【正文】 2表 24 LCD1602 引腳說(shuō)明 ........................................................................................15表 25 LCD1602 操作指令表 .....................................................................................161引 言物聯(lián)網(wǎng)利用傳感器、射頻識(shí)別 RFID 等技術(shù)構(gòu)造一個(gè)覆蓋世界的物物相連的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)能夠智能化識(shí)別、監(jiān)測(cè)、定位跟蹤和管理目標(biāo)，可以全面地感知人和物體信息。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)包括無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)、傳感器節(jié)點(diǎn)感知技術(shù)、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)挖掘、云計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)中，利用人工的方式對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)和控制已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足社會(huì)的快速發(fā)展了。尤其是在隧道，井下煤礦等環(huán)境下常常發(fā)生爆炸事故造成巨大的傷害。將無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到礦山隧道環(huán)境的監(jiān)測(cè)和控制當(dāng)中，不僅能減少人員的投入，降低成本，避免有線(xiàn)連接方式帶來(lái)的困擾，還能在環(huán)境惡化時(shí)發(fā)出警報(bào)，有效地避免危險(xiǎn)狀況的發(fā)生。礦山隧道環(huán)境的監(jiān)測(cè)和控制對(duì)于避免礦難事故的發(fā)生有著重要的意義。在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都運(yùn)行相同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)可以直接替換掉而不影響網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的信息傳輸。系統(tǒng)根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際狀況而開(kāi)發(fā)的隧道環(huán)境無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)溫度采集系統(tǒng)能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，系統(tǒng)工作溫度范圍在25176。C，適合國(guó)內(nèi)主要工礦企業(yè)、交通道路等需要溫度信息采集的場(chǎng)合。物聯(lián)網(wǎng)離我們?cè)絹?lái)越近，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)已經(jīng)開(kāi)始大量應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中。將傳感器檢測(cè)與無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，可完成對(duì)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。監(jiān)視人員可利用普通 PC 機(jī)，手機(jī)等終端設(shè)備方便地了解被監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境并進(jìn)行適時(shí)地發(fā)出控制命令。如今工業(yè)的生產(chǎn)安全受到人們的廣泛關(guān)注，該無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)溫度采集系統(tǒng)應(yīng)用于礦山隧道中溫度信息的采集。在本系統(tǒng)中當(dāng)環(huán)境中溫度過(guò)高，超過(guò)溫度閾值，節(jié)點(diǎn)能發(fā)出警報(bào)，以提醒在礦山中工作的人員，減少意外的發(fā)生造成的傷害。而現(xiàn)有的礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中多數(shù)采用有線(xiàn)方式連接，能耗較高，此系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)能有效地降低使用成本，具有較強(qiáng)的抗毀能力,因此本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有重要的意義。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境如下：軟件環(huán)境：Windows XP 及以上操作系統(tǒng)，IAR Embedded Workbench , Visual C++ ，MspFet， SmartRF Studio 7,串口調(diào)試助手等。