【正文】 2 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)生器增強型 SchockBurstTM 模式控制器功率放大器晶體振蕩器調制器解調器功率頻道選擇和協(xié)議的設置可以通過 SPI 接口進行設置極低的電流消耗當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為 6dBm 時電流消耗為 接收模式時為 。 DS18B20 的 ROM 如表 33 所示，每個 ROM 命令都是 8 bit 長。當 DS18B20 發(fā)出響應主機的應答脈沖時，即基于無線傳感網絡的溫度監(jiān)控系統(tǒng) 10 向主機表明它已處在總線上并且準備工作。 a．初始化： DS18B20 所有的數(shù)據交換都由一個初始化序列開始。 圖 31 DS18B20引腳分布圖 表 31 DS18B20詳細 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 ,當使用 寄生電源時 ,可向電源提供電源 3 VDD 可 選擇 的 VDD引腳 ,當工作于寄生電源時 ,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； ③功能命令跟隨著需要交換的數(shù)據。因此用它來組成一個測溫系統(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，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:內外 ROM 選擇 /片內 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 EPROM 編程脈沖 ② PSEN:外 ROM 讀選通信號。 3. 8051 信號引腳介紹 單片機的 40個引腳大致可分為 4 類：電源、時鐘、控制和 I/O 引腳。 串行口： 一個全雙工異步串行通信口。 定時 /計數(shù)器：兩個 16位的可編程定時 /計數(shù)器。 8051 單片機 為了實現(xiàn)溫度的采集，與上微機的通訊及對外設的控制，本系統(tǒng)的采用 8051 為內核。實際采用電路方案如圖 23 所示。 DS18B20 采集溫度數(shù)據送到從單片機，再從單片機送到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進行數(shù)據處理。 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 片機軟件編程的自由度大，可以通過編程實現(xiàn)各種邏輯控制和算術算法，其體積小，硬件實現(xiàn)簡單，安裝方便。而且在一些條件較為惡劣的場合， PC機體型過大，攜帶安裝不方便，性能不穩(wěn)定，會給工程帶來諸多麻煩。在這種方案中，調試十數(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 Nrf24L01無線模塊 機電學院畢業(yè)設計（論文） 7 分方便，而且人機交互友好。 2． 3 系統(tǒng)方案的選擇 方案一： 此方案采用 PC 機實現(xiàn)。 (3)數(shù)據安全性 應用射頻技術的無線數(shù)據傳輸 j存在安全性阿題：在公共頻段下數(shù)據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，因此數(shù)據在發(fā)送之前要進行嚴格的加密，接受數(shù)據時要進 行嚴格的校驗和解密，以確保數(shù)據安全。由于系統(tǒng)要求應用在辦公樓區(qū)內，其應用環(huán)境較復雜，要做到布點容易、安裝簡單、易于操作，需要采用無線的方式傳輸數(shù)據。因為要將系統(tǒng)應用到多個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，由于各種因素會造成檢測系統(tǒng)較大的偏差，有由于檢測系統(tǒng)環(huán)境復雜，檢測點多，信號傳輸距離遠及各種干擾的影響，會使得檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性下降，而且這種設計要用到復雜的算法，硬件電路復雜，硬件結構復雜成本高。無線傳感器網絡作為未來世界的重要技術有著廣闊的應用前景，但要想讓它真正融入到人們生活的每個層面，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絡的研究取得了二定的成就，支撐無線傳感器網絡的關鍵技術研究也取得了一定的進展，如無線通信技術、芯片集成技術的成熟和進步。浙江大學現(xiàn)代控制工程研究所成立了“無線傳感器網絡控制實驗室 ，聯(lián)合相關單位專門從事面向無線傳感器網絡的分布自治系統(tǒng)關鍵技術及協(xié)調控制理論方面的研究。中科院計算所 (寧波 )成立了專門的項目組，開發(fā)了自己的系列節(jié)點，配套協(xié)議棧以及網絡管理軟件，以提供一個實驗和研究平臺。 基于無線傳感網絡的溫度監(jiān)控系統(tǒng) 4 我國近幾年也加快了無線傳感器網絡研究步伐，中科院上海微系統(tǒng)研究所、沈陽自動化所、中科院計算所、軟件所、電子所和合肥智能所等科研機構，哈爾濱工業(yè)大學、清華大學、北京郵電大學、浙江大學、國防科技大學和中國科技大學等 院校在國內較早地展開了無線傳感器網絡的研究。它是將節(jié)點安置在建筑物周圍，按照一定的程序組建成網絡進行突發(fā)事件的的檢測，經鑒定其精度可達lm，反 應時間短于 3秒，為救護、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 地面無線傳感器網絡系統(tǒng)是一個典型的無線傳感器電磁信號監(jiān)測網絡，它具有多功能電子戰(zhàn)能力，不僅可以監(jiān)聽地方雷達和通信，分析地方的網絡和系統(tǒng)的運動，還可干擾敵方發(fā)射機或用算法包來滲透敵方的計算機。 2021年 3月英特爾公司演示了家庭護理的無線傳感器網絡系統(tǒng)。 2021年，美國加州大學伯克利分校 Intel實驗室和大西洋學院聯(lián)合在大鴨島上部署了用來監(jiān)測島上海鳥生活習性的無線傳感器網絡，它們使用了包括光、濕度、氣壓計、紅外傳感器、攝像頭在內的近 lO種類型的傳感器，系統(tǒng)通過自組織無線網絡，將數(shù)據傳輸?shù)?100mP}’的基站計算機內，再由此經衛(wèi)星傳輸至加州的服務器進行分析研究。