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1、无线数据采集与传输系统设计本科毕业设计(论文)无线数据采集与传输系统设计陈金茹燕 山 大 学2011年6月本科毕业设计(论文)无线数据采集与传输系统设计学 院： 信息科学与工程学院 专 业： 电子信息工程 学生 姓名： 陈金茹 学 号： 0701* 指导 教师： 练秋生（教授） 答辩 日期： 2011年6月25日 燕山大学毕业设计(论文)任务书学院：信息科学与工程学院 系级教学单位：电子与通信工程 学号0701*学生姓名陈金茹专 业班 级07级电子3班题目题目名称基于无线模块的无线数据采集与传输题目性质1.理工类：工程设计 ( )；工程技术实验研究型( )；理论研究型( )；计算机软件型( )

2、；综合型( )2.文管理类( )；3.外语类( )；4.艺术类( )题目类型1.毕业设计( ) 2.论文( )题目来源科研课题( ) 生产实际( )自选题目( ) 主要内容在深入学习单片机原理的基础上，设计基于无线模块或GPRS的远程数据采集系统。系统采集的数据通过无线方式传送给数据中心。系统由单片机、多路开关、放大器、滤波器、A/D、无线模块电路组成。基本要求1.CPU采用51兼容单片机或SPCE061A2.10bit以上A/D，采样频率不小于100Khz3.要求设计硬件电路及系统软件参考资料单片机原理基于GPRS和AT89C52的远程电力监测系统设计，自动化仪表，2009中国期刊全文数据库

3、及相关电子资源周 次第 1 4 周第 5 8 周第9 12周第13 16 周第17 18 周应完成的内容查阅资料熟悉内容方案设计硬件调试软件编程软件调试撰写论文指导教师：练秋生职称：教授 2011年月1日系级教学单位审批： 2011年 3月1日 摘要本论文主要研究基于无线模块CC1100的数据采集与传输系统设计。课题的基本思路：首先由数字式温湿度传感器DHT11对监控点进行数据采集，DHT11将物理信号转换成未编码的二进制数据，传送给单片机STC12C5624AD。其次单片机STC12C5624AD作为系统的核心控制器，通过与无线发送模块CC1100-232连接，同时控制CC1100-232将

4、信号无线传输。最后接收模块CC1100-232接受信号，再将信号发送给监控中心PC机，监测人员对接收到的信息进行显示分析。该系统解决了现代测控技术在环境恶劣的地区，不宜连线环境中应用的技术难题，它可以应用到水表抄表系统、粮库无线测温、远程无线灯控箱、矿井人员监控与跟踪、工业数据采集等。无线数据数据采集与传输技术被广泛地应用于很多领域，尤其是在工业数据采集监控方面。由于现代工业要求快速、准确的获得工业现场的数据，于是就有了远程数据采集和无线模块传输相结合。关键词数据传输；STC SCM；DHT11；无线模块CC1100-232AbstractThis study mainly researche

5、s on data gather and transmission based on RF wireless module. First of all, the digital temperature and humidity sensor DHT11 gather the data from the spot and switch the physical signal into uncoded binary code. Then DHT11 pass the signal to STC SCM. Secondly ,we consider STC SCM as the core of th

6、e system. The STC SCM connects RF wireless module CC1100-232 with serial device and commands CC1100-232 to transfer the signal in wireless way. In the end ,receive module CC1100-232 accepts the signal and remits it to the inspect center. Then the inspector could display and analyze the information t

7、hrough the signal. This system solves the problem of modern measure and control technology cant afford to interlink in wicked and inadvisable environment. It can be used in wireless thermoscope of storehouse lamp control case in long-distance wireless way ,and the inspect slot on mine personnel and

8、industrial data collection . The collection and transmission of wireless data has been used widely in many fields ,especially in charge of industry data gather. As a result of modern industry requests that getting the information of industry spot double-quick and exactly. And then there is a unit of

