【正文】 ...................... 18 工作展望 .................................................................................................................... 18 參考文獻 .................................................................................................................................. 19 附錄（一）電路圖 .................................................................................................................. 20 附錄（二）程序 ...................................................................................................................... 23 致謝 .......................................................................................................................................... 39 1 第一章 前言 無線傳感器網(wǎng)絡研究的背景 隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展和成熟，大量監(jiān)控系統(tǒng)就開始采用無線技術(shù)進行數(shù)據(jù)的采集和通信。 隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展和低 功耗集成數(shù)字設備的快速發(fā)展，使得微體積、低功耗、低成本的微型傳感器節(jié)點得以出現(xiàn)。這種由無線網(wǎng)絡節(jié)點配合各種類型的傳感器網(wǎng)絡開創(chuàng)了新的應用領(lǐng)域的新概念和技術(shù)，它有著傳統(tǒng)網(wǎng)絡無法相比的優(yōu)勢，具有快速開發(fā)項目，隱蔽性強，易維修等特點，可廣泛應用于軍事監(jiān)視、環(huán)境檢測等領(lǐng)域。傳感技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡已經(jīng)被美國《技術(shù)評論》認定為最重要的研究之一，《商業(yè)周刊》將無線傳感器網(wǎng)絡認定為 21世紀最具有影響力的十大技術(shù)之一。 無線傳感器網(wǎng)絡是一種由傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)器構(gòu)成的網(wǎng)絡，可以實時地檢測和收集節(jié)點安放的區(qū)域的各類信息，如溫度、濕 度、噪音、光強和有害氣體濃度等一些需要監(jiān)測的信息，然后對這些信息經(jīng)過處理后再用無線的方式傳送出去，最終通過無線網(wǎng)絡發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡應用在金融服務、醫(yī)療護理、工業(yè)生產(chǎn)、檢測環(huán)境、智能家居等各個領(lǐng)域，它具有極其廣闊的發(fā)展前景。特別是在智能家居領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡目前已經(jīng)廣泛應用于智能家居行業(yè)，隨著人們的生活水平不斷提升，智能家居將會逐漸普及，無線傳感器網(wǎng)絡這一技術(shù)將在我們身邊得到普遍的應用。 由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點都是使用電池來維持，工作環(huán)境也比較惡劣，不易更換電池，所以節(jié)能是無線傳感器網(wǎng)絡最重要的 設計標準之一。它急需對傳統(tǒng)的嵌入式應用開發(fā)進行改造，精心設計其軟硬件系統(tǒng)，使其更加可靠耐用。 研究的意義 隨著無線傳感器網(wǎng)絡的快速發(fā)展和日趨成熟，無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)也應用到了生活的各個領(lǐng)域。糧食是國家的重要戰(zhàn)略物資，糧食安全 更有利于民生， 它與 可持續(xù)發(fā)展，經(jīng)濟和社會的和諧穩(wěn)定是密切相關(guān)的 。但是我國傳統(tǒng)的糧情檢測系統(tǒng)容易受到導線電阻和分布電容的影響，測量誤差比較大，易受雷擊，此系統(tǒng)最大缺陷是在倉庫布置大量的測溫、測濕電纜，安裝和拆卸也很復雜。因此基于 Zigbee 技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡的糧情檢測系統(tǒng)的開發(fā)具有 重大的意義，為保障糧食存儲安全發(fā)揮巨大的作用。 去年我國領(lǐng)導人發(fā)起了“光盤行動”，這把糧食重要性上升到了更高的一個層面。浪費糧食固然可恥，但糧食變質(zhì)則更加不是我們愿意看到的。故研究一個能夠更好的檢測到糧庫的各種情況的糧食監(jiān)控系統(tǒng)，是迫在眉睫的工作。 