基于物聯(lián)網(wǎng)的智能倉儲溫濕度檢測系統(tǒng)

1、 圖 4-1 所示。圖2 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖1. 物理層物理層由半雙工的無線收發(fā)器及其接口組成，主要作用是激活和關(guān)閉射頻收發(fā)器；檢測信道的能量；顯示收到數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量；空閑信道評估；選擇信道頻率；數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。2. 媒體訪問控制層媒體訪問控制（MAC）層建立了一條節(jié)點和與其相鄰的節(jié)點之間可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，共享傳輸媒體，提高通信效率。在協(xié)調(diào)器的MAC層，可以產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標，同步網(wǎng)絡(luò)信標；支持ZigBee設(shè)備的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)；支持設(shè)備加密；在信道訪問方面，采用CSMA/CA信道退避算法，減少了碰撞概率；確保時隙分配（GTS）；支持信標使能和非信標使能兩種數(shù)據(jù)傳輸模式，為兩個對等的MAC

2、實體提供可靠連接。3. 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層負責拓撲結(jié)構(gòu)的建立和維護網(wǎng)絡(luò)連接，主要功能包括設(shè)備連接和斷開網(wǎng)絡(luò)時所采用的機制，以及在幀信息傳輸過程中所采用的安全性機制。此外，還包括設(shè)備的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護和轉(zhuǎn)交。并且，網(wǎng)絡(luò)層完成對一跳(onehop)鄰居設(shè)備的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)結(jié)點信息的存儲。一個ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)建一個新網(wǎng)絡(luò)，為新加入的設(shè)備分配短地址等。并且，網(wǎng)絡(luò)層還提供一些必要的函數(shù)，確保ZigBee的MAC層正常工作，并且為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層要求能夠很好地完成在IEEE 802154標準中MAC子層所定義的功能，同時，又要為應(yīng)用層提供適當?shù)姆?wù)接口。為了與應(yīng)用層進行更好的通信，網(wǎng)絡(luò)層中定

3、義了兩種服務(wù)實體來實現(xiàn)必要的功能。這兩個服務(wù)實體是數(shù)據(jù)服務(wù)實體(NLDE)和管理服務(wù)實體(NLME)。網(wǎng)絡(luò)層的NLDE通過數(shù)據(jù)服務(wù)實體服務(wù)訪問點(NLDESAP)來提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，NLME通過管理服務(wù)實體服務(wù)訪問點(NLMESAP)來提供管理服務(wù)。NLME可以利用NLDE來激活它的管理工作，它還具有對網(wǎng)絡(luò)層信息數(shù)據(jù)庫(NIB)進行維護的功能。 在這個圖中直觀地給出了網(wǎng)絡(luò)層所提供的實體和服務(wù)接口等。 NLDE提供的數(shù)據(jù)服務(wù)允許在處于同一應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中的兩個或多個設(shè)備之間傳輸應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)。NLDE提供的服務(wù)有：產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)和選擇通信路由。選擇通信路由，在通信中，N

4、LDE要發(fā)送一個NPDU到一個合適的設(shè)備，這個設(shè)備可能是通信的終點也可能只是通信鏈路中的一個點。NLME需提供一個管理服務(wù)以允許一個應(yīng)用來與協(xié)議棧操作進行交互。 NLME需要提供以下服務(wù)：配置一個新的設(shè)備(configuring a new device)。具有充分配置所需操作棧的能力。配置選項包括：ZigBee協(xié)調(diào)器的開始操作，加入一個現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)等。 4. 應(yīng)用層應(yīng)用層包括三部分：應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對象（ZDO）和應(yīng)用框架（AF）。應(yīng)用支持子層的任務(wù)是提取網(wǎng)絡(luò)層的信息并將信息發(fā)送到運行在節(jié)點上的不同應(yīng)用端點。應(yīng)用支持子層維護了一個綁定表，可以定義、增加或移除組信息；完成

5、64位長地址（IEEE地址）與16位短地址（網(wǎng)絡(luò)地址）一對一映射；實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的分割與重組；應(yīng)用支持子層連接網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，是它們之間的接口。這個接口由兩個服務(wù)實體提供：APS數(shù)據(jù)實體（APSDE）和APS管理實體（APSME）。APS數(shù)據(jù)實體為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，它會拆分和重組大于最大荷載量的數(shù)據(jù)包。APS管理實體提供安全服務(wù)，節(jié)點綁定，建立和移除組地址，負責64位IEEE地址與16位網(wǎng)絡(luò)地址的地址映射4。ZigBee設(shè)備對象負責設(shè)備的所有管理工作，包括設(shè)定該設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色（協(xié)調(diào)器、路由器或終端設(shè)備），發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，確定這些設(shè)備能提供的功能，發(fā)起或響應(yīng)綁定請求，完成設(shè)備之間

