物联网工程设计与实施课程设计.doc

计算机科学与技术学院“课程设计”项目报告项目名称： 室内环境监测系统 专 业： 物联网工程 班 级： 1301 学号： 133921038 姓名： 杨 飞 成绩： 学号： 133921001 姓名： 聂红梅 成绩： 学号： 133921033 姓名： 聂鑫鑫 成绩： 学号： 133921039 姓名： 王茹雪 成绩： 学号： 133921042 姓名： 刘 亚 成绩： 学号： 133921047 姓名： 李英伦 成绩： 指导教师： 陈洪生 申请日期： 2015年秋学期 湖北科技学院计算机科学与技术学院制项目名称室内环境监测系统研究起始时间2015.9完成时间2016.1指导教师简况姓名陈洪生职称讲师所属教研室物联网工程课程名称物联网工程设计与实施设计内容及要求：1. 内容：设计一款简单的室内环境监测系统2. 要求： 1) 能实时的测出室内的温度，湿度等环境指标2) 能够监测室内是否有人存在3) 具有创新性实施方案及实施计划1、 具体研究内容、研究目标和拟解决的关键问题 室内环境监测系统由人体红外热释电传感器、温湿度传感器、信号发射接收模块以及PC数据接收软件组成。对于人员检查模块，我们运用人体红外热释电传感器这款芯片当做是否有人在室内的核心，还使用了专业的温湿度检测传感器作为温湿度的采集模块。网络顶层与上位机连接，数据收集模块用于数据的存储与显示，起到路由的功能。网络采用树形拓扑结构。2、进程安排（给出项目实施的具体分步骤计划）1. 项目需求分析2. 系统设计3. 功能设计4. 设备选择硬件电路设计5. 底层驱动程序设计6. 测试3、具体设计方案（3000-5000字）1 需求分析人们生活水平的提高也让人们越来越多的关注我们一直身处的生活环境，尤其是室内的生活环境，今年更是让空气净化器厂商大大的赚了一把，为他们带来了更多利润，当然设备使用者也有着很多的益处。如何评价我们的生活环境的好坏呢？市面上有很多监测环境的设备，种类很多，品质也是良莠不齐，而且价格也会让普通的大众人群望而怯步，所以设计一款功能实用，准确率高，价格又非常实惠的室内环境监测系统就显得是那么的重要。说到实用这个词，就不能有花哨的成分了！环境可监控的数据是非常多而且又很庞大的，而与我们生活及健康真正相关的数据就那么几个，温度，湿度，可吸入颗粒（PM2.5）等。现在的生活又是繁杂和忙碌的，很多人每天都要出去工作，而家里财产的安全又是人所关注的重点，现在的监控设备玲琅满目，多是摄像头监控设备，这类设备监控的数据量庞大，而且设备的价格也是非常的昂贵，少则几百块，多则上千块，对于一个普通的家庭，这是无法支撑起来的，但他们同样也需要安全，所设计一款小而美，价格便宜，功能实用的室内人员监测设备也是非常有必要的。2 系统设计 室内环境监测系统由人体红外热释电传感器、温湿度传感器、信号发射接收模块以及PC数据接收软件组成。对于人员检查模块，我们运用人体红外热释电传感器这款芯片当做是否有人在室内的核心，还使用了专业的温湿度检测传感器作为温湿度的采集模块。网络顶层与上位机连接，数据收集模块用于数据的存储与显示，起到路由的功能。网络采用树形拓扑结构。3 系统功能室内环境监测系统主要以环境监测为主，通过在房间内架设传感器节点，通过不同的传感器来采集室内的环境数据，如温度，湿度，是否有人在等数据，然后以无线的方式把采集到的温湿度等数据传输到汇聚节点上，汇聚节点通过串口的方式实时的将接收到的室内环境数据发送到PC上，PC再通过上位机把从汇聚节点接收到的数据实时的在屏幕上显示，方便使用者查看。4 设备选择 4.1温湿度采集传感器选择 DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术， 确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个 NTC 测温元件，并与一个高性能 8 位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个 DHT11 传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在 OTP 内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达 20 米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为 4 针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。 4.2人体检测传感器的选择HC-SR501 人体感应模块是基于红外线技术的自动控制模块 ， 采用德国原装进口LHI778 探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式 ，广泛应用于各类自动感应电器设备 ，尤其是干电池供电的自动控制产品。