无线环境监测自动监测与报告毕业论文设计

本科毕业论文（设计） 论文（设计）题目：无线环境监测模拟装置 学 院 : 人民武装学院 专 业 : 班 级 : 学 号 : 学生姓名 : 指导老师 : 2013 年 月 日 贵州 大学本科毕业论文（设计） 诚信责任书 本人郑重声明：本人所呈交的毕业 论文（设计） ，是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业 论文（设计） 中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。 特此声明。 论文（设计）作者签名： 日 期： 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 I 0目录 . I 摘要 . . 言 . 1 第 一章 无线环境监测模拟装置设计简介 . 2 （一）无线环境监测模拟装置设计意义 . 2 （二）无线环境监测技术国内外发展 . 2 （三）本次设计的主要任 务 . 3 1无线环境监测模拟装置设计要求 . 3 2硬件电路的设计 . 3 3系统的 作 . 3 4系统软件的编写 . 3 5误差分析 . 3 第二章 无线环境监测系统概述 . 4 （一）单片机应用系统简介 . 4 （二）无线环境监测模拟装置设计思路 . 4 （三）无线环境监测模拟装置探测节点 . 5 （四）无线环境 监测模拟装置监测终端 . 6 第三章 系统原理及硬件分析 . 7 （一）探测节点设计 . 7 1 作原理 . 7 2温度传感器模块 . 7 3空气质量传感器 . 8 4光电传感器模块 .无线收发模块 . 13 （二）监测终端设计 . 15 第四章 流程控制及软件分析 . 17 （一）监测终端软件流程分 析 . 17 （二）检测节点的流程控制 . 18 第五章 通信协议分析 . 24 第六章 计 . 25 （一）元件选择 . 25 （二） 理图的绘制 . 25 1 电磁兼容设计 . 25 2布局布线 . 27 第七章 测试总结 . 29 参考文献 . 30 致谢 . 31 附录 . 32 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 无线环境监测模拟装置 1本论文设计的是一个以 片机为主控芯片的无线环境监测模拟装置系统，主要由监测终端和监测节点组成。结合温度传感器 敏电阻以及空气质量传感器 来实现对周围环境温度、光照情况和大气质量等数据的收集，采用无线通信技术，传 送给监测终端的主机接收，同时通过 示当前环境情况，实现对环境的监测。系统的节点主要由三部分构成：数据采集、数据处理、无线收发模块；在监测终端上由无线收发模块和数据处理两部分构成。该无线环境监测模拟装置利用无线收发技术，通信协议采用点名校对的方式，电路结构简单，系统性能稳定可靠，功耗较低。 关键字： 无线环境监测，单片机，数据采集，传感器，点名 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 a CU by of as as to to of to to of of by in is 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 1 页 1 3今天，我们已经真正进入一个无线技术无所不在的时代。 城市环境信息的采集为人民健康生活提供及时信息，同时为环保部门及时作出反应提供信息保证；现代工业对环境的控制要求也越来越高，但是环境信息所需采集的数据信息是多点多项的，信息量巨大。由于条件的限制，每天不可能都有人在城市的各个地方监测环境的变化情况，通常情况下，以人工的方式进行信息的多点采集，一定会消耗大量的人力物力，是难以实现的。因此可以设置节点在城市的各个地方代替人工来实现数据的采集。将采集的数 据传输给监测终端，可以在这里将控制指令传输给现场执行的模块进行各种操作。由于城市地方宽广、需要传输的数据多且比较频繁，使用传统的数据传输方式就需要铺设很多很长的通讯线，浪费资源，占用空间，可操作性差，出现故障换线困难，成本较高。而且，当数据采集点处于运动状态、所处的环境不允许或无法完成铺设电缆时，数据将无法传输。为了解决以上问题，设计一套环境信息多点采集无线传输系统，实现对周边环境的温度、光照和空气质量的检测，通过监测终端对其进行监测。