本溫度采集系統(tǒng)主要針對(duì)礦山隧道環(huán)境，綜合考慮各方面因素，并根據(jù)前期對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的調(diào)研，對(duì)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了明確的定義。標(biāo)簽?zāi)K：即為各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，主要用于溫度信息的收集。無(wú)線(xiàn)傳輸模塊：CC1101 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊將標(biāo)簽中特定格式的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，并接收由其他無(wú)線(xiàn)傳輸模塊發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包。閱讀器接收到標(biāo)簽發(fā)來(lái)采集到的溫度數(shù)據(jù)，然后通過(guò)串口發(fā)送給 PC 機(jī)。4第二章 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)概述無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)是物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一，主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的傳感層、傳輸層、處理層、應(yīng)用層四層中的傳輸層。主要用于信息的采集，終端的控制功能。其次，傳感器節(jié)點(diǎn)通常具有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由選擇功能，還能夠?qū)⑵渌?jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)、解析、存儲(chǔ)等處理 [7]。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)往往具有的特性是：網(wǎng)絡(luò)自組織。在傳感網(wǎng)絡(luò)中，往往需要龐大數(shù)目的節(jié)點(diǎn)來(lái)采集信息，才能得到較全面的環(huán)境信息；節(jié)點(diǎn)能力有限。由于實(shí)際工程應(yīng)用中節(jié)點(diǎn)的位置無(wú)法事先確定，節(jié)點(diǎn)可能發(fā)生故障，隨時(shí)的更換，從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)隨時(shí)的加入和離開(kāi)，為使節(jié)點(diǎn)的變更不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)的自適應(yīng)路由選擇具有強(qiáng)抗毀性，在實(shí)際工程應(yīng)用中得到廣泛采用。利用事件驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)是 Windows 編程的主要方式，視窗系統(tǒng)編程能夠編寫(xiě)出可視化的圖形用戶(hù)界面。程序開(kāi)發(fā)者也可利用 MFC(Microsoft Foundation Class)類(lèi)庫(kù)有效地完成 Windows 應(yīng)用的開(kāi)發(fā) [5]。Visual C++ 是微軟公司推出的面向?qū)ο罂梢暬_(kāi)發(fā)工具，具有很強(qiáng)的靈活性，比較經(jīng)典的 Windows 編程工具，至今仍比較流行。MSP430 系列單片機(jī)小巧靈活、成本低廉、抗干擾能力較強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化、使用的溫度范圍廣，能夠在各種惡劣條件下可靠地工作，實(shí)現(xiàn)分布式多單片機(jī)控制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和工作效率。MSP430 系列的 F149 型單片機(jī)為超低功耗的混合信號(hào)處理器，由美國(guó)德州儀器（TI）公司開(kāi)發(fā)，具有 16 位 RISC 結(jié)構(gòu)，運(yùn)算處理能力強(qiáng)，還集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)。MSP430 系列單片機(jī)通過(guò)降低芯片電源電壓以及可控制的靈活的時(shí)鐘來(lái)保證其低功耗的特性，在某些情況下，可在電池供電的狀態(tài)下工作數(shù)月甚至數(shù)年都無(wú)需更換電源，相比其他類(lèi)型的單片機(jī)具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。他們分別是看門(mén)狗（WDT ） 、基本定時(shí)器(Basic Timer)、端口 16(P0P6)、定時(shí)器A(Timer_A)、定時(shí)器 B(Timer_B)、模擬比較器 A、串口 0(UART0)和串口 1(UART1)等外圍模塊。諾依曼體系結(jié)構(gòu)的硬件結(jié)構(gòu)。芯片引腳分布如圖 21。