基于蓝牙的环境监测系统设计毕业论文.docx

1、基于蓝牙的环境监测系统设计毕业论文 毕业设计(论文)题 目：基于蓝牙的环境监测系统设计学院名称： 电气工程学院 指导老师： 职 称： 班 级：通信工程专业2021级01班 学 号： 学生姓名： 2021年05月15日1、前言1.1蓝牙技术的开展 蓝牙Bluetooth是一种全球统一开放式短间隔 无线连接技术。1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司等五家著名厂商，在结合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术，其宗旨是提供一种短间隔 、低本钱的无线传输应用技术。这五家厂商还成立了蓝牙特别兴趣组，以使蓝牙技术可以成为将来的无线通信标准。芯片霸主Intel公司负责半导体芯片

2、和传输软件的开发，爱立信负责无线射频和挪动 软件的开发，IBM和东芝负责笔记本电脑接口规格的开发。1999年下半年，著名的业界巨头微软、摩托罗拉、三康、朗讯与蓝牙特别小组的五家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织，从而在全球范围内掀起了一股“蓝牙热潮。全球业界即将开发一大批蓝牙技术的应用产品，使蓝牙技术呈现出极其广阔的市场前景，并预示着21世纪初将迎来波澜壮阔的全球无线通信浪潮。 产品的日益丰富以及价格程度的不断降低使蓝牙这项技术变得越来越有人缘。根据研究机构Millward Brown的一份最新调查结果显示：在全球消费者对于主流传输技术的认知程度和整体印象中，蓝牙以85高居榜首，排在第二位和第

3、三位的分别是57的SB和53的Wi-Fi。可见蓝牙已经完完全全融入我们的生活，并让我们的生活变得更加轻松。 蓝牙的数据传输技术在随着蓝牙的广泛应用在不断的开展，也应用在环境监测方面。传统的环境监测系统中，一般测试点到控制器的接线为点到点的方式，接线复杂、布线困难，存在抗干扰才能差、工作不稳定、系统测试精度低等问题。假如周边环境恶劣，会导致线缆的腐蚀和老化，从而降低了系统的可靠性和抗干扰性。环境中有一些分散的传感器，这些设备可能会随着环境的改变而调整，同时错综复杂的线缆也需要重新铺设，工作量较大，因此考虑应用蓝牙无线技术解决这类问题。 蓝牙无线技术对我国的信息化建立来说，既是挑战也是机遇。蓝牙无

4、线技术可以允许手机 、便携设备、个人电脑、笔记本电脑和第三方的接入设备互相连接在一起。几乎每一种带有微控制器的产品都将有望提供蓝牙技术支持，每一部挪动 、每一台手持设备或计算机产品都将配置蓝牙接口。甚至车辆中也会装备数个蓝牙接口，以实现非接触式诊断、车辆遥控或被窃车辆跟踪等。可能应用的形式几乎可以深化到全球的各个角落和浸透到各个领域。环境监测的核心目的是提供代表环境质量现状及变化趋势的数据，判断环境质量，评价当前主要环境问题，为环境管理效劳。环境监测是科学管理环境和环境执法监视的根底。环境监测是环境保护必不可少的根底性工作。它及时、准确、全面地反映环境质量及开展趋势，为环境规划与管理、环境影响

5、与评价、污染控制及政府宏观决策提供科学根据。因此环境监测的意义重大。 2、系统设计2.1 设计思路本系统以STC89C52RC和ATmega128两款单片机芯片作为发送和接收两局部的主控制器，发送局部实现对环境温度和湿度的数据采集，并通过蓝牙模块发送到接收机上。接收局部实现对蓝牙模块接收到的数据进展处理，并在3.2寸TFT上实时的显示温度和湿度曲线，同时完成TFT上的触摸菜单项选择择功能。整个系统的通信方式有两种，一种是处理器和蓝牙之间的通信，比方将采集的数据经过处理发送给蓝牙模块传送出去；另外一种是不同型号的处理器之间的通信，在本系统中使用STC89C52RC和ATmega128两款不同型号

