基于WSN的廚房溫度氣體監(jiān)控系統(tǒng) 一、 題目的要求和意義

課程設計的目的：

本課題是學生們使用單片機和至少兩種傳感器實現(xiàn)無線通信的項目，主要實現(xiàn)對廚房溫度和氣體進行實時監(jiān)測。通過在廚房里安裝基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫度、氣體采集節(jié)點來廚房內各點的溫度和氣體，并以無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到PC端或者是LCD液晶屏，用戶可以通過上位機軟件查詢數(shù)據(jù)，能夠及時了解到廚房的情況。

課程設計的要求：

基本要求:

1、必須有無線通信

2、必須有兩種以上（包含兩種）的傳感器

3、必須用單片機實現(xiàn)

擴展要求：

1、三個以上（包含三個）的無線通信節(jié)點

2、可構建Ad Hoc網(wǎng)絡即一種無中心自組織的多跳無線網(wǎng)絡

課程設計的意義：

傳統(tǒng)的使用線纜直接連接實現(xiàn)信號的傳輸方式，將嚴重限制數(shù)據(jù)采集點的安放靈活性，設備布線困難。而通過無線通信的方式傳遞數(shù)據(jù)是一種較為理想的選擇，它與有線方式相比主要成本低、攜帶方便、布線安裝簡便等特點。

基于WSN的廚房溫度氣體監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以讓人們的生活質量得到提高，而且保障了人民的生命安全。

二、 硬件電路設計

1. 具體電路的設計和參數(shù)的計算；

電路的原理圖、PCB設計圖、3D模型圖如下：

圖1電路原理圖

我負責部分的電路：OLED顯示模塊電路，電源模塊，下載電路。

OLED顯示電路設計如下：

引腳說明：

DC：數(shù)據(jù)或命令切換

RESET：復位

SDA：雙向數(shù)據(jù)線

SCL：時鐘信號線

VCC：電源正3.3V

GND：電源地

由原理圖可知核心板中的P0_0,P1_7,P1_3,P1_2,3V3,GND引腳分別與OLED顯示屏的6個引腳對應相接。

本次設計采用模塊級設計，故只需購買OLED顯示屏模塊即可，OLED顯示屏模塊的電路圖如下：

電源模塊電路設計如下：

ASM1117-3V3是電壓降壓芯片，作用是將輸入的5V電壓降至3.3V

C1、C2是輸入電容，作用是防止斷電后出現(xiàn)電壓倒置，

C3、C4是輸出濾波電容，作用是抑制自激振蕩和穩(wěn)定輸出電壓。

下載電路設計如下：

引腳說明：

第1Pin：GND

第2Pin：目標板電壓檢測，該信號用于支持寬目標電壓，需要目標板為仿真器提供

第3、4Pin：在線調試或下載通信接口

第5、6、8、10Pin：協(xié)議分析或者由Smart Studio直接控制芯片的通信接口

第7Pin：芯片復位信號

第9Pin：仿真器提供的3.3V電壓，最大可提供500MA電路

以上10個引腳中，只有GND/DC/DD/RESET為必須連接的引腳，其他均為可選。

若想要支持Packet Sniffer軟件（用于抓取無線數(shù)據(jù)包），其余的SPI接口也要連接的目標板上

若想要使用仿真器對目標板進行供電，需接上9號引腳，可對目標板提供3.3V電壓

為了更好的理解程序下載的實現(xiàn)，給出仿真器內部電路圖如下：

2. 電路性能測試與結果分析

OLED顯示電路:

通電后，經(jīng)過數(shù)字萬用表測量得

VCC引腳與GND引腳之間的電壓為3.28V

結果分析：測量的結果在誤差允許范圍內

電源模塊電路：

通電后，經(jīng)過數(shù)字萬用表測量得

3號引腳，即未經(jīng)過AMS1117芯片的引腳的電壓約為5.08 V

2號引腳，即經(jīng)過AMS1117芯片的引腳的電壓約為3.28V

結果分析：說明AMS1117芯片起到了對輸入電壓起到降壓的作用

下載電路:

