基于wifi的无线测温系统资料.docx
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基于wifi的无线测温系统资料
目录
1概述4
1.1选题背景4
1.2选题研究的目的和意义4
2系统整体介绍6
3系统的硬件设计6
3.1传感器AM2301温度传感器6
3.2ZigBee协议7
3.2.1ZigBee概述7
3.2.2ZigBee网络基础10
3.2.3工作模式10
3.2.4ZigBee无线组网及数据通信10
3.3WiFiMOD模块
3.4CC2530芯片11
3.3.1CC2530概述11
3.3.2CC2530芯片的主要特点12
3.5MC9S12XS128单片机的介绍12
3.6移动终端15
4主程序的设计15
4.1.系统测试16
4.1.1系统测试步骤16
4.1.2系统的硬件测试、协议栈的测试、液晶的测试16
4.1.3系统测试结果分析17
5总结17
参考文献18
致谢19
1概述
1.1选题背景
温度是工业、农业生产中常见的和最基本的参数之一，在生产过程中常需对温度进行检测和监控，采用微型机进行温度检测、数字显示、信息存储及实时控制，对于提高生产效率和产品质量、节约能源等都有重要的作用。
伴随工业科技、农业科技的发展，温度测量需求越来越多，也越来越重要。
但是在一些特定环境温度监测环境范围大,测点距离远,布线很不方便。
这时就要采用无线方式对温度数据进行采集。
1.2选题研究的目的和意义
无线网络技术按照传输范围来划分，可分为无线广域网、无线城域网、无线局域网和无线个人域网。
无线个人域网即短距离无线网络，典型的短距离无线传输技术有：
蓝牙（Bluetooth）、ZigBee、WiFi等。
在工业控制、家庭自动化和遥测遥感领域，蓝牙（Bluetooth）虽然成本较低，成熟度高，但是传输距离有限，仅为10米，可以参与组网的节点少。
WiFi虽然传输速度较快，传输距离达到100米，但是其价格偏高，功耗较大，组网能力较差。
相比之下ZigBee技术具有低成本、低功耗、近距离、短时延、高容量、高安全及免执照频段等优势，广泛应用于智能家庭、工业控制、自动抄表、医疗监护、传感器网络应用和电信应用等领域。
2系统整体介绍
本设计所实现的无线温度采集系统以单片机为核心，通过温度传感器、单片机、Zigbee无线模块，WiFi模块，完成对温度的采集与显示。
首先利用温度采集系统完成温度的采集，然后利用数据转换模块完成了I/O口数据与串口数据的转换，再通过无线发送与接收模块完成数据的无线发、收，最终通过温度显示模块完成了显示温度传感器所采集的温度值。
系统框图如下所示：
3系统的硬件设计。
传感器AM2301温度传感器
►相对湿度和温度测量
►全部校准，数字输出
►卓越的长期稳定性
►无需额外部件
►超长的信号传输距离
►超低能耗
►4引脚安装
AM2301产品概述
AM2301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。
传感器包括一个电容式感湿元件和一个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AM2301传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。
校
►完全互换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。
1、传感器性能说明
参数
条件
Min
Typ
Max
单位
湿度
分辨率
0.1
%RH
16
Bit
重复性
±1
%RH
精度
25℃
±3
%RH
0－50℃
±5
%RH
互换性
可完全互换
采样周期
1
2
S
响应时间
1/e（63%）25℃，1m/s空气
2
S
迟滞
±0.3
%RH
长期稳定性
典型值
±1
%RH/yr
温度
分辨率
0.1
℃
16
Bit
重复性
±0.5
℃
精度
±1
℃
量程范围
-40
80
℃
响应时间
1/e（63%）
6
20
S
2、采样周期不得低于最小值，否则会引起错误
3、接口说明
建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻
3、电源引脚
AM2301的供电电压为5V。
传感器上电后，要等待1s以越过不稳定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。
4、单总线接口
DATA用于微处理器与AM2301之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间5ms左右,具体格式在下面说明,当前数据传输为40bit,高位先出。
数据格式:
40bit数据=16bit湿度数据+16bit温度数据+8bit校验和
例子：
