【文章內(nèi)容簡介】 FIFO和RXFIFOl 可設(shè)置最高為10dBm的發(fā)射功率l 模塊工作電壓為：，并且在待機(jī)模式下電流只有200nAl 具有高靈敏度：433MHz、1%誤碼率時(shí)僅為116dBml l 支持RSSI和LQIl 模塊還提供了對同步字地址校驗(yàn)、檢測、靈活的數(shù)據(jù)包長度以及自動CRC處理的支持l 支持多種調(diào)制模式如：MSK、ASK、GFSK、OOK、4FSK和2FSKl 模塊通過4線SPI接口與MCU連接，并同時(shí)提供2個(gè)可設(shè)定功能的通用數(shù)字輸出引腳l l 低電流消耗：l 工作溫度范圍：40℃～+85℃ CC1101無線模塊電路設(shè)計(jì)射頻電路的設(shè)計(jì)相對于其他電路要更加復(fù)雜，常見的電路理論，如基爾霍夫電路理論，將不再適用于射頻電路的設(shè)計(jì)。在射頻電路中，所有的元器件和電路布線都需用分布參數(shù)來分析。本設(shè)計(jì)使用的CC1101芯片在構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)，所有的射頻部分都封裝在芯片內(nèi)部，我們只需要通過SPI接口軟件驅(qū)動芯片，進(jìn)行一些功能的設(shè)定，就可以完成無線收發(fā)了。為了提高通信距離，減小數(shù)據(jù)誤碼率，在電源出入端接入合適的濾波電容，減小電源紋波，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。在天線匹配端，使用TI官方的參考設(shè)計(jì)，到到最佳的阻抗匹配效果。天線部分使用50歐姆的彈簧天線就能達(dá)到不錯(cuò)的效果。 CC1101無線模塊原理圖 傳感網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)計(jì)傳感網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，本系統(tǒng)所有的操作都是基于傳感網(wǎng)絡(luò)檢測到的數(shù)據(jù)。為了提高本系統(tǒng)的性能，就必須要提高傳感器的測量精度和響應(yīng)速度。在傳感器電路設(shè)計(jì)中，我們需要考慮到電源、輸入輸出范圍等因素，合理的電路設(shè)計(jì)顯得至關(guān)重要。SHT10屬于瑞士Sensirion公司貼片系列溫濕度傳感器芯片。傳感器集傳感元件和信號處理電路于一塊微型基板上（其中包括：一個(gè)電容性聚合體測濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測溫元件，一個(gè)14位的AD轉(zhuǎn)換器及串行接口電路），輸出已經(jīng)標(biāo)定的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。傳感器采用專利的CMOSens174。技術(shù)，其保證了產(chǎn)品具有很高的可靠性和長期穩(wěn)定性。最值得一提的是該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、響應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，高精度兩線制數(shù)字接口，可直接與單片機(jī)相連。[5]。 SHT10引腳功能圖 氣體傳感器電路設(shè)計(jì)MG811型CO2氣體傳感器由固體電解質(zhì)層、金電極、鉑引線、加熱器、陶瓷管、雙層不銹鋼網(wǎng)、鍍鎳銅卡環(huán)、膠木基座、針狀鍍鎳銅管腳組成。該傳感器具有靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性和再現(xiàn)性，受溫濕度的變化影響較小。廣泛的應(yīng)用于空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)、發(fā)酵過程控制、溫室CO2濃度檢測等領(lǐng)域[6]。本設(shè)計(jì)中將氣體傳感器輸出信號經(jīng)過一個(gè)比較器后TTL輸出，可直接與控制器相連，同時(shí)也預(yù)留模擬輸出端口，方便改進(jìn)。整個(gè)模塊具有使用壽命長、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快速等特點(diǎn)。 MG811氣體傳感器模塊電路原理圖 光照強(qiáng)度電路設(shè)計(jì)光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器，入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器廣泛應(yīng)用于光的測、光的控制和光電轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。本模塊中將光敏電阻器和比較器結(jié)合使用，外接電位器實(shí)現(xiàn)靈敏度的調(diào)節(jié)，同時(shí)輸出模擬電壓和數(shù)字開關(guān)量，通過AD轉(zhuǎn)換，可獲得環(huán)境光照強(qiáng)度的精確值。 光照強(qiáng)度測量電路原理圖 熱釋紅外傳感器電路設(shè)計(jì)熱釋紅外傳感器能將接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號,廣泛的應(yīng)用于防盜報(bào)警系統(tǒng)中，具有本身無輻射、功耗小，隱蔽性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會發(fā)出特定波長10UM左右的紅外線 。本模塊中配合高性能的傳感信號處理芯片BISS0001構(gòu)成被動式的熱釋電紅外開關(guān)。