【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 受護(hù) 理 。 2022年 美 國(guó) BEA系 統(tǒng) 公 司 為 提 高 美 軍 的 電 子 戰(zhàn) 能 力 而 研 發(fā) 的 “狼 群 地 面 無(wú)線(xiàn) 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 系 統(tǒng) 是 一 個(gè) 典 型 的 無(wú) 線(xiàn) 傳 感 器 電 磁 信 號(hào) 監(jiān) 測(cè) 網(wǎng) 絡(luò) ， 它 具 有 多 功 能 電 子戰(zhàn) 能 力 ， 不 僅 可 以 監(jiān) 聽(tīng) 地 方 雷 達(dá) 和 通 信 ， 分 析 地 方 的 網(wǎng) 絡(luò) 和 系 統(tǒng) 的 運(yùn) 動(dòng) ， 還 可 干 擾敵 方 發(fā) 射 機(jī) 或 用 算 法 包 來(lái) 滲 透 敵 方 的 計(jì) 算 機(jī) 。 2022年 美 國(guó) 軍 方 成 功 地 測(cè) 試 了 由 無(wú)線(xiàn) 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 組 建 的 槍 聲 定 位 系 統(tǒng) 。 它 是 將 節(jié) 點(diǎn) 安 置 在 建 筑 物 周 圍 ， 按 照 一 定 的 程序 組 建 成 網(wǎng) 絡(luò) 進(jìn) 行 突 發(fā) 事 件 的 的 檢 測(cè) ， 經(jīng) 鑒 定 其 精 度 可 達(dá) lm， 反 應(yīng) 時(shí) 間 短 于 3秒 ，為 救 護(hù) 、 反 恐 提 供 了 有 力 的 輔 助 手 段 。 采 用 無(wú) 線(xiàn) 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) ， 可 以 讓 大 樓 、 橋 梁 及其 他 建 筑 物 能 夠 感 知 并 匯 報(bào) 自 身 的 狀 態(tài) ， 從 而 讓 管 理 部 門(mén) 按 照 優(yōu) 先 級(jí) 來(lái) 進(jìn) 行 一 系 列的 維 修 工 作 ， 例 如 ， 將 具 有 溫 度 、 濕 度 、 壓 力 、 加 速 度 、 光 度 等 傳 感 器 的 節(jié) 點(diǎn) 布 放在 重 點(diǎn) 保 護(hù) 對(duì) 象 當(dāng) 中 ， 無(wú) 須 拉 線(xiàn) 鉆 孔 ， 便 可 有 效 地 對(duì) 建 筑 物 進(jìn) 行 長(zhǎng) 期 的 監(jiān) 測(cè) 。我 國(guó) 近 幾 年 也 加 快 了 無(wú) 線(xiàn) 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 研 究 步 伐 ， 中 科 院 上 海 微 系 統(tǒng) 研 究 所 、 沈陽(yáng) 自 動(dòng) 化 所 、 中 科 院 計(jì) 算 所 、 軟 件 所 、 電 子 所 和 合 肥 智 能 所 等 科 研 機(jī) 構(gòu) ， 哈 爾 濱 工業(yè) 大 學(xué) 、 清 華 大 學(xué) 、 北 京 郵 電 大 學(xué) 、 浙 江 大 學(xué) 、 國(guó) 防 科 技 大 學(xué) 和 中 國(guó) 科 技 大 學(xué) 等 院校 在 國(guó) 內(nèi) 較 早 地 展 開(kāi) 了 無(wú) 線(xiàn) 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 的 研 究 。 中 科 院 上 海 微 系 統(tǒng) 研 究 所 憑 借 其 在微 系 統(tǒng) 和 微 機(jī) 電 系 統(tǒng) 技 術(shù) 方 面 良 好 的 基 礎(chǔ) ， 從 1998年 開(kāi) 始 就 對(duì) 無(wú) 線(xiàn) 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 進(jìn)行 了 跟 蹤 和 研 究 ， 并 且 已 經(jīng) 通 過(guò) 系 統(tǒng) 集 成 的 方 式 完 成 了 一 些 終 端 節(jié) 點(diǎn) 和 基 站 的 研 發(fā) ，他 們 的 很 多 工 作 都 是 與 CDMA和 GPS技 術(shù) 相 關(guān) ， 從 某 種 程 度 上 說(shuō) 己 經(jīng) 超 越 了 無(wú) 線(xiàn) 傳 感器 網(wǎng) 絡(luò) 技 術(shù) 的 范 疇 ㈣ 。 