WIFI星形无线监控自组网系统设计.doc

山东建筑大学课程设计说明书 目 录 摘 要 1 方案设计 1 1 1 总体方案设计 1 1 2 中央处理器的选择 1 1 3 总线选择 2 1 4 传感器和执行器的选择 3 1 5 电源电路 6 2 硬件选型与接口设计 7 2 1 通信接口 分配通信接口的引脚分布 7 2 2 有线通信方式 通信协议 7 2 3 无线通信方式 通信协议 8 3 系统功能验证与联调 10 3 1 单片机初始化程序 10 3 2 ESP8266 模块的调试 14 4 总结与致谢 16 5 参考文献 17 山东建筑大学课程设计说明书 II 摘摘 要要 WIFI 是一种可以将个人电脑 手持设备等终端以无线方式互相连接的技术 近几年 WIFI 无线通信技术得到了迅速发展 WIFI 已成为当今无线网络接入的主流标准 国内外许 多地区都提供了 WIFI 信号覆盖域 只要随身携带的电子产品上有 WIFI 终端 便可接入互联 网 ARM 是目前进行便携式电子产品开发的主流芯片 因此 对 ARM 架构下 WIFI 无线通信 终端的研究具有非常重要的意义 本次设计完成 WIFI 星型无线监控自组网的系统设计 运用各类传感器 执行器 单片 机 I O 接口和现场总线等知识 完成该系统的硬件方案 设备选型和系统设计 系统以 8 32 位单片机或 ARM 处理器为核心 以 WIFI 网络系统为平台 设计以路由器为核心的星型网 络 实现 DHCP 自动分配 IP 地址 并实现 IP 地址和设备编号的对应 能够实时查询设备状 态 具备自组网功能 本设计按照电路设计的一般规范 产品设计流程进行系统设计 并依照国家标准 做到 成本低 功能强 使用方便 可靠性高 的基本要求 山东建筑大学课程设计说明书 0 1 方案设计 1 1 总体方案设计 按照系统需求 对本 WIFI 无线通信终端的总体方案进行了设计 其软硬件结构由无线 移动终端由 AT89C52 为核心搭建而成 从功能上无线移动终端可以分成三个子系统 1 ARM 子系统 主要包括 AT89C52 芯片以及周边存储电路 接口转换电路和供电 晶振 复位电路组成 该部分驱动无线网卡和运行通信程序进行 WIFI 通信 并且提供人机交互接 口 接受上位 PC 机和手机的监控 通过串口 2 WLAN 子系统 主要包括 EPS8266WIFI 模块部分 负责无线信号的发送 功率放大 滤 波 混频 基带处理等功能 并且与 ARM 子系统串口进行快速有效的数据通信 外加无线网 卡部分 进行 PC 机通信 3 PC 机和手机部分 主要负责 2 4GHZ 无线信号的接收并显示 系统结构图如下 图 1 1 系统总体结构图 1 2 中央处理器的选择 中央处理器是整个计算机的大脑 它由运算器和控制器组成的 中央处理器的好坏大 大决定了计算机的运算速度 所以在选择中央处理器的时候要注意以下几个问题 1 主频 决定了计算机运行速度 同一级别内 主频越高运算速度越快 2 倍频与外频 现在市场上基本上已经把倍频给锁定死了 如果要想超频工作就必须 从外频入手 倍频与外频的好坏决定了中央处理器与外部设备的交换速度 3 接口类型 中央处理器与主板上的插座不是都一样的 所以在选择中央处理器的时 候要考虑接口类型与连接的设备 无线传输 AT89C52 EPS8266 无线 网卡 PC 机 手机 山东建筑大学课程设计说明书 1 4 缓存 缓存分为一级缓存和二级缓存 选购的时候应该选择缓存容量大的 5 制造工艺 制造工艺就是质量 中央处理器的线路和宽窄等等的一系列问题 1 3 总线选择 1 3 1 RS485 总线接口通讯协议定义标准以及管脚引脚介绍 RS485 总线标准是工业中 考勤 监控 数据采集系统 使用非常广泛的双向 平衡传 输标准接口 支持多点连接 允许创建多达 32 个节点的网络 最大传输距离 1200m 支持 1200 m 时为 100kb s 的高速度传输 抗干扰能力很强 布线仅有两根线很简单 RS485 通信网络接口是一种总线式的结构 上位机和下位机都挂在通信总线上 RS485 物理 层的通信协议由 RS485 标准和 51 单片机的多机通讯方式 RS 485 可以采用二线与四线方式 二线制可实现真正的多点双向通信 1 3 2 RS232 总线接口通讯协议定义标准以及管脚引脚介绍 RS 232 接口定义理解为在 RS 232 标准中 字符以一串行的比特串来一个接一个的串行 方式传输 优点是传输线少 配线简单 传送距离可以较远 RS 232 串口通信最远距离是 50 英尺 可做到双向传输 