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毕业设计论文
学校代码:
10128
学号:
本科毕业设计说明书
题目:
隧道环境无线传感网温度采集系统
学生姓名:
学院:
系别:
专业:
班级:
指导教师:
二〇一四年六月
摘要
随着物联网时代到来,无线传感网络开始得到广泛的应用。
设计隧道环境无线自组网温度采集系统的目的是能够检测矿山隧道环境中的温度,在发生危险时系统发出警报,为矿山中工作人员的生命安全提供有力的保障。
本系统采用美国TI公司低功耗、高性能的嵌入式芯片,能够在采用普通电池供电的情况下,在恶劣的环境中长期稳定运行。
该系统应用于矿山隧道温度采集,温度传感器感知温度信息,通过无线自组网将采集到的温度信息远程无线传送到控制中心,控制中心接收数据保存并分析,随时随地掌握采集点温度的变化情况,为温度控制系统提供环境温度信息。
本系统使用IAREmbeddedWorkbench集成环境进行下位机软件的开发,VisualC++完成上位机软件的设计,利用SmartRFStudio、TAG仿真器、MspFetBSL下载器、Protel、串口调试助手等软硬件工具协助完成系统开发调试。
本系统采用自行设计的无线自组网协议,使传感器节点具有自组织能力,能够自主形成多跳无线传输网络,节点兼具路由器和终端节点的功能。
系统中传感器节点采用TI公司的MSP430F149型混合信号处理器,利用CC1101超低功耗无线模块自动轮询唤醒功能,实现了系统低功耗的特性。
系统操作简便,成本低廉,适合在矿山等恶劣的环境中应用。
关键词:
嵌入式系统;低功耗;温度采集;无线传感网;无线自组网
Abstract
AstheageofTheInternetofthingscoming,wirelesssensornetworkhasbeenwidelyused.ThepurposeofdesigningTheTemperatureAcquisitionSystembasedonWirelessSensorNetworkinTunnelEnvironmentisabletodetecttemperatureintheminetunnelenvironment.Intheeventofdanger,thesystemalerts,whichcanprovidestrongguaranteeforstaff'slifesafetyinmines.ThesystemadoptsTICompany’sembeddedchipofwhichcanbelowpowerandhighperformance.Inthecaseofusingordinarybatteries,thesystemcanworkintheharshenvironmentforalongtime.Thetemperatureacquisitionsystemisappliedinminetunnels,wheretemperaturesensorsensesthetemperatureinformation.Thetemperaturedataistransmittedtothecontrolcenterviawirelessadhocnetwork.Thecontrolcenterstoresandanalysesdataafterreceivingit.Wecanknowthetemperaturechangesatthecollectionpointanytime.Thatcanprovidetemperatureinformationtothetemperaturecontrolsystem.
ThesystemusestheIAREmbeddedWorkbenchIDEforcontrollingprogram,VisualC++IDEforPCprogram,SmartRFStudio,JTAGemulator,MspFetBoot-StrapLoader,ProtelandSerialdebuggingassistantstohelpcompletethesystemdevelopmentanddebugging.
Thesystemutilizesawirelessself-organizingnetworkprotocolthatdesignedbymyself.Sensornodeshavetheabilitytoself-organizationandcanindependentlyformamulti-hopwirelesstransmissionnetwork.Boththerouterandtheterminal’sfunctionSensornodefeatures.WithSensornodesusingMSP430F149mixedsignalprocessorofTICompanyandCC1101usingtheultralowpowerwirelessmodule’spollingautomaticwake-upfunction,theSystemachieveslowpowerconsumption.ThesystemisEasytooperate,lowcostandsuitableforminingandotherharshenvironmentsapplications.
