畢業(yè)設計---無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

1、<p>　　本科生畢業(yè)設計（論文）</p><p>　　題 目： 無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計（探測軟件部分） </p><p><b>　　獨創(chuàng)性聲明</b></p><p>　　本畢業(yè)設計（論文）是我個人在導師指導下完成的。文中引用他人研究成果的部分已在標注中說明；其

2、他同志對本設計（論文）的啟發(fā)和貢獻均已在謝辭中體現(xiàn)；其它內容及成果為本人獨立完成。特此聲明。</p><p>　　論文作者簽名： 日期： </p><p>　　關于論文使用授權的說明</p><p>　　本人完全了解福州大學至誠學院有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學院有權保留送交論文的印刷本、復印件和電子版本，允許論文被查閱和

3、借閱；學院可以公布論文的全部或部分內容，可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其他復制手段保存論文。保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定。</p><p>　　論文作者簽名： 指導教師簽名： 日期： </p><p>　　無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計（探測軟件部分）</p><p><b>　　摘要</b></

4、p><p>　　在科技飛速發(fā)展的今天，環(huán)境監(jiān)測已經(jīng)逐漸向現(xiàn)代化、自動化、科技化、科學化等發(fā)展，在農(nóng)業(yè)、工作環(huán)境方面就顯得尤為重要，特別是環(huán)境監(jiān)測方面，怎樣才能提高作物的產(chǎn)量、怎樣的環(huán)境才是作物適應的，作物生長需要的什么樣的溫度、濕度，需要的光照度是多少；怎樣才能在危險的區(qū)域施工而不用擔心事故發(fā)生和減少因為外界環(huán)境變化而引起的事故。這些信息我們怎樣來獲得，這就需要我們用科學的力量來解決這個問題，也正因如此，本課題就應運

5、而生了。</p><p>　　本系統(tǒng)采用單片機為主控制器。設計的主要思路是通過傳感器監(jiān)測環(huán)境溫度、濕度的變化和光照的有無，并將采集的數(shù)據(jù)傳輸給單片機AT89S52進行初步處理，再通過帶有自定義無線傳輸協(xié)議的電路傳送給控制終端，并在控制終端上顯示采集到的環(huán)境信息。</p><p>　　本論文主要由AT89S52單片機和NRF24L01無線傳輸模塊制作一個監(jiān)測探測，基于DS18B20、HS11

6、01傳感器及光敏電阻的溫濕度和光強的自動檢測系統(tǒng)，監(jiān)測探測可以分別于各探測節(jié)點直接監(jiān)測，并能傳輸當前探測到的環(huán)境溫度、濕度和光照信息給終端節(jié)點，配合終端硬件設計完成整個終端部分的軟件設計，目的是利用畢業(yè)設計的這段時間學習一種利用AT89S52型單片機對環(huán)境進行控制的方法。</p><p>　　關鍵詞：單片機，NRF24L01，DS18B20，HS1101，光敏電阻</p><p>　　De

7、sign and Implement of Wireless environment monitoring system (detection software part)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In technology rapid development today, environment monitoring

8、 has gradually to modernization and automation, technology and scientific development, such as in agriculture, working environment is particularly important, especially environment monitoring, how to increase crop yield,

9、 how to adapt to the environment is the crop, crop growth need what kind of temperature, humidity, need what is the light; How to in dangerous area construction and don't worry accidents and less because of external

10、env</p><p>　　This system mainly adopts single-chip microcomputer controller. Design of the main ideas is through the sensor to monitor the environment temperature, humidity changes and illumination, and will

11、 have collected data transmission give monolithic integrated circuit AT89S52 preliminary treatment and then through wireless transmission agreement with custom send control circuits, and in control terminals terminal dis

12、play on environmental information collected.</p><p>　　This thesis mainly by NRF24L01 AT89S52 SCM and wireless transmission module making a monitoring based on DS18B20, HS1101 detection, the temperature and h

13、umidity sensor and photoconductive resistance of light intensity, automatic test system for the difference in the monitoring detection can detect nodes directly, monitor, and detects to transmit the current environmental

14、 temperature, humidity and light information to the terminal node, with terminal hardware design to complete the whole terminal</p><p>　　Key Words: Microcontroller, NRF24L01, DS18B20, HS1101, photoconductive

15、 resistance </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　AbstractIII</p><p>　　第一章 緒論1</p><p>　　1．1課題的背景1</p><p>　　1．2國內外的發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　

16、　1．2．1溫濕度傳惑器的發(fā)展概況3</p><p>　　1．2．2光照傳感器的發(fā)展概況4</p><p>　　1．2．3無線傳輸模塊NRF24L01的發(fā)展概況5</p><p>　　1．3課題的意義6</p><p>　　第二章 方案的對比和論證8</p><p>　　2. 1溫度傳感器的選擇8<

17、/p><p>　　2. 2 濕度傳感器的選擇9</p><p>　　2. 3 光照傳感器的選擇9</p><p>　　第三章 系統(tǒng)軟件的設計（探測部分）10</p><p>　　3．1系統(tǒng)通信軟件設計主機CPU程序框圖10</p><p>　　3．2系統(tǒng)通信軟件設計從機CPU程序框圖11</p>&

18、lt;p>　　3.3從機軟件的設計13</p><p>　　3．3．1溫度模塊的設計13</p><p>　　3．3．2濕度模塊的設計15</p><p>　　3．3．3光照模塊的設計17</p><p>　　3．4本章小結19</p><p>　　第四章 系統(tǒng)的運行與測試20</p>

19、<p>　　4．1數(shù)據(jù)采集功能的實現(xiàn)20</p><p>　　4．2報警上下限值的設計20</p><p>　　4．3測試的結果20</p><p><b>　　結 束 語23</b></p><p><b>　　致 謝24</b></p><p>&