全双工通讯 最高传输速率 20kbps RS 232C 上传送的数字量采 用负逻辑 且与地对称 逻辑 1 3 15V 逻辑 0 3 15 串行通信中 线路空闲时 线路的 TTL 电平总是高 经反向 RS232 的电平总是低 一个 数据的开始 RS232 线路为高电平 结束时 Rs232 为低电平 数据总是从低位向高位一位一位 的传输 示波器读数时 左边是数据的高位 RS 232 指定了 20 个不同的信号连接 由 25 个 D sub 微型 D 类 管脚构成的 DB 25 连接器 很多设备只是用了其中的一小部分管脚 出 于节省资金和空间的考虑不少机器采用较小的连接器 特别是 9 管脚的 D sub 或者是 DB 9 型连接器被广泛使用绝大多数自 IBM 的 AT 机之后的 PC 机和其他许多设备上 基于以上两点 对于本系统中的主机 CPU 选择 51 单片机 其主要特点 51 单片机是在一块集成电路芯片上集成有 CPU 程序存储器 数据存储器 输入 输出接口 电路 定时 计数器 中断控制器 模 数转换器 数 模转换器 调制解调器等部件 单板 机是把微型计算机的整个功能体系电路 CPU ROM RAM 输入 输出接口电路以及其他辅助 电路 全部组装在一块印制电路板上 再用印制电路将各个功能芯片连接起来 其体积小 山东建筑大学课程设计说明书 2 功耗低 成本低 性能高 图 1 2 51 单片机原理图 1 4 传感器和执行器的选择 本系统是无线监控自组网系统 要求对其进行温度 湿度 及视频监控 所以要选择 传感器 1 4 1 温度传感器 本系统中我们选择 DS18B20 数字温度传感器 其主要特点如下 DS18B20 数字温度传感器接线方便 封装成后可应用于多种场合 如管道式 螺纹式 磁铁吸附式 不锈钢封装式 型号多种多样 有 LTM8877 LTM8874 等等 主要根据应用场 合的不同而改变其外观 封装后的 DS18B20 可用于电缆沟测温 高炉水循环测温 锅炉测温 机房测温 农业大棚测温 洁净室测温 弹药库测温等各种非极限温度场合 耐磨耐碰 体 积小 使用方便 封装形式多样 适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域 山东建筑大学课程设计说明书 3 安装方式 独特的一线接口 只需要一条口线通信 多点能力 简化了分布式温度传感 应用 无需外部元件 可用数据总线供电 电压范围为 3 0 V 至 5 5 V 无需备用电源 测量温 度范围为 55 度至 125 度 华氏相当于是 67 华氏度到 257 华氏度 10 度至 85 度范围内精 度为 0 5 度 温度传感器可编程的分辨率为 9 12 位 温度转换为 12 位数字格式最大值为 750 毫秒 图 1 3 DS18B20 温度传感器原理图 1 4 2 湿度传感器的选择 本系统选择湿度传感器 DHT11 数字湿度传感器 其主要参数如下 DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器 它应用 专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术 确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定 性 传感器包括一个电阻式感湿元件和一个 NTC 测温元件 并与一个高性能 8 位单片机相连 接 因此该产品具有品质卓越 超快响应 抗干扰能力强 性价比极高等优点 每个 DHT11 传感器都在极为精确的湿度校验室进行校准 校准系数以程序的形式储存在 OTP 内存中 传 感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数 单线制串行接口 使系统集成变得 简易快捷 超小的体积 极低的功耗 信号传输距离可达 20 米以上 使其成为各类应用甚 至最为苛刻的应用场合的最佳选则 产品为 4 针单排引脚封装 连接方便 特殊封装形式可 根据用户需求而提供 DHT11 的供电电压为 3 5 5V 传感器上电后 要等待 1s 以越过不稳 定状态在此期间无需发送任何指令 电源引脚 VDD GND 之间可增加一个 100nF 的电容 用以去耦滤波 山东建筑大学课程设计说明书 4 图 1 4 DHT11 温湿度传感器原理图 1 4 3 红外探头的选择 我们本系统要求对其有监控功能 对其进行实时监控 所以我们选择 HX1838 其主要 参数如下 HX1838 宽电压适应 低功耗 高灵敏度 