Keywords:
Embeddedsystem;low-power;temperatureacquisition;WirelessSensorNetwork;WirelessAdHocNetwork
图表清单
引言
物联网利用传感器、射频识别RFID等技术构造一个覆盖世界的物物相连的网络。
物联网能够智能化识别、监测、定位跟踪和管理目标,可以全面地感知人和物体信息。
在现代物流、智能建筑、食品、医疗、智能家居、智能交通等行业物联网已经开始得到广泛应用。
物联网应用的关键技术包括无线组网技术、传感器节点感知技术、数据融合、数据挖掘、云计算等关键技术。
物联网的时代到来,已经从个人到家庭,再到工业生产都已渗透到生活的每个角落。
在工业生产中,利用人工的方式对环境的监测和控制已经无法满足社会的快速发展了。
在矿山采矿时,常常会因为工作人员的疏忽而给企业的财产和工作人员的安全带来极大的危害。
尤其是在隧道,井下煤矿等环境下常常发生爆炸事故造成巨大的伤害。
若采用有线连接方式连接环境信息采集网络,长时间工作可能会造成因强电烧毁传感器原件,线路老化等问题,影响环境信息的采集。
将无线传感网络技术应用到矿山隧道环境的监测和控制当中,不仅能减少人员的投入,降低成本,避免有线连接方式带来的困扰,还能在环境恶化时发出警报,有效地避免危险状况的发生。
在恶劣的环境中,无线自组网温度采集系统能够稳定的工作,实时采集环境中温度信息,通过无线网络发送给监控终端,监控人员通过监控终端的实时监测软件能及时了解被检测地点的温度信息。
矿山隧道环境的监测和控制对于避免矿难事故的发生有着重要的意义。
无线传感网中传感器节点体积小、重量轻、功耗低、铺设方便,能在电池供电的情况下连续工作数月甚至数年都无需更换电源。
在无线传感网络中,每个传感器节点都运行相同的网络协议,当某个节点发生故障时可以直接替换掉而不影响网络中其他节点的信息传输。
本系统软件复用性强,只需对系统做轻微改动,更换传感器元器件后便能实现对环境中其他信息的采集和监测。
系统根据工业生产实际状况而开发的隧道环境无线自组网温度采集系统能适应恶劣的工作环境,系统工作温度范围在-25°C到125°C,适合国内主要工矿企业、交通道路等需要温度信息采集的场合。
第一章概述
1.1项目背景
社会飞速发展,物联网产业化的时代已经到来。
物联网离我们越来越近,无线传感网已经开始大量应用在工农业生产和人们的日常生活中。
各式各样的传感器在日常生活中已司空见惯,无线自组网技术应用范围愈加广泛。
将传感器检测与无线自组网技术相结合,可完成对环境实时监测和控制。
无线测温技术是近年来随着无线传输方式的发展和智能温度传感器的出现而新兴的一项现代化温度测量技术。
监视人员可利用普通PC机,手机等终端设备方便地了解被监测的现场环境并进行适时地发出控制命令。
利用无线传输模块和单片机构成的系统可实现近距离低功耗传输数据,具有操作灵活,可拓展性强,通用性强,可应用在各种无线遥测领域。
1.2系统开发意义
如今工业的生产安全受到人们的广泛关注,该无线传感网温度采集系统应用于矿山隧道中温度信息的采集。
传感网中采用智能温度传感器感知温度信息,通过无线自组网络将采集到的温度信息无线传送到控制中心,控制中心接收数据保存并分析,随时随地掌握采集点温度的变化情况,为温度控制系统提供环境温度信息。
在本系统中当环境中温度过高,超过温度阈值,节点能发出警报,以提醒在矿山中工作的人员,减少意外的发生造成的伤害。
本系统为野外勘探、采矿等工作人员的安全提供了保障。
而现有的矿山环境监测系统中多数采用有线方式连接,能耗较高,此系统的开发能有效地降低使用成本,具有较强的抗毁能力,因此本系统的开发具有重要的意义。
1.3系统开发环境
本无线自组网温度采集系统为嵌入式系统类设计开发,须同时具备软硬件环境才能完成系统的设计。
系统开发环境如下:
软件环境:
WindowsXP及以上操作系统,IAREmbeddedWorkbench,VisualC++6.0,MspFet,SmartRFStudio7,串口调试助手等。
硬件环境:
PC机,MSP430F149型单片机,CC1101无线传输模块,温度传感器,警报模块。
1.4系统主要功能
本温度采集系统主要针对矿山隧道环境,综合考虑各方面因素,并根据前期对工业现场环境的调研,对系统需要实现的功能进行了明确的定义。