中 科 院 計(jì) 算 所 (寧 波 )成 立 了 專(zhuān) 門(mén) 的 項(xiàng) 目 組 ， 開(kāi) 發(fā) 了 自 己 的系 列 節(jié) 點(diǎn) ， 配 套 協(xié) 議 棧 以 及 網(wǎng) 絡(luò) 管 理 軟 件 ， 以 提 供 一 個(gè) 實(shí) 驗(yàn) 和 研 究 平 臺(tái) 。 中 科 院 電子 所 和 沈 陽(yáng) 自 動(dòng) 化 所 也 分 別 從 傳 感 器 技 術(shù) 和 控 制 技 術(shù) 角 度 入 手 開(kāi) 展 工 作 ， 他 們 專(zhuān) 注于 傳 感 和 控 制 執(zhí) 行 部 分 ， 對(duì) 上 層 的 通 信 技 術(shù) 和 核 心 微 處 理 器 部 分 涉 及 較 少 。 浙 江 大學(xué) 現(xiàn) 代 控 制 工 程 研 究 所 成 立 了 “無(wú) 線(xiàn) 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 控 制 實(shí) 驗(yàn) 室 ， 聯(lián) 合 相 關(guān) 單 位 專(zhuān) 門(mén)從 事 面 向 無(wú) 線(xiàn) 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 的 分 布 自 治 系 統(tǒng) 關(guān) 鍵 技 術(shù) 及 協(xié) 調(diào) 控 制 理 論 方 面 的 研 究 。2022年 無(wú) 線(xiàn) 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 控 制 實(shí) 驗(yàn) 室 設(shè) 計(jì) 了 一 個(gè) 多 跳 無(wú) 線(xiàn) 輪 詢(xún) 網(wǎng) 絡(luò) ， 應(yīng) 用 于 敦 煌 微 氣象 環(huán) 境 檢 測(cè) ， 主 要 負(fù) 責(zé) 對(duì) 莫 高 窟 內(nèi) 溫 度 、 濕 度 以 及 二 氧 化 碳 濃 度 進(jìn) 行 檢 測(cè) 。 目 前 我國(guó) 無(wú) 線(xiàn) 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 的 研 究 取 得 了 二 定 的 成 就 ， 支 撐 無(wú) 線(xiàn) 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 的 關(guān) 鍵 技 術(shù) 研 究也 取 得 了 一 定 的 進(jìn) 展 ， 如 無(wú) 線(xiàn) 通 信 技 術(shù) 、 芯 片 集 成 技 術(shù) 的 成 熟 和 進(jìn) 步 。 但 從 研 究 問(wèn)題 的 深 度 和 投 入 的 科 研 力 量 來(lái) 說(shuō) ， 國(guó) 內(nèi) 的 水 平 相 對(duì) 國(guó) 外 還 有 差 距 ， 研 究 內(nèi) 容 多 數(shù) 還停 留 在 理 論 階 段 ， 開(kāi) 發(fā) 出 的 硬 件 和 軟 件 系 統(tǒng) 以 實(shí) 驗(yàn) 目 的 為 主 ， 仍 然 缺 少 對(duì) 整 個(gè) 系 統(tǒng)的 創(chuàng) 新 性 研 究 。 無(wú) 線(xiàn) 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 作 為 未 來(lái) 世 界 的 重 要 技 術(shù) 有 著 廣 闊 的 應(yīng) 用 前 景 ， 但要 想 讓 它 真 正 融 入 到 人 們 生 活 的 每 個(gè) 層 面 ， 還 需 要 我 們 開(kāi) 展 更 多 、 更 全 面 的 研 究 工作 。 課題研究的主要內(nèi)容根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目的要求和設(shè)計(jì)需要本次論文設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的監(jiān)控，本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是：1. 系統(tǒng)方案的論證和選擇；2. 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)；3. 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)；第 2 章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2．