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李珏

毕业设计（论文）

课题名称远程无线温度监测分析系统

-无线收发及报警显示部分

学生姓名李珏学号20062021

专业名称通信工程

指导教师姓名张卓

申请学位级别工学学士

学位授予单位河海大学

论文提交日期2010年6月

计算机与信息学院（常州）

河海大学

本科毕业设计（论文）任务书

（理工科类）

1、毕业设计（论文）题目：

远程无线温度监测分析系统-无线收发及报警显示部分

2、毕业设计（论文）工作内容：

计算机网络技术的飞速发展带动了自动化领域的深刻变革,使其向着开放性、网络化方向发展。

基于无线的实时温度监测系统,是通过无线传输方式，连接各生产或测试现场的温度传感器，进行现场温度的在线监测，并可通过上位机软件对现场温度进行记录与曲线分析。

本课题利用无线数传设备、单片机以及网络技术，设计和实现无线远程温度监测。

本课题要求学生掌握：

1、了解监控系统的基本组成结构。

2、熟悉无线传输的基本原理和知识。

3、熟悉单机片接口技术的软硬件开发知识

4、完成无线收发以及报警显示模块的硬件电路

5、完成无线传输的软件程序以及调试

6、给出论文英文摘要、专业英文资料翻译，WORD排版、打印毕业论文。

3、进度安排：

（1）2009年11月―2010年1月：

查阅资料，熟悉课题背景

（2）2010年2月―2010年3月：

熟悉无线收发模块的软硬件开发知识

（3）2010年3月―2010年4月：

熟悉单片机接口的软硬件开发知识

（4）2010年4月―2010年5月：

完成硬件电路及软件程序的开发

（5）2010年5月―2010年6月：

系统调试完善及撰写论文、答辩

4、主要参考资料

[1]李全利.单片机原理及应用技术[M].北京:

高等教育出版社,2001.

[2]李广弟.单片机技术[M].北京:

中央广播电视大学出版社,2001

[3]李全利,迟荣强.单片机原理及接口技术[M].北京:

高等教育出版社,2004.

[4]王福瑞.单片机测控系统设计大全[M].北京:

航空航天大学出版,1998.

指导教师：

张卓时间：

2009-12-1

学生姓名：

李珏专业年级：

20062311

摘要

温度在我们日常生活乃至工业农业生产、国防建设等方面都有着不同程度的影响。

实时监控温度并且对过高温度采取报警方式可以避免很多事故、意外。

但往往有些地点比如矿井不适宜人为采集温度，比如矿井、山洞、河流。

利用传统网络布线的方式不但成本非常高，而且一旦遇到河流山脉等障碍时，有线网络更是束手无策，且可扩充性、灵活性差，所以远程无线温度监测就显得尤为重要。

远程无线温度监测系统主要实现了对温度进行实时远程监控的功能。

系统由四部分组成：

温度测量模块、无线发射接收模块、串口通信模块、上位机模块，可自主采集机房、厂房、病房等各个环境的温度信息，并将温度数据发送至指定的移动终端。

系统利用温度传感器DS18B20对温度信号进行采集，采用AVR单片机MEGA16处理数据并控制无线模块NRF24L01进行无线传输，并利用上位机软件强大的功能对数据进行实时处理、分析、显示以及报警。

温度采集精度达到0.5℃，有效收发距离达100米。

在这次毕业设计中我主要负责无线收发以及报警显示部分。

本系统在农业，工业生产中有广泛的应用，有着良好的市场发展潜力。

关键词：

温度监控，无线传输，报警，MEGA16，NRF24L01

Abstract

Thetemperatureinfluentsourdailylife,eventheindustry,agriculturalproduction,nationaldefenseconstructionindifferentlevel.Real-timetemperaturemonitoringandhightemperaturealarmingcanavoidmanyincidents,accidents.Butoftensomesitesarenotsuitableforcollectingtemperature,suchasmine,caves,rivers.Usingthetraditionalnetworkwiringwaynotonlythecostisveryhigh,butalsooncewhenencountersobstacles,riversandmountainscablenetworkishelpless.Andtheextensibility,flexibilityofcablenetworkispoor.Sotheremotewirelesstemperaturemonitoringisparticularlyimportant.

