基于嵌入式的室内环境信息采集控制演示系统设计

目录 题目：基于嵌入式的室内环境信息采集控制演示系统设计 ....... 1 目录 ..................................................... 2 摘要 ..................................................... 3 关键词 ................................................... 3

前言 ..................................................... 3 系统分析及其设计 ......................................... 4 一、基本原理： ..................................... 4 二、系统方案设计 5 三、总体设计 ....................................... 7 四、系统测试 ...................................... 31

总结 .................................................... 31 参考文献 ................................................ 32 致谢 .................................................... 32 基于嵌入式的室内环境信息采集控制演示系统设计 摘要 智能家居已然成为一个热门话题,而室内环境监测是其中不可或缺的一个重要组成部分.加之嵌入式和无线传感技术已经较为成熟,因此,基于嵌入式系统的室内环境监测系统是可以实现的. 基于嵌入式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。 此次课程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：嵌入式、智能家居、ZIGBEE、串口通信 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。 随着人们对健康的不断重视,加强对家居环境的环境状况的实时监测与治理，为人们提供一个安全、健康、舒适的生活环境,已经成为十分迫切的市场需求.嵌入式技术的发展，为环境环境检测提供了更进一步的保障。 基于嵌入式的环境信息采集系统包含感知层、传输层、应用层三个层面；传输层常见的有温湿度、烟感、一氧化碳、压力等嵌入式传感器模块，传输层包括有线通信和无线通信两部分，应用层包括各种终端。 在室内环境监测领域，以嵌入式技术为基础，结合ZigBee技术可以实现、准确、完整、可靠的反应环境信息，做到实时监控。

系统分析及其设计 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。

• 系统方案设计 • 系统设计需求 湿度传感器和温度传感器采集到数据后，通过给RS232串口增加无线传输功能，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： 使用目前已经非常成熟且广泛应用的蓝牙技术,能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。方便快捷且不会遇到未知的技术难题. 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，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 无线传感器温度测量系统主要由单个 ZigBee 协调器、单部 PC 机和放置在各处的温度采集节点—ZigBee 终端设备组成。ZigBee 协调器与各个终端节点形成了一个 ZigBee 星型网络。整个无线温度采集系统的拓扑结构图如图 1所示。各处的温度采集节点—ZigBee 终端设备组成。CC2530芯片的有效通信半径为 100m 时，终端节点可以安置在以协调器为中心100m 半径范围内。终端数据采集节点的结构较为简化，仅由一个 CC2530 模块，Flash 存储，2 节 1.5V 电池和温度传感器组成，各个终端节点被初始化为无信标网络中的终端设备。终端设备上电复位后，便启动搜索指定信道上的ZigBee协调器，并发送连接请求，终端设备在成功入网后，将被赋予一个 16 位短地址，在以后网络中的通信都以这个 16 位的短地址作为节点的标识；启动休眠定时器，间隔10 秒钟唤醒一次，醒来后使用一种简单的非时隙 CSMA- CA，通过竞争机制取得信道使用权，自己向协调器节点发送请求数据。利用模块上的温度传感器模块检测环境温度，并上传给协调器节点，然后立即再次进入休眠状态，最大限度地减少能耗，延长终端节点电源续航时间，同时也可以延伸采集范围，即利用 ZigBe网络的自组织性我们可以携带轻巧的终端数据采集节点到实际测量区域完成数据采集工作，如果超出了无线网络可以支持的传输范围，那可以将数据暂时存储在 Flash 存储器中。网络中的协调器节点负责搜集各温度采集节点的信息，并将信息快速的通过 RS232 串口按事先定义好的格式上传 PC 机，随即解析并显示出来。 1、总体设计框图如下： 图1 无线温湿度采集系统框图 2、硬件设计实物图如下：

2.1CC2530邮票孔节点模块 2.2无线节点模块

2.3温湿度采集模块 3、温湿度监测芯片说明

3.1 SHT10说明 SHT10是一款高度集成的温度湿度传感器芯片，提供全标定的数字输出。它采用专利的COMSens技术，确保了传感器具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个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进行连接。 SH10引脚特性如下：