【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 以及物理存儲(chǔ)器還有外設(shè)連接起來(lái)，提供 4 個(gè)訪問(wèn)點(diǎn)，訪問(wèn)時(shí)映射到三個(gè)存儲(chǔ)器之一，包括一個(gè) 8KB 的 sram、閃存、 sfr 寄存器。 (4)時(shí)鐘和電源管理 提 供相應(yīng)的寄存器給用戶(hù)進(jìn)行配置，提供寄存器的配置可以使芯片工作在不同的時(shí)鐘頻率下，默認(rèn)為 16MHZ,電源管理使得芯片可以工作在不同的功耗模式下。 (3)外設(shè) 外設(shè)包括調(diào)試接口和 I/O 控制器管理的各個(gè) IO 口，調(diào)試接口提供給開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行程序的調(diào)試和下載， I/O 控制器負(fù)責(zé)配置相應(yīng)的寄存器以達(dá)到讓 I/O 口工作在某種模式下，比如輸入、輸出、復(fù)用等。 (4)定時(shí)器 CC2530 定時(shí)器電路模塊包括睡眠定時(shí)器、看門(mén)狗定時(shí)器、定時(shí)器 0、定時(shí)器 定時(shí)器 2，其中睡眠定時(shí)器是一個(gè)超低功耗的定時(shí)器，計(jì)算 32KHZ 振蕩器的周期。 (5)ADC CC2530 內(nèi)帶有 ADC 電路模塊，支持 7 到 12 位精度的轉(zhuǎn)換， P0 口 8 個(gè)引腳為ADC 的 8 個(gè)轉(zhuǎn)換通道，通道的輸入即可以是單端輸入也可以是差分輸入，參考電壓可以是芯片內(nèi)部電壓，也可以是一個(gè)單端信號(hào)或者一個(gè)外部差分信號(hào)， CC2530 內(nèi)置 ADC 模塊還自帶有一個(gè)溫度傳感器輸入通道，用于檢測(cè)芯片當(dāng)前的溫度。 (5)串口 CC2530 提供兩個(gè)串口，分別為 USART0 和 USART1m,串口被配置為 SPI 主從模式或者一個(gè) UART, 接收端和發(fā)送端擁有雙緩沖區(qū)，加上硬件流控制，對(duì)于高數(shù)據(jù)量傳輸?shù)娜p工應(yīng)用非 常有利。串口擁有自己的波特率發(fā)生器，精度高，工作穩(wěn)定。 (5)無(wú)線設(shè)備 CC2530 具備 兼容的無(wú)線收發(fā)設(shè)備。 11 級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 8 圖 CC2530 單片機(jī)管腳圖 ZIGBEE 技術(shù) （ 1） zigbee 概述 Zigbee 是一種低速度、短距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，同時(shí)也是基于 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的一種協(xié)議。 （ 2） zigbee 協(xié)議結(jié)構(gòu) Zigbee 協(xié)議從下到上分成物理層、介質(zhì)訪問(wèn)控制層、數(shù)據(jù)傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，其中物理層 和介質(zhì)訪問(wèn)控制層為 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。 （ 3） zigbee 網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn) 支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括星狀網(wǎng)絡(luò)、簇狀網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)基本低功耗、低成本、低速率、近距離、低延時(shí)、高容量、高安全性等特性 [2]。 （ 4） zigbee 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中有 4 中設(shè)備角色，分別是協(xié)調(diào)器，路由器和終端節(jié)點(diǎn)，其中路由器可以不存在，協(xié)調(diào)器為全功能設(shè)備，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建，是必須存在的。 Zigbee11 級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 9 網(wǎng)絡(luò) 由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理 254 個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點(diǎn)管理， 理論上 最多可組成 65000 個(gè)節(jié)點(diǎn) 的大型網(wǎng)絡(luò)。 