无线环境监测系统设计

唐山师范学院本科毕业论文题 目 无线环境监测系统的设计学 生 22222指导教师 姜丽飞 讲师年 级 2008级专 业 电子信息科学与技术系 别 物理系唐山师范学院物理系2012年5月- 12 -郑重声明本人的毕业论文（设计）是在指导教师姜丽飞的指导下独立撰写完成的。如有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权的行为，本人愿意承担由此产生的各种后果，直至法律责任，并愿意通过网络接受公众的监督。特此郑重声明。 毕业论文（设计）作者（签名）： 年 月 日目 录标题.1中文摘要.1 1 引言.12 系统硬件设计.1 2.1 设计目标.12.2 方案选择.12.3 系统结构.22.4 电路设计.33 系统软件设计.63.1 通信协议.63.2 系统软件.74 系统性能测试方法及测试结果.74.1 温度测量.74.2 光照测试. .74.3 主机与各从机通信距离及响应时间测试.85 结束语. .8参考文献. .9致 谢. . .10附录. 11外文页. .12无线环境监测系统的设计赵旭涛摘 要 无线环境监测系统由监测终端和探测节点组成，二者可进行点对点通信，又可构成具有转发功能的通信网络，同时支持在线地址更改。该装置可以实现对周围温湿度和光照强度的检测测与采集。探测结点通过温湿度传感器和光敏电阻返回环境的温湿度及光照信息，经单片机分析处理将温度和光照信息发射出去。监测终端接收到数据并做出响应，显示出探测结点的环境信息。该系统为半双工通信系统，系统通信采用高频键控（GFSK）调制，其灵敏度高，可以实现强度为-6dBm的发射功率。监测终端可以自动获取探测节点的地址信息以及传感器信息，探测节点可以作为中继实现信息转发功能。系统采用AT89S52低功耗单片机，以及低功耗分离元器件，使得单个探测节点功耗较低。关键词 无线环境监测 GFSK AT89S521引言随着人们生活水平的不断提高,人们对于环境的关注越来越多。尤其是对于养殖厂、农场、粮食仓库等地方，能够即了解环境的变化就显得尤为重要。为了解决这个问题，制作了以AT89S52单片机为核心，具有温度监测、光照监测、时时报警、功能的装置，用户可以随时在监测主机上查询其它地方的环境情况，简单、方便、直观。2系统硬件设计2.1 设计目标设计并制作一个无线环境监测系统，实现对周边温度、湿度及光照信息的检测。该装置由l个监测终端和多个探测节点组成。每个装置由无线数据收发电路、传感器电路(温湿度和光照)、信息采集与处理电路、显示器等多个单元电路组成，实现监测终端对不同探测结点周边环境信息的探测与采集。而且每个通信节点都具有转发功能，以延长通信距离，尽最大可能降低功耗。其中周边环境包括：温度（测量范围050，误差为1）、湿度（范围是2090RH ）和探测有无光照。2.2 方案选择2.2.1 调制解调方式数字通信中常用的调制方式有ASK，FSK，PSK等。由于探测节点由电池供电，而ASK或PSK调制解调方式需要的供电电压和功耗较高，所以我们选用功耗低且易于实现的GFSK调制解调方式【7】，使用深圳迅通科技有限公司生产的NRF24L01通信模块。2.2.2 单片机选型家庭智能终端的控制器采用ATMEL公司生产的增强型通用8位嵌入式微处理器AT89S52设计制作，AT89S52单片机是基于MCS-51内核的CMOS工艺产品，指令系统和内核与MCS-51完全兼容，并增加了一些片内外设，支持更高的时钟频率，拥有大容量可在系统编程（ISP）Flash程序存储器，更大的片内的数据存储器。AT89S52的主要特性如下：兼容MCS51产品8K字节可擦写1000次的在线可编程ISP 闪存4.0V到5.5V的工作电源范围全静态工作：0Hz 24MHz3级程序存储器加密256字节内部RAM32条可编程I/O线3个16位定时器/计数器8个中断源UART串行通道低功耗空闲方式和掉电方式通过中断终止掉电方式看门狗定时器双数据指针灵活的在线编程（字节和页模式）采用该系列芯片的主要原因是其支持ISP编程，可以方便的下载程序代码，调试验证程序。系统时钟采用12MHZ即可满足系统对速度的要求【1】。2.2.3 传感器的选择光电传感器：采用光敏电阻做光电传感，与电阻分压，只要设置合适的门限电压，就可以判断有无光照信息。温度传感器：DHT11与单片机之间能采用简单的单总线进行通信，仅仅需要一个I/O口。传感器内部湿度和温度数据32Bit的数据一次性传给单片机，数据采用校验和方式进行校验，有效的保证数据传输的准确性。DHT11功耗很低，5V电源电压下，工作平均最大电流0.5mA。