【正文】 話既笨重龐大又價格昂貴 。而在 20 世紀 40 年代末期，電晶體的出現(xiàn)奠定了無線通訊技術發(fā)展的基礎。 在 PC 機與單片機 [4]構成的上下位機系統(tǒng)中，經(jīng)常采用由單片機及其外圍電路構成的下位機進行數(shù)據(jù)采集，然后利用基本二線制的 RS232串行口通信將數(shù)據(jù)傳送給 PC 機，由 PC 機進行數(shù)據(jù)的進一步處理。 遠程是由 LabVIEW 與單片機串行通訊實現(xiàn)的。 nRF2401 內(nèi)置了 CRC糾檢錯硬件電路和協(xié)議。 PTT20xx 可用于遙控、遙測、小型無線網(wǎng)絡、無線抄表、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集、無線標簽、身份識別、非接觸 RF 智能卡、小型無線數(shù)據(jù)終端、生物信號采集、水 文氣象監(jiān)測、機器人控制等場合。所有的程序均使用 匯編 [3]語言來完成，已達到充分的可讀性和可移植性，在程序的編寫過程中，加入了詳細的文字注釋，以便于后期的改進與維護。 (3) 系統(tǒng)硬件電路主要分為信息控制處理部分和無線通信部分。無線監(jiān)控系統(tǒng)已在高頻疲勞試驗機系統(tǒng)中得到了應用。疲勞試驗機的高頻噪音對試驗人員造成惡心、頭痛、脖子酸痛等不良反應 ， 而且試驗時間一般都是幾個小時連續(xù)作業(yè) ，長久下來對身體與心理會造成很大的損害。 LabVIEW。綜上所述，本設計系統(tǒng)提出了一種簡單，高效并且能夠被廣泛應用的遠程無線監(jiān)控體系。它是超小型，超低功耗，高速率無線收發(fā)數(shù)傳模塊，靈敏度高，具有兩個頻道，特別滿足需要多信道工作的特殊場合，它可完成點對點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集，用于工業(yè)控制 ； 數(shù)據(jù)采集 ； 遙控 ； 遙測 ； 無線抄表 ； 門禁系統(tǒng) ； 小區(qū)傳呼 ； 工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ； 小型無線數(shù)據(jù)終端 ； 無線遙控系統(tǒng) ； 水文氣象監(jiān)控 和 機器人控制中。這個系統(tǒng)建立在無線收發(fā)模塊 PTR20xx 的基礎之上。此片PTR20xx 再將信號無線傳輸給與電腦相連的那片 PTR20xx，最后由基于 LabVIEW 的上位機監(jiān)控系統(tǒng)進行監(jiān)控。 Remote。目 前 ， 我國大部分疲勞試驗機從加載試樣到記錄數(shù)據(jù) ， 幾乎全部靠人工現(xiàn)場的操作。無線監(jiān)控系統(tǒng)是高頻疲勞試驗機系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng) ， 是針對高頻疲勞試驗機系統(tǒng)中存在的缺陷所作的改進設計。 (2) 以 ATMEL89S51 單片機 [2]為核心的硬件電路的設計，主要包括電源電路、數(shù)碼管顯示電路、 數(shù)模 轉換 電路及與無線通信 PTR20xx 部分的接口電路。按照硬件實現(xiàn)的功能，軟件主要包括單片機雙串口同時通訊的實現(xiàn) ， 數(shù)據(jù)采集與處理，數(shù)碼管顯示、鍵盤掃描、無線模塊控制及其狀態(tài)轉換，控制部分和無線模塊異步串行通訊等子程序。 PTR20xx 是超小型、超低功率、高速率無線數(shù)傳 MODEM。采用 GFSK 調(diào)制時的數(shù)據(jù)速率為高速率 1Mbps，高于藍牙，具有高數(shù)據(jù)吞吐量。每個芯片可以通過軟件設置最多 40 位地址，只有收到本機地址時才會輸出 數(shù)據(jù) (提供一個中斷指示 )。由于該接口物理結構簡單，很適合主 PC 機和從 PC 機、帶串口的儀器、單片機系統(tǒng)作短距離、低速率數(shù)據(jù)交換及控制。直至 20 世紀 30 年代，商業(yè)無線廣播的出現(xiàn)與收音機的普及，才使得無線通訊技術進入商業(yè)應用與個人生活。