6、的单片机之间的串口通信。系统的根本框图如下图：图2.1.1 系统根本框图2.2 系统组成 系统主要分为发射和接收两大局部，发射局部的控制器主要实现对蓝牙发送AT指令设置其工作方式使其发送数据、对温度传感器DS18B20和湿度传感器DHT11进展读写操作和通过并行口完成对12864液晶的读写控制，使其将温湿度实时地显示出来。温度传感器和湿度传感器主要根据对外界的温度、湿度进展检测，并在控制器发出数据采集指令后将采集的温湿度数据传送给单片机进展处理。接收局部的控制机主要实现对蓝牙发送AT指令设置其工作方式并接收发射端的数据、对TFT彩屏完成静态显示、刷屏、温湿度曲线显示等、对SD卡的读写和触摸屏的

7、中断操作的功能。发射和接收局部的功能构造图如下图：图系统功能构造图2.3 系统方案论证与选择 控制器方案论证与选择方案一：采取FPGA或者CPLD控制。近年来，可编程器件开展很快，在很多方面都得到了广泛的应用。采用大规模的可编程器件来完成系统的控制是一种很不错的解决方案，它具有体积小、改动灵敏的特点。用它们作为系统的“神经中枢，可以采用VHDL或者Verilog语言来描绘。但是一般来说，复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)集成的门数目不会很多。现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array) 是新

8、一代的可编程器件，但是需要外部的配置芯片，否那么断电后，保存在RAM中的程序会丧失。这个方案特别适用于大型、高速、复杂系统的控制，但是本系统中，考虑到本钱和制作难易程度，没有采用这个方案。方案二：采取MCS51系列单片机作为控制器。MCS51系列单片机是一种廉价的，应用极为广泛的单片机，它体积小，功能强大。可以用汇编或者C语言进展开发。并且这种单片机的接口电路丰富。缺点是运行速度不够快，12个时钟周期一条指令，假如用12MHz的晶振，执行一条指令最快也要1us。因此不合适高速的控制。方案三：采用AVR单片机ATmega128作为主控制器。8位的ATmega128共64只管脚，53个可承受5V电

9、压的I/O口，128K 字节的系统内可编程Flash( 具有在写的过程中还可以读的才能，即RWW)、4K 字节的EEPROM、4K 字节的SRAM、32个通用工作存放器、实时时钟RTC、4 个灵敏的具有比拟形式和PWM 功能的定时器/ 计数器(T/C)、两个USART、面向字节的两线接口TWI、8 通道10 位ADC( 具有可选的可编程增益)、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI 串行端口、以及六种可以通过软件选择的省电形式，理想的低功耗工作形式更能起到节电的作用。因此ATmega128控制芯片能很好的满足系统设计需求。方案选择：在本系统中，发射局部只是完成数据采集、液晶显示和串口通信等

10、并不算很复杂的功能，从本钱和系统设计的易行性来比拟，选择MCS51系列的STC89C52RC 8位单片机作为主控制器。接收局部要完成TFT彩屏的异步中断方式的触摸屏信号和蓝牙的串口通信，需要用到单片机的两个串口，而且在对TFT彩屏的图片显示上对速度有一定的要求，应选择ATmega128作为接收局部的主控制器。 温度检测模块方案论证与选择 方案一：采用感温型电阻作为测温模块。一般感温型电阻会随着环境温度的升高阻值会出现下降，因此测量他们的阻值可以在经过计算之后到达测温的目的。将系统电路中测出感温电阻两端的电压，再经过A/D转换器将电压值转换成数字值，根据电压和温度的关系表可以算出实际室温。由此可