2.3 系统结构本系统是由：监测终端和探测结点组成。2.3.1 系统总体框图从机采集到环境信息并进行处理，然后通过无线收发装置发送给主机，主机经分析后显示并是否报警。如图2.1所示图2.1 系统总体框图2.3.2 探测结点探测结点组成框图，如图2.2。探测结点所完成的功能为：环境温度及光照信息的采集、接收其它探测结点发出的环境信息和监测终端的命令信息、发送环境信息数据、编号预置功能。主控单片机采用AT89S52、温湿度测量采用DHT11、光照信息测量采用光敏电阻、无线发射装置采用NRF24L01无线数据传送模块电路。图2.2 探测结点组成框图2.3.3 主机主机组成框图，如图2.3。监测终端所完成的功能为：接收探测结点发出的环境信息、显示所探测结点的环境信息、报警等。主控单片机采用AT89S52、显示采用LCD602、发射接收与探测结点一样。图2.3 主机组成框图2.4 电路设计系统主要由主机（主机）和多个从机（探测节点）组成。其中，主机电路主要包括：CPU控制电路、报警电路、LCD液晶显示电路、无线数据发送电路以及电源电路。从机电路主要包括：无线数据传送电路、温湿度检测电路、光照检测电路以及电源电路。2.4.1 无线数据传送电路系统通过无线收发模块传输现场采集的数据，系统所处环境较恶劣，对数据传输的可靠性要求较高。综合考虑以上因素，本系统采用nRF24L01 作为无线数传模块。nRF24L01 有四种工作模式：即收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。其工作模式由PWRUP、CE 和CS 三个引脚决定。其中收发模式有两种，即直接收发模式和ShockBurst 收发模式，ShockBurst 收发模式采用片上FIFO 的堆栈区，从而实现了数据从微控制器的低速传入和高速发送，降低了系统功耗。电路如图2.3所示图2.3 CPU控制电路2.4.2 温湿度和光照检测电路这部分电路的主要作用是完成对周边环境（包括温湿度、光照）的数据采集任务，同时，利用蜂鸣器的驱动电路完成报警任务，电路如图2.4所示。温湿度传感器采用单总线数字化温湿度传感器DHT11，具有线路简单、体积小、使用方便等特点，测量温度范围在0到50之间，精度为1。湿度范围为2090RH，精度为4%RH。光照传感器利用光敏电阻的光敏特性完成环境中光照强度的判断，采用光敏电阻。光信号由电阻R703和光敏电阻R704分压的方式获得，光敏电阻的一端接地，通过调节R703来调节，使在不同光照条件下，输出为不同的电压值，经AD转换为数字量。AD7705 是AD 公司新推出的16 位AD 转换器。器件包括由缓冲器和增益可编程放大器(PGA ) 组成的前端模拟调节电路, 可编程数字滤波器等部件。直接将传感器测量到的多路微小信号进行AD 转换。报警电路由蜂鸣器和驱动电路组成，电路简单实用，功耗低。如图2.4温度和光照检测电路2.4.3 LCD液晶显示电路LCD液晶显示电路主要由长沙太阳人电子有限公司生产的LCD1602液晶显示模块，主要用于各种信息的显示，如图2.8所示。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔每行之间也有也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，1602液晶模块的读写操作，屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。图2.8 LCD液晶显示电路2.4.4 电源电路要使单片机稳定可靠的工作，电源必须稳定。市电220伏经变压器降压后，二极管全波整流，电容滤波，经过三端稳压器LM7805进行稳压，作为单片机AT89S52及LCD显示电路的电源.由于无线数据传送模块对电源的要求为1.9V-3.6V，电路设计用LM317制作稳压电路。电路如图2.10所示。图2.10 电源电路2.4.5 无线与单片机电路电路主要由51单片机、无线数据发送电路、温湿度检测电路、光照检测电路以及电源电路组成。对于一个无线监测系统，可以接收很多个从机的数据，每个从机都不可以随时更改自己的地址编号，需要保证从机编号不能重复，以免发生通信冲突。本次采用中断接收方式接收环境信息。电路如图2.11所示。图2.11 从机电路3系统软件设计3.1 通信协议 从机（探测节点）一直处于接收分析数据状态，信息处理完成后把自己的地址帧和采集到的数据发送出去。所有的数据传送中都用相同的通信协议，来判断通信网络的结构、自己在网络中的位置、执行相应的命令，通信协议中的数据帧结构如表3.1所示。