智能环境感控实验平台（技能赛—基础版）.doc

智能环境感控实验平台（技能赛基础版） 图11技能赛设备箱打开设备箱，内部的设备如图11所示。 主要元件模块三种传感器模块、三种响应模块、无线传感器网络基础节点及其底板、综合电源模块、电源适配器、定制连接线、设备安装板等。 1.1安装底板的使用实验平台中的安装底板是一个实验搭建及演示平台如图12所示。 图12透明安装底板首先使用配件盒中的螺柱、螺丝、螺母完成安装板的搭建，各模块间通过定制连接线相连。 相应模块的可以放在相应的位置，安装配件和模块的安装如图13所示。 智能环境感控实验平台2图13配件及模块的安装该安装板预设了一种位置的安装模式，如图14所示。 具体使用时可以根据实际需要选择模块的安装位置，同时各模块间可以用高脚螺柱扩充安装。 图14完整的设备1.2无线传感器网络基础节点无线传感器网络基础节点（简称节点）如图15所示，它采用低功耗ZigBee无线射频芯片及16位RISC指令集MCU。 该节点支持Tinyos操作系统。 提供全套Tinyos源程序代码。 模块可以通过动态地址方便地组成传感器网络，可以实时传输采集的各种数据，模块各地址可以在每次USB下载中方便指定。 整个传感模块采用低功耗设计，工作时只需要两节1.5V的5号干电池，或采用直流3.3V电源供电。 智能环境感控实验平台3图15无线传感器网络基础节点节点主要功能参数1）工作电压1.83.6VDC；2）峰值功耗65mW；3）待机功耗0.6mW；4）存储器ROM48K；RAM10K；Flash1M；5）通讯频段2.42.4835GHz；6）最大数据传输率250Kbps；7）通讯半径室内2050m；室外75125m。 无线传感器网络基础节点还配有一个底板控制与通信主板（简称节点底板或底板）如图16所示，它可以看做是节点板载扩展口的外扩，它可以方便实时连线的接插。 底板上提供两排母口插槽，而节点则对应提供两排公口插排，这样在实验时只需把节点通过两排插针与底板插接即可。 图16控制与通信主板完整的无线传感器网络基础节点模块如图17所示，该完整的节点模块提供两组接线端子电源接线端子、节点扩展接线端子。 智能环境感控实验平台4图17完整的节点模块完整的节点模块的接线端子如下图18所示。 图18接线端子图第一组提供两组电源输出端子。 1）第一排GND、GND;2）第二排VCC（3.3V）、VCC（3.3V）。 第二组提供6个通道的电压采样接口（ADC），多个IO扩展口，一组UART接口（RX 0、TX0），一组I2C接口（SDA、SCL），一组电源端子（VCC、GND）一个复位端子RST，一个功能键端子USR。 1）第一排RX 0、TX 0、SCL、SDA、ADC 3、P2. 0、ADC 7、P2. 6、RST；2）第二排VCC、ADC 0、ADC 1、ADC 2、P2. 1、GND、ADC 6、P2. 3、USR。 1.3综合电源模块综合电源模块如图19所示，该模块为整个技能赛设备模块提供多路电源输出两路可控的12V电源、两路3.3V电源、两路5V电源。 该综合电源模块最大电流可以输出10A，同时采用保护电路设计，保证用电安全。 该综合电源模块配有一只直流12V10A的电源适配器。 智能环境感控实验平台5图19综合电源模块综合电源模块参数为1）电源输入12VDC；2）最大电流10A；3）电源输出3V DC、5V DC、12V DC；4）可控电源12V DC。 综合电源模块端子如下图110所示。 图110接线端子图如上图所示接线端子P1P10，其中P1P4各含左右两个端子。 同样以上端子也分为两组，P1P4为第一组，P5P10为第二组。 第一组P1P4为直接的电源输出接口，为四组电源输出端子1）第一排3.3V、GND；5V、GND2）第二排3.3V、GND；5V、GND第二组P5P10为两路可控的电源输出接口和相应的控制端，两路可控电源输出都为12V。 第一路为GND、12VOUT1，控制端为CTL1；第二路为GND、12VOUT2，控制端为CTL2。 排列依次为GND、12VOUT 2、GND、12VOUT 1、CTL 2、CTL1。 智能环境感控实验平台61.4温湿度传感器模块温湿度传感器模块采用模块化设计，如图111所示。 图111温湿度传感器模块温湿度传感器主要参数1）工作电压3.3V DC；2）温度测量范围40125；3）湿度测量范围0100%RH；4）温度测量精度0.3；5）湿度测量精度2.0%RH。 温湿度传感器模块端子如下图112所示。 