20、lt;b>　　參考文獻25</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1．1課題的背景</b></p><p>　　目前，國內外對于可控環(huán)境農(nóng)業(yè)都十分的重視，所謂可控環(huán)境農(nóng)業(yè)是指人工設施保護條件下，通過工程技術手段為生物提供適宜環(huán)境，達到高產(chǎn)優(yōu)質生產(chǎn)的目

21、的。根據(jù)所強調的對象和發(fā)展的不同階段而有不同的稱謂，如溫室農(nóng)業(yè)（Greenhouse Agriculture）、工廠化農(nóng)業(yè)（Industrialized Agriculture））、植物工廠（Plant Factory）、保護地栽培（Protected Cultivation）、保護地園藝（Protected Horticulture），等等?？煽丨h(huán)境農(nóng)業(yè)的最高目標是能使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)象工業(yè)一樣不受自然環(huán)境因素制約，并進行自動化的高效生產(chǎn)[1

22、0]。</p><p>　　在全球信息化和數(shù)字化背景下, 全球農(nóng)業(yè)也由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)方向轉變，而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息與數(shù)字化則是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的重要標志與核心技術。農(nóng)業(yè)具有地域分散、對象多樣、環(huán)境因子不確定等特點，也是受環(huán)境影響最明顯的領域，因此對環(huán)境與生物信息的監(jiān)測十分重要。</p><p>　　然而環(huán)境監(jiān)測是一項復雜而又十分細致的工作，溫度、濕度、光強、風速、風向監(jiān)測的工作量很大，一般不允許出

23、錯，如果實行手工操作，須人手進行大量復雜的工作，這就會耗費工作人員大量的時間和精力，計算機進行監(jiān)測控制時，不僅能夠保證溫濕度等準確無誤、而且快速及時，便于工作人員進行隨時的監(jiān)督與控制。同時計算機具有手工管理所無法比擬的優(yōu)點。</p><p>　　溫度、濕度、光強的測量和控制是許多行業(yè)的重要工作目標之一，無論是工業(yè)、農(nóng)業(yè)還是其他行業(yè)對以上幾項指標都是具有嚴格要求的，經(jīng)過開題期間的文獻查閱和實際情況調研，了解到農(nóng)業(yè)設

24、施中最基本的條件就是溫度、濕度、光照、風速、風向、土壤等環(huán)境條件等的監(jiān)測。</p><p>　　1．2國內外的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　早在上世紀70年代，就出現(xiàn)了將傳統(tǒng)傳感器采用點對點傳輸、連接傳感控制器而構成傳感器網(wǎng)絡雛形，我們把它歸之為第一代傳感器網(wǎng)絡。它是1978年，由美國國防部DARPAR資助的一個關于分布式無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡的研究小組發(fā)起的。當時處于冷戰(zhàn)時期，為了監(jiān)測敵方

25、潛艇的活動情況，需要在海洋中布置大量的傳感器，使用這些傳感器所監(jiān)測的信息來實時監(jiān)測海水中潛艇的行動。接下來在上世紀90年代中期，DARPAR又資助了LWIM(Low-powcT Wireless Integrated Microsensors)項目。至U1998年，這個項目又演變?yōu)镾ensIT計劃，這個計劃的研究成果要將大規(guī)模分布式傳感器系統(tǒng)用在軍用上，它總共包含29個研究項目，SenslT計劃資助了25個研究機構。</p>

26、<p>　　隨著相關學科的不斷發(fā)展和進步，無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡同時還具有了獲取多種信息的綜合處理能力，并通過與傳感控制器相聯(lián)，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡，這是第二代傳感器網(wǎng)絡。而從上世紀末開始，現(xiàn)場總線技術開始應用于傳感器網(wǎng)絡，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡，大量多功能傳感器被運用，并使用無線技術連接，無線傳感器網(wǎng)絡逐漸形成。</p><p>　　進入21世紀后，無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡迎來了

27、新一輪的大規(guī)模研究和開發(fā)，出現(xiàn)了眾多的用于軍事的研究項目。例如美國陸軍的“靈巧傳感器網(wǎng)絡通信”項目、“無人值守地面?zhèn)鞲衅魅骸表椖?、“?zhàn)場環(huán)境偵察與監(jiān)視系統(tǒng)”項目，還有美國海軍的“傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)”項目、“網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)”項目等。這些項目的研究使得美國陸軍和海軍提高了作戰(zhàn)能力，極其顯著的是，軍隊的情報偵察和獲取水平產(chǎn)生了質的飛躍[6]。</p><p>　　無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡的研究引起了世界各國研究機構的高度重視，

28、其應用逐漸延伸到民用領域。例如2002年5月，美國Sandia國家實驗室與美國能源部合作研究反恐系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠盡早發(fā)現(xiàn)以地鐵、車站等場所為目標的生化武器襲擊，并及時采取防范對策；2003年，美國又由國家自然基金委員投資，進行無線傳感器網(wǎng)絡研究的CENS計劃。隨著信息時代的到來，無線傳感器網(wǎng)絡的研究又開辟了新的天地，各信息業(yè)巨頭們紛紛啟動了這方面的研究計劃。早在2002年10月，英特爾公司就發(fā)布了誓基于微型傳感器網(wǎng)絡的新型計算發(fā)展規(guī)劃”

29、，此規(guī)劃開發(fā)了集成度很高的超微型傳感器，并將超微型傳感器應用到環(huán)境監(jiān)測、預防醫(yī)學、森林滅火乃至海底板塊調查、行星探查等領域。</p><p>　　我們可以看到無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡是新一代的傳感器網(wǎng)絡，具有非常廣泛的應用前景，其發(fā)展和應用將會給人類的生活和生產(chǎn)的各個領域帶來深遠影響。IEEE正在努力推進無線傳感器網(wǎng)絡的應用和發(fā)展，波士頓大學(Boron University)還于最近創(chuàng)辦了傳感器網(wǎng)絡協(xié)會(Senso