优良的抗干扰特性应用广泛 家用电器 空 调 玩具等红外遥控接收 极限参数 表 1 1 电源电压VCC v 6 0工作温度 TOPR 25 85 功 耗PD mw 35储存温度 TSTG 40 125 光电参数 T 25 VCC 5V f0 38KHZ 表 1 2 参 数符号测试条件 MinTypeMax 单 位 工作电压 Vcc 2 7 5 5 V 接收距离 LL5IR5 IF 300mA 测试信号 10 17 M 载波频率 f0 38k HZ 接收角度 1 2 距离衰减 1 2 45 Deg BMP 宽度 fBW 3Db Bandwidth 2 3 3 5kHz 山东建筑大学课程设计说明书 5 静态电流 ICC 无信号输入时 0 8 1 5 mA 低电平输出 VOL Vin 0V Vcc 5V 0 2 0 4 V 高电平输出 VOHVcc 5V 4 5 Vcc V TPWL Vin 500 Vp p 500 600 700 S 输出脉冲 宽 度 TPWH Vin 50mVp p 500 600 700 S 1 5 电源电路 在该系统中 需要使用 3 3V 1 2V 的直流稳压电源 为简化系统电源电路设计 要求 整个系统的输入电压为高质量的 5V 直流稳压电源 因此我们用电源适配器和电源转换来实 现 原理图如下 图 1 5 电源转换模块原理图 图 1 6 电源适配器原理图 山东建筑大学课程设计说明书 6 2 硬件选型与接口设计 2 1 通信接口 分配通信接口的引脚分布 在现场数据采集和数据传输中大量采用接口方式 监控系统涉及较多的是串行通信接口 和网络接口 2 1 1 串行通信协议 计算机与外设或计算机之间的通信通常有两种方式 并行通信和串行通信 并行通信指 数据的各位同时传送 并行方式传输数据速度快 但占用的通信线多 传输数据的可靠性随 距离的增加而下降 只适用于近距离的数据传送 串行通信是指在单根数据线上将数据一位 一位地依次传送 发送过程中 每发送完一个数据 再发送第二个 依此类推 接受数据时 每次从单根数据线上一位一位地依次接受 再把它们拼成一个完整的数据 在远距离数据通 信中 一般采用串行通信方式 它具有占用通信线少 成本低等优点 2 1 2 分配通信接口的引脚分布 总线选用 RS232 形式 具体参数上文已经叙述 具体引脚情况如下 RS 232 物理接口标准可分成 25 芯和 9 芯 D 型插座两种 均有针 孔之分 其中 TX 发送数据 RX 接受数据 和 GND 信号地 是三条最基本的引线 就可以实现简单 的全双工通信 DTR 数据终端就绪 DSR 数据准备好 RTS 请求发送 和 CTS 清除 发送 是最常用的硬件联络信号 1 DB9 DB25 管脚信号定义 9针 25针 信号名称 信号流向 简称 信号功能 3 2 发送数据 DTE DCE TxD DTE发送串行数据 2 3 接收数据 DTE DCE RTS DTE请求切换到发送方式 8 5 清除发送 DTE DCE CTS DCE已切换到准备接受 6 6 数据设备就绪 DTE DCE DSR DCE准备就绪可以接受 5 7 信号 地 GND 公共信号地 1 8 载波检测 DTE DCE DTR DTE准备就绪可以接受 9 22 振铃指示 DTE 0 i for j 1000 j 0 j void SystemInit 看门狗配置 禁止看门狗 EA 0 WDTCN 0 xDE WDTCN 0 xAD EA 1 void SYSCLK Init 山东建筑大学课程设计说明书 10 int i OSCXCN 0X77 配置系统时钟为 12Mhz for i 0 i120 num1 0 num2 6 for i 0 i 40 i 山东建筑大学课程设计说明书 12 AMX0SL 0 x01 电压采样通道为通道 1 AD0BUSY 1 启动 AD 转换 while AD0INT 等待转换结束 sum sum ADC0H 256 ADC0L ref 570 4096 sum 0 delay ms 150 显示电压 ZLG7289 Download 1 4 0 num4 ZLG7289 Download 1 5 1 num5 ZLG7289 Download 1 6 0 num6 ZLG7289 Download 1 7 0 num7 else Key num 6 ADC0CF 0X4a for i 0 iDGFY 输入要发送的四个字节内容 无需回车 响应 SEND OK 注意 若发送的字节数目超过了指令设定的长度 n 则会响应 busy 并发送数 据的前 n 个字节 