【正文】 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 。 DS18B20 的 ROM 如表 33 所示，每個(gè) ROM 命令都是 8 bit 長。當(dāng) DS18B20 發(fā)出響應(yīng)主機(jī)的應(yīng)答脈沖時(shí)，即朱野：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。 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。 圖 31 DS18B20引腳分布圖 表 31 DS18B20詳細(xì) 引腳功能描述 序號 名稱 引腳功能描述 1 GND 地信號 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)。因此用它來組成一個(gè)測溫系統(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。 P3 口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。 ④ EA/Vpp:內(nèi)外 ROM 選擇 /片內(nèi) EPROM 編程電源。 (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。 3. 8051 信號引腳介紹 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。 串行口： 一個(gè)全雙工異步串行通信口。 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。 8051 單片機(jī) 為了實(shí)現(xiàn)溫度的采集，與上微機(jī)的通訊及對外設(shè)的控制，本系統(tǒng)的采用 8051 為內(nèi)核。實(shí)際采用電路方案如圖 23 所示。 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，并把它送到主單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 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。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。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。在這種方案中，調(diào)試十分方便，而且人機(jī)交互友好。 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)。 (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。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)。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。原理圖如圖 22 所示。這樣，由于各種因素會(huì)造成檢測系統(tǒng) 較大的偏差，有由于檢測系統(tǒng)環(huán)境復(fù)雜，檢測點(diǎn)多，信號傳輸距離遠(yuǎn)及各種干擾的影響，會(huì)使得檢測系統(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。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。目前我國無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究取得了二定的成就，支撐無線傳感器網(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。浙江大學(xué)現(xiàn)代控制工程研究所成立了“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)驗(yàn)室 ，聯(lián)合相關(guān)單 位專門從事面向無線傳感器網(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。中科院計(jì)算所 (寧波 )成立了專門的項(xiàng)目組，開發(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。 朱野：基于無線傳感網(wǎng) 絡(luò)的溫度監(jiān)控系統(tǒng) 4 我國近幾年也加快了無線傳感器網(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)、國防科技大學(xué)和中國科技大學(xué)等院校在國內(nèi)較早地展開了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。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，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。 2021年美國 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 地面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個(gè)典型的無線傳感器電磁信號監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，它具有多功能電子戰(zhàn)能力，不僅可以監(jiān)聽地方雷達(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)或用算法包來滲透敵方的計(jì)算機(jī)。 2021年 3月英特爾公司演示了家庭護(hù)理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 2021年，美國加州大學(xué)伯克利分校 Intel實(shí)驗(yàn)室和大西洋學(xué)院聯(lián)合在大鴨島上部署了用來監(jiān)測島上海鳥生活習(xí)性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它們使用了包括光、濕度、氣壓計(jì)、紅外傳感器、攝像頭在內(nèi)的近 lO種類型的傳感器，系統(tǒng)通過自組織無線網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?100mP}’的基站計(jì)算機(jī)內(nèi)，再由此經(jīng)衛(wèi)星傳輸至加州的服務(wù)器進(jìn)行分析研究。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)布設(shè)、自組織和環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)使其在軍事、環(huán)境監(jiān)測、智能交通、醫(yī)療設(shè)備、智能家居等各個(gè)領(lǐng)域和其他商業(yè)領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景和很高的應(yīng)用價(jià)值。 在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)傳輸具有很強(qiáng)的方向 性。基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可變性，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織、自配置的能力喁 1。 由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)節(jié)能的需要，傳感器節(jié)點(diǎn)可以在工作和睡眠狀態(tài)之間切換，傳感器節(jié)點(diǎn)隨時(shí)可能由于各種原因發(fā)生故障而失效，或者添 加新的傳感器節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)絡(luò)中，這些情況的發(fā)生都使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在使用中很容易發(fā)生變化。 