【正文】 中文 3025字 畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(shè)計(jì) 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(shè)計(jì) 【 摘要 】 在現(xiàn)代無線通信領(lǐng)域主要有一些技術(shù)為無線傳輸網(wǎng)絡(luò)提供解決方法，例如 ： GSM， CDMA， 3G， WiFi。這些方法使得網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)設(shè)施或者基礎(chǔ)設(shè)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(luò)里的信息終端和無線收發(fā)模塊的關(guān)鍵部件，是依據(jù) nRF905收發(fā)模塊和 51系列單片機(jī)的原理設(shè)計(jì)而成作為核心硬件，此外，結(jié)合目前 自組無線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，可以構(gòu)建一個(gè)短距離無線數(shù)據(jù)采集和傳輸網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠提供一個(gè)工作在 ISM（工業(yè)科學(xué)醫(yī)學(xué)）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(gè)對無線通信可行的解決方案，這個(gè)方案優(yōu)勢在于更強(qiáng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)，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(shí)際測量，這個(gè)系統(tǒng)在我們的解決方案基礎(chǔ)上運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)并且已經(jīng)成功的應(yīng)用到無線車輛系統(tǒng)。 【 關(guān)鍵詞 】 自組網(wǎng)絡(luò) ； 數(shù)據(jù)采集；傳輸網(wǎng)絡(luò) 1 簡介 在現(xiàn)代無線通信里， GSM， CDMA， 3G和 WiFi 因?yàn)槠涓咚俸涂煽康馁|(zhì)量 而逐漸 成為 無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的主流解決方案。它們也有高成本的缺點(diǎn)，因此 如果 廣泛的應(yīng)用 ， 將會(huì)引起大量的資源浪費(fèi)，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(diǎn)短距離無線數(shù)據(jù)采集和傳輸網(wǎng)絡(luò)將成為最佳解決方案。此系統(tǒng)支持點(diǎn)對點(diǎn)，點(diǎn)對多點(diǎn)和多點(diǎn)對多點(diǎn)通信系統(tǒng)的發(fā)展。 短距離無線通信可以適應(yīng)各種不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，例如藍(lán)牙， ，家庭無線網(wǎng)和紅外。與遠(yuǎn)距離無線通信網(wǎng)絡(luò)相比，它們的不同之處在于基本結(jié)構(gòu)，應(yīng)用水平，服務(wù)范圍和業(yè)務(wù)（數(shù)據(jù)，語音）。設(shè)計(jì)短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)的最初目的是為了提供短距離寬帶無線接入到移動(dòng)環(huán)境或者制 定臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)，這是在移動(dòng)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(luò)最主要的優(yōu)勢是更低的成本和更靈活的應(yīng)用。 本文介紹信息終端（單 個(gè)器件）的硬件和軟件以及多點(diǎn)短距離無線數(shù)據(jù)采集和傳輸網(wǎng)絡(luò)的無線接收模塊的設(shè)計(jì)建議，提供一個(gè)低功率高性能的工作于 ISM（工業(yè)科學(xué)醫(yī)學(xué)）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(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，第四部分，介紹系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，第五部分，展示系統(tǒng)的測試結(jié)果，最后我們在第六部分闡述結(jié)論和進(jìn)一步的工 作。 2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模型 1． 系統(tǒng)模型 2 作為一個(gè)點(diǎn)對多點(diǎn)的多功能無線通信系統(tǒng)，它包含了一個(gè)中央監(jiān)控系統(tǒng)和多個(gè)遠(yuǎn)程終端單元（圖 1）。實(shí)際上，遠(yuǎn)程終端單元是一些在移動(dòng)過程中可互相通信的移動(dòng)電臺(tái)。另外，中央監(jiān)控系統(tǒng)與遠(yuǎn)程終端單元進(jìn)行雙向通信。 在下一部分，設(shè)計(jì)信息終端和控制中心的軟件和硬件上的一些關(guān)鍵部件。 2． 相關(guān)模型 本論文中的系統(tǒng)是根據(jù) OSI（ 國際標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 為了設(shè)計(jì)，管理和更新的方便，一些硬件單元和節(jié)點(diǎn)根據(jù)它們的功能和電學(xué)特性被劃分成不同的模型。 