图112接线端子图如上图所示温湿度传感器模块的端子依次为VCC（3.3V）、GND、SCL、SDA。 其中VCC、GND为传感器的电源端子。 SCL、SDA分别为该传感器的I2C的时钟线、数据线端子。 使用时，VCC接节点底板上的VCC（3.3V）；GND接节点底板上的GND端子；SCL接节点底板上的SCL端子；SDA接节点底板上的SDA端子。 智能环境感控实验平台71.5光照传感器模块光照传感器模块采用模块化设计，如图113所示。 图113光照传感器模块光照传感器主要参数1）可检测光波波长范围320nm730nm；光照传感器模块端子如下图114所示。 图114接线端子图如上图所示，光照传感器模块的端子依次为V 0、GND、VCC。 其中VCC是预留端子，无需使用。 V0为光照信号输出接口，GND为传感器模块的共地端子。 使用时，V0接节点底板上的电压采样口，默认接底板上的ADC2端子；GND接节点底板上的GND端子。 1.6二氧化碳传感器模块二氧化碳传感器模块如图115所示。 该二氧化碳传感器是一种电化学型气体的敏感元件，当该元件暴露在气体环境中时，会利用产生的电化学反应所得到的数据，来监测空气中二氧化碳的浓度。 智能环境感控实验平台8图115二氧化碳传感器模块二氧化碳传感器主要参数1）工作电压3.3V DC；2）数字型输出；3）功耗3.5mW，带温度补偿，湿度补偿；4）预热时间10s；5）量程05000ppm。 二氧化碳传感器模块端子如下图116所示VCCTXRXGND图116接线端子图如上图所示，二氧化碳传感器模块的接口依次为VCC、GND、RX、TX。 VCC、GND为二氧化碳的一组供电端子。 RX、TX为传感器模块的UART数字接口端子。 使用时，VCC接节点底板上的VCC（3.3V）；GND接节点板子上的GND；RX接节点底板上的TX0；TX接节点底板上的RX0；注1）该传感器模块的UART口的RX、TX一定要和节点底板上的RX 0、TX0交叉相连，即RX接TX0；TX接RX0。 智能环境感控实验平台91.7进气模块进气模块如图117所示。 该模块由两个部分组成供电模块、微型风扇。 图117进气模块进气模块参数1）额定电压12V DC；2）额定功率3W。 进气模块端子如下图118所示.图118接线端子图如上图所示，该模块提供一组VCC（12V）、GND供电端子。 该进气模块的12V电源为可控电源，电源的开断由综合电源模块和节点共同控制。 使用时，VCC（12V）接综合电源模块的12VOUT1或12VOUT2；GND接综合电源模块的GND；1.8灌溉模块灌溉模块如图119所示。 该模块由两部分组成供电模块、微型水泵。 智能环境感控实验平台10图119灌溉模块灌溉模块参数1）额定电压12V DC；2）额定功率3W；3）最大流量80280L/H。 灌溉模块端子如下图120所示。 图120接线端子图如上图所示，该模块只提供VCC（12V）、GND一组供电端子。 该进气模块的12V电源为可控电源，电源的开断由综合电源模块和节点共同控制。 使用时，VCC（12V）接综合电源模块的12VOUT1或12VOUT2；GND接综合电源模块的GND。 1.9卷帘模块卷帘模块如图121所示。 该模块分两部分微型减速步进电机、驱动模块。 智能环境感控实验平台11图121卷帘模块卷帘模块参数1）额定电压5V DC；2）相数4；3）相电阻300；4）步距角度5.625/64；5）减速比1:64。 卷帘模块端子如下图122所示。 图122接线端子图如上图所示，该卷帘模块的端子为两路5V电源，P1P4脉冲控制端子，预留端子。 第一组P1P4为脉冲控制端子A、B、C、D，通过这四个端子的脉冲输入来控制微型减速步进电机的工作。 智能环境感控实验平台12第二组为两路5V电源端子和一些预留的端子。 第一排5V、5V、P 5、P 6、P7第二排GND、GND、P5C、P6C、P7C使用时，5V接综合电源模块的5V端子；GND接综合电源模块的GND；A接节点底板上的P2.0；B接节点底板上的P2.1；C接节点底板上的P2.3；D接节点底板上P2.6。 第二章模块驱动及其实例使用说明实验平台提供两组软件代码包。 第一组是三个传感器模块、三个响应模块的嵌入式代码驱动；第二组是每个模块配合节点的使用示例程序。 