（控制科学与工程专业论文）无线传感器的研究与实现.pdf

摘要 无线传感器是多种技术融合成的新技术，其融合了传感器技术、嵌入式采 集技术、无线通信技术等。它的出现，为远程监测提供了可能。其中，嵌入式 采集系统对数据采集起决定性作用，而无线通信技术的选择决定了其使用范围。 无线传感器用于无线监测，针对一些偏远地区不易布线、监测难的情况， 在这里设计一种能跨区域、范围广的无线传感器，而且要求其应用灵活方便。 本文围绕无线传感器进行了如下研究： 第一，论文在查阅大量相关文献的基础上，综述了无线传感器国内外使用 现状，简要地介绍了国内外无线传感器的设计与使用，具体地介绍了无线传感 器中所采用的无线传输方法，以及各种传输方法的使用场合，并比较了其优缺 点。结合本文所要求的无线传感器使用范围，选取传感器的设计方案，选定其 无线传输采用g p r s 网络。 第二，在选定方案后，设计了无线传感器硬件电路。硬件电路以l p c 2 2 1 0 微控制器为核心，d h t l l 为传感器测量温度和湿度，无线传输模块通过串口与 l p c 2 2 1 0 联接。无线传输模块采用宏电公司的h 7 11 8g p r sd t u ，其功能和用法 在相关部分都做了介绍。 第三，设计无线传感器的软件部分。为了使整个采集系统更稳定，程序功 能易于扩展，在l p c 2 2 1 0 微控制器上移植了此o s i i 操作系统。在移植之前， 先系统的学习此o s i i 操作系统的运行机理。在系统移植之后，完成在操作系 统上的应用程序。 第四，人机界面设计，设计上位机的监测软件。界面采用组念王来进行设 计，达到了显示接受数据的功能。 最后总结了所设计的无线传感器，并分析该传感器存在的问题，以及改进 的方向。 经过实验证明，上述设计能将获取的数据实时发送出去，并且上位机能读 取无线传感器发送的数据，实现了远距离无线 测的功能。 关键词：无线传感器、g p r s 网络、i 上c o s i i 操作系统、d t u 、组态王 a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rt e c h n o l o g yi san e wt e c h n o l o g yw h i c hi n t e g r a t ed i f f e r e n to n e s i t i n c l u d e ss e n s o r t e c h n o l o g y , e m b e d d e ds a m p l i n gt e c h n o l o g y a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o no n e t h i st e c h n o l o g ym a k e sr e m o t em o n i t o rb e c o m ep o s s i b l e a m o n g a l lt h ep a r t so fw i r e l e s ss e n s o r , t h es a m p l i n gp a r ti sd e c i s i v ei ng e t t i n gs i g n a l ；a n dt h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yd e c i d e st h es c o p eo ft h ew i r e l e s ss e n s o et h e w i r e l e s ss e n s o ri nt h i sp a p e rs h o u l dm o n i t o rt h er e m o t ea r e aw h i c hi sd i 衔c u l ti n c a b l i n g , a n ds h o u l db ef e a s i b l ea n dc o n v e n i e n tf o r t h eu s e r t h es t e po ft h er e s e a r c ho nt h ew i r e l e s ss e n s o ri sa sf o l l o w ： a tf i r s t ，t h e a p p l i c a t i o n o ft h ew i r e l e s ss e n s o ri nh o m ea n da b o a r da r e s u m m a r i z e db a s e do nt h es t u d yo fal o to fr e l a t e dl i t e r a t u r e s ，t h ep a p e ri n t r o d u c et h e d e s i g no ft h e s ew i r e l e s s s e n s o rb r i e f l y , a n dt h e a p p l i c a t i o