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電腦端+手機端+微信端=數(shù)據(jù)同步管理
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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(shè)計的目的：
本課題是學(xué)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(luò)的溫度、氣體采集節(jié)點來廚房內(nèi)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(shè)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(gòu)建Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)即一種無中心自組織的多跳無線網(wǎng)絡(luò)
課程設(shè)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(yán)重限制數(shù)據(jù)采集點的安放靈活性，設(shè)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(zhì)量得到提高，而且保障了人民的生命安全。
二、 硬件電路設(shè)計
1. 具體電路的設(shè)計和參數(shù)的計算；
電路的原理圖、PCB設(shè)計圖、3D模型圖如下：
圖1電路原理圖
我負責(zé)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(shè)計如下：
引腳說明：
DC：數(shù)據(jù)或命令切換
RESET：復(fù)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(yīng)相接。
本次設(shè)計采用模塊級設(shè)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(shè)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(shè)計如下：
引腳說明：
第1Pin：GND
第2Pin：目標(biāo)板電壓檢測，該信號用于支持寬目標(biāo)電壓，需要目標(biāo)板為仿真器提供
第3、4Pin：在線調(diào)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(fù)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(biāo)板上
若想要使用仿真器對目標(biāo)板進行供電，需接上9號引腳，可對目標(biāo)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(nèi)部電路圖如下：
2. 電路性能測試與結(jié)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(jié)果分析：測量的結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)
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(jié)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(jié)果分析：測量的結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)
三、軟件設(shè)計
1. 主程序流程圖；
協(xié)調(diào)器節(jié)點：
圖12 協(xié)調(diào)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(zé)部分的軟件設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體所占的也是36個字節(jié)
ZigBee組網(wǎng)流程 建立網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備入網(wǎng)：
平時我們只關(guān)心應(yīng)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(diào)器將將建立網(wǎng)絡(luò)，如果是終端設(shè)備將加入網(wǎng)絡(luò)。
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(shè)定在幾秒甚至幾小時后發(fā)送控制命令
四、調(diào)試記錄 (重點內(nèi)容)
1. 調(diào)試時間：6到10周
2. 調(diào)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(diào)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(yīng)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(biāo)識符 如#define 0x01
2） 在系統(tǒng)事件里的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變事件中即case :語句后面設(shè)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(diào)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(yīng)該是字符串才行
可以將其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)成字符串
strcpy(temperature.BUF.Tvalue,strTemp); //將字符串型的溫度數(shù)據(jù)復(fù)制到數(shù)據(jù)包
temperature.BUF.Qvalue[0] = qvalue / 10 + '0' ; //將氣體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)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(shè)計體會
通過此次課程設(shè)計，我更加扎實的掌握了有關(guān)單片機方面的知識，在設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(jié)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(jié)果。
六、參考文獻
[1] QST青軟實訓(xùn).ZigBee技術(shù)開發(fā)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015
[2]王小強. ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)[M].北京：北京工業(yè)出版社，2012
最后：
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