基于物联网的信息采集系统(室内温湿度检测) (2)

物联网综合应用系统课程设计

*******************

实践教学

*******************

*********

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：基于物联网的信息采集系统（室内温湿度检测） 专业班级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 成 绩：

1

物联网综合应用系统课程设计

目录

摘要 ........................................................................................... 3 前言 ........................................................................................... 4 一、基本原理： ....................................................................... 5 二、系统方案设计 ................................................................... 5 1、系统分析 ........................................................................ 5 2、系统方案设计 ................................................................ 6 3、系统方案选择 ................................................................ 7 三 总体设计 ............................................................................. 8 3.1 SHT10引脚特性 ............................................................ 8 3.2 温湿度传感器模块 ..................................................... 10 3.3 CC2530串口通信原理 ................................................ 11 3.4 ZigBee无线传感器网络通信标准 ............................. 12 四、详细设计 ........................................................................ 12 4.1实现温湿度数据采集的硬件部分 .............................. 13 4.2实现温湿度采集的软件部分 ..................................... 16 4.3总体结构流程 .............................................................. 18 五、系统测试 ......................................................................... 25 总结 ......................................................................................... 25 致谢 ......................................................................................... 28

2

物联网综合应用系统课程设计

基于物联网的室内环境信息采集系统设计

摘要

基于物联网的无线传感网络是多学科的高度交叉，知识的高度集

成的前沿热点研究领域。它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，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端无线传感器网络的特性决定了其不需要较高的传输带宽，而要求较低的传输延时和极低的功率消耗。IEEES02．15．4／ZigBee技术是近年来通信领域中 的研究热点，具有低成本、低功耗、低速率、低复杂度的特点和高可靠性、组网简单、灵活等优势，逐渐成为无线传感器网络事实上的国际标准。

此次课设设计并实现了用无线传感器网络构成的分布式温度湿度监控系统。

关键词：物联网、信息采集、ZIGBEE、串口通信

3

物联网综合应用系统课程设计

前言

在科技不断发展的今天，环境条件的温湿度指标是成为许多工作场合的重要参数，尤其是室内环境中的温湿度，温度和湿度的变化直接影响着人们的日程生活。温湿度的过高或过低都会影响室内事物的变化，所以有必要测量和控制室内的温湿度，不同的室内环境对温湿度的要求各不相同。

本设计是一种基于CC2530和数字温湿度传感器的温湿度采集系统。即该系统是采用ZigBee无线通信技术结合传感器，并通过运用ZigBee协议构架组建无线传感网络，来实现主从节点的数据采集和传输的，同时，需要在网络层通过AODV路由协议来进行节点间的连接以及数据的收发。总之，基于无线传感技术的无线网络传感器是一种将传感器、控制器、计算能力、通信能力完美的结合于一身的嵌入式设备。它们跟外界的物理环境交互，适时地采集信息，并且将采集到的信息通过无线传感网络传送给远程用户。无线网络传感器一般是由一个低功耗的微控制器(MCU)和若干个存储器，无线电/光通信装置、传感器等组件所集成的，通过传感器及通信装置和它们所处的外界物理环境进行交互。由此而引入的无线传感网络更是一种开创了新的应用领域的新兴概念和技术，广泛被应用与医疗领域、大规模环境监测、智能建筑、战场监视、智能家居、工业自动化和大区域内的目标追踪等领域。所以说不管是工业，农业，军事及气象预报领域，还是人类生活的环境都需要对温度和湿度的环境进行测量和控制。因而，研制可靠且使用的温湿度测量装置显得非常重要。尤其是要实现

4

物联网综合应用系统课程设计

大环境中的温湿度测量和自动控制，采用有线网络的方案难以实现，本文提出采用基于ZigBee 技术的无线温湿度测量与传输的方案，通过无线通信模块实现温湿度传感器和智能主板之间的交互，实现对网络采集的数据统一管理和分析。该系统具有快速展开，稳定可靠，可维护性好的特点。总的来说，我们的工作及生活在无形的改变着，变得更精致更高效更美丽。

一、基本原理：

温度传感器将被测点的温度采集后输出的模拟信号逐步送往放大电路、低通滤波器以及 A/D 转换器（即信号调理电路），然后再单片机的控制下将 A/D 转换器输出的数字信号传送到无线收发芯片中，并通过芯片的调制处理后由芯片内部的天线发送到上位机机监测软件上，在上位机模块上，发来的数据由单片机控制的无线收发芯片接收并解调，最后通过接口芯片发送到 PC 机中进行显示和处理。温度传感器被用在终端节点上，当上电后，温度传感器就是能够获取环境中某个地方温度的敏感元器件，它可以将环境中的温度或者是与温度相关的参量信息转换成电信号，我们可以根据这些电信号的强弱来识别被测点在环境中的温度数据。

二、系统方案设计 1、系统分析

湿度传感器和温度传感器采集到数据后，通过给RS232串口增

5

物联网综合应用系统课程设计

加无线传输功能，替代设备电缆线进行无线传输, 无线温度采集系统改变了传统有线的数据采集系统搭建布线困难，监测区域受限等诸多不足。要求设计的短距离无线通信系统具有功耗少，性价比高，系统维护快捷方便，而且通过在传感器模块上添加 FLASH 存储设备，使得数据采集工作能够摆脱对监测过程网络辐射范围的限制，可应用到许多的场合更好的改善采集工作的便捷行。通过与其他通信技术(如 GSM／GPRS)的无缝接合，能够实现采集数据的远程传输，满足对数据采集区域的远程监控串口传输设计为双向全双工，无硬件流控制，强制允许OTA(多条)时间和丢包重传。