其主要功能如下:
温度采集模块:
系统在隧道环境中利用带有传感器的节点对环境中的温度进行采集。
标签模块:
即为各个传感器节点,主要用于温度信息的收集。
标签节点主要负责温度采集,采用特定的数据包格式将采集到的温度数据发送给阅读器;此外,标签节点需要广播自己的地址,转发其他标签的数据包,与其他标签通信,建立路由表,完成与网内通信,数据传输。
无线传输模块:
CC1101无线传输模块将标签中特定格式的数据包发送出去,并接收由其他无线传输模块发来的数据包。
阅读器模块:
即中心控制节点。
阅读器接收到标签发来采集到的温度数据,然后通过串口发送给PC机。
上位机监控软件:
PC机接收来自阅读器的数据进行处理,以文字和图形的方式显示在屏幕上,并在隧道环境温度出现异常时发出警告。
第二章系统开发概述
2.1无线传感网概述
无线传感网络(WirelessSensorNetwork)是物联网关键技术之一,主要应用于物联网的传感层、传输层、处理层、应用层四层中的传输层。
无线传感网是一种由大量的传感器节点组建成的,对等式的网络。
主要用于信息的采集,终端的控制功能。
传感器节点通常可看做是一个具有感知能力的微型嵌入式系统,消耗较少的电量,并且具有信息处理能力。
其次,传感器节点通常具有传统网络的路由选择功能,还能够将其他节点发来的信息进行转发、解析、存储等处理[7]。
传感器节点往往是随机的分布在一定的区域,能够运行分布式协议能够自组成网,协作地感知环境中的信息,并进行处理,最终发给用户。
无线传感网往往具有的特性是:
网络自组织。
网络中节点随机分布的特性要求传感器节点具有自行组建无线网络的特点;节点数量庞大。
在传感网络中,往往需要庞大数目的节点来采集信息,才能得到较全面的环境信息;节点能力有限。
传感器节点工作环境通常是野外等较差的地方,要求功耗小,体积小,成本低,能适应通信状况不良的环境。
由于实际工程应用中节点的位置无法事先确定,节点可能发生故障,随时的更换,从而导致节点随时的加入和离开,为使节点的变更不影响系统的正常运行,无线自组网的自适应路由选择具有强抗毁性,在实际工程应用中得到广泛采用。
2.2Windows系统编程概述
Windows系统是人们再熟悉不过的图形界面方式的操作系统,具有良好的交互性。
利用事件驱动的方式进行面向对象程序设计是Windows编程的主要方式,视窗系统编程能够编写出可视化的图形用户界面。
WindowsAPI包含了操作系统所需的丰富的接口函数。
程序开发者也可利用MFC(MicrosoftFoundationClass)类库有效地完成Windows应用的开发[5]。
利用WindowsAPI可实现图形用户界面设计,网络通信,串口通信等功能。
VisualC++6.0是微软公司推出的面向对象可视化开发工具,具有很强的灵活性,比较经典的Windows编程工具,至今仍比较流行。
2.3硬件概述
2.3.1MSP430F149型单片机概述
系统标签节点的数据处理模块采用MSP430系列的F149型单片机。
MSP430系列单片机小巧灵活、成本低廉、抗干扰能力较强、易于实现产品化、使用的温度范围广,能够在各种恶劣条件下可靠地工作,实现分布式多单片机控制,提高系统的稳定性和工作效率。
采用单片机进行环境信息测量、信息存储、数字显示、实时监控等工业控制对于企业降低生产成本,提高工作效率,节能环保等都具有重要的意义。
MSP430系列的F149型单片机为超低功耗的混合信号处理器,由美国德州仪器(TI)公司开发,具有16位RISC结构,运算处理能力强,还集成了丰富的片内外设。
MSP430系列单片机系统工作稳定,具有方便灵活的开发环境,能工作在多种工作模式下,使用灵活方便。
MSP430系列单片机通过降低芯片电源电压以及可控制的灵活的时钟来保证其低功耗的特性,在某些情况下,可在电池供电的状态下工作数月甚至数年都无需更换电源,相比其他类型的单片机具有无可比拟的优势。
MSP430F149型单片机同其他MSP430系列单片机一样,片上外围模块丰富。
他们分别是看门狗(WDT)、基本定时器(BasicTimer)、端口1-6(P0-P6)、定时器A(Timer_A)、定时器B(Timer_B)、模拟比较器A、串口0(UART0)和串口1(UART1)等外围模块。
MSP430系列F149型单片机为冯·诺依曼体系结构的硬件结构。