技能赛包的所有模块的驱动代码放在如下文件中IOT_Competition/Driver/技能赛包的所有驱动的使用例程放在如下文件中IOT_Competition/Test/2.1温湿度传感器模块驱动使用方法温湿度传感器驱动代码库IOT_Competition/Driver/TandRH温湿度传感器驱动使用例程IOT_Competition/Test/TandRH_Test温湿度传感器的驱动接口由Sht21C.nc组件提供，提供接口如下所示interface Readas Temperature;interface Readas Humidity;温湿度传感器模块对外提供两个数据读取接口，分别为Temperature、Humidity。 使用时，如例程所示在TandRHTestAppC.nc的顶层配置文件中只需先声明组件，并把Read接口连接起来即可，如下所示ponents Sht21C as Sensor;TandRHTestC.TReadSensor.Temperature;智能环境感控实验平台13TandRHTestC.RHReadSensor.Humidity;在模块文件TandRHTestC.nc实现方式如下首先声明使用的接口usesinterface Readas TRead;interface Readas RHRead;其次，分步读取温湿度的值event voidTimer.fired()callTRead.read();callRHRead.read();通过read、readDone接口分步获取温室度数据值event voidTRead.readDone(error_t result,uint16_t data)Tvalue=data;event voidRHRead.readDone(error_t result,uint16_t data)RHvalue=data;其中result为状态返回值，获取数据成功返回SUCCESS，获取数据失败返回智能环境感控实验平台14FAIL。 其它返回值，视其返回状态而定。 data即为读取的温湿度的值。 注1）由于温湿度传感器第一次上电导致传感器不稳定，第一次的数据读取可能产生错误，因此最好舍弃刚上电时的一到两组温湿度数据。 2）温度公式T=46.85+175.72*data/65536；T为温度（单位），data为采样量即直接读到的数据。 3）湿度公式RH=6+125*data/65536RH为相对湿度（单位%RH），data为采样量即直接读到的数据。 4）鉴于都是采用嵌入式系统，系统资源有限，因此公式计算一般不放到嵌入式代码中。 设计限值时，可以直接计算出相应采样量，再放入代码中。 以下涉及到公式换算的使用，都需遵循。 2.2光照传感器模块驱动使用方法光照传感器驱动代码库IOT_Competition/Driver/Light光照传感器驱动使用例程IOT_Competition/Test/Light_Test光照度传感器的驱动接口由HamamatsuS1087ParC.nc组件提供，提供的接口如下所示interface Readas Light;通过电压采样后，最终的采样量由Light接口输出，通过公示换算即可得到相应的光照度值。 使用时，如例程所示在LightTestAppC.nc的顶层配置文件中只需先声明组件，然后把使用到的Read接口连接起来即可。 如下所示ponents newHamamatsuS1087ParC()asS1087C;LightTestC.LightReadS1087C;在模块文件LightTestC.nc文件中实现方式如下首先声明使用的接口uses智能环境感控实验平台15interface Readas LightRead;其次分步读取光照度的采样量值event voidTimer.fired()callLightRead.read();event voidTRead.readDone(error_t result,uint16_t val)printf(“Light=%un”,val);printflush();通过read、readDone接口分步读取光照度采样量值。 其中result为状态返回值，获取数据成功返回SUCCESS，获取数据失败返回FAIL。 其它返回值，适其返回状态而定。 val即为读取的光照度的值。 注1）这里使用了printf串口打印工具，可以直接打印调试信息。 使用方法如下printf()；printfflush()；2）光照度公式L=val*2.888；L为光照度（单位lux），data为采样量即直接读到的数据。 