30、r Network Consortium)，期望能促進傳感器聯(lián)網(wǎng)技術開發(fā)。除了波士頓大學，該協(xié)會還包括BP、霍尼韋爾(Honeywell)、Inetco Systems、Invensys、L-3 Communications、Millennial Net、Radianse、Sensicast SyStems及TextronSystems。我國的一些科研單位和大學，如清華大學、中國科學院、哈爾濱工業(yè)大學等也從2002年起開始了對無線環(huán)境監(jiān)

31、測系統(tǒng)網(wǎng)絡的研究。美國的《技術評論》雜志在論述未來新興十大技術時，更是將無線傳感器網(wǎng)絡列為第一項未來新興技術，《商業(yè)周刊》預測的未來四大新技術中，無線傳感器網(wǎng)絡也列入其中?？梢灶A計，無線傳感器網(wǎng)絡的廣泛是一種必然趨勢，它的出現(xiàn)將會給人類社會帶來極大的變革[6]。</p><p>　　1．2．1溫濕度傳惑器的發(fā)展概況</p><p>　　最早的溫度計是近代科學之父伽利略于1597年提出的，它

32、是利用空氣熱膨脹原理的溫度計。然而這種溫度計使用不便，因此開發(fā)了利用酒精和水銀熱膨脹的熱體溫度計，這就是最初機械溫度計。隨著測量技術的發(fā)展，出現(xiàn)了溫度傳感器，例如熱電偶，它是基于塞貝克發(fā)現(xiàn)熱電勢效應而制成的。還有熱敏電阻，它是根據(jù)金屬和半導體的電阻隨溫度的變化而變化的原理而制成的傳感器。這些都屬于基于物理原理的傳感器。而后，又出現(xiàn)了基于模擬電子技術的PN結傳感器，晶體溫度傳感器等等嘲。當今，由于用于感溫的敏感材料越來越多，溫度傳感器的種

33、類也越來越多。特別是隨著計算機技術和電子技術的發(fā)展，各種集成式、電子式的溫度傳感器相繼出現(xiàn)，使溫度傳感技術已經(jīng)相當成熟。我們用的DS18B20就是數(shù)字溫度的一個傳感器，DS18B20數(shù)字溫度計是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。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[5]。</p><p>　　濕度傳感技術的研究分為

34、兩個方面。最主要的是傳感機制、材料和產(chǎn)品工藝的研究。其次，從工程應用的角度，研究器件特性的校準、補償以及可靠性和失效性問題，而智能化技術的引入，是解決這類問題最佳方法。</p><p>　　包括濕度傳感技術在內的濕度測量技術研究，國內外都投入了相當?shù)娜肆拓斄?。國際上有以VAISALA(芬蘭)、PHILIPS(比利時)為代表的幾家著名專業(yè)公司，美國霍尼韋爾也設有專業(yè)分公司。研究水平較高的有芬蘭、日本、英國、愛爾蘭

35、和美國等。國際濕度與水分學術會議每四年召開一次，國際化學傳感器會議(IMCS)也包括濕敏傳感技術內容。國內濕度測量研究的規(guī)模相當大，不僅研究人員多，有自己的標準、鑒定系統(tǒng)和專業(yè)學會，而且研究工作也有相當水平，某些技術在國際上還處于領先地位。我國八五、九五規(guī)劃發(fā)展期間分別列有濕敏傳感技術專項攻關計劃，并且有武漢儀器儀表研究所、江蘇無線電研究所等專業(yè)研究所，國家標準物質研究中心、國家計量研究院、建筑科學研究院等機構也都有高水平的研究室，全國

36、各大專院校的儀器、陶瓷和固體電子材料等專業(yè)都有相當一部分研究人員從事濕度測量研究工作，其中以北京、武漢、哈爾濱、上海、西安和南京等地的研究水平較高。中國儀器儀表學會設有濕度與水分、氣體專業(yè)委員會，濕度與水分、氣體全國會議每兩年一次。雖然我國的濕度測量研究和國際先進水平相差不大，但在實際應用和工業(yè)化生產(chǎn)方面的差距卻很大。國家投入了</p><p>　　大量的人力物力，但所產(chǎn)生的效益并不高。究其原因，除了科研和市場之

37、間的銜接機制薄弱外，材料和工藝技術的滯后也是制約我國高科技經(jīng)濟發(fā)展的因素，而濕敏傳感技術穩(wěn)定性較差，對工藝技術的依賴更大。國內溫濕度測控系統(tǒng)的高端市場基本上選用昂貴的進口系統(tǒng)，而國內研制系統(tǒng)所處的中低端市場規(guī)模小得多，而且發(fā)展緩慢。隨著多孔陶瓷、厚膜等濕敏傳感技術的發(fā)展，近幾年來，國內外濕敏傳感技術的研究重點和工程應用都集中在聚酞亞胺API)薄膜高分子電容濕敏元件，而低精度測量系統(tǒng)則仍然以陶瓷、厚膜類濕敏器件為主[10]。</p&

38、gt;<p>　　目前國內還沒有完全符合上述指標要求的產(chǎn)品，哈爾濱半導體器件廠生產(chǎn)的陶瓷器件帶有加熱清洗裝置，具有較好的綜合性能，但不適合本項目應用。國外的 (美國霍尼韋爾)集成式傳感器盡管問世不久，受到一致好評。性能完全符合上述要求，并且可靠性較高㈣。發(fā)達國家有先進的制造工藝支持，因此，其穩(wěn)定性、互換性等系統(tǒng)應用的關鍵性指標將越來越好。國內濕敏傳感技術的發(fā)展將密切跟蹤傳感器小型化、集成化、多功能化和系統(tǒng)化的發(fā)展趨勢，重點