接收40bit数据如下：
0000001010001100000000010101111111101110
湿度数据温度数据校验和
湿度高8位+湿度低8位+温度高8位+温度低8位=的末8位=校验和
例如：
00000010+10001100+00000001+01011111=11101110
湿度=65.2％RH温度=35.1℃
当温度低于0℃时温度数据的最高位置1。
例如：
-10.1℃表示为1000000001100101
用户主机（MCU）发送一次开始信号后,AM2301从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,AM2301发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集。
（注：
主机从AM2301读取的温湿度数据总是前一次的测量值，如两次测量间隔时间很长，请连续读两次以获得实时的温湿度值）
图1
空闲时总线为高电平，通讯开始时主机（MCU）拉低总线500us后释放总线，延时20-40us后主机开始检测从机（AM2301）的响应信号。
从机的响应信号是一个80us左右的低电平，随后从机在拉高总线80us左右代表即将进入数据传送。
图2
高电平后就是数据位，每1bit数据都是由一个低电平时隙和一个高电平组成。
低电平时隙就是一个50us左右的低电平，它代表数据位的起始，其后的高电平的长度决定数据位所代表的数值，较长的高电平代表1，较短的高电平代表0。
共40bit数据，当最后一Bit数据传送完毕后，从机将再次拉低总线50us左右，随后释放总线，由上拉电阻拉高。
数字1信号表示方法如图4所示
图4
数字0信号表示方法.如图5所示
图5
5、测量分辨率
测量分辨率分别为16bit（温度）、16bit（湿度）。
6、电气特性
VDD=5V，T=25℃，除非特殊标注
参数
条件
min
typ
max
单位
供电
DC
3.3-5.5V
V
供电电流
测量
1.3
1.5
2.1
mA
待机
0.9
1.1
1.3
mA
采样周期
秒
1
2
次
注:
采样周期间隔不得低于1.7秒钟（建议2秒）。
7、应用信息
7.1工作与贮存条件
超出建议的工作范围可能导致高达3%RH的临时性漂移信号。
返回正常工作条后，传感器会缓慢地向校准状态恢复。
要加速恢复进程/可参阅7.3小节的“恢复处理”。
在非正常工作条件下长时间使用会加速产品的老化过程。
7.2暴露在化学物质中
电容式湿度传感器的感湿层会受到化学蒸汽的干扰，化学物质在感应层中的扩散可能导致测量值漂移和灵敏度下降。
在一个纯净的环境中，污染物质会缓慢地释放出去。
下文所述的恢复处理将加速实现这一过程。
高浓度的化学污染会导致传感器感应层的彻底损坏。
7.3恢复处理
置于极限工作条件下或化学蒸汽中的传感器，通过如下处理程序，可使其恢复到校准时的状态。
在50-60℃和<10%RH的湿度条件下保持2小时（烘干）；随后在20-30℃和>70%RH的湿度条件下保持5小时以上。
7.4温度影响
气体的相对湿度，在很大程度上依赖于温度。
因此在测量湿度时，应尽可能保证湿度传感器在同一温度下工作。
如果与释放热量的电子元件共用一个印刷线路板，在安装时应尽可能将AM2301远离发热电子元件，并安装在热源下方，同时保持外壳的良好通风。
7.5光线
长时间暴露在太阳光下或强烈的紫外线辐射中，会使性能降低。
7.6配线注意事项
DATA信号线材质量会影响通讯距离和通讯质量,推荐使用高质量屏蔽线。
8、封装信息
9、AM2301引脚说明
Pin
名称
注释
1
VDD
供电3.3-5.5VDC
2
DATA
串行数据，单总线
3
GND
接地，电源负极
4
NC
空脚，请悬空（不要接Vcc或Gnd）
3.2ZigBee协议
3.2.1ZigBee概述
ZigBee一词来源于蜜蜂赖以生存的通信方式Zigzag形状的舞蹈，是一种低成本、低功耗的近距离无线组网通信技术。
ZigBee协议是基于IEEE802.15.4标准的，由IEEE802.15.4和ZigBee联盟共同制定。
IEEE802.15.4工作组制定ZigBee协议的物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC层）协议。
ZigBee联盟成立用于2002年，定义了ZigBee协议的网络层（NWK）、应用层（APL）和安全服务规范。
协议栈结构如图3-2。
应用层（含应用接口层）
用户
安全层
ZigBee联盟
网络层
MAC层
IEEE802.15.4
物理层
图3-2ZigBee协议栈结构
ZigBee协议由物理层（PHY）、介质访问控制子层（MAC）、网络层（NWK），应用层（APL）及安全服务提供层（SSP）五块内容组成。
其中PHY层和MAC层标准由IEEE802.15.4标准定义，MAC层之上的NWK层，APL层及SSP层，由ZigBee联盟的ZigBee标准定义。
