【正文】 中文 3025字 畢業(yè)設計（論文） 譯文及原稿 譯文題目 ： 一種 無線數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)的設計 原稿題目 ： The Design of a Wireless Data Acquisition and Transmission System 原稿 出處： CAI Jun， YU ShunZheng， LIU Jingli． The Design of a Wireless Data Acquisition and Transmission System[J]． JOURNAL OF NETWORKS． 2021， 4（ 10）： 10421049． 1 一種 無線數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)的設計 【 摘要 】 在現(xiàn)代無線通信領域主要有一些技術為無線傳輸網(wǎng)絡提供解決方法，例如 ： GSM， CDMA， 3G， WiFi。這些方法使得網(wǎng)絡能夠高效率和高質(zhì)量的工作，但是成本很高。因此要低成本和在沒有基礎設施或者基礎設施被破壞的情況下推廣它們是很困難的。根據(jù)這種情況，本論文中數(shù)據(jù)采集和無線傳輸網(wǎng)絡里的信息終端和無線收發(fā)模塊的關鍵部件，是依據(jù) nRF905收發(fā)模塊和 51系列單片機的原理設計而成作為核心硬件，此外，結合目前 自組無線網(wǎng)絡的技術，可以構建一個短距離無線數(shù)據(jù)采集和傳輸網(wǎng)絡，這個網(wǎng)絡能夠提供一個工作在 ISM（工業(yè)科學醫(yī)學）頻段的低功率及高性能的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。然后提出了一個對無線通信可行的解決方案，這個方案優(yōu)勢在于更強的實時響應，更高的可靠性要求和更小的數(shù)據(jù)量。通過軟件和硬件的調(diào)試和實際測量，這個系統(tǒng)在我們的解決方案基礎上運行良好，達到了預期的目標并且已經(jīng)成功的應用到無線車輛系統(tǒng)。 【 關鍵詞 】 自組網(wǎng)絡 ； 數(shù)據(jù)采集；傳輸網(wǎng)絡 1 簡介 在現(xiàn)代無線通信里， GSM， CDMA， 3G和 WiFi 因為其高速和可靠的質(zhì)量 而逐漸 成為 無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的主流解決方案。它們也有高成本的缺點，因此 如果 廣泛的應用 ， 將會引起大量的資源浪費，也不能在小區(qū)域，低速率的數(shù)據(jù)通信中得到提升。多點短距離無線數(shù)據(jù)采集和傳輸網(wǎng)絡將成為最佳解決方案。此系統(tǒng)支持點對點，點對多點和多點對多點通信系統(tǒng)的發(fā)展。 短距離無線通信可以適應各種不同的網(wǎng)絡技術，例如藍牙， ，家庭無線網(wǎng)和紅外。與遠距離無線通信網(wǎng)絡相比，它們的不同之處在于基本結構，應用水平，服務范圍和業(yè)務（數(shù)據(jù)，語音）。設計短距離無線通信網(wǎng)絡的最初目的是為了提供短距離寬帶無線接入到移動環(huán)境或者制 定臨時網(wǎng)絡，這是在移動環(huán)境里互聯(lián)網(wǎng)更深的發(fā)展。短距離無線通信網(wǎng)絡最主要的優(yōu)勢是更低的成本和更靈活的應用。 本文介紹信息終端（單 個器件）的硬件和軟件以及多點短距離無線數(shù)據(jù)采集和傳輸網(wǎng)絡的無線接收模塊的設計建議，提供一個低功率高性能的工作于 ISM（工業(yè)科學醫(yī)學）頻段的無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。 文章剩余部分由如下內(nèi)容組成： 在第二部分，我們描述了無線數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)的通用模塊圖表，第三部分，我們分析此系統(tǒng)硬件設計的關鍵技術，第四部分，介紹系統(tǒng)的軟件設計，第五部分，展示系統(tǒng)的測試結果，最后我們在第六部分闡述結論和進一步的工 作。 2 系統(tǒng)實現(xiàn)模型 1． 系統(tǒng)模型 2 作為一個點對多點的多功能無線通信系統(tǒng)，它包含了一個中央監(jiān)控系統(tǒng)和多個遠程終端單元（圖 1）。實際上，遠程終端單元是一些在移動過程中可互相通信的移動電臺。另外，中央監(jiān)控系統(tǒng)與遠程終端單元進行雙向通信。 在下一部分，設計信息終端和控制中心的軟件和硬件上的一些關鍵部件。 2． 相關模型 本論文中的系統(tǒng)是根據(jù) OSI（ 國際標準組織 ） 中的 OSI/RM模型里的第一層（物理層）和第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）而設計的，如圖 2所示。物理層的功能是通過建立電路和專用芯片組完成的。然而通信協(xié)議里的數(shù)據(jù)鏈路 層是由軟件來實現(xiàn)的。 3 系統(tǒng)硬件設計 為了設計，管理和更新的方便，一些硬件單元和節(jié)點根據(jù)它們的功能和電學特性被劃分成不同的模型。 