无线传感器网络课程设计.docx

1、 目录 第 1章 实习目的与要求 . 1 1.1 GPRS 远程监测终端系统项目 . 1 1.2 GPIO 口 . 1 1.4 嵌入式 STM32 LCD 屏模块 . 1 1.5 嵌入式 STM32 GSM、温湿度实训阶段 . 1 课堂要求 ： . 2 第 2章 设计背景 . 3 2.1 课题研究的背景 . 3 2.2 国内外 stm32 控制以太网技术发展现状及趋势 . 4 第 3 章 . 5 3.1 GPRS的远程终端监控系统 . 5 3.2 GPIO 口 功能描述 . 7 3.3 STM32 串口 . 13 3.4 嵌入式 STM32 LCD 屏模块 . 15 3.5 嵌入式 STM32

2、 GSM、温湿度实训阶段 . 16 第 4章 调制和测试 . 18 4.1 LED 点亮实验： . 18 4.2 流水灯实验一： . 18 4.3 按键控制 LED 实验： . 18 4.4 流水灯实验二 . 18 4.5 温湿度实验调制与结果 . 18 4.6 实验结果 . 18 第 5章 实习心得 . 20 参考文献 . 21 河南工程学院本科毕业设计 1 第 1章 实习目的与要求 通过实习提高自己的对社会的认知能力，同时理论联系实际，让自己迅速适应社会，跟上新兴产业前进的快速步伐。通过理论与实际的结合、学校与社会的沟通，进一步提高学生的思想觉悟、业务水平，尤其是观察、分析和解决问题的实际

3、工作能力，以便培养自己成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合型 人才。 1.1 GPRS 远程监测终端系统项目 主要工作： 基于 GPRS 远程监测终端系统项目流程、项目分析 目的： 了解整体项目流程过程，及对嵌入式行业整体认识 1.2 GPIO 口 主要工作： 嵌入式概述、 ARM 体系架构、 ARM 开发平台、 STM32 库函数讲解、 GPIO 实验 运用 GPIO 口寄存器对流水灯和呼吸灯程序实验 目的：学生掌握嵌入式中 STM32 的寄存器开发过程 1.3嵌入式 STM32 串口实训阶段 主要工作： 通信的划分、常用串行通信协议。 通信接口电平的讲解 STM32 串口控

4、制器的工作原理 目的： 学生掌握嵌入式 STM32 中串口通信以及上位机操作，方便后续项目的使用 1.4 嵌入式 STM32 LCD 屏模块 主要工作： 项目中常用显示器件的介绍和产品案例。 像素点、像素和分辨率概念的讲解。 TFT LCD 屏显示原理、 8080 接口信号时序图分析。 取字模软件的使用和汉字显示程序分析。 图片取模软件的使用和图片显示程序分析。 目的： 学生掌握嵌入式中常用显示设备的原理和实现 LCD 屏界面设计与开发 1.5 嵌入 式 STM32 GSM、温湿度实训阶段 主要工作： GSM 无线模块组成框架及使用方法 温湿度模块组成框架及使用方法 河南工程学院本科毕业设计

5、2 温湿度传感器采集当前环境的温湿度 目的： 学生掌握嵌入式 STM32 中 GSM、温湿度等项目的开发 课堂要求： 认真听讲、记笔记 。 不许睡觉 ,吃零食 ,喝水或者玩手机 。 仪表整洁 。 河南工程学院本科毕业设计 3 第 2章 设计背景 2.1 课题研究的背景 近几年来，随着科学技术日新月异的发展，计算机科技的快速发展，特别是互联网的快速普及，互联网在人类活动中也越来越紧密联系，尤其是对于工业控制和信息电器领域中同样有着越来越重要的应用。同时计算机，通讯，消费电子三合一的快速发展，数字化时代已经到来。而嵌入式接入设备是数字化时代的一大主流标志，形态各异的计算机，通讯，消费电子三合一产品

6、也将是网络接入设备的一大主流。因为 PC 机以及现有的 Internet 技术可以实现对非网络设备进行远程控制的部分的要求，而且成本费用较高，可靠性和期望值也有一定的距离，所以这种方案并没有 被广泛的接受和使用。由于嵌入式设备具有低成本高性能的特点，而现今对嵌入式系统的开发研究和嵌入式技术也都进入到了一个成熟的阶段，将嵌入式系统和网络相结合来实现非网络系统的网络控制，那么世界可能就是另一番景象。 因特网技术的成熟，使得网上提供的信息更加丰富，应用项目也更加多样，人们对网络的需求也越来越广泛，利用 PC 机上网来查阅和发布各类信息等对于网络的日常应用已经不能满足人们的需求。像传统的电器，电冰箱，

