无线控制演示系统

毕业设计（论文） 题 目 无线控制演示系统 姓 名 姚鸿迪 学 号 30702244 专业班级 自动化 0703 所在学院 信息与电气工程学院 指导教师（职称） 刘泓（讲师） 二 一一 年 五 月 十 日 浙江大学城市学院毕业论文 摘要 I 无线控制演示系统 【摘要】 本文概述了无线控制演示系统项目选题的研究意义，介绍该项目的具体 设计要求以及研究的主要内容与研究方法。 根据项目的研究内容与设计要求，文中提出了无线控制演示系统系统实现的结构框图，并指出模块的主要作用。在此基础上 ,文中还对电路模块进行了详细的理论分析、具体电路设计与实现，最后得出整个系统的完整电路设计。 通过开发软件 、 编写程序，实现电子钱包 及 贵重物品 的防盗系统功能。程序则是 通过写到电路中 ，实现项目功能。 本文还包含对该电路进行了 制板、元器件的安装、实验的调试、实验数据的测量与处理。设计结果表明，该项目符合设计的要求。 通过对该项目的研究，可以进一步促进 实际无线领域中的应用，并开创防盗系统 的 另一个篇章。 【 关键词 】 线控制，电子防盗系统 ， 电源模块 ， 电路设计 up of of to of 江大学城市学院毕业论文 摘要 II of on on to a of CB of of of of of is SB to of of in in in 【 江大学城市学院毕业论文 目录 录 第 1 章 绪论 . 1 题的背景和意义 . 1 题的背景 . 1 内外研究现状和发展趋势 . 2 究内容和研究方法 . 2 计要求 . 2 计方法及思路 . 3 第 2 章 系统的 总体结构研究 . 4 案可行性分析 . 4 片制定方案 . 4 统总体结构 . 4 第 3 章 系统关键技术 . 6 I. 6 介 . 6 备类型 . 7 络结构 . 7 工作模式 . 9 数据结构 . 9 关的数据结构 . 9 据帧相关的数据结构 . 9 收数据处理机制 . 10 缺点 . 11 系结构概述 . 11 议层 . 11 用程序 . 12 等层特性 . 12 息确认 . 13 议概览 . 13 扑 . 13 端设备 . 13 P 点 . 14 围扩展器 . 14 址空间 . 14 浙江大学城市学院毕业论文 目录 络准则 . 15 接 . 15 . 15 眠的终端设备和轮询设备 . 16 收 /输出 . 16 出 /发送 . 17 缺点 . 17 第 4 章系统的开发环境和程序流程 . 18 发环境 . 18 介 . 18 程 . 18 建 程 . 18 目 . 20 载程序 . 21 用程序流程 . 22 P 程序流程 . 22 D 程序流程 . 23 第 5 章 电路制作和模块图 . 25 路板的制作 . 25 线控制系统模块 . 26 结论 . 错误 !未定义书签。 附录 . 29 附录 A 电路原理图 . 29 附录 B 实物版图 . 30 附录 C 软件程序 . 31 致谢 . 45 浙江大学城市学院毕业论文 图目录 V 图目录 图 要架构 . 5 图 型网络 . 8 图 雾报警器 . 8 图 程截图一 . 19 图 程截图二 . 19 图 程截图三 . 19 图 程截图四 . 20 图 目截图一 . 20 图 目截图二 . 21 图 载程序截图一 . 21 图 载程序截图二 . 22 图 P 程序流程图 . 23 图 D 程序流程图 . 24 图 路设计的原理图 . 25 图 D 和 实物图 . 26 浙江大学城市学院毕业论文 表目录 目录 表 3.1 项意义 . 10 浙江大学城市学院毕业论文 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 题的背景和意义 题的背景 近年以来，通信技术快速发展，短距离无线通信技术已经成为通信技术中的一大热点。各种网络终端的出现、工业控制的自动化和家庭的智能化等迫切需要一种具备低成本、低距离、低功耗和组网能力强等优点的无线互连标准。 其中随着各种便携式个人通信设备与家用电器设备的增加，人们享受蜂窝移动通信系统带来的便利的同时，对短距离 的无线与移动通信又提出了新的需求，使得短距离无线通信异军突起，包括无线局域网 (蓝牙 (术、无线保真 (超宽带 (及 术等各种热点技术相继出现，均展现出各自巨大的应用潜力 1。 