1 系統(tǒng)方案的論證方案一：如圖 21 所示：模擬型傳感器輸出模擬型號(hào)，經(jīng)過(guò)模擬緩沖，放大后經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換后接單片機(jī)。這樣，由于各種因素會(huì)造成檢測(cè)系統(tǒng)較大的偏差，有由于檢測(cè)系統(tǒng)環(huán)境復(fù)雜，檢測(cè)點(diǎn)多，信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)及各種干擾的影響，會(huì)使得檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性下降，而且這種設(shè)計(jì)要用到復(fù)雜的算法，硬件電路復(fù)雜，硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高。溫度傳感器 1溫度傳感器 2溫度傳感器 3模擬緩沖器放大 1 A/D 轉(zhuǎn)換 1A/D 轉(zhuǎn)換 2模擬緩沖器放大 1模擬緩沖器放大 1 A/D 轉(zhuǎn)換 3單片機(jī)Nrf21L01 圖 21 方案一原理框圖方案二：采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 測(cè)量溫度，輸出信號(hào)全數(shù)字化，可以直接接到單片機(jī)上，處理簡(jiǎn)單，可靠性高。原理圖如圖 22 所示。數(shù)字溫度傳感器 1數(shù)字溫度傳感器 2數(shù)字溫度傳感器 3單片機(jī)Nrf24L01無(wú)線(xiàn)模塊 圖 22 方案二原理框圖2．2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)原則構(gòu)建遠(yuǎn)程溫度采集網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要考慮數(shù)據(jù)的傳輸方式、通信的質(zhì)量、數(shù)據(jù)安全、是否便于安裝和成本等問(wèn)題。因?yàn)橐獙⑾到y(tǒng)應(yīng)用到多個(gè)辦公樓和鍋爐房之間，所以還要考慮周?chē)鷲毫拥沫h(huán)境所帶來(lái)的干擾。本設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮：(1)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方式遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方式有很多，需要根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)際環(huán)境和工況來(lái)確定數(shù)據(jù)傳輸方式。由于系統(tǒng)要求應(yīng)用在辦公樓區(qū)內(nèi)，其應(yīng)用環(huán)境較復(fù)雜，要做到布點(diǎn)容易、安裝簡(jiǎn)單、易于操作，需要采用無(wú)線(xiàn)的方式傳輸數(shù)據(jù)。(2)無(wú)線(xiàn)通信質(zhì)量被測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的周?chē)h(huán)境比較復(fù)雜，存在墻體和樹(shù)木等物體帶來(lái)的干擾，所以系統(tǒng)需要選擇有效的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模式來(lái)克服傳輸距離和障礙物干擾的問(wèn)題，以確保無(wú)線(xiàn)通信質(zhì)量。(3)數(shù)據(jù)安全性應(yīng)用射頻技術(shù)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸j存在安全性阿題：在公共頻段下數(shù)據(jù)的傳輸處于公開(kāi)狀態(tài)，任何人都有可能接收到系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)在發(fā)送之前要進(jìn)行嚴(yán)格的加密，接受數(shù)據(jù)時(shí)要進(jìn)行嚴(yán)格的校驗(yàn)和解密，以確保數(shù)據(jù)安全。(4)低成本低成本是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的基本要求，這是大規(guī)模無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的必要前提。2．