链路层分为逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层(MAC)。LLC子层功能包括传输可靠性保障、数据包的分段与重组、数据包的顺序传输；MAC层通过SSCS ( Service — Specific Convergence Sub layer，业务相关的会聚子层) 协议能支持多种LLC标准，其功能包括设备间无线链路的建立、维护和拆除、确认模式的帧传送与接收、信道接入控制、帧校验、预留时隙管理和广播信息管理。

网络层采用基于ad hoc技术的网络协议，功能包括拓扑管理、 MAC管理、路由管理和安全管理根据节点的不同角色，可分为全功能设备 (Full Function Device；FFD)与精简功能设备(Reduced Function Device；RFD)。前者具备控制器(Controller)的功能，能够提供数据交换；后者电路较为简单且存储体容量较小，只能传送数据给FFD或从FFD接收数据。应用汇聚层负责把不同的应用映射到ZigBee网络层上，包括安全与鉴权、多个业务数据流的汇聚、设备发现和业务发现。

应用层定义了各种类型的应用业务是协议栈的最上层用户。

2.1.1 ZgBee特点

无线传感器网络(WSN)由大量的节点根据自组织网络的方式构成，一般节点通过各种方式大量部署在被感知对象内部或者附近。这些节点通过无线自组织传输网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息，可以实现对任意地点的信息在任意时间的采集、处理和分析[5]。无线传感器网络结构如图2-2所示(虚线表示无线链路，实线表示有线链路)。无中心。WSN 没有严格的控制中心，所有节点地位平等，是一个对等式网络。节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。

1. 自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为,节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。

2. 动态拓扑。WSN 是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其它故障，退出网络运行，也可能由于工作的需要而被添加到网络中。ZigBee会根据网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。

3. 节点数量众多，分布密集。WSN节点数量大、分布范围广。这样的无线传感器网络具备一定的软、硬件健壮性和容错性。

2.1.2 ZigBee技术的优势

1. 低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6-24个月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。

2. 低成本。通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。

3. 低速率。ZigBee工作在250kbps的通讯速率，满足低速率传输数据的应用需求。

4. 近距离。传输范围一般介于10～100m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1-3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。

5. 短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3-10s、WiFi需要3s。

6. 高容量。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。

7. 高安全。ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。

8. 免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗2.4GHz(全球) (ISM)频段。 ZigBee的这些特点使之最适合作为传感器网络的标准。

2.2 无线传感器网络

无线传感器网络（Wireless Sensor Network, 简称WSN）就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanism System,简称MEMS)、片上系统（SOC， System on Chip）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展,孕育出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络[6]。

很多人都认为，这项技术的重要性可与因特网相媲美：正如因特网使得计算机能够访问各种数字信息而可以不管其保存在什么地方，传感器网络将能扩展人们与现实世界进行远程交互的能力。它甚至被人称为一种全新类型的计算机系统，这就是因为它区别于过去硬件的可到处散布的特点以及集体分析能力。然而从很多方面来说，现在的无线传感器网络就如同远在 1970 年的因特网，那时因特网仅仅连接了不到 200所大学和军事实验室，并且研究者还在试验各种通讯协议和寻址方案。而现在，大多

数传感器网络只连接了不到 100个节点，更多的节点以及通讯线路会使其变得十分复杂难缠而无法正常工作。另外一个原因是单个传感器节点的价格目前还并不低廉，而且电池寿命在最好的情况下也只能维持几个月。不过这些问题并不是不可逾越的，一些无线传感器网络的产品已经上市，并且具备引人入胜的功能的新产品也会在几年之内出现。

无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。基于MEMS的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。这些潜在的应用领域可以归纳为:军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。

2.3 GPRS通信模块

GPRS是通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service)的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可以说是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Packet）式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps。