日前，德州仪器 (布推出在国际电子展上首次演示的全新 术平台，该平台不仅有助于推动无线网络技术在消费类电子产品市场及工业市场的大规模应用，还可为基于微处理器 (应用提供业界最低功耗的单芯片射频 (决方案。 台既可降低系统复杂性、将封装与印刷电路板尺寸缩小 50%，又可简化 计，从而将包括 络、能量采集、工业监控与篡改检测、个人无线网络以及自动抄表基础设施 (在内的应用推向前所未有的水平。 而 随着我国经济水平的快速发展，人们的生活水平不断提高，拥有的贵重物品也日益增多，经常会出现贵重物品的遗忘、遗失或被盗窃现象等，从而给人们带来较大的经济损失和一些不必要的麻烦，在某些情况下还会造成严重的后果。人们希望能够拥有一种便携式的防盗设备，从 而对贵重物品进行有效的管理 2。 浙江大学城市学院毕业论文 第 1 章 绪论 2 内外研究现状和发展趋势 已经问世的不同原理的电子防盗系统包括声磁防盗系统、无线电 /射频系统、电磁波系统、微波系统、分频系统、智慧型系统 。 音叉只有在振荡频率相同情况下才引起共振。声磁系统 (正是应用了这种物理原理，实现几乎零误报的操作。无线电射频系统 (F)问世已有 30 多年历史，是较早应用 的电子防盗系统之一。它采用无线电射频作为系统发射接收检测信号，检测频率范围一般为 赫兹 。它有多种品牌的产品可供选择，成本低廉。 电磁波系统 (采用电磁波作为检测信号 。 微波系统 (用微波作为检测信号，不易受周围环境的干扰，它能够灵活地隐蔽式安装 (如隐藏于地毯下或吊置于天花板 )，具有适合店内装饰及美观的优点。 分频系统 (采用高科技分频技术和超低频无线电信号的防盗系统。智慧型系统应用独有的技术，是一个内部由集成电路控制、电池驱动、集硬标签与报警器组为一体的系统 3。 目前，国内市场上有电子 防盗 产品，如无线钱包等。无线钱包采用了光控电子技术，把物品随无线钱包一同放入口袋，通过光感原理，当防盗钱包掉落或被盗，设备发出报警信号。这类设备一般工作在一对一的模式下，一般不具备一对多的功能，功耗也较大。 随着技术的不断更新，国内外也开始采用实用新的无线技术搭设无线防盗设备，如博物馆文物防盗设备。当然这些防盗设备具有一对多或多对多的控制功能。但这类设备一般运用在高档场合，价格较高不适合普通人的实用，而且一般不考虑功耗的问题 4。 究内容和研究方法 计要求 本项目 开发的电子防盗器可 分为两个模块：无线接收器（ 无线防盗卡（ 信号接收和 理的中心，用户可以挂件的形式或者手腕等装饰品形浙江大学城市学院毕业论文 第 1 章 绪论 3 式随身携带。在 集成了无线收发装置、 喇叭，当 通电源时， D 设备的连接情况。当 备离开 定距离后， 通过喇叭进行报警。当 池电量变弱时，相应的 亮起，当 备的电量不足时，对应的 点亮。 计方法及思路 本防盗器运用了 司提供的 议，具备 一对多的通信功能，即以一个 中心，与多个接收器 时工作，从而形成多物品同时监控的功能。通过这个功能，用户只要携带一个中央处理器，就可同时管理多达 255 个贵重物品。任何一个 效，均不会影响整个网络的工作，相应的设备会给出报警或显示。 此外，本防盗器采用 功耗特性， 备以心跳方式工作在低功耗模式，每次心跳的周期大约在 2s3S，心跳工作时间在纳秒级别，工作时的电流约为几毫安，因此具备单电池长期工作的能力。同时，本防盗器还采用了 电压检测功能，当电池电量过低时能够及时给出报警， 提醒用户替换电池。 浙江大学城市学院毕业论文 第 2 章 系统的总体结构研究 4 第 2 章 系统的总体结构研究 案可行性分析 片制定方案 方案一：运用 司的芯片 者 片能够提高性能并满足以 基础的 段应用，及对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能 接序列扩频 )射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的 8051控制器。 且有 3 种不同的版本，他们是根据不同的闪存空间 32， 64和 128优化复杂 度与成本的组合。