從現(xiàn)代無線行動通訊標準的發(fā)展來看，可以將其分為以下幾個時代 ，如圖 所示 ： 圖 無線移動通訊標準時代劃 （ 1） 第一代（ 1G）無線移動通訊標準 第 一代無線移動通訊標準為類比式移動電話通訊系統(tǒng)。 第二 、 五代無線通訊標準建構于第二代的無線傳輸技術之上，包括建構于 GSM 標準而向上發(fā)展制定的 GPRS（ General Packet Radio Service）與 EDGE（ Enhanced Data rates for GSM Evolution）以及建構于 CDMA 標準之上的 CDMA20xx1X。 數(shù)據(jù)采集 [5]是獲取信息的基本手段。而借助無線傳輸手段的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，更具有工程造價和人力資 源成本低，傳輸數(shù)據(jù)不受地域的影響，可靠性高，免維護等優(yōu)點。數(shù)字電臺可以解決安裝和維護的問題，但是傳輸距離有限，信號的質量較低非常容易衰減，并且需要向無線通信委員會申請頻點。在測量終端較集中的現(xiàn)場和能夠覆蓋到的地方，通常都采用有線連接的數(shù)據(jù)通信方式。 （ 3） 第三代（ 3G）無線移動通訊標準 第三代無線通訊標準希望能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸能力 以實現(xiàn)多媒體的影音傳輸要求，可依其移動速度快慢而提供 144Kps 至 2MKps 的不同傳輸速率 ，短距離無線傳輸標準如圖 所示 。 在此，我們簡單的介紹在智能樓宇，以及工業(yè)現(xiàn)場中成熟使用的短距離無線通信傳輸標準，以此為基礎更好的闡述我們在溫度巡檢這一智能檢測系統(tǒng)中使用無線傳輸標準的可行性與必然性。 GPRS（ General Packet Radio Service，通用無線分組業(yè)務）作為第二代移動通信技術 GSM 向第三代移動通信（ 3G）的過渡技術，是由英國 BT Cell 公司早在 1993 年提 出的，是 GSM Phase2+（ 1997 年）規(guī)范實現(xiàn)的內(nèi)容之一，是一種基于 GSM 的移動分組數(shù)據(jù)業(yè)務，面向用戶提供移動分組的 IP 或者 連接。 藍牙技術是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，它以低成本的近距離無線連接為基礎，為固定與移動設備通信環(huán)境建立一個特別連接。時分雙工傳輸方案被用來實現(xiàn)全雙工傳輸。一個數(shù)據(jù)包名義上占用一個時隙，但實際上可以被擴展到占用 5 個時隙。藍牙基帶部分在物理層為用戶提供保護和信息保密機制。 它采用紅外線作為通信媒介，支持各種速率的點到點的話音和數(shù)據(jù)業(yè)務， IrDA 主要應用在嵌入式的系統(tǒng)和設備中，進行設備互聯(lián)，可完成不同設備內(nèi)文件與信息的交換 ； 作為信息網(wǎng)關，連接信息終端和互聯(lián)網(wǎng)絡。 UWB 高性能和低功耗的優(yōu)點使得它將成為未來市場上強有力的競爭者之一。 HomeRF(家用射頻 )技術是由 Microsoft， Intel， HP， Motorola 和 Compaq 等公司 設計的網(wǎng)絡技術 的。 HomeRF 是對現(xiàn)有無線通信標準的綜合和改進：當進行數(shù)據(jù)通信時，采用 規(guī)范中的 TCP/IP 傳輸協(xié)議；當進行語音通信時，則采用數(shù)字增強型無繩通信標準。在中等衰減的建筑物中， RF 信號一般可穿透一至三堵墻。 無線射頻收 發(fā)一體型芯片采用了目前流行的單芯片設計，在一塊芯片上集合了信號調(diào)制解調(diào)、信號射頻發(fā)射、信號接收、信號電平轉換等功能，有些無線射頻收發(fā)一體型芯片內(nèi)部甚至還集合了單片機單元以及 CPLD 單元，允許用戶直接對其進行編程，是一種高集成度的多功能芯片。單片射頻集成電路的選擇直接決定了無線 傳輸 系統(tǒng) 的功能和成本。其優(yōu)點是通過信道的信號頻譜比較窄，信道利用率高，缺點是由于基帶信號是連續(xù)的，混入噪聲干擾后不易清除，抗干擾能力差。 