9、 data collection and wireless module.Keywords Data transmission; STC SCM ;DHT11 ;CC1100-232 第1章 绪论1.1 课题背景随着通信、计算机等技术发展,尤其是远程传输手段的多元化和技术水平的提高,远程无线数据采集与传输技术得到广泛的应用,并成为国际上前沿研究的热点。目前，无线技术迅速发展，远程数据采集和无线模块传输相结合的技术已经广泛地应用于工业测控系统，比如水表抄表系统、粮库无线测温、远程无线灯控箱、矿井人员监控与跟踪、工业数据采集等。这样就方便人员获得远程监测点的信息，更好的对监测点进行控制。通过应用无

10、线数传，不仅能大大提高工作效率,同时也在一定程度上降低了劳动强度。无线数据传输是指利用无线传输模块将工业现场设备输出的各种物理量进行远程传输，如果传输的是开关量，也可以做到远程设备遥测遥控。目前的无线数据传输技术有很多种，例如3G、GSM等。无线模块(RF wireless module)是利用无线技术进行无线传输的一种模块。它被广泛地应用于电脑无线网络、无线通讯、无线控制等领域。无线模块是以无线网络为通信平台，提供标准的RS-232/485/TTL接口，按照工业标准设计，可直接与RTU、PLC、智能仪表、单片机控制器等各种工业现场的下位机设备连接。可以让工业用的RS232/RS485串口设备

11、的串口通信立即转换为GPRS无线网络通信的双向转换数据传输设备。无线数传模块，可以用现在技术人员比较倾向的的GPRS、CDMA这样的通信网络来进行，也可以用专门的无线数传模块来操作，比如ZigBee、微波、WiFi等。与传统的有线传输相比，无线数传模块有很多优点，例如成本廉价、适应性好、扩展性好 、设备维护更容易实现。随着科技的不断进步,无线通信已迅速渗透到生产生活的各个领域，与有线连接的方式相比具有使用灵活、携带方便等优点.从日常生活方面来说,无线产品广泛应用于无线键盘、小区周界防越报警、双车道集中式车库管理、无线点菜、智能家居无线报警系统等领域；从工业生产方面来说,常被应用于粮库无线测温、

12、远程无线灯控箱、矿井人员监控与跟踪、无线烟气脱硫系统、工业数据采集、手持PDA、远程控制等领域，这些产品和系统的大量使用,越来越显示无线模块的重要性。1.2 选题的依据和意义由于工业化的急剧发展，数据采集传输的工作量越来越大。同时数据采集传输系统应用到很多任务业活动中。目前的数据采集传输主要分为两大类：有线数传和无线数传。有线数传是比较传统的方式，包括架设光缆、电缆或者是租用电信专线，这种方式需要长距离的布线，成本高、实时性差，且不适用于远距离传输的情况，所以其应用范围受到了极大的限制。还有比如在节点密集分布的数据采集传输系统中，由于节点数量大并且密集，总是给系统的构建以及维护带来了很大的困难

13、对于郊区且节点多的系统来说不仅通信线路的铺设是一笔巨大的费用,受自然环境的影响也特别大,同时可靠性得不到保障。当今现代化建设和国民经济发展迅速，社会对生产环境和生活环境意识的要求也越来越高。无线网络的飞速发展使得远程数据传输得到广泛的应用，越来越多的企业需要建立快速获得远程数据的系统，远程数据采集和无线模块传输相结合，解决了现代测控技术在环境恶劣的地区，不宜连线环境中应用的技术难题。无线数传为用户提供高速、稳定可靠的数据终端永远在线，多种协议转换的虚拟专用网络。产品支持语音、短信、数据触发上线以及超时自动断线的功能。同时也支持双数据中心备份，以及多数据中心同步接收数据等功能。同时无线数传可实现

14、用户设备到数据中心远程透明数据通信，提供专业工业级产品接口，与用户设备即插即用，安装简单、使用方便。1.3 国内外发展动态由于无线数据传输技术应用的广泛性，各国争相在无线领域有所突破。目前市场采用的无线传输技术可以说是百家争鸣。目前短距离的传输方式主要是射频、蓝牙、ZigBee几种，采用这些技术的设备中，应用最普及且最常被随身携带的是手机，市面上的手机几乎都带有蓝牙功能，对于用户来说，既然可以用手机远程替代操作开关，就没必要来回不停地去开关门。就当前的无线技术类型来看，主流的无线技术不外乎FM、红外、蓝牙和2.4G，最近由2.4G技术衍生出的Kleer技术、FM无线技术，这可能是目前发展最为成

