大学毕设论文基于nrf905的无线温度监控系统设计论文与应用论文.docx
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大学毕设论文基于nrf905的无线温度监控系统设计论文与应用论文
编号：
毕业设计说明书
题目：
基于NRF905的无线温度
监控系统设计与应用
学院：
信息与通信学院
专业：
电子信息工程
学生姓名：
丘华云
学号：
0901130434
指导教师：
纪元法
职称：
教授
题目类型：
理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发
2013年6月5日
摘要
在现代工业生产活动中，温度作为一种可以实际测量的重要参数，能起到对设备运行状态、生产环境等外界因素进行实时监控的作用，以保证整个生产活动高效开展，因此准确且实用的温度数据采集系统具有举足轻重的作用。
然而，生产环境的多变性、不确定性，导致许多工作场所不太方便布线，需要采用无线传输方式。
该文主要介绍了由nRF905无线收发模块、12C5A08S2单片机、DHT11温湿度、MQ-3、MQ135传感器组成的无线温度测量系统。
该设计以射频收发芯片nRF905为核心，以模块搭建设计为指导思想，搭建无线温度测量系统，系统主要由数据采集模块和无线传输模块组成。
数据采集模块以传感器DHT11、MQ-3、MQ135检测温湿度、酒精浓度、空气质量，并将检测的参数简单处理后经过nRF905无线模块发送到接受接口。
无线数据传输模块通过nRF905芯片进行数据的收发处理，最后将采集到的数据通过电平转换芯片MAX232传到PC机。
关键词:
无线传输；数据采集；nRF905；
Abstract
Activitiesinthemodernindustrialproduction,thetemperatureasanactualmeasurementoftheimportantparameters,canplaytheroleofthereal-timemonitoringofthedeviceoperationstatus,theproductionenvironment,andotherexternalfactors,inordertoensurethattheentireproductionactivitiesarecarriedoutefficiently,thereforeaccurateandpracticaltemperaturedataacquisitionsystemhasapivotalrole.However,thevariabilityoftheproductionenvironment,uncertainty,resultinginmanyworkplaceslessconvenientwiringrequirestheuseofwirelesstransmission.
ThispaperintroducesthenRF905wirelesstransceivermodule,12C5A08S2MCU,DHT11temperatureandhumidity,MQ-3,MQ135sensorwirelesstemperaturemeasurementsystem.ThedesignofRFtransceiverchipnRF905moduleconstructiondesignastheguidingideology,tobuildawirelesstemperaturemeasurementsystem,thesystemismainlycomposedofdataacquisitionmoduleandwirelesstransmissionmodule.DataacquisitionmoduletothesensorDHT11,MQ-3,theMQ135detectingtemperatureandhumidity,thealcoholconcentration,theairquality,andthedetectedparameterisasimpletreatmentafternRF905wirelessmoduleissenttothereceivinginterface.WirelessdatatransmissionmodulenRF905chiptransmitandreceivedata,atlast,thecollecteddatathroughthelevelconverterchipMAX232tothePC.
.