SystemofRemotewirelessTemperatureSupervisionismainlytoachievethefunctionofreal-timeremotemonitoringofthetemperature.Itconsistsoffourcomponents:

thetemperaturemeasurementmodule,wirelesstransmitterreceivermodule,serialcommunicationmodule,thePCmodule.Thesystemcancollectthetemperatureinformationofrooms,plantandotherindustrialenvironmentsbyitself.Besidesitcantransmitdatatothespecifiedmobileterminal.ThesystemuseatemperaturesensorDS18B20tocollecttemperaturesignal.Iusesingle-chipMEGA16tocontrolwirelessmodulenRF24l01forwirelesstransmission.AndusingthepowerfulfunctionofPCsoftwaretoachieveall-timedataprocessingandanalysis,displayandalarm.Temperaturemeasurementaccuracyreach0.5℃.Theeffectivecommunicationdistanceupto100meters.InthisgraduationdesignI'mresponsibleforthepartofwirelesscommunicationandalarm.Thissystemiswidelyusedinagriculture,industrialproductionandhasagoodmarketpotential.

Keywords:

temperaturemonitoring，wirelesscommunication,alarm,MEGA16，nRF24L01

目录

第一章绪论1

1.1监控系统的基本组成结构1

1.1.1监控系统1

1.1.2闭路监控系统2

1.2无线监控3

1.2.1无线监控和传统的监控方案相比的优点3

1.2.2无线监控应用范围4

1.3课题的主要工作5

第二章温度监控系统的总体设计7

2.1温度监控系统组成7

2.2温度检测设计7

2.3NRF24L01无线数据传输8

2.4串口通信9

2.5上位机软件设计9

2.5.1上位机软件系统概述9

2.5.2功能需求10

第三章无线传输系统硬件设计13

3.1单片机MEGA16概述13

3.1.1MEGA16相关特性13

3.1.2MEGA16的外部中断15

3.1.3引脚配置17

3.2无线收发模块nRF24L01概述18

3.2.1nRF24L01主要特性19

3.2.2引脚功能及描述19

3.2.3工作模式20

3.2.4工作原理20

3.2.5配置字21

3.3无线传输系统设计22

3.3.2nRF24L01外围电路设计22

3.3.3接口电路设计23

3.3.4单片机外围电路的设计23

第四章无线传输系统软件设计25

4.1初始化nRF24l0125

4.2数据发送26

4.3数据接收29

4.4报警模块的设计31

第五章无线传输系统的软硬件调试34

5.1调试软件介绍34

5.2调试过程35

5.2.1调试结果36

5.2.2调试心得37

第六章总结与展望38

致谢39

参考文献41

附录一科技文献翻译43

附录二源程序48

附录三MEGA16引脚图57

附录四nRF24L01引脚图58

附录五发送模块PCB图59

附录六接收模块PCB图60

附录七实物图61

第一章绪论

1.1监控系统的基本组成结构

1.1.1监控系统

　　典型的电视监控系统主要由前端监视设备、传输设备、后端控制显示设备这三大部分组成，其中后端设备可进一步分为中心控制设备和分控制设备。

前、后端设备有多种构成方式，它们之间的联系（也可称作传输系统）可通过电缆、光纤或微波等多种方式来实现。

前端采集系统:

摄像机，镜头，云台，智能球形摄像机

视频传输系统:

传输线缆、光纤传输，同轴电缆传输，网线传输，无线传输

终端显示系统:

dvr硬盘录像系统，视频矩阵，画面处理器，切换器，分配器

图1.1管理所网络监控系统

监控不单纯指闭路电视监控系统，但传统意义上说的监控系统系统由前端摄像机（包括：

半球摄像机、红外摄像机、一体机等）加中端设备（光端机、网络视频服务器等）加后端设备主机（硬盘录像机、矩阵等）组成。

1.1.2闭路监控系统

　　典型的闭路监控系统主要由摄像机部分、传输部分、控制与记录部分以及显示部分四大块组成。

　　摄像部分是电视监控系统的前沿部分，是整个系统的“眼睛”。

在被监视场所面积较大时，在摄像机上加装变焦距镜头，使摄像机所能观察的距离更远、更清楚；还可把摄像机安装在电动云台上，可以使云台带动摄像机进行水平和垂直方向的转动，从而使摄像机能覆盖的角度更大。

