【正文】 隨時(shí)監(jiān)測(cè)水位及相關(guān)水資源被污染的信息；在山區(qū)中泥石流、滑坡等自然災(zāi)害容易發(fā)生的地方布設(shè)節(jié)點(diǎn)，可提前發(fā)出預(yù)警，以便做好準(zhǔn)備，采取相應(yīng)措施，防止進(jìn)一步的惡性事故的發(fā)生；可在林區(qū)鋪設(shè)這些傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)森林火警，一旦有危險(xiǎn)，可立刻發(fā)出警報(bào)，消防人員也可以利用個(gè)人數(shù)字助理(PDA)生成監(jiān)測(cè)區(qū)域的溫度梯度場(chǎng)，以確定高溫區(qū)域：類(lèi)似的應(yīng)用還包括化工廠的事故監(jiān)控等。美國(guó)《今同防務(wù)》雜志更認(rèn)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展，將引起一場(chǎng)劃時(shí)代的軍事技術(shù)革命和未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的變革。第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)采用大量的具有多功能多信息獲取能力的傳感器，在通信方式上采用自組織無(wú)線接入，從而構(gòu)成了現(xiàn)代意義的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)殡姵啬芰亢谋M或其他故障從運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)中退出；也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)：（1）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括了大面積的空間分布：比如在軍事應(yīng)用方面，可以將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在戰(zhàn)場(chǎng)上跟蹤敵人的軍事行動(dòng)，智能化的終端可以被大量地裝在宣傳品、子彈或炮彈殼中，在目標(biāo)地點(diǎn)撒落下去，形成大面積的監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)。特別對(duì)于一些特定環(huán)境中，例如古建筑、惡劣的污染壞境，布線困難或者無(wú)法布線的情況，采用無(wú)線方式傳感器網(wǎng)絡(luò)是較為合適的。通常這些裝置很小很便宜，以便可以大量制造和部署，因此它們的資源(能源、存儲(chǔ)、計(jì)算速度和帶寬)嚴(yán)重受限。關(guān)鍵詞： DS18B20，AT89C51，射頻，低功耗AbstractWireless sensor work is a municationscentric, nonwireless work infrastructure. Wireless sensor works by using the information that people can achieve rapid, largescale, automated collection and transmission. It can be widely used in national defense, environmental monitoring, logistics, high efficiency agriculture, transportation, health care, manufacturing and other fields.In this paper, based on AT89C51 microcontroller design of wireless sensor work node. DS18B20 collected by the temperature sensor temperature and after processing send out AT89C51 microcontroller. The design uses only the simulation circuit and programming.This article first describes the development of wireless sensor works and the future. The second section describes the wireless sensor work node hardware design. The third section describes the wireless sensor work node software design.Key words: DS18B20, AT89C51, RF, low power consumption目錄摘 要 IABSTRACTII引言 11 緒論 2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究背景 2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程 3 無(wú)線傳感器技術(shù)的應(yīng)用與研究 4 論文研究的內(nèi)容 52 無(wú)線傳感器 網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì) 5 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 5 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu) 6 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案論證 7 方案展示 7 最終確定的方案 10 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作原理 10 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì) 10 傳感器單元 10 DS18B20 10 DS18B20 的使用方法 12 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 12 DS18B20 的通信協(xié)議 14 DS18B20 控制方法 16 DS18B20 具體電路 17 處理器模塊 17 主控制器 AT89C51 的基本結(jié)構(gòu) 18 AT89C51 引腳及其功能 18 電源模塊 19 射頻模塊 20 無(wú)線射頻芯片 CC250020 射頻單元與單片機(jī)的連接 21 串口設(shè)計(jì) 21 串口的任務(wù) 21 串口的波特率 22 串口有關(guān)的寄存器 22 串口的電路設(shè)計(jì) 233 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì) 23 開(kāi)發(fā)環(huán)境 23 