《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課件 第6章 常用傳感器；第7章 CC2530實(shí)現(xiàn)紅外通信；第8章 Z-Stack協(xié)議棧；第9章 智能家居系統(tǒng)

第6章常用傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。6.1數(shù)字溫濕度傳感器DHT11DHT11典型應(yīng)用電路DATA引腳用于單片機(jī)與DHT11之間的通訊和同步,采用單總線數(shù)據(jù)格式,一次通訊時(shí)間4ms左右,數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分,具體格式在下面說明,當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展,現(xiàn)讀出為零.操作流程如下:一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit,高位先出。數(shù)據(jù)格式:8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和數(shù)據(jù)傳送正確時(shí)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末8位。用戶MCU發(fā)送一次開始信號(hào)后,DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式,等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后,DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào),送出40bit的數(shù)據(jù),并觸發(fā)一次信號(hào)采集,用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號(hào),DHT11不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集.采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式。DHT11串行接口

總線空閑狀態(tài)為高電平,主機(jī)把總線拉低等待DHT11響應(yīng),主機(jī)把總線拉低必須大于18毫秒,保證DHT11能檢測(cè)到起始信號(hào)。DHT11接收到主機(jī)的開始信號(hào)后,等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束,然后發(fā)送80us低電平響應(yīng)信號(hào).主機(jī)發(fā)送開始信號(hào)結(jié)束后,延時(shí)等待20-40us后,讀取DHT11的響應(yīng)信號(hào),主機(jī)發(fā)送開始信號(hào)后,可以切換到輸入模式,或者輸出高電平均可,總線由上拉電阻拉高，總線為低電平,說明DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào),DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)后,再把總線拉高80us,準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)。如果讀取響應(yīng)信號(hào)為高電平,則DHT11沒有響應(yīng),請(qǐng)檢查線路是否連接正常.當(dāng)最后一bit數(shù)據(jù)傳送完畢后，DHT11拉低總線50us,隨后總線由上拉電阻拉高進(jìn)入空閑狀態(tài)。DHT11串行接口通訊過程串行接口通訊過程DHT11串行接口每一bit數(shù)據(jù)都以50us低電平時(shí)隙開始,高電平的長(zhǎng)短定了數(shù)據(jù)位是0還是1.數(shù)字1信號(hào)表示方法(1）全自動(dòng)感應(yīng):人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平。（2）工作電壓范圍寬：默認(rèn)工作電壓DC4.5V-20V。（3）微功耗:靜態(tài)電流<50微安，特別適合干電池供電的自動(dòng)控制產(chǎn)品。（4）感應(yīng)模塊通電后有一分鐘左右的初始化時(shí)間，在此期間模塊會(huì)間隔地輸出0-3次，一分鐘后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。（5）感應(yīng)距離7米以內(nèi)，感應(yīng)角度<100度錐角，工作溫度-15-+70度。6.2紅外人體感應(yīng)模塊實(shí)驗(yàn)6.3結(jié)露傳感器實(shí)驗(yàn)HDS05結(jié)露傳感器特性曲線:煙霧傳感器模塊功能特點(diǎn)（1）具有信號(hào)輸出指示。（2）雙路信號(hào)輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）（3）TTL輸出有效信號(hào)為低電平。（當(dāng)輸出低電平時(shí)信號(hào)燈亮，可直接接單片機(jī)）（4）模擬量輸出0~5V電壓，濃度越高電壓越高。（5）對(duì)液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度。（6）具有長(zhǎng)期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性（7）快速的響應(yīng)恢復(fù)特性6.4煙霧傳感器模塊GY-30數(shù)字光模塊介紹特點(diǎn)（1）I2C總線接口（2）光譜的范圍是人眼相近（3）照度數(shù)字轉(zhuǎn)換器（4）寬范圍和高分辨率.（1-65535勒克斯）（5）低電流關(guān)機(jī)功能（6）50Hz/60Hz光噪聲r(shí)eject-function（7）1.8V邏輯輸入接口（8）無需任何外部零件（9）光源的依賴性不大.（例如白熾燈.熒光燈.鹵素?zé)?白LED）（10)可能的選擇2類型的ICslave-address.（11)紅外線的影響很小6.5光強(qiáng)度傳感器模塊I2C總線概述I2C(Inter－IntegratedCircuit)總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備(特別是外部存儲(chǔ)器件)。