隨著傳感器節(jié)點(diǎn)的微型化，在設(shè)計(jì)中大部分節(jié)點(diǎn)的能量靠電池提供，其能量有限，而且由于條件限制，難以在使用過程中給節(jié)點(diǎn)更換電池，所以傳感器節(jié)點(diǎn)的能量限制是整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的瓶頸，它直接決定了網(wǎng)絡(luò)的工作壽命冊；安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 另一方面，傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力和存儲能力都較低，使得其不能進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲，因而對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究者們提出了挑戰(zhàn)，它們必須設(shè)計(jì)簡單有 效的路由協(xié)議等，來適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器傳輸速率低 1，通信距離近 j一般只有幾十到幾百米 a由于傳感器往往工作在環(huán)境惡劣地區(qū)，更多地受到高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風(fēng)雨雷 電、潮濕、水浸等自然環(huán)境的影響，一方面造成傳感器間的通信不可靠，另一方面可能使傳感器出現(xiàn)故障、甚至損壞嘲。 在這個(gè)定義中，傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸?shù)娜N功能，而這正對應(yīng)著現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)技術(shù)，即 傳感器技術(shù) 、 計(jì)算機(jī)技術(shù) 和 通信技術(shù) 。 它 的英文是 Wireless Sensor Network, 簡稱 WSN。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)研究了一種基 于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無線溫度 監(jiān)控 系統(tǒng)。 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)對辦 辦公室溫度 的實(shí)時(shí)監(jiān)控。無線傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集室內(nèi)溫度信息，并將數(shù)據(jù)按一定的格式傳回控制機(jī)進(jìn)行分析處理。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。為達(dá)到實(shí)時(shí)、無人值守、不需重新布線的目的，所選用的傳感器應(yīng)該是有源的、準(zhǔn)實(shí)時(shí)、低功耗和便于安裝的。 朱野：基于無線傳感網(wǎng) 絡(luò)的溫度監(jiān)控系統(tǒng) 2 第 1 章 緒 論 課題研究的目的和意義 目前，在工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和無線溫度采集系統(tǒng)中，要 使用大量的基于不同物理機(jī)制的傳感器，且監(jiān)控和采集的對象多而分散。為此 , 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)在考慮硬件資源非常有限的條件下 ,選用 無線射頻收發(fā)芯片 nRF24L01 無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備 ,該設(shè)備實(shí)現(xiàn)能耗低、成本小的無線網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)。由于體積、成本和功耗等原因 , 實(shí)際資源的使用受到限制。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量低成本、能耗低的微小傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)。 smart home 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） III 目 錄 引言 ............................................................... 1 第 1 章 緒論 ......................................................... 2 課題研究的目的和意義 ................................................ 2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究和發(fā)展現(xiàn)狀 ........................................ 2 課題研究的主要內(nèi)容 .................................................. 4 第 2 章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) ................................................. 5 2． 1 系統(tǒng)方案的論證 ..................................................... 5 2． 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)原則 ................................................... 6 2． 3 系統(tǒng)方案的 選擇 ..................................................... 6 第 3 章 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) ............................................ 8 系統(tǒng)電路主要硬件元件介紹 ............................................ 8 本系統(tǒng)的硬件電路 ................................................... 13 單片機(jī)串口電路設(shè)計(jì) ................................................. 16 溫度控制電路設(shè)計(jì) ................................................... 17 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ................................................ 19 按鍵處理程序設(shè)計(jì) ................................................... 19 液晶顯示程序設(shè)計(jì) ................................................... 20 溫度采集程序設(shè)計(jì) ................................................... 20 報(bào)警處理程序設(shè)計(jì) ................................................... 20 發(fā)射端主程序設(shè)計(jì) ................................................... 21 接收端主程序設(shè)計(jì) ................................................... 23 結(jié)論與展望 ......................................................... 24 致謝 .............................................................. 25 參考文獻(xiàn) .......................................................... 26 附錄 A基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)射模 塊電路 .................. 27 附錄 B 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)接收模塊的 硬件原理圖 .............. 28 附錄 C 系統(tǒng)軟件程序 ................................................ 29 附錄 D 參考文獻(xiàn)摘要 ...............