no f t h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns p e c i f i c l y t h e nc o m p a r et h e m w ec h o o s et h em e t h o do fw i r e l e s s s e n s o ra c c o r d i n gt ot h et r a n s m i t t e dr a n g ew ea s kf o r i nt h i sp a p e r , w ec h o o s eg p r s n e t w o r ka st h em e t h o do fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s e c o n d l y , w ed e s i g nt h eh a r d w a r eo ft h ew i r e l e s ss e n s o ra f t e rw ec h o o s ei t s s c h e m e w ec h o o s dl p c 2 210a st h em i c r o p r o c e s s o ra m dd h t 11a st h es e n s o r d h t11i sas e n s o rw h i c hc a nm e a s u r et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y t h ew i r e l e s s t r a n s m i t t e ri sc o n n e c tt h el p c 2 210t h r o u g ht h es e r i a lp o r to fl p c 2 210 w ea d a p t h 7118g p r sd t uo fs h e n z h e nh o n g d i a nc o m p a n y ，a n dt h i sw i r e l e s st r a n s m i t t e r a l s ob ei n t r o d u c e di nt h i sp a r t t h i r d l y , a f t e rw ed e s i g nt h eh a r d w a r e ，w es t a r tt op r o g r a mt h es o f t w a r e i no r d e r t om a k et h ew h o l es y s t e mm o r es t a b l e ，w ea d a p t i c o s i io p e r a t i o ns y s t e mi nt h i s w i r e l e s ss e n s o r b e f o r ea d a p t i n gi to nl p c 2 210 ，w ea n a l y z et h ep r i n c i p l eo ft h eo sa t f i r s t a f t e ra d a p t i n gi to nl p c 2 210 ，w ef i n i s ht h ec l i e n tp r o g r a m a f t e ra c c o m p l i s h m e n to ft h es a m p l i n ga n dt r a n s m i t t i n g p a r t ，w ec h o o s e k i n g v i e wa st h et o o lt om a k e t h ei n t e r f a c eo ft h em o n i t o r , a n dr e a l i z et h ef u n c t i o no f r e c e i v i n g d a t a t h ed e s i g no ft h ew i r e l e s ss e n s o ra r es u m m a r i z e di nt h el a s tp a r to ft h i s p a p e r ，a n dt h i sp a r ta l s oa n a l y z et h ed i s a d v a n t a g eo f t h ew i r e l e s ss e n s o ra n dd i s c u s s t h et e n d e n c yo ft h ei m p r o v e m e n to fw i r e l e s ss e n s o r k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o r lg p r sn e t w o r k ，p c o s i io p e r a t i o ns y s t e m ，d t u ， k i n g v i e w 独创性声明 r 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中明确的说 明并表示了谢意。 