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 24 設(shè)計(jì)功能 24 數(shù)據(jù)采集部分的主程序設(shè)計(jì) 25 讀出溫度子程序 26 顯示溫度子程序 274 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信設(shè)計(jì) 29 射頻通信設(shè)計(jì) 29 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)之間的通訊設(shè)計(jì) 29 數(shù)據(jù)通信包設(shè)計(jì) 325 仿真結(jié)果與分析 33 PROTEUS 33 仿真輸出 34 軟件程序仿真結(jié)果 34 電路仿真結(jié)果 34 仿真結(jié)果分析 36結(jié)論 37致謝 38參考資料 39引言無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是近年來(lái)得到迅速發(fā)展和普遍重視的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它的出現(xiàn)和發(fā)展對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了極其深刻的影響。 電池供電。 完成由無(wú)線傳輸方式實(shí)現(xiàn)通信功能。第一部分是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展概況和未來(lái)，第二部分是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，第三部分是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)。傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是由許多空間分布的裝置組成的一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，這些裝置使用傳感器監(jiān)控不同位置的條件(比如溫度、聲音、振動(dòng)、壓力、運(yùn)動(dòng)或污染物)。我們注意到傳感器是為了監(jiān)控不同位置的條件，比如溫度、聲音、振動(dòng)，壓力、運(yùn)動(dòng)的信息，所以其安裝位置一般來(lái)說(shuō)都是具有典型代表性的。但是基于光線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的用途和優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的通信隊(duì)議和路由算法已經(jīng)成為了當(dāng)前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域內(nèi)急待研究的課題。（5）網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)拓?fù)?、多跳路由：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)。從上世紀(jì)末開(kāi)始，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量多功能傳感器被運(yùn)用，第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成。同年，美國(guó)《商業(yè)周刊》未來(lái)技術(shù)專(zhuān)版，在論述四大新技術(shù)時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也被列入其中。目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要集中在以下領(lǐng)域：環(huán)境的監(jiān)測(cè)和保護(hù)，隨著人們對(duì)于環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注程度越來(lái)越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來(lái)越多，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利，并且還可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來(lái)的侵入式破壞。該系統(tǒng)在鞋、家具、以及家用電器等嵌入傳感器，幫助老年人、患者及殘障人士獨(dú)立地進(jìn)行家庭生活，必要時(shí)通過(guò)WSN向醫(yī)務(wù)人員、社會(huì)工作者請(qǐng)求幫助。比如2022年，美國(guó)軍方成功測(cè)試了由美國(guó)Crossbow產(chǎn)品組建的槍聲定位系統(tǒng)。無(wú)線通信協(xié)議是軟件中的一個(gè)重要問(wèn)題，它直接關(guān)系到節(jié)點(diǎn)的各方面性能。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的終端和路由器雙重功能，除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對(duì)其它節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合等處理，同時(shí)與其它節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)。從處理器的角度看，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基本可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)采用以ARM 處理器為代表的高端處理器。這些特點(diǎn)都保證了可編制出高效率的源程序。最終確定選擇方案三的AT89C51，因?yàn)?1單片機(jī)具有好的適用性和強(qiáng)大的功能。 芯 片 能 耗 非 常 低 ， 以 5dBm的 功 率 發(fā) 射 時(shí) ， 工作 電 流 只 有 ， 接 收 時(shí) 工 作 電 流 只 有 18mA， 多 種 低 功 率 工 作 模 式 ， 節(jié) 能 設(shè)計(jì) 更 方 便 。在選擇無(wú)線收發(fā)芯片時(shí)應(yīng)考慮需要以下幾點(diǎn)因素：功耗、發(fā)射功率、接收靈敏度、收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量、芯片成本、數(shù)據(jù)傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼等。（4）收發(fā)芯片的數(shù)據(jù)傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼。