【文章內(nèi)容簡介】 撐無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)研究也取得了一定的進(jìn)展，如無線通信技術(shù)、芯片集成技術(shù)的成熟和進(jìn)步。但從研究問題 的深度和投入的科研力量來說，國內(nèi)的水平相對(duì)國外還有差距，研究內(nèi)容多數(shù)還停留在理論階段，開發(fā)出的硬件和軟件系統(tǒng)以實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑橹鳎匀蝗鄙賹?duì)整個(gè)系統(tǒng)的創(chuàng)新性研究。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為未來世界的重要技術(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)； 機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 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)過模擬緩沖，放大后經(jīng)過 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。 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，處理簡單，可靠性高。原理圖如圖 22 所示。 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 1 A/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 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫度監(jiān)控系統(tǒng) 6 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，所以還要考慮周圍惡劣的環(huán)境所帶來的干擾。本設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面來考慮： (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、安裝簡單、易于操作，需要采用無線的方式傳輸數(shù)據(jù)。 (2)無線通信質(zhì)量被測(cè)現(xiàn)場的周圍環(huán)境比較復(fù)雜，存在墻體和樹木等物體帶來的干擾，所以系統(tǒng)需要選擇有效的無線收發(fā)模式來克服傳輸距離和障礙物干擾的問題，以確保無線通信質(zhì)量。 (3)數(shù)據(jù)安全性 應(yīng)用射頻技術(shù)的無線數(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)模無線傳感器網(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)在線編程，在線仿真。在這種方案中，調(diào)試十?dāng)?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無線模塊 機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 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 RS232電平轉(zhuǎn)換兼容，硬件的合成在線調(diào)試，較為繁瑣。而且在一些條件較為惡劣的場合， PC機(jī)體型過大，攜帶安裝不方便，性能不穩(wěn)定，會(huì)給工程帶來諸多麻煩。 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，本無線溫度控制系統(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)溫度無線測(cè)量。 DS18B20 采集溫度數(shù)據(jù)送到從單片機(jī)，再從單片機(jī)送到NRF24L01 無線模塊發(fā)送出去，接收端 NRF24L01 無線模塊接收發(fā)送過來的信號(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)簡單，擴(kuò)展性好，成本低。實(shí)際采用電路方案如圖 23 所示。 圖 23本系統(tǒng)采用的電路方案框圖 DS18B20 從單片機(jī) 鍵盤 nrf24L01 收 /發(fā)模塊 主單片機(jī) nrf24L01 收 /發(fā)模塊 電腦 顯示模塊 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫度監(jiān)控系統(tǒng) 8 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，本文基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)說用到的元件有： 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 CPU 4KB字節(jié)的掩膜 ROM 程序存貯器 128字節(jié)的 RAM 4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 ~12MHz 2. 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：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 :XTAL XTAL2 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。 (3) 控制線 :控制線共有 4根， ① ALE/PROG:地址鎖存允許 /片內(nèi) EPROM 編程脈沖 ② PSEN:外 ROM 讀選通信號(hào)。 ③ RST/VPD:復(fù)位 /備用電源。 ④ EA/Vpp:內(nèi)外 ROM 選擇 /片內(nèi) EPROM 編程電源。 ⒋ I/O 線 80C51 共有 4個(gè) 8位并行 I/O 端口： P0、 P P P3 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）。 