通電后，經(jīng)過數(shù)字萬用表測量得

VCC引腳與GND引腳之間的電壓為3.28V

結果分析：測量的結果在誤差允許范圍內

三、軟件設計

1. 主程序流程圖；

協(xié)調器節(jié)點：

圖12 協(xié)調器節(jié)點流程圖

終端節(jié)點：

圖13 終端節(jié)點流程圖

子程序流程圖；（無）

我負責部分的軟件設計：組建無線通信和組網(wǎng)，上位機軟件制作

無線通信：一般在具體項目開發(fā)過程中，通信雙方需要提前定義好數(shù)據(jù)通信的格式，一般需要包含數(shù)據(jù)頭、數(shù)據(jù)、校驗位、數(shù)據(jù)尾等信息，為了簡化本次項目的難度，使用的數(shù)據(jù)包格式如表1所示。

在項目開發(fā)過程中，使用到數(shù)據(jù)包時，一般會使用共用體將整個數(shù)據(jù)包所需要的數(shù)據(jù)包含起來，這樣編程效率較高，在本實驗中使用的結構體定義如下：

typedef union h
{
  uint8 TEMP[36];
  struct RFRXBUF
  {
    char Head1[3] ;           //數(shù)據(jù)頭'E1 ' /'E2 '
    char ip1[2];              //溫度提示'T:'
    char Tvalue[4] ;          //溫度數(shù)據(jù)
    unsigned char Tail1 ;     //溫度尾 'C'
    unsigned char gap1 ;      //數(shù)據(jù)間隔' '
    char ip2[4];              //氣體提示MQ2: ,
    unsigned char Qvalue[2] ;  //氣體數(shù)據(jù)
    unsigned char Tail2 ;      //氣體尾 '%'
    char Rn[2]  ;              //回車換行'\r\n'
    char Led1[4]  ;            //燈提示Led:
    char Led2[3]  ;            //燈狀態(tài)on/off
    unsigned char gap2 ;      //數(shù)據(jù)間隔' '
    char Beep1[5] ;           //蜂鳴器提示Beep:
    char Beep2[3] ;           //蜂鳴器的狀態(tài)on/off  
  }BUF ;
}TEMPERATURE

使用一個共用體來表示整個數(shù)據(jù)包，里面有兩個成員變量，一個是數(shù)組TEMP,該數(shù)組有36個元素；另外一個是結構體，該結構具體實現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)頭、溫度數(shù)據(jù)、氣體數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)尾…，結構體所占的也是36個字節(jié)

ZigBee組網(wǎng)流程 建立網(wǎng)絡和設備入網(wǎng)：

平時我們只關心應用層，會組網(wǎng)，實現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)采集，無線傳輸就算掌握ZigBee通訊了，并非每個人都需要了解底層代碼運行情況。

值得注意的是：(taskID++); //ZDApp層初始化，執(zhí)行函數(shù)后，如果是協(xié)調器將將建立網(wǎng)絡，如果是終端設備將加入網(wǎng)絡。

上位機軟件制作：

串口助手選用Visual C#開發(fā)語言和Visual Studio 2012開發(fā)平臺進行開發(fā)，實現(xiàn)的主要功能如下：

1需要用戶名和密碼才能登錄軟件——可以保障用戶的隱私

2可用串口掃描——精確且快速的找到可以打開的串口號

3保存和讀取數(shù)據(jù)——可以對數(shù)據(jù)進行保存和讀取，方便后期查看

4顯示接收數(shù)據(jù)的時間——用戶可以知道數(shù)據(jù)到來的時間

5定時發(fā)送——用戶可以設定在幾秒甚至幾小時后發(fā)送控制命令

四、調試記錄 (重點內容)

1. 調試時間：6到10周

2. 調試中遇到的問題

問題1：移植隊友寫好的代碼出現(xiàn)編譯錯誤

問題2：如何讓終端將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調器

問題3：接收到的數(shù)據(jù)無法正常顯示

問題4：OLED屏無法顯示溫度小數(shù)后一位

問題5：無法區(qū)分是哪個終端發(fā)過來的數(shù)據(jù)