6、建立安全的關(guān)聯(lián)等。用戶在開發(fā)ZigBee產(chǎn)品時，需要在ZigBee協(xié)議棧的AF上附加應(yīng)用端點，調(diào)用ZDO功能以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備和服務(wù)，管理綁定、安全和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。ZDO是一個特殊的應(yīng)用對象，它駐留在每一個ZigBee節(jié)點上，其端點編號固定為0。AF應(yīng)用框架是應(yīng)用層與APS層的接口。它負責發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并為接收到的數(shù)據(jù)尋找相應(yīng)的目的端點。1.2.3 CC2530串口通信原理UART 接口可以使用 2 線或者含有引腳 RXD、TXD、可選 RTS 和 CTS 的 4 線。UART 操作由 USART 控制和狀態(tài)寄存器 UxCSR 以及 UART 控制寄存器 UxUCR 來控制。這里的 x

7、是 USART 的編號，其數(shù)值為 0 或者 1。當 UxCSR.MODE 設(shè)置為 1 時，就選擇了 UART 模式。當 USART 收/發(fā)數(shù)據(jù)緩沖器、寄存器 UxBUF 寫入數(shù)據(jù)時，該字節(jié)發(fā)送到輸出引腳 TXDx。UxBUF 寄存器是雙緩沖的。當字節(jié)傳輸開始時，UxCSR.ACTIVE 位變?yōu)楦唠娖剑斪止?jié)傳送結(jié)束時為低。當傳送結(jié)束時，UxCSR.TX_BYTE 位設(shè)置為 1.當 USART 收/發(fā)數(shù)據(jù)緩沖寄存器就緒，準備接收新的發(fā)送數(shù)據(jù)時，就產(chǎn)生了一個中斷請求。該中斷在傳送開始之后立刻發(fā)生，因此，當字節(jié)正在發(fā)送時，新的字節(jié)能夠裝入數(shù)據(jù)緩沖器。當 1 寫入 UxCSR.RE 位時，在 UAR

8、T 上數(shù)據(jù)接收就開始了。然后 UART 會在輸入引腳 TXDx中尋找有效起始位，并且設(shè)置 UxCSR.ACTIVE 位為 1.當檢測出有效起始位時，收到的字節(jié)就傳入到接收寄存器，UxCSR.RX_BYTE 位設(shè)置為 1.該操作完成時，產(chǎn)生接收中斷。同時UxCSR.ACTIVE 變?yōu)榈碗娖?。通過寄存器 UxBUF 提供到的數(shù)據(jù)字節(jié)。當 UxBUF 讀出時，UxCSR.RX_BYTE 位由硬件清 0。二 系統(tǒng)分析 該系統(tǒng)通過具有IIC總線接口的單片全校準字式新型相對溫濕度傳感器SHT10實現(xiàn)對溫濕度的采集，將信號送至ZigBee技術(shù)，從節(jié)點采集溫濕度數(shù)據(jù)每隔一定的時間輪流向主節(jié)點發(fā)送，主節(jié)點收到數(shù)

9、據(jù)之后通過串口將各節(jié)點的溫濕度數(shù)據(jù)傳給智能主板。2.1程序流程圖開始開始系統(tǒng)時鐘初始化讀取溫濕度數(shù)據(jù)顯示溫濕度數(shù)據(jù)LCD初始化 圖3 軟件流程圖 2.2具體步驟 1、給智能主板供電（USB外接電源或2節(jié)干電池） 。 2、將一個無線節(jié)點模塊插入到帶LCD的智能主板的相應(yīng)位置。 3、將溫濕度及光電傳感器模塊插入到智能主板的傳感及控制擴展口位置。 4、將CC2530仿真器的一端通過USB線（A型轉(zhuǎn)B型）連接到 PC 機，另一端通過10Pin下載線連接到智能主板的CC2530 JTAG口（J203） 。 5、將智能主板上電源開關(guān)撥至開位置。按下仿真器上的按鈕，仿真器上的指示燈為綠色時，表示連接成功。

10、6、使用IAR7.51打開“OURS_CC2530LIBlib10(HumiTempLight) IAR_files”下的 HumiTempLight.eww文件，下載運行程序。 7、觀察LCD上溫度、濕度和光照強度的變化。 8、用一個物體擋住光照傳感器的光線，觀察LCD上光照強度數(shù)據(jù)的變化。 9、向溫濕度傳感器吹一口氣體，觀察LCD上溫濕度數(shù)據(jù)的變化。 三 詳細設(shè)計3.1 總體結(jié)構(gòu)構(gòu)成 溫濕度采集模塊主要有無線模塊和數(shù)據(jù)采集模塊,由數(shù)據(jù)采集模塊完成溫濕度的采集。溫濕度及光照傳感器采集數(shù)據(jù)，并把采集的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到CORTEX A8DB開發(fā)板上。在CORTEX A8DB開發(fā)板上通過軟件將采

