基于WSN的廚房溫度氣體監控系統

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作無線通信的專案，主要實作對廚房溫度和氣體進行實時監測，通過在廚房里安裝基于無線傳感器網路的溫度、氣體采集節點來廚房內各點的溫度和氣體，并以無線傳輸的方式發送到PC端或者是LCD液晶屏，用戶可以通過上位機軟體查詢資料，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、必須用單片機實作
擴展要求：
1、三個以上（包含三個）的無線通信節點
2、可構建Ad Hoc網路即一種無中心自組織的多跳無線網路

課程設計的意義：
傳統的使用線纜直接連接實作信號的傳輸方式，將嚴重限制資料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資料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的廚房溫度氣體監控系統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、 硬體電路設計

1. 具體電路的設計和引數的計算；
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：資料或命令切換
RESET：復位
SDA：雙向資料線
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電壓倒置，
C3、C4是輸出濾波電容，作用是抑制自激振蕩和穩定輸出電壓，

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：在線除錯或下載通信介面
第5、6、8、10Pin：協議分析或者由Smart Studio直接控制芯片的通信介面
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軟體（用于抓取無線資料包），其余的SPI介面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
為了更好的理解程式下載的實作，給出仿真器內部電路圖如下：

2. 電路性能測驗與結果分析

OLED顯示電路:
通電后，經過數字萬用表測量得
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，經過數字萬用表測量得
3號引腳，即未經過AMS1117芯片的引腳的電壓約為5.08 V
2號引腳，即經過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，經過數字萬用表測量得
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、軟體設計

1. 主程式流程圖；
協調器節點：

圖12 協調器節點流程圖

終端節點：

圖13 終端節點流程圖

子程式流程圖；（無）

我負責部分的軟體設計：組建無線通信和組網，上位機軟體制作
無線通信：一般在具體專案開發程序中，通信雙方需要提前定義好資料通信的格式，一般需要包含資料頭、資料、校驗位、資料尾等資訊，為了簡化本次專案的難度，使用的資料包格式如表1所示，

在專案開發程序中，使用到資料包時，一般會使用共用體將整個資料包所需要的資料包含起來，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] ;           //資料頭'E1 ' /'E2 '
    char ip1[2];              //溫度提示'T:'
    char Tvalue[4] ;          //溫度資料
    unsigned char Tail1 ;     //溫度尾 'C'
    unsigned char gap1 ;      //資料間隔' '
    char ip2[4];              //氣體提示MQ2: ,
    unsigned char Qvalue[2] ;  //氣體資料
    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on/off
    unsigned char gap2 ;      //資料間隔' '
    char Beep1[5] ;           //蜂鳴器提示Beep:
    char Beep2[3] ;           //蜂鳴器的狀態on/off  
  }BUF ;
}TEMPERATURE

使用一個共用體來表示整個資料包，里面有兩個成員變數，一個是陣列TEMP,該陣列有36個元素；另外一個是結構體，該結構具體實作了資料包的資料頭、溫度資料、氣體資料、資料尾…，結構體所占的也是36個位元組

ZigBee組網流程 建立網路和設備入網：
平時我們只關心應用層，會組網，實作傳感器的資料采集，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：ZDApp_Init(taskID++); //ZDApp層初始化，執行ZDApp_init函式后，如果是協調器將將建立網路，如果是終端設備將加入網路，

上位機軟體制作：

串口助手選用Visual C#開發語言和Visual Studio 2012開發平臺進行開發，實作的主要功能如下：
1需要用戶名和密碼才能登錄軟體——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保存和讀取資料——可以對資料進行保存和讀取，方便后期查看
4顯示接收資料的時間——用戶可以知道資料到來的時間
5定時發送——用戶可以設定在幾秒甚至幾小時后發送控制命令

四、除錯記錄 (重點內容)

1. 除錯時間：6到10周

2. 除錯中遇到的問題
問題1：移植隊友寫好的代碼出現編譯錯誤
問題2：如何讓終端將采集的資料發送給協調器
問題3：接收到的資料無法正常顯示
問題4：OLED屏無法顯示溫度小數后一位
問題5：無法區分是哪個終端發過來的資料

3. 解決的方法
解決1：加入相應的頭檔案，并在頭檔案里宣告函式，
解決2：步驟如下
1） 定義一個事件識別符號 如#define SEND_DATA_EVENT 0x01
2） 在系統事件里的網路狀態改變事件中即case ZDO_STATE_CHANGE:陳述句后面設定自己定義事件的函式：osal_set_event(GenericApp_TaskID,SEND_DATA_EVENT);

3） 在if(events & SEND_DATA_EVENT)陳述句中放入發送資料的函式和下一次再執行SEND_DATA_EVENT事件的定時器函式osal_start_timerEx()，
解決3：
tvalue = floatReadDs18B20() ; //讀取溫度函式
qvalue = GetMq2() ; //讀取MQ2的濃度
通過呼叫隊友寫好的函式回傳值是一個數值，而發送到串口中的資料應該是字串才行
可以將其轉換為字串格式再加載到資料包中：

sprintf(strTemp, "%.01f", tvalue);      //將溫度資料轉成字串  
strcpy(temperature.BUF.Tvalue,strTemp); //將字串型的溫度資料復制到資料包
temperature.BUF.Qvalue[0] = qvalue / 10 + '0' ;  //將氣體資料轉化為字串
temperature.BUF.Qvalue[1] = qvalue % 10 + '0' ;

解決4：
終端發送過來的資料包中溫度資料中陣列的第5-8位，所以可以將溫度的十位、個位、小數位分別取出來，將其由字串格式轉換為數值，之所以無法顯示小數后一位，是因為我對溫度資料進行如下處理
uint8 t = (t1-‘0’)*10+(t2-‘0’)+（t3-‘0’）/10;
因為（t3-‘0’）/10這個值永遠為0,小數部分被抹除，故做如下處理

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

解決5
由于我們的終端是同時采集溫度和氣體資料的，故發過來的資料難以區分，
為了區分不同終端發過來的資料，在資料包中的資料頭放入ID這個宏定義，在下載終端程式的時候可以通過修改ID的宏來區分不同的終端，

#define  ID   "E1 "              //針對終端有效，取值E1 ，E2
strcpy(temperature.BUF.Head1,ID) ;  //填充資料頭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，在設計程序中雖然遇到了一些問題，但經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協議堆疊進行無線組網通信的方法;熟悉了上位機軟體的制作;了解了通信協議的制定;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，
課程設計的程序中，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[M].北京：清華大學出版社，2015
[2]王小強. ZigBee無線傳感器網路設計與實作[M].北京：北京工業出版社，2012