3. 解決的方法

解決1：加入相應的頭文件，并在頭文件里聲明函數(shù)。

解決2：步驟如下

1） 定義一個事件標識符 如#define 0x01

2） 在系統(tǒng)事件里的網(wǎng)絡狀態(tài)改變事件中即case :語句后面設置自己定義事件的函數(shù)：(,);

3） 在if(events & )語句中放入發(fā)送數(shù)據(jù)的函數(shù)和下一次再執(zhí)行事件的定時器函數(shù)()。

解決3：

tvalue = () ; //讀取溫度函數(shù)

qvalue = GetMq2() ; //讀取MQ2的濃度

通過調用隊友寫好的函數(shù)返回值是一個數(shù)值，而發(fā)送到串口中的數(shù)據(jù)應該是字符串才行

可以將其轉換為字符串格式再加載到數(shù)據(jù)包中：

sprintf(strTemp, "%.01f", tvalue);      //將溫度數(shù)據(jù)轉成字符串  
strcpy(temperature.BUF.Tvalue,strTemp); //將字符串型的溫度數(shù)據(jù)復制到數(shù)據(jù)包
temperature.BUF.Qvalue[0] = qvalue / 10 + '0' ;  //將氣體數(shù)據(jù)轉化為字符串
temperature.BUF.Qvalue[1] = qvalue % 10 + '0' ;

解決4：

終端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包中溫度數(shù)據(jù)中數(shù)組的第5-8位，所以可以將溫度的十位、個位、小數(shù)位分別取出來，將其由字符串格式轉換為數(shù)值，之所以無法顯示小數(shù)后一位，是因為我對溫度數(shù)據(jù)進行如下處理

uint8 t = (t1-‘0’)*10+(t2-‘0’)+（t3-‘0’）/10;

因為（t3-‘0’）/10這個值永遠為0,小數(shù)部分被抹除，故做如下處理

	uint8 t1 = pkt->cmd.Data[5];//從數(shù)據(jù)包中讀取溫度十位
    uint8 t2 = pkt->cmd.Data[6];//溫度個位
    uint8 t3 = pkt->cmd.Data[8];//溫度小數(shù)位
    uint8  t = (t1-'0')*10+(t2-'0'); //將十位數(shù)和個位數(shù)結合 
	uint8 t4 = (t3-'0');           //溫度小數(shù)
	sprintf(buff, "E1 T:%d.%d MQ2:%d", t,t4,mq2);
	HalLcdWriteString(buff,HAL_LCD_LINE_1);  //OLED第1行顯示數(shù)據(jù) 	

解決5

由于我們的終端是同時采集溫度和氣體數(shù)據(jù)的，故發(fā)過來的數(shù)據(jù)難以區(qū)分。

為了區(qū)分不同終端發(fā)過來的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)頭放入ID這個宏定義，在下載終端程序的時候可以通過修改ID的宏來區(qū)分不同的終端。

#define  ID   "E1 "              //針對終端有效，取值E1 ，E2
strcpy(temperature.BUF.Head1,ID) ;  //填充數(shù)據(jù)頭1

五、課程設計體會

通過此次課程設計，我更加扎實的掌握了有關單片機方面的知識，在設計過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足。實踐出真知，通過親自動手制作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。

通過這次課程設計，我掌握了使用zigbee協(xié)議棧進行無線組網(wǎng)通信的方法;熟悉了上位機軟件的制作;了解了通信協(xié)議的制定;以及如何提高電路的性能等等。此次設計也讓我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及時請教或上網(wǎng)查詢，只要認真鉆研， 動腦思考，動手實踐，就沒有弄不懂的知識。

課程設計的過程中，也對團隊精神的進行了考察，讓我們在合作起來更加默契，在成功后一起體會喜悅的心情。果然是團結就是力量，只有互相之間默契融洽的配合才能換來最終完美的結果。

六、參考文獻

[1] QST青軟實訓.ZigBee技術開發(fā)[M].北京：清華大學出版社，2015

[2]王小強. ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡設計與實現(xiàn)[M].北京：北京工業(yè)出版社，2012

最后：

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