對(duì)于星狀網(wǎng)絡(luò)而言，不管是路由器還是終端節(jié)點(diǎn)，都直接與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信；而在簇狀網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)初始化并且組建起整個(gè) zigbee 網(wǎng)絡(luò)，路由器作為中繼，對(duì)網(wǎng)絡(luò)起到擴(kuò)展作用；終端節(jié)點(diǎn)可以直接與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，也可以通過(guò)路由器再與協(xié)調(diào)器進(jìn)行交互 [3]。 （ 5） zigbee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D 圖 星狀網(wǎng)絡(luò) 圖 簇狀網(wǎng)絡(luò) 圖 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) 11 級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 10 SHT10 溫濕度傳感器 SHT10 引腳定 義 圖 sht10 接入口 圖 SHT10 實(shí)物圖 溫濕度傳感器 sht10 為 2 線通信模式，即一個(gè)數(shù)據(jù)線，一個(gè)時(shí)鐘線，通過(guò)時(shí)鐘線進(jìn)行時(shí)序的模擬，同時(shí)操作數(shù)據(jù)線來(lái)完成跟主機(jī)的通信過(guò)程。 SHT10 參數(shù) 圖 溫濕度傳感器 SHT10 參數(shù) 11 級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 11 光照傳感器 光照傳感器說(shuō)明 圖 光照傳感器實(shí)物圖 光敏電阻使用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)特性，其電阻值隨著光照強(qiáng)度的變化而改變，當(dāng)光照強(qiáng)度大時(shí)，電阻減小，光照強(qiáng)度減弱，電 阻增大 [4]。 光照傳感器原理圖 圖 光照傳感器電路原理圖 為了提高光照強(qiáng)度檢測(cè)的準(zhǔn)確性，在光照傳感器數(shù)據(jù)線引腳加上上拉電阻，已達(dá)到提供數(shù)據(jù)傳送能力。 11 級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 12 ADC ADC 即數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，從而更加直觀的提供數(shù)據(jù)以用于分析。 CC2530 芯片內(nèi)部自帶有 8 路的 ADC 模塊，可以實(shí)現(xiàn) 7~12位精度的轉(zhuǎn)換，而且支持自動(dòng)執(zhí)行周期性的數(shù)據(jù)抽樣或者轉(zhuǎn)換通道序列的程序，其參考電壓有多種選擇，包括芯片內(nèi)部電壓、 AVDD 或者一個(gè)單 端、差分外部信號(hào)。 光照采集框圖 圖 光照強(qiáng)度采集流程圖 首先光照傳感器捕獲光照強(qiáng)度并產(chǎn)生相應(yīng)的電阻模擬值， ADC 通道獲取到電阻模擬值后傳送給 CC2530 內(nèi)部 ADC 進(jìn)行模擬值到數(shù)字值的轉(zhuǎn)換，指定一定精度范圍后得到一定范圍內(nèi)的數(shù)字值，再通過(guò)數(shù)字值的百分比化，得到我們最終需要的光照強(qiáng)度。 由于光照傳感器對(duì)光敏感，所以在設(shè)計(jì)電路圖的時(shí)候，應(yīng)該避免光照傳感器與發(fā)光物體接近，比如電源指示燈，這種光源會(huì)影響光照傳感器對(duì)實(shí)際情況的檢測(cè)，從而產(chǎn)生光照強(qiáng)度較大的測(cè)量誤差。 另一方面，光 照傳感器在電路圖設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須注意傳感器被物體遮擋，當(dāng)光照傳感器被物體遮擋后，其對(duì)光照強(qiáng)度的采集會(huì)與實(shí)際情況不符，產(chǎn)生檢測(cè)誤差，導(dǎo)致對(duì)自然情況光照強(qiáng)度檢測(cè)的錯(cuò)誤。 11 級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 13 OLED12864 顯示屏模塊 為了方便用戶(hù)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的觀察，本系統(tǒng)為每個(gè)房間配備一個(gè) OLED12864 顯示屏，用于每個(gè) 5 秒更新顯示溫濕度，從而達(dá)到用戶(hù)不需要借助上位機(jī)也可以輕松的知道房間所處的溫濕度狀態(tài)。 OLED12864 顯示屏模塊說(shuō)明 圖 OLED12864 實(shí)物圖 顯示屏包括 VCC、 GND、 SCL 時(shí)鐘線、 SDA 數(shù)據(jù)線、 D/C 片選線和復(fù)位線幾個(gè)引腳，通過(guò)這幾個(gè)引腳結(jié)合時(shí)序可以對(duì)該模塊進(jìn)行操作。 