图1.2华赛奥监控系统

在某些情况下，特别是在室外应用的情况下，为了防尘、防雨、抗高低温、抗腐蚀等，对摄像机及其镜头还应加装专门的防护罩，甚至对云台也要有相应的防护措施。

　　传输部分就是系统的图像信号通路。

一般来说，传输部分单指的是传输图像、声音信号。

同时，由于需要有控制中心通过控制台对摄像机、镜头、云台等进行控制，因而在传输系统中还包含有控制信号的传输。

　　在传输方式上，近距离一般采用视频线传输，不超过一两公里的距离一般采用同轴电缆传输，更远的距离则可采用光纤传输。

对于远距离传输，还需配备视频信号放大、图像信号的较正与补偿设备。

　　控制与记录部分负责对摄像机及其辅助部件（如镜头、云台）的控制，并对图像、声音信号的进行记录。

目前硬盘录像机的技术发展得较完善，它不但可以记录图像和声音，而且还包含了画面分割切换、云台镜头控制等功能，基本上取代了以往使用的画面切换器、画面分割器、云台控制器、镜头控制器等产品。

如果客户要求能对云台、镜头（特别是高速球）进行非常方便的控制，则可以加配控制键盘。

　　显示部分一般由几台或多台监视器组成。

在摄像机数量不是很多，要求不是很高的情况下，一般直接将监视器接在硬盘录像机上即可。

如果摄像机数量很多，并要求多台监视器对画面进行复杂的切换显示，则须配备“矩阵”来实现。

　　目前监控系统随着计算机的发展水平的提高，已经由模拟系统向数字化系统转变，数字化系统在功能上较模拟系统完善，操作极其智能化和集中化等。

　　监控系统适用场所包括：

政府机关、电力电信、监狱、军队、银行、金库、超市、商场、宾馆、小区、学校、办公楼、道路监控等。

1.2无线监控

无线监控就是指不用布线（线缆）利用无线电波来传输视频、声音、数据等信号的监控系统。

目前比较常用的有，模拟微波视频传输，数字微波视频传输，无线网桥，或者用电信和移动的通讯网络CDMA，TD-SCDMA（这种方式价格昂贵，而且图像不实时，每秒也就几贞图像，延时大概有10几秒钟，图像大小大概也就352*288），前面两种方式是目前比较常用的。

1.2.1无线监控和传统的监控方案相比的优点

1、综合成本低。

只需一次性投资，无须挖沟埋管，特别适合室外距离较远及已装修好的场合；在许多情况下，用户往往由于受到地理环境和工作内容的限制，例如山地、港口和开阔地等特殊地理环境，对有线网络、有线传输的布线工程带来极大的不便，采用有线的施工周期将很长，甚至根本无法实现。