本設計研究基于 ZigBee 技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡的糧庫檢測系統(tǒng)，對降低開發(fā)成本，系統(tǒng)模塊化，提高檢測精度，提高傳輸距離，提高實時性都具有非常重要的意義。讓無線傳感器網(wǎng)絡跟計算機通信，充分利用了 PC 機的軟硬件資源，為保障糧食存儲安全發(fā)揮巨大的作用。 2 第二章系統(tǒng)設計 方案的論證 本系統(tǒng)主要由 CC2530 ZigBee 模塊、 LCD12864 顯示屏、 DHT11 溫濕度傳感器、電源模塊、上位機等幾大模塊組成， 以下是本系統(tǒng)的方案 的論證和 選擇 。 核心控制模塊方案的論證與選擇 該模塊是系統(tǒng)的核心部分，其中包含了無線射頻模塊跟單片機，這個模塊將是完成數(shù)據(jù)信息的采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能。 方案一：采用 STM32 + CC2420 。 STM32 是意法半導體公司為了滿足集成高、功耗低、實時性好、具有競爭性價格等優(yōu)勢。在一些需功耗低但功能又很強大的微處理器的嵌入式 系統(tǒng)中 STM32 都能很好的應用。 CC2420 是 TI 公司研發(fā)的無線射頻芯片， TI 公司提供了真正的系統(tǒng)芯片解決方案。這類解決方案滿足以 ZigBee 為基礎的 波段，以及低成本和低功耗的需求，并且可以大幅度提高性能。 CC2420 可以通過 SPI 接口方便的與 STM32 通信，但是 STM32 的編程相對來說較為復雜，價格較高，不具有太高的性價比，故放棄選擇。 方案二：采用 AT89S52 + CC2420 。 AT89S52 是一種 8 位微控制器，使用簡單，容易上手，網(wǎng)絡資源多，該芯片使用 Atmel 非易失存儲器技術(shù)，可重 復編程。 AT89S52 有32個 I/O口，能很好的跟其他外設連接。 CC2420是 TI 公司研發(fā)的無線射頻芯片， CCC2420可以通過 SPI 接口方便的與 AT89S52 通信。由于外圍器件的連接接較為復雜，功耗較大，故放棄選擇。 方案三：采用 CC2530。 CC2530 是用于 ZigBee 技術(shù)的的一個低功耗芯片，它要建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點只需很低的成本。 [1]CC25230結(jié)合了領(lǐng)先 RF收發(fā)器的良好性能，增強型的 8051 CPU 也是業(yè)界比較標準的，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存， 8 KB RAM 等其他強大功能。 CC2530 具有多個不同的運行模式。各個運行模式之間的轉(zhuǎn)換時短，進一步確保了低功耗要求。 [2]CC2530 結(jié)合世界領(lǐng)先的 ZigBee 協(xié)議棧，提供了一個極其強大跟完整的ZigBee 解決方案。由于此方案不需要更多的外設，外圍電路相當簡單，故選用此方案。 顯示模塊方案的論證與選擇 顯示模塊用來做人機交互的，開發(fā)者把需要了解的信息通過系統(tǒng)設置顯示在液晶屏上，讓觀察者能夠一目了然各種信息，故該模塊的選擇一定要滿足系統(tǒng)的低功耗，顯示內(nèi)容多等要求。 方案一： LCD1602 液晶屏。 1602 總共能夠顯示出 16 * 2 個字符 ，具有背光可調(diào)功能，接口兼容性好，可直接用單片機驅(qū)動，使用十分方便。但是它不能顯示漢字，不能直接使用 的電源驅(qū)動，雖然可以通過電壓轉(zhuǎn)換，但是此部分的制作較為麻煩。故不選擇此方案。 方案二： TFT 液晶屏。 TFT 液晶顯示器因其體積小、外觀漂亮、具備可顯示字母漢字圖片于一體、具有人性化的顯示頁面等優(yōu)點得到了廣泛應用，現(xiàn)在最流行的蘋果手機 3 等智能機都是采用了 TFT 彩屏作為顯示模塊，并且它本身提供了觸摸功能和 SD 卡等相關(guān)功能，使它可以顯示所有漢字和高清晰圖片，使用方便。但是它的價格較貴，性價比不高。故不選擇此方案 。 方案三： LCD 12864（ ST7565P）液晶。 LCD12864 屏克服了 1602 不能顯示漢字這一大缺陷，它不僅可以顯示所有的字符還具備顯示漢字的能力，并且有四行的顯示空間，最多能顯示 8 * 4 個漢字，或者 16 * 4 個字符，更關(guān)鍵的是 12864 的一個型號 ST7565P 液晶屏的標準電壓是 ，跟 CC2530 匹配，本系統(tǒng)就選擇此方案作為顯示模塊。 傳感器方案的論證與選擇 傳感器是系統(tǒng)的眼睛，它是將所部署環(huán)境的物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息的關(guān)鍵，所以選擇一個合適的傳感器也是至關(guān)重要的。 方案一：溫 度傳感器 DS18B20 + 濕度傳感器 HS1101。 DS18B20 數(shù)字溫度計提供 9位溫度讀數(shù)，它使用單總線接口跟單片機相連，同時數(shù)據(jù)線能提供電源，故 DS18B20 只需要一條數(shù)據(jù)線跟一條地線。濕度傳感器 HS1101 工作范圍 30℃～ 60℃，是高精度電容濕度傳感器，能夠有效抵抗各種腐蝕性氣體物質(zhì)。由于溫度跟濕度需要單獨采集，工程較大，故不選用此方案。 方案二：選用 SHT11 作為溫濕度檢測模塊。 SHT11 溫濕度傳感器的微型電路集成了傳感元件和信號處理電路，輸出標準數(shù)字信號。