无线单片机课程设计--基于WSN的厨房温度气体监控系统

基于WSN的厨房温度气体监控系统

一、 题目的要求和意义

课程设计的目的：
本课题是学生们使用单片机和至少两种传感器实现无线通信的项目，主要实现对厨房温度和气体进行实时监测。通过在厨房里安装基于无线传感器网络的温度、气体采集节点来厨房内各点的温度和气体，并以无线传输的方式发送到PC端或者是LCD液晶屏，用户可以通过上位机软件查询数据，能够及时了解到厨房的情况。

课程设计的要求：
基本要求:
1、必须有无线通信
2、必须有两种以上（包含两种）的传感器
3、必须用单片机实现
扩展要求：
1、三个以上（包含三个）的无线通信节点
2、可构建Ad Hoc网络即一种无中心自组织的多跳无线网络

课程设计的意义：
传统的使用线缆直接连接实现信号的传输方式，将严重限制数据采集点的安放灵活性，设备布线困难。而通过无线通信的方式传递数据是一种较为理想的选择，它与有线方式相比主要成本低、携带方便、布线安装简便等特点。
基于WSN的厨房温度气体监控系统不仅可以让人们的生活质量得到提高，而且保障了人民的生命安全。

二、 硬件电路设计

1. 具体电路的设计和参数的计算；
电路的原理图、PCB设计图、3D模型图如下：

图1电路原理图


我负责部分的电路：OLED显示模块电路，电源模块，下载电路。

OLED显示电路设计如下：

引脚说明：
DC：数据或命令切换
RESET：复位
SDA：双向数据线
SCL：时钟信号线
VCC：电源正3.3V
GND：电源地
由原理图可知核心板中的P0_0,P1_7,P1_3,P1_2,3V3,GND引脚分别与OLED显示屏的6个引脚对应相接。
本次设计采用模块级设计，故只需购买OLED显示屏模块即可，OLED显示屏模块的电路图如下：

电源模块电路设计如下：

ASM1117-3V3是电压降压芯片，作用是将输入的5V电压降至3.3V
C1、C2是输入电容，作用是防止断电后出现电压倒置，
C3、C4是输出滤波电容，作用是抑制自激振荡和稳定输出电压。

下载电路设计如下：

引脚说明：
第1Pin：GND
第2Pin：目标板电压检测，该信号用于支持宽目标电压，需要目标板为仿真器提供
第3、4Pin：在线调试或下载通信接口
第5、6、8、10Pin：协议分析或者由Smart Studio直接控制芯片的通信接口
第7Pin：芯片复位信号
第9Pin：仿真器提供的3.3V电压，最大可提供500MA电路
以上10个引脚中，只有GND/DC/DD/RESET为必须连接的引脚，其他均为可选。
若想要支持Packet Sniffer软件（用于抓取无线数据包），其余的SPI接口也要连接的目标板上
若想要使用仿真器对目标板进行供电，需接上9号引脚，可对目标板提供3.3V电压
为了更好的理解程序下载的实现，给出仿真器内部电路图如下：

2. 电路性能测试与结果分析

OLED显示电路:
通电后，经过数字万用表测量得
VCC引脚与GND引脚之间的电压为3.28V
结果分析：测量的结果在误差允许范围内

电源模块电路：
通电后，经过数字万用表测量得
3号引脚，即未经过AMS1117芯片的引脚的电压约为5.08 V
2号引脚，即经过AMS1117芯片的引脚的电压约为3.28V
结果分析：说明AMS1117芯片起到了对输入电压起到降压的作用

下载电路:
通电后，经过数字万用表测量得
VCC引脚与GND引脚之间的电压为3.28V
结果分析：测量的结果在误差允许范围内

三、软件设计

1. 主程序流程图；
协调器节点：

图12 协调器节点流程图

终端节点：

图13 终端节点流程图

子程序流程图；（无）

我负责部分的软件设计：组建无线通信和组网，上位机软件制作
无线通信：一般在具体项目开发过程中，通信双方需要提前定义好数据通信的格式，一般需要包含数据头、数据、校验位、数据尾等信息，为了简化本次项目的难度，使用的数据包格式如表1所示。

在项目开发过程中，使用到数据包时，一般会使用共用体将整个数据包所需要的数据包含起来，这样编程效率较高，在本实验中使用的结构体定义如下：

typedef union h
{
  uint8 TEMP[36];
  struct RFRXBUF
  {
    char Head1[3] ;           //数据头'E1 ' /'E2 '
    char ip1[2];              //温度提示'T:'
    char Tvalue[4] ;          //温度数据
    unsigned char Tail1 ;     //温度尾 'C'
    unsigned char gap1 ;      //数据间隔' '
    char ip2[4];              //气体提示MQ2: ,
    unsigned char Qvalue[2] ;  //气体数据
    unsigned char Tail2 ;      //气体尾 '%'
    char Rn[2]  ;              //回车换行'\r\n'
    char Led1[4]  ;            //灯提示Led:
    char Led2[3]  ;            //灯状态on/off
    unsigned char gap2 ;      //数据间隔' '
    char Beep1[5] ;           //蜂鸣器提示Beep:
    char Beep2[3] ;           //蜂鸣器的状态on/off  
  }BUF ;
}TEMPERATURE