Keywords:
wirelesstransmission;datacollection;nRF905;
引言
随着社会的进步和生产的需要，利用无线通信进行温度数据采集的方式应用已经渗透到生活各个方面。
在工业现场，由于生产环境恶劣，工作人员不能长时间停留在现场观察设备是否运行正常，就需要采集数据并传输数据到一个环境相对好的操控室内，这样就会产生数据传输问题。
由于厂房大、需要传输数据多，使用传统的有线数据传输方式就需要铺设很多很长的通讯线，浪费资源，占用空间，可操作性差，出现错误换线困难。
而且，当数据采集点处于运动状态、所处的环境不允许或无法铺设电缆时，数据甚至无法传输，此时便需要利用无线传输的方式进行数据采集。
在农业生产上，不论是温室大棚的温度监测，还是粮仓的管理，传统上都是采取分区取样的人工方法，工作量大，可靠性差。
而且大棚和粮仓占地面积大，检测目标分散，测点较多，传统的方法已经不能满足当前农业发展的需要。
当前的科技水平下，无线通信技术的发展使得温度采集测量精确，简便易行。
在日常生活中，随着人们生活水平的提高，居住条件也逐渐变得智能化。
如今很多家庭都会安装室内温度采集控制系统，其原理就是利用无线通信技术采集室内温度数据，并根据室内温度情况进行遥控通风等操作，自动调节室内温度湿度，可以更好地改善人们的居住环境。
以上只是简单列举几个现实的例子，在现实生活中，这种无线温度采集系统已经被成功应用于工农业、环境监测、军事国防、机器人控制等许多重要领域，而且类似于这种温度采集系统的无线通信网络已经被广泛的应用到民用和军事领域。
凡是布线繁杂或不允许布线的场合都希望能通过无线方案来解决。
为此，需要设计相应的接口系统，控制这些射频芯片工作，完成可靠稳定的无线数据通信，这样的研究也变得更加有意义了。
目前，在工业数据采集应用领域，都采用无线方式进行远距离数据传输。
和传统的有线传输方式相比，无线传输网络具有巨大的优越性。
基于此，本文介绍一种基于通用低功耗单片机和多信道单片收发芯片nRF905的无线温度数据采集模块。
系统集成12C5A08S2单片机在低功耗应用方面的优势和nRF905特有的多频道支持及功耗低、易控制等优点，以及DHT11的单总线数据传送模式，特别适合于低功耗、小数据量的无线数据传输系统。
无线测量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，已广泛应用于工业等各个领域。
在数据传输方式上，目前数据采集系统基本上是使用有线方式进行数据的采集及传输，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；由于有线方式其应用受现场环境和应用对象的限制，无线传输方式成为现今数据采集的主要研究方向。
无线单片技术利用射频方式进行非接触双向通信自动识别对象并获取相关数据，具有精度高﹑环境适应能力强﹑传输范围广﹑信息量大等优点。
近年来，无线单片技术已被广泛应用于工业自动化﹑商业自动化等众多领域。
随着无线射频技术、微电子技术及集成电路技术的进步，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。
短距离无线通信技术是近年来的研究热点，短距离无线技术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，短距离无线技术可轻松实现多路数据采集。
随着计算机技术的发展和集成电路技术在信号处理中的广泛应用，现代的测量系统在数字信号处理方面的能力也大大加强了，形成了数字化测量技术。
数字化测量就是借助于各种类型的传感器检测外部世界的各种信号，并转换成电信号，然后进行信号调理和A/D转换，使之转换成为能够在数字系统中进一步处理的数字信号。
具体来说，就是将温度、湿度、气体密度等物理信号转化为数字量。
目前，传感器正不断朝着多功能性和智能性方向发展。
无线测量技术就是将集成测量技术与无线射频技术结合，测量温度、湿度等环境参数并利用无线技术进行数据传输。
目前，已经将传感器技术和新兴的无线通信技术相结合，力图通过数据传输的无线化来达到智能家居中布线不便时对室内生活环境指标数据的采集。
随着计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术和信息技术的迅猛发展与提高，人们对所居住的环境提出了更高的要求，在这种形势下发展出了“智能家居”这一概念。
目前，智能家居通常被定义为利用通信、网络和综合布线技术，通过家庭信息管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机地结合的一个系统。
智能家居首先要实现对所有家电设备和家居环境的监视，满足家居网络与外界进行通信的要求，实现家庭的远程监控和信息的交换。