15、熟、应用范围最广、成本最低的无线技术之一了，但是其缺点也很明显，音质不好，容易受干扰。除此之外，由文献7可知，2004年曹玲芝、赵合霞的基于无线收发数传模块PTR2030的温度测控系统设计，在设计当中PTR2030可将温度传感器采集到的温度数据传送给计算机，同时将计算机发出的控制信号传送给单片机，从而实现单片机与计算机之间的无线数据通讯。这是人们实现无线传输很有力的证明。由文献20可知，2009年，戴明和王立凤提出了基于ZigBee的数据采集传输系统设计，此设计功能上实现了转发作用，在采集到被采集点的数据后，封装成上层系统的数据格式，并通过Zigbee模块发送到数据中心主机。这种形式非常适合现

16、代工业的数据采集传输。由文献21可知，2005年司永胜提出基于无线数传技术的农田数据采集系统的设计与开发，该设计主要是将田间采集到的信息(土壤湿度、温度等)进行相应的A/D转换,再将转换后的信号通过电台、GSM或GPRS的无线通信形式进行传输，传送至控制中心。这对改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约原材料消耗以及降低生产成本有着十分重要的意义。通信作为信息社会的三大支柱之一，是人们长期研究的重要课题。在各工程领域测量与控制系统中，如何运用通信技术，实现数据快速、可靠以及有效的传输，确保系统远程监控的实时性和可靠性，是测控系统的重要组成部分。数据采集与工业生产和国民生活息息相关，大到

17、电力部门各变电站的远程监控、矿业生产单位的安全生产，小到社区居民的电表、水表抄表系统，可以看出数据采集系统在许多行业和部门有着大量的应用。1.4 论文研究的基本内容和存在的问题此次毕业设计主要是利用传感器、单片机和无线模块，完成对远程数据的采集、传输和处理。基本内容如下：系统大体由四部分组成，数据采集部分、单片机、无线模块和监控中心。数据采集部分就是数字式温湿度传感器。无线模块通过串口与单片机相连。当系统运行时，数据采集部分将采集到的物理信号进行初步处理，接着单片机对信号进行集中处理，再传送到无线收发模块，到达监控中心之后，监测人员对数据进行分析，可以随时了解监测点的情况。论文共分为五章，章节

18、主要内容如下：第2章在无线模块CC1100的基本性质、数据传送、串口通信以及它的工作原理方面进行了详细的说明。第3章主要是设计了数据采集传输系统的硬件电路。其中包括单片机与无线模块连接、无线模块与计算机的连接。第4章主要是编写数据采集传输系统的程序。程序主要完成数据采集、数据传输等功能。第5章进行数据采集传输系统的软硬件调试，主要解决调试过程中出现的问题。通过无线模块进行数据采集传输，运用在车辆监控、遥控、遥测、工业数据采集系统、小型无线数据终端等方面。随着逐渐应用也暴露出一些问题。(1)可靠性有待改进：实际的通信环境总是存在着各种干扰源，障碍物越密集，对无线通信距离的影响就越大，特别是金属物

19、体的影响最大。例如，直流电机、高压电网、开关电源、电焊机、高频电子设备、电脑、单片机等设备对无线通信设备的通信距离均有不同程度的影响。(2)受环境影响较大：不能在高温、潮湿、低温、强电磁场或灰尘较大的环境中使用。例如，温度升高会导致发射功率减小及接收灵敏度降低，从而减小了通信距离。(3)发射机的射频输出功率和接收机的接收灵敏度有一定的限制。发射功率越大，通信距离越大；从理论上说发射功率可无限制地增加，但实际上由于受成本或技术规定的限制，发射机的输出功率也是有限的。接收灵敏度反映了接收机捕捉微弱信号的功能，接收灵敏度越高，通信距离也越远。但由于受自然界电磁噪声及工业污染、电子元器件固有噪声的影响