3 系統(tǒng)方案的選擇方案一：此方案采用 PC 機(jī)實(shí)現(xiàn)。他可以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)編程，在線(xiàn)仿真。在這種方案中，調(diào)試十分方便，而且人機(jī)交互友好。但是 PC 機(jī)與 DS18B20 之間不能直接通訊，需要通過(guò)RS232 電平轉(zhuǎn)換兼容，硬件的合成在線(xiàn)調(diào)試，較為繁瑣。而且在一些條件較為惡劣的場(chǎng)合，PC 機(jī)體型過(guò)大，攜帶安裝不方便，性能不穩(wěn)定，會(huì)給工程帶來(lái)諸多麻煩。方案二：此方案采用 8051 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)軟件編程的自由度大，可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)各種邏輯控制和算術(shù)算法，其體積小，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，安裝方便。既可以單獨(dú)對(duì)多個(gè)DS18B20 進(jìn)行控制，又可以和 PC 機(jī)進(jìn)行通訊。綜上所述，本無(wú)線(xiàn)溫度控制系統(tǒng)以及主控部分都采用方案二。由于經(jīng)費(fèi)有限，本系統(tǒng)暫時(shí)實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)溫度無(wú)線(xiàn)測(cè)量。DS18B20 采集溫度數(shù)據(jù)送到從單片機(jī)，再?gòu)膯纹瑱C(jī)送到 NRF24L01 無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送出去，接收端 NRF24L01 無(wú)線(xiàn)模塊接收發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)，并把它送到主單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這種方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，擴(kuò)展性好，成本低。實(shí)際采用電路方案如圖 23 所示。DS18B20 從單片機(jī)鍵盤(pán)nrf24L01 收/發(fā)模塊主單片機(jī) nrf24L01 收/發(fā)模塊電腦顯示模塊圖 23 本系統(tǒng)采用的電路方案框圖第 3 章 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)電路主要硬件元件介紹根據(jù)上一章的論證選取的系統(tǒng)方案需要選取一定的硬件，本文基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)說(shuō)用到的元件有：8051 單片機(jī)，DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，LCD1602，nRF21L01 等。 8051 單 片 機(jī) 為了實(shí)現(xiàn)溫度的采集，與上微機(jī)的通訊及對(duì)外設(shè)的控制，本系統(tǒng)的采用 8051 為內(nèi)核。1. 8051 基本參數(shù)8 位 CPU4KB 字節(jié)的掩膜 ROM 程序存貯器128 字節(jié)的 RAM4 個(gè) 8 位的 IO 口（P0~P3）2 個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1 個(gè)全雙工異步串行口5 個(gè)中斷源，2 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷控制器時(shí)鐘電路，時(shí)鐘頻率在 ~12MHz2. 芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)：中央處理器(CPU)：運(yùn)算器、控制器、寄存器內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)：有 128 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)和 21 個(gè)專(zhuān)用寄存器單元 SFR 統(tǒng)一編址內(nèi)部程序存儲(chǔ)器(ROM) ：4K 字節(jié)程序存儲(chǔ)器(ROM) 。 定時(shí)/計(jì)數(shù)器：兩個(gè) 16 位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器。