本設(shè)計(jì)以射頻收發(fā)芯片 nRF905為核心 ,以模塊搭建設(shè)計(jì)為指導(dǎo)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(jìn)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(shè)計(jì)相對 比較簡單點(diǎn)。本設(shè)計(jì)給出其與 MSP430F449的接口電路設(shè)計(jì)和接收端通過電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX3232與 PC機(jī)連接。并根據(jù)硬件特性及連接設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件流程 ,并編寫軟件。通過相適應(yīng)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(gè)硬件系統(tǒng)的流暢運(yùn)作。 系統(tǒng) 基本結(jié)構(gòu)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(chǔ)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(biāo)無線射頻傳輸模塊，接收過程中，高頻信號(hào)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(guān)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(hào)，但是為了提高接收機(jī)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(gè)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(yàn)證和重傳請求。 模塊的關(guān)鍵部件 MCU是 51系列單片機(jī)，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(yīng)用，與 電， 256比特嵌入式 RAM， 16KB Flash EPROM以及 64KB地址空間，四個(gè) 8位標(biāo)準(zhǔn)I/O接口，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 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(hù)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(shè)計(jì) 系統(tǒng)性能的真實(shí)取決于其有效性和合理的軟件控制。軟件設(shè)計(jì)是在硬件環(huán)境的基礎(chǔ)上開發(fā)一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，為了到達(dá)設(shè)計(jì)目標(biāo)，這個(gè)協(xié)議要有諸如數(shù)據(jù)傳輸， 沖突避免，錯(cuò)誤后重傳以及超時(shí)重試的功能。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)主機(jī)和許多分散的終端組成，每個(gè)終端必須有一個(gè)無線收發(fā)節(jié)點(diǎn)（此系統(tǒng)支持 Nrf905單片無線收發(fā)器），整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的任何節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一認(rèn)證地址對應(yīng)一個(gè)唯一認(rèn)證終端。為了方便起見，每個(gè)確定系統(tǒng)的終端無線收發(fā)器節(jié)點(diǎn)地址都是我們自己設(shè)定的 4字節(jié)。 為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，協(xié)議被設(shè)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(gè)連接請求道數(shù)據(jù)目標(biāo)，得到數(shù)據(jù)源的響應(yīng)后傳輸數(shù)據(jù)。接著，每一次傳輸都要等待接收方的回應(yīng)。如果響應(yīng)正確，另一次的傳輸才會(huì)開始。當(dāng)所有數(shù)據(jù)傳輸完后，數(shù)據(jù)源將發(fā)送一個(gè)釋放信道請求，當(dāng)收到接收方的響應(yīng)后傳輸結(jié)束。接收過程如下：在接收方給數(shù)據(jù)源響應(yīng)后將收到數(shù)據(jù)，然后會(huì)發(fā)送一個(gè)有效或無效的響應(yīng)，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(gè)響應(yīng)來結(jié)束整個(gè)過程。 5 系統(tǒng)測試 任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信大都可以通過點(diǎn)對點(diǎn)來測試，因此在系統(tǒng)測試過程中，A節(jié)點(diǎn)和 B節(jié)點(diǎn)之間的通信模型對測試圖解來說是一個(gè)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(gè) RS32口和通信節(jié)點(diǎn) A和 B建立起來的。在一個(gè)終端，數(shù)據(jù)時(shí)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(dá)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(jī)作為核心硬件的原理設(shè)計(jì)一個(gè)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(gè)可行的解決方案，這個(gè)解決方案適合于強(qiáng)大的