通過(guò)對(duì)寄存器的寫(xiě)和讀完成程序所要實(shí)現(xiàn)的功能。7圖 23 MSP430CPU 結(jié)構(gòu)圖通過(guò)中斷的方式，單片機(jī)響應(yīng)外圍模塊。在主機(jī)的中斷允許的情況下，如果外圍模塊產(chǎn)生中斷則進(jìn)入中斷處理程序。8表 21 MSP430F149 中斷向量表 DS18B20 溫度傳感器概述此溫度采集系統(tǒng)采用一種改進(jìn)型的數(shù)字式智能溫度傳感器 DS18B20。這使系統(tǒng)抗干擾能力更強(qiáng)，適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。具有 3 引腳 TO92 小體積的封裝形式，DS18B20 溫度傳感器引腳封裝見(jiàn)圖 24所示，表 22 為該傳感器的引腳說(shuō)明。2)溫度靈敏元件；3）溫度警告觸發(fā)器 TH 和 TL。每個(gè) DS18B20 溫度傳感器具有獨(dú)有的序列號(hào)，多個(gè)此類(lèi)傳感器可掛載在同一條單線(xiàn)式總線(xiàn)上；溫度測(cè)量范圍55?C+125?C ,測(cè)溫分辨率達(dá) ?C。DS18B20 傳感器初始化時(shí)序如圖 25，讀寫(xiě)時(shí)序如圖 26 所示。無(wú)線(xiàn)傳輸模塊采用 CC1101 作為本系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)收發(fā)所使用的芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。CC1101 是一種低成本單片 UHF 收發(fā)器，為無(wú)線(xiàn)低功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì)，是一種低功耗的短距離通訊設(shè)備(SRD) [19]。廣泛應(yīng)用在工業(yè)監(jiān)測(cè)控制、儀表自動(dòng)化讀數(shù)、低功耗的遙感探測(cè)、建筑自動(dòng)控制、無(wú)線(xiàn)安全警報(bào)系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)和電子消費(fèi)品當(dāng)中。芯片 CC1101 引腳分布見(jiàn)圖 27。12表 23 CC1101 引腳說(shuō)明在 CC1101 中數(shù)據(jù)的收發(fā)和 CC1101 的狀態(tài)設(shè)置是通過(guò)修改寄存器值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。CC1101 工作狀態(tài)模式如下圖 28 所示。本系統(tǒng)應(yīng)用基于 HD44780 芯片的字符液晶 LCD1602 液晶顯示器進(jìn)行溫度顯示。LCD1602 液晶顯示器具有數(shù)字式接口，能夠與單片機(jī)相連，操作方便，能夠滿(mǎn)足本系統(tǒng)顯示標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)處溫度的14需要。該液晶顯示容量為 16x2 個(gè)字符，芯片電壓在 之間可正常工作，最佳工作電壓為 。 引腳電路圖參考圖 210 所示，引腳說(shuō)明見(jiàn)表 24。指令包含16對(duì)液晶顯示器的讀和寫(xiě)操作、光標(biāo)移動(dòng)、光標(biāo)顯示和屏幕的操作。表 25 LCD1602 操作指令表17第三章 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)在礦山采礦或勘探過(guò)程中，因環(huán)境惡劣無(wú)法架設(shè)線(xiàn)路或需要常常遷移地點(diǎn)時(shí)，采用無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)技術(shù)具有極大的優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)可以避免因強(qiáng)電電流過(guò)大等原因造成的溫度升高，引起測(cè)溫系統(tǒng)發(fā)生故障。設(shè)計(jì)隧道環(huán)境無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)溫度采集系統(tǒng)的目的是能夠加強(qiáng)工礦企業(yè)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)管，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)即將發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)做出及時(shí)響應(yīng)，避免釀成額外的損失。本系統(tǒng)中標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)布置在隧道現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，實(shí)時(shí)采集溫度信息，廣播本標(biāo)簽地址，發(fā)送路由交換包，與其他標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)自組成網(wǎng)，將采集到的數(shù)據(jù)按特定協(xié)議發(fā)送，同時(shí)將其他標(biāo)簽發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，最終發(fā)給閱讀器節(jié)點(diǎn)。 