7、微波炉，电视，空调等，这类电子设备的功能也不在单一，电器结构也更为复杂，也逐步开始应用嵌入式网络接入， 使用户可以通过网络就能实现远程控制，信息通讯。同样，互联网在全球范围内的连通性，那些能够连接因特网的设备也成为人们选择产品中考虑的一大问题，通过 Internet对家用电器等非网络设备进行远程控制已经成为现今主流。而一些小型轻便的设备，比如一些医学仪器上的身体上使用的传感器，体积小而且便宜，内存小，运算能力有限，因此必须在资源受限的情况下实现 TCP/IP 协议甚至处理接受到的信息。 TCP/IP 协议可以分为四个层次，从底层到最高层分别是物理层和数据链路层，网络层，传输层，和最高层的应用层

8、。物理层和数据链路层 是 TCP/IP 协议的最低层，要求提供给上层一个访问接口，以便传递 IP 分组信息。网络层是第二层，也是整个 TCP/IP 协议栈的核心，其功能是把分组发往目标网络或主机，源主机与目的主机可以在同一个网上，也可以在不同的网上。其中定义了分组格式和协议，即 IP 协议，来对分组进行排序。 IP 协议是一种不可靠、无连接的数据报发传送服务的协议，提供的只是一种尽力而为的服务。传输层是第三层，负责在应用进程中的端到端之间的通信。传输层定义了两种服务质量不同的协议， TCP和 UDP。 TCP 是一种可靠的面向连接的协议，允许将源主机的字节 数据流无差别的传送到目的主机。同时能

9、够完成流量的控制功能，协调收发主机之间的发送和接受速度，从而控制正确的传输。应用层是最高层，其中也包括了很多协议：文件传送协议，简单邮件传送协议，简单网络管理协议，超文本传送协议等。 LwIP 是瑞士计算机科学院一个开源的 TCP/IP 协议栈实现。 LwIP 是Light Weight IP 协议，有无操作系统都可以运行，其实现的重点是在保持 TCP/IP协议的主要功能的基础上减少对内存的占用，一般只需要几百字节的 RAM 和40K 左右的 ROM就可以运行，这使得 LwIP成为在资源受限 的情况下实现及处理 TCP/IP 协议的解决方法。 LwIP 可以支持多网络接口下的 IP 转发，提供

10、专门的内部回调接口 Raw API，这样可以提高应用程序性能。 像 LwIP 的目标系统是最小限度系统，所使用的操作系统通常不能在内核与应河南工程学院本科毕业设计 4 用层进程之间维持一个严格的保护屏障。这里允许使用一种比较宽松的通许机制，通过共享内存的方式实现应用层与底层协议族之间的通讯。应用层可以知道底层协议使用的缓冲处理机制，这使得应用层可以有效的重复使用缓冲区。同样，应用层与网络代码使用的是相同的内存区，那么应用层就可以直接读写内部缓冲区。 2.2 国内外 stm32控制以太网技术发展现状及趋势 中国的嵌入式系统开发走过了二十多年的历程，有超过数十万名从事开发应用的工程师，但大多数以上

11、是几个人的小组以孤军奋战的封闭方式开发几乎不可重用的软件。今天面对的是嵌入式系统工业化的潮流，如果不能认识到嵌入式软件必须以工业化的方式生产开发，不理解在短时间内装配集成“数百人 /年”的嵌入式产品，那么将失去更多的上游产品的市场机遇。 嵌入式软件方面逐渐形成了系统软件、应用软件的架构。国际上用于信息电器的嵌入式操作系统有 40种左右。其中，国外涌现了 一些著名的嵌入式操作系统，如 :Vxworks、 pSOS、 WinCE、 RTEK、 palmOS、 EpOC、 QNX、 LynxOS、 DSPhnux等。其中 Vx/Orks是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统：WinC

