1、*实践教学*兰州理工大学计算机与通信学院2013 年春季学期嵌入式系统开发技术课程设计题 目： 专业班级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 成 绩： 1目录目录 .1摘要 .2前言 .3一 基本原理 .41.1 温湿度数据采集原理 .41.1.1SHT10 引脚特性 .4二 系统分析 .62.1 具体步骤描述 .62.2 程序流程图 .7三 详细设计 .83.1 实现温湿度数据采集的硬件部分 .83.1.1 无线传感基本结构及实现原理 .83.1.2 使用的实验箱以及软件支持 .93.1.3 实现温湿度采集系统节点模块设计 .93.2 实现温湿度数据采集的软件部分 .103.2.1 ZIGBE
2、E 技术概述 .103.2.2 ZIGBEE 协议栈 .113.2.3 ZIGBEE 协议栈网络层 .123.2.4AODV 路由协议 .133.3 总体软件结构图 .133.4 核心程序代码 .143.4.1 AODV 协议源代码分析 .15总结 .18参考文献 .19致谢 .202摘要嵌入式系统是以应用为中心，以计算机为基础，软硬件可定制，适用于不同应用场合对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统已广泛应用于各种领域，如通信领域、工业控制、交通领域、医疗卫生、消费娱乐等。正如温湿度采集系统的设计，其包括了数据的采集过程、传输过程以及数据的处理过程是嵌入式系统在
3、国家森林火灾的防范、大型粮库的温湿度控制以及家庭温湿度控制等方面的典型应用。由于传统的有线方式在数据的检测、采集、以及传输过程中需要大量的节点且这些节点不集中，因此需要大量布线。为了避免该问题本设计主要从无线传感方向进行改进，本设计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，对光照的采集则使用内部的 AINO 通道。该系统使用 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。最后将采样得到的数据转换然后在 LCD 上显示。关键字：温湿度的采集 CC2530 温湿度传
4、感器 SHT103前言本设计是一种基于 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 协议架构组建无线传感网络，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，实时的采集信息，并且将收集到的信息通过无线传感器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
5、)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 、 动 臂 机 构 、 以 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，广泛被应用于医疗领域、大规模环境监测、智能建筑、战场监视、智能家装、工业自动化和大区域内的目标追踪等领域。如，在医院 Zigbee 网络可以帮助医生及时并准确的收集急诊病人的信息及相关度检查结果，从而快速准确的作出诊断；同时，对一些特殊的病人，可让其携带 Zigbee 终端而对其进行
6、 24 小时的体温、脉搏控制。生命诚可贵，时间价更高！又如，在工业控制领域内，就可以很好的通过无线传感网络实现厂房内不同区域的温湿度的检测及控制，以及相关机器运转状况是否正常的有关信息，统计库存量，等等。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。而这无形中进行着的神奇改变的关键莫过于高端的技术嵌入式系统开发技术及无线技术。4一 基本原理1.1 温湿度数据采集原理温湿度探头直接使用 IIC 接口进行控制，本实验将使用 CC2530 读取温湿度传感器 SHT10 的温度和湿度数据，并将采样到的数据转换然后再 LCD 显示。其中对温湿度的读取是利用 CC2530 的 I/O（
7、P1.0 和 P1.1）模拟一个类 IIC 得过程。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。1.1.1SHT10 引脚特性1. VDD，GND SHT10 的供电电压为 2.45.5V。传感器上电后，要等待 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
8、，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：10k）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
9、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 拉为低电平（ACK位）。在第 9 个 5SCK 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，
10、最多有15%变化。SHTxx 通过下拉 DATA 至低电平并进入空闲模式，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。 需要通过下拉 DATA 为低电平，uC 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
11、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。6二 系统分析嵌入式温湿度采集系统是一种基于 CC2530 和数字温湿度传感器 SHT10 的温湿度采集系统。该系统采用 Zigbee 无线通信技术结合传感器，通过运用Zigbee 协议架构组建无线传感网络,实现主从节点的数据采集和传输,以及一点对多点，两点之间的
12、通信。并且也是基于 Zigbee 协议栈的中心节点和终端节点的协议传输，主要是从 Zigbee 协议栈网络层里 AODV 路由协议着手，在网络层通过 AODV 路由协议进行节点间的连接以及数据的收发。2.1 具体步骤描述1、给智能主板供电（USB 外接电源或 2 节干电池） ； 2、将一个无线节点模块插入到带 LCD 的智能主板的相应位置； 3、将温湿度及光电传感器模块插入到智能主板的传感及控制扩展口位置； 4、将 CC2530 仿真器的一端通过 USB 线（A 型转 B 型）连接到 PC 机，另一端通过 10Pin 下载线连接到智能主板的 CC2530 JTAG 口（J203） ； 5、将智
13、能主板上电源开关拨至开位置。按下仿真器上的按钮，仿真器上的指示灯为绿色时，表示连接成功； 6、使用 IAR7.51 打开“OURS_CC2530LIBlib10(HumiTempLight) IAR_files”下的 HumiTempLight.eww 文件，下载运行程序； 7、观察 LCD 上温度、湿度和光照强度的变化； 8、用一个物体挡住光照传感器的光线，观察 LCD 上光照强度数据的变化；9、向温湿度传感器吹一口气体，观察 LCD 上温湿度数据的变72.2 程序流程图开始系统时钟初始化LCD 初始化显示光照数据光照数据采集读取温湿度数据AINO 通道采样初始化显示温湿度数据图 1-1 系
14、统程序流程图8三 详细设计本设计是基于 CC2530 的温湿度数据采集系统设计。因此，其重点是温湿度数据采集设计的实现，主要可分为二大部分，一是实现无线传感的硬件模块；二是实现无线传感的软件支持，也就是基于 Zigbee 协议架构的编程。实现温湿度数据采集的硬件部分主要包括：无线传感基本结构、无线传感实现原理、本设计所使用的实验箱以及软件支持、常见的无线传感模块以及实现基于 CC2530 的温湿度采集系统节点模块设计。实现温湿度数据采集的软件部分主要包括：Zigbee 协议栈整体架构、Zigbee 协议栈网络层、AODV 路由协议。3.1 实现温湿度数据采集的硬件部分嵌入式温湿度采集系统设计的
15、硬件部分可以大体有无线传感基本结构、无线传感实现原理、本设计所使用的实验箱以及软件支持、常见的无线传感模块以及实现基于 CC2530 的温湿度采集系统节点模块设计等组成。其具体内容如下：3.1.1 无线传感基本结构及实现原理无线传感器网络在设计目标方面是以数据为中心的，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
16、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，其无线传感节点模型如下图1-2所示。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。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，形成一9个传输信息的单跳链接或一系列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
17、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。节点定位系统 移动系统无线通信模块电源电源自供电系统传感器模块转换处理器存储器图 1-2 无线传感节点模型3.1.2 使用的实验箱以及软件支持物联网创新实验系统 IOV-T-2530 采用系列传感器模块和无线节点模块组成无线传感网，扩展嵌入式网关实现广域访问，可实现多种物联网构架，完成物联网相关的各种传感器的信息采集、无线信号收发、Zigbee 网络通讯、组件控制全过程。该工具箱提供了无线传感网通信模块、基本的传感器及控制器模块、嵌入式网关、计算机服务器参考软件等。3.1.3 实现温湿度采集系统节点模块设计实验系统包含 4 个无线传感网通信节点和一个无线网络协调器。其中具体情况如下：
