基于物联网的智能婴儿车演示系统

兰州理工大学计算机与通信学院2014年春季学期物联网综合应用实践课程设计题目：基于物联网的智能婴儿车演示系统专业班级：姓名：学号：指导教师：__成绩：_________________________________摘要不可否认，物联网将是未来行业发展的重点和方向，它将彻底改变整个社会的工作和生活方式——更高的生产能力，更高的工作效率，更轻松、更便利、更和谐的生活，这也是王建宙总裁钟情于它的主要原因。物联网不是梦，总有它到来的一天。物联网强调的是在商业活动中通过移动通讯技术和设备的应用变革既有商务模式或创造出新商务模式，是机器设备间的自动通讯。从狭义上说，物联网只代表机器和机器之间的通信。目前，人们提到M2M的时候，更多的是指非IT机器设备通过移动通信网络与其他设备或IT系统的通信。放眼未来，人们认为物联网的范围不应拘泥于此，而是应该扩展到人对机器、机器对人、移动网络对机器之间的连接与通信。本设计以婴儿为出发点，以充分实现对婴儿以及周边状态的智能化为目的，来实现简单、方便照顾婴儿，从而为大人节省时间和精力。在本设计中我们以cc2530单片机为核心MCU,外围电路采用模块化设计，结合程序我们的设计分为测温以及温控模块、报警模块、声控音乐模块、智能避障模块以及无线传输控制模块等六个模块。实物操作简便，方便实惠，并且性价比高，使用价值强。关键词：婴儿床，智能化，cc2530，目录摘要2引言5第1章绪论61.1课题背景61.2课题来源61.3本设计的主要研究工作7第二章系统总体概述72.1硬件方面72.1.1CC2530介绍72.2软件方面92.2.1ZigBee技术9第4章系统硬件设计124.1系统硬件构建124.2显示设备的选择与论证124.3电源电路的设计144.4防丢失警报器电路14第5章系统软件设计185.1编码20总结21致谢22主要参考文献22引言为了掌握物联网应用系统开发中的核心技术、设计及分析问题的能力，提高利用物联网技术解决实际问题的能力。通过结合zigbee无线通信协议结合已有的物联网知识体系，完成基于物联网的智能婴儿车演示系统，本设计是针对婴儿而设计的一种智能型的婴儿车，创新点在于，它能准确的报告婴儿以及周边环境的状态，并对一些情况作出相应的措施，从而减少了大人的工作量，并且能为大人及时报告婴儿的一些特殊情况，使大人能够及时去处理。第1章绪论1.1课题背景物联网（InternetofThings，缩写IOT）是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。物联网一般为无线网，由于每个人周围的设备可以达到一千至五千个，所以物联网可能要包含500兆至一千兆个物体，在物联网上，每个人都可以应用电子标签将真实的物体上网联结，在物联网上都可以查找出它们的具体位置。通过物联网可以用中心计算机对机器、设备、人员进行集中管理、控制，也可以对家庭设备、汽车进行遥控，以及搜寻位置、防止物品被盗等各种应用。物联网将现实世界数字化,应用范围十分广泛。物联网的应用领域主要包括以下几个方面：运输和物流领域、健康医疗领域、智能环境（家庭、办公、工厂）领域、个人和社会领域等，具有十分广阔的市场和应用前景。自比尔·盖茨1995年《未来之路》一书中提及物物互联。1998年麻省理工学院提出了当时被称作EPC系统的物联网构想。1999年，在物品编码，RFID技术的基础上Auto-ID公司提出了物联网的概念。2005年11月17日，信息世界峰会上，国际电信联盟发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，其中指出“物联网”时代的来临。随着科学技术的发展，消费者对婴儿车的需求越来越大、对婴儿车的要求也越来越高。消费者希望婴儿车能最大可能地模仿人的操作，让孩子的生活环境更安全、更舒适、更健康、更美好。1.2课题来源物联网不是简单的数据在机器和机器之间的传输，更重要的是，它是机器和机器之间的一种智能化、交互式的通信。也就是说，即使人们没有实时发出信号，机器也会根据既定程序主动进行通信，并根据所得到的数据智能化地做出选择，对相关设备发出正确的指令。可以说，智能化、交互式成为了物联网有别于其它应用的典型特征，这一特征下的机器也被赋予了更多的“思想”和“智慧”。人们纷纷看好了物联网的发展前景。一个出发点就是，在当今世界上，机器的数量至少是人的数量的4倍，这意味着巨大的市场潜力。NTTdocomo预测，2010年全球将有超过4000亿台的机器具备数据传输功能，取代人力控制和操作，实现设备的智能管理和服务。欧洲行业咨询机构IDATE则估计，到2010年物联网市场容量将达到2200亿欧元。1.3本设计的主要研究工作本设计的主要工作是掌握物联网应用系统开发中的核心技术、设计及分析问题的能力，提高利用物联网技术解决实际问题的能力。通过结合zigbee无线通信协议结合已有的物联网知识体系，完成基于物联网的智能婴儿车演示系统。实现对婴幼儿身体健康，体重，等的实时信息收集！功能介绍①安全功能：防丢失。婴儿是好动的，ta会坐在婴儿车上到处乱跑，为了确保安全，必须要保证其在大人的视野范围以内。超过一定的安全距离，车就会报警。②检测功能：对于婴儿的温度以及周围空气湿度测试，光靠大人的感觉是不可靠的，因此要用到温度、湿度超限报警器电路。当婴儿体温或者周围空气湿度不正常时，婴儿车就会发出声音提醒。以及采用压力传感器检测婴儿体重变化！！！③监护功能：当婴儿踢被、尿湿时，婴儿车会报警；有蚊虫时能灭虫；婴儿哭闹的时候婴儿车前面的玩具狗听到后会发出“汪汪”的叫声，同时两眼闪闪发光，叫声停止后，还能奏出一曲优美的音乐。第二章系统总体概述本实验将使用CC2530读取温湿度传感器SHT10的温度和湿度数据。最后将采样到的数据转换然后在LCD上显示。其中对温湿度的读取是利用CC2530的I/O（P1.0和P1.1）模拟一个类IIC的过程。通过温湿度报警电路，电子灭蚊电路等构建一个舒适的智能婴儿车系统2.1硬件方面2.1.1CC2530介绍CC2530是基于2.4-GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE上的一个片上系统解决方案。