基于短距离RF通讯技术的无线数据采集系统设计上位机部分毕业设计Word文档格式.docx
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AT89C51，NRF905，Wirelessdataacquisition，PC
1引言
1.1课题的背景和意义
在工业控制现场，常常需要采集大量的现场数据，如电压、电流、温度、湿度、气压等，温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。
温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题，因此对温度的检测的意义就越来越大。
温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用，在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。
温度作为一项工业常用测量对象，在工业现场和过程控制中具有至关重要的作用。
随着科学技术的发展，要求温度测量的范围向深度和广度扩展，不但要求有足够的精度满足工业生产和科学技术的要求，而且还要求有广泛的测温范围。
在许多测控现场，传统数据传输都是通过有线电缆实现的。
随着射频、集成电路技术的发展，无线通信功能的实现更容易，数据传输速率更快，抗干扰能力更强，因此，许多应用采用了无线传输技术。
无线数据传输与有线数据传输相比，有诸多优点：
一是成本低，省去大量布线；
二是建网快捷，只需在每个终端连接无线数据传输模块和架设适当高度天线；
三是适应性好，可应用于某些特殊环境；
四是扩展性好，只需将设备与无线数据传输模块相连接。
因此，无线传输是一种有效数据传输方式。
所以使用无线传输的高精度测温系统可以对生产环境的温度进行无线传输并且能够进行使操作员可以远距离实时了解被测现场的温度变化情况，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。
1.2无线数据采集系统的发展现状及发展趋势
数据采集技术是信息科学的重要组成部分，已广泛应用于各个领域。
在数据传输方式上，目前数据采集系统基本上是通过有线方式进行连接，有线方式的数据传输速度快，可靠性高且运行稳定，能满足大多数情况的需要，但是其应用受现场环境和应用对象的限制。
近年来，随着射频技术、微电子技术及集成电路技术的进步，无线通信技术取得了飞速的发展，无线通信的实现成本越来越低，传输速度越来越快，可靠性越来越高，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。
短距离无线通信技术是近年来的研究热点，将无线技术引入数据采集领域，可以解决某些无法或不便布线的环境下的数据采集问题，以及解决有线网络带来的布线麻烦、不易维护等缺点。
有些数据采集系统应用于智能家居领域的，但也进一步拓展至其它诸如工业控制、仪器仪表等领域对象的状态监测。
目前，已经将传感器技术和新兴的无线通信技术相结合，通过数据传输的无线化来达到对环境指标数据的采集。
1.3本文研究的主要内容以及实现方法
1.3.1研究内容
目前大多数无线数据采集系统都会有主机和从机之分，主机发送命令，从机执行命令，在主机外加键盘控制模块和显示模块，以此来命令从机将采集到的数据再发送给主机并通过显示模块显示出数据，这样就实现了主机对从机的控制。
本课题主要是进行基于短距离RF通讯技术的无线数据采集系统设计（上位机部分）的设计，无线数据采集系统（上位机部分）由无线传输收发模块、单片机控制模块、数码管显示模块、键盘控制模块以及RS232串口模块组成。
本课题将新兴的无线通信技术和远程监控技术相结合，通过数据传输的无线化来达到智能家居、工业控制等领域中布线不便时对室内生活环境、工业测控现场指标数据的采集。
本课题提出了一种基于无线射频传输的数据采集系统（上位机部分）。
本系统基于无线射频收发模块NRF905跟AT89C51单片机为核心，以低功耗和模块化为设计原则。
设计出具有体积小，功耗低，数据传输稳定可靠及成本低的无线数据采集系统（上位机部分）。
（1）针对实际应用需求设计系统总体方案，完成了无线数据传输、数据显示的结构设计。
（2）以低功耗和模块化为选择元器件的原则，选取了合适的单片机、无线收发模块、显示模块，键盘模块和串口模块。
（3）设计无线收发方案，并通过软件控制元器件工作模式等方式实现系统的低功耗设计。
（4）完成无线数据采集的硬件电路设计及相关的开发和调试。
主要包括单片机数据处理相关程序设计、无线射频模块的接口设计以及单片机与PC通信的接口设计。
本课题旨在通过软、硬件的有机结合，以硬件为基础，进行各功能模块的编写。
对系统硬件的工作原理进行了分析描述，并进行系统硬件设计。
具体实现数码管动态显示、AT89C51及NRF905等器件外接电路接口的软、硬件调试。
1.3.2实现方法
本系统是通过单片机控制无线传输来实现对具有对周围环境的相关数据进行测量和传输功能的下位机进行命令操作。
本系统是NRF905为无线收发模块，AT89C51单片机为控制模块，用上位机对下位机进行数据的实时监控，如可显示实时温度、历史温度，就是一套通过无线方式实现温度的远程监控的完整系统，并且可用串口连接到PC机上。