11、以看出，该方案设计复杂，而且精度不高，本钱也较高。方案二：采用温度传感器DS18B20作为测温模块。DS18B20是单线数字式温度传感器，可实现-55C到+125C范围内的温度测量，适应电压范围宽，由于DS18B20为IIC器件，每个传感器都有其独有的序号，故可以实现多点组网测温功能。可编程的分辨率为912位，最高精度为0.0625C，转换速度快，操作简便，只需要将数据口连接到单片机上进展编程便可以实现测温的功能。方案选择：综合比拟，选择方案二，使用温度传感器DS18B20作为测温模块，用STC89C52RC单片机对其编程。 湿度检测模块方案论证与选择 方案一：采用温湿度传感器DHT11作为湿

12、度检测模块。 DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准熟悉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和卓越的长期稳定性。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、抗干扰才能强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在即为准确的湿度校验室中进展校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型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，信号传输间隔 可达20米以上，使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用

13、场合的最正确选择。产品为4针单排引脚封装，连接方便。方案二：采用湿度传感器HS1100作为湿度检测模块的核心。 HS1100是基于独特工艺设计的电容元件，它在标准环境下不需校正，可以在长时间饱和下快速脱湿，对环境湿度很敏感，其制作是自动化焊接的，包括波峰焊或水浸，具有高可靠性与长时间稳定性，可用于线性电压或频率输出回炉，反响时间快，但是其制成的电路容易受到外界其他环境的影响以致影响精度，而且制作本钱较高。 方案选择：综合比拟，由于DHT11制作简便，不易受到温度等环境的影响，而且本钱较低，应选择方案一，采用温湿度传感器DHT11作为湿度检测模块。 人际交互界面方案论证与选择方案一：使用数码管进

14、展显示。按键用于信息输入。可采用周立功公司消费的ZLG7290芯片来配合控制器对数码管和按键进展控制，该芯片具有I2C 串行接口，只需占用控制器3个管脚，便可方便地控制数码管显示和检测按键。但是该显示过于粗糙，人机交互界面不够友好。 方案二：使用TFT彩色液晶屏显示。TFT的显示采用“背透视的照射方式，使其显示效果非常出色， 3.35宽电压范围供电，内部有ILI9325控制器来驱动TFT，TFT采用四线制电阻屏，刷屏速度快，带有触摸屏功能，可以省去按键电路的制作。人机交互界面机器友好，操作简便，可以实时的显示温度、湿度曲线，同时TFT模块集成有SD卡模块，可以通过对SD卡的读写在屏幕上显示不同

15、的友好界面。方案选择：数码管不能显示汉字，而TFT带触摸功能，可省去按键，更使画面生动有趣。故人机交互界面模块选择方案二，采用TFT彩色液晶屏显示。2.4 本章小结3、系统硬件电路设计3.1 蓝牙硬件电路设计本系统中核心局部是蓝牙，蓝牙在整个系统中起着传输数据的作用，并且要求可以实现与不同型号的单片机通信。本小节主要介绍蓝牙的概念、蓝牙的系统组成、蓝牙协议和HC-05蓝牙模块电路等。 蓝牙简介 蓝牙，是一种支持设备短间隔 通信一般10m内的无线电技术。能在包括挪动 、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进展无线信息交换。利用“蓝牙技术，可以有效地简化挪动通信终端设备之间的通信，

16、也可以成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络构造以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM即工业、科学、医学频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。蓝牙Bluetooth是由东芝、爱立信、IBM、Intel和诺基亚于1998年5月共同提出的近间隔 无线数字通信的技术标准。 其目的是实现最高数据传输速度1Mb/s有效传输速度为721kb/s、最大传输间隔 为10米，用户不必经过申请便可利用2.4GHz的ISM工业、科学、医学频带，在其上设立79个带宽

