溫州科技職業(yè)學(xué)院 胡國(guó)南

0 引言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是無線接入技術(shù)的發(fā)展，使得數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)不斷增加，隨之無線網(wǎng)絡(luò)和無線通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)日益增加，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)紅無線通信的應(yīng)用也越來越廣泛，有力地推進(jìn)了無線通信向高速通信方向發(fā)展。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的無線通信技術(shù)主要有ZigBee技術(shù)、藍(lán)牙、Wi-Fi和紅外等，其中ZigBee技術(shù)是依據(jù)IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)，它一種低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、短距離的雙向無線通信技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信，通信效率非常高。

1 硬件的整體系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊（協(xié)調(diào)器），終端模塊（終端節(jié)點(diǎn)）星型網(wǎng)絡(luò)通信，最后通過串口與電腦連接，由上位機(jī)（PC）顯示測(cè)得的溫濕度和煙霧濃度或者直接利用液晶屏OLED 12864進(jìn)行顯示，簡(jiǎn)單方便。在本設(shè)計(jì)中傳感器獲取的溫濕度等信息通過終端模塊上傳給數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊主要是負(fù)責(zé)搭建Zigbee數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，將終端模塊上傳的信息上傳給上位機(jī)。上位機(jī)的監(jiān)控界面主要是包含是監(jiān)測(cè)環(huán)境的溫濕度的大小及變化的趨勢(shì)以及煙霧濃度等信息。在終端模塊中將多個(gè)傳感器置于不同的位置，進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)試，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理。處理后數(shù)據(jù)通過液晶顯示屏直觀進(jìn)行顯示或者通過串口傳到電腦反饋給用戶。

1.1 CC2530核心板介紹

CC2530是一款兼容IEEE 802.15.4的真正的片上應(yīng)用系統(tǒng)，支持ZigBee網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。CC2530采用了適應(yīng)2.4GHz IEEE 802.15.4的RF收發(fā)器 ,低功耗，微控制器，內(nèi)置有8-KB RAM，具備增強(qiáng)8051MCU內(nèi)核，還支持一般的低功耗無線通信。它提供有4中供電模式，具有很強(qiáng)的抗干擾性能及卓越的靈敏度，可以廣泛的應(yīng)用于智能樓宇，遠(yuǎn)程控制和消費(fèi)類電子等眾多領(lǐng)域中。

1.2 液晶顯示屏OLED介紹

OLED是有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode）的簡(jiǎn)稱，跟LED的點(diǎn)光源相比，OLED是采用了面光源，因此其分辨率比較高。與傳統(tǒng)的顯示技術(shù)器件相比，它具有超輕、超薄、廣視角、高清晰,耐低溫、抗震性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)OLED顯示器的組件結(jié)構(gòu)比LCD簡(jiǎn)單，所以其制造工藝也要簡(jiǎn)單一些，其制作所需材料比較少，成本比較低。日前也越來越多的液晶顯示屏LCD被OLED所取代。其采用串行SPI接口方式，不需要高壓，直接接上3.3V就可以工作了。

1.3 主要器件

DHT11是一款既可以測(cè)量溫度又可有測(cè)量濕度的數(shù)字溫濕度傳感器模塊。濕度的測(cè)量精度是+-5%RH，溫度的測(cè)量精度+-2℃，溫度的測(cè)量范圍在0～50℃之間，不適合溫度極低的情況。DHT11共有三個(gè)IO接口，一個(gè)VCC接VCC，一個(gè)GND接GND，剩下一個(gè)DATA接微處理器的IO就可以，硬件電路簡(jiǎn)單。DHT11與CC2530之間的通信是采用單總線的格式，一次傳輸40位數(shù)據(jù)大概需要4ms的時(shí)間，40位數(shù)據(jù)=8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bint溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)位。如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號(hào)，DHT11就不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)的采集

MQ-2氣體傳感器：雙路信號(hào)輸出，模擬量輸出及TTL電平輸出，本設(shè)計(jì)使用模擬量輸出濃度，模擬量輸出0～5V電壓，濃度越高電壓越高。

2 開發(fā)環(huán)境的搭建

與Keil C類似，IAR Embedded Workbench是一個(gè)用單片機(jī)程序開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境，它對(duì)CC2530提供完美的支持，所以在本系統(tǒng)中選用它作為開發(fā)環(huán)境。使用IAR軟件編程的步驟主要有創(chuàng)建工程——添加源碼——工程配置——編譯工程——調(diào)試程序——下載等。Z-Stack是符合Zigbee協(xié)議棧規(guī)范的一個(gè)硬件和軟件平臺(tái)，是Zigbee協(xié)議棧的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)。Z-Stack的整個(gè)開發(fā)環(huán)境IDE使用的是IAR。

2.1 Zigbee協(xié)議棧介紹

通信雙方需要按照某一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，這一標(biāo)準(zhǔn)稱為協(xié)議，而協(xié)議棧是是協(xié)議的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)形式，是一個(gè)用戶與協(xié)議之間的橋梁。ZigBee的協(xié)議分為物理層和介質(zhì)訪問層兩部分。ZigBee協(xié)議棧就是將各個(gè)層定義的協(xié)議都集合在一起，以函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)，用戶可以直接調(diào)用。Z-Stack是符合Zigbee協(xié)議棧規(guī)范的一個(gè)硬件和軟件平臺(tái)，是Zigbee協(xié)議棧的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)。

自己添加的應(yīng)用任務(wù)程序在Zstack中的調(diào)用過程是main函數(shù)main()---> 系統(tǒng)初始化函數(shù)osal_init_system()---> 任務(wù)初始化函數(shù)osalInitTasks()---> 應(yīng)用程序初始化函數(shù)SampleApp_Init()，也就是相當(dāng)于啟動(dòng)文件-->系統(tǒng)文件-->系統(tǒng)接口文件-->應(yīng)用程序。其中函數(shù)SampleApp_Init()是應(yīng)用協(xié)議棧必不可少的一個(gè)函數(shù)，對(duì)溫濕度有關(guān)的初始化信息都設(shè)置在這個(gè)函數(shù)里面。

2.2 部分軟件程序

2．2．1 煙霧濃度讀取程序

2．2．2 溫度超值報(bào)警設(shè)計(jì)

3 結(jié)論

在本設(shè)計(jì)中，軟件上主要是結(jié)合了Zigbee協(xié)議架構(gòu)進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，硬件采用的是微處理器CC2530對(duì)環(huán)境的溫濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)采用C51編程，在IAR集成開發(fā)環(huán)境中先對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的模塊進(jìn)行調(diào)試，搭建無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。在基于Zigbee無線傳感器節(jié)點(diǎn)模塊上，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，處理以及傳輸?shù)裙δ?。本設(shè)計(jì)所構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)在谷倉(cāng)內(nèi)的溫濕度檢測(cè)，工廠廠房?jī)?nèi)不同區(qū)域的溫濕度控制以及大面積的溫室培養(yǎng)等功能。

[1]孫利民．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]．清華大學(xué)出版社,2005．

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[7]Zigbee協(xié)議棧中文說明[S]．

[8]IAR使用指南．

[9]周立功單片機(jī)有限公司．