GPRS经常被描述成“2.5G”，也就是说这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。而且，因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便容易。如此，使用者既可联机上网，参加视讯会议等互动传播，而且在同一个视讯网络上（VRN）的使用者，甚至可以无需通过拨号上网，而持续与网络连接。GPRS分组交换的通信方式在分组交换的通信方式中，数据被分成一定长度的包（分组），每个包的前面有一个分组头（其中的地址标志指明该分组发往何处）。数据传送之前并不需要预先分配信道，建立连接。而是在每一个数据包到达时，根据数据报头中的信息（如目的地址），临时寻找一个可用的信道资源将该数据报发送出去。在这种传送方式中，数据的发送和接收方同信道之间没有固定的占用关系，信道资源可以看作是由所有的用户共享使用。GPRS由于数据业务在绝大多数情况下都表现出一种突发性的业务特点，对信道带宽的需求变化较大，因此采用分组方式进行数据传送将能够更好地利用信道资源。例如一个进行WWW浏览的用户，大部分时间处于浏览状态，而真正用于数据传送的时间只占很小比例。这种情况下若

采用固定占用信道的方式，将会造成较大的资源浪费。

在系统中，使用串口和GPRS模块进行通信，将我们的数据通过GPRS模块发送到用户手机上。

三室内温湿度检测系统硬件设计

3.1CC2530单片机简介

随着计算机技术的发展，单片机因具有集成度高、体积小、速度快、价格低等特点而在许多领域如过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用，从而使这些领域的技术水平、自动化程度大大提高。根据上述几方面及本课题的实际情况，单片机型号的选择主要从以下两点考虑:

一是要有较强的抗干扰能力。由于一般室内电子电器产品比较多，这对单片机的干扰较大，所以应采用抗干扰性能较好的单片机机型。

二是要有较高的性价比。由于MCS-51系列在我国使用最广且该系列的资料和能够兼容的外围芯片也比较多，故本系统采用CC2530作为本系统的核心部件。

CC2530 是用于2.4-GHz，IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其它强大的功能。拥有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB 的闪存。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保

了低能源消耗。它有三个不同的存储器访问总线（SFR、DATA和 CODE/XDATA），以单周期

访问 SFR、DATA和主 SRAM。

CC2530的中断控制器提供了 18 个中断源，分为六个中断组，每组与四个中断优先级相关。当设备从空闲模式回到活动模式，也会发出一个中断服务请求。一些中断还可以从睡眠模式唤醒设备。内存仲裁器位于系统中心，因为它通过SFR 总线，把 CPU和 DMA 控制器和物理存储器和所有外设连接在一起。内存仲裁器有四个存取访问点，访问每一个可以映射到三个物理存储器之一：一个 8-KB SRAM、一个闪存存储器和一个XREG/SFR 寄存器。它负责执行仲裁，并确定同时到同一个物理存储器的内存访问的顺序。数字内核和外设由一个 1.8-V 低差稳压器供电，同时它具有电源管理功能，可以实现使用不同供电模式的长电池寿命的低功耗应用运行。CC2530包括许多不同的外设，允许应用程序设计者开发先进的应用。

3.2SH10温湿度传感器简介

SHT10是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全标定的数字输出。它采用专利的 CMOSens? 技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、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，该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、极高的性价比等优点。

每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，以镜面冷凝式湿度计为参照。校准系数以程序形式储存在 OTP 内存中，在标定的过程中使用。两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。微小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用的首选。产品提供表面贴片 LCC 或 4 针单排引脚封装，特殊封装形式可根据用户需求而提供。

1.高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上； 2.提供二线数字串行接口SCK和DATA，接口简单，支持CRC传输校验．传输可靠性高； 3.测量精度可编程调节，内置A/D转换器(分辨率为8～12位，可以通过对芯片内部寄存器编程来选择)；

4.测量精确度高，由于同时集成温湿度传感器，可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能；

5.封装尺寸超小(7．62 mm×5．08 mm×2．5 mm) 重量仅为 100 毫克，测量和通信结束后，自动转入低功耗模式；

6. SHT10 采用表面贴装LCC（无铅芯片载体）包装方式。液晶聚合物环氧包覆外壳，标准0.8 mm FR4衬底。不含铅、铬、汞。

高可靠性，采用CMOSens工艺，测量时可将感测头完全浸于水中

3.2.1 SHT10基本原理

SHT10内部连线图

SHT10引脚的功能如下：脚1和4：信号地和电源，工作电压范围是2.4～5.5 V；脚2和3：二线串行数字接口，DATA数据线，SCK为时钟线；脚5～8：未连接。引脚结构如下图所示：

SHT10的内部结构和工作原理：温湿度传感器SHT10将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上。内部结构如下图所示

该芯片包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件。这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大；然后进入一个14位的A/D转换器；最后经过二线串行数字接口输出数字信号。