20、，-123dBm(即0.158uv)通常被认为是现代无线电通信中纯硬件实现的接收灵敏度的限值，很难突破，即使加上软件纠错也只能再改善1-3dB，如果通信系统的接收灵敏度已接近这一极限值就已无潜力可挖了。第2章 无线模块CC1100-2322.1 无线模块CC1100-232的简介CC1100-232是一种低成本真正单片的UHF(Ultra High Frequency 特高频)收发器，为低功耗无线应用而设计。电路主要设定在315、433、868和915MHZ的ISM(工业、科学和医学)和短距离设备频率波段。CC1100-232收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。这个调制解调器支持不同的调制

21、格式，其数据传输速率可达500kbp/s。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。CC1100-232为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。CC1100的主要操作参数和64位传输/接受FIFO(先进先出堆栈)可通过SPI接口控制。CC1100-232是低功耗模块，最大发射功率为10mW，这时模块达到最佳通信效果。CC1100为用户提供多个载频频段：475MHz、868MHz和915MHz选择(需要定制)。推荐使用433MHz频段，该频段为免费ISM频段免许可证使用(420MHz440MHz)。此模块具有高抗干扰能

22、力和低误码率，基于FSK的调制方式，采用高效前向纠错和信道交织编码技术，提高了数据抗随机干扰和突发干扰的能力，在信道误码率为10-2时，可得到实际误码率10-510-6，传输距离远，在直线可视情况下，天线放置高度位置2米，9600bps可靠传输距离大于200m(BER=10-3/9600bps)；1200bps传输距离可达300m(BER=10-3/1200bps)。高灵敏度(1.2kbps下-110dBm，1%数据包误差率)支持透明的数据传输及DL/645规约，提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议。自动过滤掉空中产生的假数据(所收即所发)；通信软件支持无线抄表系统的DL/64

23、5规约。256个可编程信道(20M频段)在同一个频段可以按照用户200KHz间隔频点则可以提供至少256个信道，满足用户多种通信组合方式。提供3种接口方式。提供3选1接口方式，TTL电平UART接口、标准电平的RS-232或标准的RS-485接口。单芯片设计降低成本，采用专业的单芯片模块设计，降低了用户使用成本。全金属外壳设计(可选)CC1100-232的结构可选为全金属外壳设计，超小型体积；电磁兼容性能极好，可嵌入安装于各种仪表中而不会发生干扰。大的数据缓冲区，接口波特率等于空中有效波特率，提供3种用户可选波特率：4800、9600、19200bps(接口速率最高可设置到19200bps)；

24、数据格式为8N1/8E1/8O1用户自定义，可传输最长为30字节的数据帧，用户编程更灵活。智能数据控制，用户无需编制多余的程序。CC1100-232无线模块是半双工通信，用户也无需编制多余的程序，只要从接口收/发数据即可，其它如空中收/发转换，控制等操作，模块自动完成，简单方便，而且降低了因为程序而带来的逻辑性错误的可能性。多种天线配置方案，同时可以满足不同用户不同的结构需要。可配置镀银弹簧天线、多种增益的柱状天线、吸盘天线等。2.2 无线模块CC1100-232的使用方法2.2.1 CC1100-232的基本性质CC1100-232无线模块由CC1100和单片机Atmega48组成，两者通过

25、串口连接。CC1100-232提供TTL电平接口，可以直接连接串口设备。如需连接PC机的RS232口(如需要调试底层软件，或通过PC远程控制终端设备)，需要连接TTL转RS232的电平转换板.首先是无线模块供电电压：CC1100-232模块使用直流电源，采用宽电源输入设计，工作电压为+2.7V+5.5V。根据用户的需要，它还可以与其它设备共享电源，但请选择纹波系数较好的电源，纹波峰值应该小于200mV。如果有条件话，可采用稳压片单独供电。建议最好不要使用开关电源，如果必须使用开关电源，请注意开关脉冲对无线模块的干扰(瞬间脉冲高压可能对模块造成永久损坏)。另外系统中若有其它设备，则需要可靠接地。