39、將開展納米級功能材料的研究，并與微電子機械工藝、成膜工藝技術相結合，固態(tài)電子技術的應用，如改性的聲表面波器件的高頻振蕩檢測相對濕度和各種氣體功能聚合物材料做為基體材料或選擇性包覆材料的應用。由于大量的市場需求、國家對高新技術經(jīng)濟的強力支持以及國內工藝水平的不斷提高，準確的溫濕度測控系統(tǒng)具有很大的發(fā)展?jié)摿?。而我們用的HS1101濕度傳感器是法國Humirel公司推出的一款電容</p><p>　　式相對濕度傳感器。

40、該傳感器可廣泛應用于辦公室、家庭、汽車駕駛室、和工業(yè)過程控制系統(tǒng)等,對空氣濕度進行檢測。與其他產(chǎn)品相比,它有著顯著的優(yōu)點: (1)無需校準的完全互換性; ( 2)長期飽和狀態(tài),瞬間脫濕; ( 3)適應自動裝配過程,包括波峰焊接、回流焊接等; ( 4)具有高可靠性和長期穩(wěn)定性; (5)特有的固態(tài)聚合物結構; (6)適用于線性電壓輸出和線性頻率輸出兩種電路; (7)響應時間快。</p><p>　　1．2．2光照傳感

41、器的發(fā)展概況</p><p>　　我國是世界上光敏電阻的生產(chǎn)大國，光敏電阻的生產(chǎn)地集中在南陽和沿海地帶，隨著電子信息技術的飛速發(fā)展和對電子元器件性能要求的不斷增強，我國光敏電阻的生產(chǎn)技術也必須迎頭趕上世界潮流，光敏電阻的生產(chǎn)過程有很多工序，要求非常苛刻，比如對原材料的要求，除對原材料本身質量要求很高外，使用前的處理也極其講究，現(xiàn)在光敏電阻生產(chǎn)的許多工序都已實現(xiàn)了自動化了。生產(chǎn)過程的自動化大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的

42、質量。因此，對光敏電阻特性的研究具有重要的意義。</p><p>　　光敏電阻是利用物體的導電率會隨著外加光照的影響而改變的性質而制作的一種特殊電阻。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。它的電流隨電壓呈線性變化。光敏電阻在無光照的時候，其暗電阻的阻值一般很大，在有光照的時候，其亮阻的阻值變得很小，兩者的差距較大。半導體光敏電阻的主要特點是靈敏度高、體積小、重量輕、電性能穩(wěn)

43、定、可以交直流兩用，而且工藝簡單，價格便宜等，正是由于這些優(yōu)點，使光敏電阻被廣泛應用于照相機日光控制、光電自動控制、光電藕合、光電自動檢測、電子光控玩具、自動燈開關及各類可見光波段光電控制測量場合。</p><p>　　1．2．3無線傳輸模塊NRF24L01的發(fā)展概況</p><p>　　近年來， 隨著無線通信技術的發(fā)展， 無線通訊設備的集成化越來越高。本文介紹了一種選用高性能、低功耗的傳

44、輸模塊。</p><p>　　在2.4GHz非授權頻段上,目前已經(jīng)云集了藍牙、Wi-Fi、Zigbee等多個標準無線協(xié)議,本來各協(xié)議可以相安無事開發(fā)自己的專有應用,但現(xiàn)在,非標準無線射頻協(xié)議的涌入打破了這一平衡,該協(xié)議意圖蠶食藍牙、Zigbee已有的市場。在本次IIC上,Nordic、TI等多家公司展出了非標準無線射頻協(xié)議的應用,受到工程師的關注。 “非標準無線射頻協(xié)議的優(yōu)勢是低功耗、低成本、易開發(fā)。”挪威Nor

45、dic半導體公司亞太區(qū)銷售經(jīng)理陳志謙指出,“比如我們基于nRF24L01的無線鼠標的電流消耗相比競爭對手協(xié)議要低數(shù)百倍。因此電池壽命可以提高15到600倍！”他強調：該芯片支持的數(shù)據(jù)率可以高達2Mbps,接收模式電流消耗僅有12.5mA！ 不單是支持高速數(shù)據(jù)傳輸,nRF24L01還支持無線組網(wǎng), 陳志謙表示：“片上配有MultiCeiver邏輯,可支持同時接收六路無線設備數(shù)據(jù),這樣的一個典型應用是便攜式PC配有無線鍵盤、無線鼠標、 **

46、****機（VoIP）、無線游戲控制桿、遙控器和無線寫字板等?！绷韨€典型應用是利用該器件組建個人智能運動設備網(wǎng)絡,例如可以裝在手表上,來監(jiān)測心率、速度、壓力和距離[7]。</p><p>　　由于在2.4GHz非授權頻段上已經(jīng)有多種無線應用,如何確保信息發(fā)送接收的在干擾狀態(tài)下保持連續(xù)性就很重要。對此,陳志謙表示nRF24L01片上的檢測功能可以檢測任何固定頻率的網(wǎng)絡,例如,如果檢測到附近有工作的無線局網(wǎng),nRF2

47、4L01可以利用很短的時間快速從擁擠的通道中轉換出來。另外,nRF24L01集成了自動發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包、發(fā)送和應答信號、檢測和重發(fā)都是丟失數(shù)據(jù)包、存儲沒有收到應答信號的數(shù)據(jù)包等功能,所以可以自動重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包,可以確保用戶終端的可靠性。 在低成本、易開發(fā)方面,陳志謙表示：“由于全部的射頻部分、協(xié)議和濾波都集成在了芯片里,所以降低了用戶的成本,建立一個完整的系統(tǒng)所需的外部元件是晶振、電阻、電容和低成本的MCU,MCU和nRF24L01通

