基于zigbee无线光照传感器的设计.doc

本科毕业论文（设计）题 目 基于zigbee无线光照传感器的设计学 生 指导教师 年 级 专 业 电子信息工程二级学院 信息工程学院信息工程学院2023年5月 郑重声明本人的毕业论文（设计）是在指导教师的指导下独立撰写完毕的。如有抄袭、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权的行为，本人乐意承担由此产生的各种后果，直至法律责任，并乐意通过网络接受公众的监督。特此郑重声明。毕业论文（设计）作者（署名）： 年 月 日基于zigbee无线光照传感器的设计 摘要 传感器是一种检测装置，它能感受到被测量的信息，同时将感受到的信息，按一定的规律转变成为电信号或者是其他所需要形式的信息输出，以达成信息的传输、解决、存储、显示、记录和控制等规定。其中光照传感器是通过硅光电池在不同光照度下产生的不同电流来实现监测光照度的作用。光照传感器可以测定一的地方的光照度，将其用品体的数值直观的表现出来以方便测定和记录该地的光照度。本设计需要通过对普通光照传感器的驱动程序进行移植，通过CC2530模拟IIC驱动GY-30，实现CC2530驱动光照传感器，完毕对光照度的测量。同时运用Zigbee通讯协议，通过CC2530构建Zigbee网组，做到发送模块发送数据，接受模块接受数据的无线传输，使接受模块通过串口通讯将数据传送到上位机上，并在界面上显示测量值。最终实现光照传感器数据的无线传输和数据显示。 关键词：zigbee 无线 光照度 光照传感器 CC2530 The Design of Wireless Illuminative Sensor Based on ZigbeeHuang Chongzhi Directed by Jiang Shaojun LecturerABSTRACTThe sensor is a detection device, it can feel the measured information, and it will feel the information at the same time, according to certain rules into electrical signals or other required information in the form of output, in order to achieve the information transmission, processing, storage, display, record and control requirements. The light sensor is different current through the silicon photocell in different light intensity produced under illumination to achieve monitoring. The illumination light sensor can determine a place, the specific value demonstrated to facilitate the determination and illumination of the land records.This design needs to be transplanted by the driver of ordinary light sensors, light sensors to achieve CC2530 driver, complete measurement of illumination. At the same time, the use of Zigbee communication protocol, through the construction of CC2530 Zigbee network, wireless transmission of data to each node, and can display the measured value at the interface. The final realization of light wireless transmission of sensor data and display.KEY WORDS：zigbee wireless lux The light sensor CC2530目 录前言11 背景介绍21.1 选题背景21.2 研究目的和意义22 设计规定32.1 系统功能32.2 系统基本参数33 方案验证33.1 光照传感器数据采集方案33.2 模块间数据传输方案43.3 模块选择方案43.3.1 核心模块的选择43.3.2 光照传感器的选择54 硬件设计54.1 整体框架54.2 CC2530片上系统设计64.3 GY-30光照传感器电路设计75 软件设计85.1 编写环境搭建85.1.1 环境搭建85.2 GY-30光照传感器驱动设计85.3 数据传输95.3.1 Zigbee传输105.3.2 串口传输115.4 系统界面和Qt编写115.4.1 编写环境搭建115.4.2 界面结构125.4.3 Qt Creator简介125.4.4 界面概述125.4.5 实时显示界面135.4.6 历史数据界面136 设计测试14结论15参考文献16致谢18附录19前言随着科技的发展，人们在生产生活上注意的方面也越来越多，光照度就是其中一个。