智能家居的最终目的就是满足人们对安全、舒适和方便的现代生活理念的追求。
智能家居中，对当前环境状况的监测分析是首要的，无线数据采集系统即是针对智能家居中对室内生活环境指标如温度和湿度等进行采集分析的解决方案。
近年来，智能控制技术已取得了突飞猛进的发展，并日益显示出其重要价值。
智能控制已成为多种学科的综合与集成，吸引了全球不同领域、不同学科的众多专家学者，进行着广泛的研究工作，并不断探索新的方法、新的理论和新的有效的实际应用。
人们正在努力使用智能控制技术进入工程化和实用化的阶段，智能控制已渐渐渗透到人们生产、生活的各个领域，成为人们生活的重要组成部分。
随着科学技术的发展和社会的进步，电子技术、计算机技术等的革新，无线测量技术必定会广泛应用于各领域，智能控制必将迎来发展的新时期，智能控制的未来一定会更加美好。
关于温度智能控制，现在已经有了许多新的器件和方法，并且有些已经运用到实际生活和生产当中，比如美国达拉斯公司生产的DHT11温度巡检器，采用单线总线结构，通过一根I/O线与主控CPU进行数据和命令的传送。
再如基于反射强度调制的光纤温度巡检系统，光纤传输距离可达1km以上，检测精度也可显著提高。
而更为先进的是，某些粮仓已经在尝试将有线控制变位无线控制，利用无线传感器来实现粮情检测和智能控制。
这些新器件新方法的应用，给温度智能控制带来了新的气息。
1研究内容
本课题主要是进行基于无线传输模块的温度数据接受系统的设计，本系统由无线传输模块、单片机控制单元、显示模块、蜂鸣器报警模块和上位机远程监测五部分组成。
本课题将新兴的无线通信技术和远程监控技术相结合，力图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、工业测控现场温度等指标数据的采集。
本课题提出了一种有效的数据采集分析方案，设计并实现了一种基于基于无线射频收发模块nRF905跟12C5A08S2单片机为核心，以低功耗和模块化为设计原则的温度数据采集无线传输系统。
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测温系统。
（1）针对实际应用需求设计系统总体方案，完成了温度数据无线数据传输的结构设计。
（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。
（3）设计无线收发方案，并通过软件控制nRF905无线传输模块工作模式等方式实现系统的低功耗设计。
（4）完成无线数据发收模块调试及相关配置。
主要包括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。
具体实现显示、12C5A08S2及nRF905等器件外接电路接口的软、硬件调试。
2实现方法
本系统是通过单片机控制无线传输来实现对温湿度、酒精浓度、空气质量数据的接受,利用可视化编程技术实现远程监控，是12C5A08S2单片机为控制单元，以nRF905无线传输模块为温湿度、酒精浓度、空气质量数据接受单元，实现温湿度、酒精浓度、空气质量的接受、显示、控制，同时用串口连接到PC机上实现温湿度、酒精浓度、空气质量的实时监控如可显示实时温度，就是一套通过无线方式实现温湿度、酒精浓度、空气质量的接受显示系统。
基于无线收发芯片nRF905的温度测量系统主要由五个模块构成，分别为无线收发模块、单片机控制模块、蜂鸣器报警模块、显示模块以及PC机监测模块。
总系统框图如下图2.1所示。
图2.1总系统框图
3系统方案分析与选择论证
3.1系统方案设计
3.1.1主控芯片方案
方案一：
采用AT89S52八位单片机实现。
单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。
而且体积小，硬件实现简单，安装方便。
既可以单独对多DS18B20控制工作，还可以与PC机通信.运用主从分布式思想，由一台上位机（PC微型计算机），下位机（单片机）多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统,实现远程控制。
另外AT89C51在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。
方案二：
12C5A08S2单片机是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路，8路高速10位A/D转换（250K/S,即25万次/秒），针对电机控制，强干扰场合。
考虑到此系统需要用到A/D，系统的复杂,从性能和价格上综合考虑我们选择方案一，即用12C5A08S2作为本系统的主控芯片。
3.1.2无线通信模块方案
方案一：
采用GSM模块进行通信，GSM模块需要借助移动卫星或者手机卡，虽说能够远距离传输，但是其成本较大、且需要内置SIM卡，通信过程中需要收费，后期成本较高。