48、過異步串行口或同步串行口連接。” </p><p>　　nRF24L01 內嵌了ANT協(xié)議,可以方便地組建無線網(wǎng)絡。ANT是一個無線個人局域網(wǎng)（PAN）通訊技術,可以確保連接數(shù)據(jù)完整性,并是一個低成本、低功耗無線網(wǎng)絡協(xié)議。該協(xié)議調制方式是采用GFSK調制,支持星型和端對端等多種組網(wǎng)形式,支持的節(jié)點是2到數(shù)千個以上,所以,它不但威脅到藍牙應用還威脅到Zigbee 應用[15]。</p><p&g

49、t;　　NRF24L01 是NORDIC 公司最近生產(chǎn)的一款無線通信通信芯片，采用FSK 調制，內部集成NORDIC 自己Enhanced Short Burst 協(xié)議?？梢詫崿F(xiàn)點對點或是1 對6 的無線通信。無線通信速度可以達到2M（bps）。NORDIC 公司提供通信模塊的GERBER 文件，可以直接加工生產(chǎn)。嵌入式工程師或是單片機愛好者只需要為單片機系統(tǒng)預留5 個GPIO，1 個中斷輸入引腳，就可以很容易實現(xiàn)無線通信的功能，非常適

50、合用來為MCU 系統(tǒng)構建無線通信功能。</p><p><b>　　1．3課題的意義</b></p><p>　　無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡有著巨大的應用前景，被認為是將對21 世紀產(chǎn)生巨大影響力的技術之一。已有和潛在的傳感器應用領域包括：軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療、建筑物監(jiān)測等等。隨著傳感器技術、無線通信技術、計算技術的不斷發(fā)展和完善，各種傳感器網(wǎng)絡將遍布我們生活環(huán)境，從而

51、真正實現(xiàn)“無處不在的計算”。以下簡要介紹傳感器網(wǎng)絡的一些應用。</p><p>　　在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面也有重要的應用，最新的農(nóng)作物環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可以對農(nóng)作物長勢、農(nóng)業(yè)災害和土壤墑情、氣候變化等進行監(jiān)測，從而確保農(nóng)作物正常生長。</p><p>　　在農(nóng)作物環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，每個無線農(nóng)作物環(huán)境監(jiān)測節(jié)點有單片機構成，在每個節(jié)點上配置了不同的傳感器，包括溫度、濕度、光照、鹽堿度等。節(jié)點間的距離可以達到

52、百米以上，幾百個這樣的無線節(jié)點組成的無線網(wǎng)絡，可覆蓋百畝以上的土地。每個節(jié)點既實時監(jiān)視該點附近的溫度、濕度等情況，同時也無線雙向中轉信息，將信息傳輸?shù)教炀€范圍內的其他節(jié)點上，這樣即使某節(jié)點故障，附近的節(jié)點也可以建立新的通信鏈路，確保通信暢通。</p><p>　　這樣的一套智能無線網(wǎng)絡系統(tǒng)，不僅可以自動監(jiān)視農(nóng)作物環(huán)境，而且能在環(huán)境氣候發(fā)生災害性變化時及時發(fā)出警報。另外，如果加裝相應功能的傳感器，還可以為高價值農(nóng)業(yè)

53、產(chǎn)品提供防盜功能。</p><p>　　在工業(yè)方面，由于現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境惡劣，工作人員不能長時間停留在現(xiàn)場觀察設備是否運行正常，就需要采集數(shù)據(jù)并傳輸數(shù)據(jù)到一個環(huán)境相對好的操控室內，工作人員可以在這里將控制指令傳輸給現(xiàn)場執(zhí)行模塊進行各種操作。這樣就會產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸問題，由于廠房大、需要傳輸數(shù)據(jù)多，使用傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸方式就需要鋪設很多很長的通訊線，浪費資源，占用空間，可操作性差，出現(xiàn)錯誤換線困難。而且，當數(shù)據(jù)采集點處于

54、運動狀態(tài)、所處的環(huán)境不允許或無法鋪設電纜時，數(shù)據(jù)甚至無法傳輸，此時便需要利用無線傳輸?shù)姆绞竭M行數(shù)據(jù)采集[5]。</p><p>　　第二章 方案的對比和論證</p><p>　　當將單片機用作測控系統(tǒng)時，系統(tǒng)總要有被測信號懂得輸入通道，由計算機拾取必要的輸入信息。對于測量系統(tǒng)而言，如何準確獲得被測信號是其核心任務；而對測控系統(tǒng)來講，對被控對象狀態(tài)的測試和對控制條件的監(jiān)察也是不可缺少的環(huán)節(jié)

55、。</p><p>　　傳感器是實現(xiàn)測量與控制的首要環(huán)節(jié)，是測控系統(tǒng)的關鍵部件，如果沒有傳感器對原始被測信號進行準確可靠的捕捉和轉換，一切準確的測量和控制都將無法實現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化測量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來檢測和控制生產(chǎn)過程中的各種參量，使設備和系統(tǒng)正常運行在最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率和高質量。</p><p>　　2. 1溫度傳感器的選擇</p>&l

56、t;p>　　方案一：采用熱敏電阻，價格比較便宜，但熱敏電阻精度、重復性、可靠性較差，對于檢測1攝氏度的信號是不適用的。在溫度測量系統(tǒng)中，經(jīng)常采用單片溫度傳感器，比如AD590、LM35等。但這些芯片輸出的都是模擬信號，必須經(jīng)過A/D轉換后才能送給單片機，這樣就使得測溫裝置的電路較復雜。另外，這種測溫裝置的一根線上只能掛一個傳感器，不能進行多點測量，即使能實現(xiàn)，也要用到復雜的算法，一定程度上也增加了軟件實現(xiàn)的難度。 </p&g

57、t;<p>　　方案二：在多點測溫系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的測溫方法是將模擬信號遠距離采樣，然后進行AD轉換，而為了獲得較高的測溫精度，就必須采用措施解決由長線傳輸、多點測量切換及放大電路零點漂移等造成的誤差問題。采用數(shù)字溫度芯片DS18B20測量溫度，輸出信號全數(shù)字化，便于控制，省去傳統(tǒng)的測溫方法的很多外圍電路，且該芯片的物理化學性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件。DS18B20的最大特點之一采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，測溫系統(tǒng)的電路就比較