生活中的方方面面都需要对周边环境的光照度进行监测，如农业种植、生产车间、仓库、机房照明、智能楼宇自控、户外照明、交通灯控制等涉及光照度、灯光照明、自然光控制的各种场合包含了衣食住行各个方面，这些场合都需要运用光照传感器来对光照度进行监测。本设计通过结合zigbee和光照传感器，在使用CC2530为核心模块的情况下，除去了数据连接线，同时由于使用CC2530在传感器的体积上有所减小。本设计可以通过在不同位置放置发送模块，同时监测多点的光照度，通过zigbee传输数据在主机上汇总显示，实现观测和记录，由于数据可以保存一定期间，便于数据的对比，分析和运用。随着智能家具和无线技术的发展和运用，无线光照传感器的运用会越来越广，市场的需求也会越来越大。在本设计的开发过程中对使用的模块进行功能设计。重要涉及以下方面：1) CC2530主程序编写实验：实现数据的解决，分析和传送；2) Zigbee技术实验：模块间数据传送和接受；3) 界面运用程序实验：实现数据显示和记录功能。预计按着时间计划和目的进度能完毕基于zigbee无线光照传感器的设计与开发。1 背景介绍1.1 选题背景由指导老师提供了本次的设计题目，重要需要解决以下的问题：1) 怎么编写CC2530控制程序；2) 怎么实现多个终端机的添加；3) 怎么运用和编写网络协议实现zigbee无线通讯；4) 怎么使用串口协议；5) 怎么使用Qt软件编写界面；6) 怎么使用Qt软件与数据库结合，实现光照度的历史数据的存取。最后完毕并实现基于zigbee无线光照传感器的开发与设计。现在的光照传感器都是通过数据线将传感器和显示器连接在一起，或者是传感器和显示器一体。这两种光照传感器中，有线的传感器不方便布置，数据线的放置受环境影响比较大，占地比较广。而一体光照传感器则不便于观测，在使用范围上较有线传感器小。无线光照传感器使用zigbee作为通讯方式，可以实现不用布线，节省了材料，减少成本，同时也方便放置和观测。1.2 研究目的和意义光照强度对生活的影响不断的加强，对光照强度的判断不再基于刺眼，太暗等字眼，规定对光照强度的判断有更加精细，准确的判断。此系统基于Zigbee无线通讯技术，通过发送模块将该点光照度发送到接受模块上，由接受模块将数据上传，实现同时监测多点光照度。该设计可以添加到其他设备中，运用范围广泛。Zigbee作为一种新型的无线通信技术具有稳点，快速，小巧的优点，是当今无线通信技术领域的闪光点。因此研究上具有巨大前景和意义。在设计与开发过程中运用了Zigbee技术，硅光电池技术，采集电路模块等，可以刚好的熟悉和掌握各模块的特点与实际运用。通过编写采集程序和数据解决程序，可以熟悉C语言编程。通过模块间的通讯实现，可以了解Zigbee技术的通讯方式和特点。2 设计规定由发送模块使用光照传感器测得光照度，通过zigbee发送数据到接受模块在显示界面上显示，实现光照度的实时监控。通过CC2530片上系统构建的网络平台稳定，功耗低。通过Qt构建显示界面，操作人员可在显示界面上直接读取测试值，结合数据库可以实现数据的储存。省去数据线的构造，实现模块小巧化。保证数据在传输过程中的稳定，保证数据的准确性和真实性。2.1 系统功能1) 通过Qt平台构建显示界面；2) 可以通过zigbee无线模块实现数据发送与接受；3) 能通过光照传感器检测光照度；4) 运用CC2530实现模块添加和减少；5) 运用Qt与数据库结合实现数据的在一定期间内的保存。2.2 系统基本参数1) CC2530核心模块工作电压：2V3.6V2) Zigbee使用IEEE802.15.4通讯协议，全球通用2.4GHz频段3) 本系统使用C语言编写重要程序4) 使用Qt平台构建显示界面，可以储存数据5) 光照传感器模块需要使用独立电源6) 无线传输有效范围：080m3 方案验证3.1 光照传感器数据采集方案对于光照传感器模块数据发送有两种参考方案：第一个方案是多个光照传感器接一个CC2530核心，由一个核心转换所有光照传感器的信息，解决后发送到接受模块。第二个方案是一个光照传感器接一个CC2530核心，解决后发送到接受模块。第一个方案优点是使用的CC2530核心较少，成本低；缺陷是在光照传感器和CC2530发送模块之间需要导线连接，多个光照传感器连接一个CC2530发送模块容易接线混乱，同时扩大监测范围需要增长连接线长度，在一定限度上增长了成本。第二个方案优点是一个光照传感器接一个CC2530发送模块，不用考虑连接线的增长，同时由于使用多个CC2530，是构建的网络平台更加稳定；缺陷是每增长一个光照传感器就需要同时增长一个CC2530模块，成本较高。比较方案一和方案二，方案一需要连接线，和设计规定不符合，因此选择方案二，使用一个光照传感器连接一个CC2530模块。虽然提高了成本，但是在使用上更加方便，更加符合无线的规定。3.2 模块间数据传输方案在现阶段模块间传输方案重要有两种方案，方案一是通过串口传输，运用串口传输将光照传感器测得的光照度数据传输给系统控制，方案二是运用目前流行的短距离无线组网技术即Zigbee技术，来对光照度数据进行传输。