功能特点 :1 、 全自动感应:人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。2 、 光敏控制（可选择，出厂时未设）可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。3 、 温度补偿 ( 可选择，出厂时未设 ) ：在夏天当环境温度升高至 30 32 ，探测距离稍变短，温度补偿可作一定的性能补偿。4 、 两种触发方式：（可跳线选择）a 、 不可重复触发方式 : 即感应输出高电平后 ， 延时时间段一结束 ， 输出将自动从高电平变成低电平；b 、 可重复触发方式：即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围 活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段 ， 并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点 ) 。5 、 具有感应封锁时间 ( 默认设置 :2.5S 封锁时间 ) ：感应模块在每一次感应输出后（ 高电平变成低电平 ），可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号。此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。(此时间可设置在零点几秒 几十秒钟 ) 。6 、 工作电压范围宽：默认工作电压 DC4.5V-20V 。7 、 微功耗 : 静态电流 50 微安，特别适合干电池供电的自动控制产品。5 、 输出高电平信号：可方便与各类电路实现对接。4.3数据传输4.3.1ZigBee技术概要目前，无线通信技术的种类也越来越多；按照无线通信传输的距离划分，可以分为三大类：长距离通信（l000米以上）、中距离通信（100米-1000米之间）和短距离通信（100米以内)。经常见到的几种短距离无线通信有蓝牙、IrDA、WiFi和ZigBee技术等。WiFi是一种短距离无线通信技术的电磁。覆盖范围较宽，高达100米的半径；速度也快、可靠性较高；辐射小，对人体损害低；几乎不需要布线，非常适合移动办公使用。但又由于其信号会随着节点之间距离的增加而减弱，其网络的安全性存在一定问题。 红外是一种红外点无线通信技术。红外技术不需要频率的申请，通信无需成本，在通信上所使用的器件模块小、消耗低、连接快捷、方便实用。此外，由于其发射角小，数据的传输安全性较高。但由于技术是一种视觉传输要求，两个通信设备之间必须对齐，并没有其他对象的屏障，所以通信环境是有限的。 蓝牙是一种基于无线数据与语音通信的开放性无线通信技术。其有效距离为10米，其中数据的传输也是达到1Mbit/s，功率消耗比较低，通信比较安全；因为没有其他通信传输时的角度和方向，可以在障碍物连接的有效范围，因此网络简单方便。但成本较高。 ZigBee技术也是一种传输距离较短、数据传输速度不是很高无线电磁波通信技术。但与其他几种无线通信技术相比，其传输组网更简单方便、功耗和费用更低。传输速度250 kB/s，最长传输距离可达100 m以上，具有高可靠性的数据传输。因为每个ZigBee网络可以支持多达255个节点或路由设备，每个路由器可以支持其他节点在同一个网络，因为它的容量更大。正是由于ZigBee技术填补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，从而使ZigBee技术得到广泛的应用。Zigbee 是基于IEEE802.15.4 标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee 就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。4.3.2核心处理芯片CC2530主控核心芯片CC2530内含一个8051微处理器和一个集成的高性能RF收发器，具有8KB的RAM，32/64/128/256KB闪存，具有不同的运行模式，RF收发器的工作频率是2.4GHz，支持 IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 等协议，是一个真正的实用的片上系统的解决方案。该芯片允许无线下载，支持系统在线编程。由于其拥有超低功耗，很适合ZigBee系统网络。CC2530采用40脚QFN封装，引脚如图4.2所示。图4.2 CC2530引脚图CC2530引脚功能如表4.1所示。