它能自動快速開啟各類白炙燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場、庫房及家庭的過道等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動燈光、照明和報(bào)警系統(tǒng)。[7]。 熱釋電紅外電路原理 TFT真彩液晶電路TFT即是薄膜場效應(yīng)晶體管；它是由集成在其后的薄膜晶體管來驅(qū)動液晶顯示器上的每一液晶象素點(diǎn)。因此可以做到高速度、高亮度、高對比度顯示屏幕信息。TFT屬于有源矩陣液晶顯示器。TFT液晶每個(gè)像素點(diǎn)都設(shè)有半導(dǎo)體開關(guān)，每個(gè)像素點(diǎn)都能通過點(diǎn)脈沖來直接控制，因而它的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有相對獨(dú)立特性，并可以進(jìn)行連續(xù)控制，這不僅可以提高顯示屏的響應(yīng)速度，同時(shí)可以精確的控制顯示屏的顯示色階。顯示屏由許多可以發(fā)出任意顏色的光線的象素組成，只要控制各個(gè)象素顯示相應(yīng)的顏色就能達(dá)到目的了。在TFT LCD中一般采用背光技術(shù)，為了能精確地控制每一個(gè)象素的顏色[8]。TFT液晶顯示屏具有很多優(yōu)點(diǎn)，如亮度好，對比度高、層次感強(qiáng)、顏色鮮艷，但同時(shí)也存在成不高、耗電大等缺點(diǎn)；TFT液晶技術(shù)加快了手機(jī)彩屏的發(fā)展，新一代的彩屏手機(jī)中大多數(shù)都支持65536色顯示，甚至有的支持16萬色顯示，這時(shí)TFT的高對比度，色彩豐富的優(yōu)勢就很重要了。其中 T_IRQ是用來調(diào)節(jié)液晶亮度的。D0~D15為數(shù)據(jù)輸入輸出端口，其余I/O口為TFT液晶的控制端口。 TFT液晶接口電路第四章 軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)平臺軟件是用戶控制硬件的主要途徑。用戶主要是通過軟件與硬件系統(tǒng)進(jìn)行交流。軟件是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。為了方便系統(tǒng)開發(fā)，為了使硬件系統(tǒng)具有較高的總體效用，在設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)時(shí)，必須全局考慮軟件與硬件的結(jié)合，以及用戶的要求和軟件的要求。本硬件系統(tǒng)的MCU采用的是STM32F103系列的ARM處理器。該處理器的軟件開發(fā)平臺是主要有Keil 和IAR，本設(shè)計(jì)采樣熟悉Keil ARM軟件。Keil是德國知名軟件公司Keil（現(xiàn)已并入ARM 公司）開發(fā)的微控制器軟件開發(fā)平臺，是目前ARM內(nèi)核單片機(jī)開發(fā)的主流工具。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些功能組合在一起。它的界面和常用的微軟VC++的界面相似，界面友好，易學(xué)易用，在調(diào)試程序，軟件仿真方面也有很強(qiáng)大的功能。因此很多開發(fā)ARM應(yīng)用的工程師，都對它十分喜歡。 Keil for ARM集成開發(fā)環(huán)境界面圖，其中軟件界面均包括程序編輯區(qū)、項(xiàng)目管理區(qū)、工具欄、菜單欄及調(diào)試狀態(tài)區(qū)。程序編輯區(qū)用于編輯程序代碼；項(xiàng)目管理區(qū)用于管理打開的項(xiàng)目；工具欄及菜單欄用于管理工程及程序的常用操作；調(diào)試狀態(tài)欄用于觀測調(diào)試狀態(tài)。 Keil for ARM集成開發(fā)環(huán)境界面圖 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括四部分，分別為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、主控制器STM32L103的程序設(shè)計(jì)、CC1101協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)、CC1101監(jiān)控節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)。 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要應(yīng)用在養(yǎng)殖場的綜合監(jiān)控，統(tǒng)一管理,通過上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)對溫度、濕度參數(shù)的自動調(diào)節(jié)與控制。軟件主要功能設(shè)計(jì)有顯示監(jiān)控點(diǎn)實(shí)時(shí)溫濕度測量值；歷史記錄、歷史曲線查詢并可打印輸出；上下限報(bào)警并記錄報(bào)警值，可查詢報(bào)警歷史報(bào)警記錄；自動統(tǒng)計(jì)溫濕度數(shù)據(jù)的最大值、最小值及平均值；自動報(bào)警，當(dāng)被測量值超過上下限報(bào)警值時(shí)監(jiān)控主機(jī)可報(bào)警；報(bào)警時(shí)，可自動發(fā)送短信到手機(jī)，輕松實(shí)現(xiàn)無人值守；通過軟件對儀表參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)的主界面效果圖 主控制器STM32L103的程序設(shè)計(jì)主控制器的程序設(shè)計(jì)主要完成以下幾個(gè)功能：1)與緊密連接在一起的協(xié)調(diào)器配合組建成監(jiān)控?zé)o線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)上傳下送；2)當(dāng)有檢測到養(yǎng)殖場溫度、濕度等參數(shù)有異常時(shí)，自動通過GSM向用戶發(fā)送短信息報(bào)警；3)實(shí)時(shí)的將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳至PC機(jī)，以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的統(tǒng)一監(jiān)控。