在本文所述的系統(tǒng)設計中，在無線部分，我們使用 了 基于 PTR20xx 的無線收發(fā)系統(tǒng) ，它是基于 nRF2401 的無線通信數(shù)傳 系統(tǒng) 。該芯片具有待機模式 ， 可以更省電和高效。 LabVIEW 編程語言和常規(guī)的程序語言不同，它 是一種定位于非計算機專業(yè)人員使用的編程工具。不是書寫一行行語句，而是連線一個個代表一定功能的圖表，因而更為直觀、易用。 輸入 信號經(jīng)模數(shù)轉換電路轉換為數(shù)字信號，經(jīng)數(shù)碼管顯示實現(xiàn)溫度采集。 While 循環(huán)執(zhí)行子程序框圖直到條件接線端（輸入端）接收到某一特定的布爾值。當條件接線端為 真 （ T） 時繼續(xù) 時， While 循環(huán)將執(zhí)行其子程序框圖直到條件接 線端接收到一個 FALSE 值。由于輸入控件的值只在循環(huán)開始前被讀取一次，因此改變控件的值并不能停止無限循環(huán)。 本設計中采用字符串至字節(jié)數(shù)組轉換，然 后用索引數(shù)組實現(xiàn)采集到的元素或子數(shù)組值來實現(xiàn)本系統(tǒng)中的四位數(shù)字顯示。除接受文本方程表達式外，公式節(jié)點還接收文本形式且為 C 語言編程者所熟悉的 if 語句 、 while 循環(huán) 、 for 循環(huán)和 do 循環(huán)。 公式節(jié)點使用類型檢查以確保數(shù)組索引是數(shù)值數(shù)據(jù)且位操作的操作數(shù)是整數(shù)。在模數(shù)轉換電路中共有八通道信號輸入，在顯示電路中能夠進行八通道數(shù)據(jù)循環(huán)顯示，然后通過無線傳輸系統(tǒng)進行多通道信號循環(huán)采集并傳輸。 基于 nRF2401的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng) –13– 4 無線傳輸 nRF2401 無線射頻收發(fā)一體芯片 經(jīng)歷了幾年的發(fā)展， RF 無線射頻收發(fā)一體芯片趨于成熟，被廣泛應用與近距離通訊、監(jiān)控安防等領域，國外各大電子元件生產(chǎn)商都推出了自己的嵌入式射頻收發(fā)一體型芯片。它采用 SoC 方法設計，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。 其中 nRF2401 具有以下特點： （ 1） nRF2401 工作于全球開放的 ~ GHzISM 免申請頻段共 125 個頻點，可滿足多頻點及跳頻需要；最高速率可達 1 Mb/s，低能耗；發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)通過軟件設置 完成，工作電壓 ~；每個芯片可以通過軟件設置多達 40b 的地址，只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)并提供一個中斷指示，編程方便。 其中 ShockBurstTM 的配置字可以分為 4 個部分： 基于 nRF2401的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng) –15– （ 1） 數(shù)據(jù)寬度：聲明射頻數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)占用的位數(shù)，使 nRF2401 能夠區(qū)分接收數(shù)據(jù)包中的和循環(huán)冗余校驗碼 。 CLK CLK2 為通道 2 時鐘信號端 ， 由控制器提供 ， 在突發(fā)模式下 ， 控制器在時鐘上升沿由 DATA 引腳向 nRF2401 寫入數(shù)據(jù) ， 在下降沿從 nRF2401 的 DATA 引腳讀出數(shù)據(jù) ； DR DR2 為通道 2 接收數(shù)據(jù)就緒信號端 ； DATA、 DOUT 為通道 2 數(shù)據(jù)端 ， 控制器與 nRF2401由 CLK、 DR 和 DATA 組成的三線接口交換傳輸?shù)臄?shù)據(jù) ， 通道 1 可接收和發(fā)送數(shù)據(jù) ， 通道 2 只能接收數(shù)據(jù) 。 