58、簡單，體積也不大，TMS320LF2407 DSP評估板只需要一個I/O就可以帶驅動多個DS18B20，容易實現(xiàn)多點測量，輕松的組建傳感器網(wǎng)絡。從上述兩個方案的對比中看出，方案一的電路復雜，可擴展性不高，不方便進行多點測量，因此我們選擇方案二。 </p><p>　　2. 2 濕度傳感器的選擇</p><p>　　測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質從其周圍的空氣吸收水分后引起的物

59、理或化學性質的變化，間接地獲得該物質的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進行濕度測量的。 </p><p>　　方案一：采用HOS-201濕敏傳感器。HOS-201濕敏傳感器為高濕度開關傳感器，它的工作電壓為交流1V以下，頻率為50HZ～1KHZ，測量濕度范圍為0～100%RH，工作

60、溫度范圍為0～50℃，阻抗在75%RH（25℃）時為1MΩ。這種傳感器原是用于開關的傳感器，不能在寬頻帶范圍內檢測濕度，因此，主要用于判斷規(guī)定值以上或以下的濕度電平。然而，這種傳感器只限于一定范圍內使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性特性[6]。</p><p>　　方案二：采用HS1101濕度傳感器。定性，快速響應時間，專利設計的固態(tài)聚合物結構，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動

61、插件和自動裝配過程等。相對濕度在1%---100%RH范圍內；電容量由16pF變到200pF，其誤差不大于±2%RH；響應時間小于5S；溫度系數(shù)為0.04 pF/℃?？梢娋仁禽^高的。</p><p>　　綜合比較方案一與方案二，方案一雖然滿足精度及測量濕度范圍的要求，但其只限于一定范圍內使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。而且還不具備在本設計系統(tǒng)中對溫度-30～50℃的要求，因此，我們選擇方

62、案二來作為本設計的濕度傳感器。</p><p>　　2. 3 光照傳感器的選擇</p><p>　　系統(tǒng)中測量光照的功能，通過光敏電阻和ADC0832組成的電壓測量電路來反映光照的變化。它是利用光敏電阻的光電效應進行工作的。ADC0832 是美國國家半導體公司生產(chǎn)的一種8 位分辨率、雙通道A/D轉換芯片。在黑暗的環(huán)境下光敏電阻的電阻值很大，導電性降低，受光線照射后，電阻值降低，導電性增強。

63、常用的光敏器件有光敏二極管和三極管，作光照傳感器使用時，一般和一個電阻相串聯(lián)，接入到電橋電路中去。這種傳感器結構簡單可靠，反應快，精度比較高，光敏二極管的靈敏度比三極管的更高一些。光照測量采用光電池實現(xiàn)，測量范圍0-100光照單位，測量精度為士3光照單位。</p><p>　　第三章 系統(tǒng)軟件的設計（探測部分）</p><p>　　系統(tǒng)軟件包括主機軟件和從機軟件，主機和從機軟件都是采用C語

64、言編寫，固化在程序存儲器中。隨著科技自動化水平的迅速提高，智能控制開始在環(huán)境變化的領域得到應用，人們對環(huán)境自動化的要求越來越高，環(huán)境變化規(guī)模的增大和種類繁多的控制設備在環(huán)境領域的應用，使得傳統(tǒng)的控制軟件己無法滿足用戶的各種需求。在開發(fā)傳統(tǒng)的環(huán)境控制軟件時，當被控對象一旦有變動，就必須修改其控制系統(tǒng)的源程序，導致其開發(fā)周期長：已開發(fā)成功的控制軟件又由于每個控制項目的不同而使其重復使用率很低，導致它的價格非常昂貴：正是由于環(huán)境控制采用了無線

65、監(jiān)測的結構，所以對主機控制軟件要求能夠針對不同的溫度下，不同的濕度下，不同的光照下，能夠收到從機傳來的環(huán)境的變化并作出判定報警。</p><p>　　3．1系統(tǒng)通信軟件設計主機CPU程序框圖</p><p><b>　　(1)主程序框圖</b></p><p>　　單片機通過中斷方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。用定時／計數(shù)器1作為波特率發(fā)生器，同從機一樣，

66、波特率取9600b/s。一幀數(shù)據(jù)包括一個起始位、8個數(shù)據(jù)位、一個地址／數(shù)據(jù)判斷位和一個停止位。定時器Tl采用工作方式2，串口采用方式3通信。</p><p>　　圖4-1系統(tǒng)通信軟件設計主CPU主程序框圖</p><p>　?。?）主中斷程序框圖如下：</p><p>　　圖4-2 系統(tǒng)通信軟件設計主機CPU中斷程序框圖</p><p>　

67、　3．2系統(tǒng)通信軟件設計從機CPU程序框圖</p><p><b>　　(1)主程序框圖</b></p><p>　　系統(tǒng)通信軟件設計從機CPU與主機CPU采用RS-232進行串行通信，串行口均設為工作方式3，晶振頻率為12MHz，波特率為2400b/s，采用中斷方式進行串行通信。</p><p>　　圖4-3 系統(tǒng)通信軟件設計從機CPU主程序

68、框圖</p><p>　　(2)中斷服務程序框圖</p><p>　　系統(tǒng)通信從機CPU中斷程序框圖如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 系統(tǒng)通信軟件設計從機CPU中斷程序框圖</p><p>　　3.3從機軟件的設計</p><p><b>　　各單元模塊的聯(lián)接：</b></p&

69、gt;<p>　　3．3．1溫度模塊的設計</p><p>　　軟件功能：啟動溫度采集，并對采集到的數(shù)據(jù)進行顯示前處理。</p><p>　　硬件連接：DS18B20是單總線數(shù)字溫度器件，所以外圍電路設計十分簡單，3腳接電源，1腳接地，2腳為單總線數(shù)據(jù)端接一個上拉電阻與單片機的P27口相連接。</p><p><b>　　器件介紹：</