表3.1通信协议中数据帧的结构地址编号温度光照湿度校验Addr_targetTemp_LlightHumi低位高位 当主机（监测终端）工作在监控状态下，实时处于接收状态，等待探测节点的数据相应，接收到数据响应中断以后判断校验值足否错误，如果正确则显示相应的地址，温湿度，光照信息；如果果错误则丢弃数据。 3.2 系统软件系统软件有温湿度传感器、光电传感器、液晶、蜂鸣器等硬件驱动程序和通信协议两部分组成。主机（监测终端）软件流程总框图如图3.1，从机如图3.2所示。图3.1 主机（监测终端）软件流程总框图图3.2 从机软件流程总框图4 系统性能测试方法及测试结果4.1 温度测量测试方法，使用温度计测量探测节点的温度，与监测终端显示的温度比较，如表4.1。温度计 /18.724.528.430.633.8结点温度 /1924283034误差温度 /0.30.50.40.60.2表4.1温度测量4.2 光照测试测试方法，在不同光强环境下测试，在某一光强下设置报警，如表4.2。光照状况光照强光照暗蜂鸣器不报警报警表4.2光照测试4.3 主机与各从机通信距离及响应时间测试测试方法：固定主机（监测终端），移动各个探测节点，观察主机的数据包接收数量足否变化，并测量从机到主机的有效通信距离。用秒表测量从改变光电传感信息，到检测终端显示光照信息改变的时间。从机 1从机 2监测从机与主机之间的距离 /m581061810主机响应时间 /s0.50.70.70.60.70.7表4.3主机与各从机通信距离及响应时间测试测试结果分析：有效通信距离约为10 m。测试结果分析：温度误差小于1 。5 结束语实践证明, 该方法性能良好、 易调试、 维护方便、 运行稳定可靠,支持在线地址更改, 具有良好的实际应用价值。参考文献：1张毅刚，彭喜元，彭宇.单片机原理及应用（第二版）M，高等教育出版社，20102余锡存,曹国华.单片机原理及接口技术M，西安电子科技大学出版社，2000.73沈德金，陈粤初 .MCS-51系列单片机接口电路与应用程序实例M，北京航空航天大学出版社,19904蔡美琴.MCS-5系列单片机系统及其应用M，高等教育出版社，20025冯建华，赵亮.单片机应用系统设计与产品开发M，人民邮电出版社 20046胡汉才.单片机原理及接口技术M，清华大学出版社，19967袁易君.基于nRF905粮库温湿度监测系统设计J. 2009年 14期8Atmel Corporation 8-bit Microcontroller with 8K Bytes In-System Programmable Flash AT89S52致 谢 我的毕业设计撰写工作自始至终都是在姜丽飞老师全面、具体的指导下进行的。姜老师渊博的学识、敏锐的思维、严谨的作风，使我受益匪浅，终生难忘。姜老师严谨的治学态度和对工作兢兢业业、一丝不苟的精神将永远激励和鞭策我认真学习、努力工作。感谢我的指导教师姜丽飞对我的关心、指导和教诲！感谢朋友们对我的关心和帮助！附录： Wireless Environmental Monitoring SystemZhaoXutao Directed By JiangLifeiAbstract The wireless environmental monitoring system consists of monitoring devices and detection of nodes, the two can be point to point communication, but also constitutes a forwarding communication networks, while supporting online change of address. The set of devices can be achieved on the surrounding temperature and light detection and collection of information. Probe junction temperature sensor and photosensitive resistance by environmental temperature and light return information processing by the MCU will launch out of temperature and light information. Monitoring terminal to receive and respond to t