APL层由应用支持层（APS），应用框架（AF）以及ZigBee设备对象（ZDO）及ZDO管理平台组成。
PHY层定义了无线射频应该具备的特征，提供了868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz和2400MHz-24835MHz三种不同的频段，分别支持20kbps、40kbps和250kbps的传输速率，1个、10个以及16个不同的信道Ⅲ。
ZigBee的传输距离与输出功率和环境参数有关，一般为10～100米之间。
PHY层提供两种服务：
PHY层数据服务和PHY层管理服务，PHY层数据服务是通过无线信道发送和接收物理层协议数据单元（PPDU），PHY层的特性是激活和关闭无线收发器、能量检测、链路质量指示、空闲信道评估、通过物理媒介接收和发送分组数据。
MAC层使用CSMA-CA冲突避免机制对无线信道访问进行控制，负责物理相邻设备问的可靠链接，支持关联（Association）和退出关联（Disassociation）以及MAC层安全。
MAC层提供两种服务：
MAC层数据服务和MAC层管理服务，MAC层数据服务通过物理层数据服务发送和接收MAC层协议数据单元（MPDU）。
MAC层的主要功能是：
进行信标管理、信道接入、保证时隙（GTS）管理、帧确认应答帧传送、连接和断开连接。
NWK层提供网络节点地址分配，组网管理，消息路由，路径发现及维护等功能。
NWK层主要是为了确保正确地操作IEEE802.15.4．2003MAC子层和为应用层提供服务接口。
NWK层从概念上包括两个服务实体：
数据服务实体和管理服务实体。
NWK层的责任主要包括加入和离开一个网络用到的机制、应用帧安全机制和他们的目的地路由帧机制，ZigBee协调器的网络层还负责建立一个新的网络。
ZigBee应用层包括应用支持子层（APS子层）、应用框架（AF）和ZigBee设备对象（ZDO）。
APS子层负责建立和维护绑定表，绑定表主要根据设备之间的服务和他们的需求使设备相互配对。
ZigBee的应用框架（AF）为各个用户自定义的应用对象提供了模板式的活动空间，并提供了键值对（KVP）服务和报文（MSG）服务供应用对象的数据传输使用。
一个设备允许最多240个用户自定义应用对象，分别指定在端点l至端点240上。
ZDO可以看成是指配到端点O上的一个特殊的应用对象，被所有ZigBee设备包含，是所有用户自定义的应用对象调用的一个功能集，包括网络角色管理，绑定管理，安全管理等。
ZDO负责定义设备在网络中的角色（例如是ZigBee协调器或者ZigBee终端设备）、发现设备和决定他们提供哪种应用服务，发现或响应绑定请求，在网络设备之间建立可靠的关联。
安全服务提供者SSP（SecurityServiceProvider）向NWK层和APS层提供安全服务。
ZigBee协议层与层之间是通过原语进行信息的交换和应答的。
大多数层都向上层提供数据和管理两种服务接口，数据SAP（ServiceAccessPoint）和管理SAP（ServiceAccessPoint）。
数据服务接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务，管理服务接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制。
3.2.2ZigBee网络基础
ZigBee网络基础主要包括设备类型，拓扑结构和路由方式三方面的内容，ZigBee标准规定的网络节点分为协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端节点（EndDevice）。
节点类型是网络层的概念，反映了网络的拓扑形式。
ZigBee网络具有三种拓扑形式：
星型拓扑、树型拓扑、网状拓扑。
3.2.3工作模式
ZigBee网络的工作模式可以分为信标（Beacon）模式和非信标（Non-beacon）模式两种。
信标模式可以实现网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度地节省功耗，而非信标模式只允许ZE进行周期性休眠，协调器和所有路由器设备长期处于工作状态。
在信标模式下，协调器负责以一定的间隔时间（一般在15ms--4mins之间）向网络广播信标帧，两个信标帧发送间隔之间有16个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两个部分，消息只能在网络活动区的各个时槽内发送。
非信标模式下，ZigBee标准采用父节点为子节点缓存数据，终端节点主动向其父节点提取数据的机制，实现终端节点的周期性（周期可设置）休眠。
