基于嵌入式的室内环境信息采集控制演示系统设计
摘要：
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可定制，适用于不同应用场合，对功能，可靠性，成本，体积，功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器，外围硬件设备，嵌入式操作系统，用户应用程序4个部分组成。用于实现对其他设备的控制，监视或管理等功能。
本文设计了一种室内环境温度信息采集控制系统，它是基于北京奥尔斯电子科技有限公司生产的物联网创新实验系统OURS—IOTU2—2530，利用其中的CC2530及几种相应传感器模块采集室内环境温湿度电信号，并通过带有LCD的智能主板显示出来。文章介绍了该系统的基本原理，系统分析，详细设计及实现流程图，并重点介绍了串口数据收集的原理，通过嵌入式设备完成室内环境信息的采集至网关设备，通过上下位机实现终端嵌入式设备的信息收集及相关设备的控制，并采用ZiBbee无线通信技术结合温湿度传感器来实现信息的采集与传输的。
关键字：
温湿度采集，串口通信，ZiBee,传感器。 正文： 一、前言
在科技不断发展的今天，环境条件的温湿度指标是成为许多工作场合的重要参数，尤其是室内环境中的温湿度，温度和湿度的变化直接影响着人们的日程生活。温湿度的过高或过低都会影响室内事物的变化，所以有必要测量和控制室内的温湿度，不同的室内环境对温湿度的要求各不相同。
本设计是一种基于CC2530和数字温湿度传感器的温湿度采集系统。即该系统是采用ZigBee无线通信技术结合传感器，并通过运用ZigBee协议构架组建无线传感网络，来实现主从节点的数据采集和传输的，同时，需要在网络层通过AODV路由协议来进行节点间的连接以及数据的收发。总之，基于无线传感技术的无线网络传感器是一种将传感器、控制器、计算能力、通信能力完美的结合于一身的嵌入式设备。它们跟外界的物理环境交互，适时地采集信息，并且将采集到的信息通过无线传感网络传送给远程用户。无线网络传感器一般是由一个低功耗的微控制器(MCU)和若干个存储器，无线电/光通信装置、传感器等组件所集成的，通过传感器及通信装置和它们所处的外界物理环境进行交互。由此而引入的无线传感网络更是一种开创了新的应用领域的新兴概念和技术，广泛被应用与医疗领域、大规模环境监测、智能建筑、战场监视、智能家居、工业自动化和大区域内的目标追踪等领域。
所以说不管是工业，农业，军事及气象预报领域，还是人类生活的环境都需
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要对温度和湿度的环境进行测量和控制。因而，研制可靠且使用的温湿度测量装置显得非常重要。尤其是要实现大环境中的温湿度测量和自动控制，采用有线网络的方案难以实现，本文提出采用基于ZigBee 技术的无线温湿度测量与传输的方案，通过无线通信模块实现温湿度传感器和智能主板之间的交互，实现对网络采集的数据统一管理和分析。该系统具有快速展开，稳定可靠，可维护性好的特点。总的来说，我们的工作及生活在无形的改变着，变得更精致更高效更美丽。而这无形中进行着的神奇改变的关键莫过于高端的技术—嵌入式系统开发技术及无线技术。
二、基本原理
本实验将使用 CC2530 读取温湿度传感器 SHT10 的温度和湿度数据，并通过 CC2530 内部的 ADC 得到光照传感器的数据。最后将采样到的数据转换然后在 LCD 上显示。其中对温湿度的读取是利用 CC2530 的 I/O（P1.0 和 P1.1）模拟一个类 IIC 的过程。其中该系统所使用的SHT10是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全标定的数字输出。它采用专利的CMOSens技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。
2.1 SHT10引脚特性
SHT10 是一款高度集成的温湿度传感器芯片， 提供全标定的数字输出。它采用专利的
CMOSens 技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与 14 位的 A/D 转换器以及串行接口电路实现无缝连接。