2.3二氧化碳传感器模块驱动使用方法二氧化碳传感器驱动代码库IOT_Competition/Driver/CO2二氧化碳传感器驱动使用例程IOT_Competition/Test/CO2_Test智能环境感控实验平台16二氧化碳传感器的驱动接口由co2sensorC.nc组件提供，提供接口如下所示interface Readas co2sensor;interfaceSplitControlas co2Control;二氧化碳传感器模块对外提供两个数据接口，分别为co2sensor、co2Control。 co2sensor为数据读取接口，co2Contorl为控制接口。 使用时，如例程所示在CO2TestAppC.nc的顶层配置文件中只需先声明组件，并把co2Sensor、co2Control接口连接起来即可，如下所示ponents co2sensorC;CO2TestC.CO2Readco2sensorC;CO2TestC.CO2Controlco2sensorC;CO2TestC.co2Infoco2sensorC;在模块文件CO2TestC.nc实现方式如下首先声明使用的接口usesinterface Readas CO2Read;interfaceSplitControl asCO2Control;其次，先通过CO2Control接口启动CO2的相关组件，进行一些初始的配置event voidTimer.fired()call CO2Control.start();启动配置完成后通过read接口分步读取CO2的值event voidCO2Control.startDone(error_t err)call CO2Read.read();智能环境感控实验平台17通过readDone接口获取CO2浓度数据值，并通过stop接口关闭CO2相关的功能event voidCO2Read.readDone(error_t result,uint16_t val)call CO2Control.stop();其中result为状态返回值，获取数据成功返回SUCCESS，获取数据失败返回FAIL。 其它返回值，适其返回状态而定。 val即为读取到的CO2的值。 注:1）二氧化碳传感器为数字传感器，读到的数据即为二氧化碳的浓度值。 2）二氧化碳传感器有预热时间（2秒）需求，因此周期性读取时间要大于预热时间。 2.4进气模块驱动使用方法进气模块驱动代码库下IOT_Competition/Driver/Fan进气模块驱动使用例程IOT_Competition/Test/Fan_Test该模块驱动接口由FanC.nc组件提供，提供的接口如下所示interface Fan;通过该接口可以控制进气风扇的开关。 使用时，如例程所示在FanTestAppC.nc的顶层配置文件中只需先声明组件，然后把使用到的Read接口连接起来即可。 如下所示ponentsFanC;FanTestC.FanFanC;在模块文件FanTestC.nc文件中实现方式如下首先声明使用的接口智能环境感控实验平台18usesinterfaceFan;其次，启动进气模块的相关组件，并进行配置。 event voidBoot.booted()callFan.start();组件启动成功后，set表示打开开关。 event voidFan.startDone(error_t error)callFan.set();注进气模块提供的接口Fan功能有interface Fanmand voidstart();/进气模块功能开启，需调用startDone event void startDone(error_t error);mand voidstop();/进气模块功能关闭，需调用stopDone event void stopDone(error_t error);mand voidset();/打开进气模块2.5灌溉模块驱动使用方法灌溉模块驱动代码库下IOT_Competition/Driver/WaterPump智能环境感控实验平台19灌溉模块驱动使用例程IOT_Competition/Test/WaterPump_Test该模块驱动接口由WaterPumpC.nc组件提供，提供的接口如下所示interfaceWaterPump;通过该接口可以控制水泵的开关。 在WaterPumpTestAppC.nc的顶层配置文件中只需先声明组件，然后把使用到的接口连接起来即可。 如下所示ponentsWaterPumpC;WaterPumpTestC.FanWaterPumpC;在模块文件WaterPumpTestC.nc文件中实现方式如下首先声明使用的接口usesinterfaceWaterPump;其次，启动进气模块的相关组件，进行配置。 