11、集到的光、濕度、溫度值通過曲線描述出來。3.1.1無線傳感模塊 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計目標方面與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)有所區(qū)別，前者是以數(shù)據(jù)為中心的，后者以傳輸數(shù)據(jù)為目的。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，因為節(jié)點通常運行在人無法接近的惡劣甚至危險的遠程環(huán)境中，所以除了少數(shù)節(jié)點需要移動以外，大部分節(jié)點都是靜止不動的。在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，節(jié)點任意散落，節(jié)點除了需要完成感測特定的對象以外，還需要進行簡單的計算，維持互相之間的網(wǎng)絡(luò)連接等功能。并且由于能源的無法替代以及低功耗的多跳通信模式節(jié)，設(shè)計無線傳感節(jié)點時，有效的延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期以及節(jié)點的低功耗成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的核心問題。在節(jié)省功耗的同時增加通信的隱蔽性，避免長距離

12、的無線通信易受外界噪聲干擾的影響，也都是在設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)時需要攻克的新難題。圖4 無線傳感器節(jié)點模型無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立是基于傳感器加無線傳輸模塊的，傳感器采集的數(shù)據(jù)，簡單處理后經(jīng)過無線傳輸模塊傳到服務(wù)器或應(yīng)用終端。目標、觀測節(jié)點傳感節(jié)點和感知視場是 HYPERLINK /product/searchfile/19195.html t _blank 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所包括的4個基本實體對象。另外，要完成對整個系統(tǒng)的應(yīng)用刻畫，還需要對遠程任務(wù)管理單元、外部網(wǎng)絡(luò)和用戶進行定義。大量傳感節(jié)點隨機部署，單個節(jié)點經(jīng)過初始的通信和協(xié)商，通過自組織方式自行配置，形成一個傳輸信息的單跳鏈接或一系列的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組

13、成的網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同形成對目標的感知視場。傳感節(jié)點檢測的目標信號經(jīng)過傳感器本地簡單處理后通過單播或廣播以多跳的方式通過鄰近傳感節(jié)點傳輸?shù)接^測節(jié)點。用戶和遠程任務(wù)管理單元則能夠通過 HYPERLINK /info/2922.html t _blank 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)或In HYPERLINK /product/searchfile/10366.html t _blank ternet等外部網(wǎng)絡(luò)，與觀測節(jié)點進行數(shù)據(jù)信息的交互。觀測節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布查詢請求和控制指令，接收傳感節(jié)點返回的目標信息。圖5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)無線傳輸模塊可以實現(xiàn)短距離（小于300米）的信號傳輸。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)不同需求

14、選擇傳感器，如電壓電流、功耗、溫濕度、液面、震動、壓力等等。3.1.2溫濕度探頭直接使用IIC接口進行控制。其電路原理圖如下所示： 圖6 數(shù)據(jù)采集模塊電路圖本實驗將使用CC2530 讀取溫濕度傳感器SHT10的溫度和濕度數(shù)據(jù)，并將采樣到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換然后再LCD顯示。其中對溫濕度的讀取是利用CC2530的I/O（P1.0和P1.1）模擬一個類IIC得過程。 3.2硬件模塊設(shè)計 傳感器節(jié)點由數(shù)據(jù)處理發(fā)送模塊，溫度傳感器，濕度傳感器和供電般構(gòu)成。數(shù)據(jù)處理模塊是由CC2530構(gòu)成，溫濕度采集采用溫濕度傳感器SHT10。其結(jié)構(gòu)圖如 溫度采溫度采集模塊濕度采集模塊數(shù)據(jù)處理模塊 電源模塊 電源模塊 圖7 硬件

15、結(jié)構(gòu)圖3.3總體結(jié)構(gòu)軟件設(shè)計3.3.1程序流程圖及核心代碼：* 函數(shù)名稱：initUART* 功能描述：CC2530 串口初始化*/void initUART(void)PERCFG = 0 x00; /位置 1 P0 口P0SEL = 0 x3c; /P0用作串口U0CSR |= 0 x80; /UART方式U0GCR |= 11; /baud_e = 11;U0BAUD |= 216; /波特率設(shè)為 115200UTX0IF = 1;U0CSR |= 0X40; /允許接收IEN0 |= 0 x84; /uart0接收中斷/* 函數(shù)名稱：UartTX_Send_String* 功能描述：串