研究生签名：薹兰塑日期呈幽。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵 研究生( 签名) ：圣兰盟导师( 签名) ：日期：型坐 武汉理l ：人学硕士学侮论文 第1 章绪论 在这一章中主要介绍了无线传感器的研究背景，以及其在国内外的研究现 状，最后提出本文研究的主要内容。 1 1 研究背景 随着无线通讯技术发展，远程监测技术在生产实践中使用越来越广泛。其发 展经历了几个过程。早期的监测系统采用的是仪表监视。随后是计算机监控系 统，它有被控对象，检测部分以及执行装置构成。而在现实生产中，一些设备 越来越分散，各个设备独立的监控已经跟不上监控的要求，于是出现了分布式 控制系统，该系统以计算机网络为基础，各个分散的系统信息通过网络相互传 递，为集中监测提供了可能。 在工业现场的很多情况下，要对现场的设备进行监测。很多情况下，现场是 一些比较分散或比较遥远偏僻的场所，对其进行实时的监测比较复杂，例如： 采用有线网络进行监测，布线不但复杂，而且成本很高。这种情况下，采用无 线传感器不但能够实时的了解现场的情况，而且降低了成本。 不光在工业现场，无线传感器还广泛用在其他的领域，例如在农业灌溉方面， 采用无线传感器能够及时了解灌溉方面的情况，实现水资源的信息化管理，便 于制定出调度水资源的最优策略，从而可以有效的节省水资源。据悉，全国如 果完成4 0 0 余处大型灌区的灌溉管理信息化之后，不但灌溉效率大幅提升，而 且每年节约的灌溉用水量与我国目前缺水量相当。无线传感器是实现信息化管 理必不缺少的环节1 1 4 1 1 1 7 l 。 随着信息化的发展和人们生活水平提高，无线传感器还能用于家庭电器的监 视以及室温的智能控制。对于上班一族来说，在对家电安装无线传感器之后， 能在上班以及其它户外场所实时了解家庭电器运行情况，从而为有效的远程监 控提供了可能。 在信息化高速发展的今天，将一些地域偏僻，铺设线路困难的测控系统实现 信息化综合管理是一个趋势。本文针对这种情况研发一种无线传感器，将分散 的，偏僻的测控系统进行集中监测，能实时的了解现场情况。本文选择的监控 武汉理i 大学碗十学竹论文 对象是常见的物理量：温度，湿度，通过无线传感器对被测对象的温度和湿度 进行远距离的监测。 1 2 国内外发展现状 121 国内发展现状 山上文的研究背景可以得知，无线传感器的发展受限于无线传输技术，但总 体柬讲，其犬致思路相差无几，绝大多数都是通过微处理器来采集信号，再通 过无线模块来传输，国内所设计的无线传感器的方案中，最大的不同是无线传 输模块的选择与应硐。f 面简要介绍国内无线传感器的设计与使用。 在些无线传输比较近的场合，通常无线传输模块采用载波技术，对发送的 信号进行调制、解调。以无线通信模块p t r s 0 0 0 为例，p t r 8 0 0 0 无线通信模块 可以工作在4 3 3 8 6 8 9 1 5 m h z 三个频段i “。细图1 1 所示： t # 8 一0 m h n= = 到n t _ _ _ _ ，= = 二= = * p r r a o o o c 图1 ，1p t r 8 0 0 0 构成的无线传感器 发送器 接收器 l r i r 8 0 0 0 无线通信模块广泛应用于无线抄表、门禁系统、小区传呼、小型无 线数据终端等场合。 无线通讯部分还可以用蓝牙来实现：蓝牙是一种支持短距离无线通讯的技 术，其通讯距离大概为1 0 米左右，在2 4 g m 的波段上工作。蓝牙通讯成本低， 能代替电缆将定范围内的计算机和通讯设备连接起来。其在智能家居信息 家电的遥控中应用越来越广泛。 在无线传感器技术中，z i g b e e 技术也得到广泛的应用，例如水质监测的应 武汉理【： ：= 学硬士学位论文 用、智能家居、工业现场温度湿度等物理量的无线测量。 z i 咖是i e e e8 0 21 5 4 无线传输协议的代名词，其传输距离为1 0 0 米左右a 其主要特点为：功耗低，时延短，成本低，可靠，网络容量大等。 z i g b e e 的技术应用如下： l 二 镕仁j 单l m t s 8 一，m 图i - 2z i g b e e 构成的无线传感嚣 以上介绍的无线传感器使用范围比较近，国内有些地方也采用了使甩范围更 广泛的无线传感器。 首先，基于c d m a 的无线传感器已经投入到医疗检测中。在一些偏远的地 方行医很不方便，一种基于c d m a 的传蓐罄能实时的将病人的呼吸、血压等 生理参数报告到远程的医疗中心。远程专家系统根据生理参数，可以实时了解 病人情况，可以提供远程指导。 在下图中，将简要的描述一下基于c d m a 的无线传感器研： 日目! 、 一、 r = _ ： _ 懒 一 。 固i - 3c d m a 构成的无线传感器 武汉理l ：人学硕士学位论文 国内还采用了基于g s m 的无线传感器。