串口传输合用于较短距离的数据传输，传输时简朴方便，传输速度快，但在本设计系统中，需要满足无线传输的特点，所以运用串口传输来进行光照度数据的传输对于本设计而言，就显得不合适。Zigbee作为一种提供控制或传感器等电子元器件之间无线连接的无线通信技术，可以通过使数千个微小的Zigbee模块之间互相协调从而实现通信，这些Zigbee模块自身的耗能很少，并且可以以接力同样的方式通过无线电波将数据从一个Zigbee模块传到另一个Zigbee模块，所以可以在传输距离比较远的时候，通过多个Zigbee模块进行数据传输。并且Zigbee技术的通信效率也是非常之高的，这样的优点正好适合于本设计对于光照传感器无线传输光照度数据的规定。对比方案一和方案二，本设计中对于光照度数据的传输，运用Zigbee技术进行温湿度数据的传输时比较好的方案。3.3 模块选择方案3.3.1 核心模块的选择本设计需要构建无线通讯平台，规定网络节点强大，稳定，受干扰小。同时考虑成本和实用方面，规定一个体积小，成本低，能满足zigbee功能需求的核心块。CC2530作为用于解决使用IEEE 802.15.4协议的ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统(SoC)。它可以以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530拥有和领先的RF收发器同样的优良性能，并且安装有标准的增强型8051 CPU，系统具有编程闪存的能力，8-KB RAM以及其它强大的功能。CC2530拥有的32/64/128/256KB四种不同闪存使CC2530所具有不同运营模式，使得它非常适合有超低功耗规定的系统。同时由于运营模式之间的转换时间短暂，所以能进一步保证了CC2530低能源消耗。因此本设计最后选择CC2530来作为核心模块，构建所需要的网络节点。 3.3.2 光照传感器的选择本设计中使用GY-30光照传感器。GY-30光照传感器采用ROHM原装BH1750FVI芯片，其光照度范围是0-65535 lx，它自带内置16bitAD转换器，可以直接输出数字，省略负责的计算，省略了标定。作为主流光照传感器，GY-30具有不区分环境光源，接近视觉灵敏度的分光特性，对广泛的亮度达成1勒克斯的高精度，体积小和成本低的优点。并且它的供电电源为35V，可以与CC2530很好的配合。最终设计拟定使用GY-30光照传感器做设计用光照传感器，用于测定所需光照度。4 硬件设计4.1 整体框架系统整体框架如图4-1所示，使用CC2530片上系统作为zigbee在体。通过zigbee网络在两块CC2530之间传递数据，实现数据的流通；运用zigbee网络的特性实现模块的添加和减少。GY-30CC2530电源CC2530Zigbee无线通讯GY-30CC2530电源上位机 图4-1 整体框架图4.2 CC2530片上系统设计通过CC2530F32/64/128/256四个不同闪存版本的切换使CC2530具有不同的运营模式，使其可以适应超低功耗规定的系统。它可应用于楼宇自动化，照明系统，工业控制和监测，消费型电子，医疗保健等领域。使用的CC2530需要连接GY-30，模拟IIC串口驱动，要重新配置引脚。对此要理解CC2530的各引脚连接到了什么地方，CC2530核心版电路如图4-2所示。图4-2 CC2530核心电路图对于该系统使用的电源，需要满足CC2530片上系统的规定电压，同时要满足驱动光照传感器的光照电压。接受模块可通过USB接线由上位机提供。发送模块需要使用独立电源，本设计中使用手机12V移动电源对发送模块进行供电。对12V电源需要进行转换，转换电路如图4-3。图4-3 电压转化电路4.3 GY-30光照传感器电路设计GY-30光照传感器采用BH1750FVI芯片，光照度范围大约是0-65535 lx。同时自带内置16bitAD转换器，可以直接输出数字，省略负责计算的部分，省略也了标定。并且GY-30具有不区分环境光源，接近视觉灵敏度的分光特性，对广泛的亮度达成1勒克斯的高精度的特点。使用35V供电电源，有两个IIC总线引脚，分别为SCL时钟引脚和SDA数据引脚；一个BH1750 IIC设备地址引脚ADDR。同时还带有低功耗3.3V稳压器（35V供电兼容）和电平转换（35V系统通讯兼容）。GY-30与CC2530之间的数据传输重要靠SCL和SDA两个引脚连接，通过拉高和拉低两个连接线电位，由SDA引脚产生的上升沿和下降沿来控制起始信号和停止信号。SDA引脚同时也作为应答信号的接受与发送口。核心电路如图4-4所示。图4-4 GY-30核心电路图要驱动GY-30光照传感器需要一定的输出功率。由于使用CC2530底板，存在引脚占用的现象，也许使输出功率不可以满足驱动GY-30光照传感器，所以需要编写一个简朴的小灯闪烁程序，通过小灯时候闪烁来测试功率是否可以满足驱动GY-30光照传感器的规定。通过测试，最终选定用P1_3和P1_4两个引脚接口来连接驱动GY-30光照传感器。如图4-5所示。