SHT10 引脚特性如下：
(1)VDD，GND SHT10 的供电电压为 2.4~5.5V。传感器上电后，要等待 11ms 以越过“休眠”状态。在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个 100nF 的电容，用以去耦滤波。
(2)SCK 用于微处理器与 SHT10 之间的通讯同步。由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小 SCK 频率。
(3)DATA 三态门用于数据的读取。DATA 在 SCK 时钟下降沿之后改变状态，并仅在 SCK 时钟上升沿有效。数据传输期间，在 SCK 时钟高电平时，DATA 必须保持稳定。为避免信号冲突，微处理器应驱动 DATA 在低电平。需要一个外部的上拉电阻（例如：10kΩ）将信号提拉至高电平。上拉电阻通常已包含在微处理器的 I/O 电路中。
1、向 SHT10 发送命令：
用一组“ 启动传输”时序，来表示数据传输的初始化。它包括：当 SCK 时钟高电平时DATA 翻转为低电平，紧接着 SCK 变为低电平，随后是在 SCK 时钟高电平时 DATA 翻转为高电平。后续命令包含三个地址位（目前只支持“000”），和五个命令位。SHT10 会以下述方式表示已正确地接收到指令：在第
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8 个 SCK 时钟的下降沿之后，将 DATA 拉为电平（ACK 位）。在第 9 个 SCK 时钟的下降沿之后，释放 DATA（恢复高电平）。
2、测量时序(RH 和 T)：
发布一组测量命令（‘00000101’表示相对湿度 RH，‘00000011’表示温度 T）后，控制器要等待测量结束。这个过程需要大约 11/55/210ms，分别对应8/12/14bit 测量。确切的时间随内部晶振速度，最多有±15%变化。SHTxx 通过下拉 DATA 至低电平并进入空闲模式，表示测量的结束。控制器在再次触发 SCK 时钟前，必须等待这个“数据备妥”信号来读出数据。检测数据可以先被存储，这样控制器可以继续执行其它任务在需要时再读出数据。接着传输2 个字节的测量数据和1 个字节的CRC 奇偶校验。uC 需要通过下拉DATA 为低电平，以确认每个字节。所有的数据从 MSB 开始，右值有效（例如：对于 12bit 数据，从第 5 个SCK 时钟起算作 MSB； 而对于 8bit 数据， 首字节则无意义）。用 CRC 数据的确认位，表明通讯结束。如果不使用 CRC-8 校验，控制器可以在测量值 LSB 后，通过保持确认位 ack 高电平， 来中止通讯。在测量和通讯结束后，SHTxx 自动转入休眠模式。
3、通讯复位时序：
如果与 SHTxx 通讯中断，下列信号时序可以复位串口：当 DATA 保持高电平时，触发SCK 时钟 9 次或更多。在下一次指令前，发送一个“传输启动”时序。这些时序只复位串口，状态寄存器内容仍然保留.
2.2 温湿度传感器模块
温湿度探头直接使用 IIC 接口进行控制，光敏探头经运放处理后输出电压信号到 AD 输入。IIC 接口将同时连接 EEPROM 以及温湿度传感器两个设备，将采用使用不同的 IIC设备地址的方式进行区分。其电路原理图如下所示：
图（1）温湿度传感器模块原理图 使用 10～12bit 的 AD 采集器进行光敏信号采集，使用专用温湿度传感器
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(IIC 接口)进
行温湿度信号采集。一次采样使用 2 字节描述，MSB 方式，温湿度及光电传感器模块输出数据结构如下：
（1）仅采集温度信息
温度数据高字节，温度数据低字节。 （2）仅采集湿度信息
湿度数据高字节，湿度数据低字节。 （4）采集全部信息
温度数据高字节，温度数据低字节，湿度数据高字节，湿度数据低字节。 注意：本指令一次测量，最多只上传 1 次采集数据，不支持连续采集数据上传。
2.3 CC2530串口通信原理
UART 接口可以使用 2 线或者含有引脚 RXD、TXD、可选 RTS 和 CTS 的 4 线。