節(jié)點(diǎn)信息處理本系統(tǒng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)和閱讀器節(jié)點(diǎn)采用了欣世紀(jì)電子科技的 DM430L 型單片機(jī)系統(tǒng)板和騰飛電子的 TS8900M149 型開(kāi)發(fā)板，本系統(tǒng)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)板均為 MSP430F149 最小系統(tǒng)，具有豐富的應(yīng)用接口，板載 USB 型 BSL 下載器，支持標(biāo)準(zhǔn) JTAG 仿真接口，擴(kuò)展方便，資源豐富，設(shè)計(jì)思路清晰。標(biāo)簽收到數(shù)據(jù)包后通過(guò)數(shù)據(jù)包的第 1字節(jié) type 字段的數(shù)值識(shí)別數(shù)據(jù)包類(lèi)型。18收到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)包 type=2否否開(kāi)始初始化 LED 模塊初始化 LCD1602液晶模塊初始化系統(tǒng)時(shí)鐘初始化 CC1101收到數(shù)據(jù)采集溫度信息尋找相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送溫度信息到相鄰節(jié)點(diǎn)收到廣播包type=0收到路由轉(zhuǎn)發(fā)包 type=1添加路由信息發(fā)送給本機(jī)存在此路由 發(fā)送給本機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包溫度值過(guò)高觸發(fā)警報(bào)12是是否否否否 否是是是是是否19定時(shí)器到達(dá)廣播本機(jī)地址1發(fā)送本機(jī)路由表中信息2圖 31 標(biāo)簽工作流程閱讀器為使標(biāo)簽?zāi)軌蛳蜃约喊l(fā)送采集數(shù)據(jù)包，需要向周?chē)鷱V播自己的地址信息。閱讀器收到數(shù)據(jù)包后通過(guò)數(shù)據(jù)包的第 1 字節(jié)type 字段的數(shù)值識(shí)別數(shù)據(jù)包類(lèi)型。20開(kāi)始LED 初始化初始化系統(tǒng)時(shí)鐘初始化 UART 模塊初始化 CC1101收到數(shù)據(jù)1 23是否2121發(fā)給 PC 機(jī)收到廣播包type=0收到路由轉(zhuǎn)發(fā)包 type=1收到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)包 type=2發(fā)給本機(jī)延時(shí) 10ms定時(shí)器計(jì)數(shù)到達(dá)廣播本機(jī)地址 3否否否是是否是是是否圖 32 閱讀器工作流程 溫度信息采集此溫度采集模塊能夠檢測(cè)到當(dāng)前溫度并且能夠在超出預(yù)設(shè)的警告溫度時(shí)發(fā)出警報(bào)，提醒在礦山中工作的人員，為工作人員的生命安全提供保障。即傳感器工作過(guò)程為：。 RAM 貯存器操作命令。初始化 DS18B20發(fā)出 Skip ROM 指令 (0xCC)發(fā)出啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換指令(0x44) 延時(shí)約 500us初始化 DS18B20發(fā)出 Skip ROM 指令 (0xCC)發(fā)出 Read ScratchPad 指令(0xBE)讀取溫度值，存儲(chǔ)到 temp_data結(jié)束開(kāi)始圖 33 溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)采集到溫度后，得到圖 34 格式的溫度值。其中高 4 位為溫度值的符號(hào)，中間 8 位為溫度值的整數(shù)部分，低 4 位為溫度值的小數(shù)部分。設(shè)暫存寄存器中所存儲(chǔ)的溫度為 temp。則溫度計(jì)算公式:溫度值(temperature)=暫存器數(shù)值(temp)*。溫度采集模塊的電路圖參考圖 35。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，相鄰的節(jié)點(diǎn)間的有效距離為 30 米，超過(guò) 30 米信號(hào)急劇衰減。SPI 接口主要用于擴(kuò)展外設(shè)和數(shù)據(jù)交換，在單片機(jī)與 CC1101 通信中采用 4 線(xiàn) SPI 接口完成 CC1101 芯片的設(shè)置和數(shù)據(jù)的傳輸。通過(guò) SPI 接口完成標(biāo)簽與閱讀器之間、標(biāo)簽之間的信息交換。圖 36 CC1101 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊MSP430 單片機(jī)端口與 CC1101 模塊端口通信連接方式如圖 37。25圖 37 MSP430 與 CC1101 連接電路圖MSP430 單片機(jī)通過(guò) SPI 總線(xiàn)對(duì) CC1101 內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)從而達(dá)到功能設(shè)定和狀態(tài)讀取，利用一次“突發(fā)”的數(shù)據(jù)傳輸便可以對(duì) CC1101 所有寄存器進(jìn)行編程配置，實(shí)現(xiàn)了對(duì) CC1101 工作狀態(tài)的控制。26進(jìn)入 RX 模式初始