70、b></p><p>　　DS-18B20采用獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。</p><p><b>　　程序設計：</b></p><p>　　/***************************初始化ds1820********************

71、******/</p><p>　　bit Init_DS18B20(void)</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　DQ = 1 ; //DQ復位</p><p>　　Dey(8) ; //稍做延時</p><p>　　DQ = 0 ; //

72、單片機將DQ拉低</p><p>　　Dey(90) ; //精確延時 大于 480us</p><p>　　DQ = 1 ; //拉高總線</p><p><b>　　Dey(8) ;</b></p><p>　　presence=DQ ; //如果=0則初始化成功 =1則初始化失敗</p&

73、gt;<p>　　Dey(100) ;</p><p><b>　　DQ = 1 ; </b></p><p>　　return(presence) ; //返回信號，0=presence,1= no presence</p><p><b>　　} </b></p><p>

74、　　/**************************讀一個字節(jié)****************************/</p><p>　　unsigned char ReadOneChar(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned char i = 0 ;</p><

75、p>　　unsigned char dat = 0 ;</p><p>　　for (i = 8 ; i > 0 ; i--)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　DQ = 0 ; // 給脈沖信號</p><p>　　dat >>= 1 ;</p><

76、p>　　DQ = 1 ; // 給脈沖信號</p><p>　　if(DQ) dat |= 0x80 ;</p><p><b>　　Dey(4) ;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　return(dat) ;</p><p>&l

77、t;b>　　}</b></p><p>　　/*************************寫一個字節(jié) ************************/</p><p>　　void WriteOneChar(unsigned char dat)</p><p><b>　　{</b></p><p&

78、gt;　　unsigned char i = 0 ;</p><p>　　for (i = 8 ; i > 0 ; i--)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　DQ = 0 ;</b></p><p>　　DQ = dat&0x01 ;</p&g

79、t;<p><b>　　Dey(5) ;</b></p><p><b>　　DQ = 1 ;</b></p><p><b>　　dat>>=1 ;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b&g

80、t;　　}</b></p><p>　　/**************************讀取溫度************************/</p><p>　　void Read_Temperature(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　Init_DS18B

81、20() ;</p><p>　　WriteOneChar(0xCC) ; // 跳過讀序號列號的操作</p><p>　　WriteOneChar(0x44) ; // 啟動溫度轉換</p><p>　　Init_DS18B20() ;</p><p>　　WriteOneChar(0xCC) ; //跳過讀序號列號的操作</p

82、><p>　　WriteOneChar(0xBE) ; //讀取溫度寄存器</p><p>　　temp_data[0] = ReadOneChar() ; //溫度低8位</p><p>　　temp_data[1] = ReadOneChar() ; //溫度高8位 </p><p><b>　　}</b>&l

83、t;/p><p>　　/************************溫度數(shù)據(jù)轉換*************************/</p><p>　　void Disp_Temperature()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　display[4]=temp_data[0]&0x

84、0f ;</p><p>　　display[0]=ditab[display[4]]+0x30 ; //查表得小數(shù)位的值</p><p>　　display[4]=((temp_data[0]&0xf0)>>4)|((temp_data[1]&0x0f)<<4) ;</p><p>　　display[3]=disp

85、lay[4]/100+0x30 ;</p><p>　　display[1]=display[4]%100 ;</p><p>　　display[2]=display[1]/10+0x30 ;</p><p>　　display[1]=display[1]%10+0x30 ;</p><p>　　if(display[3]==0x30)

86、 //高位為0，不顯示</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　display[3]=0x20 ; </p><p>　　if(display[2]==0x30) //次高位為0，不顯示</p><p>　　display[2]=0x20 ;</p

87、><p><b>　　}</b></p><p><b>　　} </b></p><p>　　3．3．2濕度模塊的設計</p><p>　　軟件功能：啟動濕度采集，并對采集到的數(shù)據(jù)進行顯示前處理。</p><p>　　硬件連接：HS1101是雙引腳器件，所以外圍電路設計十分簡

88、單，有線性電壓輸出和線性頻率輸出兩種電路。在本系統(tǒng)中，選用頻率輸出電路，需將2腳接地。</p><p>　　器件介紹：HS1101基于獨特工藝設計的電容元件，這些相對濕度傳感器可以大批量生產(chǎn)?？梢詰糜谵k公自動化，車廂內空氣質量控制，家電，工業(yè)控制系統(tǒng)等。在需要濕度補償?shù)膱龊纤?也可以得到很大的應用。</p><p><b>　　程序設計：</b></p>

89、<p>　　/*HS1101頻率檢測前的定時器T0、計數(shù)器T1設置*/</p><p>　　void timinit()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　count=0;N=0;freq=0;</p><p>　　TMOD=0x51;</p><p>&

90、lt;b>　　EA=1;</b></p><p>　　ET0=1;ET1=1;</p><p>　　TH0=0x3C;TL0=0xb0;</p><p>　　TH1=0;TL1=0;</p><p>　　TR0=1;TR1=1;</p><p><b>　　}</b></p

91、><p>　　/*HS1101頻率計算，關閉定時器T0，計數(shù)器T1*/</p><p>　　void hs1101()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　EA=0;</b></p><p>　　ET0=0;ET1=0;</p>&l

92、t;p>　　TR0=0;TR1=0;</p><p>　　T1H=TH1;T1L=TL1;</p><p>　　freq=N*65536+T1H*256+T1L;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*HS1101頻率與相對濕度的轉換顯示*/</p><p>　　v

93、oid dispfreq()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　while(count!=20); </p><p><b>　　hs1101();</b></p><p>　　if((5819<=freq)&&(freq<= 7154)