12、E是一种 32位的多任务操作系统，可以移植，能够开发多种企业和客户类设备，是微软公司的“维纳斯计划”的核心： 3COM 公司的 Palm0S 在 PDA 市场上占有很大的市场份额，它有开放的操作系统应用程序接口 (API)，开发商可以根据需要自行开发所需要的应用程序。 国内外有大量嵌入式应用软件已广 泛用于各类嵌入式系统中。大有国内紧跟国外趋势的形势。但是对于嵌入式 Web 服务器方面的研究国内现状不容乐观，目前国外的相关研究相对多些。如林 C/IP 研究项目，它是一个为微控制器和嵌入式系统而设计的小型 TCP/IP 协议栈：又如 CMX 公司的 MieroNetTCP/IP，它是为 8位或

13、16位微处理器而设计的，支持大部分的标准协议，连接方式有以太网连接、拨号连接和直接连接方式。而国内也相应提出了 Webito 协议标准，但是相对滞后， 缺少具体的工程实现方面的研究和具体产品的开发。 美国 DEC 公司开发的 VMSeluster系统开发最早，技术也较成熟，应用也很广泛，但由于 VMS操作系统只能在 DEC 公司的 VAX系列和 AIPha系列服务器上运行， VMScluster的应用受到很大限制。 Platform公司开发的高可用性集群系统 LSF提供了分布式集群系统的解决方案，通过将物理上分离的多个集群连接在一起使多个同构或异构的计算机能够通过局域网或广域网共享计算资源，并

14、能够为用户提供对资源的透明访问。 国内也有不少公司进行了集群系统的研究和开发工作。 联想公司在 1999年 9月推出了用于分布式高性能计算的 NS10000高性能 集群服务，该系统是一个四节点的系统，主要基于联想万全 45008服务器，以总体成本相对较低的设备组合，足以替代传统班 SC 小型机和中型机的工作，而价格仅为市场上同等性能小型机的 1/2-1/40。 朗讯公司也推出了类似于 Urboduster的高可用性集群系统 LongshineClusterServer。 从国内外的研究现状看，目前集群系统的应用大都致力于高可用性问题的解决，真正基于负载均衡的集群系统还比较少，而且在大部分负载均

15、衡集群中采用的都是轮转调度、加权轮转调度等静态调度算法。 河南工程学院本科毕业设计 5 第 3 章 3.1 GPRS 的远程终端监控系统 基于 GPRS的远程终端监控系统的框架图 DHT11 温湿度传感器，采集当前环境的温度和湿度值，精度规格 相关使用参数 DHT11 的相关参数 通过单总线与 STM32 处理芯片进行数据传输。 2.TFTLCD 屏： 16 位 RGBTFT 彩色 LCD 屏，经过 8080 接口与 STM32 进行数据传输。 3.GSM/GPRS：移动 2 代通信 /2.5 代通信，经过串口与 STM32 进行数据传输，经过 GPRS 无 线通信和 TCP/IP 通信协议与

16、服务器进行数据交换。 4.信盈达服务器：通过 TCP/IP 接收 #+设备号 +温度值 +湿度值协议的数据，并保存到后台数据 库。 5.APP：手机运用 TCP/IP 从服务器上获取想要知道的设备的温湿度值，实现远程监控。 GPRS 的 TCP/IP 协议以及相关指令 通过电脑与服务器进行测试（前提电脑要连上以太网）： ping IP 地址 例如：我运用电脑 ping 百度的公共 IP 地址。 河南工程学院本科毕业设计 6 通过 GPRS 访问服务器： AT+CGCLASS=” B” AT+CGDCONT=1,” IP” ,” CMNET” AT+CGATT=1 AT+CIPCSGP=1,”

17、CMNET” 之后 ,发送： AT+CLPORT=” TCP” ,” 2000”，设置本地 TCP 连接端口为 2000， 然后 ,发送： AT+CIPSTART=” TCP” ,” 103.44.145.243” ,” 16919”， 建立 TCP 连接， 连接到 IP： 103.44.145.243，连接端口为： 16919。 这里是对于没有公网 IP 的用户是通过发送 给花生壳域名转发的，如果是有公网的用户，这里把 IP 直接替换为自己的公网 IP， 端口写 8086 即可。等待 TCP 连接成功建立，模块返回： CONNECT OK。 此时， SIM800 模块和电脑已经建立了一个 T