并行輸入輸出口：4 個(gè) 8 位并行 I/O 口(P0P3) 。串行口： 一個(gè)全雙工異步串行通信口。中斷控制系統(tǒng)：五個(gè)中斷源（2 外、3 內(nèi)）時(shí)鐘電路 位處理器：又稱(chēng)為布爾處理器。3. 8051 信號(hào)引腳介紹單片機(jī)的 40 個(gè)引腳大致可分為 4 類(lèi)：電源、時(shí)鐘、控制和 I/O 引腳。(1)電源: ① VCC 芯片電源，接+5V；② VSS 接地端；(2)時(shí)鐘:XTALXTAL2 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。 (3) 控制線(xiàn):控制線(xiàn)共有 4 根，① ALE/PROG:地址鎖存允許/片內(nèi) EPROM 編程脈沖②PSEN:外 ROM 讀選通信號(hào)。③RST/VPD:復(fù)位/備用電源。④EA/Vpp:內(nèi)外 ROM 選擇/片內(nèi) EPROM 編程電源。⒋ I/O 線(xiàn)80C51 共有 4 個(gè) 8 位并行 I/O 端口：P0、PPP3 口，共 32 個(gè)引腳。P3 口還具有第二功能，用于特殊信號(hào)輸入輸出和控制信號(hào)（屬控制總線(xiàn)） 。 數(shù) 字 式 溫 度 傳 感 器 DS18B20（1）DS18B20 數(shù)字溫度傳感器概述DS18B20 數(shù)字溫度計(jì)是 DALLAS 公司生產(chǎn)的 1－Wire，即單總線(xiàn)器件，具有線(xiàn)路簡(jiǎn)單，體積小的特點(diǎn)。因此用它來(lái)組成一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，具有線(xiàn)路簡(jiǎn)單，在一根通信線(xiàn)，可以?huà)旌芏噙@樣的數(shù)字溫度計(jì)，十分方便。其引腳分布見(jiàn)圖 31，引腳功能描述見(jiàn)表 31。 圖 31 DS18B20 引腳分布圖表 31　DS18B20 詳細(xì)引腳功能描述序號(hào) 名稱(chēng) 引腳功能描述1 GND 地信號(hào)2 DQ 數(shù)字輸入輸出引腳,開(kāi)漏單總線(xiàn)接口引腳,當(dāng)使用寄生電源時(shí),可向電源提供電源3 VDD 可選擇的 VDD 引腳,當(dāng)工作于寄生電源時(shí),該引腳必須接地（2）DS18B20 的命令序列①初始化②ROM 命令跟隨著需要交換的數(shù)據(jù)；③功能命令跟隨著需要交換的數(shù)據(jù)。訪(fǎng)問(wèn) DS18B20 必須嚴(yán)格遵守這一命令序列，如果丟失任何一步或序列混亂，DS18B20 都不會(huì)響應(yīng)主機(jī)（除了 Search ROM 和 Alarm Search 這兩個(gè)命令，在這兩個(gè)命令后，主機(jī)都必須返回到第一步） 。a．初始化：DS18B20 所有的數(shù)據(jù)交換都由一個(gè)初始化序列開(kāi)始。由主機(jī)發(fā)出的復(fù)位脈沖和跟在其后的由 DS18B20 發(fā)出的應(yīng)答脈沖構(gòu)成。當(dāng) DS18B20 發(fā)出響應(yīng)主機(jī)的應(yīng)答脈沖時(shí)，即向主機(jī)表明它已處在總線(xiàn)上并且準(zhǔn)備工作。b. ROM 命令：ROM 命令通過(guò)每個(gè)器件 64bit 的 ROM 碼，使主機(jī)指定某一特定器件（如果有多個(gè)器件掛在總線(xiàn)上）與之進(jìn)行通信。DS18B20 的 ROM 如表 33 所示，每個(gè) ROM 命令都是 8 bit 長(zhǎng)。表 32 ROM 的內(nèi)存指令指令 約定代碼 功能讀 ROM 33H 讀 DS18B20 中的編碼(即 64 位地址)符合 ROM 55H 發(fā)出此命令后，接著發(fā)出 64 位 ROM 編碼，訪(fǎng)問(wèn)單總線(xiàn)上與該編碼相對(duì)應(yīng)的 DS18B20,使之作出響應(yīng)，為下一步對(duì)該 DS18B20 的讀寫(xiě)作準(zhǔn)備搜索 ROM 0F0H 用于確定掛接在同一總線(xiàn)上 DS18B20 的個(gè)數(shù)和識(shí)別 64 位 ROM 地址，為操作各器件作好準(zhǔn)備跳過(guò) ROM 0CCH 忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS18B20V 溫度轉(zhuǎn)換命令，適用于單個(gè) DS18B20 工作告警搜索命令 0ECH 執(zhí)行后，只有