UART 操作由 USART 控制和状态寄存器 UxCSR 以及 UART 控制寄存器 UxUCR 来控制。这里的 x 是 USART 的编号，其数值为 0 或者 1。
当 UxCSR.MODE 设置为 1 时，就选择了 UART 模式。
当 USART 收/发数据缓冲器、寄存器 UxBUF 写入数据时，该字节发送到输出引脚 TXDx。UxBUF 寄存器是双缓冲的。
当字节传输开始时，UxCSR.ACTIVE 位变为高电平，而当字节传送结束时为低。当传送结束时，UxCSR.TX_BYTE 位设置为 1.当 USART 收/发数据缓冲寄存器就绪，准备接收新的发送数据时，就产生了一个中断请求。该中断在传送开始之后立刻发生，因此，当字节正在发送时，新的字节能够装入数据缓冲器。 当 1 写入 UxCSR.RE 位时，在 UART 上数据接收就开始了。然后 UART 会在输入引脚 TXDx中寻找有效起始位，并且设置 UxCSR.ACTIVE 位为 1.当检测出有效起始位时，收到的字节就传入到接收寄存器，UxCSR.RX_BYTE 位设置为 1.该操作完成时，产生接收中断。同时UxCSR.ACTIVE 变为低电平。 通过寄存器 UxBUF 提供到的数据字节。当 UxBUF 读出时，UxCSR.RX_BYTE 位由硬件清 0。
2.4 ZigBee无线传感器网络通信标准
ZigBee 技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于 IEEE 802.15.4 无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。ZigBee 协议规范使用了 IEEE 802.15.4 定义的物理层(PHY)和媒体介质访问层(MAC)，并在此基础上定义了网络层(NWK)和应用层(APL)架构。
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三、系统分析
该系统通过具有IIC总线接口的单片全校准字式新型相对温湿度传感器SHT10实现对温湿度的采集，将信号送至ZigBee技术，从节点采集温湿度数据每隔一定的时间轮流向主节点发送，主节点收到数据之后通过串口将各节点的温湿度数据传给智能主板。
具体步骤描述
（1）给智能主板供电（USB外接电源或2节干电池）；
（2）将一个无线节点模块插入到带 LCD 的智能主板的相应位置； （3）将温湿度及光电传感器模块插入到智能主板的传感及控制扩展口位置；
（4）接下来将 CC2530 仿真器的一端通过 USB 线（A 型转 B 型）连接到 PC 机，另一端通过 10Pin下载线连接到智能主板的 CC2530 JTAG 口（J203）； （5）将智能主板上电源开关拨至开位置。按下仿真器上的按钮，仿真器上的指示灯为绿色时，表示连接成功；
（6）从北京奥尔斯电子科技有限公司生产的物联网创新实验系统OURS—IOTU2—2530下载HumiTempLight.eww 文件，并运行程序；
（7）观察 LCD 上温度、湿度和光照强度的变化；
（8）向温湿度传感器吹一口气体，观察 LCD 上温湿度数据的变化； 四、详细设计
本设计是基于CC2530的温湿度数据采集系统设计。因此，其重点是温湿度数据采集设计的实现，主要可分为二大部分，一是实现无线传感的硬件模块；二是实现无线传感的软件支持，也就是Zigbee协议框架的编程。
实现湿度数据采集的硬件部分主要包括：无线传感器通信模块、无线传感基本结构实现原理、本设计所使用的试验箱以及软件支持、常见的无线传感模块以及实现基于CC2530的温湿度采集系统节点模块设计。
实现温湿度数据采集的软件部分主要包括：Zigbee协议栈整体构架，Zigbee协议栈网络层。
4.1实现温湿度数据采集的硬件部分
嵌入式温湿度采集系统的硬件部分可以大体有无线传感基本结构、无线传感实现原理、本设计所使用的试验箱以及软件支持、常见的无线传感模块以及实现基于CC2530的温湿度采集系统节点模块设计等组成。其具体内容如下：
1、无线传感器通信模块
无线节点模块：主要由射频单片机构成，MCU是TI的CC2530，2.4G载频，
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