17、为1MHz的信道，用每秒钟切换1600次的频率、滚齿方式的频谱扩散技术来实现电波的收发。在日常应用中，电子装置彼此可以透过蓝牙而连接起来，省去了传统的电线。透过芯片上的无线接收器，配有蓝牙技术的电子产品可以在十公尺的间隔 内彼此相通，传输速度可以到达每秒钟1兆字节。以往红外线接口的传输技术需要电子装置在视线之内的间隔 ，而如今有了蓝牙技术，这样的费事也可以免除了。 蓝牙技术的优势：支持语音和数据传输；采用无线电技术，传输范围大，可穿透不同物质以及在物质间扩散；采用跳频展频技术，抗干扰性强，不易窃听；使用在各国都不受限制的频谱，理论上说，不存在干扰问题；功耗低；本钱低。蓝牙的优势：传输速度慢。

18、蓝牙的技术性能参数：有效传输间隔 为10cm10m，增加发射功率可到达100米，甚至更远。收发器工作频率为2.45GHz ，覆盖范围是相隔1MHz的79个通道从2.402GHz到2.480GHz 。数据传输技术使用短封包，跳频展频技术，1600次/秒，防止偷听和防止干扰；每次传送一个封包，封包的大小从126287bit；封包的内容可以是包含数据或者语音等不同效劳的资料。数据传输带宽为同步连接可到达每个方向32.6Kbps，接近于10倍典型的56kb/s Modem的模拟连接速率，异步连接允许一个方向的数据传输速率到达721kb/s，用于上载或下载，这时相反方向的速率是57.6kb/s；数据传输

19、通道为留出3条并发的同步语音通道，每条带宽64kb/s；语音与数据也可以混合在一个通道内，提供一个64kb/s同步语音连接和一个异步数据连接。网络连接使用加密技术，同时采用口令验证连接设备，可同时与其他7个以内的设备构成蓝牙微网Piconet，1个蓝牙设备可以同时参加8个不同的微网，每个微网分别有1Mb/s的传输频宽，当2个以上的设备共享一个Channel时，就可以构成一个蓝牙微网，并由其中的一个装置主导传输量，当设备尚未参加蓝牙微网时，它先进入待机状态。 蓝牙系统组成蓝牙系统由无线单元、链路控制单元、链路管理组成： （1）无线单元蓝牙是以无线LAN的IEEE802.11标准技术为根底的，使用

20、2.45GHz ISM全球通自由波段。蓝牙天线属于微带天线，空中接口是建立在天线电平为0dBm根底上的，遵从FCC美国联邦通信委员会有关0dBm电平的ISM频段的标准。当采用扩频技术时，其发射功率可增加到100mW。 （2）链路控制单元链路控制单元即基带描绘了硬件基带链路控制器的数字信号处理标准。基带链路控制器负责处理基带协议和其它一些低层常规协议。 A建立物理链路：微微网内的蓝牙设备之间的连接被建立之前，所有的蓝牙设备都处于待命(standby)状态。此时，未连接的蓝牙设备每隔1.28s就周期性地“监听信息。每当一个蓝牙设备被激活，它就将监听划给该单元的32个跳频频点。跳频频点的数目因地理区

21、域的不同而异。作为主蓝牙设备首先初始化连接程序，假如地址，那么通过寻呼(page)消息建立连接；假如地址未知，那么通过一个后接寻呼消息的查询(inquiry)消息建立连接。在最初的寻呼状态，主单元将在分配给被寻呼单元的16个跳频频点上发送一串16个一样的寻呼消息。假如没有应答，主单元那么按照激活次序在剩余16个频点上继续寻呼。从单元收到从主单元发来的消息的最大延迟时间为激活周期的2倍(2.56s)，平均延迟时间是激活周期的一半(0.6s)。查询消息主要用来寻找蓝牙设备。查询消息和寻呼消息很相像，但是查询消息需要一个额外的数据串周期来搜集所有的响应。 假如微微网中已经处于连接的设备在较长一段时间