16、口發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)* 參 數(shù)：*Data 發(fā)送數(shù)據(jù)指針* len 發(fā)送的數(shù)據(jù)長度* 返 回 值：無*/void UartTX_Send_String(UINT8 *Data,int len)int j;for(j=0;jlen;j+)U0DBUF = *Data+;while(UTX0IF = 0);UTX0IF = 0;/* 函數(shù)名稱：HAL_ISR_FUNCTION* 功能描述：串口接收數(shù)據(jù)中斷函數(shù)* 參 數(shù)：halUart0RxIsr 中斷名稱* URX0_VECTOR 中斷向量* 返 回 值：無*/HAL_ISR_FUNCTION( halUart0RxIsr, URX0_VECTOR )

17、UINT8 temp;URX0IF = 0;temp = U0DBUF;*(str + count) = temp;count+;/* 函數(shù)名稱：main* 功能描述：串口間歇發(fā)送 字符串，當串口接收到數(shù)據(jù)后，再通過串口* 回發(fā)出去。*/void main()UINT8 *uartch = ;UINT8 temp = 0;SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRYSTAL); /設(shè)置主時鐘為 32M 晶振initUART(); /初始化串口while(1)UartTX_Send_String(uartch,17); /發(fā)送 halWait(200);halWait(200);if(co

18、unt) /判斷串口是否接收到數(shù)據(jù)temp = count; /保存接收的數(shù)據(jù)長度halWait(50); /等待數(shù)據(jù)接收完成if(temp =count) /判斷數(shù)據(jù)是否接收完成UartTX_Send_String(str,count); /回發(fā)接收到的數(shù)據(jù) str = 0;count = 0;3.3.2開始開始系統(tǒng)時鐘初始化讀取溫濕度數(shù)據(jù)顯示溫濕度數(shù)據(jù)LCD初始化程序流程圖及核心代碼：void main() int wendu; int shidu; char s16; UINT8 adc0_value2; float shuzi = 0;SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRY

19、STAL); / 設(shè)置系統(tǒng)時鐘源為 32MHz 晶體振蕩器GUI_Init(); / GUI 初始化GUI_SetColor(1,0); / 顯示色為亮點，背景色為暗點GUI_PutString5_7(25,6,OURS-CC2530); /顯示 OURS-CC2530GUI_PutString5_7(10,22,Temp:);GUI_PutString5_7(10,35,Humi:);GUI_PutString5_7(10,48,Light:);LCM_Refresh();while(1) th_read(&tem,&hum); /從采集模塊讀取溫度和濕度的數(shù)據(jù) sprintf(s, (ch

20、ar*)%d%d C, (INT16)(int)tempera / 10),(INT16)(int)tempera % 10); /將采集的溫度結(jié)果轉(zhuǎn)換為字符串格式 GUI_PutString5_7(48,22,(char *)s); /顯示采集的溫濕度的結(jié)果 LCM_Refresh(); sprintf(s,(char*)%d%d %,(INT16)(int)humidity / 10),(INT16)(int)humidity % 10); /將采集的濕度結(jié)果轉(zhuǎn)換為字符串的格式 GUI_PutString5_7(48,35,(char *)s); /顯示采集結(jié)果 LCM_Refresh()

21、四 總結(jié)本次為期兩周的課程設(shè)計中，主要目的是設(shè)計一個基于CC2530的智能倉儲管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個采用CC2530無線單片機進行溫濕度的數(shù)據(jù)采集，并且結(jié)合Zigbee協(xié)議架構(gòu)進行編程的設(shè)計，主要是基于CC2530的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊的設(shè)計，并在IAR集成環(huán)境開發(fā)環(huán)境中進行基于Zigbee架構(gòu)的編程，節(jié)點模塊的調(diào)試，最后，實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。在基于Zigbee無線傳感器節(jié)點模塊上，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集，處理以及傳輸?shù)裙δ堋?本次課程設(shè)計的完成，讓我結(jié)道，在以后的工作中，還可以繼續(xù)從以下幾個方面著手，進行研究和改進：1、減少節(jié)點的能量消耗。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點失效，不會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓，減少節(jié)點的能量消耗是不可避免要面對的問題之一。2、減少路由發(fā)現(xiàn)過程中的開銷。這其實也是減少節(jié)點的能量消耗的一種措施，盡量減少在路由發(fā)現(xiàn)過程中所損失的能量。3、路由選擇。路由優(yōu)化選擇可以盡量避免不必要的路由請求的廣播以及信息傳輸，做到這一點不僅可以提高效率，也可以在減少能量消