方案二：
采用TI公司CC2430无线通信模块，此模块采用Zigbee总线模式，传输速率可达250kbps，且内部集成高性能8051内核。
但是此模块价格较贵，且Zigbee协议相对较为复杂。
方案三：
采用nRF905单片无线收发器是挪威Nordic公司推出的单片射频发射器芯片，工作电压为1.9-3.6V，32引脚QFN封装（5mm×5mm），工作于433/868/915MHz3个ISM频道。
可以工作于ShockBurst（自动处理前缀、地址和CRC方式）。
内置电压调整模块，最大限度地抑制噪音，为系统提供1.9~3.6V的工作电压，载波检测。
由于nRF905功耗低，工作可靠nRF905没有复杂的通信协议，完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信，因此很适用于无线数据传输系统的设计。
它可应用在:
无线数据通讯、报警和安全系统、自动测试系统、家庭自动化控制、遥控装置、监测、车辆安全系统、工业控制、远程遥控及其它短距离无线高速应用。
考虑到系统的复杂性和程序的复杂度，我们采用方案三作为本系统的通信模块。
3.1.3温湿度传感器方案
方案一：
采用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测1摄氏度的信号是不适用的。
方案二：
采用单片模拟量的温度传感器，比如AD590,LM35等。
但这些芯片输出的都是模拟信号，必须经过A/D转换后才能送给计算机，这样就使得测温装置的结构较复杂。
另外，这种测温装置的一根线上只能挂一个传感器，不能进行多点测量。
即使能实现，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件实现的难度。
方案三：
采用带有A/D转换功能的数字温度传感器,DHT11现成的带有A/D转换功能的数字温度传感器DHT11直接输出的数字信号，与单片机通信。
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。
湿度测量范围是20~90%RH，对于12位的分辨率为5%RH，测量范围为0度~+50度，对于14位的分辨率为2度。
其温湿度的测量范围相对方案二窄，但其价格较低，经济实惠。
因此可以非常容易实现多点测量。
轻松的组建传感器网络。
3.1.4显示模块方案
方案一：
选择主控为ST7920的带字库的LCD12864来显示信息。
12864是一款通用的液晶显示屏，能够显示多数常用的汉字及ASCII码，而且能够绘制图片，描点画线，设计成比较理想的结果。
方案二：
采用字符液晶LCD1602显示信息，1602是一款比较通用的字符液晶模块，能显示字符和数字等信息，且价格便宜，容易控制。
方案三：
采用LED7段数码显示管显示，其成本低，容易显示控制，但不能显示字符。
综合以上方案，我们选择了经济实惠的字符液晶LCD12864来作为接收端的显示。
发送端用LCD5110显示。
3.1.5单片机与PC机通信方案
采用RS-232串口与PC机通信。
3.2系统最终方案设计
环境温度参数监测是环境研究和火灾安全防备的重要手段，传统的有线定点采集、人工上报，这种方法正逐渐被新的技术所代替。
目前常用的技术是基于无线模块的环境监测方式，但是在一些用途精度要求不是很高的场所，如单位或家庭火灾安全监测，这样的产品价格过于昂贵，协议比较复杂，缺少灵活度。
针对这一情况，本文利用12C5A08S2单片机和nRF905设计了一个无线温度采集系统。
一般传统的温度传感器的输出信号均为模拟信号，需经过放大电路和A／D转换后才能与单片机连接，系统结构比较复杂。
因此采用带有A／D转换功能的单片机12C5A08S2简化了系统外围电路。
nRF905是Nordic公司推出的单片射频发射器芯片，可以自动完成处理字头和CRC，配置简单方便，功耗低。
本文的系统不仅克服了温度采集系统在使用空间上的局限性，而且大大简化了系统硬件电路。
本文设计的无线节点温度采集系统能够用于实际多点温度采集，结果也表明系统工作稳定，数据可靠，可以应用于室内和室外的温度监测。
4系统模块硬件设计
系统硬件主要包含：
由DHT11芯片构成的温湿度采集电路、nRF905芯片构成的无线节点模块与PC与单片机的串口通信系统。
4.1NRF905无线收发模块
nRF905可以自动完成处理字头和CRC（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动完成解码，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，在接收模式时电流为12.5mA。
nRF905单片无线收发器工作由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成。