SHT10在出厂前，都会在恒湿或恒温环境中进行校准，校准系数存储在校准寄存器中；在测量过程中，校准系数会自动校准来自传感器的信号，此外，SHT10内部还集成了一个加热元件，加热元件接通后可以将SHT10的温度升高5℃左右，同时功耗也会有所增加。此功能主要为了比较加热前后的温度和湿度值，可以综合验证两个传感器元件的性能。在高湿(>95％RH)环境中，加热传感器可预防传感器结露，同时缩短响应时间，提高精度。加热后SHT10温度升高、相对湿度降低，较加热前，测量值会略有差异。

微处理器是通过二线串行数字接口与SHT10进行通信的。通信协议与通用的I2C总线协议是不兼容的，因此需要用通用微处理器I/O口模拟该通信时序。微处理器对SHT11的控制是通过5个5位命令代码来实现的，命令代码的含义如下表所示：

SHT10控制命令代码命令代码含义 00011 00101 00111 11110 其他测量温度测量湿度读内部状态寄存器复位命令，使内部状态寄存器恢复默认值，下一次命令前至少等11ms 保留 13

3.1 系统组

整个系统主要由三部分组成：传感器节点WSN网络，嵌入式服务器终端，GPRS通信模块及其他装置。其中传感器节点网络中包含了多个无线传感器节点，每个节点都是由一个传感器模块加上一个ZigBee通信模块组成的。传感器进行实时的检测，检测到的数据通过ZigBee通信模块传到节点控制，节点控制处理收集到的信息，做出相应的操作处理。手机终端可以远程通过GPRS网络，连接到嵌入式服务器终端中心控制台，中心控制台处理连接的信息，通过ZIgBee模块发送处理信息到相应的ZigBee模块，节点控制台收到指令作出相应的处理。系统流程如图3-1。

图3-1 整体框架图

3.2 功能需求

对于家居生活环境，因每个人的不同，要求得也不尽相同。功能的设计要求主人能够远程设置家居环境，如图3-2。

物联网智能家居系统移动互联网 14 移动通信设备

图3-2 智能家居逻辑图

1．主人可以通过手机设置空调温度。 2．主人可以通过手机设置窗帘的开启和关闭。 3．主人可以通过手机设置窗户的开启和关闭。 4．主人可以通过手机设置电视的开关。

四系统详细设计

4.1 传感器节点WSN网络模块设计

WSN模块主要是以AT89C51为核心处理器，使用多个I/O口进行传感器检测阵列的信号采集，其中包括温度、湿度、光线、等信号的检测，如温湿度传感器芯片SHT10。

无线传感器网络在设计目标方面与传统的无线网络有所区别，前者是以数据为中心的，后者以传输数据为目的。在无线传感器网络中，因为节点通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，所以除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止不动的。在被监测区域内，节点任意散落，节点除了需要完成感测特定的对象以外，还需要进行简单的计算，维持互相之间的网络连接等功能。并且由于能源的无法替代以及低功耗的多跳通信模式节，设计无线传感节点时，有效的延长网络的生命周期以及节点的低功耗成为无线传感器网络研究的核心问题。在节省功耗的同时增加通信的隐蔽性，避免长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响，也都是在设计传感器网络时需要攻克的新难题。

图4-1 无线传感器节点模型

无线传感网络的建立是基于传感器加无线传输模块的，传感器采集的数据，简单处理后经过无线传输模块传到服务器或应用终端。目标、观测节点传感节点和感知视场是无线传感器网络所包括的4个基本实体对象。另外，要完成对整个系统的应用刻画，还需要对远程任务管理单元、外部网络和用户进行定义。大量传感节点随机部署，单个节点经过初始的通信和协商，通过自组织方式自行配置，形成一个传输信息的单跳链接或一系列的无线网络节点组成的网络，协同形成对目标的感知视场。

传感节点检测的目标信号经过传感器本地简单处理后通过单播或广播以多跳的方式通过邻近传感节点传输到观测节点。用户和远程任务管理单元则能够通过卫星通信网络或Internet等外部网络，与观测节点进行数据信息的交互。观测节点向网络发布查询请求和控制指令，接收传感节点返回的目标信息。