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 2 页 2 4无线环境监测模拟装置设计简介 14）无线环境监测模拟装置设计意义 无线传感器网络节点通常由数据处理电路、通信电路和传感器构成，可以置于农田、工厂设备或战场等危险或人类不便到达的地方完成控制、测量、定位等多种功能 传感器技术和无线通信技术相结合形成的高精度、搞可靠性的环境监测装置应用前景非常广阔。无线技术在城市环境监测方面有重要的应用，环境监测系统，可以对城市的温度、光照和大气质量等进行监测，从而确保市民生活的正常的进行，还可以用于海洋环境监测、现代 军事演练通信等。随着技术的进步，无线通信将迅速地向我们日常生活的各个方面扩展。 15）无线环境监测技术国内外发展 在上世纪的 70 年代，就有了将传统的传感器利用点对点来传输、连接到传感控制器以构成它的雏形，我们称它为传感器网络第一代。随着一些相关学科的逐渐发展，通过与微处理器的控制，传感器网络不断发展具备了综合处理多种信息的功能。这就是人们常说的传感器网络的第二代。后来现场技术发展，在传感器网络上应用，人们用其组建传感器网络使其智能化，通过无线收发技术来连接，因 而无线传感器网络慢慢的形成2。 进入 21 世纪的信息时代，无线传感器网络的应用进入了新的阶段，各信息业巨头们纷纷启动了这方面的研究计划。早在 2002 年 10月，英特尔公司就发布了誓基于微型传感器网络的新型计算发展规划，此规划开发了集成度很高的超微型传感器 3。 无线环境监测系统，具有非常广泛的应用前景，它的发展和应用将给人类的生活和生产的各领域带来很大改变。我国的一些科研单位和大学，如中国科学院、清华大学、哈尔冰工业大学等从 2002 年起开始对无线环境监测系统的研究。无线传感器网络的广泛应用是一种必然趋势。 这种无线环境监测模拟装置利用无线通信，数据传输方便可靠，关于通信协议的问题是本课题研究的重点之一。关于无线通信的算法问题，现在有诸多需要解决的问题以 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 3 页 3 实现其可靠、实时、安全的快速通信。 以微处理器为核心的低功耗、小体积、低价格嵌入式无线通信和无线网络系统近年来得到迅速发展。在城市环境监测系统中，每个无线环境监测节点有单片机构成，在每个节点上配置了不同的传感器，包括温度、光照、大气质量等。节点间的距离可以达到百米左右，几百个这样的节点组成的无线网络，可以覆盖大区域的环境监测。每个节点既实现该节点周围的环境数据 ，同时也实现数据的中转，将信息传输到天线范围的其他节点上，最终传输给监测终端。 16）本次设计的主要任务 27线环境监测模拟装置设计要求 1） 一个监测终端； 2） 两个探测节点数据采集； 3） 显示方式采用 4） 探测节点转发； 5） 通信协议设计分析； 6） 体积小、功耗低、便于嵌入到其他系统。 28硬件电路的设计 1) 方案的论证 ; 2) 元件的 选择 ; 3) 用 制原理图。 29统的 30统软件的编写 31差分析 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 4 页 4 5无线环境监测系统概述 17）单片机应用系统简介 单片机系统是通讯管理和现场监测设计的良好选择。单片机是微型计算机的一个重要分支，也是一种应用灵活且 生命力较强的机种。单片机是单片微型机的简称，对于控制领域特别适用，故又称为微控制器（ 它是一种集成可编程控制、单芯片形态的微处理器芯片，是采用超大规模集成电路技术把随机存储器 种 I/央处理器 读存储器 时器 /计时器等功能（可能还包括 A/D 转换器、脉宽调制电路、模拟多路转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微计算机系统 4。 18）无线环境监测模拟装置设计思路 在本次设计中主 要通过传感器对环境数据的采集经 换器处理，数据处理的精确性要求较高；对于单片机系统的稳定性是系统稳定的关键，软件算法直接决定系统的性能，在软件流程控制上是本次设计的重点之一；其次，就是通信协议的可靠及稳定，是节点和监测终端连接的关键技术，设计中着重解决通信协议的算法。点对多点的无线系统对无线传输提出了双向通信的要求，即主机和从机都可以进行发射和接收，并且在相互之间协调有序，不会产生冲突和干扰 5。 