并能根據(jù)PC發(fā)送下來的信息對整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和參數(shù)設(shè)置；4)系統(tǒng)單機(jī)運(yùn)行時(shí)，液晶顯示當(dāng)前監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，方便用戶查看，并可通過鍵盤進(jìn)行控制和參數(shù)設(shè)置。 主控制中心 液晶顯示無線傳感網(wǎng)絡(luò)無線傳感網(wǎng)絡(luò) PC機(jī) 鍵盤 控制中心的組成框圖 CC1101協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器首先完成協(xié)議棧中的應(yīng)用層初始化，將應(yīng)用層收發(fā)狀態(tài)設(shè)為空閑，然后打開全局中斷并初始化無線連接端口。接著協(xié)調(diào)器開始建立無線星形網(wǎng)絡(luò)。協(xié)議中協(xié)調(diào)器自動選擇433M的頻段，默認(rèn)的個(gè)域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)號(PANID)是0x1348，最大單次發(fā)送的字節(jié)數(shù)為128。在網(wǎng)絡(luò)建立成功后，協(xié)調(diào)器將其地址傳送給控制中心STM32F103，然后程序進(jìn)入主循環(huán)。首先判斷是否有終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的新數(shù)據(jù)，如果有，則直接把這個(gè)數(shù)據(jù)傳送至控制中心STM32F103；判斷控制中心STM32F103是否有指令下傳，如果有則將下傳的指令發(fā)送到相應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)。開始1協(xié)議初始化建立網(wǎng)絡(luò)傳送設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)向控制中心注冊接收控制中心的指令并轉(zhuǎn)發(fā)命令到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn) CC1101協(xié)調(diào)器程序流程圖 CC1101監(jiān)控節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)CC1101監(jiān)控節(jié)點(diǎn)是指由CC1101協(xié)調(diào)器控制的無線節(jié)點(diǎn)，在系統(tǒng)中主要是監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和控制溫濕度等參數(shù)的控制器。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的初始化同樣包括協(xié)議棧中的應(yīng)用層初始化，打開打開全局中斷并初始化無線連接端口，并嘗試加入網(wǎng)絡(luò)。再加入網(wǎng)絡(luò)的過程中：只有和協(xié)調(diào)器設(shè)置一致時(shí)，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)才能加入到網(wǎng)絡(luò)中。如果監(jiān)控節(jié)點(diǎn)嘗試加入網(wǎng)絡(luò)失敗，則每兩秒重新嘗試一次，直至順利加入到網(wǎng)絡(luò)中。入網(wǎng)成功后，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)將其注冊信息發(fā)送至協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)至控制中心STM32F103。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)完成入網(wǎng)注冊后，則初始化傳感器和相應(yīng)的控制器，然后程序進(jìn)入死循環(huán)，定時(shí)的將監(jiān)控節(jié)點(diǎn)測量的數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器；若收到協(xié)調(diào)器控制命令，則控制相應(yīng)的控制器調(diào)節(jié)參數(shù)，如收到溫度控制命令，溫度監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，則調(diào)節(jié)溫度控制器使養(yǎng)殖場的溫度設(shè)定在新的溫度范圍內(nèi)。YesYes開始獲取傳感器數(shù)據(jù)協(xié)議初始化根據(jù)控制命令設(shè)置控制器向協(xié)調(diào)器發(fā)送入網(wǎng)請求初始化傳感器和控制器入網(wǎng)成功？延時(shí)一定時(shí)間后再次發(fā)送入網(wǎng)請求1延時(shí)一定時(shí)間后數(shù)據(jù)上傳至協(xié)調(diào)器收到協(xié)調(diào)器的控制命令？