I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種特殊類型信號(hào)，它們分別是：開始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)。I2C總線最主要的優(yōu)點(diǎn)是其簡(jiǎn)單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本。I2C總線的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它支持多主機(jī)，其中任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主機(jī)。一個(gè)主控能夠控制信號(hào)的傳輸和時(shí)鐘頻率。當(dāng)然，在任何時(shí)間點(diǎn)上只能有一個(gè)主機(jī)。I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。各種I2C均并聯(lián)在這條總線上，但就像電話機(jī)一樣只有撥通各自的號(hào)碼才能工作，所以每個(gè)電路和模塊都有唯一的地址。I2C總線

SCL線為高電平期間，SDA線由高電平向低電平的變化表示起始信號(hào)；SCL線為高電平期間，SDA線由低電平向高電平的變化表示終止信號(hào)I2C總線的起始和停止SCL為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有SCL信號(hào)為低電平期間，SDA狀態(tài)才允許變化。I2C的數(shù)據(jù)傳輸I2C與UART不同的地方首先在于先傳高位，后傳送低位。主機(jī)寫數(shù)據(jù)時(shí)，每發(fā)送一個(gè)字節(jié)，接收機(jī)需要回復(fù)一個(gè)應(yīng)答位“0”，通過應(yīng)答位來判斷從機(jī)是否接收成功。主機(jī)讀數(shù)據(jù)時(shí)，接收一個(gè)字節(jié)結(jié)束后，主機(jī)也需要發(fā)送一應(yīng)答位“0”，但是當(dāng)接收最后一個(gè)字節(jié)結(jié)束后，則需發(fā)送一個(gè)非應(yīng)答位“1”，發(fā)完了1后，再發(fā)一個(gè)停止信號(hào)，最終結(jié)束通信。I2C的數(shù)據(jù)讀寫和應(yīng)答

第7章CC2530實(shí)現(xiàn)紅外通信

紅外遙控方式是以紅外線作為載體來傳送控制信息的，同時(shí)隨著電子技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的出現(xiàn)，催生了數(shù)字編碼方式的紅外遙控系統(tǒng)的快速發(fā)展。另外，紅外遙控具有很多的優(yōu)點(diǎn)，例如紅外線發(fā)射裝置采用紅外發(fā)光二極管，遙控發(fā)射器易于小型化且價(jià)格低廉；采用數(shù)字信號(hào)編碼和二次調(diào)制方式，不僅可以實(shí)現(xiàn)多路信息的控制，增加遙控功能，提高信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_性，減少誤動(dòng)作，而且功率消耗低；紅外線不會(huì)向室外泄露，不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)串?dāng)_；反應(yīng)速度快、傳輸效率高、工作穩(wěn)定可靠等。7.1紅外通信簡(jiǎn)介

紅外發(fā)射信號(hào)的形成紅外接收端普遍采用價(jià)格便宜，性能可靠的一體化紅外接收頭接收紅外信號(hào)，它同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、檢波、整形，得到數(shù)字信號(hào)的編碼信息再送給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)解碼并執(zhí)行，去控制相關(guān)對(duì)象。紅外線遙控接收電路由于CC2530可以使用定時(shí)器產(chǎn)生38K的調(diào)制信號(hào)，所以只需要在CC2530引腳上接一個(gè)紅外發(fā)射管就可以了，在一般情況下，還需要串連一個(gè)小電阻。需要注意的是紅外發(fā)射對(duì)引腳的驅(qū)動(dòng)能力有要求，對(duì)于CC2530只有引腳P1_0和P1_1符合要求，可以作為紅外信號(hào)的輸出引腳紅外發(fā)射電路第8章

Z-Stack協(xié)議棧Z-Stack是TI公司開發(fā)的ZigBee協(xié)議棧，TI公司在推出其CC2530射頻芯片同時(shí)，也向用戶提供了自己的ZigBee協(xié)議棧軟件-Z-Stack。這是一款業(yè)界領(lǐng)先的商業(yè)級(jí)協(xié)議棧，經(jīng)過了ZigBee聯(lián)盟的認(rèn)可而為全球眾多開發(fā)商所廣泛采用，使用CC2530射頻芯片，可以使用戶很容易的開發(fā)出具體的應(yīng)用程序來，Z-Stack實(shí)際上是幫助程序員方便開發(fā)ZigBee的一套系統(tǒng)。Z-Stack使用瑞典公司IAR開發(fā)的IAREmbeddedWorkbenchfor8051作為它的集成開發(fā)環(huán)境。TI公司為自己設(shè)計(jì)的Z-Stack協(xié)議棧中提供了一個(gè)名為操作系統(tǒng)抽象層OSAL的協(xié)議棧調(diào)度程序。對(duì)于用戶來說，除了能夠看到這個(gè)調(diào)度程序外，其它任何協(xié)議棧操作的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)都被封裝在庫代碼中。用戶在進(jìn)行具體的應(yīng)用開發(fā)時(shí)只能夠通過調(diào)用API接口來進(jìn)行，而無法知道ZigBee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的具體細(xì)節(jié)。Z-Stack協(xié)議棧簡(jiǎn)介