OLED12864 為自發(fā)光顯示屏，不需要背光燈，功耗很低，顯示清晰，初始化OLED12864 包括設(shè)置各種顯示標(biāo)準(zhǔn)，及設(shè)置光標(biāo)等等操作，初始化模塊后就可以結(jié)合寫(xiě)命令和寫(xiě)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作了，由于本系統(tǒng)采用的 OLED12864 并不帶有字庫(kù)，故需要在軟件層面編寫(xiě)一個(gè)字庫(kù)，當(dāng)讓模塊顯示一個(gè)字符串的時(shí)候，就將字庫(kù)對(duì)應(yīng)的內(nèi)容即編碼進(jìn)行寫(xiě)入，最終完成在顯示屏上的顯示工作，當(dāng)顯示屏工作出 現(xiàn)不正常的時(shí)候，還可以提供軟件復(fù)位，使得顯示屏可以恢復(fù)到正常情況。 本系統(tǒng)采用的 OLED12864 模塊還具備在零下 40 攝氏度都能正常顯示的低溫特性，且其發(fā)光特性使得顯示屏幾乎沒(méi)有視角的限制，正常情況下視角可以達(dá)到 170度，即便從側(cè)門(mén)進(jìn)行觀察，也不會(huì)失真，而且屏幕尺寸很小即可以顯示出 128*64個(gè)像素點(diǎn)。 11 級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 14 OLED12864 電路原理圖 圖 oled12864 引腳圖 OLED12864 模塊工作電壓為 ,不可以工作在 5V 電壓下。 OLED12864 驅(qū)動(dòng)程序框圖 圖 OLED12864 顯示屏工作框圖 當(dāng)初始化 OLED12864 模塊后，即可根據(jù)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行操作，比如調(diào)用顯示字符串函數(shù)將字符串顯示出來(lái)，值得注意的是，由于該顯示屏不自帶字庫(kù)，所以顯示時(shí)必須要自己借助軟件工具進(jìn)行取字模。 11 級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 15 多路繼電器模塊 繼電器模塊實(shí)物圖及其控制端口 圖 繼電器實(shí)物圖 圖 多路繼電器控制端口 本系統(tǒng)使用的繼電器工作電壓為 5V，觸發(fā)電壓 ~5V,，引腳 IO 為控制引 腳，連接到 CC2530 的 IO 口，通過(guò)該 IO 口就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的控制。 繼電器控制框圖 圖 繼電器控制過(guò)程 一開(kāi)始程序運(yùn)行后初始化繼電器模塊，繼電器控制著設(shè)備，從而使得設(shè)備處于不工作狀態(tài)，當(dāng)用戶(hù)開(kāi)啟設(shè)備的時(shí)候，應(yīng)用程序調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)而控制相應(yīng)的 IO 口驅(qū)動(dòng)繼電器模塊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的開(kāi)啟或者關(guān)閉。 11 級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 16 調(diào)試電路 仿真器簡(jiǎn)介 圖 仿真器實(shí)物圖 TI 公司提供的 CC2530 芯片具備調(diào)試接口，提 供指定的連線原理圖，即可與仿真器進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)在線程序下載和調(diào)試。 調(diào)試電路原理圖 圖 調(diào)試電路原理圖 通過(guò)該調(diào)試電路圖，仿真器即可連接到芯片進(jìn)行程序的下載和調(diào)試。在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 對(duì)程序進(jìn)行編譯鏈接沒(méi)有出差之后，才可以進(jìn)行程序的調(diào)試，仿真器的正常使用還需要在電腦上進(jìn)行相應(yīng)驅(qū)動(dòng)的安裝過(guò)程，驅(qū)動(dòng)可以通過(guò) TI 的官方網(wǎng)站獲得。 11 級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 17 電源電路 電源器件說(shuō)明 圖 適配器接入口 圖 電源開(kāi)關(guān) 圖 AMS1117 DC 插座，提供了適配器的接入口，是系統(tǒng)工作電壓的來(lái)源，本系統(tǒng)的電源接入口不大于 9V。 ，按下開(kāi)關(guān)即進(jìn)行一次狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，適配器提供的電源必須通過(guò)該開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。 3. AMS1117 為穩(wěn)壓芯片，其輸入電壓為 ~9V，輸入電壓通過(guò)穩(wěn)壓后得到 的穩(wěn)定工作電壓 [5]。 