传感器与传感网技术应用

　　本书为传感网应用开发职业技能等级证书的书证融通教材，以智能交通灯系统、楼道灯光系统、智能防盗系统、农业大棚监测系统、基于Wi-Fi技术的智能热水器、基于RS485总线的商超环境监测系统、基于CAN总线的汽车监测系统、深井水位监测系统这八个当代物联网领域的典型应用的设计与实现为目标，聚焦物联网领域紧缺的中等技能型人才的培养。八个项目基于实用、够用、系统、有效的原则，由浅入深地将常用的传感网理论与构建方法、传感器原理及应用等知识和技能与职业能力、工作任务相对接，形成可操作性强的知识和技能体系，以真实的体验激发学生的兴趣，以“行动导向教学法”有效开展“做中学、做中教”的教学活动，培养学生的岗位职业能力，快速提升学生的物联网设计与装调技能。本书内容丰富，结构新颖，文字通俗易懂，所有项目均设有配套资源。本书适合作为中等职业院校电子信息类专业传感器与传感网技术应用课程的教材，也可作为相关领域科技工作者和工程技术人员的参考书。

　　李喜英，高级讲师，任教于郑州市电子信息工程学校，长期从事职业教育一线教学、教研工作。主持及参与的课题研究曾分别荣获郑州市教育科研成果一、二、三等奖，以及2019年世界职业教育大会交流成果优秀奖。

项目一 智能交通灯系统\t1
引导案例\t1
任务一 CC2530开发环境搭建\t2
【职业能力目标】\t2
【任务描述与要求】\t2
【任务分析与计划】\t2
【知识储备】\t3
1．单片机的概念、应用领域及发展趋势\t3
2．CC2530\t5
3．以CC2530为核心的ZigBee模块\t6
4．交通灯测试应用设计\t7
5．控制程序的编辑、调试与下载\t7
【任务实施】\t8
【任务检查与评价】\t17
【任务小结】\t17
任务二 按键控制交通灯\t17
【职业能力目标】\t17
【任务描述与要求】\t17
【任务分析与计划】\t18
【知识储备】\t18
1．CC2530引脚说明\t18
2．CC2530的GPIO端口的配置与应用\t19
3．CC2530中断系统\t24
4．数字I/O端口配置\t31
5．正常通行模式和限行模式的实现\t31
6．按键检测与响应方式\t32
【任务实施】\t34
【任务检查与评价】\t37
【任务小结】\t37
任务三 定时器控制交通灯\t37
【职业能力目标】\t37
【任务描述与要求】\t37
【任务分析与计划】\t37
【知识储备】\t38
1．定时/计数器概述\t38
2．定时/计数器相关寄存器及配置\t40
3．系统搭建与硬件电路分析\t44
4．交通灯时序控制\t44
【任务实施】\t46
【任务检查与评价】\t48
【任务小结】\t48
任务四 串口控制交通灯\t48
【职业能力目标】\t48
【任务描述与要求】\t49
【任务分析与计划】\t49
【知识储备】\t50
1．CC2530与外设间的串行通信\t50
2．CC2530与主机的连接及信号转换\t52
3．CC2530串口相关寄存器及串行通信配置\t53
4．系统搭建及串行通信连接\t58
5．串口通信初始化\t58
6．数据发送与接收\t59
7．主函数设计\t60
【任务实施】\t61
【任务检查与评价】\t63
【任务小结】\t63
任务五 实现智能交通灯系统\t63
【职业能力目标】\t63
【任务描述与要求】\t63
【任务分析与计划】\t64
【知识储备】\t64
1．前期方案归纳分析\t64
2．系统结构及功能整合\t65
3．系统控制变量设计\t65
4．延时函数\t66
5．系统工作模式设计\t66
6．GPIO端口初始化\t67
7．正常通行模式的实现\t67
8．主机与交通灯模块间的串行通信\t68
9．按键检测与模式切换控制\t69
10．多路中断的优先级设置及总中断使能\t70
11．主函数设计\t71
【任务实施】\t72
【任务检查与评价】\t73
【任务小结】\t73
项目二 楼道灯光系统\t74
引导案例\t74
任务一 使用声音传感器控制楼道灯\t75
【职业能力目标】\t75
【任务描述与要求】\t75
【任务分析与计划】\t76
【知识储备】\t76
1．传感器\t76
2．声音传感器\t79
3．声音传感模块\t83
4．楼道灯光系统结构分析\t84
5．楼道灯光系统硬件连接\t84
6．楼道灯光系统程序设计与分析\t85
