嵌入式温湿度采集系统设计讲解

*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：嵌入式温湿度采集系统设计专业班级 ：姓名：学号：指导教师 ：成绩：目录摘要3前言4一 基本原理51.1 硬件方面51.1.1芯片 SHT10介绍51.1.2 CC2530介绍61.2 软件方面81.2.1 zigbee协议介绍81.2.2 zigbee协议栈结构9二 系统分析13三 详细设计153.1总体软件结构图153.2 硬件模块设计163.3编码17四 总结19五 参考文献20六 致谢21附录22摘要温湿度数据的采集、 传输以及处理， 广泛应用于森林火灾的防范， 粮仓的温湿度控制以及家庭智能化控制等领域内。 针对传统的有线方式检测、 采集、传输中节点分散需要大量布线等问题， 本设计主要从无线传感方向进行改进， 本次课程设计介绍了一种基于 CC2530和数字温湿度传感器的温湿度采集系统。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， 两点之间的通信。 并详细阐述了基于 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，阐述在网络层如何通过 AODV路由协议进行节点间的连接以及数据的收发。关键字 : 温湿度数据采集 ;CC2530;Zigbee 协议栈 ; 无线传感网络前言在很多应用场合， 温度是一个很重要的一个参数。 温度的自动监测已经成为各行业进行安全生产和减少损失的重要措施之一。 传统的温度测量方式测量周期长，施工复杂，不便于管理，并且在有些特定场合如封闭，高压等环境下根本无法测量。但是往往这些场合容易引起很大的事故。 因而温度的无线传输显的越来越重要。在医疗领域的方面，主要包括跟踪治疗、移动观察、远程医疗、患者数据管理、药物跟踪、手机求救、病人数据收集、医疗垃圾跟踪和短信沟通等多方面的新应用。在生活方面，比如智能建筑可以感知随处可能发生的火灾隐患， 及早提供相关信息；根据人员分布情况自动控制中央空调， 实现能源节约； 及时掌握酒店客房内客人的出入信息， 以便在有突发事件时能及时准确的发出通知， 确保客人的人身财产安全。在运输系统方面，比如机场，持有 Zigbee 终端的乘客们可以随时得到导航信息，如登机口的位置，航班的变动，甚至附近有那些商店等，能够更好的为乘客们提供方便快捷的机场服务。在工业自动化领域内，人们可以通过 Zigbee 网络实现厂房内不同区域的温湿度监控；及时得到机器运转状况的信息；结合 RF标签，可以方便的统计库存量，等等。Zigbee 技术在 Zigbee 联盟和 IEEE 802.15.4 的推动下，结合其他无线技术，可以实现无所不在的网络。它不仅在工业，农业，军事，环境，医疗等传统领域具有巨大的应用价值， 未来在应用中还可以涉及人类日常生活和社会生产活动所有领域。由于各方面的制约， Zigbee 技术的大规模的商业应用还有待时日，但已经显示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的日趋成熟和发展推进，一定会得到更广泛的应用。但是，我们还应该清楚的认识到，基于 Zigbee 技术的无线网络才刚刚开始发展， 他的技术，应用都谈不上很成熟， 国内企业应该抓住商机，加大投入人才力度，推动整个行业的发展。一 基本原理本实验将使用 CC2530读取温湿度传感器 SHT10的温度和湿度数据， 并通过CC2530内部的 ADC得到光照传感器的数据。 最后将采样到的数据转换然后在 LCD上显示。其中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。对光照的采集使用内部的 AIN0 通道。1.1 硬件方面1.1.1芯片 SHT10介绍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。SHT10 引脚特性如下：1. VDD，GNDSHT10 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，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。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SCK 时钟的下降沿之后，释放DATA（恢复高电平）。测量时序 (RH 和 T) ：发布一组测量命令（ 00000101表示相对湿度度 T ）后，控制器要等待测量结束。这个过程需要大约RH， 00000011表示温11/55/210ms ，分别对应8/12/14bit 测量。确切的时间随内部晶振速度， 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。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。1.1.2 CC2530 介绍CC2530 是基于 2.4-GHz IEEE802.15.4 、ZigBee 和 RF4CE上的一个片上系统解决方案。其特点是以极低的总材料成本建立较为强大的网络节点。CC2530芯片结合了 RF 收发器，增强型8051 CPU，系统内可编程闪存， 8-KB RAM 和许多其他 模块的强大的 功能 。 如今CC2530 主要有 四种不同的闪存版 本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。其具有多种运行模式，使得它能满足超低功耗系统的要求。同时CC2530运行模式之间的转换时间很短，使其进一步降低能源消耗。CC2530包括了 1 个高性能的 2.4 GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和 1 个 8051 控制器，它具有 32/64/128 kB 可选择的编程闪存和8 kB 的 RAM，还包括 ADC、定时器、睡眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路和21 个可编程 I/O 引脚，这样很容易实现通信模块的小型化。CC2530是一款功耗相当低的单片机，功耗模式3 下电流消耗仅 0.2 A，在 32 k 晶体时钟下运行，电流消耗小于 1A。CC2530 芯片使用直接正交上变频发送数据。基带信号的同相分量和正交分量由 DAC转换成模拟信号， 经过低通滤波， 变频到所设定的信道上。 当需要发送数据时，先将要发送的数据写入128B 的发送缓存中，包头是通过硬件产生的。最后经过低通滤波器和上变频的混频后，将射频信号被调制到2.4GHz，后经天线发送出去。 CC2530有两个端口分别为TX/RX，RF端口不需要外部的收发开关，芯片内部已集成了收发开关。CC2530的存储器 ST-M25PE16是 4 线的 SPI 通信模式的 FLASH，可以整块擦除，最大可以存储2M个字节。工作电压为2.7v 到 3.6v 。CC2530温度传感器模块反向F 型天线采用 TI 公司公布的 2.4GHz 倒 F 型天线设计。天线的最大增益为3.3dB ，天线面积为25.7 ×7.5mm。该天线完全能够满足 CC2530工作频段的要求（ CC2530工作频段为 2.400GHz2.480GHz）。图 1.CC2530 芯片引脚CC2530芯片引脚功能AVDD1 28 电源（模拟） 2-V 3.6-V模拟电源连接AVDD2 27 电源（模拟） 2-V 3.6-V模拟电源连接AVDD3 24 电源（模拟） 2-V 3.6-V模拟电源连接AVDD4 29 电源（模拟） 2-V 3.6-V模拟电源连接AVDD5 21 电源（模拟） 2-V 3.6-V模拟电源连接AVDD6 31 电源（模拟） 2-V 3.6-V模拟电源连接DCOUPL 40电源（数字） 1.8V数字电源去耦。不使用外部电路