濾波和去耦 由于適配器提供的電源會(huì)受到外界的干擾，比如靜電，而且適配器提供的電流本身就以帶有很多波紋，有時(shí)候波紋或者靜電干擾， 使得系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行正常的工作，甚至毀壞系統(tǒng)器件 [6]。為了得到穩(wěn)定的工作電壓，必須對(duì)電源來(lái)源進(jìn)行濾波和去耦，使得電源更加趨向于一條特定值的曲線，并且不會(huì)有太大的波動(dòng)，進(jìn)而供應(yīng)給穩(wěn)壓模塊進(jìn)行穩(wěn)壓，最終得到穩(wěn)定的工作電壓。 濾波和去耦一般采用的是電容充放電的原理，遇到較高的電流波紋時(shí)，將電流波紋充電到電容中進(jìn)行緩存，如果電流太小，電容放電以提高電流的強(qiáng)度，如此反復(fù)，可以將電流穩(wěn)定在一個(gè)較為平穩(wěn)的曲線中 [7]。對(duì)于電容的選型，一般為一個(gè)較小值的電容并聯(lián)一個(gè)較大值的電容，比如 搭配 100UF 進(jìn)行使用，本系統(tǒng) 使用 搭配 22UF 作為濾波去耦電路 [8]。 11 級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 18 電源電路原理圖 圖 電源電路原理圖 本系統(tǒng)的電源來(lái)源有兩路，通過(guò)跳帽可以輕松的選擇是使用適配器還是使用電池組進(jìn)行的供電，有了電源來(lái)源后，對(duì)輸入電流進(jìn)行必要的濾波和去耦，得到較為穩(wěn)定的電流源，再通過(guò) AMS1117 模塊進(jìn)行電源穩(wěn)壓，將電源穩(wěn)壓到 后連接到電源開(kāi)關(guān)，如果電源開(kāi)關(guān)被打開(kāi)時(shí)，電源導(dǎo)通，指示燈亮，電源指示燈為發(fā)光二極管，其導(dǎo)通電壓和電流很小，所以必須加上限流電阻進(jìn)行必要的保護(hù)，有了電源之后，可以通過(guò)控制口 將電源進(jìn)行引出使用，另一方面電源也提供給整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)使用，有一些設(shè)備工作在 5V的環(huán)境下，這里也引出 5V的電源口，如果設(shè)備需要 5V工作電壓，就可以使用。 11 級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 19 智能屋系統(tǒng)電路原理圖 圖 系統(tǒng)電路原理圖 11 級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 20 PCB 圖 圖 系統(tǒng)電路 PCB 圖 11 級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 21 第四章 軟件設(shè)計(jì)流程 上位機(jī) 本系統(tǒng)上位機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)使用 labview2020 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)圖形化編程語(yǔ)言進(jìn)行前后臺(tái)的設(shè)計(jì)。前臺(tái)提供用戶(hù)可視化交互界面，后臺(tái)運(yùn)行多 個(gè)線程以實(shí)現(xiàn)前臺(tái)的相應(yīng)功能 [9]。 上位機(jī)實(shí)物圖 圖 上位機(jī)實(shí)物圖 用戶(hù)最終使用的為該上位機(jī)，通過(guò)該上位機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)指定房間的操作，包括設(shè)定時(shí)間間隔后對(duì)房間的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)采集顯示，環(huán)境數(shù)據(jù)包括溫度、濕度、光照強(qiáng)度。也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制，包括設(shè)備 設(shè)備 設(shè)備 3。同時(shí)支持設(shè)定時(shí)間，讓上位機(jī)定時(shí)關(guān)閉所有房間的設(shè)備。 用戶(hù)在使用上位機(jī)進(jìn)行房間的環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和設(shè)備的控制之前，必須對(duì)房間號(hào)進(jìn)行確認(rèn)，對(duì)于不存在的房間號(hào)或沒(méi)有建立連接的房間號(hào)，系統(tǒng)將進(jìn)行錯(cuò)誤提示。 11 級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 22 上位機(jī)程序運(yùn)行框圖 圖 上位機(jī)程序運(yùn)行框圖 上位機(jī)程序劃分為 3 個(gè)線程，第一個(gè)線程負(fù)責(zé)處理控制設(shè)備的事件和退出事件，還有房間的驗(yàn)證即上位機(jī)窗口設(shè)置，如果觸發(fā)了退出事件，該事件會(huì)關(guān)閉本線