g s m 网络属于第二代移动通讯技术， 作为远程通讯技术代表，该技术经过多年发展己十分成熟。该网络覆盖范围广 泛，可以达到绝大多数的地域并且其短信业务( s m s ) 费用十分便宜。目前 国内采用该无线传感器网络设计报警系统，例如火火、烟雾等报警系统。其大 体结构如下： 122 国外应用现状 7 二= 9 图1 - 4 g s m 无线传感器网 无线传感器在国外的应用也十分广泛，其广泛应用于建筑安全监测、家庭 环境监测等方面。前文提到，无线传感器的发展受限于无线通讯技术的发展， 而国内外所采用的无线通讯手段都致，所以其无线传感器的原理和国内无太 大差别，但是其在应用方面有一些不同。在此仅简要的介绍下国外无线传感 器的一些应用，通过查阅一些国外文献，下面介绍几例应用。 首先介绍基于蓝牙技术的无线传感器在安防系统中的应用，蓝牙技术在上 立中已做介绍，这里不再赘述。 由十蓝牙传输距离很近，传感器获取的信息需要通过中继柬传输。所以在 一个安防系统中，其包括传感器节点、中继节点、控制节点。当传感器节点监 测到有人未经允许进入到某建筑时，通过中继节点传输到控制节点，控制节点 然后发通过串口发送到本地传输中心，本地传输中心通过i n t e r n e t 传输到中心 安全控制系统。 该无线传感器通过蓝牙采用中继传输，然后本地监测的系统通过本地安全 中心处理，然后通过i n t e r n e t 传输到中心安全控制系统。中心安全系统可以接受 形一型 武汉理1 人学硕 学忙论文 多个本地安全控制系统的信息，达到集中监测得目的m l ccn ”，is t yo 【r o i y l 。 固1 - 5 蓝牙构成的无线传感器网 在国外的应用中，无线传感器已经应用于农业生产中，用来检澳4 农作物生 长的温度、湿度以及二氧化碳的古量，根据这些成分参数调整培育策略。无限 传感器的设计方法是：首先采用温度、湿度、成分等传感器来测量，采用单片 机束处理然后通过c c 2 4 2 0 柬传输。c c 2 4 2 0 采用8 0 215 4 协议，传输距离可 到上百米，其应用框图如下： 图1 6c c 2 4 2 0 构成的无线传感器网 国警叠 ：型 秒 劣。燮 ，一 r 瓣一 武汉理1 人学硕十学位论文 1 3 本课题方案的选择 上面介绍了国内外无限传感器的些用法。其用法可以总结为：采用射频 技术，采用蓝牙技术、采用z i g b e e 技术。无线传感器都是在这些无线通f i t 的基 础上束实现的。 粟用射频技术，其传输距离比较短，而且其受干扰影响较大。采用蓝牙技 术以及采用z i g b e e 技术，其传输距离都受到了限制。 采用有线技术，其距离不受局限，但是其电缆铺设比较昂贵，而且偏远地 方铺设电缆也不方便。 在有些重大的工程中。采用卫星来进行无线通讯。其传输距离没有受到限 制，但是卫星通信要建立基站，茸费用太高。 在本课题的研究中要求其传输距离较远，而且费用廉价。基于这个要求， 奉文采用g p r s 做为无线传感器的无线通讯部分，g p r s 技术是介于第二代与第三 代移动通讯技术，其可以覆盖到绝大部分地域，符合本课题的传输要求。 谍题主要研究无线传感器的实现，其主要思路是，通过a r m 单片机实时采 集现场信号。然后通过g p r s 网络进行传输通过终端接收，再通过t c p f l p 协 议在i n t e m e i 上传输，然后在监控终端上，采j j 上位机软件读取实时数据。本文 测量的对象选定为温度和湿度，其传感器采用d h t l l 数字温湿度传感器。 该系统的总体框架如下图所示： g 圈1 7g p r s 构成的无线传感器网 a r m 7 u c o s j i 武汉理i ：人学硕十学位论文 本文的结构如下安排： 第l 章：绪论，主要介绍该课题的研究背景以及相关技术的国内外发展现 状。 第2 章：介绍无线传感器的硬件部分：设计信号采集系统以及无线发送模 块。 第3 章：介绍无线传感器的软件部分：在a r m 单片机移植g c o s i i 操作 系统，主要介绍i - t c o s i i 在a r m 7 平台上的移植，以及分析该操作系统运行原 理。在移植成功后，基于该操作系统编写d h t l l 数字温湿度传感器测量的应用 程序和组态王与单片机通讯的应用程序。 第4 章：主要编写上位机软件，上位机软件采用组态王。上位机软件将i n t e r n e t 上的数据读取并显示出来。该章节还介绍了组态王与g p r s 连接设置的一些问 题。 第5 章：对整个无线传感器的可靠性进行分析，采取措施消除不可靠的因 素。 第6 章：总结全文，对整个课题做总结并对其改进方向做腱望。 7 武汉理l ：人学硕士学位论文 第2 章无线传感器的硬件电路设计 2 1 无线传感器硬件电路设计 在上一章中，通过几种方案的对比，最终确定了本课题的方案。在这一章 中，结合选定的方案，设计无线传感器的硬件电路。本文以温度湿度这两个物 理量为测量对象，选定了d h t l1 数字温湿度传感器，以飞利浦的l p c 2 2 0 0 为处 理器，来采集温湿度并发送数据，最后d t u 通过g p r s 来传输数据。