完成后响应 SEND OK 8 接收数据 IPD n xxxxxxxxxx 接收到的数据长度为 n 个字节 xxxxx 为数据内容 3 2 2 单连接 server 1 设置 wifi 模式 AT CWMODE 3 设置为 softAP station 共存模式 山东建筑大学课程设计说明书 14 响应 OK 2 重启生效 AT RST 响应 OK 3 建立 server AT CIPSERVER 1 默认端口 333 响应 OK 4 PC 连入设备 softAP PC 作 client 连接设备 注意 ESP8266 作为 server 有超时机制 如果连接建立后 一段时间内无数据 来往 server 会将 client 踢掉 请在 PC 工具连上 ESP8266 后建立一个 2s 的循环数 据发送 用于保 持连接 5 发送数据 AT CIPSEND 4 发送四个字节 字节数可按需任定 iopd 输入要发送的四个字节内容 无需回车 响应 SEND OK 注意 若发送的字节数目超过了指令设定的长度 n 则会响应 busy 并发送数 据的前 n 个字节 完成后响应 SEND OK 6 接收数据 IPD n xxxxxxxxxx 接收到的数据长度为 n 个字节 xxxxx 为数据内容 山东建筑大学课程设计说明书 15 4 总结与致谢 本次课程设计我通过老师的讲解和查阅大量资料 尤其是百度 搜狗等搜索引擎资源 还有中国知网查询的大量学术论文 以及自己学过的各类传感器 执行器 单片机 I O 接 口与现场总线等知识 完成了本次课程设计的系统选型 硬件方案和系统设计 通过本次课程设计 我初步掌握了 WIFI 星形无线监控自组网系统设计 对单片机有了 更深入的掌握 并对其通信方式通信协议有了新的了解 在绘制原理图的过程中 我又提高 了对 Altium designer Winter09 软件使用的掌握 在设计过程中 我遇到了很多问题和挑战 包括设备硬件选型 有线通信方式 通信协 议及布线方式的选择等等都让我很头疼 在老师和同学的热心帮助下 这些问题最后都顺利 得到解决 完成这次课程设计 我对计算机控制技术这门课程有更加深刻的理解 并且自己 的动手能力 实践能力都得到一定的提升 在此再次感谢老师和同学们在本次课程设计中对我的帮助 山东建筑大学课程设计说明书 16 5 参考文献 1 刘森 嵌入式系统接口设计与驱动程序开发 M 北京 北京航空航天大学出版社社 2006 2 何立民 单片机应用技术选编 No 1 No 8 北京航天航空大学出版社 2006 3 马争鸣 TCP IP 原理与应用 冶金工业出版社 2006 4 时志云 盖建平 王代华 等 新型高速无线射频器件 nRF24L01 及其应用 J 国外电子 元器件 2007 8 42 44 5 周立功 嵌入系统应用技术 北京航天航空大学出版社 2005 6 杨克玉 VB6 0 程序设计实训教程 机械工业出版社 2005 7 蒙建波 虞建静 管金库 智能小车目标识别跟踪系统的实现 J 重庆大学学报 2004 27 9 45 8 马中梅 单片机的 C 语言应用程序设计 北京航天航空大学出版社 1999 9 沈文 AVR 单片机 C 语言开发入门指导 清华大学出版社 2003 10 陈懂 刘荣 金世俊 智能小车的多传感器数据融合 J 现代电子技术 2005 6 3 11 高鹏等 Protel 99 入门与提高 人民邮电出版社 2004 12 李晓明 扬灿军 陈鹰等 图书馆智能小车的导引系统设计 J 激光与红外 2000 30 1 56 13 蒙建波 梁锡昌 机械智能学 M 重庆 重庆出版社 1997 50 52 14 杜春雷 ARM 体系结构与编程 清华大学出版社 2003 15 肖海荣 张吉卫 基于 89C52 单片机的智能电动车电控系统设计 J 山东交通学院学报 2004 16 黄智伟 全国大学生电子设计竞赛系统设计 M 北京 北京航空航天大学出版社 17 李朝青 单片机原理与接口技术 北京航天航空大学出版社 2002 18 任卫东等 一种基于双单片机控制的智能存取机器人 J 制造业自动化 2007 29 6 44 47 19 李泓 等 AVR 单片机入门与实践 M 北京 北京航空航天大学出版社 2008 20 袁新娜 基于多传感器信息融合技术的智能小车避障系统研究 D 太原 中北大学 2010 21 C Samson Control of chained systems Applications to path following and time varying po