1）協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。它也是網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)設(shè)備。協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID(也稱之為PANID，即PersonalAreaNetworkID)，隨后啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器也可以用來協(xié)助建立網(wǎng)絡(luò)中安全層和應(yīng)用層的綁定(bindings)。注意，協(xié)調(diào)器的角色主要涉及網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)和配置。一旦這些都完成后，協(xié)調(diào)器的工作就和一個(gè)路由器相同。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)本身的分布特性，因此接下來整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的操作就不再依賴協(xié)調(diào)器是否存在。2）路由器路由器的功能主要是：允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，多跳路由協(xié)助由電池供電的子終端設(shè)備的通訊。通常，路由器需要一直處于活動(dòng)狀態(tài)，因此它必須使用主電源供電。但是當(dāng)使用樹這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，允許路由器間隔一定的周期操作一次，這樣就可以使用電池給其供電。3）終端設(shè)備終端設(shè)備沒有維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的職責(zé)，它可以睡眠或者喚醒，因此它可以是一個(gè)由電池供電的設(shè)備。通常，終端設(shè)備對(duì)存儲(chǔ)空間(特別是RAM的需要)比較小。設(shè)備類型

ZigBee采用直接序列擴(kuò)頻（DSSS）在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段,2.4GHz(全球)、915MHz(美國)和868MHz(歐洲)。在2.4G頻段上IEEE802.15.4/ZigBee規(guī)定了16個(gè)信道,每個(gè)信道頻帶寬度為5MHz。ZigBee與其他通信協(xié)議的信道沖突：15，20，25，26信道與Wi-Fi信道沖突較小藍(lán)牙基本不會(huì)沖突。無繩電話盡量不與ZigBee同時(shí)使用信道16位的ID值來標(biāo)識(shí)唯一一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，主要是用于區(qū)分網(wǎng)絡(luò)，使得同一地區(qū)可以同時(shí)存在多個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。其取值范圍是0x0000～0x3FFF。當(dāng)設(shè)置為0xFFFF時(shí)，協(xié)調(diào)器可以隨機(jī)獲取一個(gè)16位的PANID建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。路由器或者終端設(shè)備可以加入任意一個(gè)已設(shè)定信道上的網(wǎng)絡(luò)而不去關(guān)心PANID。PANID用于在邏輯上區(qū)分同一地區(qū)或者同一信道上的ZigBee節(jié)點(diǎn)，在不同地區(qū)或者同一地區(qū)不同的信道可以使用同一PANID。PANID

ZigBee設(shè)備有兩種類型的地址。一種是64位IEEE地址，即MAC地址，另一種是16位網(wǎng)絡(luò)地址。64位地址使全球唯一的地址，設(shè)備將在它的生命周期中一直擁有它。它通常由制造商或者被安裝時(shí)設(shè)置。這些地址由IEEE來維護(hù)和分配。16位地址為網(wǎng)絡(luò)地址是當(dāng)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后分配的。協(xié)調(diào)器按照一定的算法進(jìn)行分配，16位網(wǎng)絡(luò)地址是當(dāng)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后分配的。它在網(wǎng)絡(luò)中是唯一的，用來在網(wǎng)絡(luò)中鑒別設(shè)備和發(fā)送數(shù)據(jù)。地址1）單點(diǎn)傳送(Unicast)將數(shù)據(jù)包發(fā)送給一個(gè)已經(jīng)知道網(wǎng)絡(luò)地址的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。2）間接傳送(Indirect)當(dāng)應(yīng)用程序不知道數(shù)據(jù)包的目標(biāo)設(shè)備在哪里的時(shí)候使用的模式。從發(fā)送設(shè)備的棧的綁定表中查找目標(biāo)設(shè)備。這種特點(diǎn)稱之為源綁定。當(dāng)數(shù)據(jù)向下發(fā)送到達(dá)棧中，從綁定表中查找并且使用該目標(biāo)地址。這樣，數(shù)據(jù)包將被處理成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的單點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)包。如果在綁定表中找到多個(gè)設(shè)備，則向每個(gè)設(shè)備都發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包的拷貝。數(shù)據(jù)傳送方式廣播傳送(broadcast)當(dāng)應(yīng)用程序需要將數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)設(shè)備時(shí)，使用這種數(shù)據(jù)傳送方式。目標(biāo)地址可以設(shè)置為下面廣播地址的一種：①(0xFFFF)——數(shù)據(jù)包將被傳送到網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備，包括睡眠中的設(shè)備。對(duì)于睡眠中的設(shè)備，數(shù)據(jù)包將被保留在其父親節(jié)點(diǎn)直到查詢到它，或者消息超時(shí)。②(0xFFFD)——數(shù)據(jù)包將被傳送到網(wǎng)絡(luò)上的所有在空閑時(shí)打開接收的設(shè)備，也就是說，除了睡眠中的所有設(shè)備。③(0xFFFC)——數(shù)據(jù)包發(fā)送給所有的路由器，包括協(xié)調(diào)器。數(shù)據(jù)傳送方式---廣播傳送端點(diǎn)（EndPoint）：端點(diǎn)EndPoint是為實(shí)現(xiàn)一個(gè)設(shè)備描述而定義的一組群集，定義了一個(gè)設(shè)備內(nèi)的一個(gè)通信實(shí)體，一個(gè)特定應(yīng)用通過它被執(zhí)行。ZDO的Endpoint為0，其他應(yīng)用程序Endpoint從1-240，241-255保留未用。關(guān)于EndPoint的理解就是虛擬鏈路。端點(diǎn)ZigBee技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹型和MESH網(wǎng)狀網(wǎng)，可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需要來選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。默認(rèn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是MESH網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