本設計以射頻收發(fā)芯片 nRF905為核心 ,以模塊搭建設計為指導思想 ,搭建無線溫度采集系統(tǒng) ,系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊和無線傳輸模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊以數(shù)字式溫度傳感器 DSl8B20監(jiān)測溫度參數(shù) ,并將監(jiān)測的溫度參數(shù)簡單處理后通過 nRF905無線模塊發(fā)送到接收端口。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊通過 nRF905芯片進行數(shù)據(jù)收發(fā)處理 ,nRF905芯片的集成度較高 ,所需的外圍器件較少 ,因此整體的電路設計相對 比較簡單點。本設計給出其與 MSP430F449的接口電路設計和接收端通過電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX3232與 PC機連接。并根據(jù)硬件特性及連接設計相應的軟件流程 ,并編寫軟件。通過相適應的無線傳輸模塊和數(shù)據(jù)采集模塊控制軟件的操控 ,保證整個硬件系統(tǒng)的流暢運作。 系統(tǒng) 基本結構中 包含 無線射頻收發(fā)模塊 ， 控制處理模 塊，通用串行接口模塊，數(shù)據(jù)緩沖存儲模塊以及多功能電源管理模塊等 。 1．收發(fā)器和接收模塊 在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，數(shù)據(jù)包將被調(diào)制到高頻然后發(fā)送到目標無線射頻傳輸模塊，接收過程中，高頻信號通過無線射頻接收模塊又被解調(diào)成原始數(shù)據(jù)包。 NRF905是無線射頻收發(fā)模塊的關鍵，它的頻率是 16兆赫茲的晶體振蕩器。NRF905可以通過印刷式天線接收無線射頻信號，但是為了提高接收機的靈敏度和抗干擾能力，這種模塊也適用外部天線和濾波器電路。 2．控制處理模塊 控制處理模塊包含 MCU和外部電路，有兩個功能：一是使所有模塊在其控制下協(xié)調(diào)工作，二是處理和傳輸從接口來的數(shù)據(jù)，例如路由處理，數(shù)據(jù)打包，驗證和重傳請求。 模塊的關鍵部件 MCU是 51系列單片機，考慮到工業(yè)功能， WINBOND 78LE546因其在 8位 CMOS微處理器里較好的容量特性被而被應用，與 電， 256比特嵌入式 RAM， 16KB Flash EPROM以及 64KB地址空間，四個 8位標準I/O接口，一個標準 I/O雙串行口相兼容。 3 SCM的晶體振蕩器頻率是 ，電功率為 nRF905的邏輯水平。它的引腳通過與 VCC相連受到保護并保持器穩(wěn)定性。 MCU與所有模塊的具體連接如表 1所示。 4 系統(tǒng)軟件設計 系統(tǒng)性能的真實取決于其有效性和合理的軟件控制。軟件設計是在硬件環(huán)境的基礎上開發(fā)一個無線網(wǎng)絡協(xié)議，為了到達設計目標，這個協(xié)議要有諸如數(shù)據(jù)傳輸， 沖突避免，錯誤后重傳以及超時重試的功能。整個網(wǎng)絡由一個主機和許多分散的終端組成，每個終端必須有一個無線收發(fā)節(jié)點（此系統(tǒng)支持 Nrf905單片無線收發(fā)器），整個無線網(wǎng)絡的任何節(jié)點都有一個唯一認證地址對應一個唯一認證終端。為了方便起見，每個確定系統(tǒng)的終端無線收發(fā)器節(jié)點地址都是我們自己設定的 4字節(jié)。 為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，協(xié)議被設置成停止 等待模式。在數(shù)據(jù)鏈路層，發(fā)送過程大概如下：首先，數(shù)據(jù)源發(fā)送一個連接請求道數(shù)據(jù)目標，得到數(shù)據(jù)源的響應后傳輸數(shù)據(jù)。接著，每一次傳輸都要等待接收方的回應。如果響應正確，另一次的傳輸才會開始。當所有數(shù)據(jù)傳輸完后，數(shù)據(jù)源將發(fā)送一個釋放信道請求，當收到接收方的響應后傳輸結束。接收過程如下：在接收方給數(shù)據(jù)源響應后將收到數(shù)據(jù)，然后會發(fā)送一個有效或無效的響應，直到收到拆除鏈路請求。接下來，保存數(shù)據(jù)且發(fā)送一個響應來結束整個過程。 5 系統(tǒng)測試 任何兩個節(jié)點之間的通信大都可以通過點對點來測試，因此在系統(tǒng)測試過程中，A節(jié)點和 B節(jié)點之間的通信模型對測試圖解來說是一個很好的樣本，就像圖 10。 閉環(huán)測試電路是通過 PC帶雙串口以及兩個 RS32口和通信節(jié)點 A和 B建立起來的。在一個終端，數(shù)據(jù)時通過串口測試輔助工具 “ 串 口助手 ” 發(fā)送，在另一端，監(jiān)控著返回的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過 PC的串口 A， RS32口發(fā)送，然后數(shù)據(jù)緩沖，最后成功到達終端無線收發(fā)器模塊。然而，數(shù)據(jù)接收過程是 SPI串口，數(shù)據(jù)緩沖，然后 RS32口，最后 才是 PC。在本論文中，根據(jù)以收發(fā)器 nRF905和 51系列單片機作為核心硬件的原理設計一個低功耗高性能的無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。提出無線數(shù)據(jù)通信一個可行的解決方案，這個解決方案適合于強大的