无线环境监测系统主要由监测终端和探测节点构成，探测节点可有 255 个实现对周边环境中的温度、光照和空气质量 等数据的收集，传送给监测终端，以达到对环境实时监测的目的。探测节点分布示意图如图 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 5 页 5 图 点分布和节点转发示意图 节点较多时较远距离的节点经过中间节点的转发实现数据的传输，节点转发的距离等于 2。 19）无线环境监测模拟装置探测节点 无线环境监测模拟装置探测节点是系统的各个神经细胞，感应环境的变化，由多个传感器组成的传感器网络节点，结合微处理器将各个传感器的信号加以处理，经过无线通信模块发送给监测终端；另外，考虑到探测节点的无线传 输距离有限，在需要较远距离传输的时候各个节点可以相互转发，实现较远距离的数据传输。无线环境监测模拟装置探测节点的结构框图如图 示。 图 测节点结构框图 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 6 页 6 20）无线环境监测模拟装置监测终端 无线环境监测模拟装置监测终端主要完成数据的显示处理和各个探测节点的通信，协调整个系统的运行。在监测终端即由微控制器、显示器和无线通信模块组成，系统框图如图 示。微控制器由 片机及其外围电路构成，显示器采用晶 显示技术，无线通信传输部分主要通过 司生产的单片无线收 /发芯片 现数据的无线传送和接收，编写通信协议实现数据的安全传输。 图 测终端系统框图 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 7 页 7 6系统原理及硬件分析 21）探测节点设计 32作原理 它是一个三态输出锁存器、一个八位 A/D 转换器、一个地址锁存译码器和一个 8 路模拟开关组成。多路开关可选通 8个模拟通道，允许 8路模拟量分时输入，共用 A/三态输出锁存器用于锁存 A/D 转换完的数字量，当使能端 高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据 6。 33度传感器模块 温度是国际单位制（ 个基本物理量之一，在物理学单位中占有重要的地位。而且许多物质的特征参数与温度有密切关系，因而温度测量在生活和工业现场控制具有至关重要的作用。通常，热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行监测的装置 7。在这些情况下，多采 用有线连接方式采集和传输，为了满足无线测温的要求，我们要求温度传感器在满足测量精度的前提下，测温过程温度信号处理较简单的实现。现在常用的传感器有模拟温度传感器和数字传感器。但是模拟温度传感器随着环境的变化线性性能不是很好，为了在满足数据精度和无线传输的方便，可采用数字式传感器 数字化采用单总线协议的温度传感器 微机接口仅用一个 I/O 口，不需要其他外部元件，直接将温度转化成数字信号，以 9位二进制数字码串行输出，因而简化了微处理器与传感器的接口。它具有低功耗、高性能、抗干扰能力强 、易配微处理器、微型化等优点，能将温度直接转化为串行的数字信号给未处理器 8。它具有 12、 11、 10、9 位的采集精度，在没有编程时的默认精度是 12 位，一般测量精度为 ，通过软件的处理后能达到 ，温度的输出以 16 位符号扩展的二进制数形式提供，低位在先，以 9。其中高五位为扩展符号位。转换周期与转换精度有关， 9位转换精度时，最大转换时间为 93.7 12位转换精度时，最大转换时间为 750 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 8 页 8 正对 左到右依次是 1（ 、 2（输入 /输出）、 3（ 图 5为上拉电阻，阻值选 度传感器测量电路 34空气质量传感器 3 1 气敏传感器选择 随着现代科学技术发展和工业发展，环境污染事故频发，生产产生的有毒有害气体对大气造成的污染也越来越严重，因而人们对空气质量的要求越来越高，它关系到生活的质量、身体的健康等。工业生产的产生的废气和污染物，如：一氧化碳、硫化物、氨气、苯系等，对人体的伤害根据浓度不同各有不同，因此对于生活环境中空气 中污染物浓度的检测不仅可以避免伤害，还可以做到有效预防，尽量减少污染保护环境。环境监测是环境保护的基础、环境管理的重要手段和环境决策的重要的技术依据 10。