【任务实施】\t86
【任务检查与评价】\t88
【任务小结】\t88
任务二 使用光照传感器控制楼道灯\t89
【职业能力目标】\t89
【任务描述与要求】\t89
【任务分析与计划】\t89
【知识储备】\t90
1．光照度\t90
2．光照传感器\t90
3．数据采集系统\t94
4．温度/光照传感模块\t97
5．光控楼道灯光系统结构分析\t98
6．光控楼道灯光系统程序设计与分析\t98
7．光控楼道灯光系统程序\t100
【任务实施】\t101
【任务检查与评价】\t104
【任务小结】\t104
任务三 使用声音、光照传感器实现楼道灯光控制\t104
【职业能力目标】\t104
【任务描述与要求】\t105
【任务分析与计划】\t105
【知识储备】\t106
1．声光控楼道灯光系统结构分析\t106
2．声光控楼道灯光系统程序设计与分析\t106
【任务实施】\t110
【任务检查与评价】\t112
【任务小结】\t112
项目 三 智能防盗系统\t113
引导案例\t113
任务一 红外传感器\t114
【职业能力目标】\t114
【任务描述与要求】\t114
【任务分析与计划】\t114
【知识储备】\t115
1．红外传感器\t115
2．红外传感模块\t116
【任务实施】\t118
【任务检查与评价】\t121
【任务小结】\t121
任务二 霍尔传感器\t121
【职业能力目标】\t121
【任务描述与要求】\t122
【任务分析与计划】\t122
【知识储备】\t123
1．霍尔效应\t123
2．霍尔元件的测量误差及补偿方法\t124
3．霍尔集成电路\t124
4．霍尔传感模块\t125
【任务实施】\t127
【任务检查与评价】\t130
【任务小结】\t131
任务三 红外传感器与霍尔传感器的综合应用\t131
【职业能力目标】\t131
【任务描述与要求】\t131
【任务分析与计划】\t132
【知识储备】\t132
1．电信号的形式与转换\t132
2．智能防盗系统结构分析\t133
3．传感器作用分析及GPIO端口分配\t134
【任务计划与决策】\t134
【任务实施】\t136
【任务检查与评价】\t142
【任务小结】\t143
项目 四 农业大棚监测系统\t144
引导案例\t144
任务一 光照度数据采集\t145
【职业能力目标】\t145
【任务描述与要求】\t146
【任务分析与计划】\t146
【知识储备】\t146
1．光照传感器\t146
2．ZigBee和BasicRF协议\t147
3．“串口调试小助手”软件\t148
【任务实施】\t148
【任务检查与评价】\t151
【任务小结】\t151
任务二 有害气体数据采集\t151
【职业能力目标】\t151
【任务描述与要求】\t151
【任务分析与计划】\t152
【知识储备】\t152
1．气体传感器\t152
2．比较器\t153
【任务实施】\t154
【任务检查与评价】\t156
【任务小结】\t156
任务三 实现农业大棚监测系统\t156
【职业能力目标】\t156
【任务描述与要求】\t157
【任务分析与计划】\t157
【知识储备】\t158
【任务实施】\t158
【任务检查与评价】\t160
【任务小结】\t160
项目五 基于Wi-Fi技术的智能热水器\t161
引导案例\t161
任务一 Wi-Fi模块设置\t162
【职业能力目标】\t162
【任务描述与要求】\t162
【任务分析与计划】\t162
【知识储备】\t163
1．短距离无线通信技术\t163
2．Wi-Fi技术及ESP8266\t163
3．蓝牙\t164
4．ZigBee\t164
5．AT指令\t164
【任务实施】\t165
【任务检查与评价】\t177
【任务小结】\t177
任务二 实现智能热水器\t177
【职业能力目标】\t177
【任务描述与要求】\t177
【任务分析与计划】\t178
【知识储备】\t178
1．Android\t178
2．Android Studio\t180
【任务实施】\t180
【任务检查与评价】\t200
【任务小结】\t200
项目六 基于RS485总线的商超环境监测系统\t201
引导案例\t201
任务一 RS485总线环境搭建\t202