这时，采用无线监控可以摆脱线缆的束缚，有安装周期短、维护方便、扩容能力强，迅速收回成本的优点。

2、组网灵活，可扩展性好，即插即用。

管理人员可以迅速将新的无线监控点加入到现有网络中，不需要为新建传输铺设网络、增加设备，轻而易举地实现远程无线监控。

3、维护费用低。

无线监控维护由网络提供商维护，前端设备是即插即用、免维护系统。

　　无线监控系统是监控和无线传输技术的结合，它可以将不同地点的现场信息实时通过无线通讯手段传送到无线监控中心，并且自动形成视频数据库便于日后的检索。

　　在无线监控系统中，无线监控中心需要实时得到被监控点的视频信息，并且该视频信息必须是连续、清晰的。

在无线监控点，通常使用摄像头对现场情况进行实时采集，摄像头通过视频无线传输设备相连，并通过由无线电波将数据信号发送到监控中心。

1.2.2无线监控应用范围

　　该设备可以广泛应用于范围广、分布散的安全监控、交通监控、工业监控、家庭监控等众多领域。

如：

●　取款机、银行柜员、超市、工厂等的无线监控

●看护所、幼儿园、学校提供远程无线监控服务

●电力电站、电信基站的无人值守系统

●石油、钻井、勘探等无线监控系统

●智能化大厦、智能小区无线监控系统

●流水线无线监控系统，仓库无线监控系统

●森林、水源、河流资源的远程无线监控

●户外设备无线监理

●桥梁、隧道、路口交通状况无线监控系统

随着无线技术的日益发展，无线传输技术应用越来越被各行各业所接受。

无线监控作为一个特殊使用方式也逐渐被广大用户看好。

其安装方便、灵活性强、性价比高等特性使得更多行业的监控系统采用无线监控方式，建立被监控点和监控中心之间的连接。

无线监控技术已经在现代化小区、交通、运输、水利、航运、治安、消防等领域得到了广泛的应用。

图1.3“看得远”无线监控行业应用图

1.3课题的主要工作

计算机网络技术的飞速发展带动了自动化领域的深刻变革,使其向着开放性、网络化方向发展。

基于无线的实时温度监测系统,是通过无线传输方式，连接各生产或测试现场的温度传感器，进行现场温度的在线监测，并可通过上位机软件对现场温度进行记录与曲线分析。

本课题利用无线数传设备、单片机以及网络技术，设计和实现无线远程温度监测。

本课题主要要求：

1、了解监控系统的基本组成结构。

2、熟悉无线传输的基本原理和知识。

3、熟悉单机片接口技术的软硬件开发知识。

4、完成无线收发以及报警显示模块的硬件电路。

5、完成无线传输的软件程序以及调试。

6、给出论文英文摘要、专业英文资料翻译，WORD排版、打印毕业论文。

第二章温度监控系统的总体设计

2.1温度监控系统组成

无线温度监控系统由五个环节组成：

单片机控制下的DS18B20芯片的温度数据测量；单片机MEGA16与无线模块NRF24L01的数据发送模块；MEGA16与NRF24L01的数据接收模块；串口通信模块；上位机软件。

温度检测实在MEGA16芯片的控制下实现的，MEGA16单片机对温度传感器DS18B20进行初始化，在需要时读取芯片内寄存器16比特位温度数据。

NRF24L01芯片间的数据无线传输完全由单片机MEGA16控制，数据接收完毕由单片机控制串口发送到上位机中，由上位机对采集到的数据进行处理，分析，显示和报警。

整个系统结构如图2.1所示。

图2.1系统整体结构

2.2温度检测设计

市场上的温度传感器的种类很多，综合考虑成本和性能因素，设计时选择了集成数字化温度传感器，如果选用模拟的温度传感器，就必须通过放大器、滤波器、A/D转换电路之后才能得到系统需要的数字信号。

因此，选择一种自带编码的数字温度传感器会使设计简单化，体积小型化。

由美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器DS18B20，可以把温度信号直接转换成数字信号，而且每片DS18B20含有唯一的64位序列号，测温范围是-55℃至+125℃，完全符合一般测试环境的要求。

每一个DS18B20有唯一的系列号，因此多个DS18B20可以存在同一条单线总线上，这样就可以在许多不用的地方放置温度灵敏器件进行测温，DS18B20芯片引脚和内部结构如图2.2所示，

图2.2DS18B20芯片引脚

当DS18B20接受到温度转换的命令后，开始启动转换。

转换完成后就以9位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。

单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后。

2.3NRF24L01无线数据传输

nRF24L01A是Nordic公司生产的无线收发芯片。

该芯片只需要极少的外围器件，即可实现高速的无线数据收发，是无线射频芯片中的佼佼者。

nRF24L01是一款工作在2.4~2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。

无线收发器包括:

频率发生器、增强型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置极低的电流消耗当工作在发射模式下发射功率为-6dBm时电流消耗为9.0mA接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。

设计中采用的工作模式是ShockBurstTM模式，大大降低了功耗。

发射主要通过接口引脚CE、CLK1和DATA来完成。

当单片机请求发送数据时，置PWR、CE为高电平，此时接收机地址和有效传输数据在时钟CLK1的控制下按BIT位依次写入NRF24L01芯片，写入完成后置CE为低电平激活发送。