表4.1 CC2530引脚功能引脚序号引脚名称类型引脚描述1GND电源GND连接到电源GND2GND电源GND连接到电源GND3GND电源GND连接到电源GND4GND电源GND连接到电源GND5P1_5数字I/O端口1.56P1_4数字I/O端口1.47P1_3数字I/O端口1.38P1_2数字I/O端口1.29P1_1数字I/O端口1.110DVDD2电源（数字）2V3.6V数字电源连接11P1_0数字I/O端口1.020mA驱动能力12P0_7数字I/O端口0.713P0_6数字I/O端口0.614P0_5数字I/O端口0.515P0_4数字I/O端口0.416P0_3数字I/O端口0.317P0_2数字I/O端口0.218P0_1数字I/O端口0.119P0_0数字I/O端口0.020RESET_N数字输入复位，低电平有效21AVDD5电源（模拟）2V3.6V模拟电源连接22XOSCQ1模拟I/O32MHz晶振引脚1或外部时钟输入23XOSCQ2模拟I/O32MHz晶振引脚224AVDD3电源（模拟）2V3.6V模拟电源连接25RF_PI/ORX期间负RF输入信号到LNA26RF_NI/ORX期间正RF输入信号到LNA27AVDD2电源（模拟）2V3.6V模拟电源连接28AVDD1电源（模拟）2V3.6V模拟电源连接29AVDD4电源（模拟）2V3.6V模拟电源连接30RBIAS模拟I/O参考电流的外部精密偏置电阻31AVDD6电源（模拟）2V3.6V模拟电源连接32P2_4数字I/O端口2.433P2_3数字I/O端口2.334P2_2数字I/O端口2.235P2_1数字I/O端口2.136P2_0数字I/O端口2.037P1_7数字I/O端口1.738P1_6数字I/O端口1.639DVDD1电源（数字）2V3.6V数字电源连接40DCOUPL电源（数字）1.8V 数字电源去耦，不使用外部电路供应4.4 ZigBee软件开发平台简介用电量抄表系统的软件开发平台采用的是IAR for 8051 7.51集成开发环境和TI公司的ZigBee 2007 协议栈TI ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0。软件开发平台的具体操作是在PC机上安装IAR for 8051 7.51和TI ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0。软件开发平台如图所示。 用电量无线抄表软件开发平台 图中，软件开发平台的左侧为整个Z-Stack协议架构，其目录的具体含义21如下：App：应用层目录，在创建新项目时，此层用于存放具体任务事件和相关处理函数等；HAL：硬件层目录，用于存放协议栈文件、驱动文件和各个硬件模块的头文件；MAC：媒体介质访问层目录，用于存放MAC层参数配置文件和LIB库的函数接口文件；MT：监控调试层目录，通过串口调试各层，与各层进行交互，用于调试目的；NWK：网络层目录，用来存放网络配置文件、网络层和APS层库函数接口文件；OSAL：操作系统目录，用来存放协议栈操作系统文件；Profile：AF层目录，用于存放AF层处理函数接口文件；Security：安全层目录，用于存放安全层处理函数接口文件；Services：地址处理函数目录，包含地址模式的定义与地址处理函数；Tools：工程配置目录，包含空间划分与ZStack相关配置信息；ZDO：ZigBee设备对象目录，它是一种公共的功能集；ZMac：ZMac目录，用来存放MAC导出层接口文件及网络层函数；ZMain：ZMain目录，整个项目的主函数main()函数包含在其中Output：输出文件目录，EWSOS1IDE自动生成的执行文件。 根据本文设计的硬件电路与功能，通对TI公司ZigBee 2007协议栈样例中各层目录内的文件进行修改、添加等，编写硬件模块的驱动函数、任务处理函数以及配置一些参数，这样来完成对系统装置的软件设计，实现系统装置设计所需的功能。5 测试5.1硬件调试本文介绍的用室内环境监测系统的硬件电路总体上包括ZigBee无线检测节点硬件电路与ZigBee无线协调器硬件电路，在实际PCB制作过程中，将检测节点和协调器综合成一个电路形式制作。硬件电路板制作完成后，进行元器件焊接与检查，并对各个硬件电路模块进行通电测试，测试情况表明，硬件电路工作正常。5.2 驱动程序调试 由于用室内环境监测系统的驱动程序包括ZigBee无线检测节点的驱动程序和ZigBee无线协调器的驱动程序。检测节点和协调器的驱动程序在IAR平台设计、编译后，分别下载到ZigBee无线检测节点硬件电路和ZigBee无线协调器电路中的主控芯片CC2530上，经过通电测试，各模块相应测试指示灯显示正常，表明驱动程序基本能使相应模块进行相关工作，以实现相应功能。6 附录（图片）6.1系统采集到的数据：6.2实物图展示7 功能优点1. 实时的监测室内的温度，湿度以及人员状况。2. Zigbee芯片能耗低，符合节能环保的政策。3. 采用无线传输数据，减少了排线与布线的困难，节约成本。4. 可拓展性强，后续可继续开发以满足使用者的需求。4、主要参考资料1 网蜂.Z