event voidBoot.booted()callWaterPump.start();组件启动成功后，set表示打开开关。 event voidWaterPump.startDone(error_t error)callWaterPump.set();注1）进气模块提供的接口WaterPump功能有interfaceWaterPump智能环境感控实验平台20mand voidstart();/灌溉模块功能开启，需调用startDone eventvoid startDone(error_t error);mand voidstop();/灌溉模块功能关闭，需调用stopDone eventvoid stopDone(error_t error);mand voidset();/打开灌溉模块2.6卷帘模块驱动使用方法卷帘模块驱动代码库下IOT_Competition/Driver/Stepmotor卷帘模块驱动使用例程IOT_Competition/Test/Stepmotor_Test卷帘模块的驱动接口由StepMotorC.nc组件提供，提供的接口如下所示provides interfaceStepMotor;通过该StepMotor接口可以控制电机的转速、正反转、转的圈数等。 在StepMotorTestAppC.nc的顶层配置文件中只需先声明组件，然后把使用到的StepMotor接口连接起来即可。 如下所示ponentsStepMotorC;StepMotorTestCStepMotorC.StepMotor;在模块文件StepMotorTestC.nc文件中实现方式如下首先声明使用的接口usesinterfaceStepMotor;其次,先开启卷帘模块的驱动组件的配置。 eventvoidBoot.booted()callStepMotor.start();智能环境感控实验平台21配置成功后通过StepMotor接口控制卷帘模块电机的运转eventvoidStepMotor.startDone(error_t error)callStepMotor.CCW_Circle(10,1);注1）卷帘模块的接口StepMotor功能有interfaceStepMotormand voidstart();/卷帘模块功能开启，需调用startDone eventvoid startDone(error_t error);mand voidstop();/卷帘模块功能关闭，需调用stopDone eventvoid stopDone(error_t error);mand voidCW(uint8_t speed);/顺时针，电机内部传动轮转动一圈;speed为转速控制量，值越小速度越快mand voidCW_Circle(uint8_t circle,uint8_t speed);/顺时针，电机外部主轴转动一圈；circle为转动的圈数；speed为转速控制量，值越小速度越快mand voidCCW(uint8_t speed);/逆时针，电机内部传动轮转动一圈；speed为转速控制量，值越小速度越快mand voidCCW_Circle(uint8_t circle,uint8_t speed);/逆时针，电机外部主轴转动一圈；circle为转动的圈数；speed为转速控制量，值越小速度越快智能环境感控实验平台22附录1Tinyos系统及相关工具使用说明A Tinyos系统安装1.配置source源，修改/etc/apt/source.list文件，添加一行:debhinrg.cs.jhu/tinyos karmicmain2.更新源目录的包的列表sudo aptget update3.安装tinyos最新版及其工具。 sudo aptget installtinyos很有可能会提示在几个版本中选择，我们选择其中一个版本然后重新执行sudo aptget installtinyos2.1.14.进入/opt/tinyos2.1.1目录下，修改tinyos.sh文件，将CLASSPATH一行修改为CLASSPATH=$CLASSPATH:$TOSROOT/support/sdk/java:$TOSROOT/support/sdk/java/tinyos.jar5.进入/home/yourname目录，当前目录下.bashrc文件中添加以下内容来进行开发环境的配置source/opt/tinyos2.1.1/tinyos.sh6.运行修改后的bashrc文件source.bashrc7.运行tosinstalljni命令sudotos