18、CP 连接， 可以相互发送数据了。 通过串口调试助手发送： AT+CIPSEND，接着模块返回： ，然后我们发送字符串（不用发 送新行）： “ SIM800 发送给电脑的数据” ，最后发送十六进制的 :1A，启动数据发送。然 后模块返回： SEND OK，说明发送成功，如下图： 注意： TCP 连接需要心跳维持，如果长时间没有数据的收发，那么 TCP 连接很可 能会被断开，下次数 据通信，又得重新连接，所以实际应用的时候，都需要添加心跳，来维持当前 TCP 的连接。 最后， 我们要关闭 TCP 连接，发送： AT+CIPCLOSE=1，关闭当前 TCP 连接，再发送： AT+CIPSHUT，关

19、闭场景，如下图： GPRS 的相关指令 河南工程学院本科毕业设计 7 3.1.1 AT+CGCLASS：用于设置移动台类别。 发送： AT+CGCLASS=” B” ,设置移动台类别为 B。即，模块支持包交换和电路交换模式，但 不能同时支持。 3.1.2 AT+CGDCONT： 用于设置 PDP 上下文。 发送： AT+CGDCONT=1,” IP” ,” CMNET” ,设置 PDP 上下文标标志为 1，采用互联网协议 （ IP），接入点为” CMNET”。 3.1.3 AT+CGATT,用于设置附着和分离 GPRS 业务。 发送： AT+CGATT=1,附着 GPRS 业务。 3.1.4

20、AT+CIPCSGP:用于设置 CSD 或 GPRS 链接模式。 发送： AT+CIPCSGP=1， ” CMNET”，设置为 GPRS 连接，接入点为” CMNET”。 3.1.5 AT+CLPORT，用于设置本地端口号。 发送： AT+CLPORT=” TCP” ,” 8086”， 即设置 TCP 连接本地端口号为 8086。 3.1.6 AT+CIPSTART：用于建立 TCP 连接或注册 UDP 端口号。 发送 :AT+CIPSTART=” TCP” ,” 116.1.20.54” ,” 8086”，模块将建立一个 TCP 连接，连接目标地址 为： 116.1.20.54，连接端口号为

21、 8086，连接成功会返回： CONNECT OK。 3.1.7 AT+CIPSEND：用于发送数据。 在连接成功后发送： AT+CIPSEND，模 块返回： ，此时 可以输入要发送的数据，最大可以一次发送 1352 字节，数据输入完后，同发短信一样，输入 十六进制的： 1A(0X1A), 启动发送数据。在数据发送完成后，模块返回： SEND OK，表示发送 成功。 3.1.8 AT+CIPSTATUS:用于查询当前连接状态。 发送 :AT+CIPSTATUS，模块即 返回当前连接状态。 AT+CIPCLOSE:用于关闭 TCP/UDP 连接。 发送 :AT+CIPCLOSE=1,即可快 速关

22、闭当前 TCP/UDP 连接。 3.1.9 AT+CIPSHUT:用于关闭移动场景。 发送： AT+CIPSHUT，则可以关闭移 动场景，关闭场景后连接状态为： IP INITIAL，可以 通过发送： AT+CIPSTATUS，查询。另外，在连接建立后，如果收到： +PDP： DEACT， 则必须 发送： AT+CIPSHUT，关闭场景后，才能实现重连。 3.2 GPIO 口 功能描述 每个 GPI/O 端口有两个 32 位配置寄存器 (GPIOx_CRL， GPIOx_CRH)，两个 32位数据寄存器 (GPIOx_IDR 和 GPIOx_ODR)，一个 32 位置位 /复位寄存器(GPIO

23、x_BSRR)，一个 16 位复位寄存 器 (GPIOx_BRR)和一个 32 位锁定寄存器(GPIOx_LCKR)。 根据数据手册中列出的每个 I/O 端口的特定硬件特征， GPIO 端口的每个位可以由软件分别配置 成多种模式。 河南工程学院本科毕业设计 8 输入浮空 输入上拉 输入下拉 模拟输入 开漏输出 推挽式输出 推挽式复用功能 开漏复用功能 每个 I/O 端口位可以自由编程，然而 I/0 端口寄存器必须按 32 位字被访问 (不允许半字或字节访 问 )。 GPIOx_BSRR和 GPIOx_BRR寄存器允许对任何 GPIO 寄存器的读 /更改的独立访问；这 样，在读和更改访问之间产生 IRQ 时不会发生危险。 下图给出了一个 I/O 端口位的基本结构。 I/O 端口位的基本结构 5伏兼容 I/O 端口位的基本结构