但是在运用芯片 列的芯片必须详细了解芯片中的底层协议，这对于初涉此类设计的本科毕业生增加了很大的难度5。 方案二：运用 司的芯片 片 已经封装了协议 要在语言 调用下能快速简单的进行调试和实验。 一种面向对象、直译式计算机程序设计语言，也是一种功能强大而完善的通用型语言，已经具有十多年的发展历史，成熟且稳定。这种语言具有非常简捷而清晰的语法特点，适合完成各种高层任务，几乎可以在所有的操作系统中运行 6。 综上所述 ，方案 二 更适合本人进行操作和实验。 统总体结构 在本格项目中包含了 三种类型的设备，它们是： 责网络的建立和数据转发等 ； 责数据转发以提高通信距离 ； 浙江大学城市学院毕业论文 第 2 章 系统的总体结构研究 5 责数据接收和发送，和传感器绑向 供采集数据。 如图 示了这三个设备之间的关系和整个项目的主要结构。 信号接收 ； 管理的中心 ， 中继器， 便是无线主控器 负责数据转发以提高通信距离 。 图 要架构 无线设备 线设备 线主控器 江大学城市学院毕业论文 第 3 章 系统关键技术 6 第 3 章 系统关键技术 I 发的一份专门针对其 列无线通信芯片的网络协议。按照其官方说法 一个基于连接的点对点通讯协议。 一种基于点对点通信的协议。它有两个基本拓扑：严格的映射；另一种是一对多的星型拓扑。 要用于网络管理。它支持的特性和功能，如存储和转发给睡眠终端 的数据，管理网络设备的成员权限、连接权限等。 有中断设备的功能，譬如，它可以自己在网络中实例化传感器或激励。在星型拓扑中，为网络中的集成器。 该协议能实现少量的 用。这些 持客户应用点对点的信息传递。两个应用之间的关联叫做连接（ 连接进程是通过基于可以相互发送信息的应用链接起来的。当一个链接建立的时候，它是双向的 7。 介 持 两种网络拓扑结构：直接的点对点通信结构和基于星型连接的网络拓扑结构。在星型连接中 在 被称为 写为责网络的构建和维护，它具备存储转发机制，因此可以对长期工作在休眠模式的低功耗设备提供较好的支持。同时 支持泛洪方式进行广播数据传输，这种数据通讯方式在各种报警器网络中使用尤为广泛，同时也显得非常必要 8。 其网络功能封装为几个 数型式，应用程序可以通过直接调用其 数实现点对点的通信。 硬件资源要求非常低，除了程序空间所需要的 运行时随机变量所占用的 ， 需要任何其他资源 ,它甚至不需要定时器，内部需要的定时器都是用软件模拟实现了。它在运行过程中不会进行动态内存分配因此根本不会占用程序的堆空间。如果 源富浙江大学城市学院毕业论文 第 3 章 系统关键技术 7 裕我们可以配给 个定时器以提供更好的服务。总体来讲 特色是： 低功耗通讯支持，存储转发机制，支持休眠设备 ； 低成本，最大使用 8k 及 1k A； 网络结构灵活，支持 连接方式和星型网络 ； 使用方便，协议仅仅通过 8 个 口和应用程序进行交互 。 备类型 议中规定了三种类型的设备，它们是： 责网络的建立和数据转发等 ； 责数据转发以提高通信距离 ； 责数据接收和发送，和传感器绑向 供采集数据。 络结构 持多种网络拓扑，图 其典型的无线传感器网络中使用的星型网络拓扑示意图。图 烟雾报警器网络应用的一种情况，在这种情况下当一个设备 感知发生烟雾警报，为了保证信息能够可靠的传输就采用泛洪的方式发送，这样的数据传输不是面向连接的 9。 浙江大学城市学院毕业论文 第 3 章 系统关键技术 8 图 型网络 图 雾报警器 浙江大学城市学院毕业论文 第 3 章 系统关键技术 9 工作模式 终端设备上电以后，首先完成系统初始化并向底层注册数据接收处理函数，然后启动一次加入中心节点的请求，该请求由广播方式发出，当得到中心节点响应后可以获取中心节点地址以及由中心节点构建起来的网络的信标 (加入中心节点的过程不会导致可用连接数减少 )。然后应用层程序一般会调用 动 立一个到邻近节 点的连接，连接建立成功 反馈给应用程序一个句柄，之后应用程序就是用这个句柄进行通信。在任何一次通信过程中都可能通过 行中转。 设备之间通过调用 立起连接后就可以通过 行端口到端口的数据收发了。同时为了检测信道好坏， 令用于测试通信效果。 数据结构 关的数据结构 据帧相关的数据结构 义了的数据结构类似于 P 中的端口，这些端口 是逻辑意义的面向于应用程序而存在的。