22、内没有数据传输，蓝牙还支持节能工作形式。主设备可以把从设备置为保持hold形式，在保持形式下，只有一个内部计数器在工作。从设备也可以主动要求被置为保持形式。一旦处于保持形式的单元被激活，那么数据传递也立即重新开场。保持形式一般被用于连接好几个微微网的情况下或者耗能低的设备。B过失控制：基带控制器有3种纠错方式。1/3比例前向纠错(1/3FEC)码，用于分组头；2/3比例前向纠错(2/3FEC)码，用于局部分组；数据的自动恳求重发方式ARQ，用于带有CRC循环冗余校验的数据分组。过失控制用于进步分组传送的平安性和可靠性。 C验证和加密 蓝牙基带局部在物理层为用户提供保护和信息加密机制。验证基于“

23、恳求-响应运算法那么，采用口令/应答方式，在连接进程中进展，它是蓝牙系统中的重要组成局部。它允许用户为个人的蓝牙设备建立一个信任域，比方只允许主人自己的笔记本电脑通过主人自己的挪动 通信。 加密采用流密码技术，适用于硬件实现。它被用来保护连接中的个人信息。密钥由程序的高层来管理。网络传送协议和应用程序可以为用户提供一个较强的平安机制。3 链路管理器链路管理器(LM)软件模块设计了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其它一些协议。链路管理器可以发现其它蓝牙设备的链路管理器，并通过链路管理协议(LMP)建立通信联络。链路管理器提供的效劳工程包括：发送和接收数据、设备号恳求LM可以有效地查询和报告名

24、称或者长度最大可达16位的设备ID、链路地址查询、建立连接、验证、协商并建立连接方式、确定分组类型、设置保持方式及休眠方式。 4软件构造和协议体系 A软件构造：蓝牙设备应具有互操作性，即任何蓝牙设备之间都应可以实现互通互连，这包括硬件和软件。对于某些设备，从无线电兼容模块和空中接口，直到应用层协议和对象交换格式，都要实现互操作性；而另外一些简单的设备如耳机的要求那么宽松得多。蓝牙方案的目的就是要确保任何带有蓝牙标记的设备都能进展互换性操作。软件的互操作性始于链路级协议的多路传输、设备和效劳的发现，以及分组的分段和重组。蓝牙设备必须可以彼此识别，并通过安装适宜的软件识别出彼此支持的高层功能。互操

25、作性要求采用一样的应用层协议栈。不同类型的蓝牙设备对兼容性有不同的要求如用户不能奢望头戴式设备内含有地址簿。蓝牙的兼容性是指它具有无线电兼容性，有语音收发才能及发现其它蓝牙设备的才能，更多的功能那么要由手机、手持设备及笔记本电脑来完成。为实现这些功能，蓝牙软件构架必须利用现有的标准，而不是再去开发新的标准。设备的兼容性要求可以适应蓝牙标准和现有的协议。 软件构造的功能有：配置及故障诊断工具、自动识别其它蓝牙设备、电缆仿真、与外网设备的通信、音频通信与呼叫控制和商用卡的交易与号簿网络协议。 蓝牙的软件体系是一个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑。适用于几种不同商用操作系统的蓝牙标准正在完善中。

26、蓝牙标准接口可以直接集成到蜂窝 、笔记本电脑等设备中，也可以通过PC卡或USB接口附加设备连接。B协议体系：设计协议和协议栈的主要原那么是尽可能地利用现有各种高层协议，保证现有协议与蓝牙技术的交融以及各种应用之间的互通性；充分利用兼容蓝牙技术标准的软硬件系统和蓝牙技术标准的开放性，便于开发新的应用。蓝牙标准包括Core和Profiles两大局部。Core是蓝牙的核心，主要定义蓝牙的技术细节；Profiles局部定义了在蓝牙的各种应用中的协议栈组成，并定义了相应的实现协议栈。这样就为全球兼容性打下了根底。 蓝牙标准主要定义的是底层协议，也定义了一些高层协议和相关接口。详细的协议按SIG的需要分为