它的外圍電路簡(jiǎn)單，使整個(gè)電源在PCB上的面積大大降低。對(duì)于大電流工作的傳感器，I/O 口不能直接驅(qū)動(dòng)傳感器，通常使用場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)控制后級(jí)電路能量輸入。傳感器獲得信息正確與否，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的精度，如果傳感器的誤差較大則隨后的測(cè)量電路、放大電路以及微處理器的精確度再高也是徒勞的，因此正確選用傳感器尤為重要?？偩€命令者可以是PC機(jī)或者普通的單片機(jī)，從者是DALLAS公司提供的單總線器件芯片。如圖24：24 DS18B20連接設(shè)計(jì)圖DS18B20 采用３腳 PR－35 封裝或８腳 SOIC 封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 所示。由于 DS18B20 是在一根 I/O 線上讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。溫度報(bào)警觸發(fā)器ＴＨ和ＴＬ，可通過(guò)軟件寫(xiě)入戶報(bào)警上下限。由表 22 可見(jiàn)，DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間比較長(zhǎng)，而且分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)。表 23 是一部分溫度值對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)類(lèi)型：復(fù)位脈沖，應(yīng)答脈沖時(shí)隙；寫(xiě) 0，寫(xiě) 1 時(shí)隙；讀 0，讀 1 時(shí)隙。如圖 29圖29③讀時(shí)隙DS18B20 器件僅在主機(jī)發(fā)出讀時(shí)隙時(shí)，才向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。并且在時(shí)隙起始后的 15us 之內(nèi)采樣總線的狀態(tài)。AT89C51 主要性能參數(shù)：? 與 MCS51 產(chǎn) 品 指 令 系 統(tǒng) 完 全 兼 容? 4K 字 節(jié) 可 重 擦 寫(xiě) Flash 閃 速 存 儲(chǔ) 器? 1000 次 擦 寫(xiě) 周 期? 全 靜 態(tài) 操 作 ： 0HZ24MHZ? 三 級(jí) 加 密 程 序 存 儲(chǔ) 器? 128X8 字 節(jié) 內(nèi) 建 RAM? 32 個(gè) 可 編 程 I/O 口 線? 2 個(gè) 16 位 定 時(shí) /計(jì) 數(shù) 器? 6 個(gè) 中 斷 源? 可 編 程 串 行 UART 通 道? 低 功 耗 空 閑 和 掉 電 模 式單片機(jī) AT89C51 具有低電壓供電和體積小等特點(diǎn)，四個(gè)端口只需要兩個(gè)口就能滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)使用系統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。CC2500基于Chipcon公司的SmartRF03技術(shù)，以0．1 8um CMOS工藝制成。兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波和放大后，直接通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter，ADC)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。CC2500內(nèi)部使用1．8V工作電壓，因而功耗很低，適合于電池供電的設(shè)備；外部數(shù)字I／O接口使用3．3V電壓，這樣可以保持和3．3V邏輯期問(wèn)的兼容性。CC2500原理圖如圖215：圖215 CC2500原理圖 射頻單元與單片機(jī)的連接單片機(jī)通過(guò)串口與無(wú)線模塊相連。（4）進(jìn)行傳送錯(cuò)誤檢測(cè)在發(fā)送時(shí)，接口對(duì)傳送的數(shù)據(jù)自動(dòng)生成奇偶校驗(yàn)位或校驗(yàn)碼；在接受時(shí)接口檢查校驗(yàn)位或校驗(yàn)碼，以確定傳送中是否有誤碼。TB8:在方式2，3中，TB8是發(fā)送機(jī)要發(fā)送的第9位。在串行方式3的波特率計(jì)算中，SMOD=0，波特率不加倍；SMOD=1，波特率加1倍。用來(lái)顯示單片機(jī)成功傳送了數(shù)據(jù)。Keil提供包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，由以下幾部分組成：μVision IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（包括①工程管理器、②源程序編輯器、③程序調(diào)試器） 、C51編譯器、A51匯編器、LIB51庫(kù)管理器、BL51連接/定位器、OH51目標(biāo)文件生成器以及 Monitor5RTX51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。因?yàn)闂l件限制，這里采用一個(gè)顯示電路表示數(shù)據(jù)的采集成功與否。SPI 接口上的所有的地址和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換被最先在重要的位上處理。當(dāng)數(shù)據(jù)開(kāi)始傳送時(shí)，GD02 腳拉高，當(dāng)傳送結(jié)束時(shí)，GD02 腳回復(fù)低電平狀態(tài)。導(dǎo)言、同步字與 CRC 校驗(yàn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)是由 CC2500 自動(dòng)添加，在接收時(shí)由硬件自動(dòng)去除，在信道特性較好的場(chǎng)合，為提高識(shí)別速度，可設(shè)定 16 位的導(dǎo)言與 16 位的同步字。② 具 有 模 擬 電 路 仿 真 、 數(shù) 字 電 路 仿 真 、 單 片 機(jī) 及 其 外 圍 電 路 組 成 的 系 統(tǒng) 的 仿真 、 RS232 動(dòng) 態(tài) 仿 真 、 C 調(diào) 試 器 、 SPI 調(diào) 試 器 、 鍵 盤(pán) 和 LCD 系 統(tǒng) 仿 真 的 功 能 ；有 各 種 虛 擬 儀 器 ， 如 示 波 器 、 邏 輯 分 析 儀 、 信 號(hào) 發(fā) 生 器 等 。結(jié)論經(jīng)過(guò)這幾個(gè)月的努力，初步完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)所預(yù)想的目的。因此可以說(shuō)單片機(jī)的設(shè)計(jì)是軟件和硬件的結(jié)合，二者是密不可