機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 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，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點(diǎn)。因此用它來組成一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，具有線路簡單，在一根通信線 ，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計(jì)，十分方便。 其引腳分布見圖 31，引腳功能描述見表 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 引腳功能描述 1 GND 地信號(hào) 2 DQ 數(shù) 字輸入輸出引腳 ,開漏單總線接口引腳 ,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 ② ROM 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)。 訪問 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)，即基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫度監(jiān)控系統(tǒng) 10 向主機(jī)表明它已處在總線上并且準(zhǔn)備工作。 b. ROM 命令： ROM 命令通過每個(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。 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，訪問 單總線上與該編碼相對(duì)應(yīng)的 DS18B20,使之作出響應(yīng)，為下一步對(duì)該 DS18B20的讀寫作準(zhǔn)備 搜索 ROM 0F0H 用于確定掛接在同一總線上 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 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，只有溫度超過廟宇值上限或下限的片子才做出響應(yīng) 溫度轉(zhuǎn)換 44H 啟動(dòng) DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長為500ms(典型為 200ms),結(jié)果豐入內(nèi)部 9 字節(jié) RAM中 讀暫存器 BEH 讀內(nèi)部 RAM中 9字節(jié)的內(nèi)容 寫暫存器 4EH 發(fā)出向內(nèi)部 RAM的第 4字節(jié)寫上、下溫度數(shù)據(jù)命令，緊該溫度命令之后，傳達(dá)兩字節(jié)的數(shù)據(jù) 復(fù)制暫存器 48H 將 RAM中第 4字內(nèi)容復(fù)制到 E2PROM中 重調(diào) E2PROM 0B8H 將 E2PROM中內(nèi)容恢復(fù)到 RAM中的第 4字節(jié) 讀供電方式 0B4H 讀 DS18B20 的供電模式，寄生供電時(shí) DS18B20發(fā)送“ 0”，外部供電時(shí) DS18B20 發(fā)送“ 1” （ 4） DSl8B20 芯片的工作原理 DSl8B20 芯片溫度測(cè)量的啟 動(dòng)，發(fā)送指令，存取時(shí)鐘等，全部在一組數(shù)據(jù)線上完成，因?yàn)槠鋬?nèi)部結(jié)構(gòu)上集成了溫度電路、存儲(chǔ)器等多功能模塊。 DSl8B20 芯片工作原理示意圖見圖 32所示： 機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 32 D18B20工作原理圖 單片 無線射頻收發(fā)芯片 nRF24L01 nRF24L01 是一款工作在 ~ 世界通用 ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片無線收發(fā)器包括 :頻率發(fā)生器增強(qiáng)型 SchockBurstTM 模式控制器功率放大器晶體振蕩器調(diào)制器解調(diào)器功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過 SPI 接口進(jìn)行設(shè)置極低的電流消耗當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為 6dBm 時(shí)電流消耗為 接收模式時(shí)為 。掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。 芯片的引腳排列如圖 33所示 圖 33 nRF24L01芯片引腳圖 主機(jī)初始化脈沖 DS18B20 芯片響應(yīng)脈沖 DS18B20芯片準(zhǔn)備好 DS18B20 芯片完成其他功能 主機(jī)儲(chǔ)存器指令 主機(jī) ROM 指令 否 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫度監(jiān)控系統(tǒng) 12 ： GFSK 調(diào)制： 硬件集成 OSI 鏈路層 。 具有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功能 。 片內(nèi)自動(dòng)生成報(bào)頭和 CRC 校驗(yàn)碼 。 數(shù)據(jù)傳輸率為 l Mb/s 或 2Mb/s。 SPI 速率為 0 Mb/s～ 10 Mb/s。 125 個(gè)頻道： 與其他 nRF24 系列射頻器件相兼容 。 QFN20 引腳 4 mm4 mm 封裝 。 供電電壓為 V～ V。 CE：使能發(fā)射或接收 。 CSN， SCK， MOSI， MISO： SPI 引腳端，微處理器可通過此引腳配置 nRF24L01： IRQ：中斷標(biāo)志位 。 VDD：電源輸入端 。 VSS：電源地： XC2， XC1：晶體振 蕩器引腳 。 VDD_PA：為功率放大器供電，輸出為 V。 ANT1,ANT2：天線接口 。 IREF：參考電流輸入。 有工作模式有四種： ①收發(fā)模式 ； ②配置模式 ； ③空閑模式 ； ④關(guān)機(jī)模式 ； 工作模式由 PWR_UP register 、 PRIM_RX