硬件结构图如图2-1,主要包括16精简指令中央处理单元、存储器、外围模块、时钟模块、地址总线和数据总线。
芯片引脚分布如图2-1。
图2-1MSP430F149硬件结构图
图2-2MSP430F149外围引脚分布
中央处理器的性能直接关系到单片机的数据处理能力,MSP430F149的CPU内部由一个16位逻辑算术运算单元,16个寄存器和1个指令控制单元组成。
通过对寄存器的写和读完成程序所要实现的功能。
图2-3展示了16个寄存器的结构。
图2-3MSP430CPU结构图
通过中断的方式,单片机响应外围模块。
当中断事件提出中断请求时,会通过硬件向中央处理器提供向量。
在主机的中断允许的情况下,如果外围模块产生中断则进入中断处理程序。
MSP430F149的中断向量表如表2-1。
表2-1MSP430F149中断向量表
2.3.2DS18B20温度传感器概述
此温度采集系统采用一种改进型的数字式智能温度传感器DS18B20。
DS18B20温度传感器体积小,采用单总线与单片机相连,硬件电路简洁。
这使系统抗干扰能力更强,适用于农业生产和工业生产过程监测等领域。
DS18B20是单线式的智能数字化温度传感器,遵循“单线总线系统”的单线协议。
具有3引脚TO-92小体积的封装形式,DS18B20温度传感器引脚封装见图2-4所示,表2-2为该传感器的引脚说明。
DS18B20主要由三部分组成:
1)64位激光ROM;2)温度灵敏元件;3)温度警告触发器TH和TL。
对DS18B20的操作都是建立在对内部寄存器写和读的基础上的。
每个DS18B20温度传感器具有独有的序列号,多个此类传感器可挂载在同一条单线式总线上;温度测量范围-55˚C--+125˚C,测温分辨率达0.0625˚C。
图2-4DS18B20T0-92引脚封装图
表2-2DS18B20引脚说明
要从DS18B20传感器中读写数据,必须能够对该传感器的贮存器进行驱动。
DS18B20传感器初始化时序如图2-5,读写时序如图2-6所示。
图2-5DS18B20初始化时序
图2-6DS18B20读写时序
2.3.3无线传输模块CC1101概述
无线射频在社会生活中已经开始被广泛应用,无线传输模块因其低功耗、运行稳定、连接性好、灵敏度高、外围元件简单的特点,被大量采用。
无线传输模块采用CC1101作为本系统的无线收发所使用的芯片进行数据传输。
在典型的系统中,一个无线传输模块中CC1101芯片通常会与一颗微型控制器和少数附加的无源组件一起使用。
CC1101是一种低成本单片UHF收发器,为无线低功耗应用而设计,是一种低功耗的短距离通讯设备(SRD)[19]。
CC1101工作波段符合我国的工业标准。
广泛应用在工业监测控制、仪表自动化读数、低功耗的遥感探测、建筑自动控制、无线安全警报系统、无线传感网络和电子消费品当中。
CC1101芯片具有自动低功耗轮询无线唤醒(WOR)功能,支持串行异步和同步接收/发送模式,能够向后兼容现有无线通信协议。
芯片CC1101引脚分布见图2-7。
图2-7CC1101电路图
CC1101引脚说明见表2-3。
表2-3CC1101引脚说明
在CC1101中数据的收发和CC1101的状态设置是通过修改寄存器值来实现的。
使用SmartRF_Studio软件来进行CC1101寄存器各种的配置,以获得最佳寄存器性能,并且修改寄存器要在IDLE模式下。
CC1101工作状态模式如下图2-8所示。
图2-8CC1101的状态机
2.3.4液晶显示器LCD1602概述
LCD1602液晶显示器的显示原理:
通过控制电压变化,改变液晶的排列状态,显示出字符。
本系统应用基于HD44780芯片的字符液晶LCD1602液晶显示器进行温度显示。
LCD1602液晶显示器体积小,重量轻,显示质量好,能耗低,价格便宜,在市场上售价在10元左右,适合在工业上大量应用。
LCD1602液晶显示器具有数字式接口,能够与单片机相连,操作方便,能够满足本系统显示标签节点处温度的需要。
LCD1602液晶显示器是一种字符型点阵式显示模块,其实物图如图2-9。
该液晶显示容量为16x2个字符,芯片电压在4.5V-5.5V之间可正常工作,最佳工作电压为5.0V。
在LCD1602液晶模块中固化有字符字模,液晶模块中内置了192个常用字符字模,存储在CGROM和CGRAM存储器中。