ShockBurst工作模式的特点是自动产生前导码和CRC，可以很容易通过SPI接口进行编程配置。
nRF905工作详情
nRF905采用Nordic公司的VLSIShockBurst技术。
ShockBurst技术使nRF905能够提供高速的数据传输，而不需要昂贵的高速MCU来进行数据处理/时钟覆盖。
通过将与RF协议有关的高速信号处理放到芯内，nRF905提供给应用的微控制器一个SPI接口，速率由微控制器己设定的接口速度决定。
nRF905通过ShockBurst工作模式在RF以最大速率进行连接时降低数字应用部分的速度来降低在应用中的平均电流消耗。
在ShockBurstRX模式中，地址匹配AM和数据准备就绪DR信号通知MCU一个有效的地址和数据包已经各接收完成。
在ShockBurstTX模式中，nRF905自动产生前导和CRC校验，数据准备就绪DR信号通知MCU数据传输已经完成。
总之，这意味着降低MCU的存储器需求也就是说降低MCU成本，又同时缩短软件开发时间。
各管脚的详细功能介绍如下表4.1所示：
表4.1各管脚的详细功能
管脚
名称
管脚功能
说明
1
VCC
电源
电源+3.3-3.6VDC
2
TX_EN
数字输入
工作模式选择
3
TRX_CE
数字输入
使能芯片发射或接收
4
PWR_UP
数字输入
芯片上电
5
Uclk
时钟输出
（未使用）
6
CD
数字输出
载波检测
7
AM
数字输出
地址匹配
8
DR
数字输出
接收或发射数据完成
9
MISO
SPI接口
SPI输出
10
MOSI
SPI接口
SPI输入
11
SCK
SPI时钟
SPI时钟
12
CSN
SPI使能
SPI使能
13、14
GND
地
接地
nRF905有两种工作模式和两种节能模式。
两种工作模式分别是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM发送模式，两种节能模式分别是关机模式和空闲模式。
nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三个引脚决定。
与射频数据包有关的高速信号处理都在nRF905片内进行，数据速率由微控制器配置的SPI接口决定，数据在微控制器中低速处理，但在nRF905中高速发送，因此中间有很长时间的空闲，这很有利于节能。
由于nRF905工作在ShockBurstTM模式，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。
在ShockBurstTM接收模式下，当一个包含正确地址和数据包被接收到后，地址匹配（AM）和数据准备好（DR）两引脚通知微控制器。
在ShockBurstTM发送模式，nRF905自动产生字头和CRC校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。
由以上分析可知，nRF905的ShockBurstTM收发模式有利于节约存储器和微控制器资源，同时也减小了编写程序的时间。
下面具体详细分析
4.1.1NRF905的发送流程和接收流程
典型的nRF905发送流程分以下几步：
1．当微控制器有数据要发送时，通过SPI接口，按时序把接收机的地址和要发送的数据送传给nRF905，SPI接口的速率在通信协议和器件配置时确定；2．微控制器置高TRX_CE和TX_EN，激发nRF905的ShockBurstTM发送模式；3．nRF905的ShockBurstTM发送：
射频寄存器自动开启、数据打包（加字头和CRC校验码）、发送数据包、当数据发送完成，数据准备好引脚被置高；4．AUTO_RETRAN被置高，nRF905不断重发，直到TRX_CE被置低；5．当TRX_CE被置低，nRF905发送过程完成，自动进入空闲模式。
ShockBurstTM工作模式保证，一旦发送数据的过程开始，无论TRX_EN和TX_EN引脚是高或低，发送过程都会被处理完。
只有在前一个数据包被发送完毕，nRF905才能接受下一个发送数据包。
nRF905接收数据流程：
1．当TRX_CE为高、TX_EN为低时，nRF905进入ShockBurstTM接收模式；2．650us后，nRF905不断监测，等待接收数据；
3．当nRF905检测到同一频段的载波时，载波检测引脚被置高；
4．当接收到一个相匹配的地址，地址匹配引脚被置高；
5．当一个正确的数据包接收完毕，nRF905自动移去字头、地址和CRC校验位，然后把数据准备好引脚置高；
6．微控制器把TRX_CE置低，nRF905进入空闲模式；
7．微控制器通过SPI口，以一定的速率把数据移到微控制器内；
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