【正文】 數(shù)據(jù)傳輸方向性強(qiáng)。通常，查詢信息是通過廣播或多播的方式從觀察者向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器傳輸，而探測結(jié)果信息則是由分布在各處的傳感器節(jié)點(diǎn)向查詢節(jié)點(diǎn)匯聚。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究及發(fā)展現(xiàn)狀 無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)的研究起步于 20世紀(jì) 90年代末期，美國的加州大學(xué)伯克利分校、加州大學(xué)洛杉磯分校、麻省理工大學(xué)和康奈爾大學(xué)等幾所大學(xué)已經(jīng)進(jìn)行了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究，許多著名公司也紛紛從不同的層次、不同的角度對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究和開發(fā)。 2022年，美國自然科學(xué)基金委員會(huì)制定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計(jì)劃，在加州大學(xué)洛杉磯分校成立了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中心，并聯(lián)合加州大學(xué)伯克利分校、南加州大學(xué)等，展開了“嵌入式智能傳感器”研究項(xiàng)引 121，以求利用傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)我們生活的物理世界實(shí)現(xiàn)全方位的測試與控制，支持相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究，這也是美國國情咨文中有關(guān) Inter2最主要的遠(yuǎn)景規(guī)劃之一。該系統(tǒng)通過在鞋、家具及家用電器等家中用具和設(shè)備中嵌入半導(dǎo)體傳感器， 幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以及殘障人士的家庭生活，利用無線通信將各傳感器聯(lián)網(wǎng)可高效傳遞必要的信息從而方便接受護(hù)理。 2022年美國軍方成功地測試了由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組建的槍聲定位系統(tǒng)。采用無線傳感器網(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)，從而讓管理部門按照優(yōu)先級(jí)來進(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，無須拉線鉆孔，便可有效地對(duì)建筑物進(jìn)行長期的監(jiān)測 。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年開始就對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了跟蹤和研究，并且已經(jīng)通過系統(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)，從某種程度上說己經(jīng)超越了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的范疇㈣。中科院電子所和沈陽自動(dòng)化所也分別從傳感器技術(shù)和控 制技術(shù)角度入手開展工作，他們專注于傳感和控制執(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。 2022年無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一個(gè)多跳無線輪詢網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用于敦煌微氣象環(huán)境檢測，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。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?，仍然缺少?duì)整個(gè)系統(tǒng)的創(chuàng)新性研究。 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)； 安徽工程大學(xué)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)。 圖 21方案一原理框圖 方案二： 采用數(shù)字溫度傳 感器 DS18B20 測量溫度，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。 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 朱野：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。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。 (2)無線通信質(zhì)量被測現(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。 (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。他可以實(shí)現(xiàn)在線編程，在線仿真。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。 方案二： 此方案采用 8051 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。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。由于經(jīng)費(fèi)有限，本系統(tǒng)暫時(shí)實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)溫度無線測量。這種方案實(shí)現(xiàn)簡單，擴(kuò)展性好，成本低。 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 朱野：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。 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) 。 并行輸入輸出口： 4 個(gè) 8位并行 I/O口 (P0P3) 。 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。 (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 RST/VPD:復(fù)位 /備用電源。 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。 安徽工程大學(xué)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)。 其 引腳分布見圖 31， 引腳功能描述見表 31。 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）。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。 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。 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。掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。 具有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功 能 。 數(shù)據(jù)傳輸率為 l Mb/s 或 2Mb/s。 125 個(gè)頻道： 與其他 nRF24 系列射頻器件相兼容 。 供電電壓為 V～ V。 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 。 VSS：電 源地： XC2， XC1：晶體振蕩器引腳 。 ANT1,ANT2：天線接口 。 ： 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 register 和 CE 決定。實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)位操作 有兩種形式：一種是上電復(fù)位，另一種是上電與按鍵均有效的復(fù)位。 2. 晶振電路：單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時(shí)鐘方式，二是外部時(shí)鐘方式。 如圖 34 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD108051 CON AT62BC1122PFC1022PFY2 12mhz 圖 34 晶振電路 圖中電容器的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在 5～ 30pF,典型值為 30pF。本設(shè)計(jì)采用 12MHz晶振，電容值為 22 pF。該電路是把本人的8V 直流輸入進(jìn)行全橋整流，成為脈動(dòng)直流，經(jīng)過，一級(jí)濾波后送至 三端穩(wěn)壓集成電路lm7805 穩(wěn)壓，再經(jīng)二級(jí)濾波后即為＋ 5V 輸出，圖 45 的四個(gè)二極管組成了全橋整流電路， C1， C3 是一級(jí)濾波電容， U1 是穩(wěn)壓管 lm7805， C4 是二級(jí)濾波電容。該電路把先前轉(zhuǎn)換得到的＋ 5V 電源經(jīng)過 低壓差電壓調(diào)節(jié)器 lm1117 轉(zhuǎn)換為＋ 3V 電源。 （ 1） 8051 單片機(jī)要正常工作，振蕩電路和復(fù)位電路是必不可少的，其基本電路如圖37所示。此時(shí) I/O線不需要強(qiáng)上拉，不存在電源不足的問題。其電路圖如圖 38所示 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD108 0 5 1C O N A T 6 2 B1 2 3J3D S 1 8 B 2 0V C C 圖 38測溫電路電路圖 （ 3）控制設(shè)備部分 本設(shè)計(jì)采用發(fā)光二極管來模