基于短距离RF通讯技术的无线数据采集系统设计（上位机部分）主要由五个模块构成，无线传输收发模块、单片机控制模块、数码管显示模块、键盘控制模块以及RS232串口模块。
1.4本论文结构
本论文共有六章，其中软件设计部分是本论文的重点，分别对无线数据采集系统进行详细的介绍。
第一章引言，介绍了课题背景意义和发展现状。
第二章是对无线通信的开发介绍及对无线数据采集系统（上位机部分）主要器件的介绍，首先介绍了各类无线通信技术和本论文所采用的低功率短距离无线通信技术，随后详细介绍了本系统的所使用的单片机AT89C51和无线收发芯片NRF905。
第三章是对无线数据采集系统（上位机部分）的方案描述，包括单片机主控模块以及外围模块（显示、键盘、串口）和无线传输收发模块的上位机的总体方案，并给出总体结构框图。
第四章介绍了本系统硬件的设计，各模块的具体硬件电路。
第五章介绍了本系统的软件设计，介绍了无线数据采集系统（上位机部分）的整体软件框图，详细介绍了无线收发流程及程序。
第六章课题总结与展望。
2无线通信技术的介绍
2.1无线通信技术的选择
无线通信包括长距离无线通信和短距离无线通信。
长距离无线通信一般要借助基站达到长距离通信的目的，被称为长距离移动通信，比如手机通信。
这种长距离移动通信一般成本都比较高。
随着电子技术的不断进步，短距离无线通信技术在近几年蓬勃发展起来，世界上主要的芯片厂商都推出了无线收发芯片。
短距离无线通信系统的大部分功能都集成到一块芯片内部，一般使用单片数字信号射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块。
所有高频元件包括电感、振荡器等己经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界干扰。
射频芯片一般采用FSK调制方式，工作于IsM频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密防议，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据传输。
新一代短距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点，而且开发简单快速，可以方便地嵌入到各种设备中，实现设备间的无线连接，因此，较适合搭建小型网络，在工业、民用领域得到较为广泛的应用。
对于一个系统来说，无线通信技术的选择主要考虑以下几点：
（1）可以完成系统的功能要求；
（2）对于一个无线测温系统来说，需要对传感器收集到的信号进行处理，并要求系统的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，且对于一个无线系统来说，低功耗也是一项重要的指标；
（3）开发简单。
收发芯片所需的外围元件数量芯片外围元器件的数量直接关系到系统的复杂程度和成本，因此应该选择外围元件少的收发芯片。
通信协议的复杂程度也完全影响了整个系统的开发的复杂性。
（4）成本低
下面是对现在比较常用的几种短距离无线通信技术进行对比，并得到本系统的短距离解决方案。
2.2无线通信技术的发展与现状
随着移动通信需求和远程数据采集量的增加，加之有线传输的费用日益增长，人们正逐渐认识到在许多检测领域采用无线传输的必要性。
在过去的几年中，无线通讯领域取得了很大的进展，这其中包括数字电路和射频电路制作工艺的进步、低功耗电路、高能电池以及微电子技术的采用。
短距离无线通信方案目前有红外通信技术IrDA（InfraredDataAssociation）、IEEE802.ll、蓝牙技术（Bluetooth）、Zigbee、超宽带技术和低功率短距离无线通信技术。
1.红外通信技术（IrDA）
IrDA（InfraredDataAssociation）是由红外数据协会提出并推行的一种无线通信协议，这种通信方式通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线数据的收发。
IrDA设备使用发光二极管发送信号，波长范围875nm主30nm.新制定的超高红外（VFm）标准传输速率达到16Mpbs，相比传统版本的4Mbps快了4倍，接收角度也由原来的30度扩展到120度。
IrDA设备的使用不需要申请特定频率的使用执照，并且还具有体积小，功耗低，技术成熟的优点.IrDA数据传输速率比较高，同时由于是点对点的通信，受到的干扰也较小，目前在成熟度和普及度上，IrDA是新兴的无线通信技术无法比拟的。
但是，IxDA的缺点也很明显.首先IrDA是一种视距传输技术，通信设备中间不能有任何阻挡物，通信设备的位置也需要相对固定，不适宜用于移动数据传输；
其次，IrDA只能实现点对点的无线通信，不能完成点对多点的无线通信；
最后，IrDA设备的核心器件一红外LED容易损坏，因而设备寿命有限。
2.IEEE802.11