27、4层：a)核心协议：它是蓝牙协议的关键局部。包括基带局部协议和其它低层链路功能的基带/链路控制期协议；用于链路的建立、平安和控制的链路管理器协议LMP；描绘主机控制器接口的HCI协议；支持高层协议复用、帧的组装和拆分的逻辑链路控制和分配协议L2CAP；发现蓝牙设备提供效劳的SDP协议等。b)RFCOM电缆替代协议：它是一种仿真协议，在蓝牙基带协议上仿真RS-232控制和数据信号，为上层协议提供效劳。c)TCS 控制协议：它是面向比特的协议，定义蓝牙设备间建立数据和话音呼叫的控制信令和处理蓝牙TCS设备群的挪动管理进程；AT-Command控制命令集是定义在多用户形式下控制挪动 、调制解调器和用

28、于仿真的命令集。d)与Internet相关的高层协议 它定义了与Internet相关的PPP、UDP、TCP/IP协议及无线应用协议WAP。两个蓝牙设备必须具有一样的协议组成才能进展互相的通信。 HC-05蓝牙模块 在本系统中，采用的是广州汇承公司的HC-05蓝牙模块，其具有以下功能特点：灵敏度误码率到达-80dB简单的外围设计电路蓝牙版本2.0,，带EDR，调制度为2Mbps-3Mbps内置2.4GHz天线，用户无需调试天线外置8Mbit的Flash低电压3.3V工作可选PIO控制标准HCI端口UART或者USBUSB协议：Full Speed USB1.1RoHS制程引脚半孔工艺2.4GH

29、z无线数字发射与接收自适应跳频技术蓝牙Class 2功率级别协波干扰：2.4MHz，发射功率：3dBCSR BC04蓝牙芯片技术误码率：0，但会在传输链路产生信号衰变，才有误码，如RS232和TTL线路处理的线路中该蓝牙模块具有PIO0-PIO11、AIO0、AIO1、USB、PCM、UART及SPI接口，内置8MFlash，功能强大，用户可以自己定制软件，适用于各种蓝牙设备。在出厂时已经配置好主机和从机的参数，上电通过自动搜索即可完成主机和从机的配对，初始配对密码为1234。该模块的电路原理图如下列图所示：图 HC-05蓝牙模块电路原理图该蓝牙包括三个模块，由于单片机是5V电源，出来的高电平

30、是5V，故需要一个3.3V电源，该电路中采用三端稳压器LM1117-3.3V，输入5V，输出为3V电源。图中的C1和C2均为去耦电容。蓝牙模块电源是3.3V供电，1、2脚分别为串行数据的输入和输出，26脚外接按键，长按时可以去除蓝牙的配对记忆，24脚输出为LED指示灯，当指示灯为500mS亮、500mS灭时表示在搜索配对，当指示灯为200mS亮、1S灭时表示已经配对成功。单片机输入输出为TTL电平，而蓝牙模块需要CMOS电平，中间需要电平转换，本系统中采用的MAX232电平转换芯片，C3、C4、C5、C5均为10F的去耦滤波作用的瓷片电容，二极管D1具有稳压作用。3.2 STC89C52RC单

31、片机硬件电路设计 本系统中，发射局部采用的是比拟常见的STC89C52RC单片机，其价格廉价，但功能强大，在发射局部起着数据采集、数据处理、与蓝牙通信等作用，本小节主要介绍STC89C52RC单片机内部资源、工作原理、系统电路设计等。 STC89C52RC芯片介绍 STC89C52RC是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有乖巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52RC为众多嵌入式控制应用系统提供高灵敏、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门

32、狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断构造，全双工串行口。另外 STC89C52RC 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电形式。空闲形式下，CPU 停顿工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停顿，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。 STC89C52RC单片机的功能特点如下：标准的MCS-51内核和指令系统片内8kROM可扩大64kB外部存储器32个双向I/O口256x8bit内部RAM可扩大64kB外部存储器3个16位可编程定时/计数器时钟频率3.5-12/24/33MHz向上或向下的定时器/计数