下面以框 图来说明硬件部分的结构【2 3 1 。 图2 - 1 无线传感器结构框架图 2 2d h t l1 数字温湿度传感器 根据上面硬件框图，首先来介绍一下传感器。 本文以温度和湿度为测量对象，采用d h t l l 数字温湿度传感器为系统的测 量单元。 d h t l1 数字温湿度传感器既可以测量湿度，也可以测量温度。传感器包括 一个n t c 测温元件和一个电阻式感箱元件，并可直接与单片机相连。d h t l1 体 积超小、功耗极低，信号传输距离。町达2 0 米以上。该传感器的温度测量为o 一 5 0 、湿度为2 0 一9 0 r h 。测湿误差为士5 r h ，测温误差为士2 。该传感器 具有响应快、抗干扰强、性价比高等优点。而且其串行接口便于系统集成。该 传感器的封装为4 针单排直插。 8 武汉理i ：火学硕i ：学化论文 下面简要介绍一下该传感器与单片机的连接示意图： 、c c、c c 图2 2 传感器与单片机连接示意图 单片机和d h t i l 之问的通讯采用单线双向制，一次完整的温度湿度测量时 间大约4 m s ，传感器的测量数据分为小数部分以及整数部分，其小数部分和整 数部分的表示将在下面讲解： d h t i1 一次完整的数据传输为4 0 位数据，而且是高位先输出。 d h t ll 的4 0 数据格式如下：8 位湿度整数数据+ 8 位湿度小数数据+ 8 位温度 整数数据+ 8 位温度小数数据+ 8 位校验和。 当数据传送正确时，校验和数据等于“8 位湿度整数数据+ 8 位湿度小数数 据+ 8 位温度整数数据+ 8 位温度小数数据”结果的未8 位。 具体的发送过程如下： 用户m c u 发送一次丌始信号后，d h t l1 从低功耗模式转换到高速模式，在 主机开始信号结束后，d h t l1 丌始发送响应信号，送出4 0 b i t 的数据，并触发一次 信号采集，用户可选择读取部分数据。从模式下，d h t ll 接收到丌始信号触发一 次温湿度信号采集，如果没有接收到m c u 发送的开始信号，d h t i1 不会进行温 湿度采集。采集数据后转换到低速模式。 该过程如下图所示： 9 武汉理l ：人学硕 ：学位论文 叫圭鲣开卜叫懋憾卜- 一 黼r 卜攒蔫髓誊 i 始信号! 输出i 吾蓑一 三二! n 二厂x 二f e x z 3 厂 单总线 ；j 羹毒耄待lj 篷塞薏譬l 黼。 娑搿 图2 - 3 控制器通过d h t l1 测量的过程 下面分阶段介绍整个过程： 总线空闲状念为高电平，主机把总线拉低等待d h t l1 响应，总线被主机拉低 的时间必须大于1 8 毫秒，保证d h t l l 能检测到起始信号。d h t l l 接收到主机的 开始信号后，等待主机开始信号结束，然后发送8 0 u s 低电平响应信号。主机发送开 始信号结束后，延时等待2 0 4 0 u s 后，读取d h t il 的响应信号，主机发送丌始信号 后，切换到输入模式，或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高。 1 鬻ri 焉挚r = 二飞二二二= x = = z ，旷 单总线一1 i 主机至少拉低。h 。0 - 一蹦慧信号l： 图2 4d h i 1 1 响应 下面介绍数据的表示方法： 总线为低电平，说明d h t l1 发送响应信号，d h t ll 发送响应信号后，再把总线 拉高8 0 u s ，准备发送数据，每一b i t 数据郡以5 0 u s 低电平时间间隔丌始，数据位是0 还是l 由高电半的时问来决定的。2 6 u s 2 8 u s 的时间长度表示数据0 7 0 u s 的 时间长度表示数据1 。具体格式见下面图示。如果读取响应信号为高电平，则 表示d h t l1 没有响应，此时请检查线路是否连接正常。当最后一b i t 数掘传送完 毕后，d h t l l 拉低总线5 0 u s ，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状念。 数字0 信号表示方法如下图所示： l o 武汉理i ：人学硕十学位论文 v c c ：j 心- l 2 6 u s - - 2 8 u sh 一 ii 表示0 i 单总线叫i l b t t 开始i 5 0 u s f i i - 一 图2 5 数字0 信号 数字l 信号表示方法如下图所示： v c c - - - - - l 一 li ? o u s 表示l k - 一 l ii b i t 开始i 单总线_ 叫5 0 甚一卜 图2 6 数字l 信号 以上为d h t l1 数字温湿度传感器的使用介绍。 2 2a r m - l p c 2 2 10 的硬件电路 在上一节中，主要介绍了d h t ll 数字温湿度传感器，在这一节我们将主要 介绍l p c 2 2 1 0 控制器以及整个无线传感器硬件部分的设计。 武汉理i ：人学硕十学位论文 2 2 1l p c 2 2 10 本文所介绍的的l p c 2 2 1 0 芯片，属于a r m 7 t d m ，a r m 7 t d m 现在属 a r m 的低端的内核。