图4-2 无线传感器网络通信体系结构

无线传输模块可以实现短距离（小于300米）的信号传输。在实际应用中，需要根据不同需求选择传感器，如电压电流、功耗、温湿度、液面、震动、压力等等。 2.数据采集模块

温湿度探头直接使用IIC接口进行控制。其电路原理图如下所示：

图4-3 数据采集模块电路图

4.2 GPRS通信模块设计

以ARM6410为总控制核心，通过GPRS进行远程数据的发送与处理，使用6410串口与GPRS进行数据通信，可以将家庭内部数据信息发送给远离房间的主人手机，并可以通过主人手机发送的控制信息控制房间内家电设备。GPRS通信模块安装在智能家居控制器中，主要功能为通过GPRS网络连接到Internet网络，并主动与监控中心建立通信链路，进行双向数据通信。

此部分采用的是华为MC703的模块接收和传送用户手机短信息。单片机对收到信

息进行解释同时将处理结果通过ZigBee无线网络传给相应节点达到控制目的，实现外部网络对室内控制。

在MC703的基带处理器上有一个综合SIM接口，他直接接线到主机接口(端到端连接器)用于连接到外部的SIM卡座。

这里接的SIM卡有6个引脚CCCLK，CCVCC，CCIO，CCRST，CCIN以及CCGND分别对应接在TC35i的第24到第29个引脚上。模块的连接器和SIM卡座的引脚之间的距离不要超过20 cm，为了达到最佳的效果，在SIM支架下敷设一层铜隔离网，该层敷铜与SIM卡的CCGND引脚相连。

CCVCC和CCGND之间的两个电容要离引脚尽量近，并且走线尽量阻抗低，以满足规范要求。单片机与键盘相连，可以通过键盘来向单片机发送数据。该单片机的振荡器的晶振为11.0592 MHz，数据传输率设置为9600 b/s。单片机的复位键RESET为高电平时复位。

1~14引脚为电源部分，其中l~5引脚为电源电压输入端VBATT+；6~10引脚为电源地GND；11~12引脚为充电端；13引脚为对外输出电压(供外部电路使用)；14引脚ACCU/TEMP接负温度系数的热敏电阻；24~29引脚为SIM卡连接端；33~40引脚为语音接口用来接电话手柄。15、30、31和32引脚为控制部分；15引脚为启动线IGT(Ignition)。当TC35i通电后必须给IGT一个大于100 mV的低电平，模块才能启动。30引脚为RTC back up；31引脚为掉电控制；32引脚为SYNC，16~23引脚为数据输入/输出端。

GPRS通信模块设计采用了内嵌TCP/IP协议的G24GPRSOEM。该模块尺寸小，功耗低，便于集成。GPRS通信终端收发模块主要由G24模块、天线、SIM 卡、相关的电平转换电路和RS 232串口组成。其供电电压为5V,可采用USB端口供电；通过RS 232串行口与智能家居控制器ARM进行通信。

单片机与GSM模块采用串行异步通信接口，由于单片机与GSM模块工作电平不一致，二者之间要用电平转换电路连接。

GSM模块通过I2C总线扩展了一个E2PROM存储器芯片AT24C64，其主要作用是存储手机发送的短消息。

该芯片能够反复擦/写，能够持久保存数据，而且断电信息也不会丢失，这些特性正是存储数据所必需的。在单片机通过I2C总线扩展了一个Flash存储器，系统选用Am29F016D作为闪存(Flash)，单片存储容量为2M字节，16位数据宽度，用于存放显字库信息。

五软件系统的设计

5.1 GPRS通信模块

收发模块采用AT指令操作，通过RS 232串行口进行数据通信[12]。AT命令使计算机或终端与调制解调器通讯。可以按照自己的需要设置您的调制解调器，AT指令的所有命令行必须由ASCII字符“AT”开始并由结束。

字母\用以提醒调制解调器注意，其后将有一条或多条命令出现, \及其后的字母可以是大写或小写。一串命令可以写在一行里。为了便于阅读可以加或不加空格。命令中或命令间的空格会被忽略，命令行的最多字符数为39(包括\。

在输入一条命令期间，可以用退格键(backspace)改正除\以外的错误。若命令行中任一处出现语法错误，本行其后的内容将被忽略，并返回ERROR。大数带有超出正常范围的参数的命令将不被接收并返回ERROR。