引脚电路图参考图2-10所示,引脚说明见表2-4。
图2-9LCD1602实物图
图2-10图二1LCD1602接口电路图
表2-4LCD1602引脚说明
LCD1602液晶模块是通过对其控制器进行指令编程实现字符的显示。
指令包含对液晶显示器的读和写操作、光标移动、光标显示和屏幕的操作。
指令共11条,见表2-5。
表2-5LCD1602操作指令表
第三章系统分析与设计
3.1系统需求分析
在矿山采矿或勘探过程中,因环境恶劣无法架设线路或需要常常迁移地点时,采用无线自组网技术具有极大的优势。
隧道环境无线自组网温度采集系统应用在矿山隧道中监测放置处的温度信息。
本系统可以避免因强电电流过大等原因造成的温度升高,引起测温系统发生故障。
本系统也可以应用在不能采用有线连接的环境中。
设计隧道环境无线自组网温度采集系统的目的是能够加强工矿企业对工业生产现场的监管,在工业现场即将发生危险时做出及时响应,避免酿成额外的损失。
该系统对生产人员的生命安全和企业财产提供了有力保障。
本系统中标签节点布置在隧道现场环境中,实时采集温度信息,广播本标签地址,发送路由交换包,与其他标签节点自组成网,将采集到的数据按特定协议发送,同时将其他标签发过来的数据包转发,最终发给阅读器节点。
阅读器广播本机地址,过滤标签地址,过滤数据包,处理来自标签采集的数据包,发送给PC机。
3.2硬件设计
3.2.1节点信息处理
本系统标签节点和阅读器节点采用了欣世纪电子科技的DM430-L型单片机系统板和腾飞电子的TS8900-M149型开发板,本系统应用的开发板均为MSP430F149最小系统,具有丰富的应用接口,板载USB型BSL下载器,支持标准JTAG仿真接口,扩展方便,资源丰富,设计思路清晰。
标签节点主要完成温度信息采集、数据包转发,广播本机地址,交换路由表的功能。
标签收到数据包后通过数据包的第1字节type字段的数值识别数据包类型。
标签工作的流程参考图3-1所示。
图3-1标签工作流程
阅读器为使标签能够向自己发送采集数据包,需要向周围广播自己的地址信息。
当阅读器的广播信息被标签接收到后,标签会将阅读器地址加入到自己的路由表中(若已存在此路由信息,则不添加)。
阅读器收到数据包后通过数据包的第1字节type字段的数值识别数据包类型。
图3-2为阅读器工作流程。
图3-2阅读器工作流程
3.2.2温度信息采集
此温度采集模块能够检测到当前温度并且能够在超出预设的警告温度时发出警报,提醒在矿山中工作的人员,为工作人员的生命安全提供保障。
DS18B20传感器采用单总线协议。
即传感器工作过程为:
1.初始化。
2.发送ROM操作命令。
3.发送RAM贮存器操作命令。
4.处理数据。
从温度传感器中获取温度值的过程用流程图表示如图3-3所示。
图3-3温度转换函数
采集到温度后,得到图3-4格式的温度值。
温度数值记录格式为二进制的2字节,以补码形式存储,高4位扩展符号位。
其中高4位为温度值的符号,中间8位为温度值的整数部分,低4位为温度值的小数部分。
因为DS18B20最低位表示0.0625˚C,即分辨率为0.0625˚C,所以可求得如下图所示,温度值为25.0625˚C。
设暂存寄存器中所存储的温度为temp。
若暂存寄存器中数值为负数,则取得的数值取反加一后得到temp。
则温度计算公式:
温度值(temperature)=暂存器数值(temp)*0.0625。
图3-4温度存储形式
温度数值从温度传感器采集到后,对温度数值进行判断,若超过规定的警示温度值(本系统设置为32摄氏度)后则触发黄色LED发光二极管,超过规定警报温度(本系统设置为40摄氏度)后则触发红色LED发光二极管。
温度采集模块的电路图参考图3-5。
图3-5温度采集模块
3.2.3信息无线传输
本系统中采用模块化CC1101芯片模块完成无线通信功能,CC1101无线传输模块电路图如图***。
经实验测定,相邻的节点间的有效距离为30米,超过30米信号急剧衰减。
节点通过一个SPI接口实现对CC1101的64字节的发送/接收FIFO缓冲区和主要运行参数进行控制。
SPI接口主要用于扩展外设和数据交换,在单片机与CC1101通信中采用4线SPI接口完成CC1
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