应用程序之间建立的连接时基于端口的链接，而后的通信也是面向端口的通信。在 义的所有端口中 留了一个端口，这个端口由宏 义，该端口命名为无连接的用户浙江大学城市学院毕业论文 第 3 章 系统关键技术 10 数据端口，该端口数据可以被所用用户程序侦测。 一个枚举类型，它定义的是 行过程中的所有可能状态返回，具体项参见表 表 3.1 项意义 收数据处理机制 收数据的最小单位为数据帧，因为其外接的射频收发芯片是按帧为单位进行数据收发的。在适当的配 置之下，射频芯片接收到数据帧后将发生一个中断告之 响应这个中断并处理接收数据。 断调用并处理这个数据帧结构非常复杂，异常庞大，它几乎将除了用户应用程序外的所有部协议的接收处理都放在了中断函数中。 函数由中断触发并调用，模拟物理层对数据进行接收。主要完成的工作是对帧完整性进行验证；对数据帧的校验和进行验证；根据自身地址和功能开关对地址进行过滤 (地址过滤操作将允许广播地址通过 )；转换帧信号标识 (换为 计量单位的量 )。 该函数涉及到的一个全局变量： 个变量专门用于对存状态 描述 作成功 作超时退出 数调用参数错误 有空间可以用来分配给 rx 收数据缓冲区无有效数据帧 接请求发出后没有收到回复 入网络 请求发出后没有收到回复 段扫描未找到有效频道 除连接请求失败 为 败导致数据发送失败 收到数据帧但无有效载荷 设置 地址 浙江大学城市学院毕业论文 第 3 章 系统关键技术 11 放接收到的单帧数据。 找一个空余数据帧空隙，将接收到的数据放入该数据帧。如果所有数据帧都满了，那么将最老的那个数据帧去掉。 该过程涉及到的全局变量是： ，这个变量时由结构体 函数实现将接收到的数据填充到刚刚找到的空隙中。这里有一个技巧，原代码设计时使用了结构体变量之间，直接赋值 。 检测信息类型，并更具信息类型进行投递到相应的应用层处理函数。主要完成工作是：检测信息是否是自身的回声 (这种情况一般来至 ；根据获取到的端口判断是否调用内部网络层固有处理函数；根据网络层内部处理函数结果判断是否转发；根据端口判断是否存在相应的服务程序 10。 缺点 （ 1） 能够构建的网络相对较简单，网络容量小 ； （ 2） 不具备路由管理功能，每一次通讯都依靠 行侦听转发，比较浪费时间。这应该算是 大的一个缺点了 ； （ 3） 转发跳数限制在 4 跳，极大地限制了通信距离 ； （ 4） 每一个网络里边最大允许出现四个 虽然可以减少数据发送过程带来的冲突，但是也使网络规模受到限制，传输距离受到限制 ； （ 5） 设备分了三种类型，为安装带来麻烦 。 系结构概述 议层 该协议用于应用层，其重点是点对点通信。这些点通常都是传感器控制器和执行控制器目标。直接的传感器执行器也可以使用。该协议在这里并没有作区别。 从执行的角度来看，该协议的目标是使各种任意的对等的应用简单地连接起来。 浙江大学城市学院毕业论文 第 3 章 系统关键技术 12 一个分层原理图如下图所示： 没有正式的物理层或者 数据链路层（ ,数据直接由无线电的帧接收。型 口）层包含了所有的与无线电交互所需要的支持。 还有一个实体（未显示）叫做板级支持包（ 调用与无线电交互时，将口从 抽象出来。它不是为应用服务时提供一个通用的硬件抽象，只有这些如 口之类的服务，在直接支持 了方便，它同样支持 按钮 /开关等一类依附于 脚的外围设备。但是没有其他的服务提供诸如 动、 动和计时器服务 11。 管理接收和输出队列和发 往目标的命令帧。目标一般是由端口号指定的应用。 没有代表应用的帧操作。 这些端口类似于 P 的概念。它是地址在概念上的扩展。网络帧的开销被剥落，剩余的载荷用于处理指定端口的应用。 的应用程序是“众所周知”的端口，它们的值都 0们都用于本身管理网络。这些端口并不是用于直接访问用户应用。 的应用不是基于连接的。 用户应用端口由 链接过程中指定。一个成功的链接处理的结果是得到一个叫做链接 句柄。链接 地址的映射由 成。这个类似于套接字的方法应用程序没 有责任去指定或维护端口对象 12。 用程序 用程序支持网络管理。除了 些应用程序不是用户开发环境的一部分。 议是怎么样提供通信环境的，这里的描述提供了一个更全面的