94、) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　if((7025<freq)&&(freq<=7154))</p><p>　　{h0=0;h1=(7154-freq)*10/129;}</p><p>　　if((6880<freq)&&

95、;(freq<=7025))</p><p>　　{h0=1;h1=(7025-freq)*10/145;} </p><p>　　if((6741<freq)&&(freq<=6880))</p><p>　　{h0=2;h1=(6880-freq)*10/139;} </p><p>　　if((6645

96、<freq)&&(freq<=6741))</p><p>　　{h0=3;h1=(6741-freq)*10/96;}</p><p>　　if((6516<freq)&&(freq<=6645))</p><p>　　{h0=4;h1=(6645-freq)*10/129;}</p><

97、p>　　if((6391<freq)&&(freq<=6516))</p><p>　　{h0=5;h1=(6516-freq)*10/125;}</p><p>　　if((6271<freq)&&(freq<=6391))</p><p>　　{h0=6;h1=(6391-freq)*10/120;}

98、</p><p>　　if((6124<freq)&&(freq<=6271))</p><p>　　{h0=7;h1=(6271-freq)*10/147;}</p><p>　　if((5998<freq)&&(freq<=6124))</p><p>　　{h0=8;h1=(612

99、4-freq)*10/126;}</p><p>　　if((5819<freq)&&(freq<=5998))</p><p>　　{h0=9;h1=(5998-freq)*10/179;}</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b&

100、gt;</p><p><b>　　{</b></p><p>　　h0 = 0; h1 = 0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　tab[6]=h0+'0';</p><p>　　tab[7]=h1+'0';<

101、;/p><p><b>　　}</b></p><p>　　3．3．3光照模塊的設計</p><p>　　軟件功能：將光敏電阻兩端的電壓輸入ADC0832的通道0，完成電壓的讀取。</p><p>　　硬件連接：數(shù)據(jù)輸入輸出ADC_DI、ADC_DO接P1^5;時鐘端ADC_CLK接P1^6;</p><

102、p>　　片選端ADC_CS接P1^7; </p><p>　　器件介紹：ADC0832是美國國家半導體公司生產(chǎn)的一種8 位分辨率、雙通道A/D轉換芯片。</p><p><b>　　程序設計：</b></p><p>　　/*****************************啟動ADC轉換********************

103、**/</p><p>　　void ADC_start() </p><p><b>　　{</b></p><p>　　ADC_CS=1; _nop_(); //一個轉換周期開始</p><p>　　ADC_CLK=0;_nop_();</p><p>　　ADC_CS=0; _no

104、p_(); //CS置0，片選有效</p><p>　　ADC_DI=1; _nop_(); //DI置1，起始位</p><p>　　ADC_CLK=1;_nop_(); //第一個脈沖</p><p>　　ADC_DI=0; _nop_(); //在負跳變之前加一個DI反轉操作</p><p>　　

105、ADC_CLK=0;_nop_(); </p><p><b>　　}</b></p><p>　　/******************** AD轉換函數(shù)（選擇輸入通道）********************/</p><p>　　unsigned char ADC_read(uchar mode)</p><

106、p>　　{ uchar i;</p><p>　　ADC_start(); //啟動轉換開始</p><p>　　ACC=mode;ADC_DI=ACC1; //輸出控制位1，DI=1，單通道輸入，DI=0，差分輸入。</p><p>　　ADC_CLK=1; //第二個脈沖</p>

107、<p>　　_nop_(); ADC_DI=0; ADC_CLK=0; _nop_();</p><p>　　ADC_DI=ACC0; //輸出控制位0，DI=0，通道0輸入，DI=1，通道1輸入。</p><p>　　ADC_CLK=1; _nop_(); //第三個脈沖</p><p>　　ADC_DI

108、=1; ADC_CLK=0; //輸入模式和通道號已經(jīng)選擇完。</p><p>　　ADC_CLK=1; ACC=0; //第四個脈沖</p><p>　　for(i=8;i>0;i--) //讀取8位數(shù)據(jù)</p><p>　　{ </p><p>　　ADC_CLK=0

109、; //脈沖下降沿</p><p>　　ACC=ACC<<1;ACC0=ADC_DO;//讀取DO端數(shù)據(jù)</p><p>　　_nop_();_nop_();ADC_CLK=1; </p><p><b>　　}</b></p><p>　　ADC_CS=

110、1; //CS=1，片選無效。</p><p>　　return(ACC);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*******************顯示溫度和光敏電阻電壓值******************/</p><p>　　void displight()&

111、lt;/p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　uchar i;</b></p><p>　　i=ADC_read(channel_0);</p><p>　　dis[2]=i/51; //AD值轉換為3為BCD碼，最大為5.00V。</p><

112、;p>　　dis[3]=i%51; //余數(shù)暫存</p><p>　　dis[3]=dis[3]*10; //計算小數(shù)第一位</p><p>　　dis[1]=dis[3]/51;</p><p>　　dis[3]=dis[3]%51;</p><p>　　dis[3]=dis[3]*10; //計算小數(shù)第二

113、位</p><p>　　dis[0]=dis[3]/51; </p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　3．4本章小結</b></p><p>　　軟件的設計應遵循一個原則就是要充分利用好單片機CPU的資源，盡量不讓其空閑。因此軟件的設計對于單片機控制系統(tǒng)來說也是很重要的，

114、本系統(tǒng)軟件的設計采用模塊化設計使設計思路明確，且便于調試和修改。</p><p>　　第四章 系統(tǒng)的運行與測試</p><p>　　本系統(tǒng)軟件采用模塊化設計的思想，使流程更易控制，大大提高了系統(tǒng)軟件的抗干擾能力。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對溫度、濕度、光照等指標的控制，為現(xiàn)代化發(fā)展，環(huán)境的變化，能夠有效的處理異常情況(如報警等)。下面對系統(tǒng)的測試結果進行介紹和分析。</p><p&g