嵌入式 室内环境信息采集控制系统

嵌入式系统课程设计

基于嵌入式的室内环境信息采集控制演示系统设计

摘要：

基于嵌入式的无线传感网络是多学科的高度交叉，知识的高度集成的前沿热点研究领域。它通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测,感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端无线传感器网络的特性决定了其不需要较高的传输带宽，而要求较低的传输延时和极低的功率消耗。IEEES02．15．4／ZigBee技术是近年来通信领域中的研究热点，具有低成本、低功耗、低速率、低复杂度的特点和高可靠

性、组网简单、灵活等优势，逐渐成为无线传感器网络事实上的国际标准。

此次课设设计并实现了用无线传感器网络构成的分布式温度湿度监控系统。

关键词：嵌入式、信息采集、ZIGBEE、串口通信

前言

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，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。随着生活水平的提高和科学技术发展的需求，人类对环境信息的感知上有了更高的要求，在某些特殊工业生产领域和室内存储场合对环境要求显得特别苛刻；随着嵌入式技术的发展，为环境环境检测提供了更进一步的保障。

基于嵌入式的环境信息采集系统包含感知层、传输层、应用层三个层面；传输层常见的有温湿度、烟感、一氧化碳、压力等嵌入式传感器模块，传输层包括有线通信和无线通信两部分，应用层包括各种终端。

在室内环境监测领域，以嵌入式技术为基础，结合ZigBee技术可以实现、准确、完整、可靠的反应环境信息，做到实时监控。

系统分析及其设计

一、基本原理：

湿度传感器和温度传感器采集到数据后，通过给RS232串口增加ZigBee功能，替代设备电缆线进行无线传输,串口传输设计为双向全双工，无硬件流控制，强制允许OTA(多条)时间和丢包重传。本次课设采用的senser节点中烧写EndDeviceEB程序，在协调器中烧写CoordinatorEB程序。在设备绑定时先启动协调器绑定，后启动终端节点绑定，按键SW1用于设备之间绑定，SW2用于启动匹配描述符请求。

二、系统方案设计

1、系统设计需求

通过对 Zigbee 协议栈的学习与研究，结合嵌入式知识，根据温湿度监测的实际需求，确定出ZigBee 的网络协调器、

终端数据采集节点管理、室内温度、湿度采集系统的设计方案。

学习RS232串口通信原理及其数据包发送原理。最后根据设计

的无线温度采集系统搭建测试平台，测量其网络性能。

2、系统方案设计

方案一：

飞思卡尔公司(Freescale)的 MC13193 芯片搭载了满足IEEE 802.15.4 标准的射频信号传输与接收的调制解调设备。

这类功能完善的双向 2.4GHz 频段的收发设备能够融合到

ZigBee 技术之中。MC13193 包含低噪放大器，10mW 的功率增

强器，压控振荡器，电源供应调节模块，所有频段编码和解码

模块，包括可以转换和控制数据的发送与接收串行外围接口

(SPI)中断请求输出。采用 O-QPSK 的调制方式，最大传输速率为 250kb/s。搭配高性能的微处理器一起使用，MC13193可以提供低成本且高效率的短距离数据传输解决方案。MC13193 和MCU 两者采用串行外围接口(SPI)连接，因此可以保证飞思卡尔庞大产品系列中的任意一款MCU 都能与之匹配使用。

方案二：

选择TI公司的2.4GHz片上系统解决方案CC2530，CC2530是用于IEEES02.15.4、Zigbee和RF4CE应用的一个片上系统解决方案，它能以较低的总成本建立强大的网络节点。CC2530结合了先进的RF收发器性能，业界标准的增强型8051内核，使操作更容易，具备不同的运行模式，尤其适用于低功耗的系统需求。

3、系统方案选择

通过对比以上两种方案开发的难易程度、开发周期和现有的实验环境我们选择方案二。

无线温度采集系统改变了传统有线的数据采集系统搭建布线困难，监测区域受限等诸多不足。ZigBee这种新兴的短距离无线通信系统具有功耗少，性价比高，系统维护快捷方便，而且通过在传感器模块上添加 FLASH 存储设备，使得数据采集工作能够摆脱对监测过程网络辐射范围的限制，可应用到许多的场合更好的改善采集工作的便捷行。通过与其他通信技术(如 GSM／GPRS)的无缝接合，能够实现采集数据的远程传输，满足对数据采集区域的远程监控。

一般以 ZigBee 技术为核心的无线温度采集系统的工作过程为：协调器节点首先应搭建网络，等待各自终端采集节点的入网请求；终端节点经过验证加入网络后，把温度传感器采集到的数据通过无线网络上传传输给协调器节点；协调器节点接收到数据包后，进行数据包解析，并通过串口将温度信息以及子节点地址等有效信息存储并显示在监控界面上。

三、总体设计

无线传感器温度测量系统主要由单个 ZigBee 协调器、单部 PC 机和放置在各处的温度采集节点—ZigBee 终端设备组成。ZigBee 协调器与各个终端节点形成了一个 ZigBee 星型网络。整个无线温度采集系统的拓扑结构图如图 1所示。各处的温度采集节点—ZigBee 终端设备组成。CC2530芯片的有效通信半径为 100m 时，终端节点可以安置在以协调器为中心100m 半径范围内。终端数据采集节点的结构较为简化，仅由一个 CC2530 模块，Flash 存储，2 节 1.5V 电池和温度传感器组成，各个终端节点被初始化为无信标网络中的终端设备。终端设备上电复位后，便启动搜索指定信道上的ZigBee协调器，并发送连接请求，终端设备在成功入网后，将被赋予一个 16 位短地址，在以后网络中的通信都以这个 16 位的短地址作为节点的标识；启动休眠定时器，间隔10 秒钟唤醒一次，醒来后使用一种简单的非时隙 CSMA- CA，通过竞争机制取得信道使用权，自己向协调器节点发送请求数据。利用模块上的温度传感器模块检测环境温度，并上传给协调器节点，然后立即再次进入休眠状态，最大限度地减少能耗，