使用一个共用体来表示整个数据包，里面有两个成员变量，一个是数组TEMP,该数组有36个元素；另外一个是结构体，该结构具体实现了数据包的数据头、温度数据、气体数据、数据尾…，结构体所占的也是36个字节

ZigBee组网流程 建立网络和设备入网：
平时我们只关心应用层，会组网，实现传感器的数据采集，无线传输就算掌握ZigBee通讯了，并非每个人都需要了解底层代码运行情况。
值得注意的是：ZDApp_Init(taskID++); //ZDApp层初始化，执行ZDApp_init函数后，如果是协调器将将建立网络，如果是终端设备将加入网络。

上位机软件制作：

串口助手选用Visual C#开发语言和Visual Studio 2012开发平台进行开发，实现的主要功能如下：
1需要用户名和密码才能登录软件——可以保障用户的隐私
2可用串口扫描——精确且快速的找到可以打开的串口号
3保存和读取数据——可以对数据进行保存和读取，方便后期查看
4显示接收数据的时间——用户可以知道数据到来的时间
5定时发送——用户可以设定在几秒甚至几小时后发送控制命令

四、调试记录 (重点内容)

1. 调试时间：6到10周

2. 调试中遇到的问题
问题1：移植队友写好的代码出现编译错误
问题2：如何让终端将采集的数据发送给协调器
问题3：接收到的数据无法正常显示
问题4：OLED屏无法显示温度小数后一位
问题5：无法区分是哪个终端发过来的数据

3. 解决的方法
解决1：加入相应的头文件，并在头文件里声明函数。
解决2：步骤如下
1） 定义一个事件标识符 如#define SEND_DATA_EVENT 0x01
2） 在系统事件里的网络状态改变事件中即case ZDO_STATE_CHANGE:语句后面设置自己定义事件的函数：osal_set_event(GenericApp_TaskID,SEND_DATA_EVENT);

3） 在if(events & SEND_DATA_EVENT)语句中放入发送数据的函数和下一次再执行SEND_DATA_EVENT事件的定时器函数osal_start_timerEx()。
解决3：
tvalue = floatReadDs18B20() ; //读取温度函数
qvalue = GetMq2() ; //读取MQ2的浓度
通过调用队友写好的函数返回值是一个数值，而发送到串口中的数据应该是字符串才行
可以将其转换为字符串格式再加载到数据包中：

sprintf(strTemp, "%.01f", tvalue);      //将温度数据转成字符串  
strcpy(temperature.BUF.Tvalue,strTemp); //将字符串型的温度数据复制到数据包
temperature.BUF.Qvalue[0] = qvalue / 10 + '0' ;  //将气体数据转化为字符串
temperature.BUF.Qvalue[1] = qvalue % 10 + '0' ;

解决4：
终端发送过来的数据包中温度数据中数组的第5-8位，所以可以将温度的十位、个位、小数位分别取出来，将其由字符串格式转换为数值，之所以无法显示小数后一位，是因为我对温度数据进行如下处理
uint8 t = (t1-‘0’)*10+(t2-‘0’)+（t3-‘0’）/10;
因为（t3-‘0’）/10这个值永远为0,小数部分被抹除，故做如下处理

	uint8 t1 = pkt->cmd.Data[5];//从数据包中读取温度十位
    uint8 t2 = pkt->cmd.Data[6];//温度个位
    uint8 t3 = pkt->cmd.Data[8];//温度小数位
    uint8  t = (t1-'0')*10+(t2-'0'); //将十位数和个位数结合 
	uint8 t4 = (t3-'0');           //温度小数
	sprintf(buff, "E1 T:%d.%d MQ2:%d", t,t4,mq2);
	HalLcdWriteString(buff,HAL_LCD_LINE_1);  //OLED第1行显示数据 	

解决5
由于我们的终端是同时采集温度和气体数据的，故发过来的数据难以区分。
为了区分不同终端发过来的数据，在数据包中的数据头放入ID这个宏定义，在下载终端程序的时候可以通过修改ID的宏来区分不同的终端。

#define  ID   "E1 "              //针对终端有效，取值E1 ，E2
strcpy(temperature.BUF.Head1,ID) ;  //填充数据头1

五、课程设计体会

通过此次课程设计，我更加扎实的掌握了有关单片机方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。
通过这次课程设计，我掌握了使用zigbee协议栈进行无线组网通信的方法;熟悉了上位机软件的制作;了解了通信协议的制定;以及如何提高电路的性能等等。此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研， 动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识。
课程设计的过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。

六、参考文献

[1] QST青软实训.ZigBee技术开发[M].北京：清华大学出版社，2015
[2]王小强. ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].北京：北京工业出版社，2012