IEEE802.11M802.1l是个系列标准，由5个现行有效的标准—{02.11，802.1la，802.1lb，802.1lb-Corl，802.1lc和5个正在发展制定中的标准—802.1ie，802.1lf，802.1lg，802.1lh，802.1li组成.IEEE802.1lb技术标准是无线局域网的国际标准，自发布之日起就得到了广泛的应用，迄今为止仍是应用热点。
该标准工作在2.4GHz的频段上，采用了补码键控（cCK）调制技术和直接序列调频（DSSS）技术，最大传输速率可达11Mbit/s，并且可以根据情况的变化，在11Mbit/s，5.5Mbit/s，2Mbi体，1Mbit/s的不同速率之间自动切换，且在2Mbiffs，1Mbit/s的速率时与802.11兼容，它从根本上改变了WLAN的设计和应用现状，扩大了WLAN的应用领域.现在，大多数厂商生产的WLAN产品都基于802.II标准。
802.1la标准与802.1lb同年制定，它工作在5GHz频段上，使用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）调制技术，支持6，9，12，18，24，36，48和54Mbit/s的传输速率.802.1lb与802.11a两个标准都存在着各自的优缺点。
802.1ib的优势在于价格低廉，但速率较低（最高11Mbit/s）；
而802.1la优势在于传输速率快（最高54Mbit/s）且受干扰少，但价格相对较高。
另外，802.1lb与802.1la工作在不同的频段上，不能工作在同一接入点（AP）的网络里，因此802.1lb与802.1la互不兼容。
为了解决上述问题，IEEE802.11工作组开始定义新的物理层标准802.1lg.802.1lg标准与以前的802.11协议标准相比有以下两个特点:
在2.4GHz频段使用正交频分复用（OFDM）调制技术，使数据传输速率提高到20Mbiffs以上；
能够与802.1lb的Wi.Fi系统互相连通，共存于同一AP的网络里，保障了后向兼容性，延长了802.11b产品的使用寿命，降低了用户的投资。
3.蓝牙技术（Bluetooth）
蓝牙技术作为一种近距离无线连接的全球性开放规范，己经得到了全球众多大企业的支持。
蓝牙技术同时支持语音和数据传输，使用跳频扩频技术，本身包括纠错机制，可靠性高，蓝牙规范的核心部分协议允许多个设备进行相互定位、连接和交换数据，并能实现互操作和交互式应用。
但是蓝牙设备价格昂贵，通信协议复杂，通讯距离近，蓝牙RF定义了三种功率等级（100mw，25mw和lmw），当蓝牙设备功率为lmw时，其发射范围一般为10m。
在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。
对工业，家庭自动化控制和遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化对无线通信的需求越来越强烈。
正因此，经过人们长期努力，Zigbee协议在2003年中通过后，于2004正式问世了。
4.Zigbee技术
Zigbee技术是随着工业自动化对于无线通信和数据传输的需求而产生的，它是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；
每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；
另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。
Zigbee技术的目标就是针对工业，家庭自动化，遥测遥控，汽车自动化、农业自动化和医疗护理等，例如灯光自动化控制，传感器的无线数据采集和监控，油田，电力，矿山和物流管理等应用领域。
另外它还可以对局部区域内移动目标例如城市中的车辆进行定位。
Zigbee网络省电、可靠、成本低、容量大、安全，可广泛应用于各种自动控制领域。
Zigbee技术和RFID技术在2004年就被列为当今世界发展最快，市场前景最广阔的十大最新技术中的两个。
尽管国内不少人已经开始关注Zigbee这项新技术，然而，由于Zigbee本身是一种新的系统集成技术，应用软件的开发必须和网络传输，射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起。
因而深入理解这个来自国外的新技术，再组织一个在这几个方面都有丰富经验的配套的队伍，是一件不容易的事情。
5.超宽带技术
超宽带（uwB）技术陋14J超宽带UWB（UltraWideBand）无线技术出现在60年代，其应用仅限于军事.2002年这项无线技术开始应用于民用通信领域，因而获得了广泛的关注.与传统技术不同，UWB是一种无载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽，它能够实现无线局域网中无线接口的互联和接入，并具有低功耗，高带宽，低复杂度的优点.目前，英特尔公司正在进行研究和开发，以便将UWB集成到个人电脑芯片组中，将其作为10m以内的近距离高速无线传输接口使用.英特尔将UWB定位于"
无线USB2.0"
，当前UWB的传输速率己达到100Mbit/s，其下一个目标是500Mbit/s.然而，UWB作为民用还是一项新技术，还有一些实际问题，如安全问题，干扰问题等有待解决.