许多有毒有害物质，其浓度虽然很低，但对人体的危害极大。我国的环境监测项目上，监测有机污染物为重点，我国有毒有害有机污染物的污染已经非常严重，适时、全面、系统的开展有机污染物的监测刻不容缓 11。 3 2 理结构介绍 检测空气污染物浓度的传感器种类很多，根据对污染物成分的敏感度有：危险可燃气体检测、酒精浓度、空气质量检测等。根据需要本次设 计中选择 号的空气质量传感器。 体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（ 传感器所处环境中存在污染气体时， 电导率随空气中污染气体的浓度的增加而增大。利用这一电磁特性，加上合适的外围电路，即可将传感器中的电导率变化转换为与该气体浓度相对应的信号输出。 感器对硫化物、氨气、 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 9 页 9 苯系蒸汽的灵敏度高，对烟雾及其他有害气体的也有较高的灵敏度，可检测多种有害气体。它在较宽的浓度范围内对有害气体有良好的灵敏度，寿命长，成本低性能稳定，广泛应用于 家庭空气污染报警器、工业空气污染控制器和便携式空气污染检测器等。构如图 示，由微型 瓷管、二氧化锡（ 感层、测量电极和加热器构成的塑料或不锈钢腔体内，加热器为敏感元件提供必要的工作环境。封装好的气敏元件有 6 只针状管脚，其中 4 个用于信号取出， 2 个用于提供加热电流 12。测量电路如图 图 构和外形图 123456789工作前要加热 进行预热，加热功率小于 850 图 量电路 图 是传感器的基本测试电路，该传感器需要施加 2 个电压：加热电压（ 测试电压（ 其中 于为传感器提供特定的工作温度， 是用于测定传感 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 10 页 10 器串联负载（ 的电压（ 这种传感器具有轻微的极性， 用直流电源。通常在满足传感器电性能要求的前提下， 了更好利用传感器的性能，需要选择适当的 常选择 敏感体的功耗（ 算： L)2 传感器电阻（ 计算可用该式计算： （ 3 3 3 敏度特性曲线 图 传感器典型的灵敏度特性曲线，充分显示了 污染气体的高灵敏特性。其中，纵坐标为传感器的电阻比（ o），横坐标为气体浓度。 示传感器在不同浓度气体中的电阻值， 示传感器在洁净空气中的电阻值。灵敏度特性曲线在温度 20 C，相对湿度 65%，氧气浓度 21%， 0k 的条件下测得。 图 敏度特性曲线 气敏传感 器的温湿度特性如图 示，它所表示的是 敏传感器在特定浓度的气体中其特性随温度和湿度变化的变化情况。其中 20 C，33%件下， 100气中元件的电阻； 在不同温度、湿度条件下， 100 气敏器件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值，在使用时要进行灵敏度的调整，通常使用 100气或 50精蒸汽校准传感器。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 11 页 11 图 敏度特性曲线 3 4 口电路 )16)12 光敏 电阻接口电路 图中 感器接口电路，气敏传感器将输出模拟信号，经过八通道 A/D 转换器 单片机 接，数据经 A/D 转换器送给微处理器处理。 35电传感器模块 光电传感器是一种将光量的变化转换为电量变化的传感器。又称光导管，是一种匀质半导体光电元件，当光照射时其电阻值降低。将其与一电阻串联并接到电源上，便可把光信号变成电信号 14。本设计检测光照情况的传感器采用光敏电阻。 4 1 光敏电阻结构和原理 光敏电阻 制作材料具有 在特定 波长 的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向 电源 的正极，空穴奔向电源的负极，从而使 光敏电阻器 的阻值迅速下降。 光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 12 页 12 流越大，这样的光敏电阻其有较高的灵敏度。实用的光敏电阻其暗电阻的阻值往往超过1甚至高达 100亮电阻则在几 电阻与亮电阻之比在 102 106之间，可见光敏电阻有很高的灵敏度 15。