a r m 7 t d m 处理器是功耗小，性能先进。其属于r i s i ( 精 简指令集计算机) ，相比之下比复杂指令计算机( c i s i ) 要简短很多 1 2 1 1 3 9 1 。 a r m 7 t d m i 处理器处理指令采用三级流水线结构，所谓三级流水线结构就 是：在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，同时将第三条指令从存储 器中调出。其结构示意图和位置之间的结构如下列图所示： 取指 译码 执行 取指译码执行 取指译码执行 时钟周期：t1 t 2t 3 r r j 一- h 图2 7 三级流水线结构 表2 1 三级流水线二条指令关系 流水线上个指令的地址流水线1 ：作描述 a r m 指令集t h u m b 指令集 p cp c取指指令从存储器中取出 p c 4p c 一2 译码对指令使川的寄存器进行译码 p c 一8 p c - 4 执行从寄存器纽中读出寄存器，执 ，移位平 a l u 操作，寄存器被弓同寄存器组中 a r m 7 t d m i 处理器采用的是“冯诺依曼”结构：把代码作为一种特殊的 数掘来操作，即指令总线和数据总线及其存储区域是统一的。 a r m 是( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 的缩写，即精简指令集计算机高级机 器，它是一家在微处理器方面很出名的企业，它设计了很多廉价、性能优越的 处理器，该公司的一个特点只设计芯片，而不生产，它将技术授权给其他公司 1 2 武汉理j ：人学硕十学位论文 生产。这也是为什么可以看到很多公司都生产a r m 单片机的原因，a r m 单片 机形成了多种特色。 a r m 处理器为r i s c 芯片，其简单的结构使内核非常小，功耗也很低。a r m 除了r i s c 的特点以外，其具有如下特点： 地址自动增加和减少寻址模式，优化程序循环。 1 每条数据处理指令都对算术逻辑单元和移位器进行控制，实现a l u 和 移位器的最大利用。 2 实现最大数据存储量。 3 所有指令条件执行实现最快速的代码执行。 a r m 处理器直接支持的数据类型为：字节( 8 位) 、半字( 1 6 位) 、字( 3 2 位) 。 a r m 7 t d m i 包括3 2 位的a r m 指令集以及包括1 6 位的t h u m b 的指令集， 所以a r m 7 t d m i 处理器它包括两种操作方式，其中a r m 状态为3 2 位，其执行 字方式的a r m 指令；t h u m b 状态为1 6 位，这种状态下执行的为半字的a r m 指 令。 a r m 体系结构支持7 种处理器模式，分别为：用户模式、快终端模式、中 断模式、未定义模式和系统模式，其优点是能很好的支持操作系统并提高工作 效率。 本文所采用的芯片l p c 2 2 1 0 ，l p c 2 2 1 0 的引脚为1 4 4 ，片内r a m 为1 6 k b ， 自身集成了8 路l o 位a d 转换器，但是其内部没有片内f l a s h ，在实际应用中， 还要扩展程序存储器f l a s h 。 2 2 2l p c 2 210 最小系统 在无线传感器系统的设计中，以l p c 2 2 1 0 为核心构建一个测量系统，作为 单片机最小系统，必须包括控制器，供电系统，时钟系统，存储系统，复位系 统，调试接口，其最小系统原理图如下引： 武汉理1 ：人学硕 ：学何论文 图2 - 8l p c 2 2 1 0 最小系统 l p c 2 2 0 0 控制器在上文中做了介绍，下面对其他的几个部分做一下介绍： 电源部分：l p c 2 2 0 0 的c p u 操作电压为1 8 v ，l p c 2 2 1 0 的i o 操作电压为 3 3 v 。因此在系统中，要同时提供1 8 v 和3 3 v 的电压，本系统采取的方案是， 首先用购买的变压器获取9 v 的直流电压，然后将9 v 的直流电压转换成5 v 的 直流电压，最后用s p x l l l 7 电压调节器来获取3 3 v 的电压和1 8 v 的电压。 图2 - 99 v 到5 v 电压产生电路 翳 ! p z l l l x 3j 图2 1 03 3 v 电压产生电路 1 4 武汉理i ：人学硕十学位论文 l 。4 弹x l l l 1 ：12 图2 1 11 8 v 电压产生电路 下面来介绍一下复位系统，由于l p c 2 2 1 0 芯片工作在高速、低功耗、低 工作电压情况下，导致其抗干扰能力较弱。为了提高系统的稳定性，采用了 微处理器的专用电源监控芯片s p 7 0 8 s ，该芯片包括一个看门狗定时器、复 位模块、一个供电失败比较器，以及一个手动复位输入模块。 y c d j 3 y o d ；3 ：； 图2 一1 2 复位电路 n r s t 连接l p c 2 2 1 0 的复位端，当按键按下的时候，r s t 端是低电平， u 9 a 导通，n r s t 被拉低，l p c 2 2 1 0 复位。 