其特点是以极低的总材料成本建立较为强大的网络节点。CC2530芯片结合了RF收发器，增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8-KBRAM和许多其他模块的强大的功能。如今CC2530主要有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。其具有多种运行模式，使得它能满足超低功耗系统的要求。同时CC2530运行模式之间的转换时间很短，使其进一步降低能源消耗。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。CC2530芯片使用直接正交上变频发送数据。基带信号的同相分量和正交分量由DAC转换成模拟信号，经过低通滤波，变频到所设定的信道上。当需要发送数据时，先将要发送的数据写入128B的发送缓存中，包头是通过硬件产生的。最后经过低通滤波器和上变频的混频后，将射频信号被调制到2.4GHz，后经天线发送出去。CC2530有两个端口分别为TX/RX，RF端口不需要外部的收发开关，芯片内部已集成了收发开关。CC2530的存储器ST-M25PE16是4线的SPI通信模式的FLASH，可以整块擦除，最大可以存储2M个字节。工作电压为2.7v到3.6v。CC2530温度传感器模块反向F型天线采用TI公司公布的2.4GHz倒F型天线设计。天线的最大增益为＋3.3dB，天线面积为25.7×7.5mm。该天线完全能够满足CC2530工作频段的要求（CC2530工作频段为2.400GHz～2.480GHz）。图1.CC2530芯片引脚2.2软件方面2.2.1ZigBee技术ZigBee使用2.4GHz波段，采用跳频技术。ZigBee结构简单、速率更慢、功率及费用也更低。它的基本速率是250kb/s，当降低到280kb/s时，传输范围可扩大到134m，并获得更高的可靠性。另外，它可与254个节点联网。可以比蓝牙更好的支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。按以上特点来说，ZigBee主要适用于短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。人们期望能在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域拓展ZigBee的应用。做为一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，ZigBee是介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个微小的模块之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个模块传到另一个模块，所以它们的通信效率非常高[4]。ZigBee体系结构如下图所示。ZigBee联盟负责制作网络层以上协议。目前，标准制定工作已完成。ZigBee协议比蓝牙、高速率个人区域网络或802.11x无线局域网更简单使用。ZigBee体系结构示意图ZigBee具有以下技术特点：1、可靠性好，安全性高。ZigBee具有可靠的发送接收握手机制，可靠地保证了数据的发送接收，另ZigBee采用AES128位密钥，保证数据发送的安全性。2、数据传输输率低，功耗低。传输速率只有10kb/s-250kb/s，专注于低传输应用。在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月以上。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。3、低成本。因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。很多公司积极投入ZigBee芯片开发，TI，Ember，Freescale，Motorola以及Philips均推出了芯片及相应开发工具，飞利浦预估，应用于主机端的芯片成本和其它终端产品的成本比蓝牙更具有价格竞争力[5]。4、网络容量大。每个ZigBee网络最多可支持255个设备，也就是说每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接，网络可容纳多达65000个节点，网络中的任意节点之间都可进行数据通讯。网络有星型、树状和Mesh网络结构。5、网络时延短。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3-10s、WiFi需要3s。6、工作频段灵活。使用2.4GHz、868MHz(欧洲)915MHz(美国)ISM频段，世界范围内无频段限制。ZigBee的目标市场主要有PC外设(鼠标、键盘、游戏操控杆)、消费类电子设备(TV、VCR、CD、VCD、DVD等设备上的遥控装置)、家庭内智能控制(照明、煤气计量控制及报警等)、玩具(电子宠物)、医护(监视器和传感器)、工控(监视器、传感器和自动控制设备)等非常广阔的领域2.2方案的选定及其关键技术短距离无线通信特性比较如下表所示：从表格中我们可以看出四种无线传输技术各有优势，但从无线控制网络距离的需求来看蓝牙和UWB因传输距离太近而不能满足，WIFI和ZigBee相比它的功耗相当的高，网络规模也非常小。单一的从成本上来看，ZigBee芯片价格最低，有利于大规模应用。从频段来看ZigBee是基于2.4GHz，无需频段的申请。因此，ZigBee技术无疑是大规模无线控制系统的首选。第4章系统硬件设计4.1系统硬件构建1）无线节点模块：ZigBee是基于IEEE802.11.4协议的一簇展集，主要针对于低成本、低功耗的射频应用一部分是网关协调器及传感节点；2）传感及控制模块：温.湿度传感器；3）电源板：提供无线节点模块和传感控制模块连接，同时为系统供电。在以上设计的硬件系统中，以MCU为控制中心，电池模块对系统供电和