光敏电阻工作原理图如图 图 敏电阻工作原理 4 2 光敏电阻特性参数 伏安特性是在一定的光照强度下，在光敏电阻的两端所加电压和通过 光敏电阻的电流的关系。由图 知，光敏电阻的伏安特性接近直线，而且没有饱和现象，受散耗功率的限制，在使用时，光敏电阻在两端电压不能超过最高工作电压，图中虚线为允许的功耗曲线，由此可确定光敏电阻正常工作电压。 图 安特性曲线 图 照特性曲线 光敏电阻的光照特性用于描述光电流 I 和光照强度之间的关系，绝大多数光敏电阻光照特性曲线是非线性的，如图 示。不同光敏电阻的光照特性是不同的，光敏电阻不宜作线性测量元件，一般用作开关式的光电转换元件。 随温度升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度会下降，影响工作性能，通常在使用时采取相应措施保持其性能。 光照情况测量电路如图 示。光敏电阻接口电路，光敏电阻将输出模拟信号，经过八通道 A/D 转换器 单片机 接，数据经 A/D 转换器送给微处理器处理。光敏电阻输出的模拟信号和 出的信号通过 通道选 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 13 页 13 择信号进入 A/D 转换器，进行数组转换处理。 36线收发模块 线通信技术简介 目前，无线通信的应用范围越来越 广：无线标签、门禁系统、机器人控制、遥控遥测、非接触 能卡、无线抄表、安全防火系统、身份识别、生物信号采集等，在布线繁杂等场合都可以通过无线收发的方案解决 16。 近年来，随着无线通信技术的发展，无线通信设备的集成化越来越高，本文介绍了一种高性能、低功耗的传输模块。在 球开放 段上，已经存在无线局域网、蓝牙、 多个标准无线协议。 线传输模块 述 由 导体公司生产的 片高速 2线收发芯片 广泛应用在通信 和控制领域。无线收发模块包括：频率发生器、增强型 式控制器，功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。功率输出、频段选择和协议的设置可以通过 口进行设置。其电流消耗极低：当工作在发射模式下发射功率为电流消耗为 收模式时为 电模式和待机模式下电流消耗更低。 成了自动发送和接收数据包、发送和应答信号、检测和重发丢失的数据包、存储没有收到应答信号的数据包等功能，可以确保用户终端的可靠性。 频段，工作速率 02Mb/s，发射功率最大为 0围所需元件极少，内部置有硬件循环冗余校验（ 点对多点的通信地址控制，集成了调制解调器，晶体振荡器和频率合成器 17。它的主要特点如下 : 它的工作电压低，在 率高： 2空中传输的时间比较短，很大程度上降低了碰撞现象；有 125 频点，满足跳频通信和多点通信需要；体型小；功耗低等。 构引脚如图 示， 式选择； 择信号； 时钟； 入数据脚； 出数据脚； 蔽可中断脚； 电源 +3V； 地； 振的 2 脚； 振的 1 脚 /外部的时钟输入端； 供 +源给 功率放大器； 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 14 页 14 ； ； 考电流； 耦电路电源正极。 图 脚功能 线传输模块 用电路 出脚给天线提供稳定的 出，必须连接到 直流通路。电路阻抗匹配在输出功率最大时，即 0，使用负载阻抗为 15 +虑到晶体振荡器的功耗和起振效果，和晶振并联的等效电容 外围电路如图 示。 123456781 外围电路 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 15 页 15 22）监测终端设计 监测终端主要完成与各个节点进行通信和数据交换，完成显示功能提醒用户环境情况。主要由 片机最小系统、无 线收发模块和 为图形显示和字符显示两种。 号液晶显示器，可以显示图形和字符，驱动芯片是 置 8192 个中文汉字， 128 个字符及 64 256 点阵显示 作电压 5V，内置升压电路，无需负压，显示内容为 128列 64行，可以 8位并口或串行与 18。 图 晶显示内部结构 在单片机的最小系统上，根据单片机工作要求和无线收发模块等各个模块的工作要求电压不同，所以 在最终生成的原理图中设计有 成的 的原理电路如 图 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 16 页 16 +源模块 韩国三星公司生产的精密基准稳压集成电路，广泛应