No CC1101監(jiān)控節(jié)點(diǎn)程序流程圖 通信協(xié)議分析通信協(xié)議可以根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)用的需求，并為設(shè)備的功能擴(kuò)展留有足夠的空間，本通信協(xié)議包含了設(shè)備控制、參數(shù)監(jiān)控以及設(shè)備參數(shù)設(shè)置等內(nèi)容。通信協(xié)議嚴(yán)格規(guī)定了各信息幀格式和幀中數(shù)據(jù)的位數(shù)，協(xié)議分為四類幀結(jié)構(gòu)：握手類幀結(jié)構(gòu)、控制類幀結(jié)構(gòu)、監(jiān)測類幀結(jié)構(gòu)、維護(hù)類幀結(jié)構(gòu)。各類幀充分考慮了與硬件的優(yōu)化結(jié)合[9]。 握手類幀結(jié)構(gòu)握手類幀結(jié)構(gòu)是設(shè)備與主機(jī)聯(lián)機(jī)的一類幀結(jié)構(gòu)。主機(jī)向設(shè)備發(fā)送詢問幀,如果設(shè)備開機(jī),則設(shè)備向接口發(fā)送應(yīng)答幀,接口接收到設(shè)備發(fā)送的應(yīng)答幀后,握手成功,可以進(jìn)行下一步操作。握手類幀結(jié)構(gòu)為： 無效字 幀頭 設(shè)備IDCRC8校驗(yàn) 幀尾 4(Byte) 2(Byte) 2(Byte) 2(Byte) 2(Byte)無效字作用：在中斷接收過程中第一個(gè)字容易丟失，無效字能提高幀接收的正確性。幀頭作用： 數(shù)據(jù)幀的開始，用于區(qū)分幀的類型。設(shè)備ID： 設(shè)備的身份，用于通信中區(qū)分各設(shè)備。CRC8校驗(yàn)：提高數(shù)據(jù)通信的正確性。幀尾： 數(shù)據(jù)幀的結(jié)束，用于判斷數(shù)據(jù)幀的結(jié)束 監(jiān)測類幀結(jié)構(gòu)監(jiān)測類幀結(jié)構(gòu)是對于需要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測類功能而制定的幀結(jié)構(gòu),監(jiān)測類幀可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備各參數(shù)與狀態(tài)的監(jiān)測。當(dāng)設(shè)備接收到主設(shè)備發(fā)送的監(jiān)測類信息幀后,根據(jù)信息幀中要求,向主設(shè)備發(fā)送包含監(jiān)測內(nèi)容的響應(yīng)幀。監(jiān)測類幀結(jié)構(gòu)為：無效字幀頭設(shè)備ID監(jiān)測標(biāo)識CRC8校驗(yàn)幀尾4(Byte)2(Byte)2(Byte)2(Byte)2(Byte)2(Byte)當(dāng)設(shè)備接收到主設(shè)備發(fā)送的監(jiān)測類信息幀后,向主設(shè)備發(fā)送響應(yīng)幀其幀結(jié)構(gòu)為：無效字 幀頭 設(shè)備ID監(jiān)測數(shù)據(jù)包CRC8校驗(yàn) 幀尾 4(Byte)2(Byte) 2(Byte) 12(Byte) 2(Byte)2(Byte) 控制類類幀結(jié)構(gòu) 控制類幀結(jié)構(gòu)是對于需要實(shí)現(xiàn)控制類功能而制定的結(jié)構(gòu),控制類幀可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的開、關(guān)機(jī)等控制。主機(jī)向設(shè)備發(fā)送控制類幀,設(shè)備接收到控制類幀,并執(zhí)行該制類幀中所包含的命令,同時(shí)向主機(jī)發(fā)送響應(yīng)幀,主機(jī)接到響應(yīng)幀后,得知操作正確。控制類幀結(jié)構(gòu)：無效字幀頭設(shè)備ID命令字CRC8校驗(yàn)幀尾4(Byte)2(Byte)2(Byte)8(Byte)2(Byte)2(Byte)控制響應(yīng)幀結(jié)構(gòu)： 無效字 幀頭 設(shè)備ID 控制響應(yīng)字CRC校驗(yàn) 幀尾 4(Byte)2(Byte) 2(Byte) 4(Byte) 2(Byte) 2(Byte) 數(shù)據(jù)傳輸過程在數(shù)據(jù)傳輸過程中，當(dāng)主機(jī)向設(shè)備發(fā)送請求信息時(shí),設(shè)備對信息幀進(jìn)行解碼,按照協(xié)議規(guī)定,從存儲器調(diào)取相關(guān)信息,經(jīng)過處理,再按照協(xié)議規(guī)定的格式,通過串口,以信息幀方式向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù),主機(jī)接收到設(shè)備發(fā)送的信息幀,主機(jī)控制系統(tǒng)按照協(xié)議規(guī)定的格式對信息幀進(jìn)行解碼,提取所需信息,并最終在對應(yīng)顯示區(qū)域內(nèi)顯示。 聯(lián)機(jī)調(diào)試將主機(jī)通過串口和電腦相連，各個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)通過433無線網(wǎng)絡(luò)連接和主機(jī)相連。打開PC客戶端軟件，設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，相主機(jī)發(fā)送各組命令，查看調(diào)試結(jié)果，測試系統(tǒng)的在不同環(huán)境下長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的丟包率。