这部分程序是单片机从GPRS模块读取信息。当手机控制端发来命令时，立即响应，并将控手机制端的SIM卡号和短信内容都通过串口传到SystemBuf数组中，单片机可以从此数组读到命令。

然后要对这组命令的内容进行识别。要保证对信息内容的正确识别，需要一部分繁琐的程序和算法[13]。

假设需要向13838083675发送一条短信——“AT kt open（打开空调）”，那么形成下列的AT指令：

AT+CMGF=0 <回车> AT+CMGS=21<回车>

<0891683138083876F411000B91683138083876F500000006C8329BFD0E01

后面这一长串的数字就是PDU数据，它的长度为60位，扣掉前面短信中心的号码而PDU数据的具体含义如表4-1所示。

通过上面的分析，由图表在这里可以能够看到这条短信的内容是“kt open”，通过7-bit编码编译成“6B 74 6F 70 65 6E”。

这样我们便可以在串口中将获得的数据发送出去,空调打开。整个数据处理都是要经过中心控制器的读取，分析，发送指令。

系统的每个指令都可以同过嵌入式的指令方式，存储在单片机的存储芯片中，当无线手持设备远程发送信息指令时，单片机芯片进行信息的读取，分析，处理，做出如指令需求的所相应的操作。分段 08 含义 SMSC地址信息的说明共8个八位字节(包括91) 18位（即前9个字节不计数），同时除以2，得到21（字节长），填入“AT+CMGS=_”；

uchar code AT_CNMI[]=\T+CNMI=2,1\设置这组参数来了新信息直接显示到串口，不作存储 uchar code AT_CSCA[]=\设置服务中心号码 uchar code AT_CMGF[]=\设置短信的格式为text格式 uchar code AT_CMGR[]=\读取短信指令 uchar code AT_CMGS[]=\T+CMGS=\发送短信指令 uchar code AT_CMGD[]=\发送短信指令

uchar code successfully[]=\发送操作成功信息到目标号码 uchar code fail[]=\发送操作失败信息到目标号码 uchar AT_delete[12];

uchar AT_Read[12]; //用来存储发送读取短信指令

uchar AT_SendNumber[25]; //用来存储发送短信号码指令 uchar numberbuf[3]; //用来保存短信条数

uchar idata SystemBuf[RxIn]; //储存出口接收数据 uchar CommandBuf[6]; //用来储存指令 uchar idata state[17]; //用来存储IO口状态 uchar idata state1[17]; //用来存储IO口状态 uchar Rx=0;

uint temp; //记录状态

uchar temp1; // 用于记录P0口状态

uchar temp2; // 用于记录P2口状态 bit check=0; //查询标志位

bit receiveready=0; //接收短信标志位 bit sendready=0; //发送短信准备标志位 bit send=0; //发送短信标志位 bit flag=0; //指令标志位

sbit P3_7=P3^7;//启动GSM的启动线连IGT sbit realy0=P0^0;//继电器1 sbit key1=P2^0; //开关1 sbit key2=P2^1; //开关2

函数void Delay_ms(uint i)；实现功能：进行毫秒延时。 void Delay_ms(uint i) {

unsigned int j; for(;i>0;i--){

for(j=0;j<125;j++) {;} } }

函数void Start_GSM(void)；实现功能：对TC35进行启动。开启TC35功能详述：单片机上的P3_7管脚是与TC35的IGT管脚相连；需要启动TC35,必须在 15脚(IGT)加时长至少为100ms的低电平信号，且该信号下降沿时间小于1ms。启动后，15 脚的信号应保持高电平.： void Start_GSM(void) {

P3_7=0;

Delay_ms(1000); P3_7=1;

Delay_ms(1000); }

函数void sendchar(uchar ch)；实现功能：发送一字节数据。 void sendchar(uchar ch) {

SBUF=ch; while(TI==0); TI=0; }

函数void sendstring(uchar *p)；实现功能：通过串口发送字符串。 void sendstring(uchar *p) {

while(*p) {

sendchar(*p); p++; }

sendchar(0x0D); sendchar(0x0A); }

函数void receive(void) interrupt 4 using 1；实现功能：通过串口接收数据。 void receive(void) interrupt 4 using 1 { if(RI) {

if(Rx

SystemBuf[Rx]=SBUF; Rx++; } RI=0; } }