配置方式下控制器寫狀態(tài)字的過程與激活方式下向 nRF2401 寫入數(shù)據(jù)的過程完全相同 ， 都經(jīng)由 CLK、 DR 和基于 nRF2401的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng) –16– DATA 組成的三線接口完成 。 當 ADDRESS 第 1 位為 0 時 ， 包頭取值為 ―01010101‖， 反之則為 “ 10101 010” 。 PLYLOAD 段為待發(fā)送數(shù)據(jù)段 ， 長度為幀長度減去 ADDRESS 段和 CRC 段的長度 .發(fā)送數(shù)據(jù)時 ， 控制器將數(shù)據(jù)寫 入 nRF2401，控制其將數(shù)據(jù)按幀格式打包無線發(fā)送 ； 接收數(shù)據(jù)時 ， nRF2401 一旦檢測到符合本機硬件地址的數(shù)據(jù)幀 。 nRF401 的卓越性能使得 PTR20xx 成為超小型、超低功耗、高速率的無線收發(fā)數(shù)據(jù)傳輸 MODEM。 Top View 1 VCC 2 CS 3 DO 4 DI 5 GND 6 PWR 7 TXEN 基于 nRF2401的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng) –18– 圖 PTR20xx 無線通信模塊引腳排列圖 本設計中的 PTR20xx 與 PC 機以及單片機的電路如圖 ， 圖 所示 圖 PTR20xxPC 電路圖 圖 PTR20xx89S51 電路圖 基于 nRF2401的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng) –19– 芯片 從休眠狀態(tài)到接收狀態(tài)的轉換時間為 3ms， 所以處于接收狀態(tài)的時間不能小于3ms。系統(tǒng)間歇周期為 1s，即在 1s 內(nèi) ， nRF401 處于接收狀態(tài)的時間為 10ms。 發(fā)送接收程序是數(shù)據(jù)傳送的主要部分 ， 在判斷到有效的數(shù)據(jù)幀頭后 ， 從中 提取 ID號 ， 與自身的 ID 號對比 ， 如果與自身 ID 號不相符 ， 則重新進入節(jié)電狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)不正確 ,重新向傳感器模塊發(fā)送取數(shù)據(jù)命令 ； 如果數(shù)據(jù)正確 ,通過串口 1 把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)收到錯誤信息后 ， 會重新發(fā)送數(shù)據(jù)。基于 RS232 協(xié)議的串行口是 PC 的標準接口，且其硬件簡單、易于操作，而成為單片機應用系統(tǒng)與 PC 機短距離通訊的理想選擇。軟件除了具有對采集過程的控制功能外，還應能實時顯示接收的數(shù)據(jù)曲 線，從而使數(shù)據(jù)采集過程可視化。 ANT1 和 ANT2 是 nRF2401接收時天線的輸入以及發(fā)送時功率放大器的輸出。 功率放大器輸出的是兩個開路輸出三極管，配置成差分配對方式，功率放大器的VDD 必須通過集電極。 (1)晶振電路 AT89S51[6]內(nèi)部有一個用于構成振蕩器的高增益的反向放大器，引腳 XTAL1 和XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。 本系統(tǒng)中晶振頻率采用 ， C1 和 C2 分別 采用 22/30pF。 圖 、圖 分別為上電復位和上電開關電路的原理圖。電路原理圖如圖 所示： 圖 數(shù)碼管顯示原理圖 七段數(shù)碼管字形代碼表 如表 所示 ： 表 七段數(shù)碼管字形代碼表 顯示字形 g f e d c b a 段碼 0 0 1 1 1 1 1 1 3fh 1 0 0 0 0 1 1 0 06h 2 1 0 1 1 0 1 1 5bh 3 1 0 0 1 1 1 1 4fh 4 1 1 0 0 1 1 0 66h 5 1 1 0 1 1 0 1 6dh 6 1 1 1 1 1 0 1 7dh 7 0 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