2、系统方案设计

方案一：

飞思卡尔公司(Freescale)的 MC13193 芯片搭载了满足 IEEE 802.15.4 标准的射频信号传输与接收的调制解调设备。这类功能完善的双向 2.4GHz 频段的收发设备能够融合到 ZigBee 技术之中。MC13193 包含低噪放大器，10mW 的功率增强器，压控振荡器，电源供应调节模块，所有频段编码和解码模块，包括可以转换和控制数据的发送与接收串行外围接口(SPI)中断请求输出。采用 O-QPSK 的调制方式，最大传输速率为 250kb/s。搭配高性能的微处理器一起使用，MC13193可以提供低成本且高效率的短距离数据传输解决方案。MC13193 和 MCU 两者采用串行外围接口(SPI)连接，因此可以保证飞思卡尔

6

物联网综合应用系统课程设计

庞大产品系列中的任意一款MCU 都能与之匹配使用。 方案二：

选择TI公司的2.4GHz片上系统解决方案CC2530，CC2530是用于IEEES02.15.4、Zigbee和RF4CE应用的一个片上系统解决方案，它能以较低的总成本建立强大的网络节点。CC2530结合了先进的RF收发器性能，业界标准的增强型8051内核，使操作更容易，具备不同的运行模式，尤其适用于低功耗的系统需求。

3、系统方案选择

通过对比以上两种方案开发的难易程度、开发周期和现有的实验环境我们选择方案二。

无线温度采集系统改变了传统有线的数据采集系统搭建布线困难，监测区域受限等诸多不足。ZigBee这种新兴的短距离无线通信系统具有功耗少，性价比高，系统维护快捷方便，而且通过在传感器模块上添加 FLASH 存储设备，使得数据采集工作能够摆脱对监测过程网络辐射范围的限制[2]，可应用到许多的场合更好的改善采集工作的便捷行。通过与其他通信技术(如 GSM／GPRS)的无缝接合，能够实现采集数据的远程传输，满足对数据采集区域的远程监控。

一般以 ZigBee 技术为核心的无线温度采集系统的工作过程为：协调器节点首先应搭建网络，等待各自终端采集节点的入网请求；终端节点经过验证加入网络后，把温度传感器采集到的数据通过无线网

7

物联网综合应用系统课程设计

络上传传输给协调器节点；协调器节点接收到数据包后，进行数据包解析，并通过串口将温度信息以及子节点地址等有效信息存储并显示在监控界面上。

三 总体设计

本实验将使用CC2530读取温湿度传感器SHT10的温度和湿度数据，并通过CC2530内部的ADC得到光照传感器的数据。最后将采样到的数据转换然后在LCD上显示。其中对温湿度的读取是利用CC2530的I/O（P1.0和P1.1）模拟一个类IIC的过程。其中该系统所使用的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。

3.1 SHT10引脚特性

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。SHT10引脚特性如下： (1)VDD，GND SHT10的供电电压为2.4~5.5V。传感器上电后，要等待

8

物联网综合应用系统课程设计

11ms以越过“休眠”状态。在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波。 (2)SCK 用于微处理器与SHT10之间的通讯同步。由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小SCK频率。

(3)DATA三态门用于数据的读取。DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效。数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。为避免信号冲突，微处理器应驱动 DATA 在低电平。需要一个外部的上拉电阻（例如：10kΩ）将信号提拉至高电平。上拉电阻通常已包含在微处理器的I/O电路中。 1、向SHT10发送命令：

用一组“启动传输”时序，来表示数据传输的初始化。它包括：当SCK时钟高电平时DATA翻转为低电平，紧接着SCK变为低电平，随后是在SCK时钟高电平时DATA翻转为高电平。后续命令包含三个地址位（目前只支持“000”），和五个命令位。SHT10会以下述方式表示已正确地接收到指令：在第8 个 SCK 时钟的下降沿之后，将 DATA 拉为电平（ACK 位）。在第 9 个 SCK 时钟的下降沿之后，释放 DATA（恢复高电平）。 2、测量时序(RH 和 T)：

发布一组测量命令（‘00000101’表示相对湿度 RH，‘00000011’表示温度 T）后，控制器要等待测量结束。这个过程需要大约 11/55/210ms，分别对应8/12/14bit 测量。确切的时间随内部晶振速度，最多有±15%变化。SHTxx 通过下拉 DATA 至低电平并进入

9

物联网综合应用系统课程设计

空闲模式，表示测量的结束。控制器在再次触发 SCK 时钟前，必须等待这个“数据备妥”信号来读出数据。检测数据可以先被存储，这样控制器可以继续执行其它任务在需要时再读出数据。接着传输2 个字节的测量数据和1 个字节的CRC 奇偶校验。uC 需要通过下拉DATA 为低电平，以确认每个字节。所有的数据从 MSB 开始，右值有效（例如：对于 12bit 数据，从第 5 个SCK 时钟起算作 MSB； 而对于 8bit 数据， 首字节则无意义）。用 CRC 数据的确认位，表明通讯结束。如果不使用 CRC-8 校验，控制器可以在测量值 LSB 后，通过保持确认位 ack 高电平， 来中止通讯。在测量和通讯结束后，SHTxx 自动转入休眠模式。 3、通讯复位时序：

如果与 SHTxx 通讯中断，下列信号时序可以复位串口：当 DATA 保持高电平时，触发SCK 时钟 9 次或更多。在下一次指令前，发送一个“传输启动”时序。这些时序只复位串口，状态寄存器内容仍然保留.

3.2 温湿度传感器模块

温湿度探头直接使用 IIC 接口进行控制，光敏探头经运放处理后输出电压信号到 AD 输入。IIC 接口将同时连接 EEPROM 以及温湿度传感器两个设备，将采用使用不同的 IIC设备地址的方式进行区分。其电路原理图如下所示：

10

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jcj3.html