6.低功率短距离无线通信技术
该技术一般采用单片数字信号收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块.一般射频芯片采用FSK调制方式，工作于ISM频段，一些必要的外围模块都已经集成在芯片内部，并且提供了简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据芯片提供的操作接口进行操作即可实现基本的数据无线传输功能.由于其功率小，价格低廉，开发简单快速因而在工业，民用领域得到了广泛的应用.但数据传输速度，流量都较小，因此比较适合搭建对数据传输速度要求不高的小型网络.目前，很多公司推出了这种类型的单片无线收发芯片，其中比较典型的是Nordic公司推出的nRF系列芯片.
通过以上几种无线技术的介绍，从系统的经济性、传输速率，确定该系统部分电路设计使用无线收发芯片。
无线收发芯片的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，通讯防议简单透明，技术成熟。
使用该种方案无线通信接口与数据采集系统接口电路设计简单。
无线收发芯片的种类和数量比较多，在设计中选择合适芯片可以提高产品开发周期、节约成本。
2.3器件的选择及介绍
2.3.1无线收发芯片的选择
在选择时，应主要参考以下几点：
（1）收发芯片的数据传输是否需要进行曼彻斯特编码：
采用曼彻斯特编码的芯片，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的内存和程序容量，并且曼彻斯特编码大大降低数据传输的效率，一般仅能达到标称速率的1/3，而采用串口传输的芯片，应用及编程非常简单，传送的效率很高，标称速率就是实际速率，编程方便。
（2）收发芯片所需的外围元件数量：
芯片外围元器件的数量直接关系到系统的复杂程度和成本，因此应该选择外围元件少的收发芯片。
（3）功耗：
大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的，因此功耗也非常重要，应该根据需要选择综合功耗较小的产品。
（4）发射功率：
在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率较高的产品。
（5）收发芯片的封装和管脚数：
较少的管脚以及较小的封装，有利于减少PCB面积降低成本，适合便携式产品的设计，也有利于开发和生产。
常用的无线收发芯片主要有：
（1）CC1000是根据ChiPcon公司的SmartRF技术，在0.350umCMOS工艺下制造的一种理想的超高频单片收发通信芯片。
它的工作频带在315、868及915MHZ，但CC1000很容易通过编程使其工作在300~1000MHz范围内。
它具有低电压（2.3~3.6V），极低的功耗，可编程输出功率（-20~10dBm），灵敏度（一般-109dBm），小尺寸（TSSOP-28封装），集成了位同步器等特点。
其FSK数传速率可达72.8Kbps，具有250HZ步长可编程频率能力，适用于跳频协议:
主要工作参数能通过串行总线接口编程改变，使用非常灵活。
（2）nRF401是挪威NordicVLSI公司推出的单芯片即收发机，专为在433MHzIsM（工业、科研和医疗）频段工作而设计。
该芯片集成了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、FSK解调、双频道切换等功能，具有性能优异、功耗低、使用方便等特点。
nRF401的外围元件很少，仅10个左右。
只包括一个4MHZ基准晶振（可与MCU共享）、一个PLL环路滤波器和一个VCO电感，收发天线合一，没有调试部件，这给研制及生产带来了极大的方便。
（3）nRF903单片射频收发器芯片工作在915MHZ国际通用的ISM频段；
GMSK/GFSK调制和解调，抗干扰能力强；
采用DDS+PLL频率合成技术，频率稳定性好；
灵敏度高达-100dBm，最大发射功率达+10dBm；
数据速率可达7
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