时钟系统采用的是1 1 0 5 2 m 的外部晶振，其图如下： 1 5 武汉理i ：人学硕：f ：学f 移论文 c 9 i ，2滗一1cl0 上 口乏l i “ l 1名i i lli 2 0 p f 图2 1 3 晶振电路 在系统的开发过程中，需要调试，调试接口为j t a g 接口。 图2 1 4j t a g 电路 由于l p c 2 2 1 0 没有片内存储器，所以要在外部扩展，在该系统中，采用 s s t 3 9 v f l 6 0 的片外f l a s h ，其存储空间为1 6 m b it 。 s s t 3 9 、7 f1 6 0 000 一： ： ；：o ： c：吃： ：f = _ 薹u i o 嚣 j=l 4 一： ：3 4 = z 一 。 ，二。 4 0 j 一 ox ；： 3 2 ； o j ： i ：0 ：吃： r i i ：r - 2 ： i ：0 0 ：二 r k ：j ：，： 4 二。咒 t ：k ：4i f 翔 4： 一耳 ：j ：f ：j o 。t 一 ：4 ：0 ： 了一 ： 孵 ，； ： 、 = f ， 南1节。j 图2 1 5 外部存储电路 1 6 武汉理i ：人学硕 学何论文 2 3 系统的硬件电路 在本课题中，要实现的功能是通过传感器采集信号，然后再通过串口由 d t u 发送出去，由前文对传感器的描述可知，传感器的测量不是通过a d 转 换，而是通过i 0 口读取。该系统要用到l p c 2 2 1 0 的i 0 口，那么先简要介 绍其i 0 口。l p c 2 2 1 0 具备p o ，p 1 端口，作为g p i o 总共4 6 个。此外还有 p 2 ，p 3 端口，这些端口可以与外部存储器总线复用。当他们全部作为g p i o 口时，其引脚总共可以达到1 1 2 个瞳引。 l p c 2 2 1 0 的g p i o 端口特性如下： 可以独立的控制每个g p i o 口的方向( 输入输出模式) ； 可以独立的设置每个g p i o 的输出状态( 高低电平) ； 所有g p i o 口在复位后默认为输入状态； 1 7 蕊p ”h 二。卜i 枷 j _ “一 武汉理i ：人学硕十学 移论文 i ：薹m e；：至；三 垮趟兰 琵臻琵嚣蠡剜i ；影：s t l 03 9 v f l 6 0 ；：二二：二；i ! ；三三；三：兰；：言； 戮雠必划 u c 2 2 1 0 z z 翡 鑫 一对 。r 皓皓 ：醉。皆世皆8 皓皓旷 图2 1 6 硬件电路设计 1 8 m 曲 。弼一一型一一一一一一一一一一一一一丑一一一一一一。一一一一一一一一一一。一一一丑 一!一一一一h一”一一一一hm一!一一一h一”一一一一hm 墨嚣玷雒；。： 一扩r_。e茹一主 ，t t 一 薯； 器芝z芝笔弘 晕基襄：o 垂 m维； ：7i= 凳 鼍箜f；： ，l=，：一，：tc =，一；一ii，一_ 1z，p；置：h| f ， ， = 一= o “ # ， _ 0 _ h 一o o 。 ：譬j ：譬嚣 鹱东燃鲜澄冀搿 癸嚣嚣一 h#ti、=zl、-=e；睡扯磊z娃 ；矗叠 壤鬟一嚣簪鬟一 ；嚣螺丝醛篮：；。薛冀矗。芝强酲氇爱口盘鲒 一一一一一一一一一一一一匪一一一一一一一一一一臣一一一一 j一” b! ，哥：oe 武汉理l ：人学硕七学位论文 2 4d t u 传输模块 在上面章节中，设计了无线传感器数据的采集处理部分，现在介绍数据的 无线发射部分“8 9 i 。 本文的无线发射采用d d n ，d d n 是d i g i t a ld a t an e t w o r k 的英文缩写，中 文名称为数字数据网路，其广泛应用于数据通讯网络，其可为用户建立专用的 通路。d d n 由以下几部分组成： l 用户数据终端( d t u ) ； 2 交叉的连接节点设备： 3 数据传输通道； 将g p r s 和d d n 结合组成g p r s 无线d d n ，g p r s 无线d d n 是利用g p r s 组成的 数据网路，其可以为用户建立专用的数据网，为用户提供各种速率的高质量专 用通路。其由以下三部分组成： 1 用户数据终端，即g p r sd t u ； 2 g p r s 网络： 3 数据中心； g p r s 无线d d n 具有以下的优势：永远在线，其收费是按流量计算，成本低， 便于推广、而且其组网比较方便，建设周期很短、网络可以覆盖大部分地区、 可以语音通讯。 g p r s 无线d d n 应用领域很广，其可用在以下移动设备中、偏远以及野外环 境中、手持设备中、数据量比较小的数据传输中以及系统比较分散的场合。 通过以上的介绍，大致对g p r s 无线d d n 有个大致的了解，在本文中我所采 用的无线d d n 为深圳宏电公司的h 7 0 0 0 无线d n n ，下面就这一具体的无线d d n 做 一个介绍。 无线d n n 系统有如下特点： 数据终端永远在线而且具有实时时钟； 1 不仅能支持g s m 网络而且能支持g p r s 网络； 2 功耗低，体积小，适合应用于嵌入式系统； 3 电压输入范围较宽，且能满足复杂的工作环境。 