网络中所有的父节点需要为自己的子节点缓存数据帧，所有子节点的大多数时间都处于休眠状态，周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，并向父节点提取数据，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15ms。
3.2.4ZigBee无线组网及数据通信
ZigBee通信协议采用分层结构,节点通过在不同层上的特定服务来完成所要执行的各种任务。
本系统采用TI提供的ZigBee2006协议栈Z-Stack,在IEEE802.15.4标准物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）基础上增加了网络层、应用层和安全服务规范,是一种较好的无线传感网络组建方案。
ZigBee设备类型按网络功能分为三种:
协调器、路由器、终端。
由于本系统采用星型网络拓扑结构,所以只存在协调器和终端两种设备。
本系统中主节点被初始化为网络协调器。
协调器包含所有的网络消息,存储容量最大、计算能力最强。
它的功能是发送网络信标、建立网络、管理网络节点、存储网络节点信息、收发信息。
从节点被初始化为无信标网络中的终端设备。
上电复位后,即开始搜索指定信道上的网络协调器,并发出连接请求。
建立连接成功后,数据从括从节点编号,CC2530的I/O口编号以及此温度传感器的编号,后2个字节为温度采集数据。
主节点收到数据包后,对数据进行分析处理,把从节点上的温度传感器的数据采集值进行转换,得到实际的温度值,然后发送给上温度显示部分。
3.2.5zigbee无线发送模块
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，ZigBee节点所属类别主要分三种，分别是协调器（Coodinator）、路由器（Router）、终端（EndDevice）。
统一网络中至少需要一个协调器，也只能有1个协调器，负责各个节点16位地址分配（自动分配）。
理论上可以连上65536个节点，可以实行多方组网。
3.3CC2530芯片
3.3.1CC2530概述
CC2530是一颗真正的系统芯片（SoC）CMOS解决方案。
这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHzISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求。
它结合一个高性能2.4GHzDSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。
图3-3CC2530引脚排列图
CC2530包括了1个高性能的2.4GHzDSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和1个8051控制器，它具有32/64/128kB可选择的编程闪存和8kB的RAM，还包括ADC、定时器、睡眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路和21个可编程I/O引脚，这样很容易实现通信模块的小型化。
CC2530是一款功耗相当低的单片机，功耗模式3下电流消耗仅0.2μA，在32k晶体时钟下运行，电流消耗小于1μA。
3.3.2CC2530芯片的主要特点
CC2530芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。
它使用1个8位MCU（8051），具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器（ADC）、几个定时器（Timer）、AES128协同处理器、看门狗定时器（Watchdogtimer）、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（PowerOnReset）、掉电检测电路（Brownoutdetection），以及21个可编程I/O引脚。
CC2530芯片采用0.18μmCMOS工艺生产；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。
CC2530的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。
3.4C9S12XS128单片机的介绍
3.512864液晶显示
12864是128*64点阵液晶模块的点阵数简称，它是带有中文字库的128X64的液晶显示，是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
因此，现在大多用户都采用此液晶显示。
4主程序的设计
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