图4-5 GY-30连接示意图5 软件设计5.1 编写环境搭建5.1.1 环境搭建1) 第一步需要在PC机上安装IAR用于Zigbee程序的编写和下载；2) 打开IAR，新建工程开始程序的编写；3) 设立程序参数，保证程序参数和使用的CC2530片上系统一致；4) 编译程序，成功后将程序分别下载到发送模块和接受模块中。安装SFR软件，完毕后连接仿真器并安装驱动程序。完毕后在SRT软件窗口可看到当前连接的CC2530模块，该软件可以保证PC机同时连接多个CC2530模块，方便程序的下载。软件运营完毕后可正常使用CC2530。5.2 GY-30光照传感器驱动设计设计中需要使用CC2530来驱动作为光照传感器的GY-30。由于曾在STY89C51上使用过GY-30，所以要做的是将89C51上驱动GY-30的程序进行修改和移植，来实现运用CC2530驱动GY-30测量光照度。使用在89C51上的驱动程序作为基础程序，在此程序的基础上进行修改移植。驱动GY-30需要对接受到的数据进行解决，保证输出的数据满足需要，数据在通过发送后在接受模块上需要通过数据合成，将接受数据合成为符合显示规定的光照数据，方便在Qt界面上显示，部分合成代码如下： dis_data=BUF0; dis_data=(dis_dataguangzhaodu1-setText(temp.mid(0,5); /特定代码为a就在1位置显示if(temp5=b)ui-guangzhaodu2-setText(temp.mid(0,5); /特定代码为b就在2位置显示5.4.6 历史数据界面该界面显示记录的历史数据和平均值，各点数据分别相应，平均值在各点数值之后单独显示，如图5-5所示。图5-5 平均值显示使用代码来编写显示顺序： model = new QSqlTableModel(this); model-setTable(scooter); model-setHeaderData(1, Qt:Horizontal, tr(日期); model-setHeaderData(2, Qt:Horizontal, tr(时间); model-setHeaderData(3, Qt:Horizontal, tr(测点1光照度); model-setHeaderData(4, Qt:Horizontal, tr(测点2光照度); model-setHeaderData(5, Qt:Horizontal, tr(平均值); model-select();该代码显示接入的光照传感器的值，同时在界面上显示此时的日期和时间。同时需要对两个数值求平均值，需要相应的函数代码： if(ui-guangzhaodu1-text().size()!=0)&(ui-guangzhaodu2-text().size()!=0)int total = ui-guangzhaodu1-text().toInt()+ui-guangzhaodu2-text().toInt();emit this-Send_data(ui-guangzhaodu1-text(),ui-guangzhaodu2-text(),QString:number(total/2);6 设计测试将程序下载到CC2530后通电，将带有GY-30的光照传感器模块放置到不同光源下，测试是否显示不同读数。数据传输由zigbee通讯传输。环节一：按设计编写程序代码，并分别下载到发送数据和接受数据的CC2530模块中；环节二：接通各模块电源，并将带GY-30的CC2530模块放置到不同光源下；环节三：观测各模块是否正常工作，数据是否正常显示；环节四：对各模块数据，历史数据，平均值进行核对，判断界面功能是否满足设计规定。测试中存在问题：代码在模块中没有运营；（1） 数据接受相应数位不对的；（2） 数据和相应模块不统一，出现模块1相应数据2的情况；（3） Zingbee通讯不正常，数据出现断层；（4） 历史数据不能储存；（5） 历史数据出现自动删除现象；（6） 平均值的计算犯错，计算对象数和测试对象数不相同；解决方案：（1） 检查代码是否存在问题，修改犯错部分或重新编写代码；（2） 检查数据相应关系，重新拟定相应模块；（3） 检查zigbee天线是否出现松动或其他问题，换用另一个模块；（4） 检查界面代码，查看显示相应是否犯错；（5） 重新编写平均值结算公式；（6） 删除历史数据储存计时，重新编写数据储存代码。结论本设计中使用的CC2530片上系统，拥有很高的接受灵敏度和抗干扰性能。其运用方面广，可以嵌入各种大、中型电子设备。通过测试，该设计的基于zigbee无线光照传感器顺利完毕，可以实现设计中的各个功能。在数据传输方面，由于zigbee自身优点，该设计受到因天气、环境改变所带来的影响小，性能稳定。同时使用的GY-30光照传感器对光源依赖性小，使得该设计可以运用于家庭的灯光监测，并且数据较精确，保证了无线光照传感器的性能可靠性的同时，扩大了运用面。通过本人的学习以及其他同学和老师的帮助，最终本设计得以完毕。本设计可以实现对环境中光照度的监控，在上位机机上实现对光照度数据的显示、存储等之前介绍的功能。参考文献1 金德新. 应用于无线数据采集网络的ZigBee技术 J. 鞍山: 鞍山师范学院学报,2023.04.2 高守玮, 吴灿阳. 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