h 7 0 0 0 无线d n n 可以提供透明数据传输，h 7 1 0 0g p r sd t u 可以直接提供r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口，使用简单，这样为用户要发送传输的数据提供了通道。h 7 1 0 0g p r s 1 9 武汉理i ：人学硕十学位论文 d t u 可以提供多样化的数据传输，h 7 1 0 0g p r sd t u 可以实现点对点，一点对多 点等传输方式。h 7 1 0 0g p r sd t u 内置协议处理模块和网络连接模块，而普通的 g p r sm o d e m 则要附着p c 机上拨号上网，利用p c 机的硬件资源进行数掘传输以 及协议转换。h 7 1 0 0g p r sd t u 是永远在线的，其在开机时候就能连上g p r s 网络， 而且其按照流量收费，在有数据接收和发送的时候才收费。以上简要的介绍了 h 7 1 0 0g p r sd t u ，现将其与其他几种传输方式做一个比较。 表2 - 2g p r s 通讯方式 宏电g p r sd t ug p r s 手机 g p r sm o d e mc d p d t c p i p 协议支持支持支持不支持 传输速率 2 0 4 0 k bit s 2 0 4 0 k bit s2 0 4 0 k bit s9 6 k b i t s 接口r s 2 3 2 r s 4 8 5 以 r s 2 3 2r s 2 3 2r s 2 3 2 太网 虚拟数字专川网支持不支持不支持不支持 络 透明数据传输支持不支持不支持支持 点对点对等传输支持不支持不支持支持 中心对多点数据 支持 不支持不支持支持 传输 点对多点对等传支持不支持不支持支持 输 多种协议转换支持不支持不支持不支持 动态地址解析支持不支持不支持不支持 网络覆盖与g m s 相同仅限j ：国内几个城 市 在本文中，具体采用的h 7 0 0 0 无线d n n 型号为h 7 11 8d t u ，提供 r s 2 3 2 r s 4 8 5 接口，实用于要求较高的工业场合，本文所采用的h 7 11 8d t u 提供 r s 2 3 2 接口，其原理结构图如下所示： 武汉理1 + 大学硕士学位论文 控制总线( = = = = ：= 数鼹总线仁= j = 一 * 报精f j 。繁” 女m 口“訾“ i 一一一r r 一 音额输八输出 固2 - 1 7h 7 1 1 8 d t u 结构原理图 其中，示意图如下所示 + s v12 0 + 5 v + 5 v29 + 5 v 38 g n ds 6g n d g n d6sg n d t xr t s71 4t x m t x m81 3 t xd t r r xr i n g91 2r xr i n g r x o u t1 0i 11 、o r xd s r1 l1 0r xd s r r x c d1 2 9r xc d r x i n1 38r ) ( i n r xc t s1 47r xc t s r e s1 5 6 g e s 6 p i o1 6 5g p l 0 h i c 一1 74h i c s p k - 1 8 3s p k 一 h i c + 1 92h i c + s p k + 2 0 1s p k + 圈2 1 8 h 7 1 1 8 d t u r s 2 3 2 接口嚣 i毫 i 一 一 武汉理1 人学硕t j 仃皓文 241g p r sd i u 参数设置 在使用h 7 】j 8g p r sb t u 之前。必须先对其参数进行配置进行配置的工具 为一台电脑，将i 7 1 1 86 p r sd t u 的串口线和乜脑相连，然后外始配置参数。 在电脑上使用的配置工具，是操作系统白带的超绒终端，r 而简要介绍d t u 在超级终端上参数的设嚣，在进入超级终端后，其参数配置如r ，( 其中波特率 必须为5 7 6 0 0 ) 。 旦j 到韭 如粜要进入d t u 的显示界面，必须在d 1u 加电之d 0 按住p c 机的q ；格键，然 后将【通电，a f 0p c 机上的超级终端显不m 配置信息为止，n 艟目i 其体界面 如f ： 武汉理i = 人学硕十学位论文 箍：兰鍪函窗“。喇刿劁 若在超级终端上输入h 或者? ，则显示主菜单 在以上菜单中输入“c ”，则进入d t u 的配置列表，但是在设置了密码的情 况下，系统要求输入密码： 在密码正确的情况下，超级终端进入了一下界面 武汉理l ：人学硕十学位论文 t u 配置列表： 移动 数据 数据 用户 特殊 d t u 配置密码设置 出厂默认设置 返回 若在以上界面中，输入l ，则进入了移动服务中心设置界面，其界面如下： h d o s 1 h s c 设置列表： 1服务代码 2p p p 用户名 3p p p 密码 接入点名称( f l p n ) 5s i np i n r返回 2 4 2 设备调试 首先建立数据服务中心，厂家提供