接收主要使用引脚CD、DR1、CLK1和DATA来实现，当正确配置射频包输入载荷的地址和数据BIT大小后，置CE为高电平可激活RX。

此后MEGA16单片机监控NRF24L01模块的DR1引脚，若为高电平，表明已接收到有效数据。

单片机便控制CLK1引脚以时钟形式读出有效载荷数据，待系统收到全部数据后，NRF24L01自动置DR1为低电位。

2.4串口通信

Max232属于Max220-249系列，Max220-249系列线驱动器/接收器，专为EIA/TIA-232E及V.28/V.24通信接口设计，尤其是无法提供正负12V电源的应用，这些器件特别适合电池供电系统，这是由于其低功耗关断模式可以将功耗减小到5μW以内。

其特点是：

对于低电压、集成ESD应用、+3.0V至+5.5V、低功耗、最高1Mbps、真正的RS-232收发器，使用4个0.1µF外部电容。

MAX232系列芯片可以完成TrL与EIA电平的双向转换，MAX232内部有电压倍增电路和转换电路，仅需+5V电源便可工作，不需另外电源供电。

其中MAXIM232E芯片还具有±15kVESD保护，符合欧洲ESD（静电放电）标准，最大传输速率为120kBIT／s，双发送接收通道。

Max232的电路连接图如图2.3。

2.5上位机软件设计

2.5.1上位机软件系统概述

1.开发目标

本软件系统的开发旨在实现通过下位机数据实现温度的采集，存储，传输与监控，实现串口通信与数据库编程，实现对数据的分析与记录，对意外数据的处理及超出额定数据的报警功能。

提供友好的人机界面，并提供易于扩充的接口及灵活的处理以适应系统的进一步扩展。

2.开发计划

本系统在下位机完成的基础上开发，各阶段开发计划如下：

a）进行需求设计：

完成功能需求、性能需求与数据需求，确定需求计划；完成功能模块的划分；

b）进行概要设计：

对系统所需数据进行采集分析，制定与下位机的串口通信协议与数据协议；进行数据库设计，建立数据库；

c）进行详细设计：

完成各功能模块的详细设计与编码；

d）调试与测试：

通过串口调试工具向虚拟串口发送数据，完成上位机软件的调试；与下位机进行联调，在不同的环境与温度下进行测试；报警功能测试。

3.运行环境

Windows操作系统:

WindowsXP/Vista/Win7或WindowsNT/2000/2003

.NETFramework3.0或更高版本

MicrosoftMsChart组件

数据库管理软件:

MicrosoftOfficeAccess2007

2.5.2功能需求

1.系统功能描述

本系统是温度监控系统的上位机部分，实现数据采集与监控，根据业务流程，可将系统所需的主要功能分为系统设置、串口通信、数据分析与存储、报警检测、曲线显示等模块：

a）系统设置：

根据通信协议与系统的需要，对系统主要参数进行设置，包括对串口号、波特率、取温度时间间隔、数据库连接、报警数据阀值等的设置。

b）串口通信：

主要功能是根据与下位机的数据协议与通信协议，与下位机进行数

图2-3业务流程图

据传输通信，将监测到的温度数据通过下位机进行传输，并保存在缓冲区以供调取。

c）数据分析与存储：

主要功能为将缓冲区内的数据提取，并根据协议分析出收到温度的主机号、温度的正负值与温度数值，并将数据与接收数据的时间保存在数据库中。

d）报警检测：

主要功能为根据设置的报警数据阀值，与收到的数据进行比较，若数据超出阀值则进行报警通知。

e）曲线显示

主要功能为从数据库中调取近期温度数据，将之形成数据曲线显示在监视屏上。

对应上位机所需功能，业务处理方式如图2-3所示。

第三章无线传输系统硬件设计

硬件模块是以单片机为核心的，并由RS-232驱动器、串口、无线收发模块nRF24l01等部分组成。

我们在器件选型时，就要考虑到器件的速度、精度的匹配问题，并妥善解决功能与硬件资源之间矛盾。

下面就将介绍上述各部分的硬件设计方案。

3.1单片机MEGA16概述

单片机是系统的核心控制器件，因此选择合适的单片机非常重要。

选择单片

机应考虑以下因素：

●存储器容量

存储容量是指程序存储器ROM的容量和数据存储器RAM的容量。

ROM

的容量决定所存储的程序的最大长度。

RAM的容量意味着中间数据处理量的大