【正文】 works。embedded systems。從實(shí)際情況 , 本著低成本、低功耗的原則 , 對(duì)該系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì) , 并解決了傳統(tǒng)的有線監(jiān)控系統(tǒng)的諸多問題 , 具有簡(jiǎn)單、靈活和易開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。采用多跳對(duì)等的通信方式 ,將具有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元及通信模塊的大量智能節(jié)點(diǎn)散布在感知區(qū)域 , 節(jié)點(diǎn)以自組方式形成網(wǎng)絡(luò) , 能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象 信息并處理、傳送到需要的用戶 , 具有自治、自適應(yīng)等智能屬性。此外 , 通常傳感器節(jié)點(diǎn)需要連續(xù)工作很長(zhǎng)一段時(shí)間 , 在人力修復(fù)無法實(shí)現(xiàn)的情況下 , 一旦有節(jié)點(diǎn)損壞或是電源失效等情況 , 就不能及時(shí)獲得準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自身特點(diǎn)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了較詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案。傳統(tǒng)的使用線纜直接連接實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)姆绞?，將?yán)重限制數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的安放靈活性，設(shè)備布線困難。因此，通過無線通信的方式傳遞數(shù)據(jù)是一種較為理想的選擇，它與有線方式相比主要有成本低、攜帶方便、布線安裝簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，特別 適用于遠(yuǎn)程多點(diǎn)無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)快捷、靈活等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的研究?jī)r(jià)值和十分廣闊的應(yīng)用前景。無線溫度采集系統(tǒng)的開發(fā)有效地解決了低成本、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的可行性和安全性等問題，對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)控領(lǐng)域的運(yùn)用有著重要 的參考價(jià)值。通過在辦公室內(nèi)安裝基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫度采集節(jié)點(diǎn)來測(cè)量樓內(nèi)各點(diǎn)溫度，經(jīng)過分析處理完成溫度的監(jiān)控。 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究和發(fā)展現(xiàn)狀 無線傳感網(wǎng)絡(luò) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以 自組織 和 多跳 的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的監(jiān)測(cè)信息，并報(bào)告給用戶。 大量的傳感器節(jié)點(diǎn)將探測(cè)數(shù)據(jù)，通過匯聚節(jié)點(diǎn)經(jīng)其它網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給了用戶 。 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)： (1)傳感器節(jié)點(diǎn)的通信能力有限。 (2)傳感器節(jié)點(diǎn)的能量、計(jì)算能力和存儲(chǔ)容量有限。 (3)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易變化，具有自組織能力。此外，如果節(jié)點(diǎn)具備移動(dòng)能力，也必定會(huì)帶來網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?變化。 (4)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(cè)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(guó)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)。 2021年，美國(guó)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(cè)試與控制，支持相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究，這也是美國(guó)國(guó)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。 2021年美國(guó)軍方成功地測(cè)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(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)。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(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。 2021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(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)。但從研究問題 的深度和投入的科研力量來說，國(guó)內(nèi)的水平相對(duì)國(guó)外還有差距，研究?jī)?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)； 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(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。 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。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(cè)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)量。這種方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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 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。 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(jiǎn)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(zhǎng)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。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 。 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 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：?jiǎn)纹瑱C(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 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