【职业能力目标】\t202
【任务描述与要求】\t202
【任务分析与计划】\t202
【知识储备】\t203
1．RS485总线的概念和工作原理\t203
2．RS485接口和MAX485芯片功能\t205
3．RS485总线故障检测方法\t205
4．温度传感器工作原理\t206
5．湿度传感器工作原理\t209
【任务实施】\t211
【任务检查与评价】\t212
【任务小结】\t212
任务二 RS485总线节点烧写和配置\t213
【职业能力目标】\t213
【任务描述与要求】\t213
【任务分析与计划】\t213
【知识储备】\t214
1．RS485总线节点烧写方法\t214
2．RS485总线节点配置方法\t220
【任务实施】\t221
【任务检查与评价】\t221
【任务小结】\t222
任务三 RS485总线数据抓包和解析\t222
【职业能力目标】\t222
【任务描述与要求】\t222
【任务分析与计划】\t222
【知识储备】\t223
1．Modbus协议概述\t223
2．Modbus寄存器与功能码\t223
3．Modbus串行消息帧格式\t224
4．部分RTU模式公共功能码报文解析\t225
【任务实施】\t226
【任务检查与评价】\t231
【任务小结】\t231
项目七 基于CAN总线的汽车监测系统\t232
引导案例\t232
任务一 CAN总线环境搭建\t233
【职业能力目标】\t233
【任务描述与要求】\t234
【任务分析与计划】\t234
【知识储备】\t234
1．CAN总线的概念和工作原理\t234
2．CAN接口\t236
3．CAN总线常见故障\t238
4．CAN总线故障检测工具\t239
5．使用示波器进行CAN总线故障检测\t239
6．使用万用表进行CAN总线故障检测\t241
7．压电传感器\t242
8．基于CAN总线的汽车监测系统结构分析\t246
【任务实施】\t247
【任务检查与评价】\t252
【任务小结】\t252
任务二 CAN总线节点烧写和配置\t252
【职业能力目标】\t252
【任务描述与要求】\t252
【任务分析与计划】\t252
【知识储备】\t253
1．串口通信的基础知识\t253
2．CAN控制器和收发器\t253
3．CAN总线节点烧写方法\t255
【任务实施】\t256
【任务检查与评价】\t260
【任务小结】\t260
任务三 CAN总线数据抓包与解析\t260
【职业能力目标】\t260
【任务描述与要求】\t261
【任务分析与计划】\t261
【知识储备】\t261
1．CAN通信帧\t261
2．数据帧\t261
3．遥控帧\t263
4．错误帧\t264
5．过载帧\t264
6．帧间隔\t264
7．CAN总线节点数据传输设置方法\t265
【任务实施】\t266
【任务检查与评价】\t268
【任务小结】\t268
项目八 深井水位监测系统\t269
引导案例\t269
任务一 NB-IoT模块初始化\t270
【职业能力目标】\t270
【任务描述与要求】\t270
【任务分析与计划】\t271
【知识储备】\t271
1．LoRa技术\t272
2．NB-IoT技术\t273
3．LoRa与NB-IoT的对比\t278
4．lierda NB86-G模组\t279
5．AT指令简介\t281
6．本任务使用的NB-IoT模块简介\t282
【任务实施】\t283
【任务检查与评价】\t286
【任务小结】\t286
任务二 超声波传感器的应用\t287
【职业能力目标】\t287
【任务描述与要求】\t287
【任务分析与计划】\t287
【知识储备】\t288
1．超声波传感器\t288
2．本任务使用的超声波传感模块及相关电路\t292
3．NB-IoT模块的烧写\t294
【任务实施】\t294
【任务检查与评价】\t298
【任务小结】\t299
任务三 将系统采集数据接入云平台\t299
【职业能力目标】\t299
【任务描述与要求】\t299
【任务分析与计划】\t299
【知识储备】\t300
1．深井水位监测系统网络架构\t300
2．深井水位检测终端的设计\t301
3．云平台项目创建和设备添加\t301
【任务实施】\t302
【任务检查与评价】\t306
【任务小结】\t306