一個電容性聚合體濕敏感元件和一個采用間 隙材料制成的溫敏感元件是該模塊的傳感器，在該同一個芯片上，還有一個 14 位A/D 轉(zhuǎn)換器用來將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。 [3]SHT11 有四個接口： VCC、 GND、 DATA、CLK,使用還算方便，但是價格稍貴，故不選擇。 方案三：選用 DHT11 傳感器。 DHT11 是一款數(shù)字輸出的復合式溫濕度傳感器，該傳感器是由一個 NTC 式溫度檢測元件一個電阻感濕元件組成，可檢測溫度 0～ 50℃，濕度20～ 90% 。該產(chǎn)品具有品響應快、質(zhì)卓越、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。 DHT11 使用單總線串行接口。使用更為方便。體積小、功耗低、能 適用于各個條件苛刻的環(huán)境，而且具有較高的性價比，故 DHT11 完全能適用于本系統(tǒng)，所以采用 DHT11 溫濕度傳感器作為傳感器節(jié)點的溫傳感器。 電源模塊的選擇 CC2530 芯片的額定工作電壓為 ， DHT11 溫濕度傳感器的工作電壓為 3V～ 5V，顯示模塊 LCD12864 也是使用的額定電壓 。故采用的電源需要穩(wěn)定輸出 ，由于系統(tǒng)要求能方便移動和維修，系統(tǒng)的低功耗，采用電池供電。 具體方案是，采用 3節(jié) 5 號電池，總電壓在 左右，在輸出端通過 LM1117晶體管將 電壓降壓到 穩(wěn)壓輸出，通過簡單濾波便能直接使用。 上位機的開發(fā)工具 的 選擇 方案一： Delphi。 Delphi 是 Windows 平臺一種使用十分普遍的程序開發(fā)軟件。它 4 是由 Pascal 慢慢轉(zhuǎn)變而來的，開發(fā)環(huán)境就是所用圖形界面。在 Delphi 的眾多的優(yōu)勢中，最與眾不同的就是在處理數(shù)據(jù)庫這個方面，它能夠處理多種數(shù)據(jù)庫，并且可以提供大量的組件。 Delphi 語言具有簡單、高效、功能強大、易于掌握等特點。 方案二： VB。 Visual Basic 是微軟公司開發(fā)出來的一種開發(fā)環(huán)境編程語言，也是源于 BASIC 編程語言，目前是 世界上使用人數(shù)最多的編程語言。 VVB 具有圖形用戶界面和快速應用開發(fā)系統(tǒng)，很容易連接到數(shù)據(jù)庫，輕松創(chuàng)建控件。 它最大的優(yōu)點就是它的易用性，稍微對 VB 懂一點點的人都能快速的去開發(fā)程序。 方案三： VC++。 VC++是微軟公司開發(fā)的一種編程語言， VC++主要有 WIN API 方式和 MFC方式兩種模式。 WIN API 的開發(fā)非常的麻煩與繁瑣，但 MFC 即對 WIN API 再一次封裝，所以說 MFC 的開發(fā)相對簡單， 事實上，基于 MFC 的高級和低級語言的二重性的開發(fā)應用，使用靈活，功能很強大，效率高，而 VC++是更適合于單片機應用開 發(fā) 。 綜合以上對比這三種編程語言的優(yōu)勢、缺點、難易程度，以及本人對上位機編程語言和編寫上位機軟件的熟悉程度，最后基于本系統(tǒng)設計的要求的考慮，決定使用 VC++語言編寫上位機界面。 5 第三章系統(tǒng)硬件設計 本章主要介紹整個系統(tǒng)的硬件設計構(gòu)成，由四個傳感器節(jié)點跟一個協(xié)調(diào)器組成的星型網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點由電源模塊、 CC2530RF 射頻模塊、傳感器三個部分組成；協(xié)調(diào)器是由電源模塊、 CC2530RF 射頻模塊、上位機部分、顯示屏部分組成?？偪驁D見圖 31所示。 …… 圖 31 系統(tǒng)總體圖 由 31圖可知，各個模塊都有電源供電，傳感器節(jié)點由 CC2530 配合 DHT11 采集溫濕度數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點通過射頻無線傳輸把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器點的 CC2530,協(xié)調(diào)器的CC2530 將數(shù)據(jù)顯示在 12864 上，同時協(xié)調(diào)器上 CC2530 配合 MAX3232 通過串口通信模式把數(shù)據(jù)發(fā)送到 PC 上位機上顯示，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。 [4] 傳感器節(jié)點的設計 CC2530 的簡介 CC2530 是用于 ， IEEE 、 ZigBee 和 RF4CE 應用的一個真正的 片上系統(tǒng) 解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的 網(wǎng)絡節(jié)點 。 CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的 RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型 8051 CPU，系 統(tǒng)內(nèi)可編程閃存， 8KB RAM 和許多其它強大的功能。 CC2530 有四種不同的閃存版本： CC2530F32/64/128/256，CC2530 CC2530 CC2530 上位機 監(jiān)控模 塊 LCD 12864 電源 電源 DHT11 溫濕度傳感器 電源 DHT11 溫濕度傳感器 協(xié)調(diào)器 傳感器節(jié)點