無線傳感器網絡的隨機布設、自組織和環(huán)境適應能力強等特點使其在軍事、環(huán)境監(jiān)測、智能交通、醫(yī)療設備、智能家居等各個領域和其他商業(yè)領域都有廣闊的應用前景和很高的應用價值。 在傳感器網絡中，數(shù)據傳輸具有很強的方向性?；诰W絡拓撲結構的可變性，無線傳感器網絡具有自組織、自配置的能力喁 1。 由于無線傳感器網絡中節(jié)點節(jié)能的需要，傳感器節(jié)點可以在工作和睡眠狀態(tài)之間切換，傳感器節(jié)點隨時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)點到網絡中，這些情況的發(fā)生都使得無線傳感器網絡的拓撲結構在使用中很容易發(fā)生變化。 隨著傳感器節(jié)點的微型化，在設計中大部分節(jié)點的能量靠電池提供，其能量有限，而且由于條件限制，難以在使用過程中給節(jié)點更換電池，所以傳感器節(jié)點的能量限制是整個無線傳感器網絡設計的瓶頸，它直接決定了網絡的工作壽命冊；機電學院畢業(yè)設計（論文） 3 另一 方面，傳感器節(jié)點的計算能力和存儲能力都較低，使得其不能進行復雜的計算和數(shù)據存儲，因而對于無線傳感器網絡的研究者們提出了挑戰(zhàn)，它們必須設計簡單有效的路由協(xié)議等，來適用于無線傳感器網絡。 傳感器網絡 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。 在這個定義中，傳感器網絡實現(xiàn)了數(shù)據采集、處理和傳輸?shù)娜N功能，而這正對應著現(xiàn)代信息技術的三大基礎技術，即 傳感器技術 、 計算機技術 和 通信技術 。 它 的英文是 Wireless Sensor Network, 簡稱 WSN。本次畢業(yè)設計研究了一種基于無線傳感器網絡技術的無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)。 根據畢業(yè)設計題目的要求和設計需要本次論文設計主要實現(xiàn)對辦辦公室溫度的實時監(jiān)控。無線傳感器節(jié)點負責采集室內溫度信息，并將數(shù)據按一定的格式傳回控制機進行分析處理。無線傳感器網絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。為達到實時、無人值守、不需重新布線的目的，所選用的傳感器應該是有源的、準實時、低功耗和便于安裝的。 基于無線傳感網絡的溫度監(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 , 無線傳感器網絡的設計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)據傳輸設備 ,該設備實現(xiàn)能耗低、成本小的無線網絡硬件系統(tǒng)。由于體積、成本和功耗等原因 , 實際資源的使用受到限制。無線傳感器網絡是由大量低成本、能耗低的微小傳感器節(jié)點構成的無線網絡測控系統(tǒng)。 smart home 機電學院畢業(yè)設計（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 無線傳感網絡的研究和發(fā)展現(xiàn)狀 ........................................ 2 課題研究的主要內容 .................................................. 4 第 2 章 系統(tǒng)方案設計 ................................................. 5 2． 1 系統(tǒng)方案的論證 ..................................................... 5 2． 2 系統(tǒng)方案設計原則 ................................................... 6 2． 3 系統(tǒng)方案的選擇 ..................................................... 6 第 3 章 系統(tǒng)的硬件電路設計 ............................................ 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 單片機串口電路設計 ................................................. 16 溫度控制電路設計 ................................................... 17 第 4 章 系統(tǒng)軟件設計 ................................................ 19 按鍵處理程序設計 ................................................... 19 液晶顯示程序設計 ................................................... 20 溫度采集程序設計 ................................................... 20 報警處理程序設計 ................................................... 20 發(fā)射端主程序設計 ................................................... 21 接收端主程序設計 ................................................... 23 結論與展望 ......................................................... 24 致謝 .............................................................. 25 參考文獻 .......................................................... 26 附錄 A基于無線傳感網絡的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計發(fā)射模 塊電路 .................. 27 附錄 B 基于無線傳感網絡的溫度監(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 參考文獻摘要 ...............