簇（cluster）：（一種約定）一個(gè)應(yīng)用規(guī)范內(nèi)的所有設(shè)備，通過簇的方式彼此進(jìn)行通信。簇可被輸入給一個(gè)設(shè)備，也可從一個(gè)設(shè)備被輸出。簇的作用主要在于發(fā)送方和接收方關(guān)于通信的一種約定，接收方接收到的信息的簇ID來判定要對(duì)接收到的信息進(jìn)行怎樣的處理。簇

路由能夠自愈ZigBee網(wǎng)絡(luò)，如果某個(gè)無線連接斷開了，路由功能又能自動(dòng)尋找一條新的路徑避開那個(gè)斷開的網(wǎng)絡(luò)連接。這就極大的提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，同時(shí)也是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵特性。路由ZigBee聯(lián)盟定義指定。在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備必須符合同一個(gè)協(xié)議棧規(guī)范（同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的協(xié)議棧規(guī)范必須一致）。ZigBee聯(lián)盟為ZigBee協(xié)議棧2007定義了2個(gè)規(guī)范：ZigBee和ZigBeePRO。所有的設(shè)備只要遵循該規(guī)范，即使在不同廠商買的不同設(shè)備同樣可以形成網(wǎng)絡(luò)。ZigBee和ZigBeePRO之間最主要的特性差異就是對(duì)高級(jí)別安全性的支持。高級(jí)別安全性提供了一個(gè)在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接之間建立鏈路密匙的機(jī)制，并且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在應(yīng)用層無法得到信任時(shí)增加了更多的安全性。像許多PRO特性那樣，高級(jí)安全特性對(duì)于某些應(yīng)用而言非常有用，但在有效利用寶貴節(jié)點(diǎn)空間方面卻付出很大代價(jià)。協(xié)議棧規(guī)范第9章智能家居系統(tǒng)紅外人體傳感能夠檢測(cè)到進(jìn)入檢測(cè)范圍的人體，并發(fā)送信息給用戶。煤氣濃度傳感能夠檢測(cè)煤氣濃度，超過一定限值發(fā)送信息給用戶。煙霧傳感能夠檢測(cè)煙霧濃度，超過一定限值發(fā)送信息給用戶。水浸傳感當(dāng)水浸過傳感器，發(fā)送信息給用戶。家居監(jiān)控用戶可以通過電腦和手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控家居中重點(diǎn)部位。需求分析-安防系統(tǒng)熱水器遠(yuǎn)程控制用戶可以通過電腦和手機(jī)遠(yuǎn)程控制熱水器進(jìn)行預(yù)先加熱?？照{(diào)遠(yuǎn)程控制用戶可以通過電腦和手機(jī)遠(yuǎn)程控制空調(diào)進(jìn)行預(yù)先操作。需求分析-遠(yuǎn)程控制

系統(tǒng)分析(1)家電控制子系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)空調(diào)、熱水器等家電的集中控制和遠(yuǎn)程控制。(2)智能安防子系統(tǒng)感知環(huán)境中的危險(xiǎn)因素，并及時(shí)報(bào)警。(3)家居監(jiān)控子系統(tǒng)對(duì)家居中特殊位置進(jìn)行集中監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控(4)遠(yuǎn)程控制子系統(tǒng)通過手