26、若没有条件可靠接入大地，则可自成一地，但必须与市电完全隔离。为发挥模块的最佳性能，建议选择5V供电。连接低电压的串口设备时，模块在+2.7V+3.5V低电压时也能正常工作。但是连接PC机工作时，模块需要5V供电，因为过低电压时，无线模块CC1100-232无法正常传送数据。连接端口的定义：CC1100-232提供1*6针排孔，其模型图如图2.1所示：由图中可以看出，无线模块CC1100-232的外形小巧，连接外端简单明朗。无线模块的天线部分在连接时需要注意，确保天线与其他元器件保持一定距离，因为元器件的固有噪声会影响传输距离。图2-1 CC1100-232的管脚和尺寸图连接端子定义及连接方法如

27、表2-2所示：表2-2 连接端子定义及连接方法管脚定义说明连接到终端备注1SLEEP休眠 - -2RESET复位引脚 -可不连3VCC电源+2.7+5.5V推荐+4.5+5.5V4RXD数据输入串口数据输入TTL电平5TXD数据输出串口数据输出TTL电平6GNDGND地GND -2.2.2 CC1100-232的参数设定CC1100-232参数设定：用户可以通过电脑RS232串口对CC1100-232模块进行简单配置(如果是带RS232串口的可以直接相接；如果模块提供的是TTL或RS485接口的，需连接到相应的转换器)，以修改信道接收频率、信道发射频率、信道波特率、接口波特率和数据格式。无线模

28、块CC1100-232的各种参数设定如下：串口通信波特率设置命令，如表2-3所示：表2-3 串口通信波特率设置表文字命令码波特率说明长度2bytes2bytes01：480002：960003：19200-格式HEXHEX固定A3,3A01信道设置命令，如表2-4所示：表2-4 信道设置文字命令码信道说明长度2bytes1bytes信道取值可以从0x000xff,共计256个信道格式HEXHEX固定A7,7A00模块ID设置命令，如表2-5所示：表2-5 模块ID设置文字命令码模块ID说明长度2bytes2bytes2个字节表示ID号格式HEXHEX固定A9,9A0X00,0x01模块功率设置

29、命令，如表2-6所示：表2-6 模块功率设置文字命令码功率(DBM)说明长度2bytes1bytes目前可以设置0,5,7,10四档dbm格式HEXHEX固定AB,BA0X00读取模块参数命令，如表2-7所示：表2-7 读取模块参数文字命令码返回数据格式长度2bytes1bytes1bytes1bytes1bytes1bytes2bytes格式HEXHEXHEXHEXHEXHEXHEX固定A6,6AA6信道信道速率波特率功率ID2.2.3 CC1100-232的数据传送无线模块CC1100-232的数据发送和接收：CC1100-232是半双工工作的，收发一体模块，即每个模块既可以发送数据，也可

30、以接收数据。过程如下：如果要发送数据，只需要把该字节数据通过串口写入模块，模块收到该字节数据就通过无线发出。如果收到无线数据，则模块自动把该字节数据从串口送出。一次连续发的数据或字符串长度不要大于30，也就是说如果数据长度大于30，则需要分开发送。2.3 CC1100-232的工作原理和组成2.3.1 CC1100-232的工作原理无线模块CC1100的外部引脚的定义，如表2-8所示：表2-8 CC1100的外部引脚的定义引脚编号引脚名引脚类型描述1SCLK数字输入连接配置接口，时钟输入2SO数字输出连续配置接口，数据输出当CSn为高时为可选的一般输出脚3GDO2数字输出测试信号FIFO状态信号时钟输出，从XOSC向下分割连接输入TX数据续表2-84DVDD功率(数字)数字I/O和数字中心电压调节器的+1.8+3.6V数字功率供给输出5DCOUPL功率(数字)对退耦的1.62.0数字功率供给输出注意：这个引脚只对CC2500使用。不能用来